圆周运动典型习题讲解[1]

匀速圆周运动典型问题剖析匀速圆周运动问题是学习的难点，也是高考的热点，同时它又容易和很多知识综合在一起，形成能力性很强的题目，如除力学部分外，电学中“粒子在磁场中的运动”涉及的很多问题仍然要用到匀速圆周运动的知识，对匀速圆周运动的学习可重点从两个方面掌握其特点，首先是匀速圆周运动的运动学规律，其次是其动力学规律，现就各部分涉及的典型问题作点滴说明。（一）运动学特征及应用匀速圆周运动的加速度、线速度的大小不变，而方向都是时刻变化的，因此匀速圆周运动是典型的变加速曲线运动。为了描述其运动的特殊性，又引入周期（T）、频率（f）、角速度（）等物理量，涉及的物理量及公式较多。因此，熟练理解、掌握这些概念、公式，并加以灵活选择运用，是我们学习的重点。1.基本概念、公式的理解和运用[例1]关于匀速圆周运动，下列说法正确的是（）A.线速度不变B.角速度不变C.加速度为零D.周期不变[例2]在绕竖直轴匀速转动的圆环上有A、B两点，如图1所示，过A、B的半径与竖直轴的夹角分别为30°和60°，则A、B两点的线速度之比为；向心加速度之比为。图12.传动带传动问题[例3]如图2所示，a、b两轮靠皮带传动，A、B分别为两轮边缘上的点，C与A同在a轮上，已知BArr2，BrOC，在传动时，皮带不打滑。求：（1）BC:；（2）BCvv:；（3）BCaa:。CABabOrArB图2（二）动力学特征及应用物体做匀速圆周运动时，由合力提供圆周运动的向心力且有222)2(TmrmrrvmmaFF向向合方向始终指向圆心1.基本概念及规律的应用[例4]如图3所示，质量相等的小球A、B分别固定在轻杆的中点和端点，当杆在光滑水平面上绕O点匀速转动时求杆OA和AB段对球A的拉力之比。OF1ABF2F2图3[例5]如图4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，有两个质量相同的小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内作匀速圆周运动，则下列说法正确的是（）A.球A的线速度必定大于球B的线速度B.球A的角速度必定小于球B的角速度C.球A的运动周期必定小于球B的运动周期D.球A对筒壁的压力必定大于球B对筒壁的压力2.轨迹圆（圆心、半径）的确定[例6]甲、乙两名滑冰运动员，kgM80甲，kgM40乙，面对面拉着弹簧秤做匀速圆周运动的滑冰表演，如图5所示，两人相距0.9m，弹簧秤的示数为9.2N，下列判断中正确的是（）A.两人的线速度相同，约为40m/sB.两人的角速度相同，为6rad/sC.两人的运动半径相同，都是0.45mD.两人的运动半径不同，甲为0.3m，乙为0.6m甲乙图5点评：有些匀速圆周运动的轨迹圆是比较“隐蔽”的，一旦理解错误，就会给解题带来麻烦，如本题中两人做匀速圆周运动的半径并不是两人的间距，例2中A、B做圆周运动的圆心并不是圆环的中心O等。3.联系实际问题[例7]司机开着汽车在一宽阔的马路上匀速行驶突然发现前方有一堵墙，他是刹车好还是转弯好？（设转弯时汽车做匀速圆周运动，最大静摩擦力与滑动摩擦力相等。）讨论：（1）若Rs0，则急刹车或急转弯均可以；（2）若ssR0，则急刹车会平安无事，汽车能否急转弯与墙的长度和位置有关，如图6所示，质点P表示汽车，AB表示墙，若墙长度Rl2，如图6，)cos(2RRl，则墙在AB和CD之间任一位置上，汽车转弯同样平安无事；（3）若ss0，则不能急刹车，但由（2）知若墙长和位置符合一定条件，汽车照样可以转弯。点评：利用基本知识解决实际问题的关键是看能否将实际问题转化为合理的物理模型。θRCPABD图6三.匀速圆周运动的实例变形模型一：圆锥摆小球所需的向心力由重力和绳的拉力的合力来提供（如图7所示）θFTGF图7模型二：小球在漏斗中的转动小球所需的向心力由重力和漏斗的支持力的合力来提供（如图8所示）θFFNG图8四.匀速圆周运动的多解问题匀速圆周运动的多解问题常涉及两个物体的两种不同的运动，其中一个做匀速圆周运动，另一个做其他形式的运动。由于这两种运动是同时进行的，因此，依据等时性建立等式来解待求量是解答此类问题的基本思路。特别需要提醒同学们注意的是，因匀速圆周运动具有周期性，使得前一个周期中发生的事件在后一个周期中同样可能发生，这就要求我们在表达做匀速圆周运动物体的运动时间时，必须把各种可能都考虑进去，以下几例运算结果中的自然数“n”正是这一考虑的数学化。[例1]质点P以O为圆心做半径为R的匀速圆周运动，如图2所示，周期为T。当P经过图中D点时，有一质量为m的另一质点Q受到力F的作用从静止开始做匀加速直线运动。为使P、Q两质点在某时刻的速度相同，则F的大小应满足什么条件？ABOCDQFω图2[例2]如图3所示，在同一竖直平面内，A物体从a点开始做匀速圆周运动，同时B物体从圆心O处自由落下，要使两物体在b点相遇，求A的角速度。ωABOba图3[例3]如图4，半径为R的水平圆盘正以中心O为转轴匀速转动，从圆板中心O的正上方h高处水平抛出一球，此时半径OB恰与球的初速度方向一致。要使球正好落在B点，则小球的初速度及圆盘的角速分别为多少？Ov0hB图4【模拟试题】一.选择题（在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确）1.下列说法正确的是（）A.做匀速圆周运动的物体的加速度恒定B.做匀速圆周运动的物体所受合外力为零C.做匀速圆周运动的物体的速度大小是不变的D.做匀速圆周运动的物体处于平衡状态2.如图1所示，把一个长为20cm，系数为360N/m的弹簧一端固定，作为圆心，弹簧的另一端连接一个质量为0.50kg的小球，当小球以min/360r的转速在光滑水平面上做匀速圆周运动时，弹簧的伸长应为（）A.5.2cmB.5.3cmC.5.0cmD.5.4cmOm图13.一圆盘可以绕其竖直轴在图2所示水平面内转动，圆盘半径为R。甲、乙物体质量分别是M和m（Mm），它们与圆盘之间的最大静摩擦力均为正压力的倍，两物体用一根长为)(RLL的轻绳连在一起。若将甲物体放在转轴位置上，甲、乙之间连线刚好沿半径方向被拉直，要使两物体与圆盘间不发生相对滑动，则转盘旋转角速度的最大值不得超过（两物体均看作质点）（）A.mLgmM)(B.MLgmM)(C.MLgmM)(D.mLgmM)(ωMm图24.如图3所示，一个球绕中心线OO以角速度转动，则（）A.A、B两点的角速度相等B.A、B两点的线速度相等C.若30，则2:3:BAvvD.以上答案都不对5.一圆盘可绕圆盘中心O且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放置一小木块A，它随圆盘一起运动（做匀速圆周运动），如图4所示，则关于木块A的受力，下列说法正确的是（）A.木块A受重力、支持力和向心力B.木块A受重力、支持力和静摩擦力，摩擦力的方向与木块运动方向相反C.木块A受重力、支持力和静摩擦力，摩擦力的方向指向圆心D.木块A受重力、支持力和静摩擦力，摩擦力的方向与木块运动方向相同6.如图5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，小球经过圆环最高点时刚好不脱离圆环，则其通过最高点时（）A.小球对圆环的压力大小等于mgB.小球受到的向心力等于重力mgC.小球的线速度大小等于gRD.小球的向心加速度大小等于g7.游客乘坐过山车，在圆弧轨道最低点处获得的向心加速率达到20m/s2，g取10m/s2，那么此位置座椅对游客的作用力相当于游客重力的（）A．1倍B．2倍C．3倍D．4倍8.在高速公路的拐弯处，路面要造得外高内低，即当车向右拐弯时，司机左侧的路面比右侧要高一些，路面与水平面的夹角为θ，设拐弯路段半径为R的圆弧，要使车速为V时车轮与路面之间的横向（即垂直于前进方向）摩擦力等于零，θ应等于…………（）A.gRv2arcsinB.gRv2arctanC.gRv22arcsin5.0D.gRv2arctan5.09.一探照灯照射在云层底面上，这底面是与地面平行的平面，云层底面高h，探照灯以匀角速度ω在竖直平面内转动，当光束转过与竖直线夹角为θ时，此时云层底面上光点的移动速度等于（）．A、ωh/sin2θB、ωh/tan2θC、ωh/cot2θD、ωh/cos2θ二.填空题8.一辆质量为4t的汽车驶过半径为50m的凸形桥面时，始终保持5m/s的速率。汽车所受的阻力为车对桥面压力的0.05倍。通过桥的最高点时汽车牵引力是N。（g=10m/s2）三.解答题（解答应写出必要的文字说明、方程式和演算步骤）9.m1、m2是质量分别为50g和100g的小球，套在水平光滑杆上，如图6所示。两球相距21cm，并用细线相连接，欲使小球绕轴以600r/min的转速在水平面内转动而不滑动，两球离转动中心多远？线上拉力是多大？m1m2图610.如图7所示，在水平转台上放有A、B两个小物块，它们距离轴心O分别为mrA2.0，mrB3.0，它们与台面间相互作用的静摩擦力的最大值为其重力的0.4倍，取2/10smg。（1）当转台转动时，要使两物块都不发生相对于台面的滑动，求转台转动的角速度的范围；（2）要使两物块都对台面发生滑动，求转台转动角度速度应满足的条件。OAB图711.如图17所示，一个竖直放置的圆锥筒可绕其中心OO′转动，筒内壁粗糙，筒口半径和筒高分别为R和H，筒内壁A点的高度为筒高的一半。内壁上有一质量为m的小物块。求①当筒不转动时，物块静止在筒壁A点受到的摩擦力和支持力的大小；②当物块在A点随筒做匀速转动，且其受到的摩擦力为零时，筒转动的角速度。