2018届二轮复习圆周运动　万有引力定律课件（58张）（全国通用） 58页

专题 六 　 圆周运动 　 万有引力定律 考点基础自清 考点互动探究 内容索引 考点基础自清 一、描述圆周运动的物理量 1. 线速度：描述物体圆周运动快慢的物理量 . 答案 2. 角速度：描述物体绕圆心转动快慢的物理量 . 3. 周期和频率：描述物体绕 圆心 的 物理量 . 转动快慢 答案 4. 向心加速度： 描述 变化 快慢的物理量 . 速度方向 ω v rω 2 2π rf ωr 6. 常见的三种传动方式及特点 (1) 皮带传动：如图 1 中甲、乙所示，皮带和两轮之间无相对滑动时，两轮边缘线速度大小相等，即 v A ＝ v B . (2) 摩擦传动：如图丙所示，两轮边缘接触，接触点无打滑现象时，两轮边缘线速度大小相等，即 v A ＝ v B . (3) 同轴传动：如图丁所示，两轮固定在一起绕同一转轴转动，两轮转动的角速度大小相等，即 ω A ＝ ω B . 图 1 答案 二、匀速圆周运动的向心力 1. 作用效果：产生向心加速度，只改变线速度 的 ， 不改变线速度 的 . 方向 大小 3. 方向：始终沿半径方向 指向 . 4. 来源：向心力可以由一个力提供，也可以由几个力 的 提供 ，还可以由一个力 的 提供 . 圆心 合力 分力 答案 三、离心现象 1. 定义： 做 的 物体，在所受合外力突然消失或不足以提供圆周运动所 需 的 情况下，所做的沿切线飞出或逐渐远离圆心的运动现象 . 2. 受力特点 ( 如图 2 所示 ) 圆周运动 向心力 图 2 (1) 当 F n ＝ mω 2 r 时，物体 做 运动 . (2) 当 F n ＝ 0 时，物体 沿 方向 飞出 . (3) 当 F n < mω 2 r 时，物体 逐渐 圆心 ，做离心运动 . (4) 当 F n > mω 2 r 时，物体将 逐渐 圆心 ，做近心运动 . 匀速圆周 切线 远离 靠近 答案 四、万有引力定律 1. 内容：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量 m 1 和 m 2 的乘积 成 ， 与它们之间距离 r 的平方 成 . 3. 适用条件 (1) 公式 适用于 间 的相互作用 . 当两个物体间的距离远大于物体本身的大小时，物体可视为质点 . (2) 质量分布均匀的球体可视为质点， r 是 的 距离 . 正比 反比 质点 两球心间 答案 五、环绕速度 1. 三个宇宙速度 (1) 第一宇宙速度 v 1 ＝ km/s ，卫星 在 绕 地球做匀速圆周运动的速度，又称环绕速度 . (2) 第二宇宙速度 v 2 ＝ km/s ，使卫星 挣脱 引力 束缚的最小地面发射速度，又称脱离速度 . (3) 第三宇宙速度 v 3 ＝ km/s ，使卫星 挣脱 引力 束缚 的 地面 发射速度，也叫逃逸速度 . 地球表面附近 7.9 11.2 地球 16.7 太阳 最小 答案 第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最短， T min ＝ 2π ＝ 5 075 s ≈ 85 min. 1.(2013· 浙江 6 月学考 ) 如图 3 所示，小强正在荡秋千 . 关于绳上 a 点和 b 点的线速度和角速度，下列关系正确的是 ( 　　 ) A. v a ＝ v b B. v a > v b C. ω a ＝ ω b D. ω a < ω b 解析 1 2 3 4 5 学考通关练 解析 　 绳子绕 O 点转动， a 、 b 两点角速度相等， ω a ＝ ω b ， D 错， C 对 . 因 r a < r b ，故 v b > v a ， A 、 B 均错 . 图 2 √ 2. 如图 4 所示，质量为 m 的木块从半径为 R 的半球形碗口下滑到碗的最低点的过程中，如果由于摩擦力的作用使木块的速率不变，那么 ( 　　 ) A. 加速度为零 B. 加速度恒定 C. 加速度大小不变，方向时刻改变，但不一定指向圆心 D. 加速度大小不变，方向时刻指向圆心 √ 1 2 3 4 5 解析 解析 　 木块做的是匀速圆周运动，加速度大小不变，但方向时刻指向圆心，加速度时刻改变，故选项 A 、 B 、 C 错误， D 正确 . 图 4 3.(2016· 诸暨市期末 ) 如图 5 所示，拱形桥的半径为 40 m ，质量为 1.0 × 10 3 kg 的汽车行驶到桥顶时的速度为 10 m /s ，假设重力加速度为 10 m/ s 2 ，则此时汽车对桥的压力为 ( 　　 ) A.1.0 × 10 4 N B.7.5 × 10 3 N C.5.0 × 10 3 N D.2.5 × 10 3 N 解析 1 2 3 4 5 √ 解析 　 对汽车由牛顿第二定律得 mg － F N ＝ m 得 F N ＝ 7.5 × 10 3 N ， 又由牛顿第三定律知汽车对轿的压力也为 7.5 × 10 3 N. 图 5 4. 如图 6 所示为某行星绕太阳运行的椭圆轨道，其中 F 1 和 F 2 是椭圆轨道的两个焦点，已知该行星在 A 点的速率比在 B 点的大，则太阳是位于下列哪一位置 ( 　　 ) A. F 1 B. F 2 C. O D. 在 F 1 与 F 2 之间 解析 1 2 3 4 5 √ 解析 　 v A > v B ，由开普勒定律知，太阳处于椭圆轨道的焦点 F 1 处 . 图 6 5.2013 年 6 月 11 日 17 时 38 分， “ 神舟十号 ” 飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，航天员王亚平进行了首次太空授课 . 在飞船进入圆形轨道环绕地球飞行时，它的线速度大小 ( 　　 ) A. 等于 7.9 km/s B. 介于 7.9 km /s 和 11.2 km/ s 之间 C. 小于 7.9 km/s D. 介于 7.9 km /s 和 16.7 km/ s 之间 解析 √ 1 2 3 4 5 返回 考点 互动 探究 1. 向心力的来源 向心力是按力的作用效果命名的，可以是重力、弹力、摩擦力等各种力，也可以是几个力的合力或某个力的分力，因此在受力分析中要避免再另外添加一个向心力 . 2. 向心力的确定 (1) 先确定圆周运动的轨道所在的平面，确定圆心的位置 . (2) 再分析物体的受力情况，找出所有的力沿半径方向指向圆心的合力就是向心力 . 考点一 圆周运动 中的动力学分析 3. 解决圆周运动问题的主要步骤 (1) 审清题意，确定研究对象；明确物体做圆周运动的平面是至关重要的一环； (2) 分析物体的运动情况，即物体的线速度是否变化、轨道平面、圆心位置、半径大小等； (3) 分析物体的受力情况，画出受力分析图，确定向心力的来源； (4) 根据牛顿运动定律及向心力公式列方程 . 例 1 　 摆式列车是集电脑、自动控制等高新技术于一体的新型高速列车 . 当列车转弯时，在电脑控制下，车厢会自动倾斜，抵消离心力的作用；行走在直线上时，车厢又恢复原状，就像玩具 “ 不倒翁 ” 一样 . 假设有一超高速列车在水平面内行驶，以 360 km /h 的速度拐弯，拐弯半径为 1 km ，则质量为 50 kg 的乘客，在拐弯过程中所受到的火车给他的作用力为 ( g 取 10 m/s 2 )( 　　 ) A.500 N B.1 000 N C.500 N D.0 √ 解析 方法感悟 解决动力学问题的三个分析 (1) 几何关系的分析：确定圆周运动的圆心、半径等 . (2) 运动分析：确定圆周运动的线速度、角速度 . (3) 受力分析：利用力的合成与分解知识，表示出物体做圆周运动时，外界所提供的向心力 . 解析 1. 如图 7 所示，质量相等的 a 、 b 两物体放在圆盘上，到圆心的距离之比是 2 ∶ 3 ，圆盘绕圆心做匀速圆周运动，两物体相对圆盘静止， a 、 b 两物体做圆周运动的向心力之比是 ( 　　 ) A.1 ∶ 1 B.3 ∶ 2 C.2 ∶ 3 D.9 ∶ 4 解析 　 a 、 b 随圆盘转动，角速度相同，由 F n ＝ mω 2 r 知向心力正比于半径， C 正确 . 1 2 3 变式题组 图 7 √ 2.(2016· 诸暨市调研 ) 如图 8 所示，半径为 r 的圆筒，绕竖直中心轴 OO ′ 旋转，小物块 a 靠在圆筒的内壁上，它与圆筒内壁间的动摩擦因数为 μ ，最大静摩擦力与滑动摩擦力相同，要使 a 不下落，则圆筒转动的角速度 ω 至少为 ( 　　 ) √ 图 8 1 2 3 解析 3.( 多选 ) 公路急转弯处通常是交通事故多发地带 . 如图 9 ，某公路急转弯处是一圆弧，当汽车行驶的速率为 v 时，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势 . 则在该弯道处 ( 　　 ) A. 路面外侧高内侧低 B. 车速只要低于 v ，车辆便会向内侧滑动 C. 车速虽然高于 v ，但只要不超出某一最高限度 ， 车辆 便不会向外侧滑动 D. 当路面结冰时，与未结冰时相比， v 的值变小 √ 1 2 3 解析 图 9 √ 解析 　 当汽车行驶的速度为 v 时，路面对汽车没有摩擦力，路面对汽车的支持力与汽车重力的合力提供向心力，此时要求路面外侧高内侧低，选项 A 正确 . 当 速度稍大于 v 时，汽车有向外侧滑动的趋势，因而受到向内侧的摩擦力，当摩擦力小于最大静摩擦力时，车辆不会向外侧滑动，选项 C 正确 . 同样 ，速度稍小于 v 时，车辆不会向内侧滑动，选项 B 错误 . v 的大小只与路面的倾斜程度和转弯半径有关，与地面的粗糙程度无关， D 错误 . 1 2 3 1. 在竖直平面内做圆周运动的物体，按运动到轨道最高点时的受力情况可分为两类：一是无支撑 ( 如球与绳连接、沿内轨道运动的过山车等 ) ，称为 “ 绳 ( 环 ) 约束模型 ” ，二是有支撑 ( 如球与杆连接、在弯管内的运动等 ) ，称为 “ 杆 ( 管 ) 约束模型 ”. 考点 二 竖直 面内圆周运动的临界问题 2. 绳、杆模型涉及的临界问题   绳模型 杆模型 常见类型 均是没有支撑的小球 均是有支撑的小球 过最高点的临界条件 由小球恰能做圆周运动得 v 临 ＝ 0 讨论分析 (1) 过最高点时， v ≥ ， F ＋ mg ＝ ，绳、圆轨 道对球产生弹力 F (2) 不能过最高点时， v < ，在到达最高点前 小球已经脱离了圆轨道 (1) 当 v ＝ 0 时， F N ＝ mg ， F N 为支持力，沿半径背离圆心 (2) 当 0< v < 时 ，－ F N ＋ mg ＝ ， F N 背离圆心，随 v 的增大而减小 (3) 当 v ＝ 时 ， F N ＝ 0 (4) 当 v > 时， F N ＋ mg ＝ ， F N 指向圆心并随 v 的增大而增大 例 2 　 一辆质量 m ＝ 2 t 的轿车，驶过半径 R ＝ 90 m 的一段凸形桥面， g 取 10 m/s 2 ，求： (1) 轿车以 10 m/s 的速度通过桥面最高点时，对桥面的压力是多大？ 解析答案 解析 　 轿车通过凸形桥面最高点时，受力分析如图所示 根据牛顿第三定律，轿车在桥的顶点时对桥面压力的大小为 1.78 × 10 4 N. 答案 　 1.78 × 10 4 N (2) 在最高点对桥面的压力等于轿车重力的一半时，车的速度大小是多少？ 解析答案 解析 　 对桥面的压力等于轿车重力的一半时，向心力 F n ′ ＝ mg － F N ′ ＝ 0.5 mg ， 技巧点拨 竖直面内圆周运动类问题的解题技巧 1. 定模型：首先判断是绳模型还是杆模型，两种模型过最高点的临界条件不同 . 2. 确定临界点：抓住绳模型中最高点 v ≥ 及 杆模型中 v ≥ 0 这两个临界条件 . 3. 研究状态：通常情况下竖直平面内的圆周运动只涉及最高点和最低点的运动情况 . 4. 受力分析：对物体在最高点或最低点时进行受力分析，根据牛顿第二定律列出方程， F 合 ＝ F 向 . 5. 过程分析：应用动能定理或机械能守恒定律将初、末两个状态联系起来列方程 . 解析 4. 如图 10 所示，乘坐游乐园的翻滚过山车时，质量为 m 的人随车在竖直平面内旋转，下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 过山车在最高点时人处于倒坐状态，全靠保险带拉住，没有保险带，人就会掉下来 B. 人在最高点时对座位不可能产生大小为 mg 的压力 C. 人在最低点时对座位的压力等于 mg D. 人在最低点时对座位的压力大于 mg √ 4 5 变式题组 图 10 4 5 解析 4 5 解析 5.( 多选 ) 如图 11 所示，竖直放置的光滑圆轨道被固定在水平地面上，半径 r ＝ 0.4 m ，最低点处有一小球 ( 半径比 r 小很多 ) ，现给小球一水平向右的初速度 v 0 ，则要使小球不脱离圆轨道运动， v 0 应当满足 ( 取 g ＝ 10 m/s 2 )( 　　 ) √ 4 5 图 11 √ 4 5 1. 解决天体 ( 卫星 ) 运动问题的基本思路 (1) 天体运动的向心力来源于天体之间的万有引力，即 考点 三 万有引力定律 的理解和应用 2. 天体质量和密度的估算 (1) 利用天体表面的重力加速度 g 和天体半径 R . 3. 卫星的各物理量随轨道半径变化的规律 例 3 　 “ 嫦娥一号 ” 是我国首次发射的探月卫星，它在距月球表面高度为 h 的圆形轨道上运行，运行周期为 T . 已知引力常量为 G ，月球的半径为 R . 利用以上数据估算月球质量的表达式为 ( 　　 ) 解析 √ 规律总结 应用万有引力定律时应注意的问题 1. 估算天体质量和密度时应注意的问题 (1) 利用万有引力提供天体做圆周运动的向心力估算天体质量时，估算的只是中心天体的质量，并非环绕天体的质量 . (2) 区别天体半径 R 和卫星轨道半径 r ，只有在天体表面附近的卫星才有 r ≈ R ；计算天体密度时， V ＝ π R 3 中的 R 只能是中心天体的半径 . 2. 运动参量 a n 、 v 、 ω 、 T 均与卫星质量无关，只由轨道半径 r 和中心天体质量共同决定 . 所有参量的比较，最终归结到半径的比较 . 6.(2016· 浙江 10 月学考 ·12) 如图 12 所示， “ 天宫二号 ” 在距离地面 393 km 的近圆轨道运行 . 已知万有引力常量 G ＝ 6.67 × 10 － 11 N·m 2 /kg 2 ，地球质量 M ＝ 6.0 × 10 24 kg ，地球半径 R ＝ 6.4 × 10 3 km. 由以上数据可估算 ( 　　 ) A. “ 天宫二号 ” 的质量 B. “ 天宫二号 ” 的运行速度 C. “ 天宫二号 ” 受到的向心力 D. 地球对 “ 天宫二号 ” 的引力 6 7 8 变式题组 √ 图 12 7.(2016· 浙江 4 月选考 )2015 年 12 月，我国暗物质粒子探测卫星 “ 悟空 ” 发射升空进入高为 5.0 × 10 2 km 的预定轨道 . “ 悟空 ” 卫星和地球同步卫星的运动均可视为匀速圆周运动 . 已知地球半径 R ＝ 6.4 × 10 3 km. 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. “ 悟空 ” 卫星的线速度比同步卫星的线速度小 B. “ 悟空 ” 卫星的角速度比同步卫星的角速度小 C. “ 悟空 ” 卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小 D. “ 悟空 ” 卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小 √ 6 7 8 解析 6 7 8 8.(2015· 浙江 10 月选考 ) 在同一轨道平面上绕地球做匀速圆周运动的卫星 A 、 B 、 C ，某时刻恰好在同一过地心的直线上，如图 13 所示，当卫星 B 经过一个周期时 ( 　　 ) A. A 超前于 B ， C 落后于 B B. A 超前于 B ， C 超前于 B C. A 、 C 都落后于 B D. 各卫星角速度相等，因而三颗卫星仍在同一直线上 √ 图 13 解析 6 7 8 6 7 8 当 B 经过一个周期时， A 已经完成了一个多周期，而 C 还没有完成一个周期，所以选项 A 正确， B 、 C 、 D 错误 . 1. 宇宙速度与运动轨迹的关系 (1) v 发 ＝ 7.9 km/s 时，卫星绕地球做匀速圆周运动 . (2)7.9 km /s< v 发 < 11.2 km/s ，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆 . (3)11.2 km /s ≤ v 发 < 16.7 km/s ，卫星绕太阳做椭圆运动 . (4) v 发 ≥ 16.7 km/s ，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间 . 2. 地球同步卫星的特点 (1) 轨道平面一定：轨道平面和赤道平面重合 . (2) 周期一定：与地球自转周期相同，即 T ＝ 24 h ＝ 86 400 s. (3) 角速度一定：与地球自转的角速度相同 . 考点 四 宇宙航行 (5) 绕行方向一定：与地球自转的方向一致 . 例 4 　 天文学家近日在银河系发现一颗全新的星球 —— “ 超级地球 ”. 它的半径是地球的 2.3 倍，而质量却是地球的 17 倍，科学家们认为这颗星球可能是由岩石组成 . 它的发现将有助于探索地球之外是否存在生命 . 这颗 “ 超级地球 ” 的第一宇宙速度约为 ( 　　 ) A.3 km /s B.15 km/ s C.21 km /s D.28 km/ s √ 解析 规律总结 对宇宙速度的三点理解 1. 第一宇宙速度 v 1 ＝ 7.9 km/s ，既是卫星的最小发射速度，又是卫星绕地球运行的最大环绕速度 . 2. 由第一宇宙速度的表达式 v ＝ 可以 看出：第一宇宙速度由中心天体的质量和半径或由天体表面的重力加速度和天体的半径决定 . 3. 第二宇宙速度、第三宇宙速度也都是指发射速度 . 9.(2016· 杭州学考模拟 ) 如图 14 所示，由我国自主研发的北斗卫星导航系统，空间段计划由 35 颗卫星组成，包括 5 颗静止轨道卫星、 27 颗地球轨道卫星、 3 颗倾斜同步轨道卫星 . 目前已经实现了覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力，预计到 2020 年左右，将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统 . 关于其中的静止轨道卫星 ( 同步卫星 ) ，下列说法中正确的是 ( 　　 ) 9 10 变式题组 图 14 A . 该卫星一定不会运动到杭州正上方天空 B. 该卫星处于完全失重状态，卫星所在处的重力加速度为零 C. 该卫星若受到太阳风暴影响后速度变小，它的轨道半径将变大 D. 该卫星相对于地球静止，其运行速度等于地球赤道处自转的线速度 9 10 √ 解析 　 根据同步卫星的定义知，它只能在赤道上空，故 A 项正确 ； 卫星 处于完全失重状态，重力加速度等于向心加速度，故 B 错 ； 速度 变小后，万有引力大于所需向心力，卫星的轨道半径将变小， C 项错 ； 卫星 相对地球静止是指角速度等于地球自转角速度，由 v ＝ ωr 知，其运行速度大于地球赤道处自转的线速度，故 D 项错 . 解析 10. 宇航员在月球上做自由落体实验，将某物体由距月球表面高 h 处释放，经时间 t 后落到月球表面 ( 设月球半径为 R ). 据上述信息推断，飞船在月球表面附近绕月球做匀速圆周运动所必须具有的速率为 ( 　　 ) 9 10 √ 解析 返回