《2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 熱點(diǎn)題型歸納與變式演練 專題09 圓周運(yùn)動(dòng)七大?？寄Ｐ停ê馕觯酚蓵?huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 熱點(diǎn)題型歸納與變式演練 專題09 圓周運(yùn)動(dòng)七大常考模型（含解析）（20頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、專題09 圓周運(yùn)動(dòng)七大?？寄Ｐ?
【專題導(dǎo)航】
目錄
題型一 水平面內(nèi)圓盤模型的臨界問題 1
熱點(diǎn)題型二 3
球—繩模型或單軌道模型 4
球—桿模型或雙軌道模型 6
熱點(diǎn)題型三 8
熱點(diǎn)題型四 圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題 9
圓錐擺模型 9
車輛轉(zhuǎn)彎模型 11
【題型演練】 13
【題型歸納】
題型一 水平面內(nèi)圓盤模型的臨界問題
1．與摩擦力有關(guān)的臨界極值問題
物體間恰好不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的臨界條件是物體間恰好達(dá)到最大靜摩擦力．
(1)如果只是摩擦力提供向心力，則最大靜摩擦力Fm＝，靜摩擦力的方向一定指向圓心．
(2)如果除摩擦力以外還有其他力，如繩兩端連接物體隨
2、水平面轉(zhuǎn)動(dòng)，其中一個(gè)物體存在一個(gè)恰不向內(nèi)滑動(dòng)的臨界條件和一個(gè)恰不向外滑動(dòng)的臨界條件，分別為靜摩擦力達(dá)到最大且靜摩擦力的方向沿半徑背離圓心和沿半徑指向圓心．
2．與彈力有關(guān)的臨界極值問題
(1)壓力、支持力的臨界條件是物體間的彈力恰好為零．
(2)繩上拉力的臨界條件是繩恰好拉直且其上無彈力或繩上拉力恰好為最大承受力．
【例1】(多選)如圖所示，兩個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的、相同的木塊A和B放在轉(zhuǎn)盤上，兩者用長為L的細(xì)繩連接，木塊與轉(zhuǎn)盤的最大靜摩擦力均為各自重力的K倍，A放在距離轉(zhuǎn)軸L處，整個(gè)裝置能繞通過轉(zhuǎn)盤中心的轉(zhuǎn)軸O1O2轉(zhuǎn)動(dòng)，開始時(shí)，繩恰好伸直但無彈力，現(xiàn)讓該裝置從靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使角速度緩慢增大
3、，以下說法正確的是( )
A．當(dāng)ω>時(shí)，A、B相對(duì)于轉(zhuǎn)盤會(huì)滑動(dòng)
B．當(dāng)ω>，繩子一定有彈力
C．ω在<ω<范圍內(nèi)增大時(shí)，B所受摩擦力變大
D．ω在0<ω<范圍內(nèi)增大時(shí)，A所受摩擦力一直變大
【答案】 ABD
【解析】 當(dāng)A、B所受摩擦力均達(dá)到最大值時(shí)，A、B相對(duì)轉(zhuǎn)盤即將滑動(dòng)，Kmg＋Kmg＝mω2L＋mω2·2L，解得：ω＝，A項(xiàng)正確；當(dāng)B所受靜摩擦力達(dá)到最大值后，繩子開始有彈力，即：Kmg＝m·2L·ω2，解得ω＝，可知當(dāng)ω>時(shí)，繩子有彈力，B項(xiàng)正確；當(dāng)ω>時(shí)，B已達(dá)到最大靜摩擦力，則ω在<ω<范圍內(nèi)增大時(shí)，B受到的摩擦力不變，C項(xiàng)錯(cuò)誤；ω在0<ω<范圍內(nèi)，A相對(duì)轉(zhuǎn)盤是靜止
4、的，A所受摩擦力為靜摩擦力，所以Ff－FT＝mLω2，當(dāng)ω增大時(shí)，靜摩擦力也增大，D項(xiàng)正確．
【變式1】 (多選)(2019·重慶市江津中學(xué)月考)摩擦傳動(dòng)是傳動(dòng)裝置中的一個(gè)重要模型，如圖所示的兩個(gè)水平放置的輪盤靠摩擦力傳動(dòng)，其中O、O′分別為兩輪盤的軸心，已知兩個(gè)輪盤的半徑比r甲∶r乙＝3∶1，且在正常工作時(shí)兩輪盤不打滑．今在兩輪盤上分別放置兩個(gè)同種材料制成的完全相同的滑塊A、B，兩滑塊與輪盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同，兩滑塊距離軸心O、O′的間距RA＝2RB.若輪盤乙由靜止開始緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，且轉(zhuǎn)速逐漸增加，則下列敘述正確的是( )
A．滑塊A和B在與輪盤相對(duì)靜止時(shí)，角速度之比為ω甲∶ω乙
5、＝1∶3
B．滑塊A和B在與輪盤相對(duì)靜止時(shí)，向心加速度的比值為aA∶aB＝2∶9
C．轉(zhuǎn)速增加后滑塊B先發(fā)生滑動(dòng) D．轉(zhuǎn)速增加后兩滑塊一起發(fā)生滑動(dòng)
【答案】 ABC
【解析】 由題意可知兩輪盤邊緣的線速度v大小相等，由v＝ωr，r甲∶r乙＝3∶1，可得ω甲∶ω乙＝1∶3，所以滑塊相對(duì)輪盤滑動(dòng)前，A、B的角速度之比為1∶3，故A正確；滑塊相對(duì)盤開始滑動(dòng)前，根據(jù)加速度公式：a＝Rω2，又RA∶RB＝2∶1，ωA：ωB＝1∶3，所以A、B的向心加速度之比為aA∶aB＝2∶9，故B正確；滑塊的最大靜摩擦力分別為 FfA＝μmAg，F(xiàn)fB＝μmBg，則最大靜摩擦力之比為FfA∶FfB＝
6、mA∶mB；轉(zhuǎn)動(dòng)中所受的靜摩擦力之比為FfA′∶FfB′＝mAaA∶mBaB＝mA∶4.5mB，由上可得滑塊B先達(dá)到最大靜摩擦力而先開始滑動(dòng)，故C正確，D錯(cuò)誤．
【變式2】(多選)(2019·廣東省惠州市第二次調(diào)研)如圖所示，在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的水平圓盤上，沿半徑方向放著用細(xì)繩相連的質(zhì)量均為m的兩個(gè)物體A和B，它們分居圓心兩側(cè)，與圓心距離分別為RA＝r，RB＝2r，與盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ相同，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速緩慢加快到兩物體剛好要發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，則下列說法正確的是( )
A．此時(shí)繩子張力為3μmg B．此時(shí)A所受摩擦力方向沿半徑指向圓內(nèi)
C．此
7、時(shí)圓盤的角速度為 D．此時(shí)燒斷繩子，A仍相對(duì)盤靜止，B將做離心運(yùn)動(dòng)
【答案】 AC
【解析】 兩物體A和B隨著圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，合外力提供向心力，則F＝mω2r，B的半徑比A的半徑大，所以B所需向心力大，細(xì)繩拉力相等，所以當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速加快到兩物體剛好還未發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，B的靜摩擦力方向指向圓心，A的最大靜摩擦力方向指向圓外，有相對(duì)圓盤沿半徑指向圓內(nèi)的運(yùn)動(dòng)趨勢，根據(jù)牛頓第二定律得：FT－μmg＝mω2r，F(xiàn)T＋μmg＝mω2·2r，解得：FT＝3μmg，ω＝ ，故A、C正確，B錯(cuò)誤．燒斷細(xì)繩瞬間A物體所需的向心力為2μmg，此時(shí)燒斷細(xì)繩，A的最大靜摩擦力不足以提供向心力，則A做離心運(yùn)
8、動(dòng)，故D錯(cuò)誤．
熱點(diǎn)題型二
1．豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)兩類模型
一是無支撐(如球與繩連接、沿內(nèi)軌道運(yùn)動(dòng)的過山車等)，稱為“輕繩模型”，二是有支撐(如球與桿連接、在彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)等)，稱為“輕桿模型”．
2．豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的兩種模型特點(diǎn)及求解方法
輕繩模型
輕桿模型
實(shí)例
如球與繩連接、沿內(nèi)軌道運(yùn)動(dòng)的球等
如球與桿連接、球在內(nèi)壁光滑的圓管內(nèi)運(yùn)動(dòng)等
圖示
最高點(diǎn)無支撐
最高點(diǎn)有支撐
最
高
點(diǎn)
受力特征
重力、彈力，彈力方向向下或等于零
重力、彈力，彈力方向向下、等于零或向上
受力示意圖
力學(xué)特征
mg＋FN＝m
mg±FN＝m
9、臨界特征
FN＝0，vmin＝
豎直向上的FN＝mg，v＝0
過最高點(diǎn)條件
v≥
v≥0
速度和
彈力關(guān)
系討論
分析
①能過最高點(diǎn)時(shí)，v≥，F(xiàn)N＋mg＝m，繩、軌道對(duì)球產(chǎn)生彈力為FN
②不能過最高點(diǎn)時(shí)，v<，在到達(dá)最高點(diǎn)前小球已經(jīng)脫離了圓軌道做斜拋運(yùn)動(dòng)
①當(dāng)v＝0時(shí)，F(xiàn)N＝mg，F(xiàn)N為支持力，沿半徑背離圓心
②當(dāng)0時(shí)，F(xiàn)N＋mg＝m，F(xiàn)N指向圓心并隨v的增大而增大
球—繩模型或單軌道模型
【例2】(多選)(2019·哈爾濱三中期中)如圖所示，長為L的細(xì)繩一端拴一質(zhì)
10、量為m小球，另一端固定在O
點(diǎn)，繩的最大承受能力為11mg，在O點(diǎn)正下方O′點(diǎn)有一小釘，先把繩拉至水平再釋放小球，為使繩不被拉斷且小球能以O(shè)′為軸完成豎直面完整的圓周運(yùn)動(dòng)，則釘?shù)奈恢玫絆點(diǎn)的距離為 ( )
A．最小為L B．最小為L C．最大為L D．最大為L
【答案】 BC
【解析】當(dāng)小球恰好到達(dá)圓周運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)時(shí)小球的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為r，重力提供向心力，則有mg＝m，根據(jù)機(jī)械能守恒定律可知，mg(L－2r)＝mv2，聯(lián)立解得：r＝L，故釘?shù)奈恢玫絆點(diǎn)的距離為L－L＝L；當(dāng)小球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，恰好達(dá)到繩子的最大拉力時(shí)，即F＝11mg，此時(shí)一定處在最低點(diǎn)
11、，設(shè)半徑為R，則有：11mg－mg＝m，根據(jù)機(jī)械能守恒定律可知，mgL＝mv，聯(lián)立解得：R＝L，故此時(shí)離最高點(diǎn)距離為L，則可知，距離最小為L，距離最大為L，故B、C正確，A、D錯(cuò)誤．
【變式1】(2019·福州質(zhì)檢)如圖所示，長均為L的兩根輕繩，一端共同系住質(zhì)量為m的小球，另一端分別固定在等高的A、B兩點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)間的距離也為L.重力加速度大小為g.現(xiàn)使小球在豎直平面內(nèi)以AB為軸做圓周運(yùn)動(dòng)，若小球在最高點(diǎn)速率為v時(shí)，兩根輕繩的拉力恰好均為零，則小球在最高點(diǎn)速率為2v時(shí)，每根輕繩的拉力大小為( )
A．mg B．mg C．3mg
12、 D．2mg
【答案】A
【解析】小球在運(yùn)動(dòng)過程中，A、B兩點(diǎn)與小球所在位置構(gòu)成等邊三角形，由此可知，小球圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R＝L·sin 60°＝L，兩繩與小球運(yùn)動(dòng)半徑方向間的夾角為30°，由題意，小球在最高點(diǎn)的速率為v時(shí)，mg＝m，當(dāng)小球在最高點(diǎn)的速率為2v時(shí)，應(yīng)有：F＋mg＝m，可解得：F＝3mg.由2FTcos 30°＝F，可得兩繩的拉力大小均為FT＝mg，A項(xiàng)正確．
【變式2】(2018·甘肅省蘭州一中模擬)如圖甲所示，用一輕質(zhì)繩拴著一質(zhì)量為m的小球，在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)(不計(jì)一切阻力)，小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)繩對(duì)小球的拉力為FT，小球在最高點(diǎn)的速度大小
13、為v，其FT－v2圖象如圖乙所示，則( )
A．輕質(zhì)繩長為 B．當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?
C．當(dāng)v2＝c時(shí)，輕質(zhì)繩最高點(diǎn)拉力大小為＋a D．若v2＝b，小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)繩的拉力為6a
【答案】 ABD
【解析】 在最高點(diǎn)，F(xiàn)T＋mg＝m，解得：FT＝m－mg，可知縱截距的絕對(duì)值為a＝mg，g＝，圖線的斜率k＝＝，解得繩子的長度L＝，故A、B正確；當(dāng)v2＝c時(shí)，輕質(zhì)繩的拉力大小為：FT＝m－mg＝－a，故C錯(cuò)誤；當(dāng)v2＝b時(shí)拉力為零，到最低點(diǎn)時(shí)根據(jù)動(dòng)能定理得：2mgL＝mv22－mv2，根據(jù)牛頓第二定律
14、：FT′－mg＝m，聯(lián)立以上可得拉力為：FT′＝6mg＝6a，故D正確．
【變式2】如圖所示，半徑為R的光滑半圓軌道豎直放置，一小球以某一速度進(jìn)入半圓軌道，通過最高點(diǎn)P時(shí)，對(duì)軌道的壓力為其重力的一半，不計(jì)空氣阻力，則小球落地點(diǎn)到P點(diǎn)的水平距離為( )
A.RB.RC.R D.R
【答案】D
【解析】小球從P點(diǎn)飛出后，做平拋運(yùn)動(dòng)，設(shè)做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t，則2R＝gt2，解得t＝2，在最高點(diǎn)P時(shí)，有mg＋mg＝m，解得v＝，因此小球落地點(diǎn)到P點(diǎn)的水平距離為x＝vt＝R，選項(xiàng)D正確．
球—桿模型或雙軌道模型
【例3】(2019·煙臺(tái)模擬)一輕桿一端固定質(zhì)量為m的小球，以另一端O為圓
15、心，使小球在豎直面內(nèi)做半徑
為R的圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，則下列說法正確的是( )
A．小球過最高點(diǎn)時(shí)，桿所受到的彈力可以等于零
B．小球過最高點(diǎn)的最小速度是
C．小球過最高點(diǎn)時(shí)，桿對(duì)球的作用力一定隨速度增大而增大
D．小球過最高點(diǎn)時(shí)，桿對(duì)球的作用力一定隨速度增大而減小
【答案】A
【解析】輕桿可對(duì)小球產(chǎn)生向上的支持力，小球經(jīng)過最高點(diǎn)的速度可以為零，當(dāng)小球過最高點(diǎn)的速度v＝時(shí)，桿所受的彈力等于零，A正確，B錯(cuò)誤；若v＜，則桿在最高點(diǎn)對(duì)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(diǎn)對(duì)小球的彈力豎直向下，mg＋F＝m，隨v增大，F(xiàn)增大，故C、D均
16、錯(cuò)誤．
【變式1】(2019·山東省濟(jì)南一中期中)一輕桿一端固定質(zhì)量為m的小球，以另一端O為圓心，使小球在豎直面內(nèi)做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，則下列說法正確的是( )
A． 小球過最高點(diǎn)時(shí)，桿所受到的彈力可以等于零
B．小球過最高點(diǎn)的最小速度是
C．小球過最高點(diǎn)時(shí)，桿對(duì)球的作用力一定隨速度增大而增大
D．小球過最高點(diǎn)時(shí)，桿對(duì)球的作用力一定隨速度增大而減小
【答案】 A
【解析】 當(dāng)小球到達(dá)最高點(diǎn)彈力為零時(shí)，有mg＝m，解得v＝，即當(dāng)速度v＝時(shí)，輕桿所受的彈力為零，所以A正確．小球通過最高點(diǎn)的最小速度為零，所以B錯(cuò)誤．小球在最高點(diǎn)，若v<，則有：
17、mg－F＝m，輕桿的作用力隨著速度的增大先減小后反向增大，若v>，則有：mg＋F＝m，輕桿的作用力隨著速度增大而增大，所以C、D錯(cuò)誤．
【變式2】如圖所示，一個(gè)固定在豎直平面上的光滑半圓形管道，管道里有一個(gè)直徑略小于管道內(nèi)徑的小球，小球在管道內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，從B點(diǎn)脫離后做平拋運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過0.3 s后又恰好與傾角為45°的斜面垂直相碰．已知半圓形管道的半徑為R＝1 m，小球可看做質(zhì)點(diǎn)且其質(zhì)量為m＝1 kg，g取10 m/s2.則( )
A． 小球在斜面上的相碰點(diǎn)C與B點(diǎn)的水平距離是0.9 m
B．小球在斜面上的相碰點(diǎn)C與B點(diǎn)的水平距離是1.9 m
C．小球經(jīng)過管道的B點(diǎn)時(shí)，受到管道的作
18、用力FNB的大小是1 N
D．小球經(jīng)過管道的B點(diǎn)時(shí)，受到管道的作用力FNB的大小是2 N
【答案】AC.
【解析】根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，小球在C點(diǎn)的豎直分速度vy＝gt＝3 m/s，水平分速度vx＝vytan 45°＝3 m/s，則B點(diǎn)與C點(diǎn)的水平距離為x＝vxt＝0.9 m，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；在B點(diǎn)設(shè)管道對(duì)小球的作用力方向向下，根據(jù)牛頓第二定律，有FNB＋mg＝m，vB＝vx＝3 m/s，解得FNB＝－1 N，負(fù)號(hào)表示管道對(duì)小球的作用力方向向上，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．
熱點(diǎn)題型三
在斜面上做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，因所受的控制因素不同，如靜摩擦力控制、輕繩控制、輕桿控制，物體的受力情況
19、和所遵循的規(guī)律也不相同．
【例4】(2019·江西吉安一中段考)如圖所示，一傾斜的勻質(zhì)圓盤繞垂直于盤面的固定對(duì)稱軸以恒定角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，盤面上離轉(zhuǎn)軸距離2.5 m處有一小物體與圓盤始終保持相對(duì)靜止，物體與盤面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為(設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力)，盤面與水平面的夾角為30°，g取10 m/s2，則ω的最大值是( )
A. rad/s B. rad/s C．1.0 rad/s D．0.5 rad/s
【答案】C
【解析】 當(dāng)物體轉(zhuǎn)到圓盤的最低點(diǎn)，所受的靜摩擦力沿斜面向上達(dá)到最大時(shí)，角速度最大，由牛頓第二定律得
20、：μmgcos 30°－mgsin 30°＝mω2r
ω＝＝ rad/s＝1.0 rad/s，故選項(xiàng)C正確．
【變式】．(2019·沈陽東北育才中學(xué)模擬)如圖所示，在傾角θ＝30°的光滑斜面上，長為L的細(xì)線一端固定，
另一端連接質(zhì)量為m的小球，小球在斜面上做圓周運(yùn)動(dòng)，A、B分別是圓弧的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，若小球在A、
B點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的最小速度分別為vA、vB，重力加速度為g，則 ( )
A．vA＝0 B．vA＝C．vB＝ D．vB＝
【答案】C
【解析】在A點(diǎn)，對(duì)小球，臨界情況是繩子的拉力為零，小球靠重力沿斜面方向的分力提供向心力，根
21、據(jù)牛頓第二定律得：mgsin θ＝m，解得A點(diǎn)的最小速度為：vA＝，對(duì)AB段過程研究，根據(jù)機(jī)械能守恒得：mv＋mg·2Lsin 30°＝mv，解得B點(diǎn)的最小速度為：vB＝＝，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤．
熱點(diǎn)題型四 圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題
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(gè)力的合力或某個(gè)力的分力，因此在受力分析中要避免再另外添加一個(gè)向心力．
2．運(yùn)動(dòng)模型
圓錐擺模型
1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一根質(zhì)量和伸長可以不計(jì)的輕細(xì)線，上端固定，下端系一個(gè)可以視為質(zhì)點(diǎn)的擺球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，細(xì)繩所掠過的路徑為圓錐表面。
2．受力特點(diǎn)
22、：擺球質(zhì)量為，只受兩個(gè)力即豎直向下的重力和沿?cái)[線方向的拉力。兩個(gè)力的合力，就是擺球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，如圖所示（也可以理解為拉力的豎直分力與擺球的重力平衡，的水平分力提供向心力）。
3．運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：擺長為，擺線與豎直方向的夾角為的圓錐擺，擺球做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心是O，圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是
向心力
擺線的拉力
討論：（1）當(dāng)擺長一定，擺球在同一地點(diǎn)、不同高度的水平面內(nèi)分別做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，據(jù)可知，若角速度越大，則越大，擺線拉力也越大，向心加速度也越大，線速度=也越大。
結(jié)論是：同一圓錐擺，在同一地點(diǎn)，若越大，則擺線的拉力越大，向心力越大，向心加速度也越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，運(yùn)動(dòng)的也越快，。
23、（2）當(dāng)為定值時(shí)（為擺球的軌道面到懸點(diǎn)的距離h，即圓錐擺的高度），擺球的質(zhì)量相等、擺長不等的圓錐擺若在同一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則擺線拉力，向心力，向心加速度，角速度，線速度。
結(jié)論是：在同一地點(diǎn)，擺球的質(zhì)量相等、擺長不等但高度相同的圓錐擺，轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢相等，但角大的圓錐擺，擺線的拉力大，向心力大，向心加速度大，運(yùn)動(dòng)得快。
【例5】如圖所示，一根細(xì)線下端拴一個(gè)金屬小球A，細(xì)線的上端固定在金屬塊B上，B放在帶小孔的水平桌面上，小球A在某一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．現(xiàn)使小球A改到一個(gè)更低一些的水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)(圖上未畫出)，金屬塊B在桌面上始終保持靜止，則后一種情況與原來相比較，下面的
24、判斷中正確的是( )
A．金屬塊B受到桌面的靜摩擦力變大 B．金屬塊B受到桌面的支持力減小
C．細(xì)線的張力變大 D．小球A運(yùn)動(dòng)的角速度減小
【答案】D
【解析】.設(shè)A、B質(zhì)量分別為m、M，A做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度為a，細(xì)線與豎直方向的夾角為θ，對(duì)B研究，B受到的靜摩擦力f＝Tsin θ，對(duì)A，有：Tsin θ＝ma，Tcos θ＝mg，解得a＝gtan θ，θ變小，a減小，則靜摩擦力大小變小，故A錯(cuò)誤；以整體為研究對(duì)象知，B受到桌面的支持力大小不變，應(yīng)等于(M＋m)g，故B錯(cuò)誤；細(xì)線的拉力T＝，θ變小，T變
25、小，故C錯(cuò)誤；設(shè)細(xì)線長為l，則a＝gtan θ＝ω2lsin θ，ω＝，θ變小，ω變小，故D正確．
【變式】兩根長度不同的細(xì)線下面分別懸掛兩個(gè)小球，細(xì)線上端固定在同一點(diǎn)，若兩個(gè)小球以相同的角速度，繞共同的豎直軸在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則兩個(gè)擺球在運(yùn)動(dòng)過程中，相對(duì)位置關(guān)系示意圖正確的是( )
【答案】 B
【解析】 小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)其受力分析如圖所示，則有mgtan θ＝mω2Lsin θ，整理得：Lcos θ＝，則兩球處于同一高度，故B正確．
車輛轉(zhuǎn)彎模型
1、 受力分析：如圖所示火車受到的支持力和重力的合力水平指向圓心，成為使火車拐彎的向心力。
2、動(dòng)力
26、學(xué)方程：根據(jù)牛頓第二定律得
其中r是轉(zhuǎn)彎處軌道的半徑，是使內(nèi)外軌均不受側(cè)向力的最佳速度。
3、分析結(jié)論：解上述方程可知
可見，最佳情況是由、、共同決定的。
當(dāng)火車實(shí)際速度為v時(shí)，可有三種可能，
當(dāng)時(shí)，內(nèi)外軌均不受側(cè)向擠壓的力；
當(dāng)時(shí)，外軌受到側(cè)向擠壓的力（這時(shí)向心力增大，外軌提供一部分力）；
當(dāng)時(shí)，內(nèi)軌受到側(cè)向擠壓的力（這時(shí)向心力減少，內(nèi)軌抵消一部分力）。
還有一些實(shí)例和這一模型相同，如自行車轉(zhuǎn)彎，高速公路上汽車轉(zhuǎn)彎等等
【例6】如圖所示為賽車場的一個(gè)水平“梨形”賽道，兩個(gè)彎道分別為半徑R＝90 m的大圓弧和r＝40 m的小圓弧，直道與彎道相切．大、小圓弧圓心O、O
27、′距離L＝100 m．賽車沿彎道路線行駛時(shí)，路面對(duì)輪胎的最大徑向靜摩擦力是賽車重力的2.25倍．假設(shè)賽車在直道上做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，在彎道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．要使賽車不打滑，繞賽道一圈時(shí)間最短(發(fā)動(dòng)機(jī)功率足夠大，重力加速度g＝10 m/s2，π＝3.14)，則賽車( )
A．在繞過小圓弧彎道后加速 B．在大圓弧彎道上的速率為45 m/s
C．在直道上的加速度大小為5.63 m/s2 D．通過小圓弧彎道的時(shí)間為5.58 s
【答案】AB.
【解析】因賽車在圓弧彎道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由向心力公式有F＝m，則在大小圓弧彎道上的
28、運(yùn)動(dòng)速率分別為v大＝ ＝ ＝45 m/s，v?。?＝ ＝30 m/s，可知賽車在繞過小圓弧彎道后做加速運(yùn)動(dòng)，則A、B項(xiàng)正確；由幾何關(guān)系得直道長度為d＝＝50 m，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式v－v＝2ad，得賽車在直道上的加速度大小為a＝6.50 m/s2，則C項(xiàng)錯(cuò)誤；賽車在小圓弧彎道上運(yùn)動(dòng)時(shí)間t＝＝2.79 s，則D項(xiàng)錯(cuò)誤．
【變式】(2019·甘肅省蘭州一中模擬)在修筑鐵路時(shí)，彎道處的外軌會(huì)略高于內(nèi)軌．如圖所示，當(dāng)火車以規(guī)定的行駛速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)、外軌均不會(huì)受到輪緣的擠壓，設(shè)此時(shí)的速度大小為v，重力加速度為g，兩軌所在面的傾角為θ，則( )
A．該彎道的半徑r＝
29、 B．當(dāng)火車質(zhì)量改變時(shí)，規(guī)定的行駛速度大小不變
C．當(dāng)火車速率大于v時(shí)，內(nèi)軌將受到輪緣的擠壓 D．當(dāng)火車速率大于v時(shí)，外軌將受到輪緣的擠壓
【答案】 ABD
【解析】 火車轉(zhuǎn)彎時(shí)不側(cè)向擠壓車輪輪緣，靠重力和支持力的合力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律得：mgtan θ＝m，解得：r＝，故A正確；根據(jù)牛頓第二定律得：mgtan θ＝m，解得：v＝，可知火車規(guī)定的行駛速度與質(zhì)量無關(guān)，故B正確；當(dāng)火車速率大于v時(shí)，重力和支持力的合力不足以提供向心力，此時(shí)外軌對(duì)火車有側(cè)壓力，輪緣擠壓外軌，故C錯(cuò)誤，D正確．
【題型演練】
1．(多選)公路急轉(zhuǎn)彎處通常是交通事故多發(fā)地帶．如圖所示，某公路急
30、轉(zhuǎn)彎處是一圓弧，當(dāng)汽車行駛的速率為vc時(shí)，汽車恰好沒有向公路內(nèi)、外兩側(cè)滑動(dòng)的趨勢，則在該彎道處( )
A． 路面外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低
B．車速只要低于vc，車輛便會(huì)向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)
C．車速雖然高于vc，但只要不超出某一最高限度，車輛便不會(huì)向外側(cè)滑動(dòng)
D．當(dāng)路面結(jié)冰時(shí)，與未結(jié)冰時(shí)相比，vc的值變小
【答案】 AC
【解析】 當(dāng)汽車行駛的速度為vc時(shí)，路面對(duì)汽車沒有摩擦力，路面對(duì)汽車的支持力與汽車重力的合力提供向心力，此時(shí)要求路面外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低，選項(xiàng)A正確．當(dāng)速度稍大于vc時(shí)，汽車有向外側(cè)滑動(dòng)的趨勢，因而受到向內(nèi)側(cè)的摩擦力，當(dāng)摩擦力小于最大靜摩擦力時(shí)，車輛不會(huì)向外側(cè)滑動(dòng)，選項(xiàng)C正
31、確．同樣，速度稍小于vc時(shí)，車輛不會(huì)向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．vc的大小只與路面的傾斜程度和轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)，與路面的粗糙程度無關(guān)，D錯(cuò)誤．
2．(多選)(2018·河北省“名校聯(lián)盟”質(zhì)量監(jiān)測一)如圖為過山車以及軌道簡化模型，過山車車廂內(nèi)固定一安全座椅，座椅上乘坐“假人”，并系好安全帶，安全帶恰好未繃緊，不計(jì)一切阻力，以下判斷正確的是( )
A． 過山車在圓軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
B．過山車在圓軌道最高點(diǎn)時(shí)的速度應(yīng)至少等于
C．過山車在圓軌道最低點(diǎn)時(shí)“假人”處于失重狀態(tài)
D．若過山車能順利通過整個(gè)圓軌道，在最高點(diǎn)時(shí)安全帶對(duì)“假人”一定無作用力
【答案】 BD
【解析】 過山車在
32、運(yùn)動(dòng)過程中，重力勢能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，即速度大小在變化，所以不是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤；在最高點(diǎn)重力完全充當(dāng)向心力時(shí)，速度最小，故有mg＝m，解得v＝，B正確；在最低點(diǎn)，“假人”受到豎直向上指向圓心的加速度，故處于超重狀態(tài)，C錯(cuò)誤；若過山車能順利通過整個(gè)圓軌道，即在最高點(diǎn)重力充當(dāng)向心力，或重力和座椅對(duì)“假人”的支持力的合力充當(dāng)向心力，所以安全帶對(duì)“假人”一定無作用力，D正確．
3.(2019·湖南懷化聯(lián)考)質(zhì)量為m的小球由輕繩a和b分別系于一輕質(zhì)細(xì)桿的B點(diǎn)和A點(diǎn)，如圖所示，繩a
與水平方向成θ角，繩b在水平方向且長為l，當(dāng)輕桿繞軸AB以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則下列
33、說法正確的是 ( )
A．a(chǎn)繩的張力可能為零 B．a(chǎn)繩的張力隨角速度的增大而增大
C．當(dāng)角速度ω>，b繩將出現(xiàn)彈力 D．若b繩突然被剪斷，則a繩的彈力一定發(fā)生變化
【答案】C
【解析】由于小球m的重力不為零，a繩的張力不可能為零，b繩的張力可能為零，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由于a繩的張力在豎直方向的分力等于重力，所以a繩的張力隨角速度的增大而不變，b繩的張力隨角速度的增大而增大，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；若b繩中的張力為零，設(shè)a繩中的張力為F，對(duì)小球m，F(xiàn)sin θ＝mg，F(xiàn)cos θ＝mω2l，聯(lián)立解得：ω＝ ，即當(dāng)角速度ω>，b繩將出現(xiàn)彈力，選項(xiàng)C正確
34、；若ω＝ ，b繩突然被剪斷，則a繩的彈力不發(fā)生變化，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．
4.如圖甲所示，輕桿一端固定在O點(diǎn)，另一端固定一小球，現(xiàn)讓小球在豎直平面內(nèi)做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)．小
球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，桿與小球間彈力大小為FN，小球在最高點(diǎn)的速度大小為v，其FN-v2圖象如圖乙所示．則( )
A．小球的質(zhì)量為B．當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮?
C．v2＝c時(shí)，在最高點(diǎn)桿對(duì)小球的彈力方向向上 D．v2＝2b 時(shí)，在最高點(diǎn)桿對(duì)小球的彈力大小為2a
【答案】A
【解析】由圖乙可知當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，若v2＝b，則FN＝0，輕桿既不向上推小球也不向下拉小球，這時(shí)由小球受到的重力提供向心力，即mg
35、＝，得v2＝gR＝b，故g＝，B錯(cuò)誤；當(dāng)v2>b時(shí)，輕桿向下拉小球，C錯(cuò)誤；當(dāng)v2＝0時(shí)，輕桿對(duì)小球彈力的大小等于小球重力，即a＝mg，代入g＝得小球的質(zhì)量m＝，A正確；當(dāng)v2＝2b時(shí)，由向心力公式得F＋mg＝，得桿的拉力大小F＝mg，故F＝a，D錯(cuò)誤．
5.如圖，疊放在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上的物體A、B、C能隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，A、B、C的質(zhì)量分別為
3m、2m、m，A與B、B和C與轉(zhuǎn)臺(tái)間的動(dòng)摩擦因數(shù)都為μ，AB整體、C離轉(zhuǎn)臺(tái)中心的距離分別為r、1.5r.設(shè)本題中的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，下列說法正確的是 ( )
A．B對(duì)A的摩擦力一定為3μmg
36、B．B對(duì)A的摩擦力一定為 3mω2r
C．轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度一定滿足：ω≤ D．轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度一定滿足：ω≤
【答案】BD
【解析】A做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由B對(duì)A的摩擦力提供，由牛頓第二定律及向心加速度公式有：Ff＝3mω2r，B項(xiàng)正確；AB整體恰好未發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的滑動(dòng)時(shí)，μ(3m＋2m)g＝(3m＋2m)ω2r，解得角速度最大值為ω＝ ，C恰好未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，μmg＝1.5mω2r，解得：ω＝ ，所以D選項(xiàng)正確．
6.如圖所示，兩根長度相同的細(xì)線分別系有兩個(gè)完全相同的小球，細(xì)線的上端都系于O點(diǎn)，設(shè)法讓兩個(gè)小球均在水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．已知L1跟豎直方向的夾角為60°，L2跟豎直方向的夾角
37、為30°，下列說法正確的是( )
A． 細(xì)線L1和細(xì)線L2所受的拉力之比為 ∶1 B．小球m1和m2的角速度大小之比為 ∶1
C．小球m1和m2的向心力大小之比為3∶1 D．小球m1和m2的線速度大小之比為3∶1
【答案】AC
【解析】.對(duì)任一小球進(jìn)行研究，設(shè)細(xì)線與豎直方向的夾角為θ，豎直方向受力平衡，則Tcos θ＝mg，解得T＝，所以細(xì)線L1和細(xì)線L2所受的拉力大小之比為＝＝，故A正確；小球所受合力的大小為mgtan θ，根據(jù)牛頓第二定律得mgtan θ＝mLω2sin θ，得ω2＝，故兩小球的角速度大小之比為＝＝，故B錯(cuò)誤；小球所受合力提供向心力，則
38、向心力為F＝mgtan θ，小球m1和m2的向心力大小之比為＝＝3，故C正確．兩小球角速度大小之比為∶1，由v＝ωr得線速度大小之比為 ∶1，故D錯(cuò)誤．
6.(2019·遼寧大連模擬)如圖所示，在雙人花樣滑冰運(yùn)動(dòng)中，有時(shí)會(huì)看到被男運(yùn)動(dòng)員拉著的女運(yùn)動(dòng)員離開地面在空中做圓錐擺運(yùn)動(dòng)的精彩場面，目測體重為G的女運(yùn)動(dòng)員做圓錐擺運(yùn)動(dòng)時(shí)和水平冰面的夾角約為30°，重力加速度為g，估算知該女運(yùn)動(dòng)員( )
A．受到的拉力為G B．受到的拉力為2G C．向心加速度為3g D．向心加速度為2g
【答案】B
【解析】對(duì)女運(yùn)動(dòng)員受力分析如圖所示，F(xiàn)1＝Fcos 30°，F(xiàn)2
39、＝Fsin 30°，F(xiàn)2＝G，由牛頓第二定律得F1＝ma，所以a＝g，F(xiàn)＝2G，B正確．
7.(2019·北京東城區(qū)模擬)長為L的輕桿，一端固定一個(gè)小球，另一端固定在光滑的水平軸上，使小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)．關(guān)于小球在最高點(diǎn)的速度v，下列說法中正確的是( )
A．當(dāng)v＝時(shí)，輕桿對(duì)小球的彈力為零
B．當(dāng)v由逐漸增大時(shí)，輕桿對(duì)小球的拉力逐漸增大
C．當(dāng)v由逐漸減小時(shí)，輕桿對(duì)小球的支持力逐漸減小
D．當(dāng)v由零逐漸增大時(shí)，向心力也逐漸增大
【答案】ABD
【解析】在最高點(diǎn)輕桿對(duì)小球的作用力為0時(shí)，由牛頓第二定律得mg＝，v＝，A正確；當(dāng)v＞時(shí)，輕桿對(duì)小
40、球有拉力，則F＋mg＝，v增大，F(xiàn)增大，B正確；當(dāng)v＜時(shí)，輕桿對(duì)小球有支持力，則mg－F′＝，v減小，F(xiàn)′增大，C錯(cuò)誤；由F向＝知，v增大，向心力增大，D正確．
8.(2019·湖南衡陽模擬)輕桿一端固定有質(zhì)量為m＝1 kg的小球，另一端安裝在水平軸上，轉(zhuǎn)軸到小球的距離為50 cm，轉(zhuǎn)軸固定在三角形的帶電動(dòng)機(jī)(電動(dòng)機(jī)沒畫出來)的支架上，在電動(dòng)機(jī)作用下，輕桿在豎直面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示．若轉(zhuǎn)軸達(dá)到某一恒定轉(zhuǎn)速n時(shí)，在最高點(diǎn)，桿受到小球的壓力為2 N，重力加速度g取10 m/s2，則( )
A． 小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，小球需要的向心力為12 N
B．小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，線
41、速度v＝1 m/s
C．小球運(yùn)動(dòng)到圖示水平位置時(shí)，地面對(duì)支架的摩擦力為8 N
D．把桿換成輕繩，同樣轉(zhuǎn)速的情況下，小球仍能通過圖示的最高點(diǎn)
【答案】C
【解析】小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，桿受到小球的壓力為2 N，由牛頓第三定律可知桿對(duì)小球的支持力FN＝2 N，在最高點(diǎn)，小球需要的向心力由重力和桿的支持力的合力提供，為 F＝mg－FN＝8 N，故A錯(cuò)誤；在最高點(diǎn)，由F＝m得，v＝＝ m/s＝2 m/s，故B錯(cuò)誤；小球運(yùn)動(dòng)到圖示水平位置時(shí)，設(shè)桿對(duì)小球的拉力為FT，則有FT＝m＝F＝8 N，則小球?qū)U的拉力FT′＝FT＝8 N，據(jù)題意知支架處于靜止?fàn)顟B(tài)，由平衡條件可知地面對(duì)支架的摩擦力Ff＝FT
42、′＝8 N，故C正確；把桿換成輕繩，設(shè)小球通過最高點(diǎn)的最小速度為v0，由mg＝m得，v0＝＝ m/s＝ m/s>v，所以在同樣轉(zhuǎn)速的情況下，小球不能通過圖示的最高點(diǎn)，故D錯(cuò)誤．
9．(2019·福建百校聯(lián)考)圖甲中表演的水流星是一項(xiàng)中國傳統(tǒng)民間雜技藝術(shù)，在一根繩子上系著兩個(gè)裝滿水的桶，表演者把它甩動(dòng)轉(zhuǎn)起來，猶如流星般，而水不會(huì)流出來．圖乙為水流星的簡化示意圖，在某次表演中，當(dāng)桶A在最高點(diǎn)時(shí)，桶B恰好在最低點(diǎn)，若演員僅控制住繩的中點(diǎn)O不動(dòng)，而水桶A、B(均可視為質(zhì)點(diǎn))都恰好能通過最高點(diǎn)，已知繩長l＝1.6 m，兩水桶(含水)的質(zhì)量均為m＝0.5 kg，不計(jì)空氣阻力及繩重，g取10 m/s2.
43、
(1)求水桶在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的速度大小；
(2)求圖示位置時(shí)，手對(duì)繩子的力的大小．
【答案】(1)2 m/s 2 m/s (2)30 N
【解析】(1)設(shè)最高點(diǎn)的速度為v1，最低點(diǎn)的速度為v2，水桶做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R＝＝0.8 m
水桶恰通過最高點(diǎn)時(shí)繩上的拉力為零，有mg＝m
解得v1＝2 m/s
水桶從最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)有mgl＋mv12＝mv22
解得v2＝2 m/s
(2)繩OA對(duì)水桶A的拉力為零，對(duì)最低點(diǎn)的桶B受力分析可得FOB－mg＝m
解得FOB＝30 N
所以，手對(duì)繩子的力的大小為30 N
10.(2019·遼寧五校高三聯(lián)考)如圖所示，AB是長為L＝
44、1.2 m、傾角為53°的斜面，其上端與一段光滑的圓弧BC相切于B點(diǎn)．C是圓弧的最高點(diǎn)，圓弧的半徑為R，A、C兩點(diǎn)與圓弧的圓心O在同一豎直線上．物體受到與斜面平行的恒力作用，從A點(diǎn)開始沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)撤去該力，物體將沿圓弧運(yùn)動(dòng)，通過C點(diǎn)后落回到水平地面上．已知物體與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.5，恒力F＝28 N，物體可看成質(zhì)點(diǎn)且m＝1 kg.重力加速度g取10 m/s2，sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6，求：
(1)物體通過C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力大??；(結(jié)果保留一位小數(shù))
(2)物體在水平地面上的落點(diǎn)到A點(diǎn)的距離．
【答案】見解析
【解析】(1)根據(jù)題圖，由幾何知識(shí)得，OA的高度H＝＝1.5 m
圓軌道半徑R＝＝0.9 m
物體從A到C的過程，由動(dòng)能定理得
(F－μmgcos 53°)L－mg(H＋R)＝mv2
解得v＝2 m/s
物體在C點(diǎn)，由牛頓第二定律得FN＋mg＝m
由牛頓第三定律得物體通過C點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力大小FN′＝FN＝3.3 N
(2)物體離開C點(diǎn)后做平拋運(yùn)動(dòng)
在豎直方向：H＋R＝gt2
在水平方向：x＝vt
解得x＝2.4 m.
20
