《2020版新教材高中物理 第6章 圓周運動 習題課2 豎直面內的圓周運動學案 新人教版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2020版新教材高中物理 第6章 圓周運動 習題課2 豎直面內的圓周運動學案 新人教版必修2（6頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、習題課2　豎直面內的圓周運動 【學習素養(yǎng)·明目標】　物理觀念：1.了解豎直面內圓周運動的兩種基本模型.2.掌握輕繩(或輕桿)約束下圓周運動的兩個特殊點的相關分析.3.學會分析圓周運動問題的一般方法． 科學思維：1.通過對圓周運動的兩種基本模型的學習，培養(yǎng)學生的思維能力.2.培養(yǎng)學生應用所學知識解決實際問題的能力． 豎直面內圓周運動的輕繩(過山車)模型 [要點歸納] 輕繩(過山車)模型(如圖所示)的最高點問題 1．繩或過山車(內軌道)施力特點：只能施加向下的拉力或壓力． 2．在最高點的動力學方程FT＋mg＝m. 3．在最高點的臨界條件FT＝0，此時mg＝m，則v＝

2、. v＝時，拉力或壓力為零． v＞時，小球受向下的拉力或壓力． v＜時，小球不能達到最高點． 即輕繩模型的臨界速度為v臨＝. 【例1】　一細繩與水桶相連，水桶中裝有水，水桶與細繩一起在豎直平面內做圓周運動，如圖所示，水的質量m＝0.5 kg，水的重心到轉軸的距離l＝50 cm.(g取10 m/s2) (1)若在最高點水不流出來，求桶的最小速率；(結果保留三位有效數(shù)字) (2)若在最高點水桶的速率v＝3 m/s，求水對桶底的壓力大?。? 思路點撥：在最高點水不流出的臨界條件為只有水的重力提供向心力，水與水桶間無彈力的作用． [解析]　(1)以水桶中的水為研究對象，在最高點恰好

3、不流出來，說明水的重力恰好提供其做圓周運動所需的向心力，此時桶的速率最?。校簃g＝m 則所求的最小速率為：v0＝≈2.24 m/s. (2)此時桶底對水有一向下的壓力，設為FN，則由牛頓第二定律有：FN＋mg＝m 代入數(shù)據(jù)可得：FN＝4 N 由牛頓第三定律，水對桶底的壓力：FN′＝4 N. [答案]　(1)2.24 m/s　(2)4 N 1．如圖所示為模擬過山車的實驗裝置，小球從左側的最高點釋放后能夠通過豎直圓軌道而到達右側．若豎直圓軌道的半徑為R，要使小球能順利通過豎直圓軌道，則小球通過豎直圓軌道的最高點時的角速度最小為(　　) A.　　　　　　　 B．2 C.

4、 D. C　[小球能通過豎直圓軌道的最高點的臨界狀態(tài)為重力提供向心力，即mg＝mω2R，解得ω＝，選項C正確．] 豎直面內圓周運動的輕桿(管)模型 [要點歸納] 1．最高點的最小速度 如圖所示，細桿上固定的小球和管形軌道內運動的小球，由于桿和管在最高處能對小球產生向上的支持力，故小球恰能到達最高點的最小速度v＝0，此時小球受到的支持力FN＝mg. 2．小球通過最高點時，軌道對小球的彈力情況 (1)v＞，桿或管的外側對球產生向下的拉力或彈力，F(xiàn)隨v增大而增大． (2)v＝，球在最高點只受重力，不受桿或管的作用力，F(xiàn)＝0. (3)0＜v＜，桿或管的內側對球產生向上的彈力，

5、F隨v的增大而減?。? 【例2】　長度為0.5 m的輕桿OA繞O點在豎直平面內做圓周運動，A端連著一個質量m＝2 kg的小球．求在下述的兩種情況下，通過最高點時小球對桿的作用力的大小和方向．(g取10 m/s2) (1)桿做勻速圓周運動的轉速為2.0 r/s； (2)桿做勻速圓周運動的轉速為0.5 r/s. [解析]　小球在最高點的受力如圖所示： (1)桿的轉速為2.0 r/s時， ω＝2π·n＝4π rad/s 由牛頓第二定律得F＋mg＝mLω2 故小球所受桿的作用力 F＝mLω2－mg＝2×(0.5×42×π2－10)N≈138 N 即桿對小球提供了138 N的拉力

6、 由牛頓第三定律知小球對桿的拉力大小為138 N，方向豎直向上． (2)桿的轉速為0.5 r/s時，ω′＝2π·n＝π rad/s 同理可得小球所受桿的作用力 F＝mLω′2－mg＝2×(0.5×π2－10)N≈－10 N 力F為負值表示它的方向與受力分析中所假設的方向相反，故小球對桿的壓力大小為10 N，方向豎直向下． [答案]　(1)小球對桿的拉力為138 N，方向豎直向上 (2)小球對桿的壓力為10 N，方向豎直向下 (1)注意r/s與rad/s的不同． (2)先求小球受到桿的彈力，再用牛頓第三定律得出桿受小球的力. (3)當未知力的方向不確定時，要采用假設正方向

7、的辦法． 2．如圖所示，一輕桿一端固定質量為m的小球，以另一端O為圓心，使小球在豎直平面內做半徑為R的圓周運動，以下說法正確的是(　　) A．小球過最高點時，桿所受的彈力不能等于0 B．小球過最高點時，速度至少為 C．小球過最高點時，桿對球的作用力可以與球受重力方向相反，此時重力一定大于桿對球的作用 D．小球過最高點時，桿對球作用力一定與小球受重力方向相反 C　[當小球在最高點的速度為時，桿所受彈力為0，A錯誤；因為是細桿，小球過最高點時的最小速度是0，B錯誤；小球過最高點時，如果速度在0～范圍內，則桿對小球有向上的支持力，但由于合力向下，故此時重力一定大于桿對球的作用

8、，C正確；小球通過最高點的速度大于，小球的重力不足以提供向心力，此時桿對球產生向下作用力，D錯誤．] 1．如圖所示，某公園里的過山車駛過軌道的最高點時，乘客在座椅里面頭朝下，人體顛倒，若軌道半徑為R，人體受重力為mg，要使乘客經(jīng)過軌道最高點時對座椅的壓力等于自身的重力，則過山車在最高點時的速度大小為(　　) A．0　　　　　　　　　　B. C. D. C　[由題意知F＋mg＝m即2mg＝m，故速度大小v＝，C正確．] 2．(多選)如圖所示，用細繩拴著質量為m的小球，在豎直平面內做圓周運動，圓周半徑為R，則下列說法正確的是(　　) A．小球過最高點時，繩子張力可能為零

9、 B．小球過最高點時的最小速度為零 C．小球剛好過最高點時的速度為 D．小球過最高點時，繩子對小球的作用力可以與球所受的重力方向相反 AC　[繩子只能提供拉力作用，其方向不可能與重力相反，D錯誤；在最高點有mg＋FT＝m，拉力FT可以等于零，此時速度最小，為vmin＝，故B錯誤，A、C正確．] 3．(多選)如圖所示，一個固定在豎直平面上的光滑圓形管道，管道里有一個直徑略小于管道內徑的小球，小球在管道內做圓周運動，下列說法中正確的是(　　) A．小球通過管道最低點時，小球對管道的壓力向下 B．小球通過管道最低點時，小球對管道的壓力向上 C．小球通過管道最高點時，小球對管道的壓

10、力可能向上 D．小球通過管道最高點時，小球對管道可能無壓力 ACD　[設管道的半徑為R，小球的質量為m，小球通過最低點時速度大小為v1，根據(jù)牛頓第二定律：N－mg＝m可知小球所受合力向上，則管道對小球的支持力向上，則小球對管道的壓力向下，故A正確，B錯誤；最高點時速度大小為v2，根據(jù)牛頓第二定律：mg－N＝m，當v2＝時，N＝0，說明管道對小球無壓力；當v2＞時，N＜0，說明管道對小球的作用力向下，則小球對管道的壓力向上，故C、D正確．] 4．如圖所示，長為L＝0.5 m的輕桿OA繞O點在豎直平面內做勻速圓周運動，A端連著一個質量m＝2 kg的小球，g取10 m/s2. (1)如果小球的速度為3 m/s，求在最低點時桿對小球的拉力為多大； (2)如果在最高點桿對小球的支持力為4 N，求桿旋轉的角速度為多大． [解析]　(1)小球在最低點受力如圖甲所示： 甲　　　　　　　乙 合力等于向心力：FA－mg＝m 解得：FA＝56 N. (2)小球在最高點如圖乙所示： 則：mg－FB＝mω2L 解得：ω＝4 rad/s. [答案]　(1)56 N　(2)4 rad/s 6