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- 2021-05-26 发布
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圆周运动的实际问题
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1.掌握圆周运动的基本公式和规律
2.学会分析圆周运动题型,建立解题模型和方法。
一、基本公式和规律:
1.描述圆周运动的物理量主要有线速度、角速度、周期、转速、向心加速度、向心力等,现比较如下表:
物理量
意义、方向
公式、单位
线速度
描述做圆周运动的物体运动快慢的物理量(v)
方向与半径垂直,和圆周相切
v==
单位:m/s
角速度
描述物体绕圆心转动快慢的物理量(ω)
②中学不研究其方向
ω==
②单位:rad/s
周期和转速
周期是物体沿圆周运动一圈的时间(T)
转速是物体在单位时间内转过的圈数((n),
也叫频率(f)
周期与频率的关系为T=
T=;单位:s
n的单位r/s、r/min
f的单位:Hz
向心加速度
描述速度方向变化快慢的物理量()
②方向指向圆心
==
单位:m/s2
向心力
作用效果是产生向心加速度,只改变线速度的方向,不改变线速度的大小
方向指向圆心.
=
==
②单位:N
二、匀速圆周运动相关性质:
(1)定义:物体沿圆周运动,并且线速度大小处处相等的运动.
(2)匀速圆周运动的特点
速度大小不变而速度方向时刻变化的变速曲线运动.
只存在向心加速度,不存在切向加速度.
合外力即产生向心加速度的力,充当向心力
(3) 条件:合外力大小不变,方向始终与速度方向垂直且指向圆心.
三、圆周运动的动力学分析
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)确定圆周运动的轨道所在的平面,确定圆心的位置.
(2)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.
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.
(2)分析物体的运动情况,即物体的线速度、角速度、周期、轨道平面、圆心、半径等.
(3)分析物体的受力情况,画出受力示意图,确定向心力的来源.
(4)据牛顿运动定律及向心力公式列方程.
(5)求解、讨论.
类型一:平面圆周运动应用
例1: 如图所示,置于圆形水平转台边缘的小物块随转台加速转动,当转速达到某一数值时,物块恰好滑离转台开始做平抛运动.现测得转台半径R=0.5 m,离水平地面的高度H=0.8 m,物块平抛落地过程水平位移的大小s=0.4 m.设物块所受的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度g=10 m/s2.求:
(1)物块做平抛运动的初速度大小v0;
(2)物块与转台间的动摩擦因数μ.
【解析】(1)物块做平抛运动,在竖直方向上有
H=①
在水平方向上有s=②
由①②式解得=s ③
代入数据得=1 m/s.
(2)物块离开转台时,最大静摩擦力提供向心力,有
fm=④
fm=μN=μmg⑤
由④⑤式得μ=
代入数据得μ=0.2.
【答案】 (1)1 m/s (2)0.2
规律总结:
(1)无论是匀速圆周运动还是非匀速圆周运动,沿半径方向指向圆心的合力均为向心力.
(2)当采用正交分解法分析向心力的来源时,做圆周运动的物体在坐标原点,一定有一个坐标轴沿半径方向指向圆心.
变式练习一: 如图所示,“旋转秋千”中的两个座椅A、B质量相等,通过相同长度的缆绳悬挂在旋转圆盘上.不考虑空气阻力的影响,当旋转圆盘绕竖直的中心轴匀速转动时,下列说法正确的是( )
A. A的速度比B的大
B. A与B的向心加速度大小相等
C. 悬挂A、B的缆绳与竖直方向的夹角相等
D. 悬挂A的缆绳所受的拉力比悬挂B的小
答案:D
类型二:斜面圆周运动题型分析
例2.(2015淮州中学四月调研)如图所示,用一根长为l=1 m的细线,一端系一质量为m=1 kg的小球(可视为质点),另一端固定在一光滑锥体顶端,锥面与竖直方向的夹角θ=37°,当小球在水平面内绕锥体的轴做匀速圆周运动的角速度为ω时,细线的张力为T.(g取10 m/s2,结果可用根式表示)求:
(1)若要小球离开锥面,则小球的角速度ω0至少为多大?
(2)若细线与竖直方向的夹角为60°,则小球的角速度ω′为多大?
【解析】 (1)若要小球刚好离开锥面,则小球受到重力和细线拉力如图示.小球做匀速圆周运动的轨迹圆在水平面上,故向心力水平,在水平方向运用牛顿第二定律及向心力公式得:mgtan θ=mωlsin θ
解得:ω=,即ω0= = rad/s.
(2) 同理,当细线与竖直方向成60°角时,
由牛顿第二定律及向心力公式:mgtan α= mω′2lsin α
解得:ω′2=,即ω′= = rad/s.
【答案】 (1) rad/s (2) rad/s
变式练习一:如图所示,在倾角为θ的光滑斜面上,有一长为l的细线,细线的一端固定在O点,另一端拴一质量为m的小球,现使小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动,已知O点到斜面底边的距离sOC=L,求:
(1)小球通过最高点A时的速度vA;
(2)小球通过最低点B时,细线对小球的拉力;
(3)小球运动到A点或B点时细线断裂,小球滑落到斜面底边时到C点的距离若相等,则l和L应满足什么关系?
【解析】 (1)小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动,当小球通过A点时细线的拉力为零,根据圆周运动和牛顿第二定律有:
mgsinθ=m
解得:vA=
(2)小球从A点运动到B点,根据机械能守恒定律有:
mv+mg·2lsinθ=mv
解得:vB=
小球在B点时根据圆周运动和牛顿第二定律有:
T-mgsinθ=m
解得:T=6mgsinθ
(3)小球运动到A点或B点时细线断裂,小球在平行底边方向上做匀速运动,在垂直底边方向上做初速度为零、加速度a=gsinθ的匀加速运动(类平抛运动)
细线在A点断裂:L+l=at,sA=vAtA
细线在B点断裂:L-l=at,sB=vBtB
又sA=sB
联立解得:L=l
变式练习二:如图所示,一个竖直放置的圆锥筒可绕其中心轴OO′转动,筒内壁粗糙,筒口半径和筒高分别为R和H,筒内壁A点的高度为筒高的一半,内壁上有一质量为m的小物块.求:
(1)当筒不转动时,物块静止在筒壁A点受到的摩擦力和支持力的大小;
(2)当物块在A点随筒做匀速转动,且其所受到的摩擦力为零时,筒转动的角速度.
【解析】 (1)如图,当圆锥筒静止时,物块受到重力、摩擦力f和支持力N.由题意可知
f=mgsinθ=mg ①
N=mgcosθ=mg ②
(2)物块受到重力和支持力的作用,设圆筒和物块匀速转动的角速度为ω
竖直方向 Ncosθ=mg ③
水平方向 Nsinθ=mω2r ④
联立③④,得
ω=
其中tanθ=,r=
ω=
变式练习三:如图所示,内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,两个质量相同的小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运( )
A. 球A的角速度一定大于球B的角速度
B. 球A的线速度一定大于球B的线速度
C. 球A的运动周期一定小于球B的运动周期
D. 球A对筒壁的压力一定大于球B对筒壁的压力
答案: B.
类型三:竖直圆周运动:“轻绳模型”与“轻杆模型”题型分析
轻绳模型
轻杆模型
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mg=m得
v临=
v临=0
讨论分析
(1)过最高点时,v≥ ,FN+mg=m,绳、轨道对球产生弹力FN
(2)当v<时,不能过最高点,在到达最高点前小球已经脱离了圆轨道
(1)当v=0时,FN=mg,FN为支持力,沿半径背离圆心(2)当0<v<时,mg-FN=m,FN背离圆心,随v的增大而减小
(3)当v=时,FN=0
(4)当v>时,FN+mg=m,FN指向圆心并随v的增大而增大
例3:如图所示,长度为l的轻绳上端固定在O点,下端系一质量为m的小球(小球的大小可以忽略).
(1)在水平拉力F的作用下,轻绳与竖直方向的夹角为α,小球保持静止.画出此时小球的受力图,并求力F的大小;
(2)由图示位置无初速释放小球,求当小球通过最低点时的速度大小及轻绳对小球的拉力.(不计空气阻力).
【解析】 (1)受力分析如图
根据平衡条件,应满足T cos α=mg,
Tsin α=F
则拉力大小F=mgtan α.
(2)运动中只有重力做功,系统机械能守恒
mgl(1-cos α)=mv2
则通过最低点时,小球的速度大小
v=
根据牛顿第二定律T′-mg=m
解得轻绳对小球的拉力
T′=mg+m=mg(3-2 cos α),方向竖直向上.
【答案】 (1)见解析
(2) mg(3-2 cos α),方向竖直向上
变式练习一:长L=0.5 m质量可忽略的轻杆,其一端可绕O点在竖直平面内无摩擦地转动,另一端固定着一个小球A.A的质量为m=2 kg,当A通过最高点时,如图所示,求在下列几种情况下杆对小球的作用力:
(1)A在最高点的速率为1m/s
(2)A在最高点的速率为4m/s
(3)如果将原题中的轻杆换成轻绳,则结果如何?
【解析】(1)向上的支持力16N (2)向下的压力44N
(3)换成细绳最小速度为根号5,故只能是向下压力44N
变式练习二:(2014•潍坊模拟)如图所示,光滑半圆轨道AB竖直固定,半径R=0.4m,与水平光滑轨道相切于A.水平轨道上平铺一半径r=0.1m的圆形桌布,桌布中心有一质量m=1kg的小铁块保持静止.现以恒定的加速度将桌布从铁块下水平向右抽出后,铁块沿水平轨道经A点进入半圆轨道,到达半圆轨道最高点B
时对轨道刚好无压力,已知铁块与桌布间动摩擦因数μ=0.5,取g=10m/s2,求:
(1)铁块离开B点后在地面上的落点到A的距离;
(2)铁块到A点时对圆轨道的压力;
(3)抽桌布过程中桌布的加速度.
解析:(1)铁块离开B点后作平抛运动,根据平抛运动的特点即可求解;
(2)从A到B的过程中,根据动能定理求出A点的速度,在A点,根据向心力公式即可解得对轨道的压力;
(3)铁块脱离桌布时的速度等于A点速度,根据牛顿第二定律求出铁块的加速度,根据匀加速直线运动基本公式联立方程即可求解.
解:(1)设铁块在B点的速度为v,根据向心力公式得:
mg=
解得:v=,
铁块离开B点后作平抛运动,则2R=,解得:t=,
则铁块离开B点后在地面上的落点到A的距离x=vt=2×0.4=0.8m;
(2)从A到B的过程中,根据动能定理得:
…①
在A点,根据向心力公式得:
…②
由①②解得:
N=60N,
根据牛顿第三定律得:铁块到A点时对圆轨道的压力N′=N=60N,
(3)铁块脱离桌布时的速度v0=vA…③,
设铁块加速度为a0,由牛顿第二定律得:
μmg=ma0…④
铁块在桌布上加速的时间为t0,由运动学基本公式得:
v0=a0t0…⑤,
由位移关系得:r=…⑥
由③④⑤⑥解得:a=5.25m/s2
答:(1)铁块离开B点后在地面上的落点到A的距离为0.8m;
(2)铁块到A点时对圆轨道的压力为60N;
(3)抽桌布过程中桌布的加速度为5.25.
类型四:综合性题目解析
例4:由光滑细管组成的轨道如图所示,其中AB段和BC段是半径为R的四分之一圆弧,轨道固定在竖直平面内.一质量为m的小球,从距离水平地面高为H的管口D处静止释放,最后能够从A端水平抛出落到地面上.下列说法正确的是( )
A.小球落到地面时相对于A点的水平位移值为2
B.小球落到地面时相对于A点的水平位移值为2
C.小球能从细管A端水平抛出的条件是H>2R
D.小球能从细管A端水平抛出的最小高度Hmin=R
【解析】 要使小球从A点水平抛出,则小球到达A点时的速度v>0,根据机械能守恒定律,有mgH-mg·2R=mv2,所以H>2R,故选项C正确,选项D错误;小球从A点水平抛出时的速度v=,小球离开A点后做平抛运动,则有2R=gt2,水平位移x=vt,联立以上各式可得水平位移x=2,选项A错误,选项B正确.
【答案】 BC
变式练习一: 如右图所示,圆弧形光滑细圆管轨道ABC,放置在竖直平面内,轨道半径为R,在A点与水平地面AD相接,地面与圆心O等高,MN是放在水平地面上长为3R、厚度不计的垫子,左端M正好位于A点.将一个质量为m、直径略小于圆管直径的小球从
A处管口正上方某处由静止释放,不考虑空气阻力.
1.若小球从C点射出后恰好能打到垫子的M端,则小球经过C点时对管的作用力大小和方向如何;
2.欲使小球能通过C点落到垫子上,小球离A点的最大高度是多少.
解析:1.小球离开C点做平抛运动,落到M点时水平位移为R,竖直下落高度为R,根据运动学公式可得:
设小球以v1经过C点受到管子对它的作用力为FN,方向竖直向上,由向心力公式可得
由牛顿第三定律知,小球对管子作用力大小为mg,方向竖直向下.
2.根据机械能守恒定律,小球下降的高度越高,在C点小球获得的速度越大.要使小球落到垫子上,小球水平方向的运动位移应为R~4R,由于小球每次平抛运动的时间相同,速度越大,水平方向运动的距离越大,故应使小球运动的最大位移为4R,打到N点.
设能够落到N的水平速度为v2,根据平抛运动求得:
设小球下降的最大高度为H,根据机械能守恒定律可知,
答案: 1.mg 竖直向下 2.5R第三
类型五:离心运动试题分析
例5.1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,如图所示.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/s2)( )
A.500 N B.1 000 N C.500 N D.0
【解析】 乘客所需的向心力:F==500 N,而乘客的重力为500 N,故火车对乘客的作用力大小为N=500 N,C正确.
【答案】 C
变式练习一:做圆周运动的物体,某时刻发现物体沿切线方向飞出,是因为( )
A. 提供给物体的向心力变大
B. 提供给物体的向心力变小
C. 提供给物体的向心力消失
D. 提供给物体的向心力方向与原向心力方向相反
【答案】 C
变式练习二:有一种杂技表演叫“飞车走壁”,由杂技演员驾驶摩托车沿圆台形表演台的侧壁高速行驶,做匀速圆周运动,如图所示.图中虚线表示摩托车的行驶轨迹,轨迹离地面的高度为h.下列说法中正确的是( )
A. h越大,摩托车对侧壁的压力将越大
B. h越大,摩托车做圆周运动的向心力将越大
C. h越大,摩托车做圆周运动的周期将越大
D. h越大,摩托车做圆周运动的线速度将越大
【答案】 C D
1.如图所示,一个匀速转动的半径为r的水平圆盘上放着两个小木块M和N,木块M放在圆盘的边缘处,木块N放在离圆心r的地方,它们都随圆盘一起运动.比较两木块的线速度和角速度,下列说法中正确的是 ( )
A.两木块的线速度相等
B.两木块的角速度相等
C.M的线速度是N的线速度的两倍
D.M的角速度是N的角速度的两倍
【答案】:B
2.在世界一级方程式锦标赛中,赛车在水平路面上转弯时,常常在弯道上冲出跑道,则以下说法正确的是 ( )
A.是由于赛车行驶到弯道时,运动员未能及时转动方向盘才造成赛车冲出跑道的
B.是由于赛车行驶到弯道时,运动员没有及时加速才造成赛车冲出跑道的
C.是由于赛车行驶到弯道时,运动员没有及时减速才造成赛车冲出跑道的
D.由公式F=mω2r可知,弯道半径越大,越容易冲出跑道
【答案】:C
3.在高速公路的拐弯处,通常路面都是外高内低.如图所示,在某路段汽车向左拐弯,司机左侧的路面比右侧的路面低一些.汽车的运动可看作是做半径为R的圆周运动.设内外路面高度差为h,路基的水平宽度为d,路面的宽度为L.已知重力加速度为g.要使车轮与路面之间的横向摩擦力(即垂直于前进方向)等于零,则汽车转弯时的车速应等于 ( )
A. B. C. D.
【答案】:B
4.如图所示,OO′为竖直轴,MN为固定在OO′上的水平光滑杆,有两个质量相同的金属球A、B套在水平杆上,AC和BC为抗拉能力相同的两根细线,C端固定在转轴OO′上.当绳拉直时,A、B两球转动半径之比恒为21,当转轴的角速度逐渐增大时 ( )
A.AC先断 B.BC先断
C.两线同时断 D.不能确定哪段线先断
【答案】:A
5.用一根细绳,一端系住一个质量为m的小球,另一端悬在光滑水平桌面上方h处,绳长l大于h,使小球在桌面上做如图所示的匀速圆周运动.若使小球不离开桌面,其转轴的转速最大值是 ( )
A. B.π
C. D.2π
【答案】:A
6.如图所示,天车下吊着两个质量都是m的工件A和B,系A的吊绳较短,系B的吊绳较长.若天车运动到P处突然停止,则两吊绳所受的拉力FA和FB的大小关系是 ( )
A.FA>FB B.FAmg
【答案】:A
7.如图所示,质量为m的小球置于正方体的光滑盒子中,盒子的边长略大于球的直径.某同学拿着该盒子在竖直平面内做半径为R的匀速圆周运动,已知重力加速度为g,空气阻力不计,要使在最高点时盒子与小球之间恰好无作用力,则 ( )
A.该盒子做匀速圆周运动的周期一定小于2π
B.该盒子做匀速圆周运动的周期一定等于2π
C.盒子在最低点时盒子与小球之间的作用力大小可能小于2mg
D.盒子在最低点时盒子与小球之间的作用力大小可能大于2mg
【答案】:B
8.有一种杂技表演叫“飞车走壁”,由杂技演员驾驶摩托车沿光滑圆台形表演台的侧壁高速行驶,做匀速圆周运动.如图所示,图中粗线圆表示摩托车的行驶轨迹,轨迹离地面的高度为h.下列说法中正确的是 ( )
A.h越高,摩托车做圆周运动的周期将越大
B.h越高,摩托车做圆周运动的向心力将越大
C.h越高,摩托车对侧壁的压力将越大
D.h越高,摩托车做圆周运动的线速度将越大
【答案】:AD
9.甲、乙两名溜冰运动员,面对面拉着弹簧测力计做圆周运动的溜冰表演,如图所示.已知m甲=80kg,m乙=40kg,两人相距0.9m,弹簧测力计的示数为96N,下列判断中正确的是 ( )
A.两人的线速度相同,约为40m/s
B.两人的角速度相同,为2rad/s
C.两人的运动半径相同,都是0.45m
D.两人的运动半径不同,甲为0.3m,乙为0.6m
【答案】:BD
10.如图所示,质量不计的轻质弹性杆P插入桌面上的小孔中,杆的另一端套有一个质量为m的小球,今使小球在水平面内做半径为R的匀速圆周运动,且角速度为ω,则杆的上端受到球对其作用力的大小为( )
A.mω2R
B.
C.
D.不能确定
【答案】:C
11.如右图所示是一个玩具陀螺,a、b和c是陀螺上的三个点.当陀螺绕垂直于地面的轴线以角速度ω稳定旋转时,下列表述正确的是( )
A.a、b和c三点的线速度大小相等
B.a、b和c三点的角速度相等
C.a、b的角速度比c的大
D.c的线速度比a、b的大
【答案】:B
12.()如右图所示的齿轮传动装置中,主动轮的齿数Z1=24,从动轮的齿数Z2=8,当主动轮以角速度ω顺时针转动时,从动轮的运动情况是( )
A.顺时针转动,周期为2π/3ω
B.逆时针转动,周期为2π/3 ω
C.顺时针转动,周期为6π/ω
D.逆时针转动,周期为6π/ω
【答案】:B
13.质量为m的石块从半径为R的半球形的碗口下滑到碗的最低点的过程中,如果摩擦力的作用使得石块的速度大小不变,如右图所示,那么( )
A.因为速率不变,所以石块的加速度为零
B.石块下滑过程中受的合外力越来越大
C.石块下滑过程中受的摩擦力大小不变
D.石块下滑过程中的加速度大小不变,方向始终指向球心
【答案】:D
14.如图所示,放于竖直面内的光滑金属圆环半径为R,质量为m的带孔小球穿于环上同时有一长为R的细绳一端系于球上,另一端系于圆环最低点.当圆环以角速度ω绕竖直直径转动时,发现小球受三个力作用.则ω可能是( )
A. B. C. D.
【答案】 AB
15.如图,在竖直平面内,滑到ABC关于B点对称,且A、B、C三点在同一水平线上。若小滑块第一次由A滑到C,所用的时间为t1,第二次由C滑到A,所用时间为t2,小滑块两次的初速度大小相同且运动过程始终沿着滑道滑行,小滑块与滑道的动摩擦因数恒定,则( )
A. B. C. D.无法比较、的大小
【答案】:A
16.如图所示为赛车场的一个水平“U”形弯道,转弯处为圆心在O点的半圆,内外半径分别为r和2r。一辆质量为m的赛车通过AB线经弯道到达线,有如图所示的①②③三条路线,其中路线③是以为圆心的半圆,。赛车沿圆弧路线行驶时,路面对轮胎的最大径向静摩擦力为。选择路线,赛车以不打滑的最大速率通过弯道(所选路线内赛车速率不变,发动机功率足够大),则
A选择路线①,赛车经过的路程最短
B选择路线②,赛车的速率最小
C选择路线③,赛车所用时间最短
D①②③三条路线的圆弧上,赛车的向心加速度大小相等
【答案】ACD
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1.如图10所示,汽车车厢顶部悬挂一个轻质弹簧,弹簧下端拴一个质量为m的小球,当汽车以某一速率在水平地面上匀速行驶时弹簧伸长长度为L1;当汽车以同一速度匀速率通过一个桥面为圆弧形凸形桥的最高点时,弹簧伸长长度为L2,下列答案中正确的是( )
A.L1=L2 B.L1>L2 C.L1