变速圆周运动分析

1、变速圆周运动分析第1页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二要点疑点考点一、变速圆周运动的性质变速圆周运动的物体，不仅线速度大小、方向时刻在改变，而且加速度的大小、方向也时刻在改变，也是变加速曲线运动(注：匀速圆周运动也是变加速运动).第2页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二要点疑点考点二、变速圆周运动的特点由于变速圆周运动的合力一般不指向圆心，所以变速圆周运动所受的合外力产生两个效果.1.半径方向的分力：产生向心加速度而改变速度方向.2.切线方向的分力：产生切线方向加速度而改变速度大小.第3页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二改变速度大

2、小改变速度方向vFFFn水平面内的匀速圆周运动竖直平面内的非匀速圆周运动第4页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二竖直面 内的圆周运动第5页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二1、处理有关圆周运动问题的步骤：确定研究对象；确定做圆运动物体的轨道平面及圆心位置； 对研究对象进行受力分析； 在向心加速度方向和垂直于向心加速度方向上建立直角坐标系，若需要可对物体所受力进行适当的正交分解； 依据牛顿运动定律和向心加速度的公式列方程，解方程，并讨论解的合理性. 第6页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二2一般竖直面内的圆周运动，物体所受的合外力除了具

3、有与速度垂直的法向力以外，还有与速度平行的切向力，那么物体的速度不仅方向变化，大小也会变化.对此，高考只要求解决在最高点和最低点这两个特殊位置上的动力学问题.关系式依然适用，只是不同位置对应不同的v或而已.第7页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二mgOmgON3竖直平面内圆周运动的临界问题：由于物体在竖直平面内做圆周运动的依托物（绳、轻杆、轨道、管道等）不同，所以物体在通过最高点时临界条件不同.mgON绳杆mgO轨道管道可见，物体在最高点的最小速度决定于物体在最高点受的最小合外力，不同情况下的最小合外力决定了不同情况下的最小速度.第8页，共35页，2022年，5月20日，5

4、点38分，星期二竖直平面圆周运动中的临界问题小球运动到最高点时有：此时，能够提供的向心力的最小值为mg，所以小球能够运动到最高点的条件为：mgOT绳mgON杆若小球运动到最高点时，杆对小球的弹力N为零，则有：当小球运动到最高点的速率vv0时：N指向圆心;当vv0时：N背离圆心。小球恰好能运动到最高点的条件为v=0。绳与杆的区别：杆不仅能够起到拉拽作用，而且能够起到承托作用，但绳只能起到拉拽作用。第9页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二例题1：如图所示，一质量为m的小球，用长为L细绳系住，使其在竖直面内作圆周运动.(1)若过小球恰好能通过最高点，则小球在最高点和最低点的速度分

5、别是多少？小球的受力情况分别如何？(2)若小球在最低点受到绳子的拉力为10mg，则小球在最高点的速度及受到绳子的拉力是多少？mgO第10页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二练习1：如图所示，一质量为m的小球，在半径为R 光滑轨道上，使其在竖直面内作圆周运动.(1)若过小球恰好能通过最高点，则小球在最高点和最低点的速度分别是多少？小球的受力情况分别如何？(2)若小球在最低点受到轨道的弹力为8mg，则小球在最高点的速度及受到轨道的弹力是多少？mgO轨道第11页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二例题2：如图所示，一质量为m的小球，用长为L轻杆固定住，使其在竖直

6、面内作圆周运动.(1)若过小球恰好能通过最高点，则小球在最高点和最低点的速度分别是多少？小球的受力情况分别如何？(2)若小球在最低点受到杆子的拉力为5.5mg，则小球在最高点的速度及受到杆子的力是多少？mgON第12页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二练习2：如图所示，一质量为m的小球，放在一个内壁光滑的封闭管内，使其在竖直面内作圆周运动.(1)若过小球恰好能通过最高点，则小球在最高点和最低点的速度分别是多少？小球的受力情况分别如何？(2)若小球在最低点受到管道的力为6mg，则小球在最高点的速度及受到管道的力是多少？mgONR第13页，共35页，2022年，5月20日，5点

7、38分，星期二MmO例题3、如图所示，支架的质量为M，转轴O处用长为L的轻绳悬挂一质量为m的小球.若小球在竖直平面内做圆周运动，到达最高点时，恰好支架对地面无压力.设M=3m.求：（1）小球在最高点时的速度大小是多少？（2）支架对地面的最大压力是多少？第14页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二MmO练习3、如图所示，支架的质量为M，转轴O处用长为L的轻绳悬挂一质量为m 的小球.若小球在竖直平面内做圆周运动，到达最高点时，恰好支架对地面的压力mg.设M=3m.求：（1）小球在最高点时的速度大小是多少？（2）改变小球的速度，在保证小球仍能作圆周运动的前提下，当小球运动到最低点时

8、，支架对地面的最小压力是多少？第15页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二例题4:如图中圆弧轨道AB是在竖直平面内的1/4圆周，在B点，轨道的切线是水平的.一质点自A点从静止开始下滑，不计滑块与轨道间的摩擦和空气阻力，则在质点刚要到达B点时的加速度大小为_，刚滑过B点时的加速度大小为_. AB第16页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二练习4:如图中圆弧轨道AB是在竖直平面内的1/4圆周，在B点，轨道的切线是水平的.一质点自A点上方高h处从静止开始下落，不计滑块与轨道间的摩擦和空气阻力，则在质点刚要到达B点时的加速度大小为_，刚滑过B点时的加速度大小为_.

9、ABh第17页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二例题5：如图所示，半径为R的光滑半圆球固定在水平面上，顶部有一小物体A。今给它一个水平初速度 ,则物体将（ ）A、沿球面下滑至M点B、沿球面下滑至某一点N，便离开球面做斜下抛运动C、立即离开半球面做平抛运动D、以上说法都不正确MmORv0N第18页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二MmOR练习5：如图所示，半径为R的光滑半圆球固定在水平面上，顶部有一小物体A。今使无初速度放置在球的最高点,现在给其一扰动，则物体将（ ）A、沿球面下滑至M点B、沿球面下滑至某一点N，便离开球面做斜下抛运动C、立即离开半球面做平

10、抛运动D、以上说法都不正确N第19页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二要点疑点考点三、竖直平面内的圆周运动问题的分析竖直平面内的圆周运动是典型的变速圆周运动，高考中经常有这种模型，时常与能量及动量相结合中学物理中只研究物体在最高点与最低点的两种情况.主要有以下两种类型：1.如图4-4-1所示：无支撑物的小球在竖直平面内最高点情况.图4-4-1第20页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二要点疑点考点(1)临界条件：小球达最高点时绳子的拉力(或轨道的弹力)刚好等于0，小球在最高点的向心力全部由重力来提供，这时有mg=mv2min/r，式中的vmin是小球通过最

11、高点的最小速度，通常叫临界速度vmin= .(2)能通过最高点的条件：vvmin.(3)不能通过最高点条件vvmin，注意的是这是假设到最高点而做出一个v，其实球没到最高点就脱离了轨道或是沿原轨道返回或是做斜抛运动了.第21页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二要点疑点考点2.有物体支撑的小球在竖地面最高点情况.(1)临界条件：由于硬杆和管壁的支撑作用，小球恰好能到最高点的临界速度vmin=0.(2)图4-4-2中的小球到达最高点时，轻杆对小球的作用力情况；图4-4-2第22页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二要点疑点考点 当v=0时，轻杆对小球有竖直向上

12、的支持力N，其大小等于小球的重力，即N=mg； 当0v 时，杆对小球的支持力的方向竖直向上，大小随速度增大而减小，其取值范围是:0Nmg； 当v= 时，N=0； 当v 时，杆对小球有指向圆心的拉力，其大小随速度的增大而增大. (3)图4-4-2的硬管对小球的弹力情况，请大家参考杆对小球的分析自己分析.第23页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二课 前 热 身1.杂技演员在表演水流星节目时，盛水的杯子在竖直平面内做圆周运动，当杯子到最高点时，里面水也不流出来，这是因为( )A.水处于失重状态，不受重力的作用了B.水受平衡力作用，合力为0C.水受的合力提供向心力，使水做圆周运动D

13、.杯子特殊，杯底对水有吸力C第24页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二课 前 热 身2.乘坐游乐园的翻滚过山车时，质量为m的人随车在竖直平面内旋转，下列说法正确的是( )A.车在最高点时人处于倒坐状态，全靠保险带拉住，没有保险带，人就会掉下来B.人在最高点时对座仍可能产生压力，但压力一定小于mgC.人在最低点时对座位的压力等于mgD.人在最低点时对座位的压力大于mgD第25页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二课 前 热 身3.如图4-4-3所示，长为L的轻杆，一端固定着一个小球，另一端可绕光滑的水平轴转使小球在竖直平面内运动，设小球在最高点的速度为v,则

14、( )图4-4-3BCA.v的最小值为B.v若增大，向心力也增大C.当v由 逐渐增大时，杆对球的弹力也增大D.当v由 逐渐减小时，杆对球的弹力也逐渐减小第26页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二能力思维方法【例1】如图4-4-4所示，细杆的一端与小球相连，可绕O点的水平轴自由转动，现给小球一初速度，使它做圆周运动，图中a、b分别表示小球轨道的最低点和最高点，则杆对球的作用力可能是( )图4-4-4A.a处为拉力，b处为拉力B.a处为拉力，b处为推力C.a处为推力，b处为拉力C.a处为推力，b处为推力AB第27页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二能力思维方

15、法【解析】小球以O点为圆心在竖直面内做圆周运动，在最低点时，小球除受重力外，还有杆的作用力，由于合外力提供向心力且指向圆心，杆对小球的作用力只能向上，所以在最低点，杆对小球只能是拉力 在最高点时，杆对小球可以向下拉，也可以向上推.当小球速度小于 时，杆对小球向上推，当小球的速度大于 时，杆对小球向下拉.第28页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二能力思维方法【解题回顾】杆对球既可能推力又可能是拉力、而如果杆摸成线，即线对球就只能是拉力了。第29页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二能力思维方法【例2】一内壁光滑的环形细圆管，位于竖直平面内，环的半径为R(比细

16、管半径大得多)在圆管中有两个直径与细管直径相同的小球.(可视为质点)A球的质量为m1，B球恰好运动到最高点，若要此时两球作用于圆管的合力为0，那么m1、m2、R与v0应满足的关系式是(m1-m2)v20/R+(m1+5m2)g=0.第30页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二能力思维方法【解析】A球在最低点时作用于管道的作用力一定是竖直向下的，且二者大小相等设均为N，管壁对两球的作用力的大小也必为N. 对A球：N-m1g=m1v20/R； 对B球：N+m2g=m2v2/R.其中v为B球通过最高点的瞬时速度，由机械能守恒定律 m2g2R+(1/2)m2v2=(1/2)m2v20

17、. 由上式可得关系式:(m1-m2)v20/R+(m1+5m2)g=0.第31页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二延伸拓展【例4】一宇航员抵达一半径为R的星球表面后，为了测定该星球的质量M，做如下实验，取一根细线穿过光滑的细直管，细线一端拴一质量为m的砝码，另一端连接在一固定的测力计上，手握细直管抡动砝码，使它在竖直平面内做完整的圆周运动，停止抡动细直管，砝码可继续在同一竖直平面内做完整的圆周运动，如图4-4-7所示此时观察测力计得到当砝码运动到圆周的最低点和最高点两位置时测力计的读数差为F，已知引力常量为G.试根据题中所提供的条件和测量结果，求出该星球的质量M.第32页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二延伸拓展图4-4-7第33页，共35页，2022年，5月20日，5点38分，星期二延伸拓展【解析】最高点F1+mg=mv21/r， 最低点F2-mg=mv22/r.由机械能守恒定律有 1/2m