高中物理必修二向心力.docx

1、高中物理必修二向心力第6节向心力1理解向心力是一种效果力，其效果是产生向心加速度，方向总是指向圆心2知道向心力大小与哪些因素有关，并能用来进行计算(重点)3知道在变速圆周运动中向心力为合力沿半径方向的分力(难点)一、向心力1定义：做圆周运动的物体所受到的指向圆心方向的合力叫向心力2方向：始终沿半径指向圆心3计算式：(1)Fnm；(2)Fnm2r二、变速圆周运动和一般的曲线运动1变速圆周运动：同时具有向心加速度和切向加速度的圆周运动2一般的曲线运动的处理方法一般的曲线运动，可以把曲线分割成许多极短的小段，每一小段可看做一小段圆弧研究质点在每一小段的运动时，可以采用圆周运动的分析方法进行处理3变速

2、圆周运动的受力分析：做变速圆周运动的物体所受的合力并不指向圆心这一力F可以分解为互相垂直的两个力：跟圆周相切的分力Ft和指向圆心方向的分力Fn物体做加速圆周运动时，合力方向与速度方向夹角小于90，如图甲所示，其中Ft使v增大，Fn使v改变方向同理，F与v夹角大于90时，Ft使v减小，Fn改变v的方向，如图乙所示 判一判(1)做匀速圆周运动的物体的向心力是恒力( )(2)向心力和重力、弹力一样，都是根据性质命名的( )(3)向心力可以是物体受到的某一个力，也可以是物体受到的合力( )(4)变速圆周运动的向心力并不指向圆心( )(5)变速圆周运动的向心力大小改变( )(6)做变速圆周运动的物体所受

3、合力的大小和方向都改变( )提示：(1)(2)(3)(4)(5)(6) 做一做(多选)如图所示，用细绳拴一小球在光滑桌面上绕一铁钉(系一绳套)做匀速圆周运动，关于小球的受力，下列说法正确的是( )A重力、支持力、绳子拉力B重力、支持力、绳子拉力和向心力C重力、支持力、向心力D绳子拉力充当向心力提示：选AD小球受重力、支持力、绳子拉力三个力的作用，A正确，B、C错误；重力和支持力是一对平衡力，绳子的拉力充当向心力，D正确 想一想荡秋千是小朋友很喜欢的游戏，当秋千由上向下荡下时，求：(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，

4、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向心力来源分析1向心力的作用(1)向心力是产生向心加速度的原因，由牛顿第二定律Fnman知，向心力与向心加速度的大小、方向有瞬时对应关系(2)质点做圆周运动时，任意时刻都有沿切线方向飞出的趋势，而向心力的作用正是使质点沿圆轨道运动，如果某一时刻失去向心力，质点从此时刻起就沿切线方向飞出去2向心力的来源分析(1)向心力是根据力的作用效果命名的，凡是产生向心加速度的力，不管属于哪种性质，都是向心力它可以是重力、弹力、摩擦力等各种性质的力，也可以是几个力的合力，还可以是某个力

5、的分力(2)若物体做匀速圆周运动，其向心力必然是物体所受的合力，它始终沿着半径方向指向圆心，并且大小恒定(3)若物体做非匀速圆周运动，其向心力则为物体所受的合力在半径方向上的分力，而合力在切线方向的分力则用于改变线速度的大小(4)实例分析弹力提供向心力如图所示，绳子的一端系在光滑水平桌面上的O点，另一端系一小球，小球在桌面上做匀速圆周运动，则小球做匀速圆周运动的向心力由绳子的拉力(弹力)提供静摩擦力提供向心力如图所示，木块随圆盘一起做匀速圆周运动，其向心力由静摩擦力提供，静摩擦力总是沿半径指向圆心说明木块相对圆盘的运动趋势方向是沿半径背离圆心，静摩擦力的方向与相对运动趋势方向相反汽车在水平路面

6、上拐弯时所需的向心力就是由路面施加的静摩擦力提供的合力提供向心力实际上，上述几种情况均是由合力提供向心力的，只不过物体所受的合力就等于其中某个力而已物体做匀速圆周运动时，其合力必然等于所需的向心力，只不过有时合力不易求出，必须应用平行四边形定则才能求得如图所示，汽车过拱形桥经最高点时，其向心力由重力和支持力的合力提供向心力由分力提供如图所示，物体在竖直平面内的光滑轨道内做圆周运动经过A点时，向心力由轨道施加的支持力和重力在半径方向的分力提供，即FnFNG1 命题视角1对向心力的来源分析(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

7、小球所需向心力是( )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分析向心力来源时就沿着半径方向求合力即可，注意作出正确的受力分析图如图所示，对小球进行受力分析，它受到重力和绳子的拉力作用，向心力是指向圆心方向的合力因此，它可以是小球所受合力沿绳方向的分力，也可以是各力沿绳方向的分力的合力答案CD 命题视角2向心力的大小计算质量不计的轻质弹性杆P插在桌面上，杆上端套有一个质量为m的小球今使小球沿水平方向做半径为R的匀速圆周运动，角速度为，如图所示，则杆的上端受到球的作用力大小是( )Am2R BC Dmg解析小球受到重力mg和杆的作用力

8、F作用，如图所示，F与水平方向的夹角为，根据牛顿第二定律，水平方向：Fcos mR2 竖直方向：Fsin mg 由两式得：F .答案C分析向心力来源的步骤是：首先确定研究对象运动的轨道平面和圆心的位置，然后分析圆周运动物体所受的力，作出受力图，最后找出这些力指向圆心方向的合力就是向心力【通关练习】1下列关于向心力的说法中正确的是( )A物体由于做圆周运动而产生向心力B向心力不改变做圆周运动物体的速度大小C做匀速圆周运动的物体其向心力是不变的D做圆周运动的物体所受各力的合力一定是向心力解析：选B.力是改变物体运动状态的原因，因为有向心力物体才做圆周运动，故选项A错误向心力只改变物体运动的方向，不

9、改变物体速度的大小，故选项B正确物体做匀速圆周运动的向心力方向永远指向圆心，其大小不变，方向时刻改变，故选项C错误只有在匀速圆周运动中，合力提供向心力，而在非匀速圆周运动中向心力并非物体所受的合力，而是合力指向圆心的分力提供向心力，故选项D错误2(2020云南腾冲期中)把一个小球放在玻璃漏斗中，晃动漏斗，可以使小球沿光滑的漏斗壁在某一水平面内做匀速圆周运动小球所受到的力有()A重力、支持力B重力、支持力、向心力C重力、支持力、沿漏斗壁的下滑力D重力、支持力、向心力、沿漏斗壁的下滑力解析：选A.小球受到重力和支持力，由于小球在水平面内做匀速圆周运动，小球的向心力由重力和支持力的合力提供，故A正确

10、，B、C、D错误圆周运动的求解1解决匀速圆周运动相关问题的方法就是解决动力学问题的一般方法，其解决问题的步骤也是解决动力学问题的步骤，但要注意灵活运用匀速圆周运动的一些运动学规律，同时在解题的过程中要弄清匀速圆周运动问题的轨道平面、圆心和半径等(1)指导思路：凡是做匀速圆周运动的物体一定需要向心力，而物体所受的合外力充当向心力，这是处理该类问题的理论基础(2)明确研究对象：明确物体做匀速圆周运动的轨道平面对研究对象进行受力分析，画出受力示意图(3)列出方程：垂直圆周轨道平面的合力F合0跟轨道平面在同一平面的合力Fnmm2rmr2解决变速圆周运动问题的处理办法：解决变速圆周运动问题，依据的规律仍

11、然是牛顿第二定律和匀速圆周运动的运动学公式，只是在公式Fnmmr2mr42mn2rmv中，v、都是指该点的瞬时值当然也可以根据以后学的能量关系求解3一般的曲线运动运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动，称为一般的曲线运动一般的曲线运动可以分为很多小段，每一小段都可以看成是某个圆周的一部分，这样在分析物体经过某位置的运动时，就可以采用圆周运动的分析方法进行处理了例如车辆的运动通常是一个比较复杂的曲线运动，在这个复杂的曲线运动中可取一小段研究如图所示，汽车在高低不平的路面上行驶时，不同位置上所对应的“圆周运动”的“圆心”和“半径”是不同的 命题视角1匀速圆周运动的求解方法(多选)(2020黑龙江鹤

12、岗期中)如图所示，在光滑水平面上钉有两个钉子A和B，一根长细绳的一端系一个小球，另一端固定在钉子A上，开始时小球与钉子A、B均在一条直线上(图示位置)，且细绳的一大部分沿俯视顺时针方向缠绕在两钉子上，现使小球以初速度v0在水平面上沿俯视逆时针方向做匀速圆周运动，使两钉子之间缠绕的绳子逐渐释放，在绳子完全被释放后与释放前相比，下列说法正确的是()A小球的线速度变大B小球的角速度变小C小球的向心加速度不变D细绳对小球的拉力变小解析在绳子完全被释放后与释放前相比，小球所受的拉力与速度垂直，不改变速度大小，故A错误；由vr，v不变，r变大，则角速度变小，故B正确；小球的加速度a，r变大，向心加速度变小

13、，故C错误；细绳对小球的拉力Fmam，r变大，细绳对小球的拉力变小，故D正确答案BD 命题视角2变速圆周运动的求解方法如图所示，一质量为m的木块从光滑的半球形的碗边开始下滑，在木块下滑过程中( )A它的加速度方向指向球心B它所受合力就是向心力C它所受向心力不断增大D它对碗的压力不断减小解题探究 (1)木块的受力情况如何？向心力的来源如何？(2)木块做圆周运动的速度有何特点？解析下滑过程中木块沿弧线切线和法线方向均有加速度，合加速度不指向球心(底端除外)，A错误；物体所受合力的法向分量是向心力，且是变化的，B错误；下滑过程中速度加快，由F向m，向心力增大，C正确；而向心力是由支持力和重力法向分力

14、的合力提供，设重力与沿半径方向成夹角，则FNmgcos m，由于减小，而合力在增大，因此支持力在增大，即可推出物体对碗压力增大，D错误答案C 命题视角3圆周运动中的临界问题如图所示，水平转盘的中心有一个光滑的竖直小圆孔，质量为m的物体A放在转盘上，物体A到圆孔的距离为r，物体A通过轻绳与物体B相连，物体B的质量也为m若物体A与转盘间的动摩擦因数为，则转盘转动的角速度在什么范围内，才能使物体A随转盘转动而不滑动？思路点拨 求解本题时首先要明确充当向心力的力并非只有轻绳的拉力当物体A有沿转盘背离圆心滑动的趋势时，A受到指向圆心的摩擦力；当物体A有沿转盘向圆心滑动的趋势时，A受到背离圆心的摩擦力解析

15、当A将要沿转盘背离圆心滑动时，A所受的摩擦力为最大静摩擦力，方向指向圆心，此时A做圆周运动所需的向心力为绳的拉力与最大静摩擦力的合力，即FFfmaxmr 由于B静止，故有Fmg 又FfmaxFNmg 由式可得1当A将要沿转盘向圆心滑动时，A所受的摩擦力为最大静摩擦力，方向背离圆心，此时A做圆周运动所需的向心力为FFfmaxmr 由式可得2故要使A随转盘一起转动而不滑动，其角速度的范围为21，即 .答案 1圆锥摆模型问题特点(1)物体只受重力和弹力两个力作用(2)物体在水平面内做匀速圆周运动(3)在竖直方向上重力与弹力的竖直分力相等(4)在水平方向上弹力的水平分力提供向心力2两点透析变速圆周运动

16、(1)变速圆周运动中，向心加速度和向心力的大小和方向都变化(2)变速圆周运动中，某一点的向心加速度和向心力均可用an、anr2和Fnm、Fnmr2公式求解，只不过v、都是指该点的瞬时值3关于水平面内匀速圆周运动的临界问题，要特别注意分析物体做圆周运动的向心力来源，考虑达到临界条件时物体所处的状态，即临界速度、临界角速度，然后分析该状态下物体的受力特点，结合圆周运动的知识，列方程求解通常碰到较多的是涉及如下三种力的作用：(1)与绳的弹力有关的临界条件：绳弹力恰好为0(2)与支持面弹力有关的临界条件：支持力恰好为0(3)因静摩擦力而产生的临界问题：静摩擦力达到最大值【通关练习】1(多选)在匀速转动

17、的洗衣机脱水桶内壁上，有一件湿衣服随圆桶一起转动而未滑动，则( )A衣服随圆桶做圆周运动的向心力由静摩擦力提供B圆桶转速增大，衣服对桶壁的压力也增大C圆桶转速足够大时，衣服上的水滴将做离心运动D圆桶转速增大以后，衣服所受摩擦力也增大答案：BC2如图所示，长为l的悬线固定在O点，另一端拴着质量为m的小球，将悬线拉至水平，由静止释放小球，当悬线与竖直方向成角时，小球的速度为v，下列说法正确的是( )A小球做匀速圆周运动B小球的加速度为aC细线的拉力大小为mmgcos D细线的拉力等于小球的向心力解析：选C.小球下摆过程中速度越来越大，做加速运动，小球除了有向心加速度外还有切向加速度，拉力与重力沿细

18、线方向的分力的合力充当向心力，有FTmgcos m，整理得FTmmgcos ，故A、B、D错误，C正确3如图所示，半径为r的圆柱形转筒，绕其竖直中心轴OO转动，小物体a靠在圆筒的内壁上，它与圆筒间的动摩擦因数为，要使小物体不下落，圆筒转动的角速度至少为( )A BC D解析：选C.当圆筒的角速度为时，其内壁对物体a的弹力为FN，要使物体a不下落，应满足FNmg，又因为物体在水平面内做匀速圆周运动，则FNmr2，联立两式解得，则圆筒转动的角速度至少为0.随堂检测 1(多选)做匀速圆周运动的物体所受的向心力是( )A因向心力总是沿半径指向圆心，且大小不变，故向心力是一个恒力B因向心力指向圆心，且与

19、线速度方向垂直，所以它不能改变线速度的大小C物体所受的合外力D向心力和向心加速度的方向都是不变的解析：选BC.做匀速圆周运动的物体所受的向心力是物体所受的合外力，由于指向圆心，且与线速度方向垂直，不能改变线速度的大小，只用来改变线速度的方向，向心力虽大小不变，但方向时刻改变，不是恒力，由此产生的向心加速度也是变化的，所以选项A、D错误，选项B、C正确2(多选)火车以60 m/s的速率转过一段弯道，某乘客发现放在桌面上的指南针在10 s内匀速转过了约10在此10 s时间内，火车( )A运动路程为600 m B加速度为零C角速度约为1 rad/s D转弯半径约为34 km解析：选AD.在此10 s

20、时间内，火车运动路程svt6010 m600 m，选项A正确；火车在弯道上运动，做曲线运动，一定有加速度，选项B错误；火车匀速转过10，约为 rad，角速度 rad/s，选项C错误；由vR，可得转弯半径约为3.4 km，选项D正确3(多选)如图所示，物体位于半径为R的半球顶端，若给物体水平初速度v0时，物体恰能与球面无接触滑下，则( )A物体在球顶时对球顶的压力为零B物体落地时的水平位移为RC物体的初速度v0D物体落地时速度方向与地面成45角解析：选AC.当物体与球面恰好不接触滑离球面时，物体的重力提供向心力，物体对半球顶端的压力为零，v0满足mg，得v0，故选项A、C正确；落地时间设为t，则

21、Rgt2，水平位移xv0t，将v0代入，解以上两式得xR，故选项B错误；落地时vygt，落地速度与水平方向的夹角tan ，得55，故选项D错误4如图所示，质量为m的滑块与轨道间的动摩擦因数为当滑块从A滑到B的过程中，受到的摩擦力的最大值为F，则( )AFmgBFmgD无法确定F与mg的大小关系解析：选C.滑块下滑，到达水平面之前做圆周运动，在圆轨道的最低点，弹力大于重力，故摩擦力的最大值Fmg.5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

22、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mgm2r，解得 ，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6(2020黑龙江鸡西期中)有一箱鸡蛋在转盘上随转盘以角速度做匀速圆周运动，其中一个处于中间位置的鸡蛋质量为m，它(可视为质点)到转轴的距离为R，则其周围的鸡蛋对该鸡蛋的作用力大小可表示为()Amg B.CmR2 D.解

23、析：选D.鸡蛋做匀速圆周运动，受重力和其周围的鸡蛋对该鸡蛋的作用力F，合力提供向心力，根据牛顿第二定律有：水平方向Fxm2R，竖直方向Fymg0，解得其周围的鸡蛋对该鸡蛋的作用力大小F，故D正确，A、B、C错误 课时作业 【A组基础过关】1如图所示，一个水平圆盘绕通过圆盘中心O且垂直于盘面的竖直轴匀速转动，物块A放在圆盘上且与圆盘保持相对静止，则物块A的受力情况是( )A重力、支持力B重力、支持力和指向圆心的静摩擦力C重力、支持力、向心力和摩擦力D以上说法均不正确解析：选B.水平圆盘匀速转动，物块A放在盘上且与圆盘保持相对静止，则物块A必绕O点在水平面内做匀速圆周运动，一定有力提供它做匀速圆周

24、运动所需要的向心力，物块A在水平盘上，受重力(方向竖直向下)、支持力(方向竖直向上)，这两个力都不能提供向心力(向心力沿水平方向)，因而只有圆盘对A的静摩擦力充当向心力，才能使A做匀速圆周运动2如图所示，一圆盘可绕一通过圆心且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放一块橡皮，橡皮块随圆盘一起转动(俯视为逆时针)某段时间圆盘转速不断增大，但橡皮块仍相对圆盘静止，在这段时间内，关于橡皮块所受合力F的方向的四种表示(俯视图)中，正确的是( )解析：选C. 橡皮块做加速圆周运动，合力不指向圆心，但一定指向圆周的内侧；合力的径向分力提供向心力，切向分力产生切向加速度由于做加速圆周运动，转速不断增加，故合力与速

25、度的夹角小于90；故选C.3(2020重庆高一检测)游乐园的转盘游戏如图所示，游客坐在匀速转动的水平转盘上，与转盘相对静止，关于他们的受力情况和运动趋势，下列说法正确的是()A只受到重力、支持力和滑动摩擦力的作用B受到重力、支持力、静摩擦力和向心力的作用C游客相对于转盘的运动趋势与其运动方向相反D游客受到的静摩擦力方向沿半径指向圆心解析：选D.游客受到重力、支持力和静摩擦力作用，由静摩擦力提供向心力，向心力指向圆心，A、B错误，D正确；游客相对于转盘的运动趋势方向与其运动方向垂直，C错误4一辆汽车在水平公路上转弯，沿曲线由M向N行驶，速度逐渐增加，选项图中分别画出了汽车转弯时所受合力F的四种方

26、向，正确的是( )解析：选B.汽车沿曲线运动时，轨迹应位于F和v的方向夹角之间，且向力一侧弯曲，故A、D选项错误；选项B、C中，将力沿切线和径向分解，沿半径方向的分力Fn提供向心力，改变速度的方向；沿切线方向的分力Ft改变速度的大小，要使速度增加，Ft应与v同向，故B选项正确5如图所示，轻质且不可伸长的细绳一端系一质量为m的小球，另一端固定在天花板上的O点则小球在竖直平面内摆动的过程中，以下说法正确的是( )A小球在摆动过程中受到的外力的合力即为向心力B在最高点A、B，因小球的速度为0，所以小球受到的合力为0C小球在最低点C所受的合力，即为向心力D小球在摆动过程中使其速率发生变化的力为绳子的拉

27、力解析：选C.小球以悬点O为圆心做变速圆周运动，在摆动过程中，其所受外力的合力并不指向圆心沿半径方向的合力提供向心力，重力沿圆弧切向的分力提供切向加速度，改变小球运动速度的大小在A、B两点，小球的速度虽然为0，但有切向加速度，故其所受合力不为0；在最低点C，小球只受重力和绳的拉力，其合力提供向心力由以上分析可知，选项C正确6如图所示，“旋转秋千”装置中的两个座椅A、B质量相等，通过相同长度的缆绳悬挂在旋转圆盘上不考虑空气阻力的影响，当旋转圆盘绕竖直的中心轴匀速转动时，下列说法正确的是( )AA的速度比B的大BA与B的向心加速度大小相等C悬挂A、B的缆绳与竖直方向的夹角相等D悬挂A的缆绳所受的拉

28、力比悬挂B的小解析：选D.当旋转圆盘绕竖直的中心轴匀速转动时，二者的角速度相等，由vr可知，A的速度比B的小，选项A错误由a2r可知，选项B错误由于二者加速度不相等，悬挂A、B的缆绳与竖直方向的夹角不相等，选项C错误悬挂A的缆绳所受的拉力比悬挂B的小，选项D正确7某物理小组的同学设计了一个粗测玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验所用器材有：玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器(圆弧部分的半径为R020 m)完成下列填空：(1)将凹形桥模拟器静置于托盘秤上，如图甲所示，托盘秤的示数为100 kg；(2)将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时，托盘秤的示数如图乙所示，该示数为_kg；(3)将小车从

29、凹形桥模拟器某一位置释放，小车经过最低点后滑向另一侧此过程中托盘秤的最大示数为m；多次从同一位置释放小车，记录各次的m值如下表所示：序号12345m(kg)180175185175190(4)根据以上数据，可求出小车经过凹形桥最低点时对桥的压力为_N；小车通过最低点时的速度大小为_m/s(重力加速度大小取980 m/s2，计算结果保留2位有效数字)解析：(2)示数为1.40 kg，注意估读(4)小车经过凹形桥最低点时对桥的压力FNmgM桥g(181100)980 N79 N，小车通过最低点时受到的支持力FFN79 N，小车质量m车140 kg100 kg040 kg，由Fm车gm车，解得v14 m/s答案：(2)1.40(4)7.91.4【B组素养提升】8如图所示，M能在水平光滑杆上自由滑动，光滑杆连架装在转盘上M用绳跨过在圆心处