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- 2021-05-26 发布
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第3节圆_周_运_动
(1)匀速圆周运动是匀变速曲线运动。(×)
(2)物体做匀速圆周运动时,其角速度是不变的。(√)
(3)物体做匀速圆周运动时,其合外力是不变的。(×)
(4)匀速圆周运动的向心加速度与半径成反比。(×)
(5)匀速圆周运动的向心力是产生向心加速度的原因。(√)
(6)比较物体沿圆周运动的快慢看线速度,比较物体绕圆心转动的快慢,看周期或角速度。(√)
(7)做匀速圆周运动的物体,当合外力突然减小时,物体将沿切线方向飞出。(×)
(8)摩托车转弯时速度过大就会向外发生滑动,这是摩托车受沿转弯半径向外的离心力作用的缘故。(×)
突破点(一) 描述圆周运动的物理量
1.圆周运动各物理量间的关系
2.对公式v=ωr 的理解
当r一定时,v与ω成正比;
当ω一定时,v与r成正比;
当v一定时,ω与r成反比。
3.对a==ω2r的理解
当v一定时,a与r成反比;
当ω一定时,a与r 成正比。
4.常见的三种传动方式及特点
(1)皮带传动:如图甲、乙所示,皮带与两轮之间无相对滑动时,两轮边缘线速度大小相等,即vA=vB。
(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vA=vB。
(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ωA=ωB。
[题点全练]
1.(2019·贵阳期末)如图所示,转动自行车的脚踏板时,关于大齿轮、小齿轮、后轮边缘上的A、B、C三点的向心加速度的说法正确的是( )
A.由于a=rω2,所以A点的向心加速度比B点的大
B.由于a=,所以B点的向心加速度比C点的大
C.由于a=ωv,所以A点的向心加速度比B点的小
D.以上三种说法都不正确
解析:选C 因A、B两点线速度相等,根据向心加速度公式a=,又因A点圆周运动的半径大于B点圆周运动的半径,可知A点的向心加速度小于B点的向心加速度,故A错误;B点与C点绕同一转轴转动,角速度相等,根据a=ω2r可知半径大的向心加速度大,则C点的向心加速度大,故B错误;因A、B两点线速度相同,根据v=ωr可知A点的角速度小于B点的角速度,则由a=ωv可知A点的向心加速度比B点的向心加速度小,故C正确;由题意可知D错误。
2.(2019·郑州四校联考)如图所示,拖拉机后轮的半径是前轮半径的两倍,A和B是前轮和后轮边缘上的点,若车行进时车轮没有打滑,则( )
A.A点和B点的线速度大小之比为1∶2
B.前轮和后轮的角速度之比为2∶1
C.前轮和后轮的周期之比为1∶1
D.A点和B点的向心加速度大小之比为1∶2
解析:选B 轮A、B分别为同一传动装置前轮和后轮边缘上的一点,所以vA=vB,即A点和B点的线速度大小之比为1∶1,故A错误;根据v=ωr可知ωAR=ωB·2R,则A、B两点的角速度之比为 =,故B正确。据ω= 和前轮与后轮的角速度之比2∶1,求得前轮和后轮的转动周期之比为1∶2,故C错误;由a=可知,向心加速度与半径成反比,则A点与B点的向心加速度之比为2∶1,故D错误。
突破点(二) 水平面内的匀速圆周运动
1.水平面内的匀速圆周运动轨迹特点
运动轨迹是圆且在水平面内。
2.匀速圆周运动的受力特点
(1)物体所受合外力大小不变,方向总是指向圆心。
(2)合外力充当向心力。
3.解答匀速圆周运动问题的一般步骤
(1)选择做匀速圆周运动的物体作为研究对象。
(2)分析物体受力情况,其合外力提供向心力。
(3)由Fn=m或Fn=mω2r或Fn=m列方程求解。
[典例] 如图所示的装置可绕竖直轴OO′转动,可视为质点的小球A与细线AB、AC连接后分别系于B、C两点,装置静止时细线AB水平,细线AC与竖直方向的夹角θ=37°。已知小球的质量m=1 kg,细线AC长L1=1 m,细线AB长L2=0.2 m,重力加速度g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。
(1)若装置匀速转动的角速度为ω1时,细线AB上的张力为零而细线AC与竖直方向的夹角为37°,求角速度ω1的大小;
(2)若装置匀速转动的角速度ω2= rad/s,求细线AC与细线AB的张力大小。
[审题指导]
(1)当细线AB上的张力为0时,小球的重力与细线AC张力的合力提供小球做圆周运动的向心力。
(2)如果ω2<ω1,细线AB、AC上均有拉力,如果ω2>ω1,小球位置将会升高,在细线AB再次被拉直前细线AB上的拉力FAB=0,小球只受重力和细线AC的拉力。
[解析] (1)当细线AB上的张力为0时,小球的重力和细线AC张力的合力提供小球做圆周运动的向心力,有:
mgtan 37°=mω12L1sin 37°
解得:ω1= = rad/s。
(2)由于ω2>ω1,小球位置将会向左上方升高,设细线AB上拉力FAB=0,
此时细线AC与竖直轴夹角为θ,
可得mgtan θ=mω22L1sin θ
代入数据可得cos θ=0.6,
由几何关系可知此时细线AB恰好竖直且细线张力为零,即FAB=0成立
竖直方向由平衡条件可得:FACcos θ=mg
解得:FAC= N。
[答案] (1) rad/s (2)FAC= N,FAB=0
[方法规律] 求解圆周运动问题必须进行的三类分析
几何分析
目的是确定圆周运动的圆心、半径等
运动分析
目的是确定圆周运动的线速度、角速度、向心加速度等
受力分析
目的是通过力的合成与分解,表示出物体做圆周运动时,外界所提供的向心力
[集训冲关]
1.(2019·如皋调研)如图所示,某同学用硬塑料管和一个质量为m的铁质螺丝帽研究匀速圆周运动,将螺丝帽套在塑料管上,手握塑料管使其保持竖直并在水平方向做半径为r的匀速圆周运动,则只要运动角速度合适,螺丝帽恰好不下滑。假设螺丝帽与塑料管间的动摩擦因数为μ,认为最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力。在该同学手转塑料管使螺丝帽恰好不下滑时,下列分析正确的是( )
A.螺丝帽的重力与其受到的最大静摩擦力平衡
B.螺丝帽受到塑料管的弹力方向水平向外,背离圆心
C.此时手转动塑料管的角速度ω=
D.若塑料管的转动加快,螺丝帽有可能相对塑料管发生运动
解析:选A 螺丝帽受到竖直向下的重力、水平方向的弹力和竖直向上的最大静摩擦力,螺丝帽在竖直方向上没有加速度,根据牛顿第二定律得知,螺丝帽的重力与最大静摩擦力平衡,故A正确。螺丝帽做匀速圆周运动,由弹力提供向心力,所以弹力方向水平向里,指向圆心,故B错误。根据牛顿第二定律得:N=mω2r,fm=mg,又fm=μN,联立得到ω=,故C错误。若塑料管的转动加快,角速度ω增大,螺丝帽受到的弹力N增大,最大静摩擦力增大,但螺丝帽不可能相对塑料管发生运动,故D错误。
2.(2019·泰州质检)如图所示,内壁光滑的半球形碗固定不动,其轴线垂直于水平面,两个质量相同的小球A和B紧贴着内壁分别在如图所示的水平面内做匀速圆周运动,则( )
A.球A的线速度等于球B的线速度
B.球A的角速度大于球B的角速度
C.球A的向心加速度小于球B的向心加速度
D.球A对碗壁的压力等于球B对碗壁的压力
解析:选B 对于任意一球受力分析,设其轨道处半球形碗的半径与竖直方向的夹角为β,如图所示,半球形碗的半径为R,根据重力和支持力的合力提供圆周运动的向心力,得:F合=mgtan β=ma=m=mrω2,又r=Rsin β,联立得:v=,a=gtan β,ω=,R一定,可知β越大,线速度v越大、角速度ω越大、向心加速度a越大,所以球A的线速度大于球B的线速度,球A的角速度大于球B的角速度,球A的向心加速度大于球B的向心加速度,故A、C错误,B正确;球所受的支持力FN=,β越大,FN越大,则碗对A球的支持力较大,由牛顿第三定律知球A对碗壁的压力大于球B对碗壁的压力,故D错误。
突破点(三) 竖直面内的圆周运动
轻“绳”模型
轻“杆”模型
情景图示
弹力特征
弹力可能向下,也可能等于零
弹力可能向下,可能向上,也可能等于零
受力示意图
力学方程
mg+FT=m
mg±FN=m
临界特征
FT=0,即mg=m,得v=
v=0,即F向=0,此时FN=mg
v=的意义
物体能否过最高点的临界点
FN表现为拉力还是支持力的临界点
[典例] 如图所示,小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动,内侧壁半径为R,小球半径为r,则下列说法正确的是( )
A.小球通过最高点时的最小速度vmin=
B.小球通过最高点时的最小速度vmin=0
C.小球在水平线ab以下的管道中运动时,外侧管壁对小球一定无作用力
D.小球在水平线ab以上的管道中运动时,内侧管壁对小球一定有作用力
小球在竖直放置的光滑圆形管道内的圆周运动属于轻“杆”模型,杆的长度为R+r。
[解析] 小球在竖直放置的光滑圆形管道内的圆周运动属于轻杆模型,小球通过最高点的最小速度为0,A错误,B正确;小球在水平线ab以下管道运动,由于沿半径方向的合力提供做圆周运动的向心力,所以外侧管壁对小球一定有作用力,而内侧管壁对小球一定无作用力。故C错误;小球在水平线ab以上管道运动,由于沿半径方向的合力提供做圆周运动的向心力,当速度非常大时,内侧管壁没有作用力,此时外侧管壁有作用力。当速度比较小时,内侧管壁有作用力。故D错误。
[答案] B
[易错提醒]
在解答竖直平面内物体的圆周运动问题时,首先要确定是属于轻“绳”模型,还是轻“杆”模型,然后注意区分两者在最高点的最小速度要求,区分绳与杆的施力特点,必要时还要根据牛顿运动定律列式求解。
[集训冲关]
1.[多选](2019·江阴期中)如图所示,A是用轻绳连接的小球,B是用轻杆连接的小球,都在竖直平面内做圆周运动,且绳、杆长度L相等。忽略空气阻力,下面说法中正确的是( )
A.A球可能做匀速圆周运动
B.A球通过圆周最高点的最小速度是,而B球通过圆周最高点的最小速度为零
C.B球到最低点时处于超重状态
D.A球在运动过程中所受的合外力的方向总是指向圆心
解析:选BC 因为绳子只能提供拉力,A球在竖直平面内做圆周运动,只有重力做功,不可能做匀速圆周运动,故A错误;A球在最高点的临界情况是绳子拉力为零,根据mg=m,可知在最高点的最小速度为,B球在最高点,由于杆可以提供拉力,也可以提供支持力,B球在最高点的最小速度为零,故B正确;在最低点,B球的加速度方向向上,处于超重状态,故C正确;A球做变速圆周运动,最高点和最低点合力方向指向圆心,其他位置合力不指向圆心,故D错误。
2.[多选](2019·资阳模拟)如图甲所示,小球用不可伸长的轻绳连接后绕固定点O在竖直面内做圆周运动,小球经过最高点时的速度大小为v,此时绳子的拉力大小为FT。拉力FT
与速度的平方v2的关系如图乙所示,图像中的数据a和b包括重力加速度g都为已知量。以下说法正确的是( )
A.数据a与小球的质量无关
B.数据b与小球的质量无关
C.比值只与小球的质量有关,与圆周轨道半径无关
D.利用数据a、b和g能够求出小球的质量和圆周轨道半径
解析:选AD 当v12=a时,此时绳子的拉力为零,小球的重力提供向心力,则mg=m,解得v12=gr,故a=gr,与小球的质量无关,故A正确;当v22=2a时,对小球受力分析,则mg+b=m,解得b=mg,与小球的质量有关,故B错误;根据以上分析可知=,与小球的质量有关,与圆周轨道半径有关,故C错误;若FT=0,由题图知:v12=a,则有mg=m,解得:r=,若v22=2a,则b+mg=m=m,解得:m=,故D正确。
3.在粗糙水平木板上放一个物块,沿逆时针方向做匀速圆周运动,ab为水平直径,cd为竖直直径。在运动中木板始终保持水平,物块相对于木板始终静止。下列说法正确的是( )
A.物块始终受到三个力的作用
B.只有在a、b、c、d四点,物块受到的合外力才指向圆心
C.物块在a点受摩擦力方向向左
D.物块在c点处于超重状态
解析:选C 物块在竖直平面内沿逆时针方向做匀速圆周运动,靠合力提供向心力,在c点和d点,摩擦力为零,物体只受重力和支持力,由重力和支持力的合力提供向心力,故A错误。物块做匀速圆周运动,由合力提供向心力,则物块受到的合外力始终指向圆心,故B错误。物块在a点时,摩擦力提供向心力,则此时受摩擦力方向向左,选项C正确。物块在c点加速度方向向下,处于失重状态,选项D错误。
斜面上圆周运动的临界问题
在斜面上做圆周运动的物体,因所受的控制因素不同,如静摩擦力控制、绳控制、杆控制,物体的受力情况和所遵循的规律也不相同。下面列举三类实例。
(一)静摩擦力控制下的圆周运动
1.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.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。
(二)轻杆控制下的圆周运动
2.如图所示,在倾角为α=30°的光滑斜面上,有一根长为L=0.8 m 的轻杆,一端固定在O点,另一端系一质量为m=0.2 kg的小球,沿斜面做圆周运动,取g=10 m/s2,若要小球能通过最高点A,则小球在最低点B的最小速度是( )
A.4 m/s B.2 m/s C.2 m/s D.2 m/s
解析:选A 小球受轻杆控制,在A点的最小速度为零,由2mgLsin α=mvB2,可得vB=4 m/s,A正确。
(三)轻绳控制下的圆周运动
3.(2018·开封模拟)如图所示,一块足够大的光滑平板放置在水平面上,能绕水平固定轴MN调节其与水平面所成的倾角。板上一根长为l=0.60 m的轻绳,它的一端系住一质量为m的小球P,另一端固定在板上的O点。当平板的倾角固定为α时,先将轻绳平行于水平轴MN拉直,然后给小球一沿着平板并与轻绳垂直的初速度v0=3.0 m/s。若小球能保持在板面内做圆周运动,倾角α的值应在什么范围内?(取重力加速度g=10 m/s2)
解析:小球在倾斜平板上运动时受到绳子拉力、平板弹力、重力。在垂直平板方向上合力为0,重力在沿平板方向的分量为mgsin α
小球在最高点时,由绳子的拉力和重力沿平板方向的分力
的合力提供向心力,有FT+mgsin α=①
研究小球从释放到最高点的过程,根据动能定理有
-mglsin α=mv12-mv02②
若恰好能通过最高点,则绳子拉力FT=0③
联立①②③解得sin α=,解得α=30°
故α的范围为0°≤α≤30°。
答案:0°≤α≤30°