2018-2019學(xué)年高中物理 第2章 研究圓周運(yùn)動 習(xí)題課 圓周運(yùn)動學(xué)案 滬科版必修2.doc
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習(xí)題課圓周運(yùn)動學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.熟練掌握圓周運(yùn)動各物理量的關(guān)系以及向心力、向心加速度的公式.2.會分析圓周運(yùn)動所需向心力來源.3.會分析圓錐擺在水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動.4.會分析汽車過拱(凹)形橋問題一、描述圓周運(yùn)動的各物理量間的關(guān)系例1如圖1所示,光滑的水平面上固定著一個半徑逐漸減小的螺旋形光滑水平軌道,一個小球以一定速度沿軌道切線方向進(jìn)入軌道,下列物理量中數(shù)值將減小的是()圖1A周期 B線速度C角速度 D向心加速度答案A解析軌道對小球的支持力與速度方向垂直,軌道的支持力只改變速度的方向不改變速度的大小,即小球的線速度大小不變,故B錯誤;根據(jù)vR,線速度大小不變,轉(zhuǎn)動半徑減小,故角速度變大,故C錯誤;根據(jù)T,角速度增大,故周期減小,故A正確;根據(jù)a,轉(zhuǎn)動半徑減小,故向心加速度增大,故D錯誤1線速度v、角速度以及周期T之間的關(guān)系:vR.2角速度與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系:2n(注:n的單位為r/s)這些關(guān)系不僅在物體做勻速圓周運(yùn)動中適用,在變速圓周運(yùn)動中也適用,此時關(guān)系中各量是瞬時對應(yīng)的二、分析圓周運(yùn)動問題的基本方法例2如圖2所示,兩根長度相同的輕繩(圖中未畫出),連接著相同的兩個小球,讓它們穿過光滑的桿在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動,其中O為圓心,兩段細(xì)繩在同一直線上,此時,兩段繩子受到的拉力之比為多少?圖2答案32解析對兩小球受力分析如圖所示,設(shè)每段繩子長為l,對球2有F22ml2對球1有:F1F2ml2由以上兩式得:F13ml2由牛頓第三定律得,.分析圓周運(yùn)動問題的基本方法:(1)首先要明確物體做圓周運(yùn)動的軌道平面、圓心和半徑(2)其次,準(zhǔn)確受力分析,弄清向心力的來源,不能漏力或添力(向心力)(3)然后,由牛頓第二定律Fma列方程,其中F是指向圓心方向的合外力,a是向心加速度針對訓(xùn)練1(多選)如圖3所示,在粗糙水平板上放一個物塊,使水平板和物塊一起在豎直平面內(nèi)沿逆時針方向做勻速圓周運(yùn)動,ab為水平直徑,cd為豎直直徑,在運(yùn)動中木板始終保持水平,物塊相對于木板始終靜止,則()圖3A物塊始終受到三個力作用B物塊受到的合外力始終指向圓心C在c、d兩個位置,支持力N有最大值,摩擦力f為零D在a、b兩個位置摩擦力提供向心力,支持力Nmg答案BD解析物塊在豎直平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動,受到的重力與支持力在豎直方向上,c、d兩點(diǎn)的向心力可以由重力和支持力的合力提供,其他時候要受到摩擦力的作用,故A錯誤;物塊在豎直平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動,勻速圓周運(yùn)動的向心力指向圓心,故B正確設(shè)物塊做勻速圓周運(yùn)動的線速度為v,物塊在c、d兩位置摩擦力f為零,在c點(diǎn)有Ncmg,在d點(diǎn)有Ndmg,故在d位置N有最大值,C錯誤在b位置受力如圖,因物塊做勻速圓周運(yùn)動,故只有向心加速度,所以有Nmg,f.同理a位置也如此,故D正確三、水平面內(nèi)的常見圓周運(yùn)動模型例3如圖4所示,已知繩長為L20 cm,水平桿長為 L0.1 m,小球質(zhì)量m0.3 kg,整個裝置可繞豎直軸轉(zhuǎn)動(g取10 m/s2)問:(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)圖4(1)要使繩子與豎直方向成45角,試求該裝置必須以多大的角速度轉(zhuǎn)動才行?(2)此時繩子的張力多大?答案(1)6.44 rad/s(2)4.24 N解析小球繞豎直軸做圓周運(yùn)動,其軌道平面在水平面內(nèi),軌道半徑rLLsin 45.對小球受力分析,設(shè)繩對小球拉力為T,小球重力為 mg,則繩的拉力與重力的合力提供小球做圓周運(yùn)動的向心力對小球利用牛頓第二定律可得:mgtan 45m2rrLLsin 45聯(lián)立兩式,將數(shù)值代入可得6.44 rad/sT4.24 N.1模型特點(diǎn):(1)運(yùn)動平面是水平面(2)合外力提供向心力,且沿水平方向指向圓心2常見裝置:運(yùn)動模型飛機(jī)在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動火車轉(zhuǎn)彎圓錐擺向心力的來源圖示運(yùn)動模型飛車走壁汽車在水平路面轉(zhuǎn)彎水平轉(zhuǎn)臺向心力的來源圖示四、汽車過橋問題例4如圖5所示,質(zhì)量m2.0104 kg的汽車以不變的速率先后駛過凹形橋面和凸形橋面,兩橋面的圓弧半徑均為20 m如果橋面承受的壓力不得超過3.0105 N,g取10 m/s2,則:圖5(1)汽車允許的最大速度是多少?(2)若以(1)中所求速度行駛,汽車對橋面的最小壓力是多少?答案(1)10 m/s(2)1.0105 N解析(1)汽車在凹形橋最低點(diǎn)時存在最大允許速度,由牛頓第二定律得:Nmgm,由題意知N3.0105 N,代入數(shù)據(jù)解得v10 m/s.(2)汽車在凸形橋最高點(diǎn)時對橋面有最小壓力,由牛頓第二定律得:mgN1,代入數(shù)據(jù)解得N11.0105 N.由牛頓第三定律知,汽車對橋面的最小壓力等于1.0105 N.1.汽車過拱形橋(如圖6)圖6汽車在最高點(diǎn)滿足關(guān)系:mgNm,即Nmgm.(1)當(dāng)v時,N0.(2)當(dāng)0v時,0時,汽車將脫離橋面做平拋運(yùn)動,發(fā)生危險(xiǎn)2.汽車過凹形橋(如圖7)圖7汽車在最低點(diǎn)滿足關(guān)系:Nmg,即Nmg.由此可知,汽車對橋面的壓力大于其自身重力,故凹形橋易被壓垮,因而實(shí)際中拱形橋多于凹形橋針對訓(xùn)練2在較大的平直木板上相隔一定距離釘幾個釘子,將三合板彎曲成拱橋形卡入釘子內(nèi)形成拱形橋,三合板上表面事先鋪上一層牛仔布以增大摩擦,這樣玩具慣性車就可以在橋面上跑起來了把這套系統(tǒng)放在電子秤上做實(shí)驗(yàn),如圖8所示,關(guān)于實(shí)驗(yàn)中電子秤的示數(shù)下列說法正確的是()圖8A玩具車靜止在拱形橋頂端時的示數(shù)小一些B玩具車運(yùn)動通過拱形橋頂端時的示數(shù)大一些C玩具車運(yùn)動通過拱形橋頂端時處于超重狀態(tài)D玩具車運(yùn)動通過拱形橋頂端時速度越大(未離開拱橋),示數(shù)越小答案D解析玩具車運(yùn)動到最高點(diǎn)時,受向下的重力和向上的支持力作用,根據(jù)牛頓第二定律有mgNm,即NmgmvBB周期TATBC圓筒對物體的支持力FAfB答案A解析由題意可知,A、B兩物體的角速度相同,由vR知,線速度與半徑成正比,A的半徑大,則其線速度大,故選項(xiàng)A正確;由T可知周期相同,故選項(xiàng)B錯誤;圓筒對物體的支持力提供物體隨筒一起勻速轉(zhuǎn)動的向心力,因此支持力NFm2R,由于角速度相同,A的半徑大,則其所受支持力大,故選項(xiàng)C錯誤;由于物體所受摩擦力為靜摩擦力,大小等于物體自身重力,故選項(xiàng)D錯誤7在光滑的圓錐漏斗的內(nèi)壁,兩個質(zhì)量相同的小球A和B,分別緊貼著漏斗在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動,其中小球A的位置在小球B的上方,如圖6所示下列判斷正確的是()圖6AA球的速率小于B球的速率BA球的角速度大于B球的角速度CA球?qū)β┒繁诘膲毫Υ笥贐球?qū)β┒繁诘膲毫A球的轉(zhuǎn)動周期大于B球的轉(zhuǎn)動周期答案D解析先對A、B兩球進(jìn)行受力分析,兩球均只受重力和漏斗給的支持力如圖所示,對A球據(jù)牛頓第二定律:NAsin mgNAcos mmA2rA對B球據(jù)牛頓第二定律:NBsin mgNBcos mmB2rB由兩球質(zhì)量相等可得NANB,C項(xiàng)錯誤由可知,兩球所受向心力相等,mm,因?yàn)閞ArB,所以vAvB,A項(xiàng)錯誤mA2rAmB2rB,因?yàn)閞ArB,所以ATB,D項(xiàng)正確考點(diǎn)三汽車過橋的問題8如圖7所示,汽車廂頂部懸掛一個輕質(zhì)彈簧,彈簧下端拴一個質(zhì)量為m的小球當(dāng)汽車以某一速率在水平地面上勻速行駛時,彈簧長度為L1,當(dāng)汽車以相同的速率勻速通過一個橋面為圓弧形的凸形橋的最高點(diǎn)時,彈簧長度為L2,下列選項(xiàng)中正確的是()圖7AL1L2BL1L2CL1L2D前三種情況均有可能答案B【考點(diǎn)】豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動分析【題點(diǎn)】汽車過橋問題9(多選)一個質(zhì)量為m的物體(體積可忽略),在半徑為R的光滑半球頂點(diǎn)處以水平速度v0運(yùn)動,如圖8所示,則下列說法正確的是()圖8A若v0,則物體對半球頂點(diǎn)無壓力B若v0,則物體對半球頂點(diǎn)的壓力為mgC若v00,則物體對半球頂點(diǎn)的壓力為mgD若v00,則物體對半球頂點(diǎn)的壓力為零答案AC解析設(shè)物體受到的支持力為N,若v0,則mgNm,得N0,則由牛頓第三定律知物體對半球頂點(diǎn)無壓力,A正確若v0,則mgNm,得Nmg,則物體對半球頂點(diǎn)的壓力為mg,B錯誤若v00,根據(jù)牛頓第二定律mgNm0,得Nmg,由牛頓第三定律知物體對半球頂點(diǎn)的壓力為mg,C正確,D錯誤【考點(diǎn)】向心力公式的簡單應(yīng)用【題點(diǎn)】豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動中的動力學(xué)問題10.一輛卡車在丘陵地帶勻速率行駛,地形如圖9所示,由于輪胎太舊,途中爆胎,爆胎可能性最大的地段應(yīng)是()圖9Aa處 Bb處Cc處 Dd處答案D解析卡車在a、c處有豎直向下的向心加速度,處于失重狀態(tài),輪胎受到的壓力比車重小,卡車在b、d處有豎直向上的向心加速度,處于超重狀態(tài),輪胎受到的壓力比車重大,選項(xiàng)A、C錯誤;卡車在b、d處有Nmgm,得Nmgm,由于在d處做圓周運(yùn)動的半徑R較小,所以在d處受到的支持力N較大,爆胎的可能性最大,選項(xiàng)D正確,B錯誤二、非選擇題11(汽車過橋問題)如圖10所示,一輛質(zhì)量為4 t的汽車勻速經(jīng)過一半徑為50 m的凸形橋(g10 m/s2)圖10(1)汽車若能安全駛過此橋,它的速度范圍為多少?(2)若汽車經(jīng)最高點(diǎn)時對橋的壓力等于它重力的一半,求此時汽車的速度多大?答案(1)v22.4 m/s(2)15.8 m/s解析(1)汽車經(jīng)最高點(diǎn)時受到橋面對它的支持力N,設(shè)汽車的行駛速度為v.則mgNm當(dāng)N0時,v此時汽車從最高點(diǎn)開始離開橋面做平拋運(yùn)動,汽車不再安全,故汽車過橋的安全速度v m/s22.4 m/s.(2)設(shè)汽車對橋的壓力為mg時汽車的速度為v,由牛頓第三定律知橋?qū)ζ嚨闹С至閙g,則mgmgmv15.8 m/s.12(水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動)如圖11所示,半徑為R的半球形陶罐,固定在可以繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的水平轉(zhuǎn)臺上,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸與過陶罐球心O的對稱軸OO重合轉(zhuǎn)臺以一定角速度勻速旋轉(zhuǎn),一質(zhì)量為m的小物塊落入陶罐內(nèi),經(jīng)過一段時間,小物塊隨陶罐一起轉(zhuǎn)動且相對罐壁靜止,它和O點(diǎn)的連線與OO之間的夾角為60.重力加速度大小為g.圖11(1)若0,小物塊受到的靜摩擦力恰好為零,求0;(2)若(1k)0,且0k1,求小物塊受到的摩擦力的大小和方向答案(1)(2)見解析解析(1)小物塊在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動,當(dāng)小物塊受到的摩擦力恰好等于零時,小物塊所受的重力和陶罐的支持力的合力提供其做圓周運(yùn)動的向心力,有mgtan m02Rsin 代入數(shù)據(jù)得0(2)當(dāng)(1k)0時,小物塊受到的摩擦力沿陶罐壁切線向下,設(shè)摩擦力的大小為f,陶罐壁對小物塊的支持力為N,沿水平方向和豎直方向建立坐標(biāo)系,則水平方向Nsin fcos m2Rsin 豎直方向Ncos fsin mg0代入數(shù)據(jù)解得fmg,方向沿陶罐切線向下同理,當(dāng)(1k)0時,小物塊受到的摩擦力沿陶罐壁切線向上,則水平方向:Nsin fcos m2Rsin 豎直方向:Ncos fsin mg0代入數(shù)據(jù)解得fmg,方向沿陶罐壁切線向上- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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