人教高中物理同步講義練習(xí)必修二6.2 圓周運動的受力特點 （原卷版）

6.2圓周運動的受力特點學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1．通過實驗，探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系。2．能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力。1、知道向心力是根據(jù)力的效果命名的，會分析向心力的來源。2、感受影響向心力大小的因素，通過實驗探究它們之間的關(guān)系。3、掌握向心力的表達(dá)式，能夠計算簡單情境中的向心力。4、知道變速圓周運動和一般曲線運動的分析方法。002預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)課前研讀課本，梳理基礎(chǔ)知識：一、勻速圓周運動的向心力1．大小：Fn＝meq\f(v2,r)＝＝meq\f(4π2r,T2)＝mωv＝m·4π2f2r。2．方向：始終沿半徑方向指向圓心，時刻在改變，即向心力是一個。3．來源：向心力可以由一個力提供，也可以由幾個力的提供，還可以由一個力的分力提供。二、運動模型運動模型向心力的來源圖示運動模型向心力的來源圖示飛機水平轉(zhuǎn)彎火車轉(zhuǎn)彎圓錐擺飛車走壁汽車在水平路面轉(zhuǎn)彎水平轉(zhuǎn)臺(光滑)三、分析思路四、變速圓周運動的合力(如圖)①與圓周相切的分力Ft產(chǎn)生切向加速度at，改變線速度的，當(dāng)at與v同向時，速度增大，做加速圓周運動，反向時做減速圓周運動．②指向圓心的分力Fn提供向心力，產(chǎn)生向心加速度an，改變線速度的．（二）即時練習(xí)：【小試牛刀1】如圖所示，一個圓盤繞過圓心O且與盤面垂直的豎直軸勻速轉(zhuǎn)動，角速度為ω，盤面上有一質(zhì)量為m的物塊隨圓盤一起做勻速圓周運動，已知物塊到轉(zhuǎn)軸的距離為r，下列說法正確的是()A.物塊受重力、彈力、向心力作用，合力大小為mω2rB.物塊受重力、彈力、摩擦力、向心力作用，合力大小為mω2rC.物塊受重力、彈力、摩擦力作用，合力大小為mω2rD.物塊只受重力、彈力作用，合力大小為零【小試牛刀2】(多選)如圖所示，長為L的細(xì)繩一端固定，另一端系一質(zhì)量為m的小球。給小球一個合適的初速度，小球便可在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，這樣就構(gòu)成了一個圓錐擺，設(shè)細(xì)繩與豎直方向的夾角為θ。下列說法中正確的是()A．小球受重力、繩的拉力和向心力作用B．小球只受重力和繩的拉力作用C．θ越大，小球運動的速率越大D．θ越大，小球運動的周期越大【小試牛刀3】質(zhì)量為m的木塊從半徑為R的半球形的碗口下滑到碗的最低點的過程中，如果由于摩擦力的作用使木塊的速率不變，那么()A．因為速率不變，所以木塊的加速度為零B．木塊下滑過程中所受的合外力越來越大C．木塊下滑過程中所受的摩擦力大小不變D．木塊下滑過程中的加速度大小不變，方向始終指向球心003題型精講【題型一】圓錐擺【典型例題1】如圖所示，一質(zhì)量m＝1kg的小球用長L＝0.5m的細(xì)線懸掛在O點，O點距地面的高度H＝1m?，F(xiàn)使小球繞OO′軸在水平面內(nèi)做圓周運動，已知細(xì)線的拉力T＝12.5N，取g＝10m/s2，不計空氣阻力。(1)求小球的線速度大小v。(2)在小球運動的過程中，若細(xì)線突然斷裂，則細(xì)線斷裂后小球做平拋運動的落地點與O′點之間的距離s為多少？【典型例題2】(多選)如圖，內(nèi)壁光滑的玻璃管內(nèi)用長為L的輕繩懸掛一個小球。當(dāng)玻璃管繞豎直軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動時，小球與玻璃管間恰無壓力。下列說法正確的是()A．僅增加繩長后，小球?qū)⑹艿讲ＡЧ苄毕蛏戏降膲毫．僅增加繩長后，若仍保持小球與玻璃管間無壓力，需減小ωC．僅增加小球質(zhì)量后，小球?qū)⑹艿讲ＡЧ苄毕蛏戏降膲毫．僅增加角速度至ω′后，小球?qū)⑹艿讲ＡЧ苄毕蛳路降膲毫Α緦c訓(xùn)練1】有一豎直轉(zhuǎn)軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上的A點有一長為l的細(xì)繩系有質(zhì)量為m的小球。要使小球在隨轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動的同時又不離開光滑的水平面，則A點到水平面的高度h最小為()A．eq\f(g,ω2) B．ω2gC．eq\f(ω2,g) D．eq\f(g,2ω2)【對點訓(xùn)練2】.(多選)如圖所示，傾角為30°的斜面體置于粗糙的水平地面上，斜面上質(zhì)量為4m的滑塊通過輕質(zhì)剛性繩穿過光滑的圓環(huán)與質(zhì)量為m的小球(可視為質(zhì)點)相連，輕繩與斜面平行，小球在水平面內(nèi)做圓周運動，輕繩與豎直方向的夾角也為30°。斜面體和滑塊始終靜止，小球與圓環(huán)之間的繩長為L，重力加速度為g，下列說法正確的是()A.斜面體所受摩擦力大小為mgB.滑塊所受摩擦力大小為2mgC.若改變小球的轉(zhuǎn)速，當(dāng)滑塊恰好不受摩擦力時，小球的動能為eq\f(\r(3),4)mgLD.若改變小球的轉(zhuǎn)速，當(dāng)滑塊恰好不受摩擦力時，小球的向心加速度大小為eq\r(3)g【題型二】對比問題【典型例題3】天花板下懸掛的輕質(zhì)光滑小掛鉤可繞過懸掛點的豎直軸無摩擦地轉(zhuǎn)動。一根光滑輕質(zhì)細(xì)繩穿過掛鉤，兩端分別連接小球P和Q。兩小球同時做勻速圓周運動，且在任意時刻兩球均在同一水平面上，此時懸掛兩球的細(xì)繩與豎直方向的夾角分別為45°和30°，則()A．兩球向心加速度的大小相等B．小球P、Q的質(zhì)量之比為eq\r(2)∶2C．小球P、Q所受向心力的大小之比為eq\r(2)∶1D．兩球線速度的大小相等【典型例題4】(2021·河北高考)(多選)如圖，矩形金屬框MNQP豎直放置，其中MN、PQ足夠長，且PQ桿光滑。一根輕彈簧一端固定在M點，另一端連接一個質(zhì)量為m的小球，小球穿過PQ桿。金屬框繞MN軸分別以角速度ω和ω′勻速轉(zhuǎn)動時，小球均相對PQ桿靜止。若ω′＞ω，則與以ω勻速轉(zhuǎn)動時相比，以ω′勻速轉(zhuǎn)動時()A．小球的高度一定降低B．彈簧彈力的大小一定不變C．小球?qū)U壓力的大小一定變大D．小球所受合外力的大小一定變大【對點訓(xùn)練3】(多選)如圖，“旋轉(zhuǎn)秋千”中的兩個座椅A、B質(zhì)量相等，通過相同長度的纜繩懸掛在水平的旋轉(zhuǎn)圓盤上，座椅A離轉(zhuǎn)軸的距離較近。不考慮空氣阻力的影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤繞豎直的中心軸勻速轉(zhuǎn)動，穩(wěn)定后A、B都在水平面內(nèi)做勻速圓周運動。則下列說法正確的是()A.座椅B的角速度比A大B.座椅B的向心加速度比A大C.懸掛A、B的纜繩與豎直方向的夾角相等D.懸掛B的纜繩所承受的拉力比懸掛A的纜繩所承受的拉力大【對點訓(xùn)練4】(多選)如圖所示，A、B兩個物體放在水平旋轉(zhuǎn)的圓盤上，A的質(zhì)量為m，B的質(zhì)量為2m，B離軸距離為R，A離軸距離為2R，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增加的過程中，兩物體始終相對盤靜止，則()A.A與B的線速度大小之比為eq\r(2)∶1B.A與B的角速度之比為1∶1C.A與B的向心加速度大小之比為1∶1D.摩擦力對物體做正功【題型三】聯(lián)系實際【典型例題5】如圖所示，“旋轉(zhuǎn)秋千”中的兩個座椅A、B質(zhì)量相等，通過相同長度的纜繩懸掛在旋轉(zhuǎn)圓盤上．不考慮空氣阻力的影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤繞豎直的中心軸勻速轉(zhuǎn)動時，下列說法正確的是()A．A的速度比B的大B．A與B的向心加速度大小相等C．懸掛A、B的纜繩與豎直方向的夾角相等D．懸掛A的纜繩所受的拉力比懸掛B的小【典型例題6】撥浪鼓最早出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期，宋代時小型撥浪鼓已成為兒童玩具。四個撥浪鼓上分別系有長度不等的兩根細(xì)繩，繩一端系著小球，另一端固定在關(guān)于手柄對稱的鼓沿上，現(xiàn)使鼓繞豎直放置的手柄勻速轉(zhuǎn)動，兩小球在水平面內(nèi)做周期相同的圓周運動。下列各圖中兩球的位置關(guān)系可能正確的是(圖中細(xì)繩與豎直方向的夾角α<θ<β)()【對點訓(xùn)練5】某游樂場有一種叫“空中飛椅”的游樂設(shè)施，其基本裝置是將繩子上端固定在轉(zhuǎn)盤的邊緣上，繩子下端連接坐椅，人坐在坐椅上隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)而在空中飛旋．若將人和坐椅看作一個質(zhì)點，則可簡化為如圖所示的物理模型，其中P為處于水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)盤，可繞豎直轉(zhuǎn)軸OO′轉(zhuǎn)動．設(shè)繩長l＝10m，質(zhì)點的質(zhì)量m＝60kg，轉(zhuǎn)盤靜止時質(zhì)點與轉(zhuǎn)軸之間的距離d＝4m．轉(zhuǎn)盤逐漸加速轉(zhuǎn)動，經(jīng)過一段時間后質(zhì)點與轉(zhuǎn)盤一起做勻速圓周運動，此時繩與豎直方向的夾角θ＝37°.(不計空氣阻力及繩重，繩不可伸長，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g＝10m/s2)求質(zhì)點與轉(zhuǎn)盤一起做勻速圓周運動時轉(zhuǎn)盤的角速度及繩的拉力．【對點訓(xùn)練6】游樂場有一種叫做“快樂飛機”的游樂項目，其簡化模型如圖所示，已知模型飛機質(zhì)量為m，固定在長為L的旋臂上，旋臂與豎直方向夾角為θ(0＜θ≤eq\f(π,2))，當(dāng)模型飛機以角速度ω繞中央軸在水平面內(nèi)做勻速圓周運動時，下列說法正確的是()A.模型飛機受到重力、旋臂的作用力和向心力B.旋臂對模型飛機的作用力方向一定與旋臂垂直C.旋臂對模型飛機的作用力大小為meq\r(g2＋ω4L2sin2θ)D.若夾角θ增大，則旋臂對模型飛機的作用力減小004體系構(gòu)建1．向心力的來源向心力是按力的作用效果命名的，可以是重力、彈力、摩擦力等各種力，也可以是幾個力的合力或某個力的分力，在受力分析中要避免再另外添加一個向心力。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，找出所有的力沿半徑方向指向圓心的合力，就是向心力。3．求解圓周運動問題必須進(jìn)行的三類分析幾何分析目的是確定圓周運動的圓心、半徑等運動分析目的是確定圓周運動的線速度、角速度、向心加速度等受力分析目的是通過力的合成與分解，表示出物體做圓周運動時，外界所提供的向心力005記憶清單一．向心力的公式Fn＝man＝meq\f(v2,r)＝mω2r＝m·eq\f(4π2,T2)r＝m·4π2f2r＝mωv。二．做勻速圓周運動的條件當(dāng)物體所受的合外力大小恒定，且始終與速度方向垂直時，物體做勻速圓周運動，此時向心力由物體所受合外力提供。三．水平面內(nèi)的勻速圓周運動1．水平面內(nèi)的勻速圓周運動軌跡特點運動軌跡是圓且在水平面內(nèi)。2．勻速圓周運動的受力特點(1)物體所受合外力大小不變，方向總是指向圓心。(2)合外力充當(dāng)向心力。3．解答勻速圓周運動問題的一般步驟(1)選擇做勻速圓周運動的物體作為研究對象。(2)分析物體受力情況，其合外力提供向心力。(3)由Fn＝meq\f(v2,r)或Fn＝mω2r或Fn＝meq\f(4π2r,T2)列方程求解。00601強化訓(xùn)練1．(多選)如圖所示為內(nèi)壁光滑的半球形容器，半徑為R。質(zhì)量為m的小球在容器內(nèi)的某個水平面內(nèi)做勻速圓周運動，小球與球心O連線方向與豎直方向夾角為α。下列說法正確的是()A.小球所受容器的作用力為eq\f(mg,sinα)B.小球所受容器的作用力為eq\f(mg,cosα)C.小球的角速度eq\r(\f(g,Rsinα))D.小球的角速度eq\r(\f(g,Rcosα))2.在玻璃管中放一個乒乓球后注滿水，然后用軟木塞封住管口，將此玻璃管固定在轉(zhuǎn)盤上，管口置于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸處，處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動時，如圖所示，則乒乓球會(球直徑比管直徑略小)()A．向管底運動 B．向管口運動C．保持不動 D．無法判斷3.[多選]如圖所示，一個內(nèi)壁光滑的圓錐筒固定在地面上，圓錐筒的軸線豎直。一個小球貼著筒的內(nèi)壁在水平面內(nèi)做圓周運動，由于微弱的空氣阻力作用，小球的運動軌跡由A軌道緩慢下降到B軌道，則在此過程中()A．小球的向心加速度逐漸減小B．小球運動的角速度逐漸減小C．小球運動的線速度逐漸減小D．小球運動的周期逐漸減小4.如圖所示，一根細(xì)線下端拴一個金屬小球A，細(xì)線的上端固定在金屬塊B上，B放在帶小孔的水平桌面上，小球A在某一水平面內(nèi)做勻速圓周運動。現(xiàn)使小球A改到一個更低一些的水平面上做勻速圓周運動(圖上未畫出)，金屬塊B在桌面上始終保持靜止，則后一種情況與原來相比較，下面的判斷中正確的是()A．金屬塊B受到桌面的靜摩擦力變大B．金屬塊B受到桌面的支持力變小C．細(xì)線的張力變大D．小球A運動的角速度減小5.四個完全相同的小球A、B、C、D均在水平面內(nèi)做圓錐擺運動．如圖甲所示，小球A、B在同一水平面內(nèi)做圓錐擺運動(連接B球的繩較長)；如圖乙所示，小球C、D在不同水平面內(nèi)做圓錐擺運動，但是連接C、D的繩與豎直方向之間的夾角相等(連接D球的繩較長)，則下列說法錯誤的是()A．小球A、B角速度相等B．小球A、B線速度大小相等C．小球C、D所需的向心加速度大小相等D．小球D受到繩的拉力與小球C受到繩的拉力大小相等6．如圖所示，質(zhì)量相等的甲、乙兩個小球，在光滑玻璃漏斗內(nèi)壁做水平面內(nèi)的勻速圓周運動，甲在乙的上方．則()A．球甲的角速度一定大于球乙的角速度B．球甲的線速度一定大于球乙的線速度C．球甲的運動周期一定小于球乙的運動周期D．甲對內(nèi)壁的壓力一定大于乙對內(nèi)壁的壓力7.如圖所示，內(nèi)壁光滑的空心圓柱體豎直固定在水平地面上，圓柱體的內(nèi)徑為R.沿著水平切向給貼在內(nèi)壁左側(cè)O點的小滑塊一個初速度v0，小滑塊將沿著柱體的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)向下運動，最終落在柱體的底面上．已知小滑塊可看成質(zhì)點，質(zhì)量為m，重力加速度為g，O點距柱體的底面距離為h.下列判斷正確的是()A．v0越大，小滑塊在圓柱體中運動時間越短B．小滑塊運動中的加速度越來越大C．小滑塊運動中對圓柱體內(nèi)表面的壓力越來越大D．小滑塊落至底面時的速度大小為eq\r(v02＋2gh)8．（多選）如圖所示，用長為L的輕繩（輕繩不可伸長）連接的甲、乙兩物塊（均可視為質(zhì)點），放置在水平圓盤上，圓盤繞過圓心O的軸線轉(zhuǎn)動。甲、乙連線的延長線過圓盤的圓心O，甲與圓心O的距離也為L，甲物塊質(zhì)量為2m，乙物塊的質(zhì)量為3m。甲、乙與圓盤間的動摩擦因數(shù)均為μ，