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习题课3竖直面内的圆周运动学习目标 1.了解竖直面上圆周运动的两种基本模型.2.掌握轻绳约束下圆周运动的两个特殊点的相关分析.3.学会分析圆周运动问题的一般方法.一、竖直面内圆周运动的轻绳(过山车)模型导学探究如图1所示,长为L的细绳拴着质量为m的小球在竖直面内做圆周运动.试分析:图1(1)当小球在最低点A的速度为v1时,求绳的拉力FT1.(2)当小球在最高点B的速度为v2时,求绳的拉力FT2.(3)小球过最高点的最小速度是多大?(4)假设绳拉球过最高点时最小速度小于,则会产生什么样的后果?请总结绳拉球过最高点的条件.(5)有一竖直放置、内壁光滑的圆环,其半径为r,质量为m的小球沿它的内表面做圆周运动,分析小球在最高点A的速度应满足什么条件?答案(1)最低点:FT1mg(2)最高点:FT2mg(3)由于绳不可能对球有向上的支持力,只能产生向下的拉力,由FT2mg可知,当FT20时,v2最小,最小速度为v0.(4)当v时,所需的向心力Fnmg.此时,重力mg的一部分提供向心力,剩余的另一部分力会使小球向下偏离圆周轨道,即小球此时不能过最高点做圆周运动,这之前已经脱离圆周轨道了.绳拉球过最高点的条件是:v.(5)与绳拉球模型相似,在最高点A时,有FNmgm,当FN0时,v最小为v0,当vv0时,小球刚好能够通过最高点,当vv0时,小球能够通过最高点.知识深化轻绳模型(如图2所示)的最高点问题图21.绳(内轨道)施力特点:只能施加向下的拉力(或压力).2.在最高点的动力学方程FTmgm.3.在最高点的临界条件FT0,此时mgm,则v.v时,拉力或压力为零.v时,小球受向下的拉力或压力.v时,F0,表示球受杆的作用力方向向下,表现为拉力.当v1时,F时,FN0,即上管壁对球有向下的压力;当0v时,FN,杆或管的外侧对球产生向下的拉力或弹力,F随v 增大而增大.(2)v,球在最高点只受重力,不受杆或管的作用力,F0.(3)0v,杆或管的内侧对球产生向上的弹力,F随v的增大而减小.3.小球能过最高点的条件:v0.例2长L0.5 m的轻杆,其一端连接着一个零件A,A的质量m2 kg.现让A在竖直平面内绕O点做匀速圆周运动,如图7所示.在A通过最高点时,求下列两种情况下A对杆的作用力大小(g10 m/s2).图7(1)A的速率为1 m/s;(2)A的速率为4 m/s.答案(1)16 N(2)44 N解析以A为研究对象,设其受到杆的拉力为F,则有mgFm.(1)代入数据v11 m/s,可得Fm(g)2(10) N16 N,即A受到杆的支持力为16 N.根据牛顿第三定律可得A对杆的作用力为压力,大小为16 N.(2)代入数据v24 m/s,可得Fm(g)2(10) N44 N,即A受到杆的拉力为44 N.根据牛顿第三定律可得A对杆的作用力为拉力,大小为44 N.例3(多选)如图8所示,半径为L的圆管轨道(圆管内径远小于轨道半径)竖直放置,管内壁光滑,管内有一个小球(小球直径略小于管内径)可沿管转动,设小球经过最高点P时的速度为v,则( )图8A.v的最小值为B.v若增大,球所需的向心力也增大C.当v由逐渐减小时,轨道对球的弹力也减小D.当v由逐渐增大时,轨道对球的弹力也增大答案BD解析由于小球在圆管中运动,最高点速度可为零,A错误;根据向心力公式有Fnm,v若增大,球所需的向心力一定增大,B正确;因为圆管既可提供向上的支持力也可提供向下的压力,当v时,圆管受力为零,故v由逐渐减小时,轨道对球的弹力增大,C错误;v由逐渐增大时,轨道对球的弹力也增大,D正确.故选B、D.1. (轻绳作用下物体的运动)杂技演员表演“水流星”,在长为1.6 m的细绳的一端,系一个与水的总质量为m0.5 kg的盛水容器,以绳的另一端为圆心,在竖直平面内做圆周运动,如图9所示,若“水流星”通过最高点时的速率为4 m/s,则下列说法正确的是(g10 m/s2)()图9A.“水流星”通过最高点时,有水从容器中流出B.“水流星”通过最高点时,绳的张力及容器底部受到的压力均为零C.“水流星”通过最高点时,处于完全失重状态,不受力的作用D.“水流星”通过最高点时,绳子的拉力大小为5 N答案B解析水流星在最高点的临界速度v4 m/s,由此知绳的拉力恰为零,且水恰不流出,故选B.2.(轨道约束下小球的运动)(多选)如图10所示,质量为m的小球在竖直平面内的光滑圆环内侧做圆周运动.圆环半径为R,小球经过圆环内侧最高点时刚好不脱离圆环,则其通过最高点时下列表述正确的是()图10A.小球对圆环的压力大小等于mgB.重力mg充当小球做圆周运动所需的向心力C.小球的线速度大小等于D.小球的向心加速度大小等于g答案BCD解析因为小球经过圆环内侧最高点时刚好不脱离圆环,故在最高点时小球对圆环的压力为零,选项A错误;此时小球只受重力作用,即重力mg充当小球做圆周运动所需的向心力,满足mgmma,即v,ag,选项B、C、D正确.3.(球在管形轨道中的运动)(多选) 如图11所示,小球m在竖直放置的光滑的圆形管道内做圆周运动,下列说法正确的是()图11A.小球通过最高点时的最小速度是B.小球通过最高点时的最小速度为零C.小球在水平线ab以下的管道中运动时外侧管壁对小球一定无作用力D.小球在水平线ab以下的管道中运动时外侧管壁对小球一定有作用力答案BD解析小球通过最高点的最小速度为0,圆形管外侧、内侧都可以对小球提供弹力,小球在水平线ab以下时,必须有指向圆心的力提供向心力,就是外侧管壁对小球的作用力,故B、D正确.4.(杆拉球在竖直面内的运动)质量为0.2 kg的小球固定在长为0.9 m的轻杆一端,杆可绕过另一端O点的水平轴在竖直平面内转动.(g10 m/s2)求:(1)当小球在最高点的速度为多大时,球对杆的作用力为零?(2)当小球在最高点的速度分别为6 m/s和1.5 m/s时,球对杆的作用力.答案(1)3 m/s(2)6 N,方向竖直向上1.5 N,方向竖直向下解析(1)当小球在最高点对杆的作用力为零时,重力提供向心力,则mgm,解得v03 m/s.(2)v1v0,由牛顿第二定律得:mgF1m,由牛顿第三定律得:F1F1,解得F16 N,方向竖直向上.v2v0,由牛顿第二定律得:mgF2m,由牛顿第三定律得:F2F2,解得:F21.5 N,方向竖直向下.课时作业一、选择题(17为单项选择题,810为多项选择题)1.长为L的细绳,一端系一质量为m的小球,另一端固定于某点,当绳竖直时小球静止,再给小球一水平初速度v0,使小球在竖直平面内做圆周运动,并且刚好能过最高点.则下列说法中正确的是()A.小球过最高点时速度为零B.小球开始运动时绳对小球的拉力为mC.小球过最高点时绳对小球的拉力为mgD.小球过最高点时速度大小为答案D2.秋千的吊绳有些磨损,在摆动过程中,吊绳最容易断裂的时候是秋千()A.在下摆过程中 B.在上摆过程中C.摆到最高点时 D.摆到最低点时答案D解析当秋千摆到最低点时速度最大,由Fmgm知,吊绳中拉力F最大,吊绳最容易断裂,选项D正确.3.如图1所示,某公园里的过山车驶过轨道的最高点时,乘客在座椅里面头朝下,人体颠倒,若轨道半径为R,人体重为mg,要使乘客经过轨道最高点时对座椅的压力等于自身的重力,则过山车在最高点时的速度大小为()图1A.0 B. C. D.答案C解析由题意知Fmg2mgm,故速度大小v,C正确.4.如图2所示,质量为m的小球固定在杆的一端,在竖直面内绕杆的另一端O做圆周运动.当小球运动到最高点时,即时速度为v ,L是球心到O点的距离,则球对杆的作用力是()图2A.mg的拉力 B.mg的压力C.零 D.mg的压力答案B解析当重力完全充当向心力时,球对杆的作用力为零,所以mgm解得:v,所以 时,杆对球是支持力,即mgFNm,解得FNmg,由牛顿第三定律,球对杆是压力,故选B.5.某飞行员的质量为m,驾驶飞机在竖直面内以速度v做匀速圆周运动,圆的半径为R,在圆周的最高点和最低点比较,飞行员对
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