2022-2023學(xué)年高中物理 第2章 研究圓周運(yùn)動(dòng) 習(xí)題課 圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)案 滬科版必修2

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1、2022-2023學(xué)年高中物理 第2章 研究圓周運(yùn)動(dòng) 習(xí)題課 圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)案 滬科版必修2學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.熟練掌握?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)各物理量的關(guān)系以及向心力、向心加速度的公式.2.會(huì)分析圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力來源.3.會(huì)分析圓錐擺在水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng).4.會(huì)分析汽車過拱(凹)形橋問題一、描述圓周運(yùn)動(dòng)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(gè)半徑逐漸減小的螺旋形光滑水平軌道，一個(gè)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(duì)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

2、，故B錯(cuò)誤；根據(jù)vR，線速度大小不變，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑減小，故角速度變大，故C錯(cuò)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(dòng)半徑減小，故向心加速度增大，故D錯(cuò)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(dòng)中適用，在變速圓周運(yùn)動(dòng)中也適用，此時(shí)關(guān)系中各量是瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的二、分析圓周運(yùn)動(dòng)問題的基本方法例2如圖2所示，兩根長(zhǎng)度相同的輕繩(圖中未畫出)，連接著相同的兩個(gè)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(dòng)，其中O為圓心，兩段細(xì)繩在同一直線上，此時(shí)，兩段繩子受到的拉力之比為多少？圖2答案32解析對(duì)兩小球受力

3、分析如圖所示，設(shè)每段繩子長(zhǎng)為l，對(duì)球2有F22ml2對(duì)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(dòng)問題的基本方法：(1)首先要明確物體做圓周運(yùn)動(dòng)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(duì)訓(xùn)練1(多選)如圖3所示，在粗糙水平板上放一個(gè)物塊，使水平板和物塊一起在豎直平面內(nèi)沿逆時(shí)針方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，ab為水平直徑，cd為豎直直徑，在運(yùn)動(dòng)中木板始終保持水平，物塊相對(duì)于木板始終靜止，則()圖3A物塊始終受到三個(gè)力作用B物塊受到的合外

4、力始終指向圓心C在c、d兩個(gè)位置，支持力N有最大值，摩擦力f為零D在a、b兩個(gè)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(dòng)，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(shí)候要受到摩擦力的作用，故A錯(cuò)誤；物塊在豎直平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力指向圓心，故B正確設(shè)物塊做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(cuò)誤在b位置受力如圖，因物塊做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，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)

5、動(dòng)模型例3如圖4所示，已知繩長(zhǎng)為L(zhǎng)20 cm，水平桿長(zhǎng)為 L0.1 m，小球質(zhì)量m0.3 kg，整個(gè)裝置可繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)(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(dòng)才行？(2)此時(shí)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(dòng)，其軌道平面在水平面內(nèi)，軌道半徑rLLsin 45.對(duì)小球受力分析，設(shè)繩對(duì)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(dòng)的向心力對(duì)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

6、 rad/sT4.24 N.1模型特點(diǎn)：(1)運(yùn)動(dòng)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(dòng)模型飛機(jī)在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)火車轉(zhuǎn)彎圓錐擺向心力的來源圖示運(yùn)動(dòng)模型飛車走壁汽車在水平路面轉(zhuǎn)彎水平轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì)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

7、低點(diǎn)時(shí)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(shí)對(duì)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(duì)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(shí)，N0.(2)當(dāng)0v時(shí)，0時(shí)，汽車將脫離橋面做平拋運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(duì)訓(xùn)練2在較大的平

8、直木板上相隔一定距離釘幾個(gè)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(shí)的示數(shù)小一些B玩具車運(yùn)動(dòng)通過拱形橋頂端時(shí)的示數(shù)大一些C玩具車運(yùn)動(dòng)通過拱形橋頂端時(shí)處于超重狀態(tài)D玩具車運(yùn)動(dòng)通過拱形橋頂端時(shí)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(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，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(duì)物體的支持力FAfB答案A解析由題意可知，A、B兩物體

9、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(cuò)誤；圓筒對(duì)物體的支持力提供物體隨筒一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)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(cuò)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(cuò)誤7在光滑的圓錐漏斗的內(nèi)壁，兩個(gè)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(dòng)，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(dòng)周期大于B球的轉(zhuǎn)動(dòng)

10、周期答案D解析先對(duì)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(duì)A球據(jù)牛頓第二定律：NAsin mgNAcos mmA2rA對(duì)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(cuò)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(cuò)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(gè)輕質(zhì)彈簧，彈簧下端拴一個(gè)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(shí)，彈簧長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，當(dāng)汽車以相同的速率勻速通過一個(gè)橋面為圓弧形的凸形橋的最高點(diǎn)時(shí)，彈簧長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，下列選項(xiàng)

11、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(dòng)分析【題點(diǎn)】汽車過橋問題9(多選)一個(gè)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(dòng)，如圖8所示，則下列說法正確的是()圖8A若v0，則物體對(duì)半球頂點(diǎn)無壓力B若v0，則物體對(duì)半球頂點(diǎn)的壓力為mgC若v00，則物體對(duì)半球頂點(diǎn)的壓力為mgD若v00，則物體對(duì)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(duì)半球頂點(diǎn)無壓力，A正確若v0，則mgNm，得Nmg，則物體對(duì)半球頂點(diǎn)的壓力為mg，B錯(cuò)誤若v00，根據(jù)牛頓第二定

12、律mgNm0，得Nmg，由牛頓第三定律知物體對(duì)半球頂點(diǎn)的壓力為mg，C正確，D錯(cuò)誤【考點(diǎn)】向心力公式的簡(jiǎn)單應(yīng)用【題點(diǎn)】豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)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(cuò)誤；卡車在b、d處有Nmgm，得Nmgm，由于在d處做圓周運(yùn)動(dòng)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(cuò)誤

13、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(shí)對(duì)橋的壓力等于它重力的一半，求此時(shí)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(shí)受到橋面對(duì)它的支持力N，設(shè)汽車的行駛速度為v.則mgNm當(dāng)N0時(shí)，v此時(shí)汽車從最高點(diǎn)開始離開橋面做平拋運(yùn)動(dòng)，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(duì)橋的壓力為mg時(shí)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

14、m/s.12(水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng))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(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸與過陶罐球心O的對(duì)稱軸OO重合轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)間，小物塊隨陶罐一起轉(zhuǎn)動(dòng)且相對(duì)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(dòng)，當(dāng)小物塊受到的摩擦力恰好等于零時(shí)，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(dòng)的向心力，有mgtan m02Rsin 代入數(shù)據(jù)得0(2)當(dāng)(1k)0時(shí)，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(duì)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(shí)，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