学 习 资 料 汇编
习题课 圆周运动
[学习目标] 1.熟练掌握圆周运动各物理量的关系以及向心力、向心加速度的公式.2.会分析圆周运动所需向心力来源.3.会分析圆锥摆在水平面内的圆周运动.4.会分析汽车过拱(凹)形桥问题.
一、描述圆周运动的各物理量间的关系
例1 如图1所示，光滑的水平面上固定着一个半径逐渐减小的螺旋形光滑水平轨道，一个小球以一定速度沿轨道切线方向进入轨道，下列物理量中数值将减小的是( )
图1
A.周期
B.线速度
C.角速度
D.向心加速度
解析 轨道对小球的支持力与速度方向垂直，轨道的支持力只改变速度的方向不改变速度的大小，即小球的线速度大小不变，故B 错误；根据v ＝ωr ，线速度大小不变，转动半径减小，故角速度变大，故C 错误；根据T ＝2πω，角速度增大，故周期减小，故A 正确；根据a ＝v
2
r ，
转动半径减小，故向心加速度增大，故D 错误. 答案 A
(1)线速度v 、角速度ω以及周期T 之间的关系：v ＝
2πr
T
＝ωr .
(2)角速度ω与转速n 的关系：ω＝2πn (注：n 的单位为r/s).
这些关系不仅在物体做匀速圆周运动中适用，在变速圆周运动中也适用，此时关系中各量是
瞬时对应的.
二、分析圆周运动问题的基本方法
例2 如图2所示，两根长度相同的轻绳(图中未画出)，连接着相同的两个小球，让它们穿过光滑的杆在水平面内做匀速圆周运动，其中O 为圆心，两段细绳在同一直线上，此时，两段绳子受到的拉力之比为多少？
图2
答案 3∶2
解析 对两小球受力分析如图所示，设每段绳子长为l ，对球2有F 2＝2ml ω2
对球1有：F 1－F 2＝ml ω2
由以上两式得：F 1＝3ml ω2
故F 1F 2＝32
.
分析圆周运动问题的基本方法
(1)首先要明确物体做圆周运动的轨道平面、圆心和半径.
(2)其次，准确受力分析，弄清向心力的来源，不能漏力或添力(向心力).
(3)然后，由牛顿第二定律F ＝ma 列方程，其中F 是指向圆心方向的合外力，a 是指向心加速度，即用ω2
R 或用周期T 来表示的形式.
针对训练1 (多选)如图3所示，在粗糙水平板上放一个物块，使水平板和物块一起在竖直平面内沿逆时针方向做匀速圆周运动，ab 为水平直径，cd 为竖直直径，在运动中木板始终保持水平，物块相对于木板始终静止，则( )
图3
A.物块始终受到三个力作用
B.物块受到的合外力始终指向圆心
C.在c 、d 两个位置，支持力N 有最大值，摩擦力f 为零
D.在a 、b 两个位置摩擦力提供向心力，支持力N ＝mg 答案 BD
解析 物块在竖直平面内做匀速圆周运动，受到的重力与支持力在竖直方向上，c 、d 两点的向心力可以由重力和支持力的合力提供，其他时候要受到摩擦力的作用，故A 错误；物块在竖直平面内做匀速圆周运动，匀速圆周运动的向心力指向圆心，故B 正确.
设物块做匀速圆周运动的线速度为v ，物块在c 、d 两位置摩擦力f 为零，在c 点有N c ＝mg
－mv 2R ，在d 点有N d ＝mg ＋mv 2
R
，故在d 位置N 有最大值，C 错误. 在b 位置受力如图，因物块做匀速圆周运动，故只有向心加速度，所以有N ＝mg ，f ＝mv 2
R
.同
理a 位置也如此，故D 正确.
三、水平面内的常见圆周运动模型
例3 如图4所示，已知绳长为L ＝20 cm ，水平杆长为 L ′＝0.1 m ，小球质量m ＝0.3 kg ，整个装置可绕竖直轴转动.(g 取10 m/s 2
)问：(结果均保留三位有效数字)
图4
(1)要使绳子与竖直方向成45°角，试求该装置必须以多大的角速度转动才行？ (2)此时绳子的张力多大？ 答案 (1)6.44 rad/s (2)4.24 N
解析 小球绕竖直轴做圆周运动，其轨道平面在水平面内，轨道半径r ＝L ′＋L sin 45°.对小球受力分析，设绳对小球拉力为T ，小球重力为 mg ，则绳的拉力与重力的合力提供小球做圆周运动的向心力.
对小球利用牛顿第二定律可得：
mg tan 45°＝m ω2r
① r ＝L ′＋L sin 45°
②
联立①②两式，将数值代入可得ω≈6.44 rad/s
T ＝
mg
cos 45°
≈4.24 N.
1.模型特点：(1)运动平面是水平面.
(2)合外力提供向心力，且沿水平方向指向圆心. 2.常见装置：
针对训练2 质量为m 的飞机，以速率v 在水平面内做半径为R 的匀速圆周运动，空气对飞机作用力的大小等于( ) A.m
g 2＋v 4R 2 B.m v 2
R
C.m
v 4R 2
－g 2
D.mg 答案 A
解析 空气对飞机的作用力有两个作用效果，其一：竖直方向的作用力使飞机克服重力作用而升空；其二：水平方向的作用力提供向心力，使飞机可在水平面内做匀速圆周运动.对飞机的受力情况进行分析，如图所示.
飞机受到重力mg 、空气对飞机的作用力F 升，两力的合力为F 向心，方向沿水平方向指向圆心.
由题意可知，重力mg 与F 向心垂直，故F 升＝m 2g 2
＋F 2向心，又F 向心＝m v 2
R
，联立解得F 升＝m
g 2
＋v 4
R
2.
四、汽车过桥问题
例4 如图5所示，质量m ＝2.0×104
kg 的汽车以不变的速率先后驶过凹形桥面和凸形桥面，两桥面的圆弧半径均为20 m.如果桥面承受的压力不得超过3.0×105
N ，g 取10 m/s 2
，则：
图5
(1)汽车允许的最大速度是多少？
(2)若以所求速度行驶，汽车对桥面的最小压力是多少？ 答案 (1)10 m/s (2)1×105
N
解析 (1)汽车在凹形桥最低点时存在最大允许速度，由牛顿第二定律得：N －mg ＝m v 2R
代入数据解得v ＝10 m/s.
(2)汽车在凸形桥最高点时对桥面有最小压力，由牛顿第二定律得：mg －N 1＝mv 2
R
，
代入数据解得N 1＝1×105
N.
由牛顿第三定律知汽车对桥面的最小压力等于1×105
N.
1.汽车过拱形桥(如图6)
图6
汽车在最高点满足关系：mg －N ＝m v 2R ，即N ＝mg －m v 2
R
.
(1)当v ＝gR 时，N ＝0. (2)当0≤v (3)当v >gR 时，汽车将脱离桥面做平抛运动，发生危险. 2.汽车过凹形桥(如图7) 图7 汽车在最低点满足关系：N －mg ＝mv 2R ，即N ＝mg ＋mv 2 R . 由此可知，汽车对桥面的压力大于其自身重力，故凹形桥易被压垮，因而实际中拱形桥多于凹形桥. 针对训练3 在较大的平直木板上相隔一定距离钉几个钉子，将三合板弯曲成拱桥形卡入钉子内形成拱形桥，三合板上表面事先铺上一层牛仔布以增加摩擦，这样玩具惯性车就可以在桥面上跑起来了.把这套系统放在电子秤上做实验，如图8所示，关于实验中电子秤的示数下列说法正确的是( ) 图8 A.玩具车静止在拱桥顶端时的示数小一些 B.玩具车运动通过拱桥顶端时的示数大一些 C.玩具车运动通过拱桥顶端时处于超重状态 D.玩具车运动通过拱桥顶端时速度越大(未离开拱桥)，示数越小 答案 D 解析 玩具车运动到最高点时，受向下的重力和向上的支持力作用，根据牛顿第二定律有mg －N ＝m v 2R ，即N ＝mg －m v 2 R 以玩具车通过拱桥顶端时速度越大(未离开拱桥)，示数越小，选项D 正确. 1.(圆周运动各物理量之间的关系)(多选)如图9所示，一小物块以大小为a ＝4 m/s 2 的向心加速度做匀速圆周运动，半径R ＝1 m ，则下列说法正确的是( ) 图9 A.小物块运动的角速度为2 rad/s B.小物块做圆周运动的周期为π s C.小物块在t ＝π4 s 内通过的位移大小为π 20 m D.小物块在π s 内通过的路程为零 答案 AB 解析 因为a ＝ω2 R ，所以小物块运动的角速度为ω＝ a R ＝2 rad/s ，周期T ＝2π ω ＝π s ，选项A 、B 正确；小物块在π4 s 内转过π 2，通过的位移大小为 2 m ，在π s 内转过一周， 通过的路程为2π m ，选项C 、D 错误. 2.(水平面内的圆周运动)两个质量相同的小球，在同一水平面内做匀速圆周运动，悬点相同，如图10所示，A 运动的半径比B 的大，则( ) 图10 A.A 所需的向心力比B 的大 B.B 所需的向心力比A 的大 C.A 的角速度比B 的大 D.B 的角速度比A 的大 答案 A 解析 小球的重力和悬线的拉力的合力充当向心力，设悬线与竖直方向夹角为θ，则F ＝ mg tan θ＝m ω2l sin θ，θ越大，向心力F 越大，所以A 对，B 错；而ω2＝g l cos θ＝g h . 故两者的角速度相同，C 、D 错. 3.(汽车过桥问题)城市中为了解决交通问题，修建了许多立交桥.如图11所示，桥面是半径为R 的圆弧形的立交桥AB 横跨在水平路面上，一辆质量为m 的小汽车，从A 端冲上该立交桥，小汽车到达桥顶时的速度大小为v 1，若小汽车在上桥过程中保持速率不变，则( ) 图11 A.小汽车通过桥顶时处于失重状态 B.小汽车通过桥顶时处于超重状态 C.小汽车在上桥过程中受到桥面的支持力大小为N ＝mg －m v 21R D.小汽车到达桥顶时的速度必须大于gR 答案 A 解析 由圆周运动知识知，小汽车通过桥顶时，其加速度方向向下，由牛顿第二定律得mg － N ＝m v 21R ，解得N ＝mg －m v 21R ＜mg ，故其处于失重状态，A 正确，B 错误；N ＝mg －m v 21R 只在小 汽车通过桥顶时成立，而其上桥过程中的受力情况较为复杂，C 错误；由mg －N ＝m v 2 1R ，N ≥0 解得v 1≤gR ，D 错误. 4.(圆周运动中的受力分析)质量为25 kg 的小孩坐在质量为5 kg 的秋千板上，秋千板离拴绳子的横梁2.5 m.如果秋千板摆动经过最低点的速度为3 m/s ，这时秋千板所受的压力是多大？每根绳子对秋千板的拉力是多大？(g 取10 m/s 2 ) 答案 340 N 204 N 解析 把小孩作为研究对象对其进行受力分析知，小孩受重力G 和秋千板对他的的支持力N 两个力，故在最低点有：N －G ＝m v 2L 所以N ＝mg ＋m v 2 L ＝250 N ＋90 N ＝340 N 由牛顿第三定律可知，秋千板所受压力大小为340 N. 设每根绳子对秋千板的拉力为T ，将秋千板和小孩看作一个整体，则在最低点有：2T －(M ＋ m )g ＝(M ＋m )v 2 L 解得T ＝204 N. 课时作业 一、选择题(1～6题为单选题，7～10题为多选题) 1.关于匀速圆周运动，下列说法正确的是( ) A.由a ＝v 2 R 可知，a 与R 成反比 B.由a ＝ω2 R 可知，a 与R 成正比 C.由v ＝ωR 可知，ω与R 成反比 D.由ω＝2πn 可知，ω与n 成正比 答案 D 解析物体做匀速圆周运动的向心加速度与物体的线速度、角速度、半径有关.但向心加速度与半径的关系要在一定前提条件下才能成立.当线速度一定时，向心加速度与半径成反比；当角速度一定时，向心加速度与半径成正比.对线速度和角速度与半径的关系也可以同样进行讨论.正确选项为D. 2.如图1所示，圆盘上叠放着两个物块A和B，当圆盘和物块绕竖直轴匀速转动时，物块与圆盘始终保持相对静止，则( ) 图1 A.物块A不受摩擦力作用 B.物块B受5个力作用 C.当转速增大时，A所受摩擦力增大，B所受摩擦力减小 D.A对B的摩擦力方向沿半径指向转轴 答案 B 解析物块A受到的摩擦力充当向心力，A错；物块B受到重力、支持力、A对物块B的压力、A对物块B沿半径向外的静摩擦力和圆盘对物块B沿半径向里的静摩擦力，共5个力的作用，B正确；当转速增大时，A、B所受摩擦力都增大，C错误；A对B的摩擦力方向沿半径向外，D错误.故选B. 3.如图2所示，自行车的大齿轮、小齿轮、后轮的半径之比为4∶1∶16，在用力蹬脚踏板前进的过程中，下列说法正确的是( ) 图2 A.小齿轮和后轮的角速度大小之比为16∶1 B.大齿轮和小齿轮的角速度大小之比为1∶4 C.大齿轮边缘和后轮边缘的线速度大小之比为1∶4 D.大齿轮和小齿轮边缘的向心加速度大小之比为4∶1 答案 B 解析小齿轮和后轮共轴，角速度相同，故A错误；大齿轮和小齿轮边缘上的点线速度大小 相等，根据ω＝v R 可知，大齿轮和小齿轮的角速度大小之比为1∶4，故B 正确；小齿轮和后轮共轴，根据v ＝ωR 可知，小齿轮边缘和后轮边缘的线速度之比为1∶16，则大齿轮边缘和后轮边缘的线速度大小之比为1∶16，故C 错误；大齿轮和小齿轮边缘的线速度大小相等， 根据a ＝v 2 R 可知，向心加速度大小之比为1∶4，故D 错误. 4.质量不计的轻质弹性杆P 插在桌面上，杆端套有一个质量为m 的小球，今使小球沿水平方向做半径为R 的匀速圆周运动，角速度为ω，如图3所示，则杆的上端受到的作用力大小为( ) 图3 A.m ω2 R B.m g 2 －ω4R 2 C.m g 2 ＋ω4R 2 D.不能确定 答案 C 解析 小球在重力和杆的作用力下做匀速圆周运动.这两个力的合力充当向心力必指向圆心，如图所示.用力的合成法可得杆对球的作用力：N ＝(mg )2 ＋F 2 向心＝m g 2 ＋ω4R 2 ，根据牛顿第三定律，小球对杆的上端的反作用力N ′＝N ，C 正确. 5.节目中有这样一种项目，选手需要借助悬挂在高处的绳飞跃到鸿沟对面的平台上，如果已知选手的质量为m ，选手抓住绳由静止开始摆动，此时绳与竖直方向夹角为α，如图4所示，不考虑空气阻力和绳的质量(选手可看为质点)，下列说法正确的是( ) 图4 A.选手摆动到最低点时所受绳子的拉力等于mg B.选手摆动到最低点时所受绳子的拉力大于mg C.选手摆动到最低点时所受绳子的拉力大于选手对绳子的拉力 D.选手摆动到最低点的运动过程为匀变速曲线运动 答案 B 解析 由于选手摆动到最低点时，绳子拉力和选手自身重力的合力提供选手做圆周运动的向 心力，有T －mg ＝mv 2R ，T ＝mg ＋m v 2 R >mg ，B 正确. 6.半径为R 的光滑半圆球固定在水平面上(如图5所示)，顶部有一小物体A ，今给它一个水平初速度v 0＝Rg ，则物体将( ) 图5 A.沿球面下滑至M 点 B.沿球面下滑至某一点N ，便离开球面做斜下抛运动 C.沿半径大于R 的新圆弧轨道做圆周运动 D.立即离开半圆球做平抛运动 答案 D 解析 当v 0＝gR 时，所需向心力F ＝m v 2 0R ＝mg ，此时，物体与半球面顶部接触但无弹力作用， 物体只受重力作用，故做平抛运动. 7.如图6所示，A 、B 两球穿过光滑水平杆，两球间用一细绳连接，当该装置绕竖直轴OO ′匀速转动时，两球在杆上恰好不发生滑动.若两球质量之比m A ∶m B ＝2∶1，那么关于A 、B 两球的下列说法中正确的是( ) 图6 A.A 、B 两球受到的向心力之比为2∶1 B.A 、B 两球角速度之比为1∶1 C.A 、B 两球运动半径之比为1∶2 D.A 、B 两球向心加速度之比为1∶2 答案 BCD 解析 两球的向心力都由细绳的拉力提供，大小相等，两球都随杆一起转动，角速度相等，A 错，B 对.设两球的运动半径分别为r A 、r B ，转动角速度为ω，则m A r A ω2＝m B r B ω2 ，所以运动 半径之比为r A ∶r B ＝1∶2，C 正确.由牛顿第二定律F ＝ma 可知a A ∶a B ＝1∶2，D 正确. 8.有一种杂技表演叫“飞车走壁”，由杂技演员驾驶摩托车沿圆台形表演台的侧壁高速行驶，做匀速圆周运动.如图7所示，图中虚线表示摩托车的行驶轨迹，轨迹离地面的高度为h ，下列说法中正确的是( ) 图7 A.h 越高，摩托车对侧壁的压力将越大 B.h 越高，摩托车做圆周运动的线速度将越大 C.h 越高，摩托车做圆周运动的周期将越大 D.h 越高，摩托车做圆周运动的向心力将越大 答案 BC 解析 摩托车受力分析如图所示. 由于N ＝mg cos θ 所以摩托车受到侧壁的支持力与高度无关，保持不变，摩托车对侧壁的压力F 也不变，A 错 误；由F ＝mg tan θ＝m v 2r ＝m ω2 r 知h 变化时，向心力F 不变，但高度升高，r 变大，所以线 速度变大，角速度变小，周期变大，选项B 、C 正确，D 错误. 9.如图8所示，半径为L 的圆管轨道(圆管内径远小于轨道半径)竖直放置，管内壁光滑，管内有一个小球(小球直径略小于管内径)可沿管转动，设小球经过最高点P 时的速度为v ，则( ) 图8 A.v 的最小值为gL B.v 若增大，球所需的向心力也增大 C.当v 由gL 逐渐减小时，轨道对球的弹力也减小 D.当v 由gL 逐渐增大时，轨道对球的弹力也增大 答案 BD 解析 由于小球在圆管中运动，最高点速度可为零，A 错误；根据向心力公式有F ＝m v 2 r ，v 若增大，球所需的向心力一定增大，B 正确；因为圆管既可提供向上的支持力也可提供向下的压力，当v ＝gL 时，圆管受力为零，故v 由gL 逐渐减小时，轨道对球的弹力增大，C 错误；v 由gL 逐渐增大时，轨道对球的弹力也增大，D 正确.故选B 、D. 10.如图9所示，叠放在水平转台上的滑块A 、B 和C 能随转台一起以角速度ω匀速转动，A 、 B 、 C 的质量分别为3m 、2m 、m ，A 与B 、B 和C 与转台间的动摩擦因数都为μ，A 和B 、C 离 转台中心的距离分别为r 、1.5r .设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，下列说法正确的是( ) 图9 A.B 对A 的摩擦力一定为3μmg B.B 对A 的摩擦力一定为3m ω2 r C.转台的角速度一定满足ω≤μg r D.转台的角速度一定满足ω≤2μg 3r 答案 BD 解析 B 对A 的摩擦力提供A 做圆周运动的向心力，所以f BA ＝3m ω2 r ，选项A 错误，选项B 正确.当滑块与转台间不发生相对运动，并随转台一起转动时，转台对滑块的静摩擦力提供向心力，所以当转速较大，滑块转动需要的向心力大于最大静摩擦力时，滑块将相对于转台滑动，对应的临界条件是最大静摩擦力提供向心力，即μmg ＝m ω2 R ，ω＝μg R ，所以质量 为m 、离转台中心距离为R 的滑块，能够随转台一起转动的条件是ω≤μg R ；对于本题，滑块C 需要满足的条件ω≤ 2μg 3r ，滑块A 和B 需要满足的条件均是ω≤μg r ，所以， 要使三个滑块都能够随转台转动，转台的角速度一定满足ω≤2μg 3r ，选项C 错误，选项D 正确. 二、非选择题 11.如图10所示，一辆质量为4 t 的汽车匀速经过一半径为50 m 的凸形桥.(g ＝10 m/s 2 ) 图10 (1)汽车若能安全驶过此桥，它的速度范围为多少？ (2)若汽车经最高点时对桥的压力等于它重力的一半，求此时汽车的速度多大？ 答案 (1)v <22.4 m/s (2)15.8 m/s 解析 (1)汽车经最高点时受到桥面对它的支持力N ，设汽车的行驶速度为v . 则mg －N ＝m v 2 R 当N ＝0时，v ＝gR 此时汽车从最高点开始离开桥面做平抛运动，汽车不再安全，故汽车过桥的安全速度v (2)设汽车对桥的压力为12mg 时汽车的速度为v ′，由牛顿第三定律知桥对汽车的支持力为 1 2mg ，则mg －12mg ＝m v ′ 2 R v ′＝ gR 2 ≈15.8 m/s. 12.如图11所示，半径为R 的半球形陶罐固定在可以绕竖直轴旋转的水平转台上，转台转轴与过陶罐球心O 的对称轴OO ′重合，转台以一定角速度ω匀速旋转，一质量为m 的小物块落入陶罐内，经过一段时间后，小物块随陶罐一起转动且相对罐壁静止，它和O 点的连线与 OO ′之间的夹角θ为45°.已知重力加速度大小为g ，小物块与陶罐之间的最大静摩擦力大 小为F ＝ 2 4 mg . 图11 (1)若小物块受到的摩擦力恰好为零，求此时的角速度ω0； (2)若改变陶罐匀速旋转的角速度，而小物块一直相对陶罐静止，求陶罐旋转的角速度的最大值和最小值. 答案 (1) 2g R (2) 32g 2R 2g 2R 解析 (1)小物块受的摩擦力为零，则受到的重力和支持力的合力提供向心力.有mg tan θ＝ mω20R sin θ 解得ω0＝2g R . (2)陶罐旋转的角速度越大，需要提供的向心力越大，需要摩擦力垂直半径向下，摩擦力最大时转动角速度最大，设为ω1，向心加速度a1＝ω21R sin θ，垂直半径向下的加速度分量a1′＝a1cos θ 垂直半径方向应用牛顿第二定律有F＋mg sin θ＝ma1′ 解得ω1＝32g 2R 摩擦力垂直半径向上且最大时转动角速度最小，设为ω2，向心加速度a2＝ω22R sin θ，垂直半径向下的加速度分量a2′＝a2cos θ 垂直半径方向应用牛顿第二定律有mg sin θ－F＝ma2 解得ω2＝ 2g 2R . 敬请批评指正 一、第六章 圆周运动易错题培优（难） 1．两个质量分别为2m 和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 ，a 、b 之间用强度足够大的轻绳相连，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，开始时轻绳刚好伸直但无张力，用ω表示圆盘转动的角速度，下列说法正确的是（ ） A ．a 、b 所受的摩擦力始终相等 B ．b 比a 先达到最大静摩擦力 C ．当2kg L ω=a 刚要开始滑动 D ．当23kg L ω=b 所受摩擦力的大小为kmg 【答案】BD 【解析】 【分析】 【详解】 AB ．木块随圆盘一起转动，静摩擦力提供向心力，由牛顿第二定律可知，木块受到的静摩擦力f =mω2r ，则当圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动时，木块b 的最大静摩擦力先达到最大值；在木块b 的摩擦力没有达到最大值前，静摩擦力提供向心力，由牛顿第二定律可知，f=mω2r ，a 和b 的质量分别是2m 和m ，而a 与转轴OO ′为L ，b 与转轴OO ′为2L ，所以结果a 和b 受到的摩擦力是相等的；当b 受到的静摩擦力达到最大后，b 受到的摩擦力与绳子的拉力合力提供向心力，即 kmg +F =mω2?2L ① 而a 受力为 f′-F =2mω2L ② 联立①②得 f′=4mω2L -kmg 综合得出，a 、b 受到的摩擦力不是始终相等，故A 错误，B 正确； C ．当a 刚要滑动时，有 2kmg+kmg =2mω2L +mω2?2L 解得 34kg L ω＝ 物理生活中的圆周运动练习题含答案 一、高中物理精讲专题测试生活中的圆周运动 1．如图，在竖直平面内，一半径为R 的光滑圆弧轨道ABC 和水平轨道PA 在A 点相切．BC 为圆弧轨道的直径．O 为圆心，OA 和OB 之间的夹角为α，sinα= 3 5 ，一质量为m 的小球沿水平轨道向右运动，经A 点沿圆弧轨道通过C 点，落至水平轨道；在整个过程中，除受到重力及轨道作用力外，小球还一直受到一水平恒力的作用，已知小球在C 点所受合力的方向指向圆心，且此时小球对轨道的压力恰好为零．重力加速度大小为g ．求： （1）水平恒力的大小和小球到达C 点时速度的大小； （2）小球到达A 点时动量的大小； （3）小球从C 点落至水平轨道所用的时间． 【答案】（15gR （223m gR （3355R g 【解析】 试题分析 本题考查小球在竖直面内的圆周运动、受力分析、动量、斜下抛运动及其相关的知识点，意在考查考生灵活运用相关知识解决问题的的能力． 解析（1）设水平恒力的大小为F 0，小球到达C 点时所受合力的大小为F ．由力的合成法则有 tan F mg α=① 2220()F mg F =+② 设小球到达C 点时的速度大小为v ，由牛顿第二定律得 2 v F m R =③ 由①②③式和题给数据得 03 4 F mg =④ 5gR v = （2）设小球到达A 点的速度大小为1v ，作CD PA ⊥，交PA 于D 点，由几何关系得 sin DA R α=⑥ (1cos CD R α=+）⑦ 由动能定理有 220111 22 mg CD F DA mv mv -?-?=-⑧ 由④⑤⑥⑦⑧式和题给数据得，小球在A 点的动量大小为 1232 m gR p mv == ⑨ （3）小球离开C 点后在竖直方向上做初速度不为零的匀加速运动，加速度大小为g ．设小球在竖直方向的初速度为v ⊥，从C 点落至水平轨道上所用时间为t ．由运动学公式有 2 12 v t gt CD ⊥+ =⑩ sin v v α⊥= 由⑤⑦⑩ 式和题给数据得 355R t g = 点睛 小球在竖直面内的圆周运动是常见经典模型，此题将小球在竖直面内的圆周运动、受力分析、动量、斜下抛运动有机结合，经典创新． 2．有一水平放置的圆盘，上面放一劲度系数为k 的弹簧，如图所示，弹簧的一端固定于轴O 上，另一端系一质量为m 的物体A ，物体与盘面间的动摩擦因数为μ，开始时弹簧未发生形变，长度为l ．设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力．求： （1）盘的转速ω0多大时，物体A 开始滑动？ （2）当转速缓慢增大到2ω0时，A 仍随圆盘做匀速圆周运动，弹簧的伸长量△x 是多少？ 【答案】（1） g l μ（2） 34mgl kl mg μμ- 【解析】 【分析】 （1）物体A 随圆盘转动的过程中，若圆盘转速较小，由静摩擦力提供向心力；当圆盘转速较大时，弹力与摩擦力的合力提供向心力．物体A 刚开始滑动时，弹簧的弹力为零，静摩擦力达到最大值，由静摩擦力提供向心力，根据牛顿第二定律求解角速度ω0． （2）当角速度达到2ω0时，由弹力与摩擦力的合力提供向心力，由牛顿第二定律和胡克定律求解弹簧的伸长量△x ． 【详解】 若圆盘转速较小，则静摩擦力提供向心力，当圆盘转速较大时，弹力与静摩擦力的合力提供向心力． 匀速圆周运动练习 1．一质点做圆周运动，速度处处不为零，则:①任何时刻质点所受的合力一定不为零,②任何时刻质点的加速度一定不为零,③质点速度的大小一定不断变化,④质点速度的方向一定不断变化 其中正确的是（ ） A ．①②③ B ．①②④ C ．①③④ D ．②③④ 2．火车轨道在转弯处外轨高于内轨，其高度差由转弯半径与火车速度确定.若在某转弯处规定行驶速度为v ，则下列说法中正确的是（ ） ①当以速度v 通过此弯路时，火车重力与轨道支持力的合力提供向心力 ②当以速度v 通过此弯路时，火车重力、轨道支持力和外轨对轮缘弹力的合力提供向心力 ③当速度大于v 时，轮缘挤压外轨 ④当速度小于v 时，轮缘挤压外轨 A.①③ B.①④ C.②③ D.②④ 3．如图所示，在皮带传动装置中，主动轮A 和从动轮B 半径不等，皮带与轮之间无相对滑动，则下列说法中正确的是（ ） A ．两轮的角速度相等 B ．两轮边缘的线速度大小相等 C ．两轮边缘的向心加速度大小相等 D ．两轮转动的周期相同 4．用细线拴着一个小球，在光滑水平面上作匀速圆周运动，下列说法正确的是（ ） A ．小球线速度大小一定时，线越长越容易断 B ．小球线速度大小一定时，线越短越容易断 C ．小球角速度一定时，线越长越容易断 D ．小球角速度一定时，线越短越容易断 5．长度为0.5m 的轻质细杆OA ，A 端有一质量为3kg 的小球，以O 点为圆心，在竖直平面内做圆周运动，如图所示，小球通过最高点时的速度为2m/s ，取g=10m/s 2 ，则此时轻杆OA 将（ ） A ．受到6.0N 的拉力 B ．受到6.0N 的压力 C ．受到24N 的拉力 D ．受到24N 的压力 6．滑块相对静止于转盘的水平面上，随盘一起旋转时所需向心力的来源是（ ） A ．滑块的重力 B ．盘面对滑块的弹力 C ．盘面对滑块的静摩擦力 D ．以上三个力的合力 7．如图所示，固定的锥形漏斗内壁是光滑的，内壁上有两个质量相等的小球A 和B ，在各自不同的水平面做匀速圆周运动，以下说法正确的是（ ） A.V A >V B B.ωA >ωB C.a A >a B D.压力N A >N B 8.一个电子钟的秒针角速度为（ ） A ．πrad/s B ．2πrad/s C ． 60πrad/s D ．30 πrad/s 9．甲、乙、丙三个物体，甲放在广州，乙放在上海，丙放在北京．当它们随地球一起转动时，则 （ ） A B 圆周运动的向心力及其应用 【要点梳理】 要点一、物体做匀速圆周运动的条件 要点诠释： 物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。 要点二、关于向心力及其来源 1、向心力 要点诠释 （1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力. （2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。 （3）向心力的大小： 2 2 v F ma m mr r ω=== 向向 向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积； 对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方； 线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。 如果是匀速圆周运动则有： 22 222 2 4 4 v F ma m mr mr mr f r T π ωπ===== 向向 （4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。 （5）关于向心力的说明： ①向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力； ②匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小； ③无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。 2、向心力的来源 要点诠释 （1）向心力不是一种特殊的力。重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。 （2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)： 要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别 1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动 要点诠释： （1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体受到的合外力完全充当向心力的角色。 例如月球围绕地球做匀速圆周运动，它受到的地球对它的引力就是合外力，这个合外力正好沿着半径指向地心，完全用来提供月球围绕地球做匀速圆周运动的向心力。 （2）在变速圆周运动中，向心力只是物体受到的合外力的沿着半径方向的一个 高一物理匀速圆周运动知识点及习题 高一物理匀速圆周运动知识介绍 质点沿圆周运动，如果在任意相等的时间里通过的圆弧长度都相等，匀速圆周运动，这种运动就叫做“匀速圆周运动”，匀速圆周运动是圆周运动中，最常见和最简单的运动（因为速度是矢量，所以匀速圆周运动实际上是指匀速率圆周运动）。 天体的匀速圆周运动 定义 质点沿圆周运动，如果在任意相等的时间里通过的圆弧长度都相等，这种运动就叫做“匀速圆周运动”，亦称“匀速率圆周运动”。因为物体作圆周运动时速率不变，但速度方向随时发生变化。所以匀速圆周运动的线速度是无时不刻不在变化的。 匀速圆周运动 运动条件 物体作匀速圆周运动时，速度的大小虽然不变，但速度的方向时刻改变，所以匀速圆周运动是变速运动。又由于作匀速圆周运动时，它的向心加速度的大小不变，但方向时刻改变，故匀速圆周运动是变加速运动。“匀速圆周运动”一词中的“匀速”仅是速率不变的意思。做匀速圆周运动的物体仍然具有加速度,而且加速度不断改变，因其加速度方向在不断改变，其运动轨迹是圆，所以匀速圆周运动是变加速曲线运动。匀速圆周运动加速度方向始终指向圆心。做变速圆周运动的物体总能分解出一个指向圆心的加速度，我们将方向时刻指向圆心的加速度称为向心加速度。 公式解析 计算公式 1、v（线速度）=ΔS/Δt=2πr/T=ωr=2πrf (S代表弧长，t代表时间，r代表半径,f代表频率) 2、ω（角速度）=Δθ/Δt=2π/T=2πn （θ表示角度或者弧度） 3、T（周期）=2πr/v=2π/ω 4、n（转速）=1/T=v/2πr=ω/2π 5、Fn（向心力）=mrω^2=mv^2/r=mr4π^2/T^2=mr4π^2f^2 6、an（向心加速度）=rω^2=v^2/r=r4π^2/T^2=r4π^2n^2 7、vmax=√gr （过最高点时的条件） 8、fmin (过最高点时的对杆的压力)=mg-√gr （有杆支撑） 一、第六章圆周运动易错题培优（难） 1．如图所示，用一根长为l=1m的细线，一端系一质量为m=1kg的小球(可视为质点)，另一端固定在一光滑锥体顶端，锥面与竖直方向的夹角θ=30°，当小球在水平面内绕锥体的轴做匀速圆周运动的角速度为ω时，细线的张力为T，取g=10m/s2。则下列说法正确的是（） A．当ω=2rad/s时，T3+1)N B．当ω=2rad/s时，T=4N C．当ω=4rad/s时，T=16N D．当ω=4rad/s时，细绳与竖直方向间夹角大于45° 【答案】ACD 【解析】 【分析】 【详解】 当小球对圆锥面恰好没有压力时，设角速度为，则有 解得 AB．当，小球紧贴圆锥面，则 代入数据整理得 A正确，B错误； CD．当，小球离开锥面，设绳子与竖直方向夹角为，则 解得 ， CD正确。 故选ACD。 2．如图，质量为m的物块，沿着半径为R的半球形金属壳内壁滑下，半球形金属壳竖直放置，开口向上，滑到最低点时速度大小为v，若物体与球壳之间的摩擦因数为μ，则物体在最低点时，下列说法正确的是（） A．滑块对轨道的压力为B．受到的摩擦力为 C．受到的摩擦力为μmg D．受到的合力方向斜向左上方 【答案】AD 【解析】 【分析】 【详解】 A．根据牛顿第二定律 根据牛顿第三定律可知对轨道的压力大小 A正确； BC．物块受到的摩擦力 BC错误； D．水平方向合力向左，竖直方向合力向上，因此物块受到的合力方向斜向左上方，D正确。 故选AD。 3．如图甲所示，半径为R、内壁光滑的圆形细管竖直放置，一可看成质点的小球在圆管内做圆周运动，当其运动到最高点A时，小球受到的弹力F与其过A点速度平方（即v2）的关系如图乙所示。设细管内径略大于小球直径，则下列说法正确的是（） A．当地的重力加速度大小为R b B．该小球的质量为a b R C．当v2=2b时，小球在圆管的最高点受到的弹力大小为a D．当0≤v2＜b时，小球在A点对圆管的弹力方向竖直向上【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】 AB．在最高点，根据牛顿第二定律 2 mv mg F R -= 圆周运动的实例分析典型例题解析 【例1】用细绳拴着质量为m 的小球，使小球在竖直平面内作圆周运动，则下列说法中，正确的是[ ] A ．小球过最高点时，绳子中张力可以为零 B ．小球过最高点时的最小速度为零 C ．小球刚好能过最高点时的速度是Rg D ．小球过最高点时，绳子对小球的作用力可以与球所受的重力方向相 反 解析：像该题中的小球、沿竖直圆环内侧作圆周运动的物体等没有支承物的物体作圆周运动，通过最高点时有下列几种情况： (1)m g m v /R v 2当＝，即＝时，物体的重力恰好提供向心力，向心Rg 加速度恰好等于重力加速度，物体恰能过最高点继续沿圆周运动．这是能通过最高点的临界条件； (2)m g m v /R v 2当＞，即＜时，物体不能通过最高点而偏离圆周Rg 轨道，作抛体运动； (3)m g m v /R v m g 2当＜，即＞时，物体能通过最高点，这时有Rg ＋F ＝mv 2/R ，其中F 为绳子的拉力或环对物体的压力．而值得一提的是：细绳对由它拴住的、作匀速圆周运动的物体只可能产生拉力，而不可能产生支撑力，因而小球过最高点时，细绳对小球的作用力不会与重力方向相反． 所以，正确选项为A 、C ． 点拨：这是一道竖直平面内的变速率圆周运动问题．当小球经越圆周最高点或最低点时，其重力和绳子拉力的合力提供向心力；当小球经越圆周的其它位置时，其重力和绳子拉力的沿半径方向的分力(法向分力)提供向心力． 【问题讨论】该题中，把拴小球的绳子换成细杆，则问题讨论的结果就大相径庭了．有支承物的小球在竖直平面内作圆周运动，过最高点时： (1)v (2)v (3)v 当＝时，支承物对小球既没有拉力，也没有支撑力； 当＞时，支承物对小球有指向圆心的拉力作用； 当＜时，支撑物对小球有背离圆心的支撑力作用； Rg Rg Rg (4)当v ＝0时，支承物对小球的支撑力等于小球的重力mg ，这是有支承物的物体在竖直平面内作圆周运动，能经越最高点的临界条件． 【例2】如图38－1所示的水平转盘可绕竖直轴OO ′旋转，盘上的水平杆上穿着两个质量相等的小球A 和B ．现将A 和B 分别置于距轴r 和2r 处，并用不可伸长的轻绳相连．已知两球与杆之间的最大静摩擦力都是f m ．试分析角速度ω从零逐渐增大，两球对轴保持相对静止过程中，A 、B 两球的受力情况如何变化？ 解析：由于ω从零开始逐渐增大，当ω较小时，A 和B 均只靠自身静摩擦力提供向心力． A 球：m ω2r ＝f A ； B 球：m ω22r ＝f B ． 随ω增大，静摩擦力不断增大，直至ω＝ω1时将有f B ＝f m ，即m ω＝，ω＝．即从ω开始ω继续增加，绳上张力将出现．12m 112r f T f m r m /2 A 球：m ω2r ＝f A ＋T ；B 球：m ω22r ＝f m ＋T ． 由B 球可知：当角速度ω增至ω′时，绳上张力将增加△T ，△T ＝m ·2r(ω′2－ω2)．对于A 球应有m ·r(ω′2－ω2)＝△f A ＋△T ＝△f A ＋m ·2r(ω′2－ω2)． 可见△f A ＜0，即随ω的增大，A 球所受摩擦力将不断减小，直至f A ＝0 高一物理匀速圆周运动练习题 一．选择题 1．下列说法正确的是（） A ．匀速圆周运动是一种匀速运动 B ．匀速圆周运动是一种匀变速运动 C ．匀速圆周运动是一种变加速运动 D ．物体做圆周运动时其向心力垂直于速度方向，不改变线速度的大小 2．关于向心力的说法正确的是（） A ．物体由于做圆周运动而产生一个向心力 B ．向心力不改变圆周运动物体速度的大小 C ．做匀速圆周运动的物体其向心力即为其所受的合外力 D ．做匀速圆周运动的物体其向心力是不变的 3．关于匀速圆周运动的周期大小，下列判断正确的是（ ） A ．若线速度越大，则周期一定越小 B ．若角速度越大，则周期一定越小 C ．若半径越大，则周期一定越大 D ．若向心加速度越大，则周期一定越大． 4．下列关于向心加速度的说法中，正确的是（） A ．向心加速度越大，物体速率变化越快 B ．向心加速度越大，物体速度变化越快 C ．向心加速度越大，物体速度方向变化越快 D ．在匀速圆周运动中向心加速度是恒量 5．下列说法中正确的是（） A ．物体在恒力作用下，一定做直线运动 B ．物体在始终与速度垂直且大小不变的力作用下，一定做匀速圆周运动 C ．物体在变力作用下有可能做匀速圆周运动 D ．物体在恒力作用下，不可能做圆周运动 6．质点作匀速圆周运动时，下面说法中正确的是（） A ．向心加速度一定与旋转半径成反比，因为2 n v a r = B ．向心加速度一定与角速度成正比，因为2n a r ω= C ．角速度一定与旋转半径成反比，因为v r ω= D ．角速度一定与转速成正比，因为2n ωπ= 7．如图所示，甲．乙两球做匀速圆周运动，由图象可以知道（） A ．甲球运动时，线速度大小保持不变 B ．甲球运动时，角速度大小保持不变 1．圆周运动：运动轨迹为的质点的运动。 2．匀速圆周运动：运动轨迹为且质点在相等时间内通过的相等的运动。 它是运动。 3．线速度v：在圆周运动中，质点通过的跟通过这段所用的比值。 表达式：，单位：。 4．角速度ω：在圆周运动中，质点转过的跟转过这个所用的比值。 表达式：，单位：。 5．周期T：做匀速圆周运动的物体运动所用的时间。T= = 。 7．向心加速度：做匀速圆周运动的物体所具有的指向圆心的加速度。向心加速度与速度方向， 总是指向，只改变速度的，不改变速度的。 a = = = 。 8．向心力：做圆周运动的物体受到的与速度方向，总是指向，用来改变物体运动的力。F = = = 。向心力是指向圆心的合力，是按照__ ____命名的，并不是物体另外受到的力，向心力可以是重力、________、__________等各种力的合力，也可以是其中某一种力或某一种力的。 9．解题时常用的两个结论： ①固定在一起共轴转动的物体上各点的相同； ②不打滑的摩擦传动和皮带传动的两轮边缘上各点的大小相等。 1．（单选）对于做匀速圆周运动的物体，下列说法错误的是（） A．线速度不变. B．线速度的大小不变C．转速不变D．周期不变 2．（单选）一质点做圆周运动，速度处处不为零，则其中正确的是（） ①任何时刻质点所受的合力一定不为零②任何时刻质点的加速度一定不为零③质点速度的大小一定不断变化④质点速度的方向一定不断变化A．①②③B．①②④. C．①③④D．②③④ 3．（单选）做匀速圆周运动的质点是处于（） A．平衡状态B．不平衡状态. C．速度不变的状态D．加速度不变的状态 4．（单选）匀速圆周运动是（） A．匀速运动B．匀加速运动C．匀减速运动D．变加速运动. 5．（单选）下列关于向心加速度的说法中，正确的是（） A．向心加速度的方向始终与速度的方向垂直.B．向心加速度的方向可能与速度方向不垂直 C．向心加速度的方向保持不变D．向心加速度的方向与速度的方向平行 6．（单选）如图所示，在皮带传动装置中，主动轮A和从动轮B半径不等，皮带与轮之间无相对滑动，则下列说法中正确的是（）A．两轮的角速度相等B．两轮边缘的线速度大小相等.C．两轮边缘的向心加速度大小相等D．两轮转动的周期相同 7．（单选）一个闹钟的秒针角速度为（） A．πrad/s B．2πrad/s C．rad/s D．rad/s. 8．（单选）甲、乙、丙三个物体，甲放在广州，乙放在上海，丙放在北京．当它们随地球一起转动时，则（） A．甲的角速度最大、乙的线速度最小B．丙的角速度最小、甲的线速度最大 C．三个物体的角速度、周期和线速度都相等 D．三个物体的角速度、周期一样，丙的线速度最小. 9．如图所示，直径为d的纸制圆筒以角速度ω绕垂直纸面的轴O匀速转动(图示为截面)．从枪口发射的子弹沿直径 穿过圆筒．若子弹在圆筒旋转不到半周时，在圆周上留下a、b两个弹孔，已知aO与bO夹角为θ，求子弹的速度。 10．如图所示，为一皮带传动装置，右轮半径为r，a是它边缘上的一点，左侧是一轮轴，大轮的半径为4r，小轮半径为2r，b点在小轮上，到轮中心的距离为r，c点和d点分别位于小轮和大轮的边缘上，若传动过程中皮带不打滑。求： ⑴线速度大小之比v a：v b：v c：v d ⑵角速度大小之比ωa：ωb：ωc：ωd ⑶加速度大小之比a a：a b：a c：a d 高中物理圆周运动知识点总结高中物理圆周运动公式高中物理教学中，圆周运动问题既是一个重点，又是一个难点。下面给大家带来高中物理圆周运动知识点，希望对你有帮助。 1.圆周运动：质点的运动轨迹是圆周的运动。 2.匀速圆周运动：质点的轨迹是圆周，在相等的时间内，通过的弧长相等，质点所作的运动是匀速率圆周运动。 3.描述匀速圆周运动的物理量 (1)周期(T)：质点完成一次圆周运动所用的时间为周期。 频率(f)：1s钟完成圆周运动的次数。f= (2)线速度(v)：线速度就是瞬间速度。做匀速圆周运动的质点，其线速度的大小不变，方向却时刻改变，匀速圆周运动是一个变速运动。 由瞬时速度的定义式v=,当Δt趋近于0时，Δs与所对应的弧长(Δl)基本重合，所以v=，在匀速圆周运动中，由于相等的时间内通过的弧长相等，那么很小一段的弧长与通过这段弧长所用时间的比 值是相等的，所以，其线速度大小v=(其中R是运动物体的轨道半径，T为周期) (3)角速度(ω)：作匀速圆周运动的质点与圆心的连线所扫过的角度与所用时间的比值。ω==，由此式可知匀速圆周运动是角速度不变的运动。 4.竖直面内的圆周运动(非匀速圆周运动) (1)轻绳的一端固定，另一端连着一个小球(活小物块)，小球在竖直面内作圆周运动，或者是一个竖直的圆形轨迹，一个小球(或小物块)在其内壁上作竖直面的圆周运动，然后进行计算分析，结论如下： ①小球若在圆周上，且速度为零，只能是在水平直径两个端点以下部分的各点，小球要到达竖直圆周水平直径以上各点，则其速度至少要满足重力指向圆心的分量提供向心力 ②小球在竖直圆周的最低点沿圆周向上运动的过程中，速度不断减小(重力沿运动方向的分量与速度方向是相反的，使小球的速度减小)，而小球要到达最高点，则必须在最低点具有足够大的速度才 1.关于物体做匀速圆周运动的速度，下列说法中正确的是() A．速度大小和方向都改变 B．速度的大小和方向都不变 C．速度的大小不变，方向改变 D．速度的大小改变，方向不变 2.一只小狗拉着雪橇在水平冰面上沿着圆弧形的道路匀速行驶，如图所示为雪橇所受的牵引力F及摩擦力 F f的示意图，其中正确的是() A．B．C．D． 3.一个做匀速圆周运动的物体，如果半径不变，而速率增加到原来速率的3倍，其向心力增加了64 N，则物体原来受到的向心力的大小是() A． 16 N B． 12 N C． 8 N D． 6 N 4.下列对圆锥摆的受力分析正确的是() A． B． C． D． 5.如图所示，用细绳系一小球，使小球在水平面内做匀速圆周运动，不计空气阻力，关于小球的受力正确的是() A．只受重力 B．只受绳子拉力 C．受重力、绳子拉力 D．受重力、绳子拉力和向心力 6.如图所示，圆盘上叠放着两个物块A和B，当圆盘和物块绕竖直轴匀速转动时，物块与圆盘始终保持相对静止，则() A．物块A不受摩擦力作用 B．物块B受5个力作用 C．当转速增大时，A所受摩擦力增大，B所受摩擦力减小 D．A对B的摩擦力方向沿半径指向转轴 7.如图所示，质量为m的物块从半径为R的半球形碗边向碗底滑动，滑到最低点时的速度为v，若物块滑到最低点时受到的摩擦力是F f，则物块与碗的动摩擦因数为() A． B． C． D． 8.如图所示，物块P置于水平转盘上随转盘一起运动，图中c方向沿半径指向圆心，a方向与c方向垂直.当转盘逆时针转动时，下列说法正确的是() A．当转盘匀速转动时，P受摩擦力方向为c B．当转盘匀速转动时，P不受转盘的摩擦力 C．当转盘加速转动时，P受摩擦力方向可能为a D．当转盘减速转动时，P受摩擦力方向可能为b 9.如图所示，某物体沿光滑圆弧轨道由最高点滑到最低点过程中，物体的速率逐渐增大，则() A．物体的合外力为零 B．物体的合力大小不变，方向始终指向圆心O C．物体的合外力就是向心力 D．物体的合力方向始终与其运动方向不垂直(最低点除外) 10.如图，一圆盘可绕一通过圆心且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放一块橡皮，橡皮块随圆盘一起转 高中物理实验：圆周运动 实验仪器：自行车 教师操作：让学生观察自行车后轮、齿轮、脚踏板转动现象。 实验结论：皮带、齿轮传动——线速度相同;同轴转动——角速度相同。 向心力 实验仪器：向心力实验器(J2131)、弹簧测力计、停表、游标卡尺 向心力实验器： 指针较长，圆柱体的少量位移经过杠杆的放大，使显示更为明显。但指针有质量，同时，转动时会做离心运动，所以制造时加了指针配量，使指针系统成静平衡。再通过适当选择摆杆的质量维持指针系统的动平衡。因而实验时无需考虑指针的质量和它可能做离心运动的影响。 转动轴由立柱上的钢珠支撑，转动轴下部有定位锥套。实验前调整配重的位置时应将定位锥套退下，调整后将套重新推向上。 构造 游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器，它由尺身及能在尺身上滑动的游标组成。若从背面看，游标是一个整体。游标与尺身之间有一弹簧片(图中未能画出)，利用弹簧片的弹力使游标与尺身靠紧。游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。尺 身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径。 深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。 尺身和游标尺上面都有刻度。以准确到0.1毫米的游标卡尺为例，尺身上的最小分度是1毫米，游标尺上有10个小的等分刻度，总长9毫米，每一分度为0.9毫米，比主尺上的最小分度相差0.1毫米。量爪并拢时尺身和游标的零刻度线对齐，它们的第一条刻度线相差0.1毫米，第二条刻度线相差0.2毫米，……，第10条刻度线相差1毫米，即游标的第10条刻度线恰好与主尺的9毫米刻度线对齐。 使用 用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。如果对齐就可以进行测量：如没有对齐则要记取零误差：游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差(这件规定方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左为负)。 测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径(或内径)的物体，使待测物位于外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数 读数 读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度线对齐，如第6条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为0.6毫米 图圆周运动的实例分析 （1）匀速圆周运动与非匀速圆周运动 a.圆周运动是变速运动 b.最常见的圆周运动有：①天体（包括人造天体）在万有引力作用下的运动；②核外电子在库仑力作用下绕原子核的运动；③带电粒子在垂直匀强磁场的平面里在磁场力作用下的运动；④物体在各种外力（重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力等）作用下的圆周运动。 c.匀速圆周运动只是速度方向改变，而速度大小不变。做匀速圆周运动的物体，它所受的所有力的合力提供向心力，其方向一定指向圆心。非匀速圆周运动的物体所受的合外力沿着半径指向圆心的分力，提供向心力，产生向心加速度；合外力沿切线方向的分力，产生切向加速度，其效果是改变速度的大小。 例1：如图3-1所示，两根轻绳同系一个质量m=0.1kg 的小球，两绳的另一端分别固定在轴上的A 、B 两处，上面绳AC 长L=2m ，当两绳都拉直时，与轴的夹角分别为30°和45°，求当小球随轴一起在水平面内做匀速圆周运动角速度为ω=4rad/s 时，上下两轻绳拉力各为多少？ 【审题】两绳张紧时，小球受的力由0逐渐增大时，ω可能出现两个临界值。 【解析】如图3-1所示，当BC 刚好被拉直，但其拉力T2恰为零，设此时角速度为ω1，AC 绳上拉力设为T1， 对小球有：mg T =?30cos 1 ①ο ο30sin L ωm =30sin T AB 211②代入数据得：s rad /4.21 =ω， 要使BC 绳有拉力，应有ω>ω1，当AC 绳恰被拉直，但其拉力T1恰为零，设此时角速度为ω2，BC 绳拉力为 T2，则有mg T =?45cos 2 ③ T2sin45°=m 2 2ωLACsin30°④代入数据得：ω2=3.16rad/s 。要使 AC 绳有拉力，必须ω<ω2，依题意ω=4rad/s>ω2，故AC 绳已无拉力，AC 绳是松驰状态，BC 绳与杆的夹角θ>45°，对小球有： mg T =θcos 2，T2cos θ=m ω2LBCsin θ ⑤而LACsin30°=LBCsin45°，LBC=2m ⑥由⑤、⑥可解得 N T 3.22=；01=T 【总结】当物体做匀速圆周运动时，所受合外力一定指向圆心，在圆周的切线方向上和垂直圆周平面的方向上 的合外力必然为零。 （2）同轴装置与皮带传动装置 在考查皮带转动现象的问题中，要注意以下两点：a 、同一转动轴上的各点角速度相等；b 、和同一皮带接触的各点线速度大小相等。 例2：如图3-2所示为一皮带传动装置，右轮的半径为r ，a 是它边缘上的一点，左侧是一轮轴，大轮半径为4r ，小轮半径为2r ，b 点在小轮上，到小轮中心距离为r ，c 点和d 点分别位于小轮和大轮的边缘上，若在传动过程中，皮带不打滑，则 A ．a 点与b 点线速度大小相等 B ．a 点与c 点角速度大小相等 C ．a 点与d 点向心加速度大小相等 D ．a 、b 、c 、d 四点，加速度最小的是b 点 【审题】 分析本题的关键有两点：其一是同一轮轴上的各点角速度相同；其二是皮带不打滑时，与 皮带接触的各点线速度大小相同。这两点抓住了，然后再根据描述圆周运动的各物理量之间的关系就不难得出正确的结论。 【解析】由图3-2可知，a 点和c 点是与皮带接触的两个点，所以在传动过程中二者的线速度大小相等，即va ＝vc ，又v ＝ωR ， 所以 ωar ＝ωc·2r ，即ωa ＝2ωc ．而b 、c 、d 三点在同一轮轴上，它们的角速度相等，则ωb ＝ωc ＝ωd ＝21 ωa ，所以选项Ｂ错．又vb ＝ωb·r ＝ 21 ωar ＝2 v a ，所以选项A 也错．向心加速度：aa ＝ωa2r ；ab ＝ωb2·r ＝（2 ωa ）2r ＝41ωa2r ＝41aa ；ac ＝ωc2·2r ＝（21 ωa ）2·2r ＝ 21ωa2r ＝21aa ；ad ＝ωd2·4r ＝（21 ωa ）2·4r ＝ωa2r ＝aa ．所以选项C 、D 均正确。 【总结】 a ．向心力是根据力的效果命名的．在分析做圆周运动的质点受力情况时，切记在物体的作用力（重力、弹力、摩擦力等）以外不要再 添加一个向心力。 图 图 匀速圆周运动专题 从现行高中知识体系来看，匀速圆周运动上承牛顿运动定律，下接万有引力，因此在高一物理中占据极其重要的地位，同时学好这一章还将为高二的带电粒子在磁场中的运动及高三复习中解决圆周运动的综合问题打下良好的基础。 （一）基础知识 1. 匀速圆周运动的基本概念和公式 （1）线速度大小，方向沿圆周的切线方向，时刻变化； （2）角速度，恒定不变量； （3）周期与频率； （4）向心力，总指向圆心，时刻变化，向心加速度，方向与向心力相同； （5）线速度与角速度的关系为，、、、的关系为 。所以在、、中若一个量确定，其余两个量也就确定了，而还和有关。 2. 质点做匀速圆周运动的条件 （1）具有一定的速度； （2）受到的合力（向心力）大小不变且方向始终与速度方向垂直。合力（向心力）与速度始终在一个确定不变的平面内且一定指向圆心。 3. 向心力有关说明 向心力是一种效果力。任何一个力或者几个力的合力，或者某一个力的某个分力，只要其效果是使物体做圆周运动的，都可以认为是向心力。做匀速圆周运动的物体，向心力就是物体所受的合力，总是指向圆心；做变速圆周运动的物体，向心力只是物体所受合外力在沿着半径方向上的一个分力，合外力的另一个分力沿着圆周的切线，使速度大小改变，所以向心力不一定是物体所受的合外力。 （二）解决圆周运动问题的步骤 1. 确定研究对象； 2. 确定圆心、半径、向心加速度方向； 3. 进行受力分析，将各力分解到沿半径方向和垂直于半径方向； 4. 根据向心力公式，列牛顿第二定律方程求解。 基本规律：径向合外力提供向心力 （三）常见问题及处理要点 1. 皮带传动问题 例1：如图1所示，为一皮带传动装置，右轮的半径为r，a是它边缘上的一点，左侧是一轮轴，大轮的半径为4r，小轮的半径为2r，b点在小轮上，到小轮中心的距离为r，c点和d点分别位于小轮和大轮的边缘上，若在传动过程中，皮带不打滑，则（） A. a点与b点的线速度大小相等 B. a点与b点的角速度大小相等 C. a点与c点的线速度大小相等 D. a点与d点的向心加速度大小相等 图1 解析：皮带不打滑，故a、c两点线速度相等，选C；c点、b点在同一轮轴上角速度相等，半径不同，由，b点与c点线速度不相等，故a与b线速度不等，A错；同样可判定a与c角速度不同，即a与b角速度不同，B错；设a点的线速度为，则a点向 心加速度，由，，所以，故，D 正确。本题正确答案C、D。 点评：处理皮带问题的要点为：皮带（链条）上各点以及两轮边缘上各点的线速度大小相等，同一轮上各点的角速度相同。 B A 6122 --图6121 --图 专题二：竖直平面内的圆周运动的综合问题 【学习目标】 1. 了解竖直平面内的圆周运动的特点． 2. 了解变速圆周的运动物体受到的合力产生的两个效果，知道做变速圆周运动的物体受到的合力不指向圆心． 3. 掌握处理变速圆周运动正交分解的方法． 4. 学会用能量观点研究竖直平面内圆周运动． 【教材解读】 1. 竖直平面内的圆周运动的特点 竖直平面内的圆周运动分为匀速圆周运动和变速圆周运动两种．常见的竖直平面内的圆周运动是物体在轨道弹力（或绳、杆的弹力）与重力共同作用下运动，多数情况下弹力（特别是绳的拉力与轨道的弹力）方向与运动方向垂直对物体不做功，而重力对物体做功使物体的动能不断变化，因而物体做变速圆周运动．若物体运动过程中，还受其他力与重力平衡，则物体做匀速圆周运动． 2. 变速圆周运动所受合外力产生两个效果 做变速圆周运动的物体受到的合力不指向圆心(图6-12-1)，它产生两个方向的效果． 12F F F ????????→?????????→?? 合产生向心加速度产生切线方向加速度半径方向的分力改变速度的方向切线方向的分力改变速度的大小 因此变速圆周运动的合外力不等于向心力，只是在半径方向的分力F 1提供向心力． 3. 变速圆周运动中的正交分解 应用牛顿运动定律解答圆周运动问题时，常采用正交分解法，其坐标原点是做圆周运动的物体（视为质点）所在的位置，建立相互垂直的两个坐标轴：一个沿法线（半径）方向，法线方向的合力F 1改变速度的方向；另一个沿切线方向，切线方向的合力F 2改变速度的大小．（想一想，图 6-12-1中物体的速度在增大还是减小？） 4. 处理竖直平面内圆周运动的方法 如前所述，通常情况下，由于弹力对物体不做功，只有重力（或其他力）对物体做功，因此，运用能量观点（动能定理、机械能守恒定律）和牛顿运动定律相结合是解决此类问 题的有效方法．另外要注意在不同约束条件下物体能完成圆周运动的条件不同：在绳（或沿圆轨道内侧运动）的约束下，最高点速度v ≥度v ≥ 0． 【案例剖析】 例1．如图6-12-2所示，质量为m 的小球自半径为R 的光滑半 圆形轨道最高点A 处由静止滑下，当滑至最低点B 时轨道对小球的 支持力是多大？ 解析：小球下滑过程中轨道对小球的弹力不做功，只有重力对 高中物理圆周运动练习题 1. 如图3-1所示，两根轻绳同系一个质量m=0.1kg 的小球，两绳的另一端分别固定在轴上的A 、B 两处，上面绳AC 长L=2m ，当两绳都拉直时，与轴的夹角分别为30°和45°，求当小球随轴一起在水平面内做匀速圆周运动角速度为 ω=4rad/s 时，上下两轻绳拉力各为多少？ 2. 如图3-2所示为一皮带传动装置，右轮的半径为 r ，a 是它边缘上的一点，左侧是一轮轴，大轮半径为4r ，小轮半径为2r ，b 点在小轮上，到小轮中心距离为r ，c 点和d 点分别位于小轮和大轮的边缘上，若在传动过程中，皮带不打滑，则 （ ） A ．a 点与b 点线速度大小相等 B ．a 点与c 点角速度大小相等 C ．a 点与d 点向心加速度大小相等 D ．a 、b 、c 、d 四点，加速度最小的是b 点 3. 如图3-4所示，半径为R 的半球形碗内，有一个具有一定质量的物体A ，A 与碗壁间的动摩擦因数为μ，当碗绕竖直轴OO/匀速转动时，物体A 刚好能紧贴在碗口附近随碗一起匀速转动而不发生相对滑动，求碗转动的角速度． 图3- 图3- 图3-4 4. 如图3-6所示，半径为R 的圆盘绕垂直于盘面的中心轴匀速转动，其正上方h 处沿OB 方向水平抛出一个小球，要使球与盘只碰一次，且落点为B ，则小球的初速度v ＝____，圆盘转动的角速度ω＝_____。 5. 如图3-7所示，小球Q 在竖直平面内做匀速圆周运动，当Q 球转到图示位置时，有另一小球P 在距圆周最高点为h 处开始自由下落.要使两球在圆周最高点相碰，则Q 球的角速度ω应满足什么条件？ 6. 绳系着装有水的水桶，在竖直面内做圆周运动，水的质量m ＝0.5 kg ，绳长L ＝60 cm ，求： ①最高点水不流出的最小速率。 ②水在最高点速率v ＝3 m/s 时，水对桶底的压力。 7. 汽车质量m 为1.5×104 kg ，以不变的速率先后驶过凹形路面和凸形路面，路面圆弧半径均为15 m ，如图3-17所示．如果路面承受的最大压力不得超过2×105 N ，汽车允许的最大速率是多少？汽车以此速 率驶过路面的最小压力是多少？ 图 3-6 图 3-7 图3-17 高中物理生活中的圆周运动专题训练答案及解析 一、高中物理精讲专题测试生活中的圆周运动 1．有一水平放置的圆盘，上面放一劲度系数为k的弹簧，如图所示，弹簧的一端固定于轴O上，另一端系一质量为m的物体A，物体与盘面间的动摩擦因数为μ，开始时弹簧未发生形变，长度为l．设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力．求： （1）盘的转速ω0多大时，物体A开始滑动？ （2）当转速缓慢增大到2ω0时，A仍随圆盘做匀速圆周运动，弹簧的伸长量△x是多少？ 【答案】（1） g l μ （2） 3 4 mgl kl mg μ μ - 【解析】 【分析】 （1）物体A随圆盘转动的过程中，若圆盘转速较小，由静摩擦力提供向心力；当圆盘转速较大时，弹力与摩擦力的合力提供向心力．物体A刚开始滑动时，弹簧的弹力为零，静摩擦力达到最大值，由静摩擦力提供向心力，根据牛顿第二定律求解角速度ω0． （2）当角速度达到2ω0时，由弹力与摩擦力的合力提供向心力，由牛顿第二定律和胡克定律求解弹簧的伸长量△x． 【详解】 若圆盘转速较小，则静摩擦力提供向心力，当圆盘转速较大时，弹力与静摩擦力的合力提供向心力． （1）当圆盘转速为n0时，A即将开始滑动，此时它所受的最大静摩擦力提供向心力，则有： μmg＝mlω02， 解得：ω0= g l μ 即当ω0＝ g l μ A开始滑动． （2）当圆盘转速达到2ω0时，物体受到的最大静摩擦力已不足以提供向心力，需要弹簧的弹力来补充，即：μmg+k△x＝mrω12， r=l+△x 解得： 3 4 mgl x kl mg μ μ - V＝ 【点睛】 当物体相对于接触物体刚要滑动时，静摩擦力达到最大，这是经常用到的临界条件．本题关键是分析物体的受力情况． 1.匀速圆周运动 1.线速度：质点通过的圆弧长跟所用时间的比值。 2 22 s v r r fr nr t T π ωππ ? ===== ? 单位：米/秒，m/s 2.角速度：质点所在的半径转过的角度跟所用时间的比值。 2 22 f n t T ?π ωππ ? ==== ? 单位：弧度/秒，rad/s 3.周期：物体做匀速圆周运动一周所用的时间。 22 r T v ππ ω ==单位：秒，s 4.频率：单位时间内完成圆周运动的圈数。 1 f T =单位：赫兹，Hz 5.转速：单位时间内转过的圈数。 N n t =单位：转/秒，r/s n f =(条件是转速n的单位必须为转/秒) 6.向心加速度： 2 222 2 ()(2) v a r v r f r r T π ωωπ ===== 7.向心力： 2 222 2 ()(2) v F ma m m r m v m r m f r r T π ωωπ ====== 三种转动方式 绳模型 2.竖直平面的圆周运动 １．“绳模型”如上图所示，小球在竖直平面内做圆周运动过最高点情况。 （注意：绳对小球只能产生拉力） （1）小球能过最高点的临界条件：绳子和轨道对小球刚好没有力的作用 mg =2 v m R ?v 临界 （2）小球能过最高点条件：v （当v （3）不能过最高点条件：v （实际上球还没有到最高点时，就脱离了轨道） ２．“杆模型”，小球在竖直平面内做圆周运动过最高点情况 （注意：轻杆和细线不同，轻杆对小球既能产生拉力，又能产生推力。） （1）小球能过最高点的临界条件：v=0，F=mg （F 为支持力） （2）当0高一物理圆周运动专题练习(word版
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