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1、萬有引力與航天
[A級-基礎(chǔ)練]
1.有一豎直轉(zhuǎn)軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)軸上的A點有一長為l的細(xì)繩系有質(zhì)量m的小球.要使小球在隨轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動的同時又不離開光滑的水平面,則A點到水平面高度h最小為( )
A. B.ω2g
C. D.
解析:A [當(dāng)小球?qū)λ矫娴膲毫榱銜r,有
Tcos θ=mg,Tsin θ=mlsin θω2,
解得cos θ=,
A點到水平面高度h最小為h=lcos θ=
故A項正確,B、C、D三項錯誤.]
2.(2019·湖南株洲二中月考)用一根細(xì)線一端系一小球(可視為質(zhì)點),另一端固定在一光滑圓錐頂上,如圖甲所示,設(shè)小球在水平面內(nèi)
2、做勻速圓周運動的角速度為ω,線的張力為T,則T隨ω2變化的圖象是圖乙中的( )
解析:B [設(shè)繩長為L,錐面與豎直方向夾角為θ,當(dāng)ω=0時,小球靜止,受重力mg、支持力N和繩的拉力T而平衡,T=mgcos θ≠0,A錯誤;ω增大時,T增大,N減小,當(dāng)N=0時,角速度為ω0,當(dāng)ω<ω0時,由牛頓第二定律得Tsin θ-Ncos θ=mω2Lsin θ,Tcos θ+Nsin θ=mg,解得T=mω2Lsin2θ+mgcos θ,當(dāng)ω>ω0時,小球離開錐面,繩與豎直方向夾角變大,設(shè)為β,由牛頓第二定律得Tsin β=mω2Lsin β,所以T=mLω2,可知T-ω2圖線的斜率變大,所以
3、B正確,C、D錯誤.]
3.水平轉(zhuǎn)臺上有質(zhì)量相等的A、B兩小物塊,兩小物塊間用沿半徑方向的細(xì)線相連,兩物塊始終相對轉(zhuǎn)臺靜止,其位置如圖所示(俯視圖),兩小物塊與轉(zhuǎn)臺間的最大靜摩擦力均為f0,則兩小物塊所受摩擦力FA、FB隨轉(zhuǎn)臺角速度的平方(ω2)的變化關(guān)系正確的是( )
解析:B [設(shè)A、B到圓心O的距離分別為r1、r2,若細(xì)線不存在,則由f0=mω2r及r1<r2可知A、B兩物體相對轉(zhuǎn)臺滑動的臨界角速度滿足ωA>ωB,即物體B所受摩擦力先達(dá)到最大值,隨后在一段時間內(nèi)保持不變,C、D錯誤;當(dāng)ω>ωB時,細(xì)線中出現(xiàn)拉力T,對物體A:T=0時,F(xiàn)A=mω2r1,T>0后,F(xiàn)A-T=m
4、ω2r1,而對物體B滿足T+f0=mω2r2,聯(lián)立得FA=mω2(r1+r2)-f0,所以T>0后直線斜率比T=0時大,當(dāng)轉(zhuǎn)臺對A的摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力后,若轉(zhuǎn)臺角速度再增大,則A、B相對轉(zhuǎn)臺將出現(xiàn)滑動,所以A錯誤,B正確.]
4.(多選)如圖所示,物體P用兩根長度相等、不可伸長的細(xì)線系于豎直桿上,它們隨桿轉(zhuǎn)動,若轉(zhuǎn)動角速度為ω,則( )
A.ω只有超過某一值時,繩子AP才有拉力
B.繩子BP的拉力隨ω的增大而增大
C.繩子BP的張力一定大于繩子AP的張力
D.當(dāng)ω增大到一定程度時,繩子AP的張力大于繩子BP的張力
解析:ABC [ω較小時,繩子AP處于松弛狀態(tài),只有ω超過
5、某一值,才產(chǎn)生拉力,A正確;當(dāng)AP、BP都產(chǎn)生張力之后,受力如圖,
FBPsin α=mg+FAPsin α ①
FBPcos α+FAPcos α=mω2r?、?
由①②可知FBP>FAP,隨ω的增大FBP、FAP都變大,B、C正確,D錯誤.]
5.(多選)(2019·山東臨沂質(zhì)檢)質(zhì)量為m的小球由輕繩a和b分別系于一輕質(zhì)細(xì)桿的A點和B點,如圖所示,繩a與水平方向成θ角,繩b沿水平方向且長為l,當(dāng)輕桿繞軸AB以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動時,a、b兩繩均伸直,小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動,則下列說法正確的是( )
A.a(chǎn)繩張力不可能為零
B.a(chǎn)繩的張力隨角速度的增大而增大
C.當(dāng)角
6、速度ω> ,b繩將出現(xiàn)彈力
D.若b繩突然被剪斷,a繩的彈力可能不變
解析:AD [小球做勻速圓周運動,在豎直方向上的合力為零,水平方向上的合力提供向心力,所以a繩張力在豎直方向上的分力與重力相等,可知a繩的張力不可能為零,故A正確.根據(jù)豎直方向上小球受力平衡得,F(xiàn)asin θ=mg,解得Fa=,可知a繩的張力不變,故B錯誤.當(dāng)b繩拉力為零時,有=mlω2,解得ω= ,可知當(dāng)角速度ω>時,b繩出現(xiàn)彈力,故C錯誤.由于b繩可能沒有彈力,故b繩突然被剪斷,a繩的彈力可能不變,故D正確.]
[B級—能力練]
6.(多選)(2019·遼寧撫順一中一模)如圖所示,兩物塊A、B套在水平粗糙的CD桿
7、上,并用不可伸長的輕繩連接,整個裝置能繞過CD中點的軸轉(zhuǎn)動,已知兩物塊質(zhì)量相等,桿CD對物塊A、B的最大靜摩擦力大小相等,開始時繩子處于自然長度(繩子恰好伸直但無彈力),物塊B到軸的距離為物塊A到軸距離的兩倍,現(xiàn)讓該裝置從靜止開始轉(zhuǎn)動,使轉(zhuǎn)速逐漸慢慢增大,在從繩子處于自然長度到兩物塊A、B即將滑動的過程中,下列說法正確的是( )
A.A受到的靜摩擦力一直增大
B.B受到的靜摩擦力先增大后保持不變
C.A受到的靜摩擦力先增大后減小再增大
D.B受到的合外力先增大后保持不變
解析:BC [根據(jù)fm=mrω2得ω= ,知當(dāng)角速度逐漸增大時,B物塊先達(dá)到最大靜摩擦力,角速度增大,B物塊
8、所受繩子的拉力和最大靜摩擦力的合力提供向心力;角速度繼續(xù)增大,拉力增大,則A物塊所受靜摩擦力減小,當(dāng)拉力增大到一定程度,A物塊所受的摩擦力減小到零后反向;角速度繼續(xù)增大,A物塊的摩擦力反向增大.所以A物塊所受的摩擦力先增大后減小,又反向增大,B物塊所受的靜摩擦力一直增大,達(dá)到最大靜摩擦力后不變,A錯誤,B、C正確;在轉(zhuǎn)動過程中,B物塊運動需要向心力來維持,一開始是靜摩擦力作為向心力,當(dāng)摩擦力不足以提供向心力時,繩子的拉力作為補充,速度再增大,當(dāng)這兩個力的合力不足以提供向心力時,物塊將會發(fā)生相對滑動,根據(jù)向心力公式,F(xiàn)向=m可知,在發(fā)生相對滑動前B物塊運動的半徑是不變的,質(zhì)量也不變,隨著速度的增
9、大,向心力增大,而向心力等于物塊所受的合外力,故D錯誤.故選B、C.]
7.(多選)如圖所示,疊放在水平轉(zhuǎn)臺上的物體A、B、C能隨轉(zhuǎn)臺一起以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,A、B、C的質(zhì)量分別為3m、2m、m,A與B、B和C與轉(zhuǎn)臺間的動摩擦因數(shù)均為μ,A和B、C離轉(zhuǎn)臺中心的距離分別為r、1.5r.設(shè)最大靜摩擦力等于滑動摩擦力.以下說法中正確的是( )
A.B對A的摩擦力一定為3μmg
B.B對A的摩擦力一定為3mω2r
C.轉(zhuǎn)臺的角速度一定滿足ω≤
D.轉(zhuǎn)臺的角速度一定滿足ω≤
解析:BC [要使A能夠與B一起以角速度ω轉(zhuǎn)動,根據(jù)牛頓第二定律可知,B對A的摩擦力一定等于A物體所需向心力
10、,即Ff=3mω2r,A錯誤,B正確;要使A、B兩物體同時隨轉(zhuǎn)臺一起以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動,則對于A有:3μmg≥3mω2r,對A、B有:5μmg≥5mω2r,對于C有:μmg≥mω2r,綜合以上可得:ω≤,C正確,D錯誤.]
8.如圖所示,細(xì)繩一端系著質(zhì)量M=8 kg的物體,靜止在水平桌面上,另一端通過光滑小孔吊著質(zhì)量m=2 kg的物體,M與圓孔的距離r=0.5 m,已知M與桌面間的動摩擦因數(shù)為0.2(設(shè)物體受到的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力),現(xiàn)使物體M隨轉(zhuǎn)臺繞中心軸轉(zhuǎn)動,問轉(zhuǎn)臺角速度ω在什么范圍時m會處于靜止?fàn)顟B(tài)(g=10 m/s2).
解析:設(shè)角速度的最小值為ω1,此時M有向著圓心運
11、動的趨勢,其受到的最大靜摩擦力沿半徑向外,由牛頓第二定律得:FT-μMg=Mωr,設(shè)角速度的最大值為ω2,此時M有背離圓心運動的趨勢,其受到的最大靜摩擦力沿半徑指向圓心,由牛頓第二定律得:FT+μMg=Mωr,要使m靜止,應(yīng)有FT=mg,
聯(lián)立得ω1=1 rad/s,ω2=3 rad/s,
則1 rad/s≤ω≤3 rad/s.
答案:1 rad/s≤ω≤3 rad/s
9.在一水平放置的圓盤上面放有一勁度系數(shù)為k的彈簧,如圖所示,彈簧的一端固定于軸O上,另一端掛一質(zhì)量為m的物體A,物體與盤面間的動摩擦因數(shù)為μ.開始時彈簧未發(fā)生形變,長度為R,設(shè)最大靜摩擦等于滑動摩擦,求:
(1
12、)盤的轉(zhuǎn)速n0多大時,物體A開始滑動?
(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2n0時,彈簧的伸長量Δx是多少?
解析:(1)若圓盤轉(zhuǎn)速較小,則靜摩擦力提供向心力,當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速較大時,彈力與摩擦力的合力提供向心力.
圓盤開始轉(zhuǎn)動時,A所受最大靜摩擦力提供向心力,則有μmg=m(2πn0)2R
得:n0== .
(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2n0時,由牛頓第二定律
得:μmg+kΔx=m(2π·2n0)2(R+Δx)
得:Δx=.
答案:(1) (2)
10.如圖所示,光滑圓桿MN段豎直,OC段水平且與MN相接于O點,兩桿分別套有質(zhì)量為m的環(huán)A和2m的環(huán)B,兩環(huán)的內(nèi)徑比桿的直徑稍大,A、B用長為2L的輕繩連接,
13、A、O用長為L的輕繩連接,現(xiàn)讓裝置繞豎直桿MN做勻速圓周運動,當(dāng)ω=時,OA段繩剛好要斷,AB段繩能承受的拉力足夠大,求:
(1)OA段繩剛剛拉直時轉(zhuǎn)動的角速度多大;
(2)OA段繩能承受的最大的拉力;
(3)當(dāng)ω=2且轉(zhuǎn)動穩(wěn)定時,A向外側(cè)移動的距離多大.
解析:(1)當(dāng)OA繩剛好拉直時,由幾何關(guān)系知,
cos θ=,sin θ=,
對B分析:TABcos θ=2mg,
對A分析:TABsin θ=mLω,
解得ω1=.
(2)根據(jù)牛頓第二定律得,
Tm+TABsin θ=mLω2,
解得Tm=mg,
(3)當(dāng)ω=2 ,且轉(zhuǎn)動穩(wěn)定時,設(shè)繩子與豎直方向的夾角為α,則TABcos α=2mg,
TABsin α=m·2Lsin αω2,
代入數(shù)據(jù),有cos α=,sin α=,
則A向外側(cè)移動的距離為Δx=2Lsin α-L=L.
答案:(1) (2)mg (3)L
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