(3)当火车行驶速率V小于V0时,F合>F向,内轨道对轮缘有侧压力,F合-N'=mv2/R
即当火车转弯时行驶速率不等于V0时,其向心力的变化可由内外轨道对轮缘侧压力自行调节,但调节程度不宜过大,以免损坏轨道。
拓展:
汽车在倾斜的弯道上拐弯,弯道的倾角为
,半径为r,则汽车完全不靠摩擦力转弯的速率是:
()
A.
B.
C.
D.
三、竖直平面内的圆周运动
主题4:
无支撑模型
如图所示,没有物体支撑的小球,在竖直平面做圆周运动过最高点的情况:
注意:
绳对小球只能产生沿绳收缩方向的拉力
(1)临界条件:
绳子或轨道对小球没有力的作用:
mg=mv2/R→v临界=
(可理解为恰好转过或恰好转不过的速度)
(2)能过最高点的条件:
v≥
,当V>
时,绳对球产生拉力,轨道对球产生压力.
(3)不能过最高点的条件:
V<V临界(实际上球还没到最高点时就脱离了轨道)
例3:
把盛水的水桶拴在长为L的绳子一端,使这水桶在竖直平面做圆周运动,要使水桶转到最高点时不从桶里流出来,这时水桶的线速度至少应该是多少?
【针对训练】
1、如图所示,质量为m的小球在竖直平面内的光滑圆轨道上做圆周运动,圆半径为R,小球经过轨道最高点时刚好不脱离圆轨道,则其通过最高点时()
A.小球对圆轨道的压力大于等于mg
B.小球受到的向心力等于重力mg
C.小球的线速度大于等于
D.小球的向心加速度大于等于g
2、如图所示,用细绳拴着质量为m的物体,在竖直平面内做圆周运动,圆周半径为R.则下列说法正确的是( )
A.小球过最高点时,绳子张力可以为零
B.小球过最高点时的最小速度为零
C.小球刚好过最高点时的速度是
D.小球过最高点时,绳子对小球的作用力可以与球所受的重力方向相反
3、绳系着装有水的水桶,在竖直平面内做圆周运动,水的质量m=,绳长为L=60cm,
求:
(1)最高点水不流出的最小速率;
(2)水在最高点速率v=3m/s时,水对桶底的压力。
主题5:
有支撑模型
如图,球过最高点时,轻质杆(管)对球产生的弹力情况:
注意:
杆与绳不同,杆对球既能产生拉力,也能对球产生支持力.
(1)当v=0时,N=mg(N为支持力)
(2)当0<v<
时,N随v增大而减小,且mg>N>0,N为支持力.
(3)当v=
时,N=0
(4)当v>
时,N为拉力,N随v的增大而增大(此时N为拉力,方向指向圆心)
例4:
长度为L=的轻质细杆OA,A端有一质量为m=的小球,小球以O点为圆心在竖直平面内做圆周运动,通过最高点时小球的速率是s,(g=10m/s
)则此时细杆OA受的()
A.的拉力B.的压力
的压力D.24N的拉力
【针对训练】
1、如图所示,细杆的一端与小球相连,可绕过O点的水平轴自由转动,先给小球一初速度,使它做圆周运动。
图中a、b分别表示小球轨道的最低点和最高点,则杆对小球的作用力可能是:
()
A.a处为拉力b处为拉力
B.a处为拉力b处为推力
C.a处为推力b处为拉力
D.a处为推力b处为拉力
2、如图所示,小球A质量为m。
固定在长为L的轻细直杆一端,并随杆一起绕杆的另一端O点在竖直平面内做圆周运动.如果小球经过最高位置时,杆对球的作用力为拉力,拉力大小等于球的重力.求:
(1)球的速度大小.
(2)小球经过最低点时速度为
,杆对球的作用力的大小和球的向心加速度大小.
3、小球固定在轻直杆的一端,球随杆一起绕0在竖直平面内做圆周运动,己知杆长为l,当小球运动到最高点时,以下说法中正确的是()
A.小球速度至少等于
B.小球对杆的作用一定是压力;
C.小球对杆的作用一定是拉力
D.小球对杆的作用可能是压力,也可能是拉力.
1、物体做曲线运动时,下列说法中不可能存在的是:
A.速度的大小可以不发生变化而方向在不断地变化。
B.速度的方向可以不发生变化而大小在不断地变化
C.速度的大小和方向都可以在不断地发生变化
D.加速度的方向在不断地发生变化
2、有一在水平面内以角速度ω匀速转动的圆台,半径为R,如图所示.圆台边缘A处坐着一个人,此人举枪想击中圆心O处的目标,如果子弹射出速度为v,则( )
A.枪身与OA的夹角θ=arcsinωR/v,瞄向O点右侧
B.枪身与OA的夹角θ=arcsinωR/v,瞄向O点左侧
C.枪身与OA的夹角θ=arctanωR/v,瞄向O点右侧
D.应对准O点瞄准
3、如图所示,从一根内壁光滑的空心竖直钢管A的上端边缘,沿直径方向向管内水平抛入一钢球,球与管壁多次相碰后落地(球与管壁相碰时间不计).若换一根等高但较粗的内壁光滑的钢管B,用同样的方法抛入此钢球,则运动时间( )
A.在A管中的球运动时间长
B.在B管中的球运动时间长
C.在两管中的球运动时间一样长
D.无法确定
4、火车以1m/s2加速度在平面轨道上加速行驶,车厢中有一乘客把手伸到窗外,从距地面m高度自由释放一物体.若不计空气阻力,则物体落地时与乘客的水平距离为(取g=
10m/s2)( )
m
mD.因不知火车当时的速度,故无法判断
5、一物体从某高度以初速度水平抛出,落地时速度大小为,则它的运动时间为:
ABCD
6、如图所示,匀速转动的水平圆盘上在离转轴某一距离处放一滑块,该滑块恰能跟随圆盘做匀速圆周运动而不产生相对滑动,则在改变下列何种条件的情况下,滑块仍能与圆盘保持相对静止( )
A.增大圆盘转动的角速度
B.增大滑块到转轴的距离
C.增大滑块的质量m
D.改变上述任一条件的情况下都不可能使滑块与圆盘保持相对静止
7、关于圆周运动的向心加速度的物理意义,下列说法中正确的是:
A.它描述的是线速度大小变化的快慢
B.它描述的是角速度大小变化的快慢
C.它描述的是线速度方向变化的快慢
D.以上说法均不正确
8、如图所示,为一在水平面内做匀速圆周运动的圆锥摆,关于摆球A的受力情况,下列说法中正确的是:
A.摆球A受重力、拉力和向心力的作用
B.摆球A受拉力和向心力的作用
C.摆球A受拉力和重力的作用
D.摆球A受重力和向心力的作用
9、在光滑水平面上相距20cm钉上A、B两个钉子,一根长1m的细绳一端系小球,另一端拴在A钉上,如图所示.已知小球质量为kg,小球开始以2m/s的速度做水平匀速圆周运动,若绳所能承受的最大拉力为4N,则从开始运动到绳拉断历时( )
ssss
10、一个质点受到两个互成锐角的力F1和F2作用,由静止开始运动,若运动中保持二力方向不变,但F1突然增大到F1+ΔF2,则质点以后( )
A.一定做匀变速曲线运动
B.在相等的时间内速度的变化一定相等
C.可能做匀速直线运动
D.可能做变加速直线运动
11、物体以速度水平抛出,若不计空气阻力,则当其竖直分位移与水平位移相等时,以下说法中不正确的是
A.竖直分速度等于水平分速度B.即时速度大小为
C.运动的时间为D.运动的位移为
12、一条河宽为,河水流速为,小船在静水中的速度为,要使小船在渡河过程中所行路程S最短,则:
A.当>时,S=B.当<时,
C.当>时,D.当<,
二、填空题(本大题共6小题,每空2分,共24分。
把答案填写在题中横线上的空白处,不要求写出说明或过程)
13.在长为80cm的玻璃管中注满清水,水中放一个可以匀速上浮的红蜡烛,将此玻璃管竖直放置,让红蜡烛沿玻璃管从底部匀速上升,与此同时,让玻璃管沿水平方向向右匀速移动,若红蜡烛在玻璃管中沿竖直方向向上运动的速度为8cm/s,玻璃管沿水平方向移动的速度为6cm/s,则红蜡烛运动的速度大小是cm/s,红蜡烛上升到水面的时间为S。
14、小球从离地5m高、离竖直墙4m远处以8m/s的速度向墙水平抛出,不计空气阻力,则小球碰墙点离地高度为 m,要使小球不碰到墙,它的初速度必须小于m/s。
(取g=10m/s2)
15、如图所示皮带转动轮,大轮直径是小轮直径的2倍,A是大轮边缘上一点,B是小轮边缘上一点,C是大轮上一点,C到圆心O1的距离等于小轮半径。
转动时皮带不打滑,则A、B两点的角速度之比ωA:
ωB=_,
B、C两点向心加速度大小之比:
=___。
16.一辆汽车以54km/h的速率通过一座拱桥的桥顶,汽车对桥面的压力等于车重的一半,这座拱桥的半径是m。
若要使汽车过桥顶时对桥面无压力,则汽车过桥顶时的速度大小至少是m/s。
17.从某高度处以12m/s的初速度水平抛出一物体,经2s落地,g取10m/s2,则物体抛出处的高度是______m,物体落地点的水平距离是______m。
18.如图所示是在“研究平抛物体的运动”的实验中记录的一段轨迹。
已知物体是从原点O水平抛出,经测量C点的坐标为(60,45)。
则平抛物体的初速度=m/s,该物体运动的轨迹为一抛物线,其轨迹方程为
三、计算题(本大题共4个小题,第19题6分,第20题10分,第21题12分,第22题12分,共40分。
要求写出主要的文字说明、方程和演算步骤,只写出答案而未写出主要的演算过程的不能得分,答案中必须写出数字和单位)
19、某同学在某砖墙前的高处水平抛出一石子,石子在空中运动的部分轨迹照片如图所示。
从照片可看出石子恰好垂直打在一倾角为的斜坡上的A点。
已知每块砖的平均厚度为20cm,抛出点到A点竖直方向刚好相距100块砖,求:
(1)石子在空中运动的时间t;
(2)石子水平抛出的速度v0。
20.如图所示,长为R的轻质杆(质量不计),一端系一质量为的小球(球大小不计),绕杆的另一端O在竖直平面内做匀速圆周运动,若小球最低点时,杆对球的拉力大小为,求:
①小球最低点时的线速度大小?
②小球通过最高点时,杆对球的作用力的大小?
③小球以多大的线速度运动,通过最高处时杆对球不施力?
21.如图所示,在圆柱形屋顶中心天花板上O点,挂一根L=3m的细绳.绳的下端挂一个质量m=kg的小球.已知绳能承受的最大拉力为10N,小球在水平面内做圆周运动.当速度逐渐增大到绳断裂后,小球以v=9m/s的速度恰落在墙角边,求这个圆柱形房顶的高度H和半径R(取g=10m/s2).
22.如图所示,轨道ABCD的AB段为一半径R=的光滑1/4圆形轨道,BC段为高为h=5的竖直轨道,CD段为水平轨道。
一质量为的小球由A点从静止开始下滑到B点时速度的大小为2/s,离开B点做平抛运动(g取10/s2),求:
①小球离开B点后,在CD轨道上的落地点到C的水平距离;
②小球到达B点时对圆形轨道的压力大小?
③如果在BCD轨道上放置一个倾角=45°的斜面(如图中虚线所示),那么小球离开B点后能否落到斜面上?
如果能,求它第一次落在斜面上的位置。
参考答案
一、选择题(每小题3分,共36分)
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
答案
B
A
D
D
D
B
C
C
B
D
A
C
二、填空题:
(每空2分,共24分)
13.10、_10__.14.___、__4_15.1:
2、4:
116.__45、
17.20、2418、2、
三、计算题
19题6分,
解:
(1)由题意可知:
石子落到A点的竖直位移y=100×20×10-2m=2m…………(1分)
由y=gt2/2…………(1分)得t=2s…………(1分)
(2)由A点的速度分解可得v0=vytan370…………(1分))
又因vy=g,解得vy=20m/s…(1分)故v0=15m/s。
………(1分)
20题10分,解:
(1)A球做竖直下抛运动:
将、代入,可得:
………………(5分)
(2)B球做平抛运动:
将、代入,可得:
此时A球与B球的距离为:
将、、代入,
得:
………………5分)
21题12分,解:
(1)小球过最低点时受重力和杆的拉力作用,由向心力公式知
T-G=解得…………(4分)
2)小球以线速度通过最高点时所需的向心力
小于,故杆对小球施加支持力FN的作用,小球所受重力G和支持力FN的合力提供向心力,G-FN=,解得FN=………(4分)
3)小球过最高点时所需的向心力等于重力时杆对球不施力,解得……………(4分)
22题12分解:
⑴设小球离开B点做平抛运动的时间为t1,落地点到C点距离为s
由h=gt12得:
t1==s=1s………………………(2分)
s=vB·t1=2×1m=2m………………………………(2分)
⑵小球达B受重力G和向上的弹力F作用,由牛顿第二定律知
解得F=3N…………………(2分)
由牛顿第三定律知球对B的压力,即小球到达B点时对圆形轨道的压力大小为3N,方向竖直向下。
………………………(1分)
⑶如图,斜面BEC的倾角θ=45°,CE长d=h=5m
因为d>s,所以小球离开B点后能落在斜面上……………………………(1分)
(说明:
其它解释合理的同样给分。
)
假设小球第一次落在斜面上F点,BF长
为L,小球从B点到F点的时间为t2
Lcosθ=vBt2①
Lsinθ=gt22②
联立①、②两式得
t2=…………(1分)
L==m==……………………………(3分)
说明:
关于F点的位置,其它表达正确的同样给分。