微专题05圆周运动中的临界问题
水平面内的临界问题
水平面内圆周运动的临界极值问题通常有两类,一类是与摩擦力有关的临界问题,一类是与弹力有关的临界问题.
(1)与摩擦力有关的临界极值问题
物体间恰好不发生相对滑动的临界条件是物体间恰好达到最大静摩擦力,如果只是摩擦力提供向心力,则有Fm=mv2r,静摩擦力的方向一定指向圆心;如果除摩擦力以外还有其他力,如绳两端连物体,其中一个在水平面上做圆周运动时,存在一个恰不向内滑动的临界条件和一个恰不向外滑动的临界条件,分别为静摩擦力达到最大且静摩擦力的方向沿半径背离圆心和沿半径指向圆心.
(2)与弹力有关的临界极值问题
压力、支持力的临界条件是物体间的弹力恰好为零;绳上拉力的临界条件是绳恰好拉直且其上无弹力或绳上拉力恰好为最大承受力等.
(20xx新课标全国卷Ⅰ)(多选)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=kg2l是b开始滑动的临界角速度
D.当ω=2kg3l时,a所受摩擦力的大小为kmg
解析:选AC木块a、b的质量相同,外界对它们做圆周运动提供的最大向心力,即最大静摩擦力fmax=kmg相同.它们所需的向心力由F向=mω2r知Fa<Fb,所以b一定比a先开始滑动,A项正确;a、b一起绕转轴缓慢地转动时,f=mω2r,r不同,所受的摩擦力不同,B项错;b开始滑动时有kmg=mω22l,其临界角速度为ωb=kg2l,选项C正确;当ω=2kg3l时,a所受摩擦力大小为f=mω2r=23kmg,选项D错误.
解决此类问题的一般思路
首先要考虑达到临界条件时物体所处的状态,其次分析该状态下物体的受力特点,最后结合圆周运动知识,列出相应的动力学方程综合分析.
(20xx安徽六安模拟)(多选)如图所示,两个可视为质点的、相同的木块A和B放在转盘上,两者用长为L的细绳连接,木块与转盘的最大静摩擦力均为各自重力的K倍,A放在距离转轴L处,整个装置能绕通过转盘中心的转轴O1O2转动,开始时,绳恰好伸直但无弹力,现让该装置从静止开始转动,使角速度缓慢增大,以下说法正确的是()
A.当ω>2Kg3L时,A、B相对于转盘会滑动
B.当ω>Kg2L时,绳子一定有弹力
C.ω在Kg2L<ω<2Kg3L范围内增大时,B所受摩擦力变大
D.ω在0<ω<2Kg3L范围内增大时,A所受摩擦力一直变大
解析:选ABD当AB所受静摩擦力均达到最大值时,A、B相对转盘将会滑动,Kmg+Kmg=mω2L+mω22L,解得:ω=2Kg3L,A项正确;当B所受静摩擦力达到最大值后,绳子开始有弹力,即:Kmg=mω22L,解得:ω=Kg2L,B项正确;当Kg2L<ω<2Kg3L时,随角速度的增大,绳子拉力不断增大,B所受静摩擦力一直保持最大静摩擦力不变,C项错误;0<ω≤Kg2L时,A所受摩擦力提供向心力,即Ff=mω2L,静摩擦力随角速度增大而增大,当Kg2L<ω<2Kg3L时,以AB整体为研究对象,FfA+Kmg=mω2L+mω22L,可知A受静摩擦力随角速度的增大而增大,D项正确.
1.如图,一水平圆盘绕竖直中心轴以角速度ω做匀速圆周运动,紧贴在一起的M、N两物体(可视为质点)随圆盘做圆周运动,N恰好不下滑,M恰好不滑动,两物体与转轴距离为r,已知M与N间的动摩擦因数为μ1,M与圆盘面间的动摩擦因数为μ2,最大静摩擦力等于滑动摩擦力.μ1与μ2应满足的关系式为()
A.μ1+μ2=1B.μ1μ2=1
C.μ1μ2=1D.μ1+μ2μ1μ2=1
解析:选C以M、N整体作为研究对象,则受力如图1所示,静摩擦力提供向心力,有Ff=(mN+mM)ω2r,且Ff=μ2(mN+mM)g,以N为研究对象,受力分析如图2所示,M对N的弹力FN提供向心力,有FN=mNω2r,且Ff′=μ1FN=mNg,联立各式得μ1μ2=1,故C正确.
图1图2
2.(20xx四川资阳一诊)(多选)如图所示,水平转台上有一个质量为m的物块,用长为l的轻质细绳将物块连接在转轴上,细绳与竖直转轴的夹角θ=30°,此时细绳伸直但无张力,物块与转台间动摩擦因数为μ=13,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,物块随转台由静止开始缓慢加速转动,角速度为ω,重力加速度为g,则()
A.当ω=g2l时,细绳的拉力为0
B.当ω=3g4l时,物块与转台间的摩擦力为0
C.当ω=4g3l时,细绳的拉力大小为43mg
D.当ω=gl时,细绳的拉力大小为13mg
解析:选AC当转台的角速度比较小时,物块只受重力、支持力和摩擦力,当细绳恰好要产生拉力时μmg=mω21lsin30°,解得ω1=2g3l,随角速度的增大,细绳上的拉力增大,当物块恰好要离开转台时,物块受到重力和细绳的拉力的作用,mgtan30°=mω22lsin30°,解得ω2=23g3l,由于ω1<3g4l<ω2,所以当ω=3g4l时,物块与转台间的摩擦力不为零,故B错误;由于g2l<w1,所以当ω=g2l时,细绳的拉力为零,故A正确;由于ω1<gl<ω2,由牛顿第二定律得f+Fsin30°=mgl2lsin30°,因为压力小于mg,所以f<13mg,解得F>13mg,故D错误;当ω=4g3l>ω2时,物块已经离开转台,细绳的拉力与重力的合力提供向心力,则mgtanα=m4g3l2lsinα,解得cosα=34,故F=mgcosα=43mg,故C正确.
竖直面内的临界问题
1.竖直面内圆周运动的临界问题——“轻绳和轻杆”模型
(1)“轻绳”模型特点:无支撑(如球与绳连接、沿内轨道的“过山车”等)
均是没有支撑的小球
①小球过最高点的条件是什么?
②过最高点时,若v>gr,当v增大时,小球受到的弹力FN如何变化?
(2)“轻杆”模型的特点:有支撑(如球与杆连接、小球在弯管内运动等).
均是有支撑的小球
①小球能过最高点的条件是什么?
②过最高点时,若0<v<gr时,小球受到的弹力FN的方向如何?随着v的增大FN怎样变化?若v>gr又会怎样?
2.两类模型对比
轻绳模型轻杆模型
示意图
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=mv2r
得v临=gr
由小球能运动即可得v临=0
讨论
分析(1)过最高点时,v≥gr,FN+mg=mv2r,绳、轨道对球产生弹力FN
(2)不能过最高点v<gr,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背离圆心
(2)当0<v<gr时,mg-FN=mv2r,FN背离圆心并随v的增大而减小
(3)当v=gr时,FN=0
(4)当v>gr时,mg+FN=mv2r,FN指向圆心并随v的增大而增大
在最高
点的
FN
图象
取竖直向下为正方向
取竖直向下为正方向
(20xx陕西西安一中模拟)(多选)如图甲所示,用一轻质绳拴着一质量为m的小球,在竖直平面内做圆周运动(不计一切阻力),小球运动到最高点时绳对小球的拉力为T,小球在最高点的速度大小为v,其T-v2图象如图乙所示,则()
A.轻质绳长为amb
B.当地的重力加速度为am
C.当v2=c时,轻质绳的拉力大小为acb+a
D.只要v2≥b,小球在最低点和最高点时绳的拉力差均为6a
解析:选BD在最高点重力和绳子的拉力的合力充当向心力,所以有T+mg=mv2R,即T=mRv2-mg,故斜率k=mR,纵截距y=-mg,根据几何知识可得k=ab,y=-a,联立解得g=am,R=mba,A错误,B正确;当v2=c时,代入T=mRv2-mg,解得T=acb-a,C错误;只要v2≥b,绳子的拉力大于0,根据牛顿第二定律得最高点,T1+mg=mv21R,最低点,T2-mg=mv22R,从最高点到最低点的过程中,根据机械能守恒定律得12mv22=12mv21+2mgR,联立解得T2-T1=6mg,即小球在最低点和最高点时绳的拉力差均为6a,D正确.
在竖直面内的圆周运动临界问题
(20xx广东汕头二模)如图甲,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T,拉力T与速度v的关系如图乙所示,图象中的数据a和b包括重力加速度g都为已知量,以下说法正确的是()
图甲图乙
A.数据a与小球的质量有关
B.数据b与圆周轨道半径有关
C.比值ba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D在最高点对小球受力分析,由牛顿第二定律有T+mg=mv2R,可得图线的函数表达式为T=mv2R-mg,图乙中横轴截距为a,则有0=maR-mg,得g=aR,则a=gR;图线过点(2a,b),则b=m2aR-mg,可得b=mg,则ba=mR,A、B、C错.由b=mg得m=bg,由a=gR得R=ag,则D正确.
3.(20xx东城区模拟)(多选)长为L的轻杆,一端固定一个小球,另一端固定在光滑的水平轴上,使小球在竖直平面内做圆周运动,关于小球在最高点的速度v,下列说法中正确的是()
A.当v的值为gL时,杆对小球的弹力为零
B.当v由gL逐渐增大时,杆对小球的拉力逐渐增大
C.当v由gL逐渐减小时,杆对小球的支持力逐渐减小
D.当v由零逐渐增大时,向心力也逐渐增大
解析:选ABD在最高点球对杆的作用力为0时,由牛顿第二定律得:mg=mv2L,v=gL,A对;当v>gL时,轻杆对球有拉力,则F+mg=mv2L,v增大,F增大,B对;当v<gL时,轻杆对球有支持力,则mg-F′=mv2L,v减小,F′增大,C错;由F向=mv2L知,v增大,向心力增大,D对.
4.(20xx石家庄质检)(多选)如图所示,长为3L的轻杆可绕光滑水平转轴O转动,在杆两端分别固定质量均为m的球A、B,球A距轴O的距离为L.现给系统一定能量,使杆和球在竖直平面内转动.当球B运动到最高点时,水平转轴O对杆的作用力恰好为零,忽略空气阻力,已知重力加速度为g,则球B在最高点时,下列说法正确的是()
A.球B的速度为零B.球B的速度为2gL
C.球A的速度为2gLD.杆对球B的弹力方向竖直向下
解析:选CD水平转轴O对杆的作用力为零,这说明A、B对杆的作用力是一对平衡力,由于A所受杆的弹力必竖直向上,故B所受杆的弹力必竖直向下,且两力大小相等,D正确.对A球有F-mg=mω2L,对B球有F+mg=mω22L,由以上两式解得ω=2gL,则A球的速度vA=ωL=2gL,C正确;B球的速度vB=ω2L=22gL,A、B错误.
斜面上圆周运动的临界问题
(20xx安徽卷)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2.5m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32(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10m/s2.则ω的最大值是()
A.5rad/sB.3rad/s
C.1.0rad/sD.0.5rad/s
解析:选C经分析可知,小物体最先相对滑动的位置为最低点,对小物体受力分析得:μmgcosθ-mgsinθ=mω2r,代入数据得:ω=1.0rad/s,选项C正确.
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=0.60m的轻细绳,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=3.0m/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=10m/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mgsinα,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+mgsinα=mv21l①
研究小球从释放到最高点的过程,根据动能定理有
-mglsinα=12mv21-12mv20②
若恰好能通过最高点,则绳子拉力FT=0③
联立①②③解得sinα=12,则α=30°
故α的范围为0°≤α≤30°.
答案:0°≤α≤30°
5.如图所示,在倾角为α=30°的光滑斜面上,有一根长为L=0.8m的轻杆,一端固定在O点,另一端系一质量为m=0.2kg的小球,沿斜面做圆周运动,取g=10m/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.4m/sB.210m/s
C.25m/sD.22m/s
解析:选A小球受轻杆控制,在A点的最小速度为零,由2mgLsinα=12mvB2可得vB=4m/s,A正确.
一位优秀的教师不打无准备之仗,会提前做好准备,作为教师就要早早地准备好适合的教案课件。教案可以更好的帮助学生们打好基础,帮助教师缓解教学的压力,提高教学质量。我们要如何写好一份值得称赞的教案呢?为此,小编从网络上为大家精心整理了《高考物理圆周运动、航天与星体问题冲刺专题复习》,希望能为您提供更多的参考。
20xx届高考黄冈中学物理冲刺讲解、练习题、预测题05:第3专题圆周运动、航天与星体问题(1)第6讲圆周运动
主讲教师:徐建烽首师大附中物理特级教师
题一:如图所示,两个内壁光滑、半径不同的半球形碗,放在不同高度的水平面上,使两碗口处于同一水平面。现将质量相同的两小球(小球半径远小于碗的半径),分别从两个碗的边缘由静止释放,当两球分别通过碗的最低点时()
A.两小球的速度大小相等
B.两小球的速度大小不相等
C.两小球对碗底的压力大小相等
D.两小球对碗底的压力大小不相等
题二:一根内壁光滑的细圆管,形状如图所示,放在竖直平面内,一个球自A口的正上方高h处自由下落。第一次小球恰能抵达B点;第二次落入A口后,自B口射出,恰能再进入A口,则两次小球下落的高度之比hl∶h2。
题三:如图是离心轨道演示仪的结构示意图。光滑弧形轨道下端与半径为R的光滑圆轨道相接,整个轨道位于竖直平面内。质量为m的小球从弧形轨道上的A点由静止滑下,进入圆轨道后沿圆轨道运动,最后离开圆轨道。小球运动到圆轨道的最高点时,对轨道的压力恰好与它所受到的重力大小相等。重力加速度为g,不计空气阻力。求:
(1)小球运动到圆轨道的最高点时速度的大小;
(2)小球开始下滑的初始位置A点距水平面的竖直高度h。
题四:一根长为L的细绳,一端拴在水平轴O上,另一端有一个质量为m的小球,现使细绳位于水平位置,并且绷直,如图所示,给小球一个作用,使它得到一定的向下的初速度。
(1)这个初速度至少多大,才能使小球绕O点在竖直面内做圆周运动?
(2)如果在轴O竖直上方A点处钉一个钉子,已知AO=L,小球以上问中的最小速度开始运动,当它运动到O点的竖直上方,细绳刚接触到A点的钉子时,细绳受到的力有多大?
题五:一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动,在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm的均匀狭缝。将激光器与传感器上下对准,使二者间连线与转轴平行,分别置于圆盘的上下两侧,且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动,激光器连续向下发射激光束。在圆盘转动过程中,当狭缝经过激光器与传感器之间时,传感器接收到一个激光信号,并将其输入计算机,经处理后画出相应图线。图甲为该装置示意图,图乙为所接收的光信号随时间变化的图线,横坐标表示时间,纵坐标表示接收到的激光信号强度,图中△t1=1.0×10-3s,△t2=0.8×10-3s.
(1)利用图乙中的数据求1s时圆盘转动的角速度;
(2)如果圆盘半径足够大,传感器将接收到许多激光信号,求图乙中第n个激光信号的宽度Δtn.
第6讲圆周运动
题一:BC题二:4:5题三:v=2gR,h=3R题四:(1);(2)T=2mg
题五:(1)ω=2.5πrad/s,(2)
总课题曲线运动总课时第10课时
课题生活中的圆周运动课型新授课
教
学
目
标知识与技能
1.能定性分析火车转弯外轨比内轨高的原因
2.能定量分析汽车过拱形桥最高点与凹形桥最低点的压力问题
3.知道航天器中的失重的本质
4知道离心运动及产生的条件,了解离心运动的应用和防止
过程与方法
1.通过对匀速圆周运动的实例分析,渗透理论联系实际的观点,提高学生分析和解决问题的能力.
2.通过匀速圆周运动的规律也可以在变速圆周运动中使用,渗透特殊性和一般性之间的辩证关系,提高学生的分析能力.
3.通过对离心现象的实例分析,提高学生综合应用知识解决问题的能力.
情感、态度与价值观
1.通过对几个实例的分析,使学生明确具体问题必须具体分析,理解物理与生活的联系,学会用合理、科学的方法处理问题..
教学
重点1.理解向心力是一种效果力.
2.在具体问题中能找到是谁提供向心力的,并结合牛顿运动定律求解有关问题.
教学
难点1.具体问题中向心力的来源.
2.关于对临界问题的讨论和分析.
3.对变速圆周运动的理解和处理.
学法
指导自主阅读、合作探究、精讲精练、
教学
准备
教学
设想预习导学→学生初步了解本节内容→合作探究→突出重点,突破难点→典型例题分析→巩固知识→达标提升
教学过程
师生互动补充内容或错题订正
任务一预习导学
(认真阅读教材p23-p25,独立完成下列问题)
一、车辆转弯问题的研究
1、火车转弯:
(1)内外轨高度相同时,转弯所需的向心力由_____________力提供。
(2)外轨高度高于内轨,火车按设计速度行驶时,火车转弯所需的向心力由________________提供。
如图示知h,L,转弯半径R,车轮对内外轨都无压力,质量为m的火车运行的速率应该多大?
思考与交流1、如果超速行驶会怎么样?如果减速行驶呢?
2、各种车辆在公路上行驶,向心力怎样提供?
二、拱形桥
问题情境:质量为m的汽车在拱形桥上以速度t/行驶,若桥面的圆弧半径为只,试画出受力分析图,分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力.
(请学生独立画出汽车的受力图,推导出汽车对桥面的压力.)
引导:请同学们进一步考虑当汽车对桥的压力刚好减为零时,汽车的速度有多大.当汽车的速度大于这个速度时,会发生什么现象?
合作交流:下面再一起共同分析汽车通过凹形桥最低点时,汽车对桥的压力比汽车的重力大些还是小些?
三、航天器中的失重现象
从刚才研究的一道例题可以看出,当汽车通过拱形桥凸形桥面顶点时,如果车速达到一定大小,则可使汽车对桥面的压力为零.如果我们把地球想象为特大的“拱形桥”,则情形如何呢?会不会出现这样的情况;速度达到一定程度时,地面对车的支持力是零?这时驾驶员与座椅之间的压力是多少?驾驶员躯体各部分之间的压力是多少?他这时可能有什么感觉?
(学生独立分析以上提出的问题,并在练习本上画出受力分析图,尝试解答.)
引导:假设宇宙飞船质量为M,它在地球表面附近绕地球傲匀逮圆周运动,其轨道半径近似等于地球半径R,航天员质量为m,宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于他们在地面上的重力.试求座舱对宇航员的支持力.此时飞船的速度多大?通过求解.你可以得出什么结论?
四、离心运动
引导:做圆周运动的物体一旦失去向心力的作用,它会怎样运动呢?如果物体受的合力不足以提供向心力,它会怎样运动呢?发表你的见解并说明原因.
合作交流:请同学们结合生活实际,举出物体做离心运动的例子.在这些例子中,离心运动是有益的还是有害的?你能说出这些例子中离心运动是怎样发生的吗?
任务二例题分析
例:一辆质量m=2.0t的小轿车,驶过半径R=90m的一段圆弧形桥面,重力加速度g=10m/s2.求:
(1)若桥面为凹形,汽车以20m/s的速度通过桥面最低点时,对桥面压力是多大?
(2)若桥面为凸形,汽车以l0m/s的速度通过桥面最高点时,对桥面压力是多大?
(3)汽车以多大速度通过凸形桥面顶点时,对桥面刚好没有压力
任务三达标提升
1.火车在转弯行驶时,需要靠铁轨的支持力提供向心力。下列关于火车转弯的说法中正确的是()
A.在转弯处使外轨略高于内轨B.在转弯处使内轨略高于外轨
C.在转弯处使内轨、外轨在同一水平高度
D.在转弯处火车受到的支持力竖直向上
2.汽车以—定速率通过拱桥时,下列说法中正确的是()
A.在最高点汽车对桥的压力大于汽车的重力
B.在最高点汽车对桥的压力等于汽车的重力
C.在最高点汽车对桥的压力小于汽车的重力
D.汽车以恒定的速率过桥时,汽车所受的合力为零
3.关于铁道转弯处内外铁轨间有高度差,下列说法中正确的是()
A.可以使火车顺利转弯,减少车轮与铁轨间的摩擦
B.火车转弯时,火车的速度越小,车轮对内侧的铁轨测侧向压力越小
C.火车转弯时,火车的速度越大,车轮对外侧的铁轨测侧向压力越大
D.外铁轨略高于内铁轨,使得火车转弯时,由重力和支持力的合力提供了部分向心力
4.如图1所示,在高速公路的拐弯处,路面筑得外高内低,即当车向左拐弯时,司机右侧的路面比左侧的要高一些,路面与水平面间的夹角为θ。设拐弯路段是半径为R的圆弧,要使车速为v时车轮与路面之间的横向(即垂直于前进方向)摩擦力等于0,θ应等于()
A.B.
C.D.
5.在下列情况中,汽车对凸形桥顶部的压力最小的是()
A.以较小的速度驶过半径较大的桥;
B.以较小的速度驶过半径较小的桥;
C.以较大的速度驶过半径较大的桥:
D.以较大的速度驶过半径较小的桥.
6.一辆汽车匀速通过一座圆形拱桥后,接着又匀速通过圆弧形凹地.设圆弧半径相等,汽车通过桥顶A时,对桥面的压力NA为车重的一半,汽车在弧形地最低点B时,对地面的压力为NB,则NA:NB为.
7.如图所示,长度为L=1.0m的绳,系一小球在竖直面内做圆周运动,小球的质量为M=5kg,小球半径不计,小球在通过最低点的速度大小为v=20m/s,试求:
(1)小球在最低点所受绳的拉力
(2)小球在最低的向心加速度
文章来源:http://m.jab88.com/j/68165.html
更多