师:各位同学,大家好。今天我们学习的内容是高一物理粤教版必修二,曲线运动与天体运动的复习。我们先来进行网络知识的回顾。曲线运动主要包含两部分内容,一是抛体运动,二是圆周运动。
我们先看抛体运动,它主要包含这些知识:做曲线运动的条件,以及物体运动的合成与分解,这是解决物体做曲线运动问题的方法。
对于抛体运动,主要分为以下几类:竖直方向的抛体运动、平抛(这是重中之重)、斜抛运动。在平抛运动中,按照曲线运动的合成与分解,将其分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。水平方向做匀速直线运动,水平位移(x = V_0t),水平速度(V_X = V_0);竖直方向做自由落体运动,竖直位移(y = \frac{1}{2}gt^2),竖直速度(V_Y = gt)。合运动是匀变速曲线运动,轨迹是抛物线。
生活中的抛体运动有喷泉、推出去的铅球、传送带末端飞出去的物块等。接下来看圆周运动,它包含的知识有:描述圆周运动的物理量,有线速度、角速度、周期、频率和转速,它们之间的关系为(v = ωr),(ω = \frac{2π}{T}),(v = \frac{2πr}{T})。还有向心加速度和向心力,(a_n = \frac{v^2}{r} = ω^2r = \frac{4π^2}{T^2}r),根据牛顿第二定律(F_{合}=ma),可得(F_{向}=ma_{向})。
圆周运动的应用主要包含两部分:水平面内的圆周运动和竖直面内的圆周运动。水平面内的圆周运动包含汽车在水平面内转弯、火车在水平面内转弯、圆锥摆等;竖直面内的圆周运动有汽车过拱桥最高点,根据动力学方程(mg - F_N = \frac{mv^2}{r})。
竖直面内的圆周运动有两个重要模型:绳子模型和杆模型。绳子模型在最高点,恰好过最高点时满足(mg = \frac{mv^2}{r}),临界速度(v_{临界}=\sqrt{gr});杆模型在最高点,因为可以有支持力等于重力,合外力可以为(0),所以过最高点的临界速度(v_{临界}= 0)。
圆周运动应用的核心思想是合外力等于向心力,即物体受到的合外力提供它所需的向心力。此外还有离心现象,有时需要利用离心现象,有时需要防止。物体出现离心现象的原因是所受合外力不足以提供所需向心力。
这是知识网络的回顾,接下来通过练习复习。先看第一题,一辆汽车在水平公路由直道进入广场转弯,沿曲线由(m)向(n)行驶。图中画出了汽车转弯时所受合力(F)的四种方向,这显然考察物体做曲线运动的条件。
对力和速度不在同一条直线上进行分析,把力分解为沿速度方向的(F_1)和垂直于速度方向的(F_2)。(F_1)改变速度大小,(F_2)改变速度方向。当力和速度夹角为锐角或钝角时,分别分析其对速度大小和方向的影响,可得出物体做曲线运动的条件是合力与速度不在同一条直线上,且轨迹夹在合力和速度之间,与速度相切,偏向合力方向。
回到练习题,先画出每个图中速度方向(速度与轨迹相切)。(A)选项,轨迹未夹在合力和速度之间,错误;(B)选项,合力与速度在同一条直线上,只改变速度大小,应做直线运动,错误;(C)选项是钝角情况,(D)选项是锐角情况,所以本题正确答案是(C)和(D)。
接下来看下一题,如图,在水平路面上有高度差为(0.8)米、水平距离为(8)米的壕沟。驾驶摩托车的运动员跨过壕沟,做平抛运动。平抛运动核心是分解为水平匀速直线和竖直自由落体运动。从竖直自由落体运动求时间,(y = \frac{1}{2}gt^2),可得(t = \sqrt{\frac{2y}{g}}),代入数据得(0.4)秒。(V_0 = \frac{x}{t}),代入数据得(20)米每秒,所以本题正确答案是(D)。
再看下一个问题,公路转弯处是交通事故多发地带。某公路急转弯处是圆弧,当汽车行驶速率为(V_0)时,汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势。分析汽车在不同路面情况(内侧高外侧低、内侧低外侧高)下的受力,汽车做圆周运动,圆心在水平面内且在内侧,合外力提供向心力,所以内侧低外侧高的情况正确,(A)选项正确。
当速度小于临界速度(V_0)时,合外力大于向心力,虽有做近心运动趋势,但只要速度不太小,侧边摩擦力未达到最大静摩擦,就不会往内侧滑动,(B)选项错误。当(v\gt V_0)时,合外力小于所需向心力,虽有离心运动趋势,但只要车速不太大,侧边摩擦力会阻止其往外侧滑动,(C)选项正确。
路面结冰改变摩擦因数,在没有内外两侧滑动趋势时,(f_{合}=mg\tan\theta = \frac{mv^2}{r}),可得(V_0 = \sqrt{gr\tan\theta}),此(V_0)计算时未考虑侧边摩擦力,所以路面结冰不影响(V_0),(D)选项错误。本题正确答案是(A)和(C)。
接着看下一题,一辆卡车在丘陵地带匀速行驶,(B)、(A)两点在同一水平线。轮胎受支持力越大越容易爆胎,所以找支持力最大的位置。对各点分析,(A)点在水平面上,重力等于支持力;(C)点是拱桥最高点,(mg - F_{NC} = \frac{mv^2}{r}),可得(F_{NC} = mg - \frac{mv^2}{r} \lt mg);(B)、(D)两点是凹桥最低点,(F_N - mg = \frac{mv^2}{r}),可得(F_N = mg + \frac{mv^2}{r} \gt mg),且(R_B \gt R_D),所以(F_{NB} \lt F_{ND})。(C)点支持力最小,(D)点支持力最大,最容易爆胎的位置是(D)点,本题正确答案是(D)。
