2019年高考物理一輪復習 第4章 曲線運動 萬有引力與航天 第3節(jié) 圓周運動學案 新人教版
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1、 第三節(jié) 圓周運動 (對應學生用書第65頁) [教材知識速填] 知識點1 圓周運動的描述 1.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. 2.描述圓周運動的物理量 物理量 意義、方向 公式、單位 線速度(v) ①描述圓周運動的物體運動快慢的物理量 ②是矢量,方向和半徑垂直,和圓周相切 ①v== ②單位:m/s 角速度(ω) ①描述物體繞圓心轉(zhuǎn)動快慢的物理量 ②中學不研究其方
2、向 ①ω== ②單位:rad/s 周期(T) 和轉(zhuǎn)速(n) 或頻率(f) ①周期是物體沿圓周運動一周的時間 ②轉(zhuǎn)速是物體單位時間轉(zhuǎn)過的圈數(shù),也叫頻率 ①T= 單位:s ②n的單位:r/s、 r/min,f的單位:Hz 向心加速度(a) ①描述速度方向變化快慢的物理量 ②方向指向圓心 ①a==rω2 ②單位:m/s2 易錯判斷 (1)勻速圓周運動是勻加速曲線運動.(×) (2)做勻速圓周運動的物體的向心加速度與半徑成反比.(×) (3)做勻速圓周運動的物體所受合外力為變力.(√) 知識點2 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
3、速度的方向,不改變速度的大?。? 2.大小 F=m=mω2r=mr=mωv=4π2mf2r. 3.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,還可以由一個力的分力提供. 易錯判斷 (1)隨水平圓盤一起勻速轉(zhuǎn)動的物體受重力、支持力和向心力的作用.(×) (2)做圓周運動的物體所受到的合外力不一定等于向心力.(√) (3)物體做勻速圓周運動時,其合外力是不變的.(×) 知識點3 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
4、動. 2.本質(zhì) 做圓周運動的物體,由于本身的慣性,總有沿著圓周切線方向飛出去的趨勢. 3.受力特點 圖4-3-1 (1)當Fn=mω2r時,物體做勻速圓周運動. (2)當Fn=0時,物體沿切線方向飛出. (3)當Fn<mω2r時,物體逐漸遠離圓心,做離心運動. (4)當Fn>mω2r時,物體逐漸靠近圓心,做近心運動. 易錯判斷 (1)做圓周運動的物體所受合外力突然消失,物體將沿圓周的半徑方向飛出.(×) (2)做離心運動的物體是由于受到離心力的作用.(×) (3)賽車轉(zhuǎn)彎時沖出賽道是因為沿轉(zhuǎn)彎半徑向內(nèi)的靜摩擦力不足以提供向心力.(√) [教材習題回訪] 考查點:
5、勻速圓周運動向心力來源 1.(人教版必修2P25T3改編)如圖4-3-2所示,小物體A與水平圓盤保持相對靜止,跟著圓盤一起做勻速圓周運動,則A受力情況是( ) 圖4-3-2 A.重力、支持力 B.重力、向心力 C.重力、支持力、指向圓心的摩擦力 D.重力、支持力、向心力、摩擦力 [答案] C 考查點:離心運動的理解 2.(滬科必修2P25T1改編)(多選)如圖4-3-3所示,豎直平面上,質(zhì)量為m的小球在重力和拉力F作用下做勻速圓周運動.若小球運動到最高點P點時,拉力F發(fā)生變化,下列關(guān)于小球運動情況說法中正確的是( ) 圖4-3-3 A.若拉力突然變大,
6、小球?qū)⒀剀壽EPb做離心運動 B.若拉力突然變小,小球?qū)⒀剀壽EPb做離心運動 C.若拉力和重力突然消失,小球?qū)⒀剀壽EPa做離心運動 D.若拉力突然變小,小球?qū)⒀剀壽EPc做向心運動 [答案] BC 考查點:向心加速度與半徑的關(guān)系 3.(多選)(粵教必修2P37T2)甲、乙兩球做勻速圓周運動,向心加速度a隨半徑r變化的關(guān)系圖象如圖4-3-4所示.由圖象可以知道( ) 圖4-3-4 A.甲球運動時,線速度大小保持不變 B.甲球運動時,角速度大小保持不變 C.乙球運動時,線速度大小保持不變 D.乙球運動時,角速度大小保持不變 [答案] BC 考查點:轉(zhuǎn)動裝置中各物理量
7、關(guān)系 4.(人教版必修2P19T4改編)圖4-3-5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4-3-5 A. B. C. D. [答案] D 考查點:勻速圓周運動基本規(guī)律的應用 5.(人教版必修2P25T2改編)如圖4-3-6所示,一個內(nèi)壁光滑的圓錐形筒的軸線垂直于水平面,圓錐筒固定不動,有兩個質(zhì)量相等的小球A和B緊貼著內(nèi)壁分別在圖中所示的水平面內(nèi)做勻速圓周運動,則以下說法中正確的是( ) 【導學號:84370174】 圖4-3
8、-6 A.A球的角速度等于B球的角速度 B.A球的線速度大于B球的線速度 C.A球的運動周期小于B球的運動周期 D.A球?qū)ν脖诘膲毫Υ笥贐球?qū)ν脖诘膲毫? [答案] B (對應學生用書第67頁) 圓周運動中的運動學分析 1.描述圓周運動的物理量間的關(guān)系 注意:ω的單位為rad/s,不是r/s. 2.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. 3.對a==ω2r的理解 當v一定時,a與r成反比;當ω一定時,a與r成正比. 4.常見的三種傳動方式及特點 類型 圖示 特點 同軸傳動
9、繞同一轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)的物體,角速度相同,ωA=ωB,由v=ωr知v與r成正比 皮帶傳動 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 摩擦傳動 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 [題組通關(guān)] 1.(多選)如圖4-3-7所示,有一皮帶傳動裝置,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4-3-7 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
10、∶4 BD [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,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.] 2.(2018·武漢高考調(diào)研)機動車檢測站進行車輛尾氣檢測原理如下:車的主動輪壓在兩個相同粗細的有固定轉(zhuǎn)動軸的滾動圓筒上,可在原地沿前進方向加速,然后把檢測傳感
11、器放入尾氣出口,操作員把車加速到一定程度,持續(xù)一定時間,在與傳感器相連的電腦上顯示出一系列相關(guān)參數(shù).現(xiàn)有如下檢測過程簡圖:車軸A的半徑為ra,車輪B的半徑為rb,滾動圓筒C的半徑rc,車輪與滾動圓筒間不打滑,當車輪以恒定轉(zhuǎn)速n(每秒鐘n轉(zhuǎn))運行時,下列說法正確的是( ) 【導學號:84370175】 圖4-3-8 A.C的邊緣線速度為2πnrc B.A、B的角速度大小相等,均為2πn且A、B沿順時針方向轉(zhuǎn)動,C沿逆時針方向轉(zhuǎn)動 C.A、B、C的角速度大小相等,均為2πn,且均沿順時針方向轉(zhuǎn)動 D.B、C的角速度之比為 B [由v=2πnR可知B輪的線速度為vb=2πn
12、rb,B、C線速度相同,即C的線速度為vc=vb=2πnrb,A錯誤.B、C線速度相同,B、C角速度比為半徑的反比,D錯誤.A、B為主動輪,C為從動輪,A、B順時針轉(zhuǎn)動,C逆時針轉(zhuǎn)動,B正確,C錯誤.] 圓周運動中的動力學分析 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. 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,畫出物體受力示意圖,利用力的合成或分解把力分解到三個方向上. ①與軌道圓垂直的方向,此方向受力平衡. ②軌道圓的切線方向,勻速圓周運動中此
13、方向受力平衡;變速圓周運動中速度最大或最小的點,此方向也受力平衡. ③軌道圓的徑向,此方向合力指向圓心即向心力. 3.兩種模型對比 模型 輕“繩”模型 輕“桿”模型 情景圖示 彈力特征 彈力可能向下,也可能等于零 彈力可能向下,可能向上,也可能等于零 受力示意圖 力學方程 mg+FT=m mg±FN=m 臨界特征 FT=0,即mg=m,得v= v=0,即F向=0,此時FN=mg v=的意義 物體能否過最高點的臨界點 FN表現(xiàn)為拉力還是支持力的臨界點 [多維探究] 考向1 水平面內(nèi)的勻速圓周運動 1.(2018·湖南株洲高三聯(lián)考)
14、(多選)如圖4-3-9所示,勻速轉(zhuǎn)動的水平圓盤上放有質(zhì)量分別為2 kg和3 kg的小物體A、B,A、B間用細線沿半徑方向相連.它們到轉(zhuǎn)軸的距離分別為rA=0.2 m、rB=0.3 m.A、B與盤面間的最大靜摩擦力均為重力的0.4倍.g取10 m/s2,現(xiàn)極其緩慢地增大圓盤的角速度,則下列說法正確的是( ) 圖4-3-9 A.當A達到最大靜摩擦力時,B受到的摩擦力大小為12 N B.當A恰好達到最大靜摩擦力時,圓盤的角速度約為4 rad/s C.當細線上開始有彈力時,圓盤的角速度為 rad/s D.在細線上有彈力后的某時刻剪斷細線,A將做向心運動,B將做離心運動 [題眼點撥
15、]?、佟皠蛩俎D(zhuǎn)動”想到向心力來源;②“緩慢增大圓盤的角速度”要判斷A、B兩物體誰先發(fā)生相對滑動. AC [增大圓盤的角速度,B先達到最大靜摩擦力,所以A達到最大靜摩擦力時,B受到的摩擦力大小為FB=kmBg=12 N,A正確;設(shè)小物體A達到最大靜摩擦力時,圓盤的角速度為ω1,此時細線的拉力為T,則對A:kmAg-T=mAωrA,對B:T+kmBg=mBωrB,得ω1=10 rad/s,B錯誤;當細線上開始有彈力時,對B:kmBg=mBωrB,解得ω2= rad/s,C正確;剪斷細線,A隨圓盤做圓周運動,B將做離心運動,D錯誤.] (多選)在題1中,若去掉A、B間連線改為如圖所示,且rb
16、=2ra=2l,ma=mb,木塊與圓盤的最大靜摩擦力為木塊所受重力的k倍,重力加速度大小為g.若圓盤從靜止開始繞轉(zhuǎn)軸緩慢地加速轉(zhuǎn)動,用ω表示圓盤轉(zhuǎn)動的角速度,下列說法正確的是( ) A.b一定比a先開始滑動 B.a(chǎn)、b所受的摩擦力始終相等 C.ω=是b開始滑動的臨界角速度 D.若ω=時,a所受摩擦力的大小為kmg AC [小木塊發(fā)生相對滑動之前,靜摩擦力提供向心力,由牛頓第二定律得f=mω2r,顯然b受到的摩擦力較大;當木塊剛要相對于盤滑動時,靜摩擦力f達到最大值fmax,由題設(shè)知fmax=kmg,所以kmg=mω2r,由此可以求得木塊剛要滑動時的臨界角速度ω0=,由此得a
17、發(fā)生相對滑動的臨界角速度為,b發(fā)生相對滑動的臨界角速度為;當ω=時,a受到的是靜摩擦力,大小為f=mω2l=kmg.綜上所述,本題正確選項為A、C.] 2.(2018·陜西“四?!甭?lián)考)用一根細線一端系一可視為質(zhì)點的小球,另一端固定在一光滑錐頂上,如圖4-3-10所示,設(shè)小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動的角速度為ω,線的張力為FT,F(xiàn)T隨ω2變化的圖象是下圖中的( ) 【導學號:84370176】 圖4-3-10 [題眼點撥] 看到“FT隨ω2變化的圖象”想到小球剛要脫離錐面的臨界狀態(tài). C [設(shè)線長為L,錐體母線與豎直方向的夾角為θ,當ω=0時,小球靜止,受重力mg、支
18、持力N和線的拉力FT而平衡,F(xiàn)T≠0,故A、B錯誤; ω增大時,F(xiàn)T增大,N減小,當N=0時,角速度為ω0. 當ω<ω0時,由牛頓第二定律得 FTsin θ-Ncos θ=mω2Lsin θ, FTcos θ+Nsin θ=mg, 解得FT=mω2Lsin2 θ+mgcos θ. 當ω>ω0時,小球離開錐面,線與豎直方向夾角變大,設(shè)為β,由牛頓第二定律得FTsin β=mω2Lsin β, 所以FT=mLω2,此時圖線的反向延長線經(jīng)過原點. 可知FT-ω2圖線的斜率變大,故C正確,D錯誤.] 考向2 豎直平面內(nèi)的圓周運動 3.(多選)如圖4-3-11甲所示,一長為l的輕繩,
19、一端穿在過O點的水平轉(zhuǎn)軸上,另一端固定一質(zhì)量未知的小球,整個裝置繞O點在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動.小球通過最高點時,繩對小球的拉力F與其速度平方v2的關(guān)系如圖乙所示,重力加速度為g,下列判斷正確的是( ) 【導學號:84370177】 甲 乙 圖4-3-11 A.圖象的函數(shù)表達式為F=m+mg B.重力加速度g= C.繩長不變,用質(zhì)量較小的球做實驗,得到的圖線斜率更大 D.繩長不變,用質(zhì)量較小的球做實驗,圖線b點的位置不變 [題眼點撥] 由F-v2圖象要想到根據(jù)動力學知識寫出拉力F與線速度v2的函數(shù)關(guān)系式. BD [小球在最高點時,根據(jù)牛頓第二定
20、律有F+mg=m,得F=m-mg,故A錯誤;當F=0時,根據(jù)表達式有mg=m,得g==,故B正確;根據(jù)F=m-mg知,圖線的斜率k=,繩長不變,用質(zhì)量較小的球做實驗,斜率更小,故C錯誤;當F=0時,g=,可知b點的位置與小球的質(zhì)量無關(guān),繩長不變,用質(zhì)量較小的球做實驗,圖線b點的位置不變,故D正確.] 4.(2018·煙臺模擬)一輕桿一端固定質(zhì)量為m的小球,以另一端O為圓心,使小球在豎直平面內(nèi)做半徑為R的圓周運動,如圖4-3-12所示,則下列說法正確的是( ) 圖4-3-12 A.小球過最高點時,桿所受到的彈力可以等于零 B.小球過最高點的最小速度是 C.小球過最高點時,桿對
21、球的作用力一定隨速度增大而增大 D.小球過最高點時,桿對球的作用力一定隨速度增大而減小 [題眼點撥] “在豎直平面內(nèi)做半徑為R的圓周運動”要分析桿模型的臨界條件及速度v=時,桿的受力特點. A [輕桿可對小球產(chǎn)生向上的支持力,小球經(jīng)過最高點的速度可以為零,當小球過最高點的速度v=時,桿所受的彈力等于零,A正確,B錯誤;若v<,則桿在最高點對小球的彈力豎直向上,mg-F=m,隨v增大,F(xiàn)減小,若v>,則桿在最高點對小球的彈力豎直向下,mg+F=m,隨v增大,F(xiàn)增大,故C、D均錯誤.] 5.如圖4-3-13所示,小球緊貼在豎直放置的光滑圓形管道內(nèi)壁做圓周運動,內(nèi)側(cè)壁半徑為R,小球半徑為r,
22、則下列說法正確的是( ) 【導學號:84370178】 圖4-3-13 A.小球通過最高點時的最小速度vmin= B.小球通過最高點時的最小速度vmin= C.小球在水平線ab以下的管道中運動時,內(nèi)側(cè)管壁對小球一定無作用力 D.小球在水平線ab以上的管道中運動時,外側(cè)管壁對小球一定有作用力 C [小球沿光滑圓形管道上升,到達最高點的速度可以為零,A、B選項均錯誤;小球在水平線ab以下的管道中運動時,由于重力的方向豎直向下,向心力方向斜向上,必須受外側(cè)管壁指向圓心的作用力,C正確;小球在水平線ab以上的管道中運動時,由于重力有指向圓心的分量,若速度較小,小球可不受外側(cè)管
23、壁的作用力,D錯誤.] [反思總結(jié)] 巧解圓周運動問題“三分析” (1)幾何關(guān)系分析:目的是確定圓周運動的圓心、半徑等. (2)運動分析:目的是確定圓周運動的線速度、角速度. (3)受力分析:目的是利用力的合成與分解知識,表示出物體做圓周運動時外界所提供的向心力. 圓周運動與平拋運動的組合問題 [母題] (2018·湖南六校聯(lián)考)如圖4-3-14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=
24、5 m.現(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: (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圍為多少? 圖4-3-14 【自主思考】(1)與起滑點離水平滑道最小高度對應的臨界條件是什么? [提示] 即游客恰能過圓形滑道的最高點. (2)如何求出C、N兩點間的水平距離? [提示] 由(1)的高度求出達C點的速度,再根據(jù)平拋運動規(guī)律可求C、M兩點間的水平距離s1,s1+L
25、即為C、N兩點水平間距. [解析] (1)游客在圓形滑道內(nèi)側(cè)恰好滑過最高點時,有:mg=m ① 從A到圓形滑道最高點,由機械能守恒,有 mgH1=mv2+mg×2R ② 解得H1=R=5 m. ③ (2)落在M點時拋出速度最小,從A到C由機械能守恒 mgH1=mv ④ v1==10 m/s ⑤ 水平拋出,由平拋運動規(guī)律可知 h=gt2 ⑥ 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 m
26、. ⑨ [答案](1)5 m (2)見解析 [母題遷移] 遷移1 先平拋運動,再圓周運動 1.(2017·太原模擬)如圖4-3-15所示,圓弧形凹槽固定在水平地面上,其中ABC是以O(shè)為圓心的一段圓弧,位于豎直平面內(nèi).現(xiàn)有一小球從一水平桌面的邊緣P點向右水平飛出,該小球恰好能從A點沿圓弧的切線方向進入軌道.OA與豎直方向的夾角為θ1,PA與豎直方向的夾角為θ2.下列說法正確的是( ) 圖4-3-15 A.tan θ1tan θ2=2 B.=2 C.tan θ1tan θ2= D.= A [小球在水平方向上做勻速直線運動,在豎直方向上做自由落體運動,小球在A點
27、時速度與水平方向的夾角為θ1,tan θ1==,位移與豎直方向的夾角為θ2,tan θ2===,則tan θ1tan θ2=2.故A正確,B、C、D錯誤.] 遷移2 先圓周運動,再平拋運動 2.如圖4-3-16所示,一不可伸長的輕繩上端懸掛于O點,下端系一質(zhì)量m=1.0 kg的小球.現(xiàn)將小球拉到A點(保持繩繃直)由靜止釋放,當它經(jīng)過B點時繩恰好被拉斷,小球平拋后落在水平地面上的C點.地面上的D點與OB在同一豎直線上,已知繩長L=1.0 m,B點離地高度H=1.0 m,A、B兩點的高度差h=0.5 m,重力加速度g取10 m/s2,不計空氣影響,求: 圖4-3-16 (1)地面上D
28、C兩點間的距離x; (2)輕繩所受的最大拉力大?。? 【導學號:84370179】 [解析] (1)小球從A到B過程機械能守恒,有 mgh=mv ① 小球從B到C做平拋運動,在豎直方向上有 H=gt2 ② 在水平方向上有x=vBt ③ 由①②③式解得x≈1.41 m. (2)小球下擺到達B點時,繩的拉力和重力的合力提供向心力,有F-mg=m ④ 由①④式解得F=20 N 根據(jù)牛頓第三定律得輕繩所受的最大拉力大小為20 N. [答案](1)1.41 m (2)20 N (2018·廈門質(zhì)檢)如圖所示,置于圓形水平轉(zhuǎn)臺邊緣的小物塊隨轉(zhuǎn)臺加速轉(zhuǎn)動,當轉(zhuǎn)速達到某一數(shù)值時,
29、物塊恰好滑離轉(zhuǎn)臺開始做平拋運動.現(xiàn)測得轉(zhuǎn)臺半徑R=0.5 m,離水平地面的高度H=0.8 m,物塊平拋落地過程水平位移的大小s=0.4 m.設(shè)物塊所受的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,取重力加速度g=10 m/s2.求: (1)物塊做平拋運動的初速度大小v0; (2)物塊與轉(zhuǎn)臺間的動摩擦因數(shù)μ. [解析] (1)設(shè)物塊做平拋運動所用時間為t,豎直方向 有H=gt2 ① 水平方向有s=v0t ② 聯(lián)立①②兩式得v0=s=1 m/s.③ (2)物塊離開轉(zhuǎn)臺時,最大靜摩擦力提供向心力,有 μmg=m ④ 聯(lián)立③④得μ==0.2. ⑤ [答案](1)1 m/s (2)0.2 [反思總結(jié)] 組合運動的關(guān)鍵提醒 (1)速度是聯(lián)系前后兩個過程的橋梁. (2)后一個過程的初速度是前一個過程的末速度. 16
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