资源简介 第六章 专题课 水平面内的圆周运动问题知识点一 水平转台模型1. 物体做圆周运动时,若物体的线速度大小、角速度发生变化,会引起某些力(如拉力、支持力、摩擦力)发生变化,进而出现某些物理量或运动状态的突变,即出现临界状态。水平面内的圆周运动中常见的临界问题:(1)物体恰好(没有)发生相对滑动,静摩擦力达到最大值。(2)物体恰好要离开接触面,物体与接触面之间的弹力为0。(3)绳子恰好断裂,绳子的张力达到最大承受值。(4)物体所受支持力为0或绳子刚好伸直,绳子的张力恰好为0。2. 物理建模(1)特点:向心加速度沿 水平 方向,重力不能提供向心力。 (2)动力学分析:静摩擦力沿 半径 方向,提供向心力,根据牛顿第二定律得Ff静=mω2r,当Ff静=Ffmax= μmg 时,得ω临=, 可见物体是否相对转台滑动,与质量无关。 (3)运动状态分析:在水平面上做圆周运动的物体,当角速度ω变化时,物体有 远离 或 靠近 圆心运动的(半径有变化)趋势。若角速度突然变大,物体做圆周运动所需要的向心力也会变大,物体就会有 离心 趋势;若角速度突然变小,物体则会有 近心 趋势。 例1 (多选)[2024·三门中学月考]如图所示,用同样材料做成的A、B、C三个物体放在匀速转动的水平转台上随转台一起绕竖直轴转动。已知三物体质量间的关系是mA=2mB=3mC,转动半径之间的关系是rC=rA=2rB,下列说法中,正确的是( BC )A. 物体C受到的摩擦力最大B. 物体B受到的摩擦力最小C. 物体A受到的摩擦力最大D. 转台转速加快时,物体B最先开始滑动【解析】 A、B、C三物体绕同一中心轴转动,角速度相等,静摩擦力充当向心力,设mA=2mB=3mC=m,rC=rA=2rB=r,由向心力公式可知FA=mrω2,FB=,FC=,故物体A受到的摩擦力最大,物体B受到的摩擦力最小,A错误,B、C正确;转台转速加快时,恰好发生相对滑动时有μmg=mrω2,解得ω=,故A、C同时滑动,B最后滑动,D错误。变式 如图所示,水平转盘上放有质量为m的物块,物块到转轴的距离为r,物块和转轴用细绳相连,物块和转盘间的动摩擦因数为μ,设物块受到的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知重力加速度为g,求:(1)当转盘的角速度ω1=时,细绳的拉力FT1的大小;(2)当转盘的角速度ω2=时,细绳的拉力FT2的大小。【答案】 (1)0 (2)μmg【解析】 (1)由题意可知,当物块刚好只有摩擦力提供向心力时,有μmg=mω2r,ω=,当角速度ω1<ω时,静摩擦力提供向心力,细绳对物块的拉力为0,即FT1=0。(2)由题意可知,ω2>ω,拉力和静摩擦力一起提供向心力,根据牛顿第二定律得FT2+μmg=mr,得FT2=μmg。知识点二 圆锥筒模型与圆锥摆模型圆锥筒模型 圆锥摆模型模型 图运动 特点 物体做匀速圆周运动,且圆周运动的轨迹在水平面内受力 特点 重力、支持力的合力提供向心力(水平) 重力、拉力的合力提供向心力(水平)列式 竖直方向:FNsin θ=mg 水平方向:FNcos θ=Fn=mω2r= 几何关系:r=htan θ 竖直方向:Fcos θ=mg 水平方向:Fsin θ=Fn=mω2r=m 几何关系:r=lsin θ结果 FN=, ω=, v= F=, ω=, v=结论 对于一个特定的圆锥筒,角度θ是固定的,物体所在平面h越高,ω越小,v越大 对于同一个圆锥摆,g、l的值不变,旋转轨迹圆平面越高,θ越大,r越大,ω和v也越大例2 如图所示,一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,两个小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动, 则( A )A. 小球A的线速度大于小球B的线速度B. 小球A的角速度大于小球B的角速度C. 小球A运动的周期等于小球B运动的周期D. 小球A的向心加速度大于小球B的向心加速度【解析】 对小球受力分析,小球受到重力和支持力,它们的合力提供向心力,设支持力FN与竖直方向的夹角为θ,如图所示,依题意,根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=m,解得v=,由于A球的转动半径较大,A球的线速度较大,A正确;根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=mω2r,解得ω=,可知A球角速度小,B错误;根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=mr,解得T=2π,可知A球周期大,C错误;根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=ma,解得a=gtan θ,可知球A的向心加速度大小等于球B的向心加速度,D错误。例3 如图甲所示为某次训练中男运动员以自己为轴拉着女运动员做圆周运动的情形,若女运动员的质量m=40 kg,伸直的手臂与竖直方向的夹角θ=53°,转动过程中女运动员的重心做匀速圆周运动的半径r=1.2 m,如图乙所示。忽略女运动员受到的摩擦力,求:(g取10 m/s2,sin 53°=0.8,cos 53°=0.6)(1)当女运动员的角速度为 rad/s时,女运动员对冰面压力的大小;(2)当女运动员刚要离开冰面时,女运动员的角速度的大小。甲 乙【答案】 (1)336 N (2) rad/s【解析】 (1)对女运动员受力分析可知,水平方向有Fsin θ=mr竖直方向有Fcos θ+FN=mg,联立解得FN=336 N。根据牛顿第三定律可得,女运动员对冰面压力的大小为336 N。(2)女运动员刚要离开冰面时,受重力和男运动员对女运动员的拉力,Fcos θ=mg,Fsin θ=mr,解得ω2= rad/s。 随堂检测 1. (多选)如图所示,MN为水平放置的光滑圆盘,圆盘的半径为1 m,圆盘中心O处有一光滑小孔,穿过小孔的轻绳两端各系着质量相等的小球A和B,小球A在圆盘面上做匀速圆周运动,关于A、B的运动情况(g取10 m/s2),下列说法中正确的是( AC )第1题图A. 小球A的运动半径为0.2 m时,它的角速度是5 rad/sB. 小球A的运动半径为0.2 m时,它的角速度是10 rad/sC. 当A球的角速度为2.5 rad/s时,A球的轨迹半径为0.8 m,此时B球保持静止D. 当A球的角速度为2.5 rad/s时,A球的轨迹半径为0.4 m,此时B球保持静止【解析】 对A球分析可知mg=mr1,解得ω1=5 rad/s,A正确,B错误;当A球的角速度为2.5 rad/s时,假设此时B球保持静止,则对A,即mg=mr2,可得A球的轨迹半径为r2=0.8 m,C正确,D错误。2. (多选)如图所示,两根长度相同的细线分别系有两个完全相同的小球,细线的上端都系于O点。设法让两个小球均在水平面上做匀速圆周运动。已知L1跟竖直方向的夹角为60°,L2跟竖直方向的夹角为30°,下列说法中,正确的是( BD )第2题图A. 小球1和2的线速度大小之比为3∶1B. 小球1和2的角速度大小之比为∶1C. 小球1和2的向心力大小之比为1∶3D. 细线L1和细线L2所受的拉力大小之比为∶1【解析】 由题意可知两小球做圆周运动的半径分别为r1=L1sin 60°=L1,r2=L2sin 30°=L2,两小球做圆周运动的向心力分别由各自细线的拉力与其自身的重力的合力提供,由此可知两小球做圆周运动的向心力分别为F1=mgtan 60°=mg,F2=mgtan 30°=mg,细线L1和细线L2所受的拉力大小分别为FT1==2mg,FT2=,由向心力公式可得mg=mmg=m,解得v1∶v2=∶1,A错误;由以上分析可知,小球1和2的角速度大小之比为ω1∶ω2=∶1,B正确;由以上分析可知,小球1和2的向心力大小之比为F1∶F2=3∶1,C错误;由以上分析可得,细线L1和细线L2所受的拉力大小之比为FT1∶FT2=∶1,D正确。3. (多选)如图所示,杂技表演“飞车走壁”的演员骑着摩托车飞驶在光滑的圆锥形筒壁上,筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,演员和摩托车的总质量为m,先后在A、B两处紧贴着内壁分别在图中虚线所示的水平面内做匀速圆周运动,下列说法中,正确的是( AB )第3题图A. 在A处的线速度大于在B处的线速度B. 在A处的角速度小于在B处的角速度C. 在A处对筒的压力大于在B处对筒的压力D. 在A处的向心力大于在B处的向心力【解析】 对演员和摩托车整体受力分析可知,演员和摩托车整体的重力不变,支持力方向相同,根据力的合成可知在A、B两处所受支持力大小、合力大小相等,向心力大小相等,根据F合=m=mrω2,得v=,ω=,知半径越大,线速度越大,角速度越小,所以A处的线速度大于B处的线速度,A处的角速度小于B处的角速度,A、B正确。(共27张PPT)专题课 水平面内的圆周运动问题圆周运动第六章 高中物理 必修二知 识 点 一知识点一 水平转台模型1. 物体做圆周运动时,若物体的线速度大小、角速度发生变化,会引起某些力(如拉力、支持力、摩擦力)发生变化,进而出现某些物理量或运动状态的突变,即出现临界状态。水平面内的圆周运动中常见的临界问题:(1)物体恰好(没有)发生相对滑动,静摩擦力达到最大值。(2)物体恰好要离开接触面,物体与接触面之间的弹力为0。(3)绳子恰好断裂,绳子的张力达到最大承受值。(4)物体所受支持力为0或绳子刚好伸直,绳子的张力恰好为0。2. 物理建模(1)特点:向心加速度沿________方向,重力不能提供向心力。 (2)动力学分析:静摩擦力沿____________方向,提供向心力,根据牛顿第二定律得Ff静=mω2r,当Ff静=Ffmax=___________时,得ω临=, 可见物体是否相对转台滑动,与质量无关。 水平半径μmg(3)运动状态分析:在水平面上做圆周运动的物体,当角速度ω变化时,物体有____________或____________圆心运动的(半径有变化)趋势。若角速度突然变大,物体做圆周运动所需要的向心力也会变大,物体就会有____________趋势;若角速度突然变小,物体则会有____________趋势。 远离靠近离心近心例1 (多选)[2024·三门中学月考]如图所示,用同样材料做成的A、B、C三个物体放在匀速转动的水平转台上随转台一起绕竖直轴转动。已知三物体质量间的关系是mA=2mB=3mC,转动半径之间的关系是rC=rA=2rB,下列说法中,正确的是( )A. 物体C受到的摩擦力最大B. 物体B受到的摩擦力最小C. 物体A受到的摩擦力最大D. 转台转速加快时,物体B最先开始滑动BC【解析】 A、B、C三物体绕同一中心轴转动,角速度相等,静摩擦力充当向心力,设mA=2mB=3mC=m,rC=rA=2rB=r,由向心力公式可知FA=mrω2,FB=,FC=,故物体A受到的摩擦力最大,物体B受到的摩擦力最小,A错误,B、C正确;转台转速加快时,恰好发生相对滑动时有μmg=mrω2,解得ω=,故A、C同时滑动,B最后滑动,D错误。变式 如图所示,水平转盘上放有质量为m的物块,物块到转轴的距离为r,物块和转轴用细绳相连,物块和转盘间的动摩擦因数为μ,设物块受到的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知重力加速度为g,求:(1)当转盘的角速度ω1=时,细绳的拉力FT1的大小;(2)当转盘的角速度ω2=时,细绳的拉力FT2的大小。【答案】 (1)0 (2)μmg【解析】 (1)由题意可知,当物块刚好只有摩擦力提供向心力时,有μmg=mω2r,ω=,当角速度ω1<ω时,静摩擦力提供向心力,细绳对物块的拉力为0,即FT1=0。(2)由题意可知,ω2>ω,拉力和静摩擦力一起提供向心力,根据牛顿第二定律得FT2+μmg=mr,得FT2=μmg。知 识 点 二知识点二 圆锥筒模型与圆锥摆模型 圆锥筒模型 圆锥摆模型模型图 运动 特点 物体做匀速圆周运动,且圆周运动的轨迹在水平面内 圆锥筒模型 圆锥摆模型受力 特点 重力、支持力的合力提供向心力(水平) 重力、拉力的合力提供向心力(水平)列式 竖直方向:FNsin θ=mg 水平方向:FNcos θ=Fn=mω2r= 几何关系:r=htan θ 竖直方向:Fcos θ=mg水平方向:Fsin θ=Fn=mω2r=m几何关系:r=lsin θ 圆锥筒模型 圆锥摆模型结果 FN=, ω=, v= F=,ω=,v=结论 对于一个特定的圆锥筒,角度θ是固定的,物体所在平面h越高,ω越小,v越大 对于同一个圆锥摆,g、l的值不变,旋转轨迹圆平面越高,θ越大,r越大,ω和v也越大例2 如图所示,一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,两个小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动, 则( )A. 小球A的线速度大于小球B的线速度B. 小球A的角速度大于小球B的角速度C. 小球A运动的周期等于小球B运动的周期D. 小球A的向心加速度大于小球B的向心加速度A【解析】 对小球受力分析,小球受到重力和支持力,它们的合力提供向心力,设支持力FN与竖直方向的夹角为θ,如图所示,依题意,根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=m,解得v=,由于A球的转动半径较大,A球的线速度较大,A正确;根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=mω2r,解得ω=,可知A球角速度小,B错误;根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=mr,解得T=2π,可知A球周期大,C错误;根据牛顿第二定律有F=mgtan θ=ma,解得a=gtan θ,可知球A的向心加速度大小等于球B的向心加速度,D错误。例3 如图甲所示为某次训练中男运动员以自己为轴拉着女运动员做圆周运动的情形,若女运动员的质量m=40 kg,伸直的手臂与竖直方向的夹角θ=53°,转动过程中女运动员的重心做匀速圆周运动的半径r=1.2 m,如图乙所示。忽略女运动员受到的摩擦力,求:(g取10 m/s2,sin 53°=0.8,cos 53°=0.6)甲 乙(1)当女运动员的角速度为 rad/s时,女运动员对冰面压力的大小;(2)当女运动员刚要离开冰面时,女运动员的角速度的大小。【答案】 (1)336 N (2) rad/s【解析】 (1)对女运动员受力分析可知,水平方向有Fsin θ=mr竖直方向有Fcos θ+FN=mg,联立解得FN=336 N。根据牛顿第三定律可得,女运动员对冰面压力的大小为336 N。(2)女运动员刚要离开冰面时,受重力和男运动员对女运动员的拉力,Fcos θ=mg,Fsin θ=mr,解得ω2= rad/s。随 堂 检 测1. (多选)如图所示,MN为水平放置的光滑圆盘,圆盘的半径为1 m,圆盘中心O处有一光滑小孔,穿过小孔的轻绳两端各系着质量相等的小球A和B,小球A在圆盘面上做匀速圆周运动,关于A、B的运动情况(g取10 m/s2),下列说法中正确的是( )A. 小球A的运动半径为0.2 m时,它的角速度是5 rad/sB. 小球A的运动半径为0.2 m时,它的角速度是10 rad/sC. 当A球的角速度为2.5 rad/s时,A球的轨迹半径为0.8 m,此时B球保持静止D. 当A球的角速度为2.5 rad/s时,A球的轨迹半径为0.4 m,此时B球保持静止AC【解析】 对A球分析可知mg=mr1,解得ω1=5 rad/s,A正确,B错误;当A球的角速度为2.5 rad/s时,假设此时B球保持静止,则对A,即mg=mr2,可得A球的轨迹半径为r2=0.8 m,C正确,D错误。2. (多选)如图所示,两根长度相同的细线分别系有两个完全相同的小球,细线的上端都系于O点。设法让两个小球均在水平面上做匀速圆周运动。已知L1跟竖直方向的夹角为60°,L2跟竖直方向的夹角为30°,下列说法中,正确的是( )A. 小球1和2的线速度大小之比为3∶1B. 小球1和2的角速度大小之比为∶1C. 小球1和2的向心力大小之比为1∶3D. 细线L1和细线L2所受的拉力大小之比为∶1BD【解析】 由题意可知两小球做圆周运动的半径分别为r1=L1sin 60°=L1,r2=L2sin 30°=L2,两小球做圆周运动的向心力分别由各自细线的拉力与其自身的重力的合力提供,由此可知两小球做圆周运动的向心力分别为F1=mgtan 60°=mg,F2=mgtan 30°=mg,细线L1和细线L2所受的拉力大小分别为FT1==2mg,FT2=,由向心力公式可得mg=mmg=m,解得v1∶v2=∶1,A错误;由以上分析可知,小球1和2的角速度大小之比为ω1∶ω2=∶1,B正确;由以上分析可知,小球1和2的向心力大小之比为F1∶F2=3∶1,C错误;由以上分析可得,细线L1和细线L2所受的拉力大小之比为FT1∶FT2=∶1,D正确。3. (多选)如图所示,杂技表演“飞车走壁”的演员骑着摩托车飞驶在光滑的圆锥形筒壁上,筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,演员和摩托车的总质量为m,先后在A、B两处紧贴着内壁分别在图中虚线所示的水平面内做匀速圆周运动,下列说法中,正确的是( )A. 在A处的线速度大于在B处的线速度B. 在A处的角速度小于在B处的角速度C. 在A处对筒的压力大于在B处对筒的压力D. 在A处的向心力大于在B处的向心力AB【解析】 对演员和摩托车整体受力分析可知,演员和摩托车整体的重力不变,支持力方向相同,根据力的合成可知在A、B两处所受支持力大小、合力大小相等,向心力大小相等,根据F合=m=mrω2,得v=,ω=,知半径越大,线速度越大,角速度越小,所以A处的线速度大于B处的线速度,A处的角速度小于B处的角速度,A、B正确。第六章 专题课 水平面内的圆周运动问题知识点一 水平转台模型1. 物体做圆周运动时,若物体的线速度大小、角速度发生变化,会引起某些力(如拉力、支持力、摩擦力)发生变化,进而出现某些物理量或运动状态的突变,即出现临界状态。水平面内的圆周运动中常见的临界问题:(1)物体恰好(没有)发生相对滑动,静摩擦力达到最大值。(2)物体恰好要离开接触面,物体与接触面之间的弹力为0。(3)绳子恰好断裂,绳子的张力达到最大承受值。(4)物体所受支持力为0或绳子刚好伸直,绳子的张力恰好为0。2. 物理建模(1)特点:向心加速度沿 方向,重力不能提供向心力。 (2)动力学分析:静摩擦力沿 方向,提供向心力,根据牛顿第二定律得Ff静=mω2r,当Ff静=Ffmax= 时,得ω临=, 可见物体是否相对转台滑动,与质量无关。 (3)运动状态分析:在水平面上做圆周运动的物体,当角速度ω变化时,物体有 或 圆心运动的(半径有变化)趋势。若角速度突然变大,物体做圆周运动所需要的向心力也会变大,物体就会有 趋势;若角速度突然变小,物体则会有 趋势。 例1 (多选)[2024·三门中学月考]如图所示,用同样材料做成的A、B、C三个物体放在匀速转动的水平转台上随转台一起绕竖直轴转动。已知三物体质量间的关系是mA=2mB=3mC,转动半径之间的关系是rC=rA=2rB,下列说法中,正确的是( )A. 物体C受到的摩擦力最大B. 物体B受到的摩擦力最小C. 物体A受到的摩擦力最大D. 转台转速加快时,物体B最先开始滑动变式 如图所示,水平转盘上放有质量为m的物块,物块到转轴的距离为r,物块和转轴用细绳相连,物块和转盘间的动摩擦因数为μ,设物块受到的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知重力加速度为g,求:(1)当转盘的角速度ω1=时,细绳的拉力FT1的大小;(2)当转盘的角速度ω2=时,细绳的拉力FT2的大小。知识点二 圆锥筒模型与圆锥摆模型圆锥筒模型 圆锥摆模型模型 图运动 特点 物体做匀速圆周运动,且圆周运动的轨迹在水平面内受力 特点 重力、支持力的合力提供向心力(水平) 重力、拉力的合力提供向心力(水平)列式 竖直方向:FNsin θ=mg 水平方向:FNcos θ=Fn=mω2r= 几何关系:r=htan θ 竖直方向:Fcos θ=mg 水平方向:Fsin θ=Fn=mω2r=m 几何关系:r=lsin θ结果 FN=, ω=, v= F=, ω=, v=结论 对于一个特定的圆锥筒,角度θ是固定的,物体所在平面h越高,ω越小,v越大 对于同一个圆锥摆,g、l的值不变,旋转轨迹圆平面越高,θ越大,r越大,ω和v也越大例2 如图所示,一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,两个小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动, 则( )A. 小球A的线速度大于小球B的线速度B. 小球A的角速度大于小球B的角速度C. 小球A运动的周期等于小球B运动的周期D. 小球A的向心加速度大于小球B的向心加速度例3 如图甲所示为某次训练中男运动员以自己为轴拉着女运动员做圆周运动的情形,若女运动员的质量m=40 kg,伸直的手臂与竖直方向的夹角θ=53°,转动过程中女运动员的重心做匀速圆周运动的半径r=1.2 m,如图乙所示。忽略女运动员受到的摩擦力,求:(g取10 m/s2,sin 53°=0.8,cos 53°=0.6)(1)当女运动员的角速度为 rad/s时,女运动员对冰面压力的大小;(2)当女运动员刚要离开冰面时,女运动员的角速度的大小。甲 乙 随堂检测 1. (多选)如图所示,MN为水平放置的光滑圆盘,圆盘的半径为1 m,圆盘中心O处有一光滑小孔,穿过小孔的轻绳两端各系着质量相等的小球A和B,小球A在圆盘面上做匀速圆周运动,关于A、B的运动情况(g取10 m/s2),下列说法中正确的是( )第1题图A. 小球A的运动半径为0.2 m时,它的角速度是5 rad/sB. 小球A的运动半径为0.2 m时,它的角速度是10 rad/sC. 当A球的角速度为2.5 rad/s时,A球的轨迹半径为0.8 m,此时B球保持静止D. 当A球的角速度为2.5 rad/s时,A球的轨迹半径为0.4 m,此时B球保持静止2. (多选)如图所示,两根长度相同的细线分别系有两个完全相同的小球,细线的上端都系于O点。设法让两个小球均在水平面上做匀速圆周运动。已知L1跟竖直方向的夹角为60°,L2跟竖直方向的夹角为30°,下列说法中,正确的是( )第2题图A. 小球1和2的线速度大小之比为3∶1B. 小球1和2的角速度大小之比为∶1C. 小球1和2的向心力大小之比为1∶3D. 细线L1和细线L2所受的拉力大小之比为∶13. (多选)如图所示,杂技表演“飞车走壁”的演员骑着摩托车飞驶在光滑的圆锥形筒壁上,筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,演员和摩托车的总质量为m,先后在A、B两处紧贴着内壁分别在图中虚线所示的水平面内做匀速圆周运动,下列说法中,正确的是( )第3题图A. 在A处的线速度大于在B处的线速度B. 在A处的角速度小于在B处的角速度C. 在A处对筒的压力大于在B处对筒的压力D. 在A处的向心力大于在B处的向心力 展开更多...... 收起↑ 资源列表 第六章 专题课 水平面内的圆周运动问题 - 学生版.docx 第六章 专题课 水平面内的圆周运动问题.docx 第六章 专题课 水平面内的圆周运动问题.pptx