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1、- 1 -圆周运动的向心力及其应用圆周运动的向心力及其应用【学习目标】 1、理解向心力的特点及其来源 2、理解匀速圆周运动的条件以及匀速圆周运动和变速圆周运动的区别 3、能够熟练地运用力学的基本方法解决圆周运动问题 5、理解外力所能提供的向心力和做圆周运动所需要的向心力之间的关系，以此为根据理解向心 运动和离心运动。 【要点梳理】 要点一、物体做匀速圆周运动的条件 要点诠释：要点诠释： 物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂 直的合外力的作用下做匀速圆周运动。 说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解 运动和力关系的
2、基本方法。 要点二、关于向心力及其来源 1、向心力 要点诠释要点诠释 （1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力. （2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。（3）向心力的大小：2 2vFmammrr向向向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积； 对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角 速度的平方； 线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的 半径。如果是匀速圆周运动则有：22 222 244vFmammrmrmrfrT向向（4）向心力的方向：与速度方向垂直，
3、沿半径指向圆心。 （5）关于向心力的说明： 向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力； 匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向， 不能改变速度的大小； 无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的 大小是不变的，仅方向不断变化。 2、向心力的来源 要点诠释要点诠释 （1）向心力不是一种特殊的力。重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力 或分力都可以作为向心力。 （2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)：- 2 -要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别 1、从向心力看匀速圆周运动和变
4、速圆周运动 要点诠释：要点诠释： （1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体 受到的合外力完全充当向心力的角色。 例如月球围绕地球做匀速圆周运动，它受到的地球对它的引力就是合外力，这个合外力正 好沿着半径指向地心，完全用来提供月球围绕地球做匀速圆周运动的向心力。 （2）在变速圆周运动中，向心力只是物体受到的合外力的沿着半径方向的一个分量。 例如用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，它的受力情况如图所示，物体- 3 -受到线的拉力 F拉和重力 mg 的作用，其合力分解为两个分量：向心力和切向力。不难看出：FFmgcos拉向sinmgF切向心力改
5、变着速度的方向，产生向心加速度；切向力与线速度的方向相同或者相反，改变 着线速度的大小使得物体做变速圆周运动。 2、从圆周运动的规律看匀速圆周运动和变速圆周运动 要点诠释：要点诠释： （1）匀速圆周运动和变速圆周运动所适用的共同规律无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动向心加速度的大小总是：22 rrv mFa向 向（公式中的每一个量都是瞬时量，任何一个时刻或者任何一个位置都可以用公式计算向心加速度。 ）换一种说法就是：在圆周运动中的任何时刻或位置，牛顿运动定律都成立，即22 mrrvmmaF向向例如上面的例子，用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，在图中所示的位置用牛顿第二定律可得：2
6、 2mvFFmgcosmamrr拉向向切切mamgFsin（2）只适用于匀速圆周运动的计算公式：22 2222 224m4mF44frTrfrTra向向因为在匀速圆周运动的过程中各个量大小的平均值和瞬时值是相等的；如果将上式用在变速圆周运动中，计算的结果仅是一个意义不大的粗略的平均值。 要点四、圆周运动的实例- 4 -1、水平面上的圆周运动 要点诠释：要点诠释： （1）圆锥摆运动：小球在细线的拉力和重力作用下的在水平面上的匀速圆周运动，如图所示：向心力来源：物体重力和线的拉力的合力，沿着水平方向指向圆心。力学方程：22 22sin4sinsintanTlmlmlvmmamg问题讨论：a.物体加
7、速度与夹角的关系：tanga ，向心加速度越大时，夹角越大。b.角速度与夹角的关系：coslg，可见角速度越大时，夹角越大。（2 2）在水平圆盘上随圆盘一起转动物体）在水平圆盘上随圆盘一起转动物体 向心力的来源： 如图，在竖直方向上重力和支持力平衡，物体做圆周运动的向心力由物体所受的静摩擦力 提供。静摩擦力的方向： 当物体做匀速圆周运动时，这个静摩擦力沿着半径指向圆心； 当做变速圆周运动时，静摩擦力还有一个切线方向的分量存在，用来改变线速度的大小。 静摩擦力的变化：当水平圆盘的转速增大时，物体受到的静摩擦力也随之增大，当物体所需要的向心力大于 最大静摩擦力时，物体将相对于圆盘滑动，变为滑动摩擦
8、力。 2、竖直平面内的圆周运动 要点诠释：要点诠释： （1）汽车过拱形桥 在竖直面内的圆周运动中可以分为：匀速圆周运动和变速圆周运动。对于匀速圆周运动处 理起来一般比较方便。对于变速圆周运动，定量的计算通常是在圆周的最高点和最低点处用牛OF lm F向 O1 rmg- 5 -顿第二定律。例如：汽车通过半圆的拱形桥，因为桥面对汽车提供的只能是支持力。汽车在点位置最高时，对车由牛顿第二定律得：RvmFmgN2 为了驾驶安全，桥面对车的支持力必须大于零，即0NF 从而解得车的速度应满足关系vgR（如果gRv ，在不计空气阻力的情况下，车将做平抛运动）汽车在位置时有22NNv v mgF mmg si
9、nF mRR径又0NF 解得vgRsin（2）汽车通过圆弧型的凹处路面如图在最低点处，对车运用牛顿第二定律得：rmvmgFN2 桥面对车的支持力rmvmgFN2 可见，随着车的速度增大，路面对车的支持力变大。 要点五、圆周运动中的超重与失重 1、超重与失重的判断标准 要点诠释：要点诠释： （1）运动物体的加速度方向向上或者有向上的分量时，物体处于超重状态，物体对水平支持面 的压力大于自身的重力。 （2）运动物体的加速度方向向下或者有向下的分量时，物体处于失重状态，物体对水平支持面- 6 -的压力小于自身的重力。 2、圆周运动中的超重与失重现象 要点诠释：要点诠释： （1）失重现象：在竖直面上的
10、圆周运动，物体处在圆周的最高点附近时，向心加速度竖直向下， 物体对支持物的压力小于自身重力。例如在拱形桥顶运动的汽车，由上面计算有RvmmgFN2 ，它对于桥面的压力小于重力。（2）超重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最低点附近时，向心加速度竖直向上， 物体对支持物的压力大于自身重力。例如汽车通过圆弧型的凹处路面在最低点处， 桥面对车的支持力rmvmgFN2 大于自身重力。 要点五、关于离心现象 1、外力提供的向心力与做圆周运动需要的向心力之间的关系对物体运动的影响 要点诠释：要点诠释： （1）外力提供的向心力：是某个力、几个力的合力或者是合力在半径方向上的分量，是实实在 在的相互作
11、用。 （2）做圆周运动需要的向心力：是指在半径为 r 的圆周上以速度 v 运动时，必须要这么大的一 个力，才能满足速度方向改变的要求。 （3）供需关系对物体运动的影响： 外力提供的向心力等于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做圆周运动； 外力提供的向心力小于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做远离圆心的运动离心 运动外力提供的向心力大于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做靠近圆心的运动也可称之为向心运动2、离心现象及其运用要点诠释：要点诠释：（1）被利用的离心现象：洗衣机甩干衣服：水珠和衣服之间的附着力不足以提供水珠高速转动时需要的向心力，而做离心运动从而脱离衣服，使得衣服变干。离心沉淀器：悬
12、浊液在试管中高速转动时，密度大于液体密度的小颗粒做离心运动，密度小于液体密度的小颗粒做向心运动，从而使得液体很快被分离。离心水泵：水在叶轮转动的作用下做离心运动，从而使得水从低处运动到高处，等等。（2）需要防止的离心现象：高速转动的砂轮会因为离心运动而破碎，造成事故；火车或者汽车会因为转弯时的速度过大而出现侧滑、倾翻，造成人员伤亡等。【典型例题】类型一、水平面上在静摩擦力作用下的圆周运动- 7 -例例 1 1、在水平转动的圆盘上距转动中心 10cm 处放着一物块，物块随圆盘一起转动。若物块质量mkg 01 .，圆盘转速为s/ r 1n，求物块与圆盘间的静摩擦力。【思路点拨】明确向心力的来源，知
13、道向心加速度的大小此题便得到解决。【解析】由题意可知，物块 m 做匀速圆周运动，其向心加速度224nran。对圆周运动的物块受力分析：该物块除受重力和支持力（一对平衡力）外，还受一个沿圆盘平面的摩擦力，这个摩擦力就是物块受到的合力，也就是它做匀速圆周运动的向心力。所以有Nnmrmafn394. 0422,摩擦力的方向指向圆心。【总结升华】静摩擦力提供物块做匀速圆周运动的向心力，方向沿着半径指向圆心，切不可认为与线速度的方向相反。类型二、汽车转弯问题例例 2 2、一辆 4 吨的汽车以 36km/h 的速度来到一个交叉路口，若它转弯的半径为 25m，求地面对车轮提供的静摩擦力多大？【思路点拨】汽车
14、在水平方向转弯时，汽车受到的重力和地面对它的支持力是一对平衡力，地面对车的静摩擦力提供汽车做圆周运动的向心力。【解析】对汽车受力分析知，汽车受到的重力和地面对它的支持力是一对平衡力，地面对车的静摩擦力提供汽车做圆周运动的向心力，3610vkm / hm / s。所以摩擦力：22 33104 1016 1025vfmNNR【总结升华】从计算过程的公式可以看出，汽车速度越大，转弯半径越小，地面需给的静摩擦力越大。因为地面提供的静摩擦力受最大值的限制，故汽车转弯时应适当减速，并且尽量不要急转弯。否则它需要的向心力得不到满足，汽车将做离心运动而偏离公路出现事故。举一反三【高清课程：匀速圆周运动题型分析
15、高清课程：匀速圆周运动题型分析 例例 5】5】【变式】铁路弯道的内外侧铁轨往往不在同一水平面上，质量为 M 的火车，以恒定的速率在水平面内沿一段半径为 r 的圆弧道转弯，受力如图所示，已知内外铁轨的倾角为。- 8 -（1）车的速率 v0为多大时，使车轮对铁轨的侧压力正好为零? （2）如果火车的实际速率 vv0，分析铁轨对车轮的施力情况。【答案】内内内内内内内内内内内内内内;vv;vvgrtanv 000类型三、竖直面上的匀速圆周运动例例 3 3、飞行员驾机在竖直平面内做匀速圆环特技飞行，若圆环半径为 1000m，飞行速度为100m/s，求飞行在最高点和最低点时飞行员对座椅的压力是自身重量的多少倍？（g=10m/s2）【思路点拨】飞机在竖直平面内做匀速圆周运动，分别在最高点和最低点对飞行员应用牛顿第二定律即可求解。【解析】对飞行员在圆周的最低点处和最高点处分别进行受力分析，如图所示：由牛顿第二定律得rvmFmgrgv mgFgrvmFrvmmgF222 1212121 在最高点时，那么则在最低点时，- 9 -012 222 rgv mgFgrvmF所以，飞机飞至最低点时，飞行员对座椅的压力是自身重量的两倍，飞至最高点时，飞行员对座椅无压力。【总结升华】理解运动情景，正确的受力分析是解题的关键。类型四、动力学综合问题例例 4 4、如图所示，已知绳长l=0.2m，水平杆长 L=0
