高一物理必修2圓周運(yùn)動復(fù)習(xí)知識點(diǎn)總結(jié)及經(jīng)典例題詳細(xì)剖析教育試題

1、勻速圓周運(yùn)動專題從現(xiàn)行高中知識體系來看，勻速圓周運(yùn)動上承牛頓運(yùn)動定律，下接萬有引力，因此在高一物理中占據(jù)極其重要的地位，同時學(xué)好這一章還將為高二的帶電粒子在磁場中的運(yùn)動及高三復(fù)習(xí)中解決圓周運(yùn)動的綜合問題打下良好的基礎(chǔ)。（一）基礎(chǔ)知識1. 勻速圓周運(yùn)動的基本概念和公式（1）線速度大小 ，方向沿圓周的切線方向，時刻變化；（2）角速度 ，恒定不變量；（3）周期與頻率 ；（4）向心力 ，總指向圓心，時刻變化，向心加速度 ，方向與向心力相同；（5）線速度與角速度的關(guān)系為 ， 、 、 、 的關(guān)系為 。所以在 、 、 中若一個量確定，其余兩個量也就確定了，而 還和 有關(guān)。2. 質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動的條件（1）

2、具有一定的速度；（2）受到的合力（向心力）大小不變且方向始終與速度方向垂直。合力（向心力）與速度始終在一個確定不變的平面內(nèi)且一定指向圓心。3. 向心力有關(guān)說明向心力是一種效果力。任何一個力或者幾個力的合力，或者某一個力的某個分力，只要其效果是使物體做圓周運(yùn)動的，都可以認(rèn)為是向心力。做勻速圓周運(yùn)動的物體，向心力就是物體所受的合力，總是指向圓心；做變速圓周運(yùn)動的物體，向心力只是物體所受合外力在沿著半徑方向上的一個分力，合外力的另一個分力沿著圓周的切線，使速度大小改變，所以向心力不一定是物體所受的合外力。（二）解決圓周運(yùn)動問題的步驟1. 確定研究對象；2. 確定圓心、半徑、向心加速度方向；3. 進(jìn)行

3、受力分析，將各力分解到沿半徑方向和垂直于半徑方向；4. 根據(jù)向心力公式，列牛頓第二定律方程求解?；疽?guī)律：徑向合外力提供向心力 （三）常見問題及處理要點(diǎn)1. 皮帶傳動問題例1：如圖1所示，為一皮帶傳動裝置，右輪的半徑為r，a是它邊緣上的一點(diǎn)，左側(cè)是一輪軸，大輪的半徑為4r，小輪的半徑為2r，b點(diǎn)在小輪上，到小輪中心的距離為r，c點(diǎn)和d點(diǎn)分別位于小輪和大輪的邊緣上，若在傳動過程中，皮帶不打滑，則（ ）a. a點(diǎn)與b點(diǎn)的線速度大小相等b. a點(diǎn)與b點(diǎn)的角速度大小相等c. a點(diǎn)與c點(diǎn)的線速度大小相等d. a點(diǎn)與d點(diǎn)的向心加速度大小相等圖1解析：皮帶不打滑，故a、c兩點(diǎn)線速度相等，選c；c點(diǎn)、b點(diǎn)在同

4、一輪軸上角速度相等，半徑不同，由 ，b點(diǎn)與c點(diǎn)線速度不相等，故a與b線速度不等，a錯；同樣可判定a與c角速度不同，即a與b角速度不同，b錯；設(shè)a點(diǎn)的線速度為 ，則a點(diǎn)向心加速度 ，由 ， ，所以 ，故 ，d正確。本題正確答案c、d。點(diǎn)評：處理皮帶問題的要點(diǎn)為：皮帶（鏈條）上各點(diǎn)以及兩輪邊緣上各點(diǎn)的線速度大小相等，同一輪上各點(diǎn)的角速度相同。2. 水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)盤：物體在轉(zhuǎn)盤上隨轉(zhuǎn)盤一起做勻速圓周運(yùn)動，物體與轉(zhuǎn)盤間分無繩和有繩兩種情況。無繩時由靜摩擦力提供向心力；有繩要考慮臨界條件。例1：如圖2所示，水平轉(zhuǎn)盤上放有質(zhì)量為m的物體，當(dāng)物塊到轉(zhuǎn)軸的距離為r時，連接物塊和轉(zhuǎn)軸的繩剛好被拉直（繩上張

5、力為零）。物體和轉(zhuǎn)盤間的最大靜摩擦力是其正壓力的 倍。求：（1）當(dāng)轉(zhuǎn)盤的角速度 時，細(xì)繩的拉力 。（2）當(dāng)轉(zhuǎn)盤的角速度 時，細(xì)繩的拉力 。圖2解析：設(shè)轉(zhuǎn)動過程中物體與盤間恰好達(dá)到最大靜摩擦力時轉(zhuǎn)動的角速度為 ，則 ，解得 （1）因?yàn)?，所以物體所需向心力小于物與盤間的最大摩擦力，則物與盤產(chǎn)生的摩擦力還未達(dá)到最大靜摩擦力，細(xì)繩的拉力仍為0，即 。（2）因?yàn)?，所以物體所需向心力大于物與盤間的最大靜摩擦力，則細(xì)繩將對物體施加拉力 ，由牛頓第二定律得 ，解得 。點(diǎn)評：當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動角速度 時，物體有繩相連和無繩連接是一樣的，此時物體做圓周運(yùn)動的向心力是由物體與圓臺間的靜摩擦力提供的，求出 。可見， 是物

6、體相對圓臺運(yùn)動的臨界值，這個最大角速度 與物體的質(zhì)量無關(guān)，僅取決于 和r。這一結(jié)論同樣適用于汽車在平路上轉(zhuǎn)彎。圓錐擺：圓錐擺是運(yùn)動軌跡在水平面內(nèi)的一種典型的勻速圓周運(yùn)動。其特點(diǎn)是由物體所受的重力與彈力的合力充當(dāng)向心力，向心力的方向水平。也可以說是其中彈力的水平分力提供向心力（彈力的豎直分力和重力互為平衡力）。例2：小球在半徑為r的光滑半球內(nèi)做水平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動，試分析圖3中的 （小球與半球球心連線跟豎直方向的夾角）與線速度v、周期t的關(guān)系。（小球的半徑遠(yuǎn)小于r）。圖3解析：小球做勻速圓周運(yùn)動的圓心在和小球等高的水平面上（不在半球的球心），向心力f是重力g和支持力 的合力，所以重力和支持力的

7、合力方向必然水平。如圖3所示有 由此可得 ， 可見， 越大（即軌跡所在平面越高），v越大，t越小。點(diǎn)評：本題的分析方法和結(jié)論同樣適用于火車轉(zhuǎn)彎、飛機(jī)在水平面內(nèi)做勻速圓周飛行等在水平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動的問題。共同點(diǎn)是由重力和彈力的合力提供向心力，向心力方向水平。3. 豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動最高點(diǎn)處的受力特點(diǎn)及題型分類（圖4）。圖4這類問題的特點(diǎn)是：由于機(jī)械能守恒，物體做圓周運(yùn)動的速率時刻在改變，所以物體在最高點(diǎn)處的速率最小，在最低點(diǎn)處的速率最大。物體在最低點(diǎn)處向心力向上，而重力向下，所以彈力必然向上且大于重力；而在最高點(diǎn)處，向心力向下，重力也向下，所以彈力的方向就不能確定了，要分三種

8、情況進(jìn)行討論。（1）彈力只可能向下，如繩拉球。這種情況下有 ，即 ，否則不能通過最高點(diǎn)；（2）彈力只可能向上，如車過橋。在這種情況下有 ， ，否則車將離開橋面，做平拋運(yùn)動；（3）彈力既可能向上又可能向下，如管內(nèi)轉(zhuǎn)（或桿連球、環(huán)穿珠）。這種情況下，速度大小v可以取任意值。但可以進(jìn)一步討論：a. 當(dāng) 時物體受到的彈力必然是向下的；當(dāng) 時物體受到的彈力必然是向上的；當(dāng) 時物體受到的彈力恰好為零。b. 當(dāng)彈力大小 時，向心力有兩解 ；當(dāng)彈力大小 時，向心力只有一解 ；當(dāng)彈力 時，向心力等于零，這也是物體恰能過最高點(diǎn)的臨界條件。結(jié)合牛頓定律的題型例3：如圖5所示，桿長為 ，球的質(zhì)量為 ，桿連球在豎直平面

9、內(nèi)繞軸o自由轉(zhuǎn)動，已知在最高點(diǎn)處，桿對球的彈力大小為 ，求這時小球的瞬時速度大小。圖5解析：小球所需向心力向下，本題中 ，所以彈力的方向可能向上也可能向下。（1）若f向上，則 ， ；（2）若f向下，則 ， 點(diǎn)評：本題是桿連球繞軸自由轉(zhuǎn)動，根據(jù)機(jī)械能守恒，還能求出小球在最低點(diǎn)的即時速度。需要注重的是：若題目中說明小球在桿的帶動下在豎直面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，則運(yùn)動過程中小球的機(jī)械能不再守恒，這兩類題一定要分清。結(jié)合能量的題型例4：一內(nèi)壁光滑的環(huán)形細(xì)圓管，位于豎直平面內(nèi)，環(huán)的半徑為r（比細(xì)管的半徑大得多），在圓管中有兩個直徑與細(xì)管內(nèi)徑相同的小球a、b，質(zhì)量分別為 、 ，沿環(huán)形管順時針運(yùn)動，經(jīng)過最低點(diǎn)的

10、速度都是 ，當(dāng)a球運(yùn)動到最低點(diǎn)時，b球恰好到最高點(diǎn)，若要此時作用于細(xì)管的合力為零，那么 、 、r和 應(yīng)滿足的關(guān)系是 。解析：由題意分別對a、b小球和圓環(huán)進(jìn)行受力分析如圖6所示。對于a球有 對于b球有 根據(jù)機(jī)械能守恒定律 由環(huán)的平衡條件 而 ， 由以上各式解得 圖6點(diǎn)評：圓周運(yùn)動與能量問題常聯(lián)系在一起，在解這類問題時，除要對物體受力分析，運(yùn)用圓周運(yùn)動知識外，還要正確運(yùn)用能量關(guān)系（動能定理、機(jī)械能守恒定律）。連接問題的題型例5：如圖7所示，一根輕質(zhì)細(xì)桿的兩端分別固定著a、b兩個質(zhì)量均為m的小球，o點(diǎn)是一光滑水平軸，已知 ， ，使細(xì)桿從水平位置由靜止開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)b球轉(zhuǎn)到o點(diǎn)正下方時，它對細(xì)桿的拉力大

11、小是多少？圖7解析：對a、b兩球組成的系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)械能守恒定律得 因a、b兩球用輕桿相連，故兩球轉(zhuǎn)動的角速度相等，即 設(shè)b球運(yùn)動到最低點(diǎn)時細(xì)桿對小球的拉力為 ，由牛頓第二定律得 解以上各式得 ，由牛頓第三定律知，b球?qū)?xì)桿的拉力大小等于 ，方向豎直向下。說明：桿件模型的最顯著特點(diǎn)是桿上各點(diǎn)的角速度相同。這是與后面解決雙子星問題的共同點(diǎn)。、（四）難點(diǎn)問題選講1. 極值問題例6：如圖8所示，用細(xì)繩一端系著的質(zhì)量為 的物體a靜止在水平轉(zhuǎn)盤上，細(xì)繩另一端通過轉(zhuǎn)盤中心的光滑小孔o(hù)吊著質(zhì)量為 的小球b，a的重心到o點(diǎn)的距離為 。若a與轉(zhuǎn)盤間的最大靜摩擦力為 ，為使小球b保持靜止，求轉(zhuǎn)盤繞中心o旋轉(zhuǎn)的角速度

12、的取值范圍。（取 ）圖8解析：要使b靜止，a必須相對于轉(zhuǎn)盤靜止具有與轉(zhuǎn)盤相同的角速度。a需要的向心力由繩拉力和靜摩擦力合成。角速度取最大值時，a有離心趨勢，靜摩擦力指向圓心o；角速度取最小值時，a有向心運(yùn)動的趨勢，靜摩擦力背離圓心o。對于b： 對于a： ， 聯(lián)立解得 ， 所以 點(diǎn)評：在水平面上做圓周運(yùn)動的物體，當(dāng)角速度 變化時，物體有遠(yuǎn)離或向著圓心運(yùn)動的（半徑有變化）趨勢。這時要根據(jù)物體的受力情況，判定物體受的某個力是否存在以及這個力存在時方向朝哪（非凡是一些接觸力，如靜摩擦力、繩的拉力等）。2. 微元問題例7：如圖9所示，露天娛樂場空中列車是由許多完全相同的車廂組成，列車先沿光滑水平軌道行駛

13、，然后滑上一固定的半徑為r的空中圓形光滑軌道，若列車全長為 （ ），r遠(yuǎn)大于一節(jié)車廂的長度和高度，那么列車在運(yùn)行到圓環(huán)前的速度至少要多大，才能使整個列車安全通過固定的圓環(huán)軌道（車廂間的距離不計）？圖9解析：當(dāng)列車進(jìn)入軌道后，動能逐漸向勢能轉(zhuǎn)化，車速逐漸減小，當(dāng)車廂占滿環(huán)時的速度最小。設(shè)運(yùn)行過程中列車的最小速度為v，列車質(zhì)量為m，則軌道上的那部分車的質(zhì)量為 由機(jī)械能守恒定律得 由圓周運(yùn)動規(guī)律可知，列車的最小速率 ，聯(lián)立解得 3. 數(shù)理問題例8：如圖10，光滑的水平桌面上釘有兩枚鐵釘a、b，相距 ，長 的柔軟細(xì)線一端拴在a上，另一端拴住一個質(zhì)量為500g的小球，小球的初始位置在ab連線上a的一側(cè)，

14、把細(xì)線拉直，給小球以2m/s的垂直細(xì)線方向的水平速度，使它做圓周運(yùn)動，由于釘子b的存在，使細(xì)線逐步纏在a、b上，若細(xì)線能承受的最大拉力 ，則從開始運(yùn)動到細(xì)線斷裂的時間為多少？圖10解析：小球轉(zhuǎn)動時，由于細(xì)線逐步繞在a、b兩釘上，小球的轉(zhuǎn)動半徑逐漸變小，但小球轉(zhuǎn)動的線速度大小不變。小球交替地繞a、b做勻速圓周運(yùn)動，線速度不變，隨著轉(zhuǎn)動半徑的減小，線中拉力 不斷增大，每轉(zhuǎn)半圈的時間t不斷減小。在第一個半圓內(nèi) ， 在第二個半圓內(nèi) ， 在第三個半圓內(nèi) ， 在第n個半圓內(nèi) ， 令 ，得 ，即在第8個半圓內(nèi)線還未斷，n取8，經(jīng)歷的時間為【模擬試題】1. 關(guān)于互成角度（不為零度和180°）的一個勻

15、速直線運(yùn)動和一個勻變速直線運(yùn)動的合運(yùn)動，下列說法正確的是（ ）a. 一定是直線運(yùn)動 b. 一定是曲線運(yùn)動 c. 可能是直線，也可能是曲線運(yùn)動d. 以上答案都不對2. 一架飛機(jī)水平勻速飛行，從飛機(jī)上每隔1s釋放一個鐵球，先后釋放4個，若不計空氣阻力，則這4個球（ ）a. 在空中任何時刻總是排列成拋物線，它們的落地點(diǎn)是等間距的b. 在空中任何時刻總是排列成拋物線，它們的落地點(diǎn)是不等間距的c. 在空中任何時刻總是在飛機(jī)的正下方排列成豎直直線，它們的落地點(diǎn)是不等間距的d. 在空中任何時刻總是在飛機(jī)的正下方排列成豎直直線，它們的落地點(diǎn)是等間距的3. 圖1中所示為一皮帶傳動裝置，右輪的半徑為r，a是它邊緣

16、上的一點(diǎn)，左側(cè)是一輪軸，大輪的半徑為 ，小輪的半徑為 、 點(diǎn)在小輪上，到小輪中心的距離為 。 點(diǎn)和 點(diǎn)分別位于小輪和大輪的邊緣上。若在傳動過程中，皮帶不打滑。則（ ）a. a點(diǎn)與b點(diǎn)的線速度大小相等b. a點(diǎn)與b點(diǎn)的角速度大小相等c. a點(diǎn)與c點(diǎn)的線速度大小相等d. a點(diǎn)與d點(diǎn)的周期大小相等圖14. 在抗洪搶險中，戰(zhàn)士駕駛摩托艇救人，假設(shè)江岸是平直的，洪水沿江向下游流去，水流速度為 ，摩托艇在靜水中的航速為 ，戰(zhàn)士救人的地點(diǎn)a離岸邊最近處o的距離為d，如戰(zhàn)士想在最短時間內(nèi)將人送上岸，則摩托艇登陸的地點(diǎn)離o點(diǎn)的距離為（ ）a. b. c. d. 5. 火車軌道在轉(zhuǎn)彎處外軌高于內(nèi)軌，其高度差由轉(zhuǎn)彎

17、半徑與火車速度確定。若在某轉(zhuǎn)彎處規(guī)定行駛速度為 ，則下列說法中正確的是（ ） 當(dāng)以 的速度通過此彎路時，火車重力與軌道面支持力的合力提供向心力 當(dāng)以 的速度通過此彎路時，火車重力、軌道面支持力和外軌對輪緣彈力的合力提供向心力 當(dāng)速度大于v時，輪緣擠壓外軌 當(dāng)速度小于v時，輪緣擠壓外軌a. b. c. d. 6. 在做“研究平拋物體的實(shí)驗(yàn)”時，讓小球多次沿同一軌道運(yùn)動，通過描點(diǎn)法畫小球做平拋運(yùn)動的軌跡，為了能較準(zhǔn)確地描繪運(yùn)動軌跡，下面列出了一些操作要求，將你認(rèn)為正確的選項(xiàng)前面的字母填在橫線上： 。a. 通過調(diào)節(jié)使斜槽的末端保持水平 b. 每次釋放小球的位置必須不同c. 每次必須由靜止釋放小球 d

18、. 記錄小球位置用的木條（凹槽）每次必須嚴(yán)格地等距離下降e. 小球運(yùn)動時不應(yīng)與木板上的白紙（或方格紙）相接觸f. 將球的位置記錄在紙上后，取下紙，用直尺將點(diǎn)連成折線7. 試根據(jù)平拋運(yùn)動原理設(shè)計測量彈射器彈丸出射初速的實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)器材：彈射器（含彈丸，見圖2所示）：鐵架臺（帶有夾具）；米尺。（1）在安裝彈射器時應(yīng)注重： ；（2）實(shí)驗(yàn)中需要測量的量是： ；（3）由于彈射器每次射出的彈丸初速不可能完全相等，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取的方法是： ；（4）計算公式： 圖28. 在一次“飛車過黃河”的表演中，汽車在空中飛經(jīng)最高點(diǎn)后在對岸著地。已知汽車從最高點(diǎn)到著地經(jīng)歷時間為 ，兩點(diǎn)間的水平距離為 。忽略空氣阻力

19、，則最高點(diǎn)與著地點(diǎn)間的高度差約為 m，在最高點(diǎn)時的速度約為 m/s。9. 玻璃生產(chǎn)線上，寬9m的成型玻璃板以2m/s的速度連續(xù)不斷的向前行走，在切割工序處，金剛鉆的割刀速度為10m/s。為了使割下的玻璃板成規(guī)定尺寸的矩形，金剛鉆割刀的軌道應(yīng)如何控制？切割一次時間多長？10. 一級方程式汽車大賽中，一輛賽車總質(zhì)量為m，一個路段的水平轉(zhuǎn)彎半徑為r，賽車轉(zhuǎn)此彎時的速度為v，賽車外形都設(shè)計得使其上下方空氣有一壓力差氣動壓力，從而增大了對地面的正壓力。正壓力與摩擦力的比值叫側(cè)向附著系數(shù)，以 表示。要使上述賽車轉(zhuǎn)彎時不側(cè)滑，則需要多大的氣動壓力？11. 如圖3所示，一高度為 的水平面在a點(diǎn)處與一傾角為 的