3、圆周运动的案例分析.doc

2.3 圆周运动的案例分析（一）1．(轻杆模型)如图8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，细杆长0.5 m，小球质量为3 kg，现给小球一初速度使它做圆周运动，若小球通过轨道最低点a的速度为va＝4 m/s，通过轨道最高点b的速度为vb＝2 m/s，取g＝10 m/s2，则小球通过最低点和最高点时对细杆作用力的情况是(　　)图8A．在a处为拉力，方向竖直向下，大小为126 NB．在a处为压力，方向竖直向上，大小为126 NC．在b处为拉力，方向竖直向上，大小为6 ND．在b处为压力，方向竖直向下，大小为6 N答案　AD解析　小球对细杆的作用力大小等于细杆对小球的作用力．在a点设细杆对球的作用力为Fa，则有Fa－mg＝，所以Fa＝mg＋＝(30＋) N＝126 N，故小球对细杆的拉力为126 N，方向竖直向下，A正确，B错误．在b点设细杆对球的作用力向上，大小为Fb，则有mg－Fb＝，所以Fb＝mg－＝30 N－ N＝6 N，故小球对细杆为压力，方向竖直向下，大小为6 N，C错误，D正确．2．(轻绳模型)如图9所示，质量为m的小球在竖直平面内的光滑圆轨道内侧做圆周运动．圆半径为R，小球经过圆轨道最高点时刚好不脱离圆轨道．则其通过最高点时(　　)图9A．小球对圆轨道的压力大小等于mgB．小球所需的向心力等于重力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　由题意可知，小球在竖直平面内的光滑圆轨道的内侧做圆周运动．经过圆轨道最高点时，刚好不脱离圆轨道的临界条件是，只由重力提供做圆周运动的向心力，即mg＝＝ma向，所以v＝，a向＝g，B、C、D正确．题组一　竖直面内的圆周运动问题1．如图3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3A．0 B. C. D.答案　C解析　由题意知F＋mg＝2mg＝m，故速度大小v＝，C正确．2.半径为R的光滑半圆球固定在水平面上(如图4所示)，顶部有一小物体A，今给它一个水平初速度v0＝，则物体将(　　)图4A．沿球面下滑至M点B．沿球面下滑至某一点N，便离开球面做斜下抛运动C．沿半径大于R的新圆弧轨道做圆周运动D．立即离开半圆球做平抛运动答案　D解析　当v0＝时，所需向心力F向＝m＝mg，此时，物体与半球面顶部接触但无弹力作用，物体只受重力作用，故做平抛运动．3.如图5所示，一个固定在竖直平面内的光滑圆形管道，管道里有一个直径略小于管道内径的小球，小球在管道内做圆周运动，下列说法中正确的是(　　)图5A．小球通过管道最低点时，小球对管道的压力向下B．小球通过管道最低点时，小球对管道的压力向上C．小球通过管道最高点时，小球对管道的压力可能向上D．小球通过管道最高点时，小球对管道可能无压力答案　ACD4.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m＝0.5 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6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(g＝10 m/s2)(　　)图6A．“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v＝＝4 m/s，由此知绳的拉力恰为零，且水恰不流出．故选B.5.如图7所示，长为l的轻杆，一端固定一个小球，另一端固定在光滑的水平轴上，使小球在竖直面内做圆周运动，关于最高点的速度v，下列说法正确的是(　　)图7A．v的极小值为B．v由零逐渐增大，向心力也增大C．当v由逐渐增大时，杆对小球的弹力逐渐增大D．当v由逐渐减小时，杆对小球的弹力逐渐增大答案　BCD解析　由于是轻杆，即使小球在最高点速度为零，小球也不会掉下来，因此v的极小值是零，A错误；v由零逐渐增大，由F＝可知，F向也增大，B正确；当v＝时，F向＝＝mg，此时杆恰对小球无作用力，向心力只由其自身重力提供；当v由增大时，则＝mg＋F，故F＝m－mg，杆对球的力为拉力，且逐渐增大；当v由减小时，杆对球的力为支持力．此时，mg－F′＝，F′＝mg－，支持力F′逐渐增大，杆对球的拉力、支持力都为弹力，所以C、D也正确，故选B、C、D.6．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．(g＝10 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mg＝m，解得：v0＝3 m/s.(2)v1＞v0，由牛顿第二定律得：mg＋F1＝m，由牛顿第三定律得：F1′＝F1，解得F1′＝6 N，方向竖直向上．v2＜v0，由牛顿第二定律得：mg－F2＝m，由牛顿第三定律得：F2′＝F2，解得：F2′＝1.5 N，方向竖直向下．题组三　综合应用7．质量为25 kg的小孩坐在质量为5 kg的秋千板上，秋千板离拴绳子的横梁2.5 m．如果秋千板摆动经过最低点的速度为3 m/s，这时秋千板所受的压力是多大？每根绳子对秋千板的拉力是多大？(g取10 m/s2)答案　340 N　204 N解析　把小孩作为研究对象对其进行受力分析知，小孩受重力G和秋千板对他的的支持力N两个力，故在最低点有：N－G＝m所以N＝mg＋m＝250 N＋90 N＝340 N由牛顿第三定律可知，秋千板所受压力大小为340 N.设每根绳子对秋千板的拉力为T，将秋千板和小孩看作一个整体，则在最低点有：2T－(M＋m)g＝(M＋m)解得T＝204 N.8.如图8为电动打夯机的示意图，在电动机的转动轴O上装一个偏心轮，偏心轮的质量为m，其重心离轴心的距离为r.除偏心轮外，整个装置其余部分的质量为M.当电动机匀速转动时，打夯机的底座在地面上跳动而将地面打实夯紧，试分析并回答：图8(1)为了使底座能跳离地面，偏心轮的最小角速度ω是多少？(2)如果偏心轮始终以这个角速度转动，底坐对地面压力的最大值为多少？答案　(1) 　(2)2Mg＋2mg解析　(1)M刚好跳离地面时受力分析如图甲所示：对m有T1＋mg＝mω2r对M有：T1－Mg＝0解得：ω＝(2)M对地面的最大压力为Nm时的受力分析如图乙所示：对m有：T2－mg＝mω2r对M有：Nm－Mg－T2＝0解得：Nm＝2Mg＋2mg。