高中物理 第五章 曲线运动 习题课3 竖直面内的圆周运动教学案 新人教版必修2

习题课3竖直面内的圆周运动学习目标 1.了解竖直面上圆周运动的两种基本模型.2.掌握轻绳约束下圆周运动的两个特殊点的相关分析.3.学会分析圆周运动问题的一般方法.一、竖直面内圆周运动的轻绳(过山车)模型导学探究如图1所示，长为L的细绳拴着质量为m的小球在竖直面内做圆周运动.试分析：图1(1)当小球在最低点A的速度为v1时，求绳的拉力FT1.(2)当小球在最高点B的速度为v2时，求绳的拉力FT2.(3)小球过最高点的最小速度是多大？(4)假设绳拉球过最高点时最小速度小于，则会产生什么样的后果？请总结绳拉球过最高点的条件.(5)有一竖直放置、内壁光滑的圆环，其半径为r，质量为m的小球沿它的内表面做圆周运动，分析小球在最高点A的速度应满足什么条件？答案(1)最低点：FT1mg(2)最高点：FT2mg(3)由于绳不可能对球有向上的支持力，只能产生向下的拉力，由FT2mg可知，当FT20时，v2最小，最小速度为v0.(4)当v时，所需的向心力Fnmg.此时，重力mg的一部分提供向心力，剩余的另一部分力会使小球向下偏离圆周轨道，即小球此时不能过最高点做圆周运动，这之前已经脱离圆周轨道了.绳拉球过最高点的条件是：v.(5)与绳拉球模型相似，在最高点A时，有FNmgm，当FN0时，v最小为v0，当vv0时，小球刚好能够通过最高点，当vv0时，小球能够通过最高点.知识深化轻绳模型(如图2所示)的最高点问题图21.绳(内轨道)施力特点：只能施加向下的拉力(或压力).2.在最高点的动力学方程FTmgm.3.在最高点的临界条件FT0，此时mgm，则v.v时，拉力或压力为零.v时，小球受向下的拉力或压力.v时，F0，表示球受杆的作用力方向向下，表现为拉力.当v1时，F时，FN0，即上管壁对球有向下的压力；当0v时，FN，杆或管的外侧对球产生向下的拉力或弹力，F随v 增大而增大.(2)v，球在最高点只受重力，不受杆或管的作用力，F0.(3)0v，杆或管的内侧对球产生向上的弹力，F随v的增大而减小.3.小球能过最高点的条件：v0.例2长L0.5 m的轻杆，其一端连接着一个零件A，A的质量m2 kg.现让A在竖直平面内绕O点做匀速圆周运动，如图7所示.在A通过最高点时，求下列两种情况下A对杆的作用力大小(g10 m/s2).图7(1)A的速率为1 m/s；(2)A的速率为4 m/s.答案(1)16 N(2)44 N解析以A为研究对象，设其受到杆的拉力为F，则有mgFm.(1)代入数据v11 m/s，可得Fm(g)2(10) N16 N，即A受到杆的支持力为16 N.根据牛顿第三定律可得A对杆的作用力为压力，大小为16 N.(2)代入数据v24 m/s，可得Fm(g)2(10) N44 N，即A受到杆的拉力为44 N.根据牛顿第三定律可得A对杆的作用力为拉力，大小为44 N.例3(多选)如图8所示，半径为L的圆管轨道(圆管内径远小于轨道半径)竖直放置，管内壁光滑，管内有一个小球(小球直径略小于管内径)可沿管转动，设小球经过最高点P时的速度为v，则( )图8A.v的最小值为B.v若增大，球所需的向心力也增大C.当v由逐渐减小时，轨道对球的弹力也减小D.当v由逐渐增大时，轨道对球的弹力也增大答案BD解析由于小球在圆管中运动，最高点速度可为零，A错误；根据向心力公式有Fnm，v若增大，球所需的向心力一定增大，B正确；因为圆管既可提供向上的支持力也可提供向下的压力，当v时，圆管受力为零，故v由逐渐减小时，轨道对球的弹力增大，C错误；v由逐渐增大时，轨道对球的弹力也增大，D正确.故选B、D.1. (轻绳作用下物体的运动)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m0.5 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9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(g10 m/s2)()图9A.“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v4 m/s，由此知绳的拉力恰为零，且水恰不流出，故选B.2.(轨道约束下小球的运动)(多选)如图10所示，质量为m的小球在竖直平面内的光滑圆环内侧做圆周运动.圆环半径为R，小球经过圆环内侧最高点时刚好不脱离圆环，则其通过最高点时下列表述正确的是()图10A.小球对圆环的压力大小等于mgB.重力mg充当小球做圆周运动所需的向心力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解析因为小球经过圆环内侧最高点时刚好不脱离圆环，故在最高点时小球对圆环的压力为零，选项A错误；此时小球只受重力作用，即重力mg充当小球做圆周运动所需的向心力，满足mgmma，即v，ag，选项B、C、D正确.3.(球在管形轨道中的运动)(多选) 如图11所示，小球m在竖直放置的光滑的圆形管道内做圆周运动，下列说法正确的是()图11A.小球通过最高点时的最小速度是B.小球通过最高点时的最小速度为零C.小球在水平线ab以下的管道中运动时外侧管壁对小球一定无作用力D.小球在水平线ab以下的管道中运动时外侧管壁对小球一定有作用力答案BD解析小球通过最高点的最小速度为0，圆形管外侧、内侧都可以对小球提供弹力，小球在水平线ab以下时，必须有指向圆心的力提供向心力，就是外侧管壁对小球的作用力，故B、D正确.4.(杆拉球在竖直面内的运动)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.(g10 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mgm，解得v03 m/s.(2)v1v0，由牛顿第二定律得：mgF1m，由牛顿第三定律得：F1F1，解得F16 N，方向竖直向上.v2v0，由牛顿第二定律得：mgF2m，由牛顿第三定律得：F2F2，解得：F21.5 N，方向竖直向下.课时作业一、选择题(17为单项选择题，810为多项选择题)1.长为L的细绳，一端系一质量为m的小球，另一端固定于某点，当绳竖直时小球静止，再给小球一水平初速度v0，使小球在竖直平面内做圆周运动，并且刚好能过最高点.则下列说法中正确的是()A.小球过最高点时速度为零B.小球开始运动时绳对小球的拉力为mC.小球过最高点时绳对小球的拉力为mgD.小球过最高点时速度大小为答案D2.秋千的吊绳有些磨损，在摆动过程中，吊绳最容易断裂的时候是秋千()A.在下摆过程中 B.在上摆过程中C.摆到最高点时 D.摆到最低点时答案D解析当秋千摆到最低点时速度最大，由Fmgm知，吊绳中拉力F最大，吊绳最容易断裂，选项D正确.3.如图1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1A.0 B. C. D.答案C解析由题意知Fmg2mgm，故速度大小v，C正确.4.如图2所示，质量为m的小球固定在杆的一端，在竖直面内绕杆的另一端O做圆周运动.当小球运动到最高点时，即时速度为v ，L是球心到O点的距离，则球对杆的作用力是()图2A.mg的拉力 B.mg的压力C.零 D.mg的压力答案B解析当重力完全充当向心力时，球对杆的作用力为零，所以mgm解得：v，所以 ，则小球对管内上壁有压力C.若0 v0，则小球对管内下壁有压力D.不论v0多大，小球对管内下壁都有压力答案ABC解析在最高点，只有重力提供向心力时，由mgm解得v0，因此小球对管内壁无压力，选项A正确.若v0，则有mgFNm，表明小球对管内上壁有压力，选项B正确.若0v0，则有mgFNm，表明小球对管内下壁有压力，选项C正确.综上分析，选项D错误.9.长为l的轻杆一端固定着一个小球A，另一端可绕光滑水平轴O在竖直面内做圆周运动，如图6所示，下列叙述符合实际的是()图6A.小球在最高点的速度至少为B.小球在最高点的速度大于时，受到杆的拉力作用C.当球在直径ab下方时，一定受到杆的拉力D.当球在直径ab上方时，一定受到杆的支持力答案BC解析小球在最高点的速度最小可以为0，选项A错误；球在最高点的速度大于时，向心力大于mg，一定受到杆的拉力作用，选项B正确；当球在直径ab下方时，重力和轻杆弹力的合力提供向心力，小球一定受到杆的拉力，选项C正确；当球在直径ab上方时，可能受到杆的支持力或拉力或不受杆的作用力，选项D错误.10. 2013年6月20日，航天员王亚平在运行的“天宫一号”内上了节物理课，做了如图7所示的演示实验，当小球在最低点时给其一初速度，小球能在竖直平面内绕定点O做匀速圆周运动.若把此装置带回地球表面，仅在重力场中，仍在最低点给小球相同初速度，则()图7A.小球仍能做匀速圆周运动B.小球不可能做匀速圆周运动C.小球可能做完整的圆周运动D.小球一定能做完整的圆周运动答案BC解析把此装置带回地球表面，在最低点给小球相同的初速度，小球在运动过程中，不可能做匀速圆周运动，选项A错误，B正确；若小球到达最高点的速度v，则小球可以做完整的圆周运动，若小于此速度，则不能到达最高点，故不能做完整的圆周运动，选项C正确，D错误.二、非选择题11.如图8所示，长为L0.5 m的轻杆OA绕O点在竖直平面内做匀速圆周运动，A端连着一个质量m2 kg的小球，g取10 m/s2.图8(1)如果小球的速度为3 m/s，求在最低点时杆对小球的拉力为多大.(2)如果在最高点杆对小球的支持力为4 N，求杆旋转的角速度为多大.答案(1)56 N(2)4 rad/s解析(1)小球在最低点受力如图甲所示：合力等于向心力：FAmgm解得：FA56 N(2)小球在最高点受力如图乙所示：则：mgFBm2L解得：4 rad/s.12.在杂技节目“水流星”的表演中，碗的质量m10.1 kg，内部盛水质量m20.4 kg，拉碗的绳子长l0.5 m，使碗在竖直平面内做圆周运动，如果碗通过最高点的速度v19 m/s，通过最低点的速度v210 m/s，g10 m/s2，求碗在最高点时绳的拉力大小及水对碗的压力大小.答案76 N60.8 N解析对水和碗：mm1m20.5 kg，FT1mg，FT1mgN76 N，以水为研究对象，设最高点碗对水的压力为F1，则F1m2g，解得F160.8 N，水对碗的压力F1F160.8 N，方向竖直向上.13.如图9是小型电动打夯机的结构示意图，电动机带动质量为m50 kg的重锤(重锤可视为质点)绕转轴O匀速运动，重锤转动半径为R0.5 m.电动机连同打夯机底座的质量为M25 kg，重锤和转轴O之间连接杆的质量可以忽略不计，重力加速度g取10 m/s2.求：图9(1)重锤转动的角速度为多大时，才能使重锤通过最高点时打夯机底座刚好离开地面？(2)若重锤以上述的角速度转动，当打夯机的重锤通过最低位置时，打夯机对地面的