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- 2021-06-02 发布
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【热点问题2】 曲线运动—恒力与变力
【导读】
当物体所受合外力与速度不在同一直线时,物体将做曲线运动。在恒力和变力作用下,曲线运动的性质也不相同。典型的曲线运动有抛体运动、圆周运动和摆线运动,不同曲线运动的规律及其研究方法各异。抛体运动、圆周运动等是近几年高考的热点,且多数与电场力、洛伦兹力联系起来综合考查;由于航天技术、人造地球卫星属于现代科技发展的重要领域,有关人造卫星的曲线运动问题也是高考命题的热点,考查内容以万有引力定律和向心力公式为核心,分析计算天文学、航天技术领域的实际问题。
【真题】
例1(恒力作用)(2015全国Ⅰ-18)一带有乒乓球发射机的乒乓球台如图所示。水平台面的长和宽分别为L1和L2,中间球网高度为h。发射机安装于台面左侧边缘的中点,能以不同速率向右侧不同方向水平发射乒乓球,发射点距台面高度为3h。不计空气的作用,重力加速度大小为g。若乒乓球的发射速率v在某范围内,通过选择合适的方向,就能使乒乓球落到球网右侧台面上,则v的最大取值范围是( )
A.<v<L1
B.<v<
C.<v<
D.<v<
答案 D
解析 发射机无论向哪个方向水平发射,乒乓球都做平抛运动。当速度v最小时,球沿中线恰好过网,有:
3h-h=gt12 ①
L1=v1t1 ②
联立①②两式,得v1=
当速度v最大时,球斜向右侧台面两个角发射,有
=v2t2 ③
3h=gt ④
联立③④两式,得v2=
所以使乒乓球落到球网右侧台面上,v的最大取值范围为<v< ,选项D正确。
a
b
O
c
d
例2(变力作用)(2012全国Ⅰ-25)如图,一半径为R的圆表示一柱形区域的横截面(纸面)。在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场,一质量为m、电荷量为q的粒子沿图中直线在圆上的a点射入柱形区域,在圆上的b点离开该区域,离开时速度方向与直线垂直。圆心O到直线的距离为R。现将磁场换为平行于纸面且垂直于直线的匀强电场,同一粒子以同样速度沿直线在a点射入柱形区域,也在b点离开该区域。若磁感应强度大小为B,不计重力,求电场强度的大小。
答案:
解析:粒子在磁场中做圆周运动。设圆周的半径为r,由牛顿第二定律和洛伦兹力公式得
①
式中为粒子在a点的速度。
过b点和O点作直线的垂线,分别与直线交于c和d点。由几何关系知,线段、和过a、b两点的轨迹圆弧的两条半径(未画出)围成一正方形。因此
②
设,由几何关系得
③
④
联立②③④式得
⑤
再考虑粒子在电场中的运动。设电场强度的大小为E,粒子在电场中做类平抛运动。设其加速度大小为a,由牛顿第二定律和带电粒子在电场中的受力公式得
⑥
粒子在电场方向和直线方向所走的距离均为r,由运动学公式得
⑦
⑧
式中t是粒子在电场中运动的时间。联立①⑤⑥⑦⑧式得
⑨
【点拨】
分析物体做曲线运动问题时,要先对物体进行受力分析,如果物体受恒力作用,则物体做抛体运动,运动性质为匀变速曲线运动,一般利用化曲为直的思想方法,把运动分解为匀速直线运动和匀变速直线运动,再结合题设条件及问题进行处理。当物体做的曲线运动为匀速圆周运动时,则物体所受的合外力为变力,方向始终指向圆心提供向心力,此类问题要利用牛顿第二定律和向心力公式进行分析。对于带电粒子在匀强磁场中的圆周运动,则要从“找圆心、求半径”入手进行分析,由洛伦兹力提供向心力列式求解。
【巩固】
1.发球机从同一高度向正前方依次水平射出两个速度不同的乒乓球(忽略空气的影响)。速度较大的球越过球网,速度较小的球没有越过球网;其原因是
A. 速度较小的球下降相同距离所用的时间较多
B. 速度较小的球在下降相同距离时在竖直方向上的速度较大
C. 速度较大的球通过同一水平距离所用的时间较少
D. 速度较大的球在下降相同时间间隔内下降的距离较大
加速电场
出口
磁场
2.现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子,其示意图如图所示,其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场,需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为
A.11 B.12 C.121 D.144
3.如图,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与转轴的距离为2l.木块与圆盘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
4.利用三颗位置适当的地球同步卫星,可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯,目前地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍,假设地球的自转周期变小,若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的,则地球自转周期的最小值约为
A. 1h B. 4h C. 8h D. 16h
5.如图甲,空间存在一范围足够大的垂直于xOy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B。让质量为m,电量为q(q<0)的粒子从坐标原点O沿xOy平面以不同的初速度大小和方向入射到该磁场中。不计重力和粒子间的影响。
⑴若粒子以初速度v1沿y轴正向入射,恰好能经过x 轴上的A(a,0)点,求v1的大小;
⑵已知一粒子的初速度大小为v(v>v1),为使该粒子能经过A(a,0)点,其入射角θ(粒子初速度与x轴正向的夹角)有几个?并求出对应的sinθ值;
⑶如图乙,若在此空间再加入沿y轴正向、大小为E的匀强电场,一粒子从O点以初速度v0沿x轴正向发射。研究表明:粒子在xOy平面内做周期性运动,且在任一时刻,粒子速度的x分量vx与其所在位置的y坐标成正比,比例系数与场强大小E无关。求该粒子运动过程中的最大速度值vm。
x
y
O
v
θ
B
A
a
甲
x
y
O
E
B
v0
乙
【巩固】答案与解析
1. 【答案】C
【解析】由题意可知,速度大的先过网,即同样的时间速度大的水平位移大,或者同样的水平距离速度大的用时少,故C正确。
2.【答案】D
【解析】设质子的质量数和电荷数分别为、,一价正离子的质量数和电荷数为、,对于任意粒子,在加速电场中,由动能定理得:
得 ①
在磁场中应满足 ②
由题意,由于两种粒子从同一入口垂直进入磁场,从同一出口垂直离开磁场,故在磁场中做匀速圆周运动的半径应相同.
由①②式联立求解得
匀速圆周运动的半径,由于加速电压不变,
故
其中,可得
故一价正离子与质子的质量比约为144。
3. 【答案】 AC
【解析】小木块都随圆盘做匀速圆周运动时,在发生相对滑动之前,角速度相等,静摩擦力提供向心力,即F静=mω2r,由于ra=l,rb=2l,所以发生相对滑动前木块b的静摩擦力大, B错误;随着角速度的增大,当静摩擦力等于最大静摩擦力,木块将开始滑动,即kmg=mω2r,,带入两个木块的半径,小木块a开始滑动时的角速度大于木块b开始滑动时的角速度。A、C正确;又,所以木块 a 未达到临界状态,摩擦力还没有达到最大静摩擦力,所以选项D错误。
4.【答案】B
【解析】地球自转周期变小,卫星要与地球保持同步,则卫星的公转周期也应随之变小,由可得,则卫星离地球的高度应变小,要实现三颗卫星覆盖全球的目的,则卫星周期最小时,由数学几何关系可作出右图。
由几何关系得,卫星的轨道半径为 ①
由开普勒第三定律 ,代入题中数据,得
②
由①②解得
5. 【答案】⑴ (2)
【解析】(1)带电粒子以速率v在匀强磁场B中做匀速圆周运动,半径为R,有
①
当粒子沿y轴正向入射,转过半个圆周至A点,该圆周的半径为R1,有
②
由②代入①式得
③
R
x
y
O
v
θ
B
A
a/2
v
θ
R
⑵如图。O、A两点处于同一圆周上,且圆心在x=a/2的直线上,半径为R。
当确定一个初速率v时,有2个入射角,分别在第1、2象限, 有
④
由①④解得 ⑤
⑶粒子在运动过程中仅有电场力做功,因此在轨道的最高点处速率最大,用ym表示其y坐标,由动能定理,有
⑥
由题意,有 vm=kym ⑦
若E=0时,粒子以初速度v0沿y轴正向入射,有
⑧
v0=kR0 ⑨
由⑥⑦⑧⑨式解得