2019版高考物理一轮复习第4章 第3讲 圆周运动的规律及应用

1、第 3 讲 圆周运动的规律及应用见学生用书 P059 t   T2角速度：描述物体绕圆心转动快慢的物理量，   2 。v      f4向心加速度：描述速度方向变化快慢的物理量，anr      v2  r。rT微知识 1 描述圆周运动的物理量 s2 r1线速度：描述物体圆周运动快慢的物理量，v。&

2、#160;tT2 r13周期和频率：描述物体绕圆心转动快慢的物理量，T，T 。v24 225向心力：作用效果产生向心加速度，Fnman。6相互关系：(1)v r2Tr2 rf。(3)Fnmanm   m2rmrmr4  2f2。v24 2(2)an r r 2 v T2 r4 2f2r。v24 2rT2微知识 2 匀速圆周运动和非匀速圆周运动1匀速圆周运动(1)定义：线速度大小不变的圆周

3、运动。(2)性质：向心加速度大小不变，方向总是指向圆心的变加速曲线运动。(3)质点做匀速圆周运动的条件合力大小不变，方向始终与速度方向垂直且指向圆心。2非匀速圆周运动(1)定义：线速度大小、方向均发生变化的圆周运动。(2)合力的作用合力沿速度方向的分量 F 产生切向加速度，F ma ，它只改变速度的大小。合力沿半径方向的分量 Fn 产生向心加速度，Fnman，它只改变速度的方向。微知识 3 离心运动1本质：做圆周运动的物体，由于本身的惯性，总有沿着圆周切线方向飞出去的倾向。2受力特点(如图所示)(1)当 

4、Fmr 2 时，物体做匀速圆周运动。(2)当 F0 时，物体沿切线方向飞出。(3)当 F<mr 2 时，物体逐渐远离圆心，F 为实际提供的力。(4)当 F>mr 2 时，物体逐渐向圆心靠近，做近心运动。一、思维辨析(判断正误，正确的画“”，错误的画“×”。)1匀速圆周运动是匀变速曲线运动。(×)2做匀速圆周运动的物体的向心加速度与半径成反比。(×)3做匀速圆周运动的物体所受合外力为变力。()4做圆周运动的物体所受的合外力不一定指向圆心。()5做

5、圆周运动的物体所受的合外力突然消失，物体将沿圆周的半径方向飞出。(×)二、对点微练1(描述圆周运动的物理量)(2018·无锡测试)甲、乙、丙三个物体，甲放在海南，乙放在无锡，丙放在天津。当它们随地球一起转动时。下列说法正确的是()A三个物体的角速度相等B甲的线速度最小C三个物体的线速度都相等D甲的角速度最大解析甲、乙、丙三个物体，甲放在海南，乙放在无锡，丙放在天津，它们随地球一起转动时它们的周期相同，角速度相同，甲的半径最大，由线速度和角速度的关系 v r 知甲的线速度最大，故 A 项正确，BCD 项错误。答案A2

6、(向心力)如图所示，一圆盘可绕一过圆盘中心 O 且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放置一个木块，当圆盘匀速转动时，木块随圆盘一起运动，那么()A木块受到圆盘对它的摩擦力，方向背离圆盘中心B木块受到圆盘对它的摩擦力，方向指向圆盘中心C因为木块随圆盘一起运动，所以木块受到圆盘对它的摩擦力，方向与木块的运动方向相同D因为摩擦力总是阻碍物体的运动，所以木块受到圆盘对它的摩擦力的方向与木块的运动方向相反解析从静摩擦力总是阻碍物体间的相对运动的趋势来分析：由于圆盘转动时，以转动的圆盘为参考系，物体的运动趋势是沿半径向外背离圆心的，所以盘面对木块的静摩擦力方向沿半径指向圆心。从做匀速圆周

7、运动的物体必须有力提供向心力的角度来分析，木块随圆盘一起做匀速圆周运动，它必须受到沿半径指向圆心的合力，只有来自盘面的静摩擦力提供指向圆心的向心力，因而盘面对木块的静摩擦力方向必沿半径指向圆心，所以，正确选项为 B 项。答案B3. (离心现象)(多选)如图所示，光滑水平面上一质量为 m 的小球在拉力 F 作用下做匀速圆周运动。若小球运动到 P 点时，拉力 F 发生变化，则下列关于小球运动情况的说法，正确的是()RA若拉力突然消失，小球将沿轨迹 Pa 做离心运动B若拉

8、力突然变小，小球将沿轨迹 Pa 做离心运动C若拉力突然变小，小球将沿轨迹 Pb 做离心运动D若拉力突然变大，小球将沿轨迹 Pc 做近心运动mv2解析由 F知，若拉力变小，则 F 不能提供所需的向心力，R 变大，小球做离心运动。反之，若F 变大，小球将做近心运动。答案ACD见学生用书 P060微考点1圆周运动的运动学分析2对 a    2r v 的理解核|心|微|讲1对公式 v r

9、0;的理解当 r 一定时，v 与  成正比。当  一定时，v 与 r 成正比。当 v 一定时， 与 r 成反比。v2r在 v 一定时，a 与 r 成反比；在  一定时，a 与 r 成正比。3常见传动方式及特点(1)同轴传动：固定在一起共轴转动的物体上各点角速度相同。(2)皮带传动、齿轮传动和摩擦传动：皮带 (或齿轮)传动和不打滑的摩擦传动

10、的两轮边缘上各点线速度大小相等。典|例|微|探【例 1】如图所示，B 和 C 是一组塔轮，即 B 和 C 半径不同，但固定在同一转动轴上，其半径之比为 RBRC32，A 轮的半径大小与 C 轮相同，它与 B 轮紧靠在一起，当 A 轮绕过其中心的竖直轴转动时，由于摩擦作用，B 轮也随之无滑动地转动起来。a、b、c 分别为三轮边缘的三个点，则 a、b、c 三点在运动过程中的()解析A、B 轮

11、摩擦转动，故 vavb， aRA bRB， a b32；B、C 同轴，故  b c，bc，A线速度大小之比为 322B角速度之比为 332C转速之比为 232D向心加速度大小之比为 964【解题导思】(1)A、B 两轮边缘的线速度大小有何关系？答：A、B 两轮靠摩擦传动，边缘的线速度大小相等。(2)B、C 两轮的角速度有何关系？答：B、C 是同轴转动的两个轮子，角速度相等。vvRBRCvbvc32，因此 vavbvc

12、332， a b c322，故 A、B 项错误；转速之比等于角速度之比，故 C 项错误；由 a v 得：aaabac964，D 项正确。答案D题|组|微|练1(多选)计算机硬盘内部结构如图所示，读写磁头在计算机的指令下移动到某个位置，硬盘盘面在电机的带动下高速旋转，通过读写磁头读写磁盘上的数据。磁盘上分为若干个同心环状的磁道，每个磁道按圆心角等分为 18 个扇区。现在普通的家用电脑中的硬盘的转速通常有 5 400 r/min 

13、和 7 200 r/min 两种，硬盘盘面的大小相同，则()  2 nA磁头的位置相同时，7 200 r/min 的硬盘读写数据更快B对于某种硬盘，磁头离盘面中心距离越远，磁头经过一个扇区所用的时间越长C不管磁头位于何处，5 400 r/min 的硬盘磁头经过一个扇区所用时间都相等D5 400 r/min 与 7 200 r/min 的硬盘盘面边缘的某点的向心加速度的大小之比为 34解析

14、根据 v2 nr 可知转速大的读写速度快，所以 A 项正确；根据 t可知 B 项错，C 项正确；根据 an(2 n)2r 可知 D 项错误。答案AC2风速仪结构如图甲所示。光源发出的光经光纤传输，被探测器接收，当风轮旋转时，通过齿轮带动凸轮圆盘旋转，当圆盘上的凸轮经过透镜系统时光被挡住。已知风轮叶片转动半径为 r，每转动 n 圈带动凸轮圆盘转动一圈。若某段时间  t 内探测器接收到的光强随时间变化

15、关系如图乙所示，则该时间段内风轮叶片() t t t t t4 nrA转速逐渐减小，平均速率为8 nrB转速逐渐减小，平均速率为4 nrC转速逐渐增大，平均速率为8 nrD转速逐渐增大，平均速率为解析根据题意，从题图乙可以看出，在  t 时间内，探测器接收到光的时间在增长，凸轮圆盘的挡光时间也在增长，可以确定圆盘凸轮的转动速度在减小；在 t 时间内可以从题图看出有 4 次挡光，即凸8 nr轮圆盘转动 4 周

16、，则风轮叶片转动了 4n 周，风轮叶片转过的弧长为 l4n×2 r，叶片转动速率为 v，故选项 B 正确。答案B微考点2水平面内的圆周运动的临界问题核|心|微|讲1水平面内圆周运动的临界问题关于水平面内的匀速圆周运动的临界问题，主要是临界速度和临界力的问题。常见的是与绳的拉力、弹簧的拉力、接触面的弹力和摩擦力等相关的问题。通过受力分析来确定临界状态和临界条件，是较常用的解题方法。2处理临界问题的解题步骤(1)判断临界状态有些题目中有“刚好”“恰好”“正好”等字眼，明显表明题述的过程存在着临界点；若题目中有“取值范围

17、”“多长时间”“多大距离”等词语，表明题述的过程存在着“起止点”，而这些起止点往往就是临界状态；若题目中有“最大”“最小”“至多”“至少”等字眼，表明题述的过程存在着极值，这个极值点也往往是临界状态。(2)确定临界条件判断题述的过程存在临界状态之后，要通过分析弄清临界状态出现的条件，并以数学形式表达出来。(3)选择物理规律当确定了物体运动的临界状态和临界条件后，要分别对于不同的运动过程或现象，选择相对应的物理规律，然后再列方程求解。典|例|微|探【例 2】 (多选)如图，两个质量均为 m 的小木块 a 和 b(可视为质点)放

18、在水平圆盘上，a 与转轴 OO的距离为 l，b 与转轴的距离为 2l，木块与圆盘的最大静摩擦力为木块所受重力的 k 倍，重力加速度大小为 g。若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动，用  表示圆盘转动的角速度，下列说法正确的是()Ab 一定比 a 先开始滑动Ba、b 所受的摩擦力始终相等C kg2l是 b 开始滑动的临界角速度D当  2kg3l时，a 所受摩擦力的大小为 kmg【解题导思】

19、(1)两木块做圆周运动的向心力由谁来提供？答：均由静摩擦力提供向心力。(2)随着角速度的增加，a、b 两木块谁最先达到最大静摩擦力，谁最先滑动？答：由于 a、b 两木块的角速度相等，b 的半径大，b 最先达到最大静摩擦力开始滑动。(3)b 开始滑动时圆盘的角速度多大？2ll答：由最大静摩擦力提供向心力得 kmgm 2·2l， (4)a 开始滑动时圆盘的角速度多大？答：由最大静摩擦力提供向心力得 kmgm 2·l， kg。kg。解析因圆盘从静止开始

20、绕转轴缓慢加速转动，在某一时刻可认为，木块随圆盘转动时，其受到的静摩擦力的方向指向转轴，两木块转动过程中角速度相等，则根据牛顿第二定律可得fm 2R，由于小木块b 的轨道半径大于小木块 a 的轨道半径，故小木块 b 做圆周运动需要的向心力较大，选项 B 错误；因为两小木块的最大静摩擦力相等，故 b 一定比 a 先开始滑动，选项 A 项正确；当 b 开始滑动时，由牛顿第二定b律可得 kmgm 2·2l，可得&

21、#160; bkga2l，选项 C 正确；当 a 开始滑动时，由牛顿第二定律可得 kmgm 2ll，可得  akgl，而转盘的角速度  2kg3l<kg，小木块 a 未发生滑动，其所需的向心力由静摩擦力来提供，由牛顿第二定律可得 fm 2l  kmg，选项 D 错误。23答案AC水平面内圆周运动临界问题的分析技巧(1)在水平面内做圆周运动的物体，当角速度  变化时，物体有远离或向着

22、圆心运动的趋势(半径没有变化)。这时要根据物体的受力情况，判断某个力是否存在以及这个力存在时方向朝哪 特别是一些接触力，如静摩擦力，绳的拉力等)。(2)三种临界情况接触与脱离的临界条件：两物体相接触或脱离，临界条件：弹力 N0。相对滑动的临界条件：两物体相接触且处于相对静止时，常存在着静摩擦力，则相对滑动的临界条件：静摩擦力达到最大值。绳子断裂与松弛的临界条件：绳子所能承受的张力是有限度的，绳子断与不断的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力，绳子松弛的临界条件：T0。题|组|微|练(3 多选)如图所示，水平放置的两个用相同材料制成的轮 P 

23、;和 Q 靠摩擦传动，两轮的半径 Rr 21。当主动轮 Q 匀速转动时，在 Q 轮边缘上放置的小木块恰能相对静止在 Q 轮边缘上，此时 Q 轮转动的角速度为  1，木块的向心加速度为 a1；若改变转速，把小木块放在 P 轮边缘也恰能静止，此时 Q 轮转动的角速度为  2，木块的向心加速度为 a2，则() 2  2   

24、                   B.  1  A. 1 2 2 2a2a22aC.11a 1D. 111解析根据题述，a1 2r，ma1 mg，联立解得  g  2r。小木块放在 P 轮边缘也恰能静止， g

25、0;2  2 2R2 2r， R 2 r，联立解得1 2，选项 A 正确，B 项错误；a2 g  2R，C 项正确，D 项4错误。答案ACl4如图所示，半径为 、质量为 m 的小球用两根不可伸长的轻绳 a、b 连接，两轻绳的另一端系在一根竖直杆的 A、B 两点上，A、B 两点相距为 l，当两轻绳伸直后，A、B 两点到球心的距离均为

26、0;l。当竖直杆以自己为轴转动并达到稳定时(轻绳 a、b 与杆在同一竖直平面内)。求：为  ，由题意可知 sin   ，r  ，(1)竖直杆角速度  为多大时，小球恰好离开竖直杆。(2)轻绳 a 的张力 Fa 与竖直杆转动的角速度  之间的关系。解析(1)小球恰好离开竖直杆时，小球与竖直杆间的作用力为零，设此时轻绳 a 与竖直杆间的夹角1l44水平方向：Fasin m 2r，竖

27、直方向：Facos mg，联立解得  2g。15l(2)由(1)可知 0 2g15l时，    2g，4Fa  15 mg，若角速度  再增大，小球将离开竖直杆，在轻绳 b 恰伸直前，设轻绳 a 与竖直杆的夹角为  ，此时小球做圆周运动的半径为 rlsin ，水平方向：Fasin m 2r，竖直方向：Facos mg，联立解得 Fam&#

28、160;2l，当轻绳 b 恰伸直时， 60°，此时l故有 Fam 2l，此时15l l2g2g，若角速度  再增大，轻绳 b 拉直后，小球做圆周运动的半径为 rlsin60°，水平方向：Fasin60°Fbsin60°m 2r，竖直方向：Facos60°Fbcos60°mg，1联立解得 Fa2ml 2mg，l此时  答案(1)2(2)见解析2g。g15l微考点3竖直面内的圆周运

29、动的临界问题核|心|微|讲竖直面内的圆周运动是一种典型的变速曲线运动，主要有两种模型：轻绳模型和轻杆模型，分析比较如下：类别轻绳模型轻杆模型常见类型最高点均是没有物体支撑的小球最高点均是有物体支撑的小球特别提醒轻绳模型和轻杆模型过最高点的临界条件不同，其实质主要是“绳”不能承受压力，而“杆”既能承受压力，也能承受拉力。典|例|微|探【例 3】(多选)如图所示，竖直环 A 半径为 r，固定在木板 B 上，木板 B 放在水平地面上，B 的左右两侧各有一挡板固定在地上，B 不能左右运动，在环的最低点静

30、放有一小球 C，A、B、C 的质量均为 m。现给小球一水平向右的瞬时速度 v，小球会在环内侧做圆周运动，为保证小球能通过环的最高点，且不会使环在竖直方向上跳起(不计小球与环的摩擦阻力)，则瞬时速度 v 必须满足()A最小值 4grB最大值 6grC最小值 5grD最大值 7grr起，在最高点有最大速度时，球对环的压力为 2mg，满足 3mgm   ，从最低点到最高点由机械能守恒得 mv2mr2【解题导思】(1)小球恰能通过最高点时的向心

31、力为多大？答：(1)F 向mg。(2)以环为研究对象，环恰好没有跳起时，小球对环的作用力为多大？答：2mgv2解析要保证小球能通过环的最高点，在最高点最小速度满足 mgm0，由最低点到最高点由机械能1120守恒得2mvminmg·2r2mv2，可得小球在最低点瞬时速度的最小值为 5gr；为了不会使环在竖直方向上跳1v2111axmg·2r2mv2，可得小球在最低点瞬时速度的最大值为 7gr。答案CD题|组|微|练5. (多选)如图所示，小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动，内侧壁半径为 R，小球半径为 

32、;r，则下列说法正确的是()A小球通过最高点时的最小速度 vminB小球通过最高点时的最小速度 vmin0C小球在水平线 ab 以下的管道中运动时，内侧管壁对小球一定无作用力D小球在水平线 ab 以上的管道中运动时，外侧管壁对小球一定有作用力解析小球沿管上升到最高点的速度可以为零，故 A 项错误，B 项正确；小球在水平线 ab 以下的管道中运动时，由外侧管壁对小球的作用力 N 与球的重力在背离圆心方向的分力 Fmg 的合力提供向心力，即：Nv2R

33、rCFmgm，因此，外侧管壁一定对球有作用力，而内侧管壁无作用力， 项正确；小球在水平线 ab 以上的管道中运动时，小球受管壁的作用力与小球速度大小有关，D 项错误。答案BC6如图所示，长为 3L 的轻杆可绕水平转轴 O 转动，在杆两端分别固定质量均为 m 的球 A、B(可视为质点)，球 A 距轴 O 的距离为 L。现给系统一定动能，使杆和球在竖直平面内转动。当球 B 运动到最高点时，水平转轴 O 

34、;对杆的作用力恰好为零，忽略空气阻力。已知重力加速度为 g，则球 B 在最高点时，下列说法正确的是()A球 B 的速度为 0B杆对球 B 的弹力为 0C球 B 的速度为 2gLD球 A 的速度等于 2gLv2v2B解析对 B 球：Tmgm2L，对 A 球：Tmgm LA，同时 vB2vA，要使轴 O 对杆作用力为 0，即满足 TT，解得 

35、vA 2gL，vB2 2gL，故只有 D 项对。答案D见学生用书 P063圆周运动与平抛运动的综合问题素能培养圆周运动与平抛运动的组合类问题是近几年高考特别关注的问题，按题目类型可分为水平面内的圆周运动与平抛运动组合、竖直平面内的圆周运动与平抛运动的组合两类，圆周运动与平抛运动的过渡处的速度是联系前后两个过程的关键物理量，前一个过程的末速度是后一个过程的初速度。经典考题如图所示，一不可伸长的轻绳上端悬挂于 O 点，下端系一质量 m1.0 kg 的小球。现将小球拉到 A 点(保

36、持绳绷直)由静止释放，当它经过 B 点时绳恰好被拉断，小球平抛后落在水平地面上的 C 点，地面上的 D 点与 OB 在同一竖直线上，已知绳长 L1.0 m，B 点离地高度 H1.0 m，A、B 两点的高度差 h0.5 m，重力加速度 g 取 10 m/s2，不计空气阻力影响，求：2(1)地面上 DC 两点间的距离 s。(2)轻绳所受的最大拉力大小。解析(1)小球从&#

37、160;A 到 B 过程机械能守恒，则1Bmgh2mv2，小球从 B 到 C 做平抛运动，则在水平方向有 svBt，1在竖直方向有 H gt2，联立式解得 s1.41 m。L(2)小球下摆到 B 点时，绳子的拉力与小球重力的合力提供向心力，由牛顿第二定律有v2FmgmB，联立式解得 F20 N，由牛顿第三定律得 FF20 N，即轻绳所受的最大拉力为 20 N。答案(1)1.41 m(2)

38、20 N对法对题1(多选)如图所示，一个固定在竖直平面上的光滑半圆形管道，管道里有一个直径略小于管道内径的小球，小球在管道内做圆周运动，从 B 点脱离后做平抛运动，经过 0.3 s 后又恰好垂直与倾角为 45°的斜面相撞。已知半圆形管道的半径为 R1 m，小球可看作质点且其质量为 m1 kg，g 取 10 m/s2，则()方向向下，根据牛顿第二定律有，有 NBmgm   ，vBvx3  

39、m/s，解得 NB1  N，负号表示管道对小球RA小球在斜面上的相碰点 C 与 B 点的水平距离是 0.9 mB小球在斜面上的相碰点 C 与 B 点的水平距离是 1.9 mC小球经过管道的 B 点时，受到管道的作用力 NB 的大小是 1 ND小球经过管道的 B 点时，受到管道的作用力 NB 的大小是 2 N解析根据平抛运动的规律

40、，小球在 C 点的竖直分速度 vygt3 m/s，水平分速度 vxvytan45°3m/s，则 B 点与 C 点的水平距离为 xvxt0.9 m，选项 A 正确，B 项错误；在 B 点设管道对小球的作用力Bv2的作用力方向向上，选项 C 正确，D 错误。答案AC2如图所示，置于圆形水平转台边缘的小物块随转台加速转动，当转速达到某一数值时，物块恰好滑离转台开始做平抛运动。现测得转台半径 R

41、0.5 m，离水平地面的高度 H0.8 m，物块平抛落地过程水平位移的大小 s0.4 m。设物块所受的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度 g 取 10 m/s2。求：2 mgm0，联立得  0 0.2。(1)物块做平抛运动的初速度大小 v0。(2)物块与转台间的动摩擦因数  。解析(1)设物块做平抛运动所用时间为 t，1竖直方向有 H gt2，水平方向有 sv0t，联立两式得gv0s2H1&#

42、160;m/s。(2)物块离开转台时，最大静摩擦力提供向心力，有v2Rv2gR答案(1)1 m/s(2)0.2见学生用书 P0631小球 P 和 Q 用不可伸长的轻绳悬挂在天花板上，P 球的质量大于 Q 球的质量，悬挂 P 球的绳比悬挂Q 球的绳短。将两球拉起，使两绳均被水平拉直，如图所示。将两球由静止释放，在各自轨迹的最低点，下列说法正确的是()2AP 球的速度一定大于 Q 球的速度BP 球的动能一定小于 Q 球的

43、动能CP 球所受绳的拉力一定大于 Q 球所受绳的拉力DP 球的向心加速度一定小于 Q 球的向心加速度1解析小球从释放到最低点的过程中，只有重力做功，由机械能守恒定律可知，mgL mv2，v 2gL，1绳长 L 越长，小球到最低点时的速度越大，A 项错误；由于 P 球的质量大于 Q 球的质量，由 Ek2mv2 可知，LLv2F不能确定两球动能的大小关系，B 项错误；在最低点，根据牛顿第二定律可知， mgm&#

44、160;，求得 F3mg，v2D由于 P 球的质量大于 Q 球的质量，因此 C 项正确；由 a 2g 可知，两球在最低点的向心加速度相等，项错误。答案C2(多选)如图所示为赛车场的一个水平“梨形”赛道，两个弯道分别为半径 R90 m 的大圆弧和 r40 m 的小圆弧，直道与弯道相切。大、小圆弧圆心 O、O距离 L100 m。赛车沿弯道路线行驶时，路面对轮胎的最大径向静摩擦力是赛车重力的 2.25 倍。假设赛车在直道上做匀变速直线运动，在弯道上做匀速圆周运动。要使赛车不打滑，绕赛道一圈时间最短(发动机功率足够大，重力加速度 g 取 10 m/s2，3.14)，则赛车()RA在绕过小圆弧弯道后加速B在大圆弧弯道上的速率为 45 m/sC在直道上的加速度大小为 5.63