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小题必练6:圆周运动

更新时间:2024-01-02 文章作者: 信息来源: 阅读次数:
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(1)向心力、向心加速度的理解;(2)竖直平面内圆周运动的问题分析;(3)斜面、悬绳弹力的水平分力提供向心力的实例分析问题;(4)离心现象等。qXE物理好资源网(原物理ok网)
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例1.(2020•全国卷I•16)如图,一同学表演荡秋千。已知秋千的两根绳长均为10 m,该同学和秋千踏板的总质量约为50 kg。绳的质量忽略不计,当该同学荡到秋千支架的正下方时,速度大小为8 m/s,此时每根绳子平均承受的拉力约为(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A. 200 N     B. 400 N      C. 600 N     D. 800 NqXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】BqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】在最低点由2T-mg=mv2r,知T=410 N,即每根绳子拉力约为410 N,故选B。qXE物理好资源网(原物理ok网)
【点睛】本题考查竖直面内圆周运动的轻“绳”模型,要明确秋千运动到最低点时所受合力不为零,且合力方向竖直向上。qXE物理好资源网(原物理ok网)
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1.如图所示为学员驾驶汽车在水平面上绕O点做匀速圆周运动的俯视示意图。已知质量为60 kg的学员在A点位置,质量为70 kg的教练员在B点位置,A点的转弯半径为5.0 m,B点的转弯半径为4.0 m,学员和教练员(均可视为质点)(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.运动周期之比为5∶4qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.运动线速度大小之比为1∶1qXE物理好资源网(原物理ok网)
C.向心加速度大小之比为4∶5qXE物理好资源网(原物理ok网)
D.受到的合力大小之比为15∶14qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】DqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】A、B两点做圆周运动的角速度相等,根据T=2πω知,周期相等,故A项错误;根据v=rω知,半径之比为5∶4,则线速度之比为5∶4,故B项错误;根据a=rω2知,半径之比为5∶4,则向心加速度大小之比为5∶4,故C项错误;根据F=ma知,向心加速度大小之比为5∶4,质量之比为6∶7,则合力大小之比为15∶14,故D项正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
2.如图所示,运动员以速度v在倾角为θ的倾斜赛道上做匀速圆周运动。已知运动员及自行车的总质量为m,做圆周运动的半径为r,重力加速度为g,将运动员和自行车看作一个整体,则(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.受重力、支持力、摩擦力、向心力作用qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.受到的合力大小F=mv2rqXE物理好资源网(原物理ok网)
C.若运动员加速,则一定沿倾斜赛道上滑qXE物理好资源网(原物理ok网)
D.若运动员减速,则一定沿倾斜赛道下滑qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】BqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】将运动员和自行车看作一个整体,受到重力、支持力、摩擦力作用,向心力是按照力的作用效果命名的力,不是物体受到的力,故A错误;运动员骑自行车在倾斜赛道上做匀速圆周运动,合力指向圆心,提供匀速圆周运动需要的向心力,所以F=mv2r,故B正确;若运动员加速,由向上运动的趋势,但不一定沿斜面上滑,故C错误;若运动员减速,有沿斜面向下运动的趋势,但不一定沿斜面下滑,故D错误。qXE物理好资源网(原物理ok网)
3.如图所示,长均为L的两根轻绳,一端共同系住质量为m的小球,另一端分别固定在等高的A、B两点,A、B两点间的距离也为L。重力加速度大小为g。现使小球在竖直平面内以AB为轴做圆周运动,若小球在最高点速率为v时,两根绳的拉力恰好均为零,则小球在最高点速率为2v时,每根绳的拉力大小为(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.3mg     B.433mg     C.3mg     D.23mgqXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】AqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】设小球在竖直面内做圆周运动的半径为r,小球运动到最高点时轻绳与圆周运动轨道平面的夹角为θ=30°,则有r=Lcos θ=32L。根据题述小球在最高点速率为v时,两根绳的拉力恰好均为零,有mg=mv2r;小球在最高点速率为2v时,设每根绳的拉力大小为F,则有2Fcos θ+mg=m2v2r,联立解得F=3mg,A项正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
4.如图所示,在粗糙水平面上静止放有一个半圆球,将一个很小的物块放在粗糙程度处处相同的球面上,用始终沿球面的力F拉着小物块从A点沿球面匀速率运动到最高点B,半圆球始终静止。对于该过程下列说法正确的是(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.小物块所受合力始终为0qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.半圆球对小物块的支持力一直增大,摩擦力也一直增大qXE物理好资源网(原物理ok网)
C.F大小一直不变qXE物理好资源网(原物理ok网)
D.半圆球对地面的摩擦力始终向右qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】BqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】小物块做匀速圆周运动,所以所受合外力不为0,故A错误;假设小物块与圆心连线与水平方向的夹角为θ,当小物块沿圆弧上滑时,根据牛顿第二定律则有mgsin θ-FN=mv2r,由于f=μFN,可知θ增大,支持力增大,则滑动摩擦力也增大,故B正确;根据题意则有F=mgcos θ+μFN=mgcos θ+μmgsin θ-μmv2r,对cos θ+μsin θ分析可知θ从0增大到90°,F先增大后减小,故C错误;对半圆球进行受力分析可知半圆球所受摩擦力向右,所以半圆球对地面的摩擦力始终向左,故D错误。qXE物理好资源网(原物理ok网)
5.(多选)如图所示为用绞车拖物块的示意图。拴接物块的细线被缠绕在轮轴上,轮轴逆时针转动从而拖动物块。已知轮轴的半径R=0.5 m,细线始终保持水平;被拖动物块质量m=1 kg,与地面间的动摩擦因数μ=0.5;轮轴的角速度随时间变化的关系是ω=kt,k=2 rad/s2,g取10 m/s2,以下判断正确的是(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.物块做匀速运动qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.细线对物块的拉力是5 NqXE物理好资源网(原物理ok网)
C.细线对物块的拉力是6 NqXE物理好资源网(原物理ok网)
D.物块做匀加速直线运动,加速度大小是1 m/s2qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】CDqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】由题意知,物块的速度v=ωR=2t×0.5=1t,又v=at,故可得a=1 m/s2,所以物块做匀加速直线运动,加速度大小是1 m/s2。故A错误,D正确;由牛顿第二定律可得物块所受合外力F=ma=1 N,F=T-f,地面摩擦阻力f=μmg=0.5×1×10 N=5 N,故可得物块受细线拉力T=f+F=5 N+1 N=6 N,故B错误,C正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
6.如图所示,倾角θ=30°的斜面体C固定在水平面上,置于斜面上的物块B通过细绳跨过光滑定滑轮(滑轮可视为质点)与小球A相连,连接物块B的细绳与斜面平行,滑轮右侧的细绳长度为L,物块B与斜面间的动摩擦因数μ=33。开始时A、B均处于静止状态,B、C间恰好没有摩擦力。现让A在水平面内做匀速圆周运动,物块B始终静止,则A的最大角速度为(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.      B.      C.      D. qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】AqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】开始时A、B均处于静止状态,B、C间恰好没有摩擦力,则有mAg=mBgsin θ,解得mB=2mA;当A以最大角速度做圆周运动时,要保证B静止,此时绳子上的拉力T=mBgsin θ+μmBgcos θ=2mAg;设A以最大角速度做圆周运动时绳子与竖直方向的夹角为α,则cos α= ;对A受力分析可知,物体A做圆周运动的半径R=Lsin α=32L,向心力为Fn=Tsin α=3mAg;由向心力公式Fn=mAω2R,代入数据解得ω= ,A正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
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7.(多选)如图所示,一质量为m的小球用两根不可伸长的轻绳a、b连接,两轻绳的另一端分别系在竖直杆的A、B两点上,当两轻绳伸直时,a绳与杆的夹角为30°,b绳水平,已知a绳长为2L,当竖直杆以自己为轴转动,角速度ω从零开始缓慢增大过程中,则下列说法正确的是(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.从开始至b绳伸直但不提供拉力时,绳a对小球做功为0qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.b绳伸直但不提供拉力时,小球的向心加速度大小为33gqXE物理好资源网(原物理ok网)
C.从开始至b绳伸直但不提供拉力时,小球的机械能增加了(2-233)mgLqXE物理好资源网(原物理ok网)
D.当角速度为 时,b绳未伸直qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】BDqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】当b绳刚要伸直时,对小球,由牛顿第二定律和向心力公式得水平方向, ,竖直方向有Facos 30°=mg,解得 ,小球的机械能增加量ΔE=mg•2L(1-cos 30°)+12mv2=(2- )mgL,由功能关系可知,从开始至b绳伸直但不提供拉力时,绳a对小球做功为(2- )mgL,故AC错误;b绳刚好伸直无拉力时,小球的角速度 ,当 ,所以b未伸直,小球的向心加速度a=ω2L=33g,故BD正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
8.如图所示,质点a、b在同一平面内绕质点c沿逆时针方向做匀速圆周运动,它们的周期之比Ta∶Tb=1∶k(k>1,为正整数)。从图示位置开始,在b运动一周的过程中(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.a、b距离最近的次数为k次qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.a、b距离最近的次数为k+1次qXE物理好资源网(原物理ok网)
C.a、b、c共线的次数为2k次qXE物理好资源网(原物理ok网)
D.a、b、c共线的次数为2k-2次qXE物理好资源网(原物理ok网)
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【解析】设每隔时间T,a、b相距最近,则(ωa-ωb)T=2π,所以T=2πωa-ωb=2π2πTa-2πTb=TaTbTb-Ta,故b运动一周的过程中,a、b相距最近的次数为:n=TbT=Tb-TaTa=kTa-TaTa=k-1,即a、b距离最近的次数为k-1次,A、B均错误。设每隔时间t,a、b、c共线一次,则(ωa-ωb)t=π,所以t=πωa-ωb=π2πTa-2πTb=TaTb2Tb-Ta;故b运动一周的过程中,a、b、c共线的次数为:n=Tbt=2Tb-TaTa=2kTa-2TaTa=2k-2,C错误,D正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
9.如图所示,甲、乙两水平圆盘紧靠在一块,甲圆盘为主动轮,乙靠摩擦随甲转动无滑动.甲圆盘与乙圆盘的半径之比为r甲∶r乙=3∶1,两圆盘和小物体m1、m2之间的动摩擦因数相同,小物体质量m1=m2,m1距O点为2r,m2距O′点为r,当甲缓慢转动起来且转速慢慢增加时(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.滑动前m1与m2的角速度之比ω1∶ω2=3∶1qXE物理好资源网(原物理ok网)
B.滑动前m1与m2的向心加速度之比a1∶a2=1∶3qXE物理好资源网(原物理ok网)
C.滑动前m1与m2的线速度之比v1∶v2=1∶1qXE物理好资源网(原物理ok网)
D.随转速慢慢增加,m2先开始滑动qXE物理好资源网(原物理ok网)
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【解析】甲、乙两轮子边缘上的各点线速度大小相等,由ω1•3r=ω2r得ω1∶ω2=1∶3,故A错误;物块相对盘开始滑动前,根据a=ω2r得m1与m2的向心加速度之比a1∶a2=ω12•2r=ω22r=2∶9,故B错误;根据公式v=ωr,m1距O点为2r,m2距O′点为r,二者的角速度之比ω1∶ω2=1∶3,所以它们的线速度之比为2∶3,故C错误;根据μmg=mrω2,知临界角速度 ,可知两物块的临界角速度之比为1∶3,又ω1∶ω2=1∶3,可知当转速增加时,m2先达到临界角速度,所以m2先开始滑动,故D正确。qXE物理好资源网(原物理ok网)
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10.(多选)如图所示,在匀速转动的水平圆盘上,沿半径方向放着用细绳相连的质量均为m的两个物体A和B,它们分居圆心两侧,与圆心距离分别为RA=r、RB=2r,与盘间的动摩擦因数μ相同,当圆盘转速加快到两物体刚好要发生滑动时,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则下列说法正确的是(  )qXE物理好资源网(原物理ok网)
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A.此时绳子张力为3μmgqXE物理好资源网(原物理ok网)
B.此时圆盘的角速度为2μgrqXE物理好资源网(原物理ok网)
C.此时A所受摩擦力方向沿半径指向圆外qXE物理好资源网(原物理ok网)
D.此时烧断绳子,A仍相对盘静止,B将做离心运动qXE物理好资源网(原物理ok网)
【答案】ABCqXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】两物体刚好要发生滑动时,A受背离圆心的静摩擦力,B受指向圆心的静摩擦力,其大小均为μmg,则有T-μmg=mω2r,T+μmg=mω2•2r,解得T=3μmg,ω=2μgr,A、B、C项正确;当烧断绳子时,A所需向心力为F=mω2r=2μmg>fm,fm=μmg,所以A将发生滑动,D项错误。qXE物理好资源网(原物理ok网)
11.汽车试车场中有一个检测汽车在极限状态下的车速的试车道,试车道呈锥面(漏斗状),侧面图如图所示。测试的汽车质量m=1 t,车道转弯半径r=150 m,路面倾斜角θ=45°,路面与车胎的动摩擦因数μ=0.25,设路面与车胎的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g=10 m/s2。求:qXE物理好资源网(原物理ok网)
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(1)若汽车恰好不受路面摩擦力,则其速度应为多大?qXE物理好资源网(原物理ok网)
(2)汽车在该车道上所能允许的最小车速。qXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】(1)汽车恰好不受路面摩擦力时,由重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律得:qXE物理好资源网(原物理ok网)
mgtan θ=mv2rqXE物理好资源网(原物理ok网)
解得:v≈38.7 m/s。qXE物理好资源网(原物理ok网)
(2)当车道对车的摩擦力沿车道向上且等于最大静摩擦力时,车速最小,受力如图,根据牛顿第二定律得:qXE物理好资源网(原物理ok网)
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FNsin θ-Ffcos θ=mvmin2rqXE物理好资源网(原物理ok网)
FNcos θ+Ffsin θ-mg=0qXE物理好资源网(原物理ok网)
Ff=μFNqXE物理好资源网(原物理ok网)
解得:vmin=30 m/s。qXE物理好资源网(原物理ok网)
12.如图甲所示,竖直平面内的光滑轨道由倾斜直轨道AB和圆轨道BCD组成,AB和BCD相切于B点,OB与OC夹角为37°,CD连线是圆轨道竖直方向的直径(C、D为圆轨道的最低点和最高点),可视为质点的小滑块从轨道AB上高H处的某点由静止滑下,用力传感器测出滑块经过圆轨道最低点C时对轨道的压力为F,并得到如图乙所示的压力F与高度H的关系图象,该图线截距为2 N,且过(0.5 m,4 N)点。取g=10 m/s2。qXE物理好资源网(原物理ok网)
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(1)求滑块的质量和圆轨道的半径。qXE物理好资源网(原物理ok网)
(2)若要求滑块不脱离圆轨道,则静止滑下的高度为多少?qXE物理好资源网(原物理ok网)
(3)是否存在某个H值,使得滑块经过最高点D飞出后落在圆心等高处的轨道上?若存在,请求出H值;若不存在,请说明理由。qXE物理好资源网(原物理ok网)
【解析】(1)当H=0时,由图象截距可知:qXE物理好资源网(原物理ok网)
F=mg=2 N,mg=0.2 kgqXE物理好资源网(原物理ok网)
当小物块从A点静止下滑,由图象知,h=0.5 m,对轨道的压力F1=4 NqXE物理好资源网(原物理ok网)
mgh=12mv12qXE物理好资源网(原物理ok网)
F1-mg=mv12RqXE物理好资源网(原物理ok网)
解得:R=1 m。qXE物理好资源网(原物理ok网)
(2)不脱离轨道分两种情况:qXE物理好资源网(原物理ok网)
①到圆心等高处速度为零qXE物理好资源网(原物理ok网)
有能量守恒可知,滑块从静止开始下滑高度h1≤R=1 mqXE物理好资源网(原物理ok网)
②通过最高点,通过最高点的临界条件vD=gRqXE物理好资源网(原物理ok网)
设下落高度为H0,由动能定理得:mg(H0-2R)=12mvD2qXE物理好资源网(原物理ok网)
解得:H0=2.5 mqXE物理好资源网(原物理ok网)
则应该满足下落高度h2≥2.5 m。qXE物理好资源网(原物理ok网)
(3)假设滑块经过最高点D后能直接落到直轨道AB上与圆心等高的E点: qXE物理好资源网(原物理ok网)
x=OE=vDtqXE物理好资源网(原物理ok网)
R=12gt2qXE物理好资源网(原物理ok网)
解得:vD= m/sqXE物理好资源网(原物理ok网)
而滑块过D点的临界速度vDL=gR= m/sqXE物理好资源网(原物理ok网)
由于vD>vDL,所以存在一个H值,使得滑块经过最高点D后能直接落到直轨道AB上与圆心等高的点qXE物理好资源网(原物理ok网)
mg(H-2R)=12mvDL2qXE物理好资源网(原物理ok网)
解得:H= m。qXE物理好资源网(原物理ok网)
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