高考物理二轮复习专项训练模型13 竖直面内圆周运动的绳系小球模型（原卷版）

模型13竖直面内圆周运动的绳系小球模型1．（2020高考全国理综I）如图，一同学表演荡秋千。已知秋千的两根绳长均为10m，该同学和秋千踏板的总质量约为50kg。绳的质量忽略不计，当该同学荡到秋千支架的正下方时，速度大小为8m/s，此时每根绳子平均承受的拉力约为A．200N B．400N C．600N D．800N2.（2017全国II卷·17）如图，半圆形光滑轨道固定在水平地面上，半圆的直径与地面垂直，一小物块以速度SKIPIF1<0从轨道下端滑入轨道，并从轨道上端水平飞出，小物块落地点到轨道下端的距离与轨道半径有关，此距离最大时，对应的轨道半径为（重力加速度为g）A.SKIPIF1<0B.SKIPIF1<0C.SKIPIF1<0D.SKIPIF1<03（2016全国理综甲）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，A.P球的速度一定大于Q球的速度B.P球的动能一定小于Q球的动能C.P球所受绳的拉力一定大于Q球所受绳的拉力D.P球的向心加速度一定小于Q球的向心加速度4.（2016全国理综III丙卷）如图，一固定容器的内壁是半径为R的半球面；在半球面水平直径的一端有一质量为m的质点P。它在容器内壁由静止下滑到最低点的过程中，克服摩擦力做的功为W。重力加速度大小为g。设质点P在最低点时，向心加速度的大小为a，容器对它的支持力大小为N，则A.a=2C.N=3mgRN=3mgR−2WR5.（2016高考海南物理）如图，光滑圆轨道固定在竖直面内，一质量为m的小球沿轨道做完整的圆周运动。已知小球在最低点时对轨道的压力大小为N1，在高点时对轨道的压力大小为N2.重力加速度大小为g，则NA.3mgB.4mgC.5mgD.6mg6.（2016全国理综甲）轻质弹簧原长为2l，将弹簧竖直放置在地面上，在其顶端将一质量为5m的物体由静止释放，当弹簧被压缩到最短时，弹簧长度为l。现将该弹簧水平放置，一端固定在A点，另一端与物块P接触但不连接。AB是长度为5l的水平轨道，B端与半径为l的光滑半圆轨道BCD相切，半圆的直径BD竖直，如图所示。物块P与AB之间的动摩擦因数μ=0.5。用外力推动物块P，将弹簧压缩至长度l，然后释放，P开始沿轨道运动，重力加速度大小为g。（1）若P的质量为m，求P到达B点时速度的大小，以及它离开圆轨道后落回到AB上的位置与B点间的距离；（2）若P能滑上圆轨道，且仍能沿圆轨道滑下，求P得质量的取值范围。7。(2013高考江苏物理第2题)如图所示，“旋转秋千装置中的两个座椅A、B质量相等，通过相同长度的缆绳悬挂在旋转圆盘上。不考虑空气阻力的影响，当旋转圆盘绕竖直的中心轴匀速转动时，下列说法正确的是（A）A的速度比B的大（B）A与B的向心加速度大小相等（C）悬挂A、B的缆绳与竖直方向的夹角相等（D）悬挂A的缆绳所受的拉力比悬挂B的小最新模拟题1.（2023三明四校联考）.用长L=0.6m的绳一端系着装有m=0.5kg水的小桶（小桶质量忽略不计），在竖直平面内做圆周运动，成为“水流星”。SKIPIF1<0。则（）A.最高点水不流出的最小速度为SKIPIF1<0B.最高点水不流出的最小速度为SKIPIF1<0C.“水流星”在最高点时处于超重状态，在最低点时处于失重状态D.若过最高点时速度为SKIPIF1<0，此时水对桶底的压力等于2.5N2.（2023齐鲁名校联考)游乐园里有一种叫“飞椅”的游乐项目，简化后的示意图如图所示。已知飞椅用钢绳系着，钢绳上端的悬点固定在顶部水平转盘上的圆周上。转盘绕穿过其中心的竖直轴匀速转动。稳定后，每根钢绳（含飞椅及游客）与转轴在同一竖直平面内。图中P、Q两位游客悬于同一个圆周上，P所在钢绳的长度大于Q所在钢绳的长度，钢绳与竖直方向的夹角分别为SKIPIF1<0、SKIPIF1<0。不计钢绳的重力。下列判断正确的是A．P、Q两个飞椅的线速度大小相同B．无论两个游客的质量分别有多大，SKIPIF1<0一定大于SKIPIF1<0C．如果两个游客的质量相同，则有SKIPIF1<0等于SKIPIF1<0D．如果两个游客的质量相同，则Q的向心力一定小于P的向心力3.（2023湖南顶级名校质检）如图所示，一质量为M的人站在台秤上，手拿一根长为R的细线一端，另一端系一个质量为m的小球，使小球在竖直平面内做圆周运动。若小球恰好能做完整的圆周运动，已知圆周上b为最高点，a、c为圆心的等高点，重力加速度大小为g，则下列说法正确的是（）A.小球运动到最高点b时，小球速度为零B.小球运动到最高点b时，台秤的示数最小，且为MgC.小球在a、c两个位置时，台秤的示数相同，且为Mg＋mgD.小球运动到最低点时台秤的示数为Mg＋6mg4.(2022山西大同一中模拟)如图所示,一倾斜的圆筒绕固定轴OO1以恒定的角速度Ω转动,圆筒的半径r=1.5m。筒壁内有一小物体与圆筒始终保持相对静止,小物体与圆筒间的动摩擦因数为32(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力),转动轴与水平面间的夹角为60°,重力加速度g取10m/s2,则Ω的最小值是(A.1rad/s B.303C.10rad/s D.5rad/s105．如图，长均为L的两根轻绳，一端共同系住质量为m的小球，另一端分别固定在等高的A、B两点，A、B两点间的距离也为L。重力加速度大小为g。今使小球在竖直平面内以AB为轴做圆周运动，若小球在最高点速率为v时，两根绳的拉力恰好均为零，则小球在最高点速率为2v时，每根绳的拉力大小为A．eq\r(3)mgB．SKIPIF1<0eq\r(3)mgC．3mgD．2eq\r(3)mg6．如图所示，轻绳的一端固定在O点，另一端系一质量为m的小球，在最低点给小球一个初速度，小球恰好能够在竖直平面内完成圆周运动，选项中给出了轻绳对小球拉力F跟小球转过的角度θ(0°≤θ≤180°)的余弦cosθ关系的四幅图象，其中A是一段直线，B是一段余弦函数线，C、D是一段抛物线，这四幅F－cosθ图象正确的是()7.（2023山东烟台重点高中期中）.如图是马戏团上演的飞车节目，半径为R的圆轨道．表演者骑着摩托车在圆轨道内做圆周运动．已知人和摩托车的总质量均为m，当乙以v1=SKIPIF1<0的速度过轨道最高点B时，甲以v2=SKIPIF1<0的速度经过最低点A．忽略其他因素影响，求：（1）乙在最高点B时受轨道的弹力大小；（2）甲在最低点A时受轨道的弹力大小。8.（2023山东烟台重点高中期中）杂技运动员抓住长为SKIPIF1<0的绳子绕高为SKIPIF1<0的固定支柱旋转，支柱直径忽略不计，如图所示，已知SKIPIF1<0，且运动员在旋转过程中可视为匀速圆周运动。重力加速度SKIPIF1<0，杂技运动员可视为质点，手臂长度忽略不计，不计空气阻力，（SKIPIF1<0，SKIPIF1<0）。求：(1)求杂技运动员在匀速旋转过程中速度大小v；(2)某时刻运动员松手，求落地点到转轴下端点的距离？（结果保留两位有效数字）9、（12分）（2023浙江名校联盟联考）如图所示，足够长的光滑水平桌面左端固定一立柱，质量为m=0.1kg的小球置于桌面上，它与立柱之间有一压缩的的轻弹簧，轻弹簧与立柱之间栓接与小球不栓接。某时刻释放小球，它被弹出从桌面右端A点飞出，恰好能没有碰撞地落到粗糙倾斜轨道的顶端B点，并沿轨道滑下。图中右端为固定在竖直面内半径R=2m的圆弧轨道，水平轨道CD将倾斜轨道与圆弧轨道连接在一起。已知B点与桌面间的竖直高度差h=0.45m，倾斜轨道BC长为L=2.75m，倾角SKIPIF1<0，小球与倾斜轨道间的动摩擦因数SKIPIF1<0；不计水平轨道与圆弧轨道的摩擦与小球经过C点时的能量损失，取g=10m/s2，求：（1）被释放前弹簧的弹性势能；（2）小球第一次经过圆弧轨道最低点时对轨道的压力的大小；（3）为了让小球不离开轨道，并且能够滑回倾斜轨道BC，则竖直圆轨道的半径应该满足什么条件？15.（2023辽宁大连金州高中三模）如图所示，水平面上的轻弹簧左端与固定的竖直挡板相连，处于原长时右端位于B点，B点左侧光滑右侧粗糙，右侧C点处有一足够长的斜面与水平面平滑连接。斜面倾角为37º，斜面上有一半径为R=1m的光滑半圆轨道与斜面相切于D点，半圆轨道的最高点为E，G为半圆轨道的另一端点，LBC=2m，A、B、C、D、E、G均在同一竖直面内。使质量为m=0.5kg的小物块P挤压弹簧右端至A点，然后由静止释放，P到达B点时立即受到斜向右上方与水平方向夹角为37º、大小为F=5N的恒力，一直保持F对物块P的作用，P恰好通过半圆轨道的最高点E。已知P与水平面、斜面间的动摩擦因数均为µ=0.5，取g=10m/s2，sin37º=0.6。求：（1）P运动到半圆轨道D点时对轨道的压力大小；（2）弹簧的最大弹性势能；（3）若其他条件不变，增大B、C间的距离使P过G点后恰好能垂直落在斜面上，求P在斜面上的落点距D点的距离。【答案】（1）18N；（2）1J；（3）1m【解析】【详解】（1）设在半圆轨道的最高点E，由牛顿运动定律得SKIPIF1<0在D点，由牛顿运动定律得SKIPIF1<0P从D点到E点，由动能定理得SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0由牛顿第三定律得，P运动到D点时对轨道压力大小为SKIPIF1<0。（2）P从C点到D点，由牛顿第二定律得SKIPIF1<0说明P从C点到D点做匀速运动，有SKIPIF1<0由能量守恒定律得SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0（3）P在G点脱离圆轨道做曲线运动，可把该运动分解为平行于斜面的匀减速直线运动和垂直于斜面的初速度为零的匀加速直线运动SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0P垂直落在斜面上，运动时间满足SKIPIF1<0平行于斜面方向上的速度减小到零，P在斜面上的落点距D的距离由逆向运动SKIPIF1<0解得SKIPIF1<014（15分）（2023年10月宜荆荆随高三联考）如图所示，“蝴蝶”型轨道放置在水平面上，该轨道由同一竖直面内四个光滑半圆形轨道SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0和粗糙的水平直轨道FG组成，轨道SKIPIF1<0、SKIPIF1<0的半径均为SKIPIF1<0，H、E点与小圆弧圆心等高，轨道SKIPIF1<0、SKIPIF1<0半径均为SKIPIF1<0，B、K两端与水平地面相切。现将质量SKIPIF1<0的小滑块从光滑水平地面上A点以不同初速度发射出去，小滑块沿轨道上滑。已知小滑块与轨道FG的动摩擦因数SKIPIF1<0，其他阻力均不计，小滑块可视为质点，重力加速度取SKIPIF1<0。（1）若小滑块恰能沿轨道从A点运动到K点，求小滑块在SKIPIF1<0半圆轨道运动到D点时对轨道的弹力大小；（2）若小滑块运动过程中恰好不脱离轨道，且最终能停在FG轨道上，求小滑块从B点开始到停止运动所经过的路程（SKIPIF1<0取3.14，结果保留两位有效数字）。14答案：（1）SKIPIF1<0；（2）SKIPIF1<0解析：（1）若小滑块恰能沿轨道从A点运动到K点，在SKIPIF1<0圆轨道运动时，在J点时，有SKIPIF1<0……1分从D点运动到J点