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- 2021-05-25 发布
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4.3 圆周运动 作业
1.汽车在公路上行驶时一般不打滑,轮子转一周,汽车向前行驶的距离等于车轮的周长.某国产轿车的车轮半径约为30 cm,当该型号的轿车在高速公路上匀速行驶时,驾驶员面前速率计的指针指在“120 km/h”上,可估算出该车轮的转速近似为( )
A.1 000 r/s B.1 000 r/min
C.1 000 r/h D.2 000 r/s
解析:选B.设经过时间t,轿车匀速行驶的路程x=vt,此过程中轿车轮缘上的某一点转动的路程x′=nt·2πR,其中n为车轮的转速,由x=x′可得:vt=nt·2πR,n=≈17.7 r/s=1 062 r/min.B正确.
2.未的星际航行中,宇航员长期处于“零重力”状态,为缓解这种状态带的不适,有人设想在未的航天器上加装一段圆柱形“旋转舱”,如图所示.当旋转舱绕其轴线匀速旋转时,宇航员站在旋转舱内圆柱形侧壁上,可以受到与他站在地球表面时相同大小的支持力.为达到上述目的,下列说法正确的是( )
A.旋转舱的半径越大,转动的角速度就应越大
B.旋转舱的半径越大,转动的角速度就应越小
C.宇航员质量越大,旋转舱的角速度就应越大
D.宇航员质量越大,旋转舱的角速度就应越小
解析:选B.由题意知有mg=F=mω2r,即g=ω2r,因此r越大,ω越小,且与m无关,B正确.
3.如图所示,运动员以速度v在倾角为θ的倾斜赛道上做匀速圆周运动.已知运动员及自行车的总质量为m,做圆周运动的半径为R,重力加速度为g,将运动员和自行车看作一个整体,则( )
A.受重力、支持力、摩擦力、向心力作用
B.受到的合力大小为F=
C.若运动员加速,则一定沿斜面上滑
D.若运动员减速,则一定加速沿斜面下滑
解析:选B.将运动员和自行车看作一个整体,则系统受重力、支持力、摩擦力作用,向心力是按力的作用效果命名的力,不是物体实际受到的力,A错误;系统所受合力提供向心力,大小为F=m,B正确;运动员加速,系统可能会有向上滑动的趋势,但不一定沿斜面上滑,同理运动员减速,也不一定沿斜面下滑,C、D均错误.
4.一辆汽车匀速率通过一座圆弧形拱形桥后,接着又以相同速率通过一圆弧形凹形桥.设两圆弧半径相等,汽车通过拱形桥桥顶时,对桥面的压力FN1为车重的一半,汽车通过圆弧形凹形桥的最低点时,对桥面的压力为FN2,则FN1与FN2之比为( )
A.3∶1 B.3∶2
C.1∶3 D.1∶2
解析:选C.汽车过圆弧形桥的最高点(或最低点)时,由重力与桥面对汽车的支持力的合力提供向心力.如图甲所示,汽车过圆弧形拱形桥的最高点时,由牛顿第三定律可知,汽车受桥面对它的支持力与它对桥面的压力大小相等,即FN1=FN1′ ①,所以由牛顿第二定律可得mg-FN1′= ②,同样,如图乙所示,FN2′=FN2,汽车过圆弧形凹形桥的最低点时,有FN2′-mg= ③,由题意可知FN1=mg ④,由①②③④式得FN2=mg,所以FN1∶FN2=1∶3.
5.(多选)如图所示,在半径为R的水平圆盘中心轴正上方a处水平抛出一小球,圆盘以角速度ω做匀速转动,当圆盘半径Ob恰好转到与初速度方向相同且平行的位置时,将小球抛出,要使球与圆盘只碰一次,且落点为b,重力加速度为g,小球抛点a距圆盘的高度h和小球的初速度v0可能应满足( )
A.h= v0= B.h= v0=
C.h= v0= D.h= v0=
解析:选BD.小球做平抛运动,由平抛运动规律得,h=gt2,R=v0t
,由匀速圆周运动规律得,t=n·,联立以上三式解得,h=,v0=,当n=1时,h=,v0=;当n=2时,h=,v0=;当n=3时,h=,v0=;当n=4时,h=,v0=,选项A、C错误,选项B、D正确.
7.如图所示,一倾斜的匀质圆盘绕垂直于盘面的固定对称轴以恒定角速度ω转动,盘面上离转轴距离2.5 m处有一小物体与圆盘始终保持相对静止.物体与盘面间的动摩擦因数为(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力),盘面与水平面的夹角为30°,g取10 m/s2.则ω的最大值是( )
A. rad/s B. rad/s
C.1.0 rad/s D.0.5 rad/s
解析:选C.物体随圆盘做圆周运动,运动到最低点时最容易滑动,因此物体在最低点且刚好要滑动时的转动角速度为最大值,这时,根据牛顿第二定律有,μmgcos 30°-mgsin 30°=mrω2,求得ω=1.0 rad/s,C项正确,A、B、D项错误.
8.有一竖直转轴以角速度ω匀速旋转,转轴上的A点有一长为l的细绳系有质量为m的小球.要使小球在随转轴匀速转动的同时又不离开光滑的水平面,则A点到水平面的高度h最小为( )
A. B.ω2g
C. D.
解析:选A.以小球为研究对象,小球受三个力的作用,重力mg、水平面支持力N、绳子拉力F,在竖直方向合力为零,在水平方向所需向心力为mω2R,设绳子与竖直方向的夹角为θ,则有:R=htan θ,那么Fcos θ+N=mg,Fsin θ=mω2htan θ;当球即将离开水平面时,N=0,此时Fcos θ=mg,Fsin θ=mgtan θ=mω2htan θ,即h=.故A正确.
9.如图所示,轻杆长3L,在杆两端分别固定质量均为m的球A和B
,光滑水平转轴穿过杆上距球A为L处的O点,外界给系统一定能量后,杆和球在竖直平面内转动,球B运动到最高点时,杆对球B恰好无作用力.忽略空气阻力.则球B在最高点时( )
A.球B的速度为零
B.球A的速度大小为
C.水平转轴对杆的作用力为1.5mg
D.水平转轴对杆的作用力为2.5mg
解析:选C.球B运动到最高点时,杆对球B恰好无作用力,即重力恰好提供向心力,有mg=m,解得vB=,故A错误;由于A、B两球的角速度相等,则球A的速度大小vA=,故B错误;B球在最高点时,对杆无弹力,此时A球受重力和拉力的合力提供向心力,有F-mg=m,解得:F=1.5mg,故C正确,D错误.
10.(多选)如图为过山车及其轨道简化模型,过山车车厢内固定一安全座椅,座椅上乘坐假人,并系好安全带,安全带恰好未绷紧,不计一切阻力,以下判断正确的是( )
A.过山车在圆轨道上做匀速圆周运动
B.过山车在圆轨道最高点时的速度至少应等于
C.过山车在圆轨道最低点时假人处于失重状态
D.若过山车能顺利通过整个圆轨道,在最高点时安全带对假人一定无作用力
解析:选BD.过山车在竖直圆轨道上做圆周运动,不计一切阻力,只有重力做功,则机械能守恒,故不可能做匀速圆周运动,选项A错误;在最高点,过山车和假人水平方向不受力,重力和轨道对过山车的弹力的合力提供向心力,当弹力为零时,速度最小,则mg=m,解得过山车在圆轨道最高点时的速度v=
,选项B正确;在最低点时,重力和轨道对过山车的弹力的合力提供向心力,加速度向上,假人处于超重状态,选项C错误;若过山车顺利通过整个圆轨道,在最高点速度最低时假人的重力恰好提供向心力,若在最高点速度增大,则座椅对假人有向下的支持力,安全带对假人无作用力,选项D正确.
11.(多选)如图所示,两个质量均为m的小木块a和b(可视为质点)放在水平圆盘上,a与转轴OO′的距离为l,b与转轴OO′的距离为2l,木块与圆盘间的最大静摩擦力为木块所受重力的k倍,重力加速度大小为g.若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动,用ω表示圆盘转动的角速度,下列说法正确的是( )
A.b一定比a先开始滑动
B.a、b所受的摩擦力始终相等
C.ω= 是b开始滑动的临界角速度
D.当ω= 时,a所受摩擦力的大小为kmg
解析:选AC.因圆盘从静止开始绕轴缓慢加速转动,在某一时刻,木块随圆盘转动时,其受到的静摩擦力的方向指向转轴,两木块转动过程中角速度相等,则由牛顿第二定律可得Ff=mω2R,由于小木块b的轨道半径大于a的轨道半径,故b做圆周运动需要的向心力较大,选项B错误;因为两木块的最大静摩擦力相等,故b一定比a先开始滑动,选项A正确;当b刚刚开始滑动时,由牛顿第二定律可得kmg=mω·2l,可得ωb= ,选项C正确;当a开始滑动时,由牛顿第二定律可得kmg=mωl,可得ωa=,而 < ,故小木块a未发生滑动,其所需的向心力由静摩擦力提供,即Ffa=mω2l=kmg,选项D错误.
12.汽车试车场中有一个检测汽车在极限状态下的车速的试车道,试车道呈锥面(漏斗状),侧面图如图所示.测试的汽车质量m=1 t,车道转弯半径r=150 m,路面倾斜角θ=45°,路面与车胎的动摩擦因数μ为0.25,设路面与车胎的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,(g取10 m/s2)求:
(1)若汽车恰好不受路面摩擦力,则其速度应为多大?
(2)汽车在该车道上所能允许的最小车速.
解析:(1)汽车恰好不受路面摩擦力时,由重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律得:
mgtan θ=m解得:v≈38.7 m/s.
(2)当车道对车的摩擦力沿车道向上且等于最大静摩擦力时,车速最小,受力如图,根据牛顿第二定律得:
FNsin θ-Ffcos θ=m
FNcos θ+Ffsin θ-mg=0
Ff=μFN 解得:vmin=30 m/s.
答案:(1)38.7 m/s (2)30 m/s
13.(2019·潍坊调研)如图所示,一内壁光滑的圆弧形轨道ACB固定在水平地面上,轨道的圆心为O,半径R=0.5 m,C为最低点,其中OB水平,∠AOC=37°,质量m=2 kg的小球从轨道左侧距地面高h=0.55 m的某处水平抛出,恰好从轨道A点沿切线方向进入圆弧形轨道,取g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,求:
(1)小球抛出点到A点的水平距离;
(2)小球运动到B点时对轨道的压力大小.
解析:(1)小球做平抛运动,
竖直方向:h-R(1-cos 37°)=gt2,
解得:t=0.3 s,
竖直分速度:vy=gt=10×0.3 m/s=3 m/s,
水平分速度:v0== m/s=4 m/s,
抛出点距A点的水平距离:
L=x=v0t=4×0.3 m=1.2 m.
(2)小球从抛出到B点过程,由动能定理得:
mg(h-R)=mv-mv,
在B点,由牛顿第二定律得:F=m,
解得:F=68 N,
由牛顿第三定律可知,小球对轨道的压力大小:
F′=F=68 N.
答案:(1)1.2 m (2)68 N