高中物理第五章曲线运动第6节向心力学案解析版新人教版必修2.docx

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高中物理第五章曲线运动第6节向心力学案解析版新人教版必修2

第6节向心力

一、向心力

1．向心力

（1）定义：

做匀速圆周运动的物体受到指向圆心的合力。

（2）方向：

始终指向圆心，与线速度方向垂直。

（3）公式：

Fn＝m

或Fn＝mω2r。

（4）效果力

向心力是根据力的作用效果来命名的，凡是产生向心加速度的力，不管属于哪种性质，都是向心力。

2．实验验证

（1）装置：

细线下面悬挂一个钢球，用手带动钢球使它在某个水平面内做匀速圆周运动，组成一个圆锥摆，如图所示。

（2）求向心力：

①可用Fn＝m

计算钢球所受的向心力。

②可计算重力和细线拉力的合力。

（3）结论：

代入数据后比较计算出的向心力Fn和钢球所受合力F的大小，即可得出结论：

钢球需要的向心力等于钢球所受外力的合力。

二、变速圆周运动和一般的曲线运动

1．变速圆周运动

变速圆周运动所受合外力一般不等于向心力，合外力一般产生两个方面的效果：

（1）合外力F跟圆周相切的分力Ft，此分力产生切向加速度at，描述线速度大小变化的快慢。

（2）合外力F指向圆心的分力Fn，此分力产生向心加速度an，向心加速度只改变速度的方向。

2．一般曲线运动的处理方法

一般曲线运动，可以把曲线分割成许多很短的小段，每一小段可看作一小段圆弧。

圆弧弯曲程度不同，表明它们具有不同的半径。

这样，质点沿一般曲线运动时，可以采用圆周运动的分析方法进行处理。

1．自主思考——判一判

（1）向心力既可以改变速度的大小，也可以改变速度的方向。

（×）

（2）物体做圆周运动的速度越大，向心力一定越大。

（×）

（3）向心力和重力、弹力一样，是性质力。

（×）

（4）圆周运动中指向圆心的合力等于向心力。

（√）

（5）圆周运动中，合外力等于向心力。

（×）

（6）向心力产生向心加速度。

（√）

2．合作探究——议一议

（1）如图所示，物体在圆筒壁上随筒壁一起绕竖直转轴匀速转动，试问：

物体受几个力作用？

向心力由什么力提供？

提示：

物体受三个力，分别为重力、弹力和摩擦力。

物体做匀速圆周运动，向心力等于以上三个力的合力，由于重力与摩擦力抵消，实际上向心力仅由弹力提供。

（2）荡秋千是小朋友很喜欢的游戏，当秋千由上向下荡下时，

①此时小朋友做的是匀速圆周运动还是变速圆周运动？

②绳子拉力与重力的合力指向悬挂点吗？

提示：

①秋千荡下时，速度越来越大，做的是变速圆周运动。

②由于秋千做变速圆周运动，合外力既有指向圆心的分力，又有沿切向的分力，所以合力不指向悬挂点。

（3）列车匀速驶入如图所示的圆弧弯道时，列车所受的合力是否为零？

若不为零方向怎样？

提示：

列车匀速驶入圆弧弯道时做匀速圆周运动，由合外力提供向心力，则列车所受的合力指向圆心，即指向轨道内侧。

对向心力的理解

1．向心力的大小

Fn＝man＝m

＝mω2r＝mωv。

对于匀速圆周运动，向心力大小始终不变，但对非匀速圆周运动（如用一根绳拴住小球绕固定圆心在竖直平面内做的圆周运动），其向心力大小随速率v的变化而变化，公式表述的只是瞬时值。

2．向心力的方向

无论是否为匀速圆周运动，其向心力总是沿着半径指向圆心，方向时刻改变，故向心力是变力。

3．向心力的作用效果

由于向心力始终指向圆心，其方向与物体运动方向始终垂直，故向心力不改变线速度的大小，只改变线速度的方向。

1．下列关于向心力的说法中，正确的是（　　）

A．做匀速圆周运动的质点会产生一个向心力

B．做匀速圆周运动的质点所受各力中包括一个向心力

C．做匀速圆周运动的质点所受各力的合力提供向心力

D．做匀速圆周运动的质点所受的向心力大小是恒定不变的

解析：

选C　向心力是质点做圆周运动所需要的力，不是做圆周运动的质点产生的力，故A错误；质点做匀速圆周运动需要的向心力并不是质点实际受到的力，而是其他力的合力提供向心力，故B错误、C正确；向心力是效果力，不能说成质点受到的力，故D错误。

2．一圆盘可绕通过圆盘中心O且垂直于盘面的竖直轴转动。

在圆盘上放置一小木块A，它随圆盘一起做加速圆周运动（如图所示），则关于木块A的受力，下列说法正确的是（　　）

A．木块A受重力、支持力和向心力

B．木块A受重力、支持力和静摩擦力，摩擦力的方向指向圆心

C．木块A受重力、支持力和静摩擦力，摩擦力的方向与木块运动方向相反

D．木块A受重力、支持力和静摩擦力，摩擦力沿半径方向的分力提供向心力

解析：

选D　木块随圆盘做加速圆周运动，摩擦力沿半径方向的分力提供向心力，摩擦力沿切线方向的分力改变速度的大小。

所以两个分力合成后的合力不沿半径方向，不指向圆心，只有D项正确。

3.[多选]如图所示，用长为L的细线拴住一个质量为M的小球，使小球在水平面内做匀速圆周运动，细线与竖直方向的夹角为θ，关于小球的受力情况，下列说法中正确的是（　　）

A．小球受到重力、线的拉力和向心力三个力

B．向心力是线对小球的拉力和小球所受重力的合力

C．向心力的大小等于细线对小球拉力的水平分量

D．向心力的大小等于Mgtanθ

解析：

选BCD　对于匀速圆周运动，向心力是物体实际受到的所有力的指向圆心的合力，受力分析时不能再说物体又受到向心力，故A错误，B正确。

再根据力的合成求出合力大小，故C、D正确。

匀速圆周运动的特点及解题方法

1．质点做匀速圆周运动的条件

合力的大小不变，方向始终与速度方向垂直且指向圆心。

匀速圆周运动是仅速度的方向变化而速度大小不变的运动，所以只存在向心加速度，因此向心力就是做匀速圆周运动的物体所受的合力。

2．匀速圆周运动的三个特点

（1）线速度大小不变、方向时刻改变。

（2）角速度、周期、频率都恒定不变。

（3）向心加速度和向心力的大小都恒定不变，但方向时刻改变。

3．分析匀速圆周运动的步骤

（1）明确研究对象，对研究对象进行受力分析，画出受力示意图。

（2）将物体所受外力通过力的正交分解，分解到沿切线方向和沿半径方向。

（3）列方程：

沿半径方向满足F合1＝mrω2＝m

＝

，沿切线方向F合2＝0。

（4）解方程求出结果。

4．几种常见的匀速圆周运动实例

图形

受力分析

力的分解方法

满足的方程及向心加速度

或mgtanθ＝mω2lsinθ

an＝gtanθ

或mgtanθ＝mrω2

an＝gtanθ

或mgtanθ＝mrω2

an＝gtanθ

an＝ω2r

[典例]　图566甲为游乐园中“空中飞椅”的游戏设施，它的基本装置是将绳子上端固定在转盘的边缘上，绳子的下端连接座椅，人坐在座椅上随转盘旋转而在空中飞旋。

若将人和座椅看成一个质点，则可简化为如图乙所示的物理模型，其中P为处于水平面内的转盘，可绕竖直转轴OO′转动，设绳长l＝10m，质点的质量m＝60kg，转盘静止时质点与转轴之间的距离d＝4.0m，转盘逐渐加速转动，经过一段时间后质点与转盘一起做匀速圆周运动，此时绳与竖直方向的夹角θ＝37°，不计空气阻力及绳重，且绳不可伸长，sin37°＝0.6,cos37°＝0.8，g＝10m/s2，求质点与转盘一起做匀速圆周运动时：

图566

（1）绳子拉力的大小；

（2）转盘角速度的大小。

[思路点拨]　

（1）质点在水平面内做匀速圆周运动，在竖直方向上合力为零。

（2）质点到竖直轴OO′间的距离为小球圆周运动的半径。

[解析]　

（1）如图所示，对人和座椅进行受力分析，图中F为绳子的拉力，在竖直方向：

Fcos37°－mg＝0

解得F＝

＝750N。

（2）人和座椅在水平面内做匀速圆周运动，重力和绳子拉力的合力提供向心力，根据牛顿第二定律有mgtan37°＝mω2R

R＝d＋lsin37°

联立解得ω＝

＝

rad/s。

[答案]　

（1）750N　

（2）

rad/s

匀速圆周运动解题策略

在解决匀速圆周运动的过程中，要注意以下几个方面：

（1）知道物体做圆周运动轨道所在的平面，明确圆心和半径是解题的一个关键环节。

（2）分析清楚向心力的来源，明确向心力是由什么力提供的。

（3）根据线速度、角速度的特点，选择合适的公式列式求解。

1．未来的星际航行中，宇航员长期处于零重力状态，为缓解这种状态带来的不适，有人设想在未来的航天器上加装一段圆柱形“旋转舱”，如图所示。

当旋转舱绕其轴线匀速旋转时，宇航员站在旋转舱内圆柱形侧壁上，可以受到与他站在地球表面时相同大小的支持力。

为达到上述目的，下列说法正确的是（　　）

A．旋转舱的半径越大，转动的角速度就应越大

B．旋转舱的半径越大，转动的角速度就应越小

C．宇航员质量越大，旋转舱的角速度就应越大

D．宇航员质量越大，旋转舱的角速度就应越小

解析：

选B　旋转舱对宇航员的支持力提供宇航员做圆周运动的向心力，即mg＝mω2r，解得ω＝

，即旋转舱的半径越大，角速度越小，而且与宇航员的质量无关，选项B正确。

2．[多选]如图所示，质量相等的A、B两物体紧贴在匀速转动的圆筒的竖直内壁上，随圆筒一起做匀速圆周运动，则下列关系中正确的有（　　）

A．线速度vA>vB

B．运动周期TA>TB

C．它们受到的摩擦力fA>fB

D．筒壁对它们的弹力NA>NB

解析：

选AD　因为两物体做匀速圆周运动的角速度相等，又rA>rB,所以vA＝rAω>vB＝rBω，选项A正确；因为ω相等，所以周期T相等，选项B错误；因竖直方向物体受力平衡，有f＝mg，故fA＝fB，选项C错误；筒壁对物体的弹力提供向心力，所以NA＝mrAω2>NB＝mrBω2，选项D正确。

3.如图所示，一轴竖直的锥形漏斗，内壁光滑，内壁上有两个质量不相同的小球A、B各自在不同的水平面内做匀速圆周运动，已知mA

A．线速度vA

B．角速度ωA＝ωB

C．向心加速度aA＝aB

D．小球对漏斗的压力NA>NB

解析：

选C　设漏斗内壁母线与水平方向的夹角为θ。

以任意一个小球为研究对象，分析受力情况：

受重力mg和漏斗内壁的支持力N，它们的合力提供向心力，如图所示，则根据牛顿第二定律得：

mgtanθ＝m

，得到v＝

，θ一定，则v与

成正比，A球做圆周运动的半径大于B球做圆周运动的半径，所以vA＞vB，故A错误；角速度ω＝

＝

，则角速度ω与

成反比，所以角速度ωA＜ωB，故B错误；向心加速度a＝

＝

＝gtanθ，与半径r无关，故aA＝aB，故C正确；漏斗内壁对小球的支持力N＝

，θ相同，mA＜mB，则NA＜NB，故D错误。

变速圆周运动和一般曲线运动问题

[典例]　一根长为0.8m的绳子，当受到7.84N的拉力时被拉断。

若在此绳的一端拴一个质量为0.4kg的物体，使物体以绳子的另一端为圆心在竖直面内做圆周运动，当物体运动到最低点时绳子恰好断裂。

求物体运动至最低点时的角速度和线速度大小。

[审题指导]　

（1）物体运动到最低点时是绳子的拉力和物体重力的合力提供向心力。

（2）绳子恰好断裂时，绳子的拉力大小为7.84N。

[解析]　当物体运动到最低点时，物体受重力mg、绳子拉力FT，根据牛顿第二定律得

FT－mg＝ma＝mω2r，

又由牛顿第三定律可知，绳子受到的拉力和绳子拉物体的力大小相等，绳子被拉断时受到的拉力为FT′＝7.84N，

故FT＝7.84N。

所以，绳子被拉断时物体的角速度为

ω＝

＝

rad/s

＝3.5rad/s，

物体的线速度为v＝ωr＝3.5×0.8m/s＝2.8m/s。

[答案]　3.5rad/s　2.8m/s

（1）物体做非匀速圆周运动时，在任何位置均是沿半径指向圆心的合力提供向心力。

（2）物体做一般曲线运动时，在每段小圆弧处仍可按圆周运动规律进行处理。

1.[多选）如图所示，一小球用细绳悬挂于O点，将其拉离竖直位置一个角度后释放，则小球以O点为圆心做圆周运动，运动中小球所需的向心力是（　　）

A．绳的拉力

B．重力和绳拉力的合力

C．重力和绳拉力的合力沿绳方向的分力

D．绳的拉力和重力沿绳方向分力的合力

解析：

选CD　如图所示，对小球进行受力分析，它受重力和绳子拉力的作用，向心力是指向圆心方向的合力。

因此，可以说是小球所受合力沿绳方向的分力，也可以说是各力沿绳方向的分力的合力，选C、D。

2．如图所示，质量为m的物体，沿半径为r的圆轨道自A点滑下，A与圆心O等高，滑至B点（B点在O点正下方）时的速度为v。

已知物体与轨道间的动摩擦因数为μ，求物体在B点所受的摩擦力。

解析：

物体由A滑到B的过程中，受到重力、轨道弹力及摩擦力的作用，做圆周运动。

物体在B点的受力情况如图所示，其中轨道弹力FN与重力G＝mg的合力提供物体做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得FN－mg＝

，得FN＝mg＋

，则滑动摩擦力为Ff＝μFN＝μm

。

答案：

μm

1．关于做匀速圆周运动物体的向心力，下列说法正确的是（　　）

A．向心力是一种性质力

B．向心力与速度方向不一定始终垂直

C．向心力只能改变线速度的方向

D．向心力只改变线速度的大小

解析：

选C　物体做匀速圆周运动需要一个指向圆心的合外力，向心力是根据力的作用效果命名的，故A错误；由于向心力指向圆心，与线速度方向始终垂直，所以它的效果只是改变线速度方向，不会改变线速度大小，故B、D错误，C正确。

2．一只小狗拉雪橇沿位于水平面的圆弧形道路匀速行驶，如图所示画出了雪橇受到牵引力F和摩擦力Ff可能方向的示意图，其中表示正确的图是（　　）

解析：

选D　因小狗拉雪橇使其在水平面内做匀速圆周运动，所以雪橇所受的力的合力应指向圆心，故A错误，B错误；又因雪橇所受的摩擦力Ff应与相对运动方向相反，即沿圆弧的切线方向，所以D正确，C错误。

3.如图所示，一小球套在光滑轻杆上，绕着竖直轴OO′匀速转动，下列关于小球受力的说法中正确的是（　　）

A．小球受到离心力、重力和弹力

B．小球受到重力和弹力

C．小球受到重力、弹力、向心力

D．小球受到重力、弹力、下滑力

解析：

选B　小球做圆周运动，受到重力和弹力作用，两个力的合力充当做圆周运动的向心力，故B正确。

4.如图所示，在匀速转动的圆筒内壁上，有一物体随圆筒一起转动而未滑动。

当圆筒的角速度增大以后，物体仍然随圆筒一起匀速转动而未滑动，则下列说法正确的是（　　）

A．物体所受弹力增大，摩擦力也增大了

B．物体所受弹力增大，摩擦力减小了

C．物体所受弹力和摩擦力都减小了

D．物体所受弹力增大，摩擦力不变

解析：

选D　物体随圆筒一起匀速转动时，受到三个力的作用：

重力G、筒壁对它的弹力FN和筒壁对它的摩擦力F1（如图所示）。

其中G和F1是一对平衡力，筒壁对它的弹力FN提供它做匀速圆周运动的向心力。

当圆筒匀速转动时，不管其角速度多大，只要物体随圆筒一起匀速转动而未滑动，则物体所受的摩擦力F1大小等于其重力。

而根据向心力公式FN＝mω2r可知，当角速度ω变大时，FN也变大，故D正确。

5．如图所示，在光滑杆上穿着两个小球m1、m2，且m1＝2m2，用细线把两球连起来，当杆匀速转动时，两小球刚好能与杆保持无相对滑动，此时两小球到转轴的距离r1与r2之比为（　　）

A．1∶1　　　　　　　　B．1∶

C．2∶1D．1∶2

解析：

选D　两个小球绕共同的圆心做圆周运动，它们之间的拉力互为向心力，角速度相同。

设两球所需的向心力大小为Fn，角速度为ω，则：

对球m1∶Fn＝m1ω2r1，

对球m2∶Fn＝m2ω2r2，

由上述两式得r1∶r2＝1∶2

6.如图所示，物体A、B随水平圆盘绕轴匀速转动，物体B在水平方向所受的作用力有（　　）

A．圆盘对B及A对B的摩擦力，两力都指向圆心

B．圆盘对B的摩擦力指向圆心，A对B的摩擦力背离圆心

C．圆盘对B及A对B的摩擦力和向心力

D．圆盘对B的摩擦力和向心力

解析：

选B　以A为研究对象，B对A的静摩擦力指向圆心，提供A做圆周运动的向心力，根据牛顿第三定律，A对B有背离圆心的静摩擦力；以整体为研究对象，圆盘对B一定施加沿半径向里的静摩擦力，B项正确。

7.如图所示，一轨道由

圆弧和水平部分组成，且连接处光滑。

质量为m的滑块与轨道间的动摩擦因数为μ。

在滑块从A滑到B的过程中，受到的摩擦力的最大值为Ff，则（　　）

A．Ff＝μmgB．Ff<μmg

C．Ff>μmgD．无法确定Ff的值

解析：

选C　当滑块刚要滑到水平轨道部分时，滑块对轨道的压力大于mg，故此时的滑动摩擦力Ff>μmg，C正确。

8.[多选]有一种杂技表演叫“飞车走壁”，由杂技演员驾驶摩托车沿圆台形表演台的侧壁高速行驶，做匀速圆周运动。

如图所示，图中虚线表示摩托车的行驶轨迹，轨迹离地面的高度为h，下列说法中正确的是（　　）

A．h越高，摩托车对侧壁的压力将越大

B．h越高，摩托车做圆周运动的线速度将越大

C．h越高，摩托车做圆周运动的周期将越大

D．h越高，摩托车做圆周运动的向心力将越大

解析：

选BC　摩托车做匀速圆周运动，提供圆周运动的向心力是重力mg和支持力F的合力，受力分析如图所示。

侧壁对摩托车的支持力F＝

不变，则摩托车对侧壁的压力不变，故A错误；向心力Fn＝mgtanθ，m和θ不变，向心力大小不变，故D错误；根据Fn＝m

，h越高，r越大，Fn不变，则v越大，故B正确；根据Fn＝mr

，h越高，r越大，Fn不变，则T越大，故C正确。

9.摆式列车是集电脑、自动控制等高新技术于一体的新型高速列车，如图所示。

当列车转弯时，在电脑控制下，车厢会自动倾斜，抵消离心力的作用。

行走在直线上时，车厢又恢复原状，就像玩具“不倒翁”一样。

假设有一超高速列车在水平面内行驶，以100m/s的速度拐弯，拐弯半径为500m，则质量为50kg的乘客，在拐弯过程中所受到的火车给他的作用力为（g取10m/s2）（　　）

A．500

NB．500

N

C．1000ND．0

解析：

选A　根据牛顿第二定律得：

F合＝m

＝50×

N＝1000N，根据平行四边形定则知火车给乘客的作用力：

N＝

＝

N＝500

N，故A正确，B、C、D错误。

10.如图所示，一倾斜的匀质圆盘绕垂直于盘面的固定对称轴以恒定的角速度ω转动，盘面上离转轴距离2.5m处有一小物体与圆盘始终保持相对静止，物体与盘面间的动摩擦因数为

。

设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，盘面与水平面间的夹角为30°，g取10m/s2。

则ω的最大值为（　　）

A.

rad/sB.

rad/s

C．1.0rad/sD．0.5rad/s

解析：

选C　当物体在圆盘上转到最低点，所受的静摩擦力沿斜面向上达到最大时，角速度最大，由牛顿第二定律得：

μmgcosθ－mgsinθ＝mω2r,代入数据解得：

ω＝1.0rad/s，选项C正确，A、B、D错误。

11.利用如图所示的方法测定细线的抗拉强度。

在长为L的细线下端悬挂一个质量不计的小盒，小盒的左侧开一孔，一个金属小球从斜轨道上释放后，水平进入小盒内，与小盒一起向右摆动。

现逐渐增大金属小球在轨道上释放时的高度，直至摆动时细线恰好被拉断，并测得此时金属小球与盒一起做平抛运动的竖直位移h和水平位移x，若小球质量为m，试求：

（1）金属小球做平抛运动的初速度为多少？

（2）该细线的抗拉断张力为多大？

解析：

（1）细线被拉断后，由平抛知识得h＝

gt2，x＝v0t，

则小球做平抛运动的初速度v0＝x

。

（2）拉断瞬间由牛顿第二定律可得

FT－mg＝

，

则细线的抗拉断张力FT＝mg

。

答案：

（1）x

（2）mg

12.在一根长为L的不计质量的细杆中点和末端各连一质量为m的小球B和C，如图所示，杆可以在竖直平面内绕固定点A转动，将杆拉到某位置放开，末端C球摆到最低位置时，杆BC受到的拉力刚好等于C球重力的2倍。

重力加速度为g。

求：

（1）C球通过最低点时的线速度大小；

（2）杆AB段此时受到的拉力大小。

解析：

（1）C球通过最低点时，Fn＝TBC－mg

即：

2mg－mg＝m

得C球通过最低点时的线速度大小为：

vC＝

。

（2）以最低点B球为研究对象，B球做圆周运动的向心力Fn＝TAB－mg－2mg