2019版高考物理總復習 第四章 曲線運動 萬有引力與航天 基礎(chǔ)課3 圓周運動學案
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1、 基礎(chǔ)課3 圓周運動 知識排查 勻速圓周運動 1.定義:做圓周運動的物體,若在相等的時間內(nèi)通過的圓弧長相等,就是勻速圓周運動。 2.特點:加速度大小不變,方向始終指向圓心,是變加速運動。 3.條件:合外力大小不變、方向始終與速度方向垂直且指向圓心。 角速度、線速度、向心加速度 勻速圓周運動的向心力 1.作用效果:向心力產(chǎn)生向心加速度,只改變速度的方向,不改變速度的大小。 2.大?。篎=ma=m=mω2r=mr=mωv=4π2mf2r。 3.方向:始終沿半徑指向圓心方向,時刻在改變,即向心力是一個變力。 4.來源:向心力可以由一個力提供,也可以由幾個力的合力提供,
2、還可以由一個力的分力提供。 離心現(xiàn)象 1.定義:做圓周運動的物體,在所受合外力突然消失或不足以提供圓周運動所需向心力的情況下,就做逐漸遠離圓心的運動。 小題速練 1.思考判斷 (1)做勻速圓周運動的物體所受合外力是保持不變的。( ) (2)做勻速圓周運動的物體向心加速度與半徑成反比。( ) (3)隨圓盤一起勻速轉(zhuǎn)動的物體受重力、支持力和向心力的作用。( ) (4)做圓周運動的物體所受合外力突然消失,物體將沿圓周切線方向做勻速直線運動。( ) 答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ 2.[人教版必修2·P22·T3拓展](多選)如圖1所示,有一皮帶傳動裝置,
3、A、B、C三點到各自轉(zhuǎn)軸的距離分別為RA、RB、RC,已知RB=RC=,若在傳動過程中,皮帶不打滑。則( ) 圖1 A.A點與C點的角速度大小相等 B.A點與C點的線速度大小相等 C.B點與C點的角速度大小之比為2∶1 D.B點與C點的向心加速度大小之比為1∶4 解析 處理傳動裝置類問題時,對于同一根皮帶連接的傳動輪邊緣的點,線速度大小相等;同軸轉(zhuǎn)動的點,角速度相等。對于本題,顯然vA=vC,ωA=ωB,選項B正確;根據(jù)vA=vC及關(guān)系式v=ωR,可得ωARA=ωCRC,又RC=,所以ωA=,選項A錯誤;根據(jù)ωA=ωB,ωA=,可得ωB=,即B點與C點的角速度大小之比為1∶2
4、,選項C錯誤;根據(jù)ωB=及關(guān)系式a=ω2R,可得aB=,即B點與C點的向心加速度大小之比為1∶4,選項D正確。 答案 BD 3.[人教版必修2·P25·T2拓展](多選)如圖2所示,兩個圓錐內(nèi)壁光滑,豎直放置在同一水平面上,圓錐母線與豎直方向夾角分別為30°和60°,有A、B兩個質(zhì)量相同的小球在兩圓錐內(nèi)壁等高處做勻速圓周運動,下列說法正確的是( ) 圖2 A.A、B球受到的支持力之比為∶3 B.A、B球的向心力之比為∶1 C.A、B球運動的角速度之比為3∶1 D.A、B球運動的線速度之比為1∶1 解析 設(shè)小球受到的支持力為FN,向心力為F,則有FNsin θ=mg,F(xiàn)NA
5、∶FNB=∶1,選項A錯誤;F=,F(xiàn)A∶FB=3∶1,選項B錯誤;小球運動軌道高度相同,則半徑R=htan θ,RA∶RB=1∶3,由F=mω2R得ωA∶ωB=3∶1,選項C正確;由v=ωR得vA∶vB=1∶1,選項D正確。 答案 CD 圓周運動的運動學問題 1.對公式v=ωr的理解 當r一定時,v與ω成正比; 當ω一定時,v與r成正比; 當v一定時,ω與r成反比。 2.對a==ω2r=ωv的理解 在v一定時,a與r成反比;在ω一定時,a與r成正比。 1.(2017·浙江臺州模擬)汽車后備箱蓋一般都配有可伸縮的液壓桿,如圖3甲所示,其示意圖如同乙所示,可伸縮液壓桿上
6、端固定于后蓋上A點,下端固定于箱內(nèi)O′點,B也為后蓋上一點,后蓋可繞過O點的固定鉸鏈轉(zhuǎn)動,在合上后備箱蓋的過程中( ) 圖3 A.A點相對O′點做圓周運動 B.A點與B點相對于O點轉(zhuǎn)動的線速度大小相等 C.A點與B點相對于O點轉(zhuǎn)動的角速度大小相等 D.A點與B點相對于O點轉(zhuǎn)動的向心加速度大小相等 解析 在合上后備箱蓋的過程中,O′A的長度是變化的,因此A點相對O′點不是做圓周運動,選項A錯誤;在合上后備箱蓋的過程中,A點與B點都是繞O點做圓周運動,相同的時間繞O點轉(zhuǎn)過的角度相同,即A點與B點相對O點的角速度相等,但是OB大于OA,根據(jù)v=rω,所以B點相對于O點轉(zhuǎn)動的線速度大
7、,故選項B錯誤,C正確;根據(jù)向心加速度公式a=rω2可知,B點相對O點的向心加速度大于A點相對O點的向心加速度,故選項D錯誤。 答案 C 2.如圖4所示,B和C是一組塔輪,即B和C半徑不同,但固定在同一轉(zhuǎn)動軸上,其半徑之比為RB∶RC=3∶2,A輪的半徑大小與C輪相同,它與B輪緊靠在一起,當A輪繞過其中心的豎直軸轉(zhuǎn)動時,由于摩擦作用,B輪也隨之無相對滑動地轉(zhuǎn)動起來。a、b、c分別為三輪邊緣的三個點,則a、b、c三點在轉(zhuǎn)動過程中的( ) 圖4 A.線速度大小之比為3∶2∶2 B.角速度之比為3∶3∶2 C.轉(zhuǎn)速之比為2∶3∶2 D.向心加速度大小之比為9∶6∶4 解析 A、
8、B輪摩擦傳動無滑動,故va=vb,ωaRA=ωbRB,ωa∶ωb=3∶2;B、C同軸,故ωb=ωc,=,vb∶vc=3∶2,因此va∶vb∶vc=3∶3∶2,ωa∶ωb∶ωc=3∶2∶2,故選項A、B錯誤;轉(zhuǎn)速之比等于角速度之比,故選項C錯誤;由a=ωv得aa∶ab∶ac=9∶6∶4,選項D正確。 答案 D 3.[人教版必修2·P19·T4改編]圖5是自行車傳動裝置的示意圖,其中Ⅰ是半徑為r1的大齒輪,Ⅱ是半徑為r2的小齒輪,Ⅲ是半徑為r3的后輪,假設(shè)腳踏板的轉(zhuǎn)速為n r/s,則自行車前進的速度為( ) 圖5 A. B. C. D. 答案 D 常見的三種傳動
9、方式及特點 (1)同軸傳動:如圖甲、乙所示,繞同一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的物體,角速度相同,ωA=ωB,由v=ωr知v與r成正比。 (2)皮帶傳動:如圖甲、乙所示,皮帶與兩輪之間無相對滑動時,兩輪邊緣線速度大小相等,即vA=vB。 (3)摩擦傳動:如圖所示,兩輪邊緣接觸,接觸點無打滑現(xiàn)象時,兩輪邊緣線速度大小相等,即vA=vB。 圓周運動中的動力學問題 1.向心力的來源 (1)向心力的方向沿半徑指向圓心。 (2)向心力來源:一個力或幾個力的合力或某個力的分力。 2.向心力的確定 (1)確定圓周運動的軌道所在的平面,確定圓心的位置。 (2)分析物體的受力情況,找
10、出所有的力沿半徑方向指向圓心的合力就是向心力。 1.一汽車通過拱形橋頂時速度為10 m/s,車對橋頂?shù)膲毫檐囍氐模绻蛊囋跇蝽攲蛎鏇]有壓力,車速至少為( ) A.15 m/s B.20 m/s C.25 m/s D.30 m/s 解析 當FN=G時,因為G-FN=m,所以G=m;當FN=0時,G=m,所以v′=2v=20 m/s。選項B正確。 答案 B 2.鐵路在彎道處的內(nèi)、外軌道高度是不同的,已知內(nèi)、外軌道平面與水平面的夾角為θ,如圖6所示,彎道處的圓弧半徑為R,若質(zhì)量為m的火車轉(zhuǎn)彎時速度等于,則( ) 圖6 A.內(nèi)軌對內(nèi)側(cè)車輪輪緣有擠壓 B.外
11、軌對外側(cè)車輪輪緣有擠壓 C.這時鐵軌對火車的支持力等于 D.這時鐵軌對火車的支持力大于 解析 由牛頓第二定律F合=m,解得F合=mgtan θ,此時火車只受重力和鐵路軌道的支持力作用,如圖所示,F(xiàn)Ncos θ=mg,則FN=,內(nèi)、外軌道對火車均無側(cè)壓力,故選項C正確,A、B、D錯誤。 答案 C 3.如圖7所示,用一根細繩一端系一個小球,另一端固定,給小球不同的初速度,使小球在水平面內(nèi)做角速度不同的圓周運動,則下列細繩拉力F、懸點到軌跡圓心高度h、向心加速度a、線速度v與角速度平方ω2的關(guān)系圖象正確的是( ) 圖7 解析 設(shè)細繩長度為l,小球做勻速圓周運動時細繩與豎直方向
12、的夾角為θ,則有細繩拉力為F,有Fsin θ=mω2lsin θ,得F=mω2l,選項A正確;mgtan θ=mω2lsin θ,得h=lcos θ=,選項B錯誤;小球的向心加速度a=ω2lsin θ,選項C錯誤;小球的線速度v=ωlsin θ,選項D錯誤。 答案 A 4.[人教版必修2·P26·T4拓展](多選)在光滑水平桌面中央固定一邊長為0.3 m的小正三棱柱abc,俯視圖如圖8所示。長度為L=1 m的細線,一端固定在a點,另一端拴住一個質(zhì)量為m=0.5 kg、不計大小的小球。初始時刻,把細線拉直在ca的延長線上,并給小球以v0=2 m/s 且垂直于細線方向的水平速度,由于光滑三棱柱
13、的存在,細線逐漸纏繞在三棱柱上(不計細線與三棱柱碰撞過程中的能量損失)。已知細線所能承受的最大張力為7 N,則下列說法正確的是( ) 圖8 A.細線斷裂之前,小球速度的大小保持不變 B.細線斷裂之前,小球的速度逐漸減小 C.細線斷裂之前,小球運動的總時間為0.7π s D.細線斷裂之前,小球運動的位移大小為0.9 m 解析 細線斷裂之前,細線拉力與速度垂直,不做功,不改變小球的速度大小,故小球的速度大小保持不變,故選項A正確,B錯誤;細線剛斷裂時,拉力大小為7 N,由F=m得,此時的半徑為r= m,由于小球每轉(zhuǎn)120°,半徑減小0.3 m,則知小球剛好轉(zhuǎn)過一周,細線斷裂,則小
14、球運動的總時間為t=·+·+·,而r1=1 m,r2=0.7 m,r3=0.4 m,v0=2 m/s,解得t=0.7π s,故選項C正確;小球每轉(zhuǎn)120°,半徑減小0.3 m,細線斷裂之前,小球運動的位移大小為 1 m-0.1 m=0.9 m,故選項D正確。 答案 ACD “一、二、三、四”求解圓周運動問題 豎直面內(nèi)圓周運動中的臨界問題 1.運動特點 (1)豎直面內(nèi)的圓周運動一般是變速圓周運動。 (2)只有重力做功的豎直面內(nèi)的變速圓周運動機械能守恒。 (3)豎直面內(nèi)的圓周運動問題,涉及知識面比較廣,既有臨界問題,又有能量守恒的問題,要注意物體運動到圓周的最
15、高點的速度。 (4)一般情況下,豎直面內(nèi)的圓周運動問題只涉及最高點和最低點的兩種情形。 2.常見模型 物理情景 最高點無支撐 最高點有支撐 實例 球與繩連接、水流星、沿內(nèi)軌道運動的“過山車”等 球與桿連接、球在光滑管道中運動等 圖示 受力 特征 除重力外,物體受到的彈力方向:向下或等于零 除重力外,物體受到的彈力方向:向下、等于零或向上 受力 示意圖 力學方程 mg+FN=m mg±FN=m 臨界 特征 FN=0 mg=m 即vmin= v=0 即F向=0 FN=mg 過最高點 的條件 在最高點的速度 v≥ v≥0
16、 【典例】 (2016·海南高考)如圖9,光滑圓軌道固定在豎直面內(nèi),一質(zhì)量為m的小球沿軌道做完整的圓周運動。已知小球在最低點時對軌道的壓力大小為N1,在最高點時對軌道的壓力大小為N2。重力加速度大小為g,則N1-N2的值為( ) 圖9 A.3mg B.4mg C.5mg D.6mg 解析 設(shè)小球在最低點速度為v1,在最高點速度為v2,根據(jù)牛頓第二定律,在最低點:N1-mg=m, 在最高點:N2+mg=m 同時從最高點到最低點,根據(jù)機械能守恒定律得 mg·2R=mv-mv 聯(lián)立以上三式可得N1-N2=6mg,故選項D正確。 答案 D 分析豎直平面內(nèi)圓周運動
17、臨界問題的思路 1.(2017·遼寧鐵嶺聯(lián)考)飛機由俯沖到拉起時,飛行員處于超重狀態(tài),此時座椅對飛行員的支持力大于飛行員所受的重力,這種現(xiàn)象叫過荷。過荷過重會造成飛行員四肢沉重,大腦缺血,暫時失明,甚至昏厥。受過專門訓練的空軍飛行員最多可承受9倍重力的影響。g取10 m/s2,則當飛機在豎直平面上沿圓弧軌道俯沖、拉起的速度為100 m/s時,圓弧軌道的最小半徑為( ) 圖10 A.100 m B.111 m C.125 m D.250 m 解析 在飛機經(jīng)過最低點時,對飛行員受力分析,受重力mg和支持力FN,兩者的合力提供向心力,由題意知,當FN=9mg
18、時,圓弧軌道半徑最小為Rmin。由牛頓第二定律列方程,F(xiàn)N-mg=m,聯(lián)立解得Rmin==125 m,故選項C正確。 答案 C 2.(2017·山東青島期末) (多選)如圖11所示,內(nèi)壁光滑的大圓管,用一細輕桿固定在豎直平面內(nèi);在管內(nèi)有一小球(可視為質(zhì)點)做圓周運動。下列說法正確的是( ) 圖11 A.小球通過最低點時,小球?qū)A管的壓力向下 B.小球通過最高點時,小球?qū)A管可能無壓力 C.細桿對圓管的作用力一定大于圓管的重力大小 D.細桿對圓管的作用力可能會大于圓管和小球的總重力大小 解析 小球通過最低點時,小球受到重力、圓管向上的支持力,合力指向圓心,根據(jù)牛頓第三定律,
19、小球?qū)A管的壓力向下,選項A正確;當小球通過最高點時,若速度為,圓管對小球的彈力為零,小球?qū)A管無壓力,選項B正確; 對圓管和球組成的整體為研究對象,當小球的向心加速度向上(或分量向上)時,細桿對圓管的作用力會大于圓管和小球的總重力大??;當小球的向心加速度向下(或分量向下)時,細桿對圓管的作用力小于圓管和小球的總重力大小,選項C錯誤,D正確。 答案 ABD 3.(2017·江蘇單科,5)如圖12所示,一小物塊被夾子夾緊,夾子通過輕繩懸掛在小環(huán)上,小環(huán)套在水平光滑細桿上。物塊質(zhì)量為M,到小環(huán)的距離為L,其兩側(cè)面與夾子間的最大靜摩擦力均為F。小環(huán)和物塊以速度v向右勻速運動,小環(huán)碰到桿上的釘子
20、P后立刻停止,物塊向上擺動。整個過程中,物塊在夾子中沒有滑動。小環(huán)和夾子的質(zhì)量均不計,重力加速度為g。下列說法正確的是( ) 圖12 A.物塊向右勻速運動時,繩中的張力等于2F B.小環(huán)碰到釘子P時,繩中的張力大于2F C.物塊上升的最大高度為 D.速度v不能超過 解析 物塊向右勻速運動時,設(shè)物塊與夾子間的靜摩擦力為f,則f<F。對物塊,根據(jù)平衡條件可得2f=Mg,則繩中的張力T=2f<2F,故選項A錯誤;小環(huán)碰到釘子后,物塊向上擺動的過程中,物塊在夾子中沒有滑動,可知夾子的兩側(cè)面與物塊間的摩擦力f≤F,所以繩中的張力T=2f≤2F,故選項B錯誤;物塊向上擺動的過程,由機械能
21、守恒定律得Mgh=Mv2,解得h=,即物塊上升的最大高度為,故選項C錯誤;假設(shè)物塊在開始擺動時,兩側(cè)面與夾子間剛好達到最大靜摩擦力F,由牛頓第二定律得2F-Mg=M,解得v=,所以速度v不能超過,選項D正確。 答案 D 豎直面內(nèi)圓周運動模型的應用 [題源:人教版必修2·P30·T4] 質(zhì)量為25 kg的小孩坐在秋千板上,小孩離系繩子的橫梁2.5 m。如果秋千板擺到最低點時,小孩運動速度的大小是5 m/s,她對秋千板的壓力是多大? 拓展1 在上題中若把小孩換成雜技演員,且讓演員能在豎直面內(nèi)做圓周運動(其他條件不變),演員在最低點時的速度至少為(空氣阻力不計,g=10 m/s2)(
22、 ) A.5 m/s B.5 m/s C.5 m/s D.10 m/s 解析 若演員在豎直面內(nèi)剛好做圓周運動,則滿足 mg=① 演員從最低點運動到最高點過程中,滿足機械能守恒定律 mv=mg·2R+mv② 聯(lián)立①②得v低==5 m/s,故選項C正確。 答案 C 拓展2 (2016·全國卷Ⅲ,24)如圖13所示,在豎直平面內(nèi)有由圓弧AB和圓弧BC組成的光滑固定軌道,兩者在最低點B平滑連接。AB弧的半徑為R,BC弧的半徑為。一小球在A點正上方與A相距處由靜止開始自由下落,經(jīng)A點沿圓弧軌道運動。 圖13 (1)求小球在B、A兩點的動能之比; (2)通過計算判斷
23、小球能否沿軌道運動到C點。 解析 (1)設(shè)小球的質(zhì)量為m,小球在A點的動能為EkA,由機械能守恒得 EkA=mg·① 設(shè)小球在B點的動能為EkB,同理有 EkB=mg·② 由①②式得=5③ (2)若小球能沿軌道運動到C點,小球在C點所受軌道的正壓力FN應滿足 FN≥0④ 設(shè)小球在C點的速度大小為vC,由牛頓運動定律和向心加速度公式有 FN+mg=m⑤ 由④⑤式得 mg≤m⑥ vC≥⑦ 全程應用機械能守恒定律得 mg·=mvC′2⑧ 由⑦⑧式可知,vC=vC′,即小球恰好可以沿軌道運動到C點。 答案 (1)5∶1 (2)能,理由見解析 活頁作業(yè) (時間:40分
24、鐘) A級:保分練 1.如圖1為某中國運動員在短道速滑比賽中勇奪金牌的精彩瞬間,假定此時他正沿圓弧形彎道勻速滑行,則他( ) 圖1 A.所受的合力為零,做勻速運動 B.所受的合力恒定,做勻加速運動 C.所受的合力恒定,做變加速運動 D.所受的合力變化,做變加速運動 答案 D 2.(2017·洛陽模擬)如圖2是摩托車比賽轉(zhuǎn)彎時的情形,轉(zhuǎn)彎處路面常是外高內(nèi)低,摩托車轉(zhuǎn)彎有一個最大安全速度,若超過此速度,摩托車將發(fā)生滑動。若摩托車發(fā)生滑動,則下列論述正確的是( ) 圖2 A.摩托車一直受到沿半徑方向向外的離心力作用 B.摩托車所受合外力提供的向心力小于所需要的向心
25、力 C.摩托車將沿其線速度的方向沿直線滑出去 D.摩托車將沿其半徑方向沿直線滑出去 答案 B 3.某同學為感受向心力的大小與哪些因素有關(guān),做了一個小實驗:繩的一端拴一小球,手牽著在空中甩動,使小球在水平面內(nèi)做圓周運動(如圖3所示),則下列說法正確的是( ) 圖3 A.保持繩長不變,增大角速度,繩對手的拉力將不變 B.保持繩長不變,增大角速度,繩對手的拉力將增大 C.保持角速度不變,增大繩長,繩對手的拉力將不變 D.保持角速度不變,增大繩長,繩對手的拉力將減小 解析 由向心力的表達式Fn=mω2r可知,保持繩長不變,增大角速度,向心力增大,繩對手的拉力增大,選項A錯誤,
26、B正確;保持角速度不變,增大繩長,向心力增大,繩對手的拉力增大,選項C、D錯誤。 答案 B 4.(多選)如圖4所示,半徑r=0.5 m的光滑圓軌道被豎直固定在水平地面上,圓軌道最低處有一小球(小球的半徑比r小很多)。現(xiàn)給小球一個水平向右的初速度v0,要使小球不脫離軌道運動,重力加速度大小g取10 m/s2,v0應滿足( ) 圖4 A.v0≥0 B.v0≥2 m/s C.v0≥5 m/s D.v0≤ m/s 解析 最高點的臨界情況為mg=m,解得v=,小球從最低點到最高點的過程,根據(jù)動能定理得-mg·2r=mv2-mv,解得v0=5 m/s。若恰好不超過圓心高度,根
27、據(jù)動能定理有-mgr=0-mv,解得v0== m/s,所以v0應滿足的條件是v0≥5 m/s或v0≤ m/s,故選項C、D正確,A、B錯誤。 答案 CD 5.質(zhì)量為m的小球在豎直平面內(nèi)的圓管軌道內(nèi)運動,小球的直徑略小于圓管的直徑,如圖5所示。已知小球以速度v通過最高點時對圓管的外壁的壓力大小恰好為mg,則小球以速度通過圓管的最高點時( ) 圖5 A.小球?qū)A管的內(nèi)、外壁均無壓力 B.小球?qū)A管的外壁壓力等于mg C.小球?qū)A管的內(nèi)壁壓力等于mg D.小球?qū)A管的內(nèi)壁壓力等于mg 解析 以小球為研究對象,小球通過最高點時,由牛頓第二定律得mg+mg=m,當小球以速度通過圓管
28、的最高點,由牛頓第二定律得mg+FN=m,解以上兩式得FN=-mg,負號表示圓管對小球的作用力向上,即小球?qū)A管的內(nèi)壁壓力等于mg,故選項C正確。 答案 C 6.質(zhì)量為m的物體隨水平傳送帶一起勻速運動,A為傳送帶的終端皮帶輪。如圖6所示,皮帶輪半徑為r,要使物體通過終端時能水平拋出,皮帶輪的轉(zhuǎn)速至少為( ) 圖6 A. B. C. D. 解析 要使物體通過終端時能水平拋出,則有mg=,物體飛出時速度至少為,由v=ωr=2πnr可得皮帶輪的轉(zhuǎn)速至少為n=,選項A正確。 答案 A 7.如圖7所示,半徑為R的光滑半圓軌道豎直放置,一小球以某一速度進入半圓軌道,通過最
29、高點P時,對軌道的壓力為其重力的一半,不計空氣阻力,則小球落地點到P點的水平距離為( ) 圖7 A.R B.R C.R D.R 解析 小球從P點飛出后,做平拋運動,設(shè)做平拋運動的時間為t,則2R=gt2,解得t=2,在最高點P時有,mg+mg=m,解得v=,因此小球落地點到P點的水平距離為x=vt=R,選項D正確。 答案 D 8.(2016·全國卷Ⅱ,16)小球P和Q用不可伸長的輕繩懸掛在天花板上,P球的質(zhì)量大于Q球的質(zhì)量,懸掛P球的繩比懸掛Q球的繩短。將兩球拉起,使兩繩均被水平拉直,如圖8所示。將兩球由靜止釋放。在各自軌跡的最低點( ) 圖8 A.P球的速度
30、一定大于Q球的速度
B.P球的動能一定小于Q球的動能
C.P球所受繩的拉力一定大于Q球所受繩的拉力
D.P球的向心加速度一定小于Q球的向心加速度
解析 小球從水平位置擺動至最低點,由動能定理得mgL=mv2,解得v=,因LP
31、高的A、B兩點,A、B兩點間的距離也為l,重力加速度g取10 m/s2?,F(xiàn)使小球在豎直平面內(nèi)以AB為軸做圓周運動,若小球在最高點速率為v時,每根繩的拉力恰好為零,則小球在最高點速率為2v時,每根繩的拉力大小為( ) 圖9 A.5 N B. N C.15 N D.10 N 解析 小球在最高點速率為v時,兩根繩的拉力恰好均為零,由牛頓第二定律得mg=m;當小球在最高點的速率為2v時,由牛頓第二定律得mg+2FTcos 30°=m,解得FT=mg=5 N,故選項A正確。 答案 A 10.如圖10所示,甲、乙兩水平圓盤緊靠在一塊,甲圓盤為主動輪,乙靠摩擦隨甲轉(zhuǎn)動且無相對滑
32、動。甲圓盤與乙圓盤的半徑之比為r甲∶r乙=3∶1,兩圓盤和小物體m1、m2之間的動摩擦因數(shù)相同,m1距O點為2r,m2距O′點為r,當甲緩慢轉(zhuǎn)動起來且轉(zhuǎn)速慢慢增加時( ) 圖10 A.m1與m2滑動前的角速度之比ω1∶ω2=3∶1 B.m1與m2滑動前的向心加速度之比a1∶a2=1∶3 C.隨轉(zhuǎn)速慢慢增加,m1先開始滑動 D.隨轉(zhuǎn)速慢慢增加,m2先開始滑動 解析 甲、乙兩圓盤邊緣上的各點線速度大小相等,有ω甲r甲=ω乙r乙,因r甲∶r乙=3∶1,則ω甲∶ω乙=1∶3,所以小物體相對盤開始滑動前,m1與m2的角速度之比ω1∶ω2=1∶3,故選項A錯誤;小物體相對盤開始滑動前,根
33、據(jù)a=ω2r得m1與m2的向心加速度之比為a1∶a2=(ω·2r)∶(ωr)=2∶9,故選項B錯誤;根據(jù)μmg=mrω2=ma知,因a1∶a2=2∶9,圓盤和小物體的動摩擦因數(shù)相同,可知當轉(zhuǎn)速增加時,m2先達到臨界角速度,所以m2先開始滑動。故選項C錯誤,D正確。 答案 D 11.(多選)如圖11甲所示為建筑行業(yè)使用的一種小型打夯機,其原理可簡化為一個質(zhì)量為M的支架(含電動機)上由一根長為l的輕桿帶動一個質(zhì)量為m的鐵球(鐵球可視為質(zhì)點),如圖乙所示,重力加速度為g。若在某次打夯過程中,鐵球以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,則( ) 圖11 A.鐵球轉(zhuǎn)動過程中機械能守恒 B.鐵球做圓周運動的向
34、心加速度始終不變 C.鐵球轉(zhuǎn)動到最低點時,處于超重狀態(tài) D.若鐵球轉(zhuǎn)動到最高點時,支架對地面的壓力剛好為零,則ω= 解析 由于鐵球在做勻速圓周運動的過程中動能不變,但重力勢能在不斷地變化,所以其機械能不守恒,選項A錯誤;由于鐵球做圓周運動的角速度和半徑均不發(fā)生變化,由a=ω2l可知,向心加速度的大小不變,但其方向在不斷地發(fā)生變化,故選項B錯誤;鐵球轉(zhuǎn)動到最低點時,有豎直向上的加速度,故桿對鐵球的拉力要大于鐵球的重力,鐵球處于超重狀態(tài),選項C正確;以支架和鐵球整體為研究對象,鐵球轉(zhuǎn)動到最高點時,只有鐵球有向下的加速度,由牛頓第二定律可得(M+m)g=mω2l,解得ω=,選項D正確。 答案
35、 CD 12.(2017·湖南六校聯(lián)考)如圖12所示為水上樂園的設(shè)施,由彎曲滑道、豎直平面內(nèi)的圓形滑道、水平滑道及水池組成,圓形滑道外側(cè)半徑R=2 m,圓形滑道的最低點的水平入口B和水平出口B′相互錯開,為保證安全,在圓形滑道內(nèi)運動時,要求緊貼內(nèi)側(cè)滑行。水面離水平滑道高度h=5 m?,F(xiàn)游客從滑道A點由靜止滑下,游客可視為質(zhì)點,不計一切阻力,重力加速度g取10 m/s2,求: 圖12 (1)起滑點A至少離水平滑道多高? (2)為了保證游客安全,在水池中放有長度L=5 m的安全氣墊MN,其厚度不計,滿足(1)的游客恰落在M端,要使游客能安全落在氣墊上,安全滑下點A距水平滑道的高度取值范
36、圍為多少? 解析 (1)游客在圓形滑道內(nèi)側(cè)恰好滑過最高點時,有 mg=m① 從A到圓形滑道最高點,由機械能守恒定律得 mgH1=mv2+mg·2R② 解得H1=R=5 m③ (2)落在M點時拋出速度最小,從A到C由機械能守恒定律得 mgH1=mv④ v1==10 m/s⑤ 水平拋出,由平拋運動規(guī)律可知 h=gt2⑥ 得t=1 s 則s1=v1t=10 m 落在N點時s2=s1+L=15 m 則對應的拋出速度v2==15 m/s⑧ 由mgH2=mv 得H2==11.25 m 安全滑下點A距水平滑道高度范圍為 5 m≤H≤11.25 m⑨ 答案 (1)5 m (2)5 m≤H≤11.25 m 21
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