高考物理一轮基础复习：6.4生活中的圆周

高考物理一轮基础复习：6.4生活中的圆周一、铁路的弯道1．火车在弯道上的运动特点火车在弯道上运动时实际上在做圆周运动，因而具有向心加速度，由于其质量巨大，需要很大的向心力．2．向心力的来源(1)若转弯时内外轨一样高，则由外轨对轮缘的弹力提供向心力，这样，铁轨和车轮极易受损．(2)若内外轨有高度差，依据规定的行驶速度行驶，转弯时向心力几乎完全由重力G和支持力FN的合力提供．二、拱形桥凸形桥和凹形桥的比较汽车过凸形桥汽车过凹形桥受力分析向心力Fn＝mg－FN＝meq\f(v2,r)Fn＝FN－mg＝meq\f(v2,r)对桥的压力FN′＝mg－meq\f(v2,r)FN′＝mg＋meq\f(v2,r)结论汽车对桥的压力小于汽车的重力，而且汽车速度越大，对桥的压力越小汽车对桥的压力大于汽车的重力，而且汽车速度越大，对桥的压力越大三、航天器中的失重现象和离心运动1．航天器在近地轨道的运动(1)对航天器，在近地轨道可认为地球的万有引力等于其重力，重力充当向心力，满足的关系为Mg＝eq\f(Mv2,r).(2)对航天员，由重力和座椅的支持力提供向心力，满足的关系为mg－FN＝eq\f(mv2,r)，由以上两式可得FN＝0，航天员处于完全失重状态，对座椅压力为零．(3)航天器内的任何物体之间均没有压力．2．对失重现象的认识航天器内的任何物体都处于完全失重状态，但并不是物体不受地球引力．正因为受到地球引力的作用，才使航天器连同其中的航天员做匀速圆周运动．3．离心运动(1)定义：物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动．(2)原因：向心力突然消失或外力不足以提供所需向心力．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)火车弯道的半径很大，故火车转弯需要的向心力很小．(×)(2)火车转弯时的向心力是车轨与车轮间的挤压提供的． (×)(3)汽车驶过凹形桥低点时，对桥的压力一定大于重力． (√)(4)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的宇航员及所有物体均处于完全失重状态． (√)(5)做离心运动的物体沿半径方向远离圆心． (×)2．关于离心运动，下列说法不正确的是()A．做匀速圆周运动的物体，向心力的数值发生变化可能将做离心运动B．做匀速圆周运动的物体，在外界提供的向心力突然变大时将做近心运动C．物体不受外力，可能做匀速圆周运动D．做匀速圆周运动的物体，在外界提供的力消失或变小将做离心运动C[当合力大于需要的向心力时，物体要做向心运动，合力小于所需要的向心力时，物体要做离心运动，所以向心力的数值发生变化也可能做向心运动或离心运动，故A、B正确；物体不受外力时，将处于平衡状态，即匀速或静止状态，不可能做匀速圆周运动，故C错误；做匀速圆周运动的物体，在外界提供的力消失或变小时物体就要远离圆心，此时物体做的就是离心运动，故D正确．]3.如图所示，质量相等的汽车甲和汽车乙，以相等的速率沿同一水平弯道做匀速圆周运动，汽车甲在汽车乙的外侧，两车沿半径方向受到的摩擦力分别为f甲和f乙．以下说法正确的是()A．f甲小于f乙B．f甲等于f乙C．f甲大于f乙D．f甲和f乙的大小均与汽车速率无关A[汽车在水平面内做匀速圆周运动，摩擦力提供做匀速圆周运动的向心力，即f＝F向＝meq\f(v2,r)，由于r甲＞r乙，则f甲＜f乙，选项A正确．]火车转弯问题[观察探究]火车在铁轨上转弯可以看成是匀速圆周运动，如图所示，请思考下列问题：重力G与支持力FN的合力F是使火车转弯的向心力(1)火车转弯处的铁轨有什么特点？火车受力如何？运动特点如何？(2)火车以规定的速度转弯时，什么力提供向心力？(3)火车转弯时速度过大或过小，会对哪侧轨道有侧压力？提示：(1)火车转弯处，外轨高于内轨；由于外轨高于内轨，火车所受支持力的方向斜向上，火车所受支持力与重力的合力可以提供向心力；火车转弯处虽然外轨高于内轨，但火车在行驶的过程中，中心的高度不变，即在同一水平面内做匀速圆周运动，即火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心．(2)火车以规定的速度转弯时，重力和支持力的合力提供向心力．(3)火车转弯时速度过大会对轨道外侧有压力，速度过小会对轨道内侧有压力．[探究归纳]1．转弯轨道特点(1)火车转弯时重心高度不变，轨道是圆弧，轨道圆面在水平面内．(2)转弯轨道外高内低，这样设计是使火车受到的支持力向内侧发生倾斜，以提供做圆周运动的向心力．2．转弯轨道受力与火车速度的关系(1)若火车转弯时，火车所受支持力与重力的合力充当向心力，则mgtanθ＝meq\f(v\o\al(2,0),R)，如图所示，则v0＝eq\r(gRtanθ)，其中R为弯道半径，θ为轨道平面与水平面的夹角(tanθ≈eq\f(h,L))，v0为转弯处的规定速度．此时，内外轨道对火车均无侧向挤压作用．(2)若火车行驶速度v0＞eq\r(gRtanθ)，外轨对轮缘有侧压力．(3)若火车行驶速度v0＜eq\r(gRtanθ)，内轨对轮缘有侧压力．【例1】有一列重为100t的火车，以72km/h的速率匀速通过一个内外轨一样高的弯道，轨道半径为400m．(g取10m/s2)(1)试计算铁轨受到的侧压力大小；(2)若要使火车以此速率通过弯道，且使铁轨受到的侧压力为零，我们可以适当倾斜路基，试计算路基倾斜角度θ的正切值．思路点拨：①(1)问中，外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力．②(2)问中，重力和铁轨对火车的支持力的合力提供火车转弯的向心力．[解析](1)v＝72km/h＝20m/s，外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力，所以有：FN＝meq\f(v2,r)＝eq\f(105×202,400)N＝1×105N由牛顿第三定律可知铁轨受到的侧压力大小等于1×105N.(2)火车过弯道，重力和铁轨对火车的支持力的合力正好提供向心力，如图所示，则mgtanθ＝meq\f(v2,r)由此可得tanθ＝eq\f(v2,rg)＝0.1.[答案](1)1×105N(2)0.1上例中，要提高火车的速度为108km/h，则火车要想安全通过弯道需要如何改进铁轨？提示：速率变为原来的eq\f(3,2)倍，则由mgtanθ＝meq\f(v2,R)，可知：若只改变轨道半径，则R′变为900m，若只改变路基倾角，则tanθ′＝0.225.火车转弯问题的两点注意(1)合外力的方向：火车转弯时，火车所受合外力沿水平方向指向圆心，而不是沿轨道斜面向下．因为火车转弯的圆周平面是水平面，不是斜面，所以火车的向心力即合外力应沿水平面指向圆心．(2)规定速度的唯一性：火车轨道转弯处的规定速率一旦确定则是唯一的，火车只有按规定的速率转弯，内外轨才不受火车的挤压作用．速率过大时，由重力、支持力及外轨对轮缘的挤压力的合力提供向心力；速率过小时，由重力、支持力及内轨对轮缘的挤压力的合力提供向心力．1．铁路在弯道处的内外轨道高度是不同的，已知内外轨道平面与水平面的夹角为θ，如图所示，弯道处的圆弧半径为R，若质量为m的火车转弯时速度等于eq\r(gRtanθ)，则()A．内轨对内侧车轮轮缘有挤压B．外轨对外侧车轮轮缘有挤压C．这时铁轨对火车的支持力等于eq\f(mg,cosθ)D．这时铁轨对火车的支持力大于eq\f(mg,cosθ)C[由牛顿第二定律F合＝meq\f(v2,R)，解得F合＝mgtanθ，此时火车受到的重力和铁路轨道的支持力的合力提供向心力，如图所示，FNcosθ＝mg，则FN＝eq\f(mg,cosθ)，故C正确，A、B、D错误．]汽车过桥问题[观察探究]如图甲、乙为汽车在拱形桥、凹形桥上行驶的示意图，汽车行驶时可以看作圆周运动．甲乙(1)如图甲，汽车行驶到拱形桥的桥顶时：①什么力提供向心力？汽车对桥面的压力有什么特点？②汽车对桥面的压力与车速有什么关系？汽车安全通过拱桥顶(不脱离桥面)行驶的最大速度是多大？(2)当汽车行驶到凹形桥的最底端时，什么力提供向心力？汽车对桥面的压力有什么特点？提示：(1)①当汽车行驶到拱形桥的桥顶时，重力与支持力的合力提供向心力，即mg－FN＝meq\f(v2,R)；此时车对桥面的压力FN′＝mg－meq\f(v2,R)，即车对桥面的压力小于车的重力．②由F′N＝mg－meq\f(v2,R)可知，当汽车的速度增大时，汽车对桥面的压力减小，当汽车对桥面的压力为零时，汽车的重力提供向心力，此时汽车的速度达到最大，由mg＝meq\f(v\o\al(2,m),R)，得vm＝eq\r(gR)，如果汽车的速度超过此速度，汽车将离开桥面．(2)当汽车行驶到凹形桥的最底端时，重力与支持力的合力提供向心力，即FN－mg＝meq\f(v2,R)；此时车对桥面的压力F′N＝mg＋meq\f(v2,R)，即车对桥面的压力大于车的重力．[探究归纳]1．汽车过凸形桥：汽车在桥上运动，经过最高点时，汽车的重力与桥对汽车支持力的合力提供向心力．如图甲所示．由牛顿第二定律得：G－FN＝meq\f(v2,r)，则FN＝G－meq\f(v2,r).汽车对桥的压力与桥对汽车的支持力是一对相互作用力，即F′N＝FN＝G－meq\f(v2,r)，因此，汽车对桥的压力小于重力，而且车速越大，压力越小．(1)当0≤v<eq\r(gr)时，0<FN≤G.(2)当v＝eq\r(gr)时，FN＝0.(3)当v>eq\r(gr)时，汽车做平抛运动飞离桥面，发生危险．2．汽车过凹形桥如图乙所示，汽车经过凹形桥面最低点时，受竖直向下的重力和竖直向上的支持力，两个力的合力提供向心力，则FN－G＝meq\f(v2,r)，故FN＝G＋meq\f(v2,r).由牛顿第三定律得：汽车对凹形桥面的压力F′N＝G＋meq\f(v2,r)，大于汽车的重力．【例2】如图所示，质量m＝2.0×104kg的汽车以不变的速率先后驶过凹形桥面和凸形桥面，两桥面的圆弧半径均为60m．如果桥面承受的压力不得超过3.0×105N(g取10m/s2)，则：(1)汽车允许的最大速率是多少？(2)若以所求速率行驶，汽车对桥面的最小压力是多少？[解析](1)汽车在凹形桥面的底部时，由牛顿第三定律可知，桥面对汽车的最大支持力FN1＝3.0×105N，根据牛顿第二定律得FN1－mg＝meq\f(v2,r)即v＝eq\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(FN1,m)－g))r)＝eq\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3.0×105,2.0×104)－10))×60)m/s＝10eq\r(3)m/s＜eq\r(gr)＝10eq\r(6)m/s故汽车在凸形桥最高点上不会脱离桥面，所以最大速率为10eq\r(3)m/s.(2)汽车在凸形桥面的最高点时，由牛顿第二定律得mg－FN2＝meq\f(v2,r)则FN2＝meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g－\f(v2,r)))＝2.0×104×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(10－\f(300,60)))N＝1.0×105N由牛顿第三定律得，在凸形桥面最高点汽车对桥面的压力为1.0×105N.[答案](1)10eq\r(3)m/s(2)1.0×105N2．如图所示，汽车车厢顶部悬挂一个轻质弹簧，弹簧下端拴一个质量为m的小球，当汽车以某一速度在水平地面上匀速行驶时弹簧长度为L1；当汽车以同一速度匀速通过一个桥面为圆弧形凸形桥的最高点时，弹簧长度为L2，下列选项中正确的是()A．L1＞L2 B．L1＝L2C．L1＜L2 D．前三种情况均有可能A[当汽车在水平面上做匀速直线运动时，设弹簧原长为L0，劲度系数为k，根据平衡得：mg＝k(L1－L0)，解得L1＝eq\f(mg,k)＋L0①；当汽车以同一速度匀速通过一个桥面为圆弧形凸形桥的最高点时，由牛顿第二定律得mg－k(L2－L0)＝meq\f(v2,R)，解得L2＝eq\f(mg,k)＋L0－eq\f(mv2,kR)②，①②两式比较可得L1＞L2，A正确．]离心运动问题[观察探究]链球比赛中，高速旋转的链球被放手后会飞出(如图甲所示)；雨天，当你旋转自己的雨伞时，会发现水滴沿着伞的边缘切线飞出(如图乙所示)．甲乙(1)链球飞出后受几个力？(2)你能说出水滴沿着伞的边缘切线飞出的原因吗？(3)物体做离心运动的条件是什么？提示：(1)重力和空气阻力．(2)旋转雨伞时，雨滴也随着运动起来，但伞面上的雨滴受到的合力不足以提供其做圆周运动的向心力，雨滴由于惯性要保持其原来的速度方向而沿切线方向飞出．(3)物体受到的合力不足以提供其运动所需的向心力．[探究归纳]1．离心运动的实质离心现象的本质是物体惯性的表现．做圆周运动的物体，由于惯性，总是有沿着圆周切线飞出去的倾向，之所以没有飞出去，是因为受到向心力的作用．从某种意义上说，向心力的作用是不断地把物体从圆周运动的切向方向拉回到圆周上来．2．离心运动的条件做圆周运动的物体，提供向心力的外力突然消失或者合外力不能提供足够大的向心力．3．离心运动、近心运动的判断如图所示，物体做圆周运动是离心运动还是近心运动，由实际提供的向心力Fn与所需向心力eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(m\f(v2,r)或mrω2))的大小关系决定．(1)若Fn＝mrω2(或meq\f(v2,r))即“提供”满足“需要”，物体做圆周运动．(2)若Fn＞mrω2(或meq\f(v2,r))即“提供”大于“需要”，物体做半径变小的近心运动．(3)若Fn＜mrω2(或meq\f(v2,r))即“提供”不足，物体做离心运动．【例3】如图所示是摩托车比赛转弯时的情形．转弯处路面常是外高内低，摩托车转弯有一个最大安全速度，若超过此速度，摩托车将发生滑动．对于摩托车滑动的问题，下列论述正确的是()A．摩托车一直受到沿半径方向向外的离心力作用B．摩托车所受外力的合力小于所需的向心力C．摩托车将沿其线速度的方向沿直线滑去D．摩托车将沿其半径方向沿直线滑去B[摩托车只受重力、地面支持力和地面的摩擦力作用，没有离心力，选项A错误；摩托车正常转弯时可看作是做匀速圆周运动，所受的合力等于向心力，如果向外滑动，说明提供的向心力即合力小于需要的向心力，选项B正确；摩托车将沿曲线做离心运动，选项C、D错误．]离心现象的三点注意(1)在离心现象中并不存在离心力，是外力不足以提供物体做圆周运动所需的向心力而引起的，是惯性的一种表现形式．(2)做离心运动的物体，并不是沿半径方向向外远离圆心．(3)物体的质量越大，速度越大(或角速度越大)，半径越小时，圆周运动所需要的向心力越大，物体就越容易发生离心现象．3．如图所示，光滑的水平面上，小球m在拉力F作用下做匀速圆周运动，若小球到达P点时F突然发生变化，下列关于小球运动的说法正确的是()A．F突然消失，小球将沿轨迹Pa做离心运动B．F突然变小，小球将沿轨迹Pa做离心运动C．F突然变大，小球将沿轨迹Pb做离心运动D．F突然变小，小球将沿轨迹Pc逐渐靠近圆心A[若F突然消失，小球所受合力突变为零，将沿切线方向匀速飞出，A正确；若F突然变小不足以提供所需向心力，小球将做逐渐远离圆心的离心运动，B、D错误；若F突然变大，超过了所需向心力，小球将做逐渐靠近圆心的运动，C错误．]课堂小结知识脉络1.火车转弯处外轨略高于内轨，使得火车所受支持力和重力的合力提供向心力．当火车以合适的速率通过弯道时，可以避免火车轮缘对内、外轨的挤压磨损．2．汽车过拱形桥时，在凸形桥的桥顶上，汽车对桥的压力小于汽车重力，汽车在桥顶的安全行驶速度小于eq\r(gR)；汽车在凹形桥的最低点处，汽车对桥的压力大于汽车的重力．3．绕地球做匀速圆周运动的航天器中，宇航员具有指向地心的向心加速度，处于完全失重状态．4．做圆周运动的物体，当合外力突然消失或不足以提供向心力时，物体将做离心运动；当合外力突然大于所需向心力时，物体将做近心运动.【课堂同步练习】1．关于离心运动，下列说法中正确的是()A．物体突然受到离心力的作用，将做离心运动B．做匀速圆周运动的物体，当提供向心力的合外力突然变大时将做离心运动C．做匀速圆周运动的物体，只要提供向心力的合外力的数值发生变化，就将做离心运动D．做匀速圆周运动的物体，当提供向心力的合外力突然消失或变小时将做离心运动D[物体做什么运动取决于物体所受合外力与物体所需向心力的关系，只有当提供的向心力小于所需要的向心力时，物体才做离心运动，所以做离心运动的物体并没有受到所谓的离心力的作用，离心力没有施力物体，所以离心力不存在．由以上分析可知D正确．]2．(多选)火车转弯可近似看成是做匀速圆周运动．当火车以规定速度行驶时，内外轨道均不受侧向挤压．现要降低火车转弯时的规定速度，须对铁路进行改造，从理论上讲以下措施可行的是()A．减小内外轨的高度差B．增加内外轨的高度差C．减小弯道半径D．增大弯道半径AC[当火车以规定速度通过弯道时，火车的重力和支持力的合力提供向心力，如图所示：即Fn＝mgtanθ，而Fn＝meq\f(v2,R)，故v＝eq\r(gRtanθ).若使火车经弯道时的速度v减小，则可以减小倾角θ，即减小内外轨的高度差，或者减小弯道半径R，故A、C正确，B、D错误．]3．俗话说，养兵千日，用兵一时．近年来我国军队进行了多种形式的军事演习．如图所示，在某次军事演习中，一辆战车以恒定的速度在起伏不平的路面上行进，则战车对路面的压力最大和最小的位置分别是()A．A点，B点 B．B点，C点C．B点，A点 D．D点，C点C[战车在B点时，由FN－mg＝meq\f(v2,R)知，FN＝mg＋meq\f(v2,R)，则FN>mg，故对路面的压力最大；在C和A点时，由mg－FN＝meq\f(v2,R)知，FN＝mg－meq\f(v2,R)，则FN<mg，且RC>RA，故FNC>FNA，故在A点对路面压力最小，故选C.]4.城市中为了解决交通问题，修建了许多立交桥．如图所示，桥面是半径为R的圆弧形的立交桥AB横跨在水平路面上，一辆质量为m的小汽车，在A端冲上该立交桥，小汽车到达桥顶时的速度大小为v1，若小汽车在上桥过程中保持速率不变，则()A．小汽车通过桥顶时处于失重状态B．小汽车通过桥顶时处于超重状态C．小汽车在上桥过程中受到桥面的支持力大小为FN＝mg－meq\f(v\o\al(2,1),R)D．小汽车到达桥顶时的速度必须大于eq\r(gR)A[由圆周运动知识知，小汽车通过桥顶时，其加速度方向向下，由牛顿第二定律得mg－FN＝meq\f(v\o\al(2,1),R)，解得FN＝mg－meq\f(v\o\al(2,1),R)＜mg，故其处于失重状态，A正确，B错误；FN＝mg－meq\f(v\o\al(2,1),R)只在小汽车通过桥顶时成立，而其上桥过程中的受力情况较为复杂，C错误；由mg－FN＝meq\f(v\o\al(2,1),R)，FN≥0解得v1≤eq\r(gR)，D错误．]习题课竖直面内的圆周运动竖直面内圆周运动的轻绳(过山车)模型[要点归纳]轻绳(过山车)模型(如图所示)的最高点问题1．绳或过山车(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FT＋mg＝meq\f(v2,r).3．在最高点的临界条件FT＝0，此时mg＝meq\f(v2,r)，则v＝eq\r(gr).v＝eq\r(gr)时，拉力或压力为零．v＞eq\r(gr)时，小球受向下的拉力或压力．v＜eq\r(gr)时，小球不能达到最高点．即轻绳模型的临界速度为v临＝eq\r(gr).【例1】一细绳与水桶相连，水桶中装有水，水桶与细绳一起在竖直平面内做圆周运动，如图所示，水的质量m＝0.5kg，水的重心到转轴的距离l＝50cm.(g取10m/s2)(1)若在最高点水不流出来，求桶的最小速率；(结果保留三位有效数字)(2)若在最高点水桶的速率v＝3m/s，求水对桶底的压力大小．思路点拨：在最高点水不流出的临界条件为只有水的重力提供向心力，水与水桶间无弹力的作用．[解析](1)以水桶中的水为研究对象，在最高点恰好不流出来，说明水的重力恰好提供其做圆周运动所需的向心力，此时桶的速率最小．有：mg＝meq\f(v\o\al(2,0),l)则所求的最小速率为：v0＝eq\r(gl)≈2.24m/s.(2)此时桶底对水有一向下的压力，设为FN，则由牛顿第二定律有：FN＋mg＝meq\f(v2,l)代入数据可得：FN＝4N由牛顿第三定律，水对桶底的压力：FN′＝4N.[答案](1)2.24m/s(2)4N1．如图所示为模拟过山车的实验装置，小球从左侧的最高点释放后能够通过竖直圆轨道而到达右侧．若竖直圆轨道的半径为R，要使小球能顺利通过竖直圆轨道，则小球通过竖直圆轨道的最高点时的角速度最小为()A.eq\r(gR) B．2eq\r(gR)C.eq\r(\f(g,R)) D.eq\r(\f(R,g))C[小球能通过竖直圆轨道的最高点的临界状态为重力提供向心力，即mg＝mω2R，解得ω＝eq\r(\f(g,R))，选项C正确．]竖直面内圆周运动的轻杆(管)模型[要点归纳]1．最高点的最小速度如图所示，细杆上固定的小球和管形轨道内运动的小球，由于杆和管在最高处能对小球产生向上的支持力，故小球恰能到达最高点的最小速度v＝0，此时小球受到的支持力FN＝mg.2．小球通过最高点时，轨道对小球的弹力情况(1)v＞eq\r(Rg)，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＝eq\r(Rg)，球在最高点只受重力，不受杆或管的作用力，F＝0.(3)0＜v＜eq\r(Rg)，杆或管的内侧对球产生向上的弹力，F随v的增大而减小．【例2】长度为0.5m的轻杆OA绕O点在竖直平面内做圆周运动，A端连着一个质量m＝2kg的小球．求在下述的两种情况下，通过最高点时小球对杆的作用力的大小和方向．(g取10m/s2)(1)杆做匀速圆周运动的转速为2.0r/s；(2)杆做匀速圆周运动的转速为0.5r/s.[解析]小球在最高点的受力如图所示：(1)杆的转速为2.0r/s时，ω＝2π·n＝4πrad/s由牛顿第二定律得F＋mg＝mLω2故小球所受杆的作用力F＝mLω2－mg＝2×(0.5×42×π2－10)N≈138N即杆对小球提供了138N的拉力由牛顿第三定律知小球对杆的拉力大小为138N，方向竖直向上．(2)杆的转速为0.5r/s时，ω′＝2π·n＝πrad/s同理可得小球所受杆的作用力F＝mLω′2－mg＝2×(0.5×π2－10)N≈－10N力F为负值表示它的方向与受力分析中所假设的方向相反，故小球对杆的压力大小为10N，方向竖直向下．[答案](1)小球对杆的拉力为138N，方向竖直向上(2)小球对杆的压力为10N，方向竖直向下(1)注意r/s与rad/s的不同．(2)先求小球受到杆的弹力，再用牛顿第三定律得出杆受小球的力.(3)当未知力的方向不确定时，要采用假设正方向的办法．2．如图所示，一轻杆一端固定质量为m的小球，以另一端O为圆心，使小球在竖直平面内做半径为R的圆周运动，以下说法正确的是()A．小球过最高点时，杆所受的弹力不能等于0B．小球过最高点时，速度至少为eq\r(gR)C．小球过最高点时，杆对球的作用力可以与球受重力方向相反，此时重力一定大于杆对球的作用D．小球过最高点时，杆对球作用力一定与小球受重力方向相反C[当小球在最高点的速度为eq\r(gR)时，杆所受弹力为0，A错误；因为是细杆，小球过最高点时的最小速度是0，B错误；小球过最高点时，如果速度在0～eq\r(gR)范围内，则杆对小球有向上的支持力，但由于合力向下，故此时重力一定大于杆对球的作用，C正确；小球通过最高点的速度大于eq\r(gR)，小球的重力不足以提供向心力，此时杆对球产生向下作用力，D错误．]【课堂同步练习】1．如图所示，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，人体受重力为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()A．0B.eq\r(gR)C.eq\r(2gR) D.eq\r(3gR)C[由题意知F＋mg＝meq\f(v2,R)即2mg＝meq\f(v2,R)，故速度大小v＝eq\r(2gR)，C正确．]2．(多选)如图所示，用细绳拴着质量为m的小球，在竖直平面内做圆周运动，圆周半径为R，则下列说法正确的是()A．小球过最高点时，绳子张力可能为零B．小球过最高点时的最小速度为零C．小球刚好过最高点时的速度为eq\r(gR)D．小球过最高点时，绳子对小球的作用力可以与球所受的重力方向相反AC[绳子只能提供拉力作用，其方向不可能与重力相反，D错误；在最高点有mg＋FT＝meq\f(v2,R)，拉力FT可以等于零，此时速度最小，为vmin＝eq\r(gR)，故B错误，A、C正确．]3．(多选)如图所示，一个固定在竖直平面上的光滑圆形管道，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，下列说法中正确的是()A．小球通过管道最低点时，小球对管道的压力向下B．小球通过管道最低点时，小球对管道的压力向上C．小球通过管道最高点时，小球对管道的压力可能向上D．小球通过管道最高点时，小球对管道可能无压力ACD[设管道的半径为R，小球的质量为m，小球通过最低点时速度大小为v1，根据牛顿第二定律：N－mg＝meq\f(v\o\al(2,1),R)可知小球所受合力向上，则管道对小球的支持力向上，则小球对管道的压力向下，故A正确，B错误；最高点时速度大小为v2，根据牛顿第二定律：mg－N＝meq\f(v\o\al(2,2),R)，当v2＝eq\r(gR)时，N＝0，说明管道对小球无压力；当v2＞eq\r(gR)时，N＜0，说明管道对小球的作用力向下，则小球对管道的压力向上，故C、D正确．]4．如图所示，长为L＝0.5m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m＝2kg的小球，g取10m/s2.(1)如果小球的速度为3m/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4N，求杆旋转的角速度为多大．[解析](1)小球在最低点受力如图甲所示：甲乙合力等于向心力：FA－mg＝meq\f(v2,L)解得：FA＝56N.(2)小球在最高点如图乙所示：则：mg－FB＝mω2L解得：ω＝4rad/s.[答案](1)56N(2)4rad/s《6.4生活中的圆周运动》专题训练一、火车转弯1.如果铁道弯道的内外轨一样高，火车转弯时，由外轨对轮缘的弹力提供向心力，由于质量太大，因此需要很大的向心力，靠这种方法得到向心力，不仅铁轨和车轮极易受损，还可能使火车侧翻.2.铁路弯道的特点(1)弯道处外轨略高于内轨.(2)火车转弯时铁轨对火车的支持力不是竖直向上的，而是斜向弯道的内侧.支持力与重力的合力指向圆心.(3)在修筑铁路时，要根据弯道的半径和规定的行驶速度，适当选择内外轨的高度差，使转弯时所需的向心力几乎完全由重力G和弹力FN的合力来提供.二、拱形桥汽车过拱形桥汽车过凹形桥受力分析向心力Fn＝mg－FN＝meq\f(v2,r)Fn＝FN－mg＝meq\f(v2,r)对桥的压力FN′＝mg－meq\f(v2,r)FN′＝mg＋meq\f(v2,r)结论汽车对桥的压力小于汽车的重力，而且汽车速度越大，对桥的压力越小汽车对桥的压力大于汽车的重力，而且汽车速度越大，对桥的压力越大三、航天器中的失重现象1.向心力分析：宇航员受到的地球引力与座舱对他的支持力的合力提供向心力，由牛顿第二定律：mg－FN＝meq\f(v2,R)，所以FN＝mg－meq\f(v2,R).2.完全失重状态：当v＝eq\r(Rg)时，座舱对宇航员的支持力FN＝0，宇航员处于完全失重状态.四、离心运动1.定义：做圆周运动的物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动.2.原因：向心力突然消失或合力不足以提供所需的向心力.3.离心运动的应用和防止(1)应用：离心干燥器；洗衣机的脱水筒；离心制管技术；分离血浆和红细胞的离心机.(2)防止：转动的砂轮、飞轮的转速不能太高；在公路弯道，车辆不允许超过规定的速度.1.判断下列说法的正误.(1)铁路的弯道处，内轨高于外轨.(×)(2)汽车驶过拱形桥顶部时，对桥面的压力等于车重.(×)(3)汽车行驶至凹形桥底部时，对桥面的压力大于车重.(√)(4)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的宇航员处于完全失重状态，故不再受重力.(×)(5)航天器中处于完全失重状态的物体所受合力为零.(×)(6)做离心运动的物体可以沿半径方向向外运动.(×)2.如图1所示，汽车在通过水平弯道时，轮胎与地面间的摩擦力已达到最大值，若汽车转弯的速率增大到原来的eq\r(2)倍，为使汽车转弯时仍不打滑，其转弯半径应变为原来的________倍.图1答案2解析汽车所受的摩擦力提供向心力，则有Ff＝eq\f(mv2,r)，Ff不变，v增大为eq\r(2)v，则弯道半径要变为原来的2倍.一、火车转弯问题1.弯道的特点铁路弯道处，外轨高于内轨，若火车按规定的速度v0行驶，转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，即mgtanθ＝meq\f(v\o\al(2,0),R)，如图2所示，则v0＝eq\r(gRtanθ)，其中R为弯道半径，θ为轨道平面与水平面间的夹角.图22.速度与轨道压力的关系(1)当火车行驶速度v等于规定速度v0时，所需向心力仅由重力和支持力的合力提供，此时内外轨道对火车无挤压作用.(2)当火车行驶速度v>v0时，外轨道对轮缘有侧压力.(3)当火车行驶速度v<v0时，内轨道对轮缘有侧压力.铁路在弯道处的内外轨道高度是不同的，已知内外轨道平面与水平面的夹角为θ，如图3所示，弯道处的圆弧半径为R，若质量为m的火车转弯时速度等于eq\r(gRtanθ)，则()图3A.内轨对内侧车轮轮缘有挤压B.外轨对外侧车轮轮缘有挤压C.这时铁轨对火车的支持力等于eq\f(mg,cosθ)D.这时铁轨对火车的支持力大于eq\f(mg,cosθ)答案C解析由牛顿第二定律F合＝meq\f(v2,R)，解得F合＝mgtanθ，此时火车仅受重力和铁路轨道的支持力作用，如图所示，FNcosθ＝mg，则FN＝eq\f(mg,cosθ)，内、外轨道对火车均无侧压力，故C正确，A、B、D错误.针对训练(多选)公路急转弯处通常是交通事故多发地带.如图4所示，某公路急转弯处是一圆弧，当汽车行驶的速率为v0时，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势.则在该弯道处()图4A.路面外侧高、内侧低B.车速只要低于v0，车辆便会向内侧滑动C.车速虽然高于v0，但只要不超出某一最高限度，车辆便不会向外侧滑动D.当路面结冰时，与未结冰时相比，v0的值变小答案AC解析当汽车行驶的速率为v0时，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势，即不受静摩擦力，此时仅由其重力和路面对其支持力的合力提供向心力，所以路面外侧高、内侧低，选项A正确；当车速低于v0时，需要的向心力小于重力和支持力的合力，汽车有向内侧运动的趋势，受到的静摩擦力向外侧，并不一定会向内侧滑动，选项B错误；当车速高于v0时，需要的向心力大于重力和支持力的合力，汽车有向外侧运动的趋势，静摩擦力向内侧，速度越大，静摩擦力越大，只有静摩擦力达到最大以后，车辆才会向外侧滑动，选项C正确；由mgtanθ＝meq\f(v\o\al(2,0),r)可知，v0的值只与路面与水平面的夹角和弯道的半径有关，与路面的粗糙程度无关，选项D错误.二、汽车过桥问题与航天器中的失重现象1.拱形桥问题(1)汽车过拱形桥(如图5)图5汽车在最高点满足关系：mg－FN＝meq\f(v2,R)，即FN＝mg－meq\f(v2,R).①当v＝eq\r(gR)时，FN＝0.②当0≤v<eq\r(gR)时，0<FN≤mg.③当v>eq\r(gR)时，汽车将脱离桥面做平抛运动，易发生危险.说明：汽车通过拱形桥的最高点时，向心加速度向下，汽车对桥的压力小于其自身的重力，而且车速越大，压力越小，此时汽车处于失重状态.(2)汽车过凹形桥(如图6)图6汽车在最低点满足关系：FN－mg＝eq\f(mv2,R)，即FN＝mg＋eq\f(mv2,R).说明：汽车通过凹形桥的最低点时，向心加速度向上，而且车速越大，压力越大，此时汽车处于超重状态.由于汽车对桥面的压力大于其自身重力，故凹形桥易被压垮，因而实际中拱形桥多于凹形桥.2.绕地球做圆周运动的卫星、飞船、空间站处于完全失重状态.(1)质量为M的航天器在近地轨道运行时，航天器的重力提供向心力，满足关系：Mg＝Meq\f(v2,R)，则v＝eq\r(gR).(2)质量为m的航天员：设航天员受到的座舱的支持力为FN，则mg－FN＝eq\f(mv2,R).当v＝eq\r(gR)时，FN＝0，即航天员处于完全失重状态.(3)航天器内的任何物体都处于完全失重状态.如图7所示，地球可以看成一个巨大的拱形桥，桥面半径R＝6400km，地面上行驶的汽车中驾驶员的重力G＝800N，在汽车不离开地面的前提下，下列分析中正确的是()图7A.汽车的速度越大，则汽车对地面的压力也越大B.不论汽车的行驶速度如何，驾驶员对座椅压力大小都等于800NC.只要汽车行驶，驾驶员对座椅压力大小都小于他自身的重力D.如果某时刻速度增大到使汽车对地面压力为零，则此时驾驶员会有超重的感觉答案C解析汽车以及驾驶员的重力和地面对汽车的支持力的合力提供汽车做圆周运动所需向心力，则有mg－FN＝meq\f(v2,R)，重力是一定的，v越大，则FN越小，故A错误；因为只要汽车行驶，驾驶员的一部分重力则会用于提供驾驶员做圆周运动所需的向心力，结合牛顿第三定律可知驾驶员对座椅压力大小小于其自身的重力，故B错误，C正确；如果速度增大到使汽车对地面的压力为零，说明汽车和驾驶员的重力全部用于提供做圆周运动所需的向心力，处于完全失重状态，此时驾驶员会有失重的感觉，故D错误.如图8所示，质量m＝2.0×104kg的汽车以不变的速率先后驶过凹形桥面和凸形桥面，两桥面的圆弧半径均为60m，如果桥面能承受的压力不超过3.0×105N，则：(g取10m/s2)图8(1)汽车允许的最大速率是多少？(2)若以所求速率行驶，汽车对桥面的最小压力是多少？答案(1)10eq\r(3)m/s(2)1.0×105N解析(1)汽车在凹形桥的底部时，合力向上，汽车受到的支持力最大，由牛顿第三定律可知，桥面对汽车的支持力FN1＝3.0×105N，根据牛顿第二定律FN1－mg＝meq\f(v2,r)，解得v＝eq\r(\f(FN1,m)－gr)＝10eq\r(3)m/s由于v<eq\r(gr)＝10eq\r(6)m/s，故在凸形桥最高点上汽车不会脱离桥面，所以汽车允许的最大速率为10eq\r(3)m/s.(2)汽车在凸形桥顶部时，合力向下，汽车受到的支持力最小，由牛顿第二定律得mg－FN2＝meq\f(v2,r)，即FN2＝m(g－eq\f(v2,r))＝1.0×105N由牛顿第三定律得，在凸形桥顶部汽车对桥面的压力为1.0×105N，此即最小压力.三、离心运动1.物体做离心运动的原因提供向心力的合力突然消失，或者合力不能提供足够的向心力.注意：物体做离心运动并不是物体受到“离心力”作用，而是由于合外力不能提供足够的向心力.所谓“离心力”实际上并不存在.2.合力与向心力的关系(如图9所示).图9(1)若F合＝mrω2或F合＝eq\f(mv2,r)，物体做匀速圆周运动，即“提供”满足“需要”.(2)若F合>mrω2或F合>eq\f(mv2,r)，物体做近心运动，即“提供过度”.(3)若0<F合<mrω2或0<F合<eq\f(mv2,r)，则合力不足以将物体“拉回”到原轨道上，而做离心运动，即“提供不足”.(4)若F合＝0，则物体沿切线方向做直线运动.关于离心运动，下列说法中正确的是()A.物体一直不受外力作用时，可能做离心运动B.在外界提供的向心力突然变大时，原来做匀速圆周运动的物体将做离心运动C.只要向心力的数值发生变化，原来做匀速圆周运动的物体就将做离心运动D.当外界提供的向心力突然消失或数值变小时，原来做匀速圆周运动的物体将做离心运动答案D解析离心运动是指原来在做匀速圆周运动的物体后来远离圆心，所以选项A错误；离心运确.1.(火车转弯问题)(多选)全国铁路大面积提速，给人们的生活带来便利.火车转弯可以看成是在水平面内做匀速圆周运动，火车速度提高会使外轨受损.为解决火车高速转弯时外轨受损这一难题，以下措施可行的是()A.适当减小内外轨的高度差B.适当增加内外轨的高度差C.适当减小弯道半径D.适当增大弯道半径答案BD解析设铁路弯道处轨道平面的倾角为α时，轮缘与内外轨间均无挤压作用，根据牛顿第二定律有mgtanα＝meq\f(v2,r)，解得v＝eq\r(grtanα)，所以为解决火车高速转弯时外轨受损这一难题，可行的措施是适当增大倾角α(即适当增加内外轨的高度差)和适当增大弯道半径r.2.(航天器中的失重现象)(多选)航天飞机在围绕地球做匀速圆周运动过程中，关于航天员，下列说法中正确的是()A.航天员受到的重力消失了B.航天员仍受重力作用，重力提供其做匀速圆周运动的向心力C.航天员处于超重状态D.航天员对座椅的压力为零答案BD解析航天飞机在绕地球做匀速圆周运动时，依然受地球的吸引力，而且正是这个吸引力提供航天飞机绕地球做圆周运动的向心力，航天员的加速度与航天飞机的相同，是其重力提供向心力，选项A错误，B正确；此时航天员不受座椅弹力，即航天员对座椅的压力为零，处于完全失重状态，选项D正确，C错误.3.(离心现象)在冬奥会短道速滑项目中，运动员绕周长仅111米的短道竞赛.比赛过程中运动员在通过弯道时如果不能很好地控制速度，将发生侧滑而摔离正常比赛路线.如图10所示，圆弧虚线Ob代表弯道，即正常运动路线，Oa为运动员在O点时的速度方向(研究时可将运动员看做质点).下列论述正确的是()图10A.发生侧滑是因为运动员受到的合力方向背离圆心B.发生侧滑是因为运动员受到的合力大于所需要的向心力C.若在O点发生侧滑，则滑动的方向在Oa左侧D.若在O点发生侧滑，则滑动的方向在Oa右侧与Ob之间答案D解析发生侧滑是因为运动员的速度过大，所需要的向心力过大，而运动员受到的合力小于所需要的向心力，受到的合力方向指向圆弧内侧，故选项A、B错误；运动员在水平方向不受任何外力时沿Oa方向做离心运动，实际上运动员受到的合力方向指向圆弧Ob内侧，所以运动员滑动的方向在Oa右侧与Ob之间，故选项C错误，D正确.4.(汽车转弯与过桥问题)在高级沥青铺设的高速公路上，汽车的设计时速是108km/h，汽车在这种路面上行驶时，它的轮胎与地面的最大静摩擦力等于车重的eq\f(3,5)(g取10m/s2).(1)如果汽车在这种高速公路的弯道上拐弯，假设弯道的路面是水平的，其弯道的最小半径是多少？(2)如果高速公路上设计了圆弧拱形立交桥，要使汽车能够以设计时速安全通过圆弧拱桥，这个圆弧拱形立交桥的半径至少是多少？答案(1)150m(2)90m解析设汽车的质量为m.(1)汽车在水平路面上拐弯，可视为汽车做匀速圆周运动，其向心力由车与路面间的静摩擦力提供，当静摩擦力达到最大值时，由向心力公式可知这时的半径最小，有Fmax＝eq\f(3,5)mg＝meq\f(v2,rmin)由速度v＝108km/h＝30m/s得弯道半径rmin＝150m(2)汽车过圆弧拱桥，可看做在竖直平面内做匀速圆周运动，到达最高点时，根据向心力公式有mg－FN＝meq\f(v2,R)为了保证安全通过，车与路面间的弹力FN必须大于等于零，即有mg≥meq\f(v2,R)，代入v＝108km/h＝30m/s，得R≥90m，故半径至少是90m.考点一交通工具的转弯问题1.如图1所示，质量相等的汽车甲和汽车乙，以相等的速率沿同一水平弯道做匀速圆周运动，汽车甲在汽车乙的外侧.两车沿半径方向受到的摩擦力分别为Ff甲和Ff乙.以下说法正确的是()图1A.Ff甲小于Ff乙B.Ff甲等于Ff乙C.Ff甲大于Ff乙D.Ff甲和Ff乙的大小均与汽车速率无关答案A解析汽车在水平面内做匀速圆周运动，摩擦力提供做匀速圆周运动的向心力，即Ff＝F向＝meq\f(v2,r)，由于m甲＝m乙，v甲＝v乙，r甲＞r乙，则Ff甲＜Ff乙，A正确.2.(多选)如图2所示，铁路转弯处外轨略高于内轨，若在某转弯处规定行驶的速度为v，则下列说法正确的是()图2A.若火车行驶到转弯处的速度大于规定速度v，火车将对外轨有侧向的挤压作用B.若火车行驶到转弯处的速度小于规定速度v，火车将对外轨有侧向的挤压作用C.若火车要提速行驶，而弯道坡度不变，要减小弯道半径D.若火车要提速行驶，而弯道半径不变，弯道的坡度应适当增大答案AD解析火车在转弯处做匀速圆周运动，按规定速度行驶时，其向心力完全由其重力和轨道对其弹力的合力提供；若火车行驶到转弯处的速度大于规定速度v，则运行过程中需要的向心力增大，火车将对外轨有侧向的挤压作用；若火车行驶到转弯处的速度小于规定速度v，则运行过程中需要的向心力减小，而火车重力和支持力的合力将大于需要的向心力，火车将对内轨有侧向的挤压作用，故A正确，B错误.由mgtanθ＝meq\f(v2,r)得：v＝eq\r(grtanθ)，若火车要提速行驶，应适当增大弯道的坡度θ，或增大弯道半径r，C错误，D正确.3.在高速公路的拐弯处，通常路面都是外高内低.如图3所示，在某路段汽车向左拐弯，司机左侧的路面比右侧的路面低一些.汽车的运动可看做是半径为R的圆周运动.设内、外路面高度差为h，路基的水平宽度为d，路面的宽度为L.已知重力加速度为g.要使车轮与路面之间的横向摩擦力(即垂直于前进方向)等于零，则汽车转弯时的车速应等于()图3A.eq\r(\f(gRh,L)) B.eq\r(\f(gRh,d))C.eq\r(\f(gRL,h)) D.eq\r(\f(gRd,h))答案B解析设路面的倾角为θ，根据牛顿第二定律得mgtanθ＝meq\f(v2,R)，又由数学知识可知tanθ＝eq\f(h,d)，联立解得v＝eq\r(\f(gRh,d))，选项B正确.4.摆式列车是集电脑、自动控制等高新技术于一体的新型高速列车，如图4所示.当列车转弯时，在电脑控制下，车厢会自动倾斜；行驶在直轨上时，车厢又恢复原状，就像玩具“不倒翁”一样.假设有一摆式列车在水平面内行驶，以360km/h的速度转弯，转弯半径为1km，则质量为50kg的乘客，在转弯过程中所受到的火车对他的作用力大小为(g取10m/s2)()图4A.500N B.1000NC.500eq\r(2)N D.0答案C解析360km/h＝100m/s，乘客所需的向心力Fn＝meq\f(v2,R)＝500N，而乘客的重力为500N，故火车对乘客的作用力大小FN＝eq\r(F\o\al(2,n)＋G2)＝500eq\r(2)N，C正确.考点二汽车过桥问题和航天器中的失重现象5.如图5所示，当汽车通过拱桥顶点的速度为6m/s时，车对桥顶的压力为车重的eq\f(3,4)，如果要使汽车在桥面行驶至桥顶时，对桥面的压力为零，则汽车通过桥顶的速度大小应为()图5A.3m/s B.10m/sC.12m/s D.24m/s答案C解析根据牛顿第二定律得：mg－FN＝meq\f(v2,r)，即eq\f(1,4)mg＝meq\f(v2,r)，当汽车对桥面的压力为零时，桥面对汽车的支持力为零，有：mg＝meq\f(v′2,r)，解得：v′＝2v＝12m/s，故C正确.6.如图6所示，汽车车厢顶部悬挂一个轻质弹簧，弹簧下端拴一个质量为m的小球.当汽车以某一速率在水平地面上匀速行驶时，弹簧长度为L1，当汽车以大小相同的速度匀速通过一个桥面为圆弧形的凸形桥的最高点时，弹簧长度为L2，下列选项中正确的是()图6A.L1＝L2 B.L1>L2C.L1<L2 D.前三种情况均有可能答案B7.下列四幅图中的行为可以在绕地球做匀速圆周运动的“天宫二号”舱内完成的有()A.用台秤称量重物的质量B.用水杯喝水C.用沉淀法将水与沙子分离D.给小球一个很小的初速度，小球能在拉力作用下在竖直面内做圆周运动答案D解析重物处于完全失重状态，对台秤的压力为零，无法通过台秤测量重物的质量，故A错误；水杯中的水处于完全失重状态，不会因重力而流入嘴中，故B错误；沙子处于完全失重状态，不能通过沉淀法与水分离，故C错误；小球处于完全失重状态，给小球一个很小的初速度，小球能在拉力作用下在竖直面内做圆周运动，故D正确.考点三离心现象8.(多选)如图7所示