高一物理必修2中,竖直圆周运动主要包括以下几种:
1. 绳拴着小球在竖直平面内做圆周运动(如小球沿竖直平面圆形轨道内侧运动)。
2. 杆和小球在竖直平面内做圆周运动(如细杆拴着小球沿竖直平面内的圆形轨道运动)。
3. 圆锥摆运动,即细绳一端固定在O点,另一端拴一小球,在某一位置固定一固定挡板,让小球在竖直平面内做匀速圆周运动。
以上就是高一物理必修2中主要的几种竖直圆周运动。这些运动都需要小球在最高点和最低点处有特定的向心力和动能,以确保能够通过重力作用完成圆周运动。
题目:一个质量为m的小球,从高度为H处自由下落,进入半径为R的竖直圆形轨道。已知小球在轨道上运动时受到的摩擦阻力为重力的0.1倍,求小球在轨道最高点的最小速度。
分析:小球在竖直圆形轨道上运动时,受到重力、弹力和摩擦力三个力的作用。重力竖直向下,弹力指向圆心提供向心力,摩擦力指向圆心提供向心力和阻碍小球下滑的力。
解:小球在最高点时,受到重力、弹力和摩擦力三个力的作用。根据牛顿第二定律可得:
$mg + 0.1mg + f = m\frac{v^{2}}{R}$
其中f为摩擦力,方向指向圆心。
又因为小球在最高点时速度最小,所以重力与弹力的合力必须向上,才能使小球静止在最高点。根据力的合成可知:
$mg + N = mg\sin\theta$
其中N为弹力,方向竖直向上。
联立以上两式可得:
$v = \sqrt{gR(1 - \sin\theta)}$
其中$\theta$为轨道的倾斜角度。
所以,小球在轨道最高点的最小速度为v = sqrt(gR(1 - sinθ))。
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