专题09 圆周运动常考模型（教师版）-2025版高考物理热点题型讲义

专题09圆周运动常考模型目录TOC\o"1-3"\h\u题型一圆周运动中的运动学分析 1题型二水平面内的圆周运动 8类型1圆锥摆模型 9类型2生活中的圆周运动 16题型三圆周运动中的临界极值问题 22类型1水平面内圆周运动的临界问题 22类型2竖直面内的圆周运动的临界问题 31类型3斜面上圆周运动的临界问题 45题型四圆周运动与图像结合问题 54类型1水平面内圆周运动与图像结合问题 54类型2竖直面内圆周运动与图像结合 58题型一圆周运动中的运动学分析【解题指导】1．对公式v＝ωr的理解当ω一定时，v与r成正比．当v一定时，ω与r成反比．2．对an＝eq\f(v2,r)＝ω2r的理解在v一定时，an与r成反比；在ω一定时，an与r成正比．3．常见的传动方式及特点(1)皮带传动：如图甲、乙所示，皮带与两轮之间无相对滑动时，两轮边缘线速度大小相等，即vA＝vB.(2)摩擦传动和齿轮传动：如图甲、乙所示，两轮边缘接触，接触点无打滑现象时，两轮边缘线速度大小相等，即vA＝vB.(3)同轴转动：如图所示，绕同一转轴转动的物体，角速度相同，ωA＝ωB，由v＝ωr知v与r成正比．【例1】（2024·辽宁·高考真题）“指尖转球”是花式篮球表演中常见的技巧。如图，当篮球在指尖上绕轴转动时，球面上P、Q两点做圆周运动的（）A．半径相等 B．线速度大小相等C．向心加速度大小相等 D．角速度大小相等【答案】D【详解】D．由题意可知，球面上P、Q两点转动时属于同轴转动，故角速度大小相等，故D正确；A．由图可知，球面上P、Q两点做圆周运动的半径的关系为故A错误；B．根据可知，球面上P、Q两点做圆周运动的线速度的关系为故B错误；C．根据可知，球面上P、Q两点做圆周运动的向心加速度的关系为故C错误。故选D。【例2】（2024·甘肃酒泉·三模）如图所示为脚踏自行车的传动装置简化图，各轮的转轴均固定且相互平行，甲、乙两轮同轴且无相对转动，已知甲、乙、丙三轮的半径之比为1:9:3，传动链条在各轮转动中不打滑，则乙、丙转速之比为（）A．1:2 B．2:1 C．3:1 D．1:3【答案】C【详解】甲、丙两轮边缘处的各点线速度相等，根据可得甲、丙的转速之比为3:1，甲、乙同轴转动，角速度相等，转速相等，所以乙、丙转速之比为3:1。故选C。【变式演练1】（2024·四川成都·三模）一质点做匀速圆周运动，从圆周上的一点运动到另一点的过程中，下列说法一定正确的是（

）A．质点速度不变 B．质点加速度不变 C．质点动能不变 D．质点机械能不变【答案】C【详解】A．质点做匀速圆周运动，速度大小不变，方向时刻变化，速度是变化的，故A错误；B．质点做匀速圆周运动，加速度大小不变，方向时刻变化，指向圆心，加速度是变化的，故B错误；C．质点动能为质点做匀速圆周运动，速度大小不变，故质点动能不变，故C正确；D．质点做匀速圆周运动，动能不变，质点的重力势能不一定不变，故质点机械能不一定不变，故D错误。故选C。【变式演练2】进入冬季后，北方的冰雪运动吸引了许多南方游客。如图为雪地转转游戏，人乘坐雪圈（人和雪圈总质量为50kg，大小忽略不计）绕轴以2rad/s的角速度在水平雪地上匀速转动，已知水平杆长为2m，离地高为2m，绳长为4m，且绳与水平杆垂直。则雪圈（含人）（）A．所受的合外力不变 B．所受绳子的拉力指向圆周运动的圆心C．线速度大小为8m/s D．所需向心力大小为400N【答案】C【详解】A．雪圈（含人）做匀速圆周运动合外力一直指向圆心，方向在时刻发生变化，因而合外力在不断变化，故A错误；B．根据图示可知绳子的拉力沿绳并指向绳收缩的方向，并不是指向圆周运动的圆心的，故B错误；C．根据几何关系可知，雪圈（含人）做匀速圆周运动的半径为则线速度大小为故C正确；D．雪圈（含人）所受的合外力提供所需的向心力，则有故D错误。故选C。【变式演练3】某款滚筒洗衣机的内筒直径为50cm，在进行衣服脱水甩干时转速可达到1200转/分，则甩干时紧贴滚筒内壁衣服的线速度大小约为（

）A．31m/s B．63m/s C．126m/s D．600m/s【答案】A【详解】根据题意可知角速度为则线速度大小为故选A。【变式演练4】如图为古代常见的一种板车，车前轮与后轮转动半径之比为，车上放有质量为m的重物（可视为质点），推动板车使重物恰好能够随车匀速前进，此时车板与水平面间的倾角为，重物与车板间动摩擦因数固定，若将车板与水平面间倾角变大，之后控制板车使其仍能水平匀速前行，则下列说法正确的是（）A．板车前轮与后轮的角速度之比为B．重物与板车间动摩擦因数C．板车倾角变大后重物所受摩擦力也会随之变大D．板车倾角变大后重物的对地运动方向沿板车斜面向下【答案】A【详解】A．根据得故A正确；B．根据得故B错误；C．板车倾角变大后，重物会沿斜面下滑，此时的摩擦力为重物所受摩擦力变小，故C错误；D．板车倾角变大后重物相对板车沿斜面向下，板车相对地面向前运动，因此重物相对地面的运动方向为斜向下和向前的合运动方向，故D错误。故选A。【变式演练5】如图所示为某自行车的大齿轮、小齿轮和后轮结构示意图，它们的边缘有三个点a、b、c，半径大小关系为，下列判断正确的是（）A．b比a的角速度小 B．b和c的角速度相等C．a比b的向心加速度大 D．c比b的向心加速度大【答案】C【详解】AB．a、b共轴，角速度相同，b、c通过链条相连，线速度相同，根据，可知则有故AB错误；C．根据向心加速度公式又，则故C正确；D．根据向心加速度公式又，则故D错误。故选C。【变式演练6】齿轮传动是现代工业中常见的一种动力传动方式，荷兰设计师丹尼尔·布朗设计了世上最强齿轮——古戈尔齿轮。如图，最左侧小齿轮转动就会带动后面的大齿轮转动，古戈尔齿轮中有100个大齿轮，小齿轮与大齿轮的半径之比为1∶10，若第一个小齿轮的转动周期为1s，由图可知要使古戈尔齿轮中最后一个大齿轮转动一圈，需要的时间为（

）A． B． C． D．【答案】D【详解】相邻两大、小齿轮的线速度相等，根据可得相邻两大、小齿轮的周期比为可得第一个大齿轮转动周期为，第二个小齿轮转动周期为，第二个大齿轮转动周期为，依此类推，第100个大齿轮转动周期为。故选D。题型二水平面内的圆周运动【解题指导】1．向心力的来源向心力是按力的作用效果命名的，可以是重力、弹力、摩擦力等各种力，也可以是几个力的合力或某个力的分力，因此在受力分析中要避免再另外添加一个向心力．2．向心力的确定(1)确定圆周运动的轨道所在的平面，确定圆心的位置．(2)分析物体的受力情况，所有的力沿半径方向指向圆心的合力就是向心力．3．几种典型运动模型运动模型向心力的来源图示运动模型向心力的来源图示飞机水平转弯圆锥摆火车转弯飞车走壁汽车在水平路面转弯水平转台4方法技巧：求解圆周运动问题必须进行的三类分析,几何分析目的是确定圆周运动的圆心、半径等运动分析目的是确定圆周运动的线速度、角速度、向心加速度等受力分析目的是通过力的合成与分解，表示出物体做圆周运动时，外界所提供的向心力类型1圆锥摆模型1.如图所示，向心力F向＝mgtanθ＝meq\f(v2,r)＝mω2r，且r＝Lsinθ，解得v＝eq\r(gLtanθsinθ)，ω＝eq\r(\f(g,Lcosθ)).2．稳定状态下，θ角越大，对应的角速度ω和线速度v就越大，小球受到的拉力F＝eq\f(mg,cosθ)和运动所需向心力也越大．【例1】（2024·江苏·高考真题）如图所示，细绳穿过竖直的管子拴住一个小球，让小球在A高度处作水平面内的匀速圆周运动，现用力将细绳缓慢下拉，使小球在B高度处作水平面内的匀速圆周运动，不计一切摩擦，则（

）A．线速度vA>vB B．角速度ωA<ωBC．向心加速度aA<aB D．向心力FA>FB【答案】BC【详解】设绳子与竖直方向夹角为θ，绳子长度为l，小球所在平面距离顶点的竖直高度为h，对小球分析有整理有，，a=gtanθA．由于小球从A处到达B处，l减小，θ增大，则无法判断vA、vB的关系，故A错误；B．由于其中联立有由题意可知，小球从A处到达B处，h减小，则ωA<ωB，故B正确；CD．由于F向=mgtanθ=ma整理有a=gtanθ由题意可知，其角度θ变大，所以小球所受向心力变大，即FA<FB，向心加速度大小也变大，即aA<aB，故C正确、D错误。故选BC。【变式演练1】如图所示，质量为m的小球用长为l的细线悬于P点，使小球在水平面内以角速度做匀速圆周运动。已知小球做圆周运动时圆心O到悬点P的距离为h，重力加速度为g。下列说法正确的是（）A．绳对小球的拉力大小为B．小球转动一周，绳对小球拉力的冲量为0C．保持h不变，增大绳长l，增大D．保持h不变，增大绳长l，绳对小球拉力的大小不变【答案】A【详解】A．设细线与竖直方向的夹角为，根据牛顿第二定律可得解得绳对小球的拉力大小为故A正确；B．小球转动一周，小球的动量变化为0，根据动量定理可知，合外力的冲量为0，由于重力的冲量不为0，则绳对小球拉力的冲量不为0，故B错误；CD．保持h不变，设细线与竖直方向的夹角为，根据牛顿第二定律可得解得可知增大绳长l，不变；根据可知增大绳长l，绳对小球拉力的大小增大，故CD错误。故选A。【变式演练2】．一个单摆在竖直平面内摆动（摆角较小），摆球运动到最高点时对细线的拉力大小为、摆动的周期为；保持摆长不变，让该小球在水平面内做圆锥摆运动，摆线偏离竖直方向的夹角也为，运动过程中摆球对细线的拉力大小为，摆动的周期为。则（

）A． B．C． D．【答案】B【详解】设摆球质量为m，摆长为L，对单摆有，对圆锥摆有，联立以上四式可得，故选B。【变式演练3】．摩托车特技表演中的飞檐走壁让人震撼，其运动可简化为如图所示的小球在光滑的半球形容器内做圆周运动。小球的质量为m，容器的球心为O、半径为R，小球在水平面内做圆周运动，运动到a点时，Oa与竖直方向夹角为θ，运动过程中容器静止在水平地面上。半球形容器及底座的质量为M，重力加速度为g，则下列说法正确的是（）

A．小球运动的角速度大小为B．小球运动的线速度大小为C．底座受到地面的摩擦力大小为D．底座对地面的压力大于【答案】AC【详解】A．对小球受力分析，如图

由牛顿第二定律，可得，根据几何关系，有联立，解得故A正确；B．根据线速度与角速度关系，可得故B错误；C．对容器受力分析，如图

由平衡条件，可得又联立，解得故C正确；D．同理根据牛顿第三定律，可得故D错误。故选AC。【变式演练4】如图所示，两根轻细线上端固定在S点，下端分别连一小铁球A、B，使两者恰好在同一水平面内做匀速圆周运动，SO的高度为H，不计空气阻力，下列说法中正确的是（）A．小球做匀速圆周运动时，受到重力、细线拉力和向心力作用B．如果两个小球的质量相等，则两条细线受到的拉力不相等C．A、B做圆周运动的角速度均为D．球A运动的周期小于球B运动的周期【答案】BC【详解】A．对小球受力分析，其受到的重力与细线的拉力的合力提供小球做圆周运动的向心力，故A项错误；B．小球竖直方向有整理有若小球的质量相等，由于细绳与竖直方向夹角不同，所以两条细绳受到的拉力不相等，故B项正确；C．对小球水平方向有又因为整理有由于两者恰好在同一水平面内做匀速圆周运动，故C项正确；D．由之前的分析可知，两球的角速度大小相同，由角速度与周期的公式有球A运动的周期等于球B运动的周期，故D项错误。故选BC。类型2生活中的圆周运动【例2】（2024·山东烟台·三模）如图所示，MN为半径为r的圆弧路线，NP为长度19r的直线路线，为半径为4r的圆弧路线，为长度16r的直线路线。赛车从M点以最大安全速度通过圆弧路段后立即以最大加速度沿直线加速至最大速度vm并保持vm匀速行驶。已知赛车匀速转弯时径向最大静摩擦力和加速时的最大合外力均为车重的k倍，最大速度，g为重力加速度，赛车从M点按照MNP路线运动到P点与按照路线运动到点的时间差为（）A． B．C． D．【答案】C【详解】赛车从M点按照MNP路线运动到P点过程，在圆周运动过程有，在NP直线路线匀加速过程有，解得，在NP直线路线匀加速至最大速度过程的位移为则匀速过程的时间赛车从M点按照路线运动到点过程，在圆周运动过程有，在直线路线匀加速过程有，解得，在直线路线匀加速至最大速度过程的位移为即匀加速至最大速度时，恰好到达，则赛车从M点按照MNP路线运动到P点与按照路线运动到点的时间差为解得故选C。【变式演练1】如图所示为我国某平原地区从P市到Q市之间的高铁线路，线路上，，位置处的曲率半径分别为r，r、2r。若列车在P市到Q市之间匀速率运行，列车在经过，，位置处与铁轨都没有发生侧向挤压，三处铁轨平面与水平面间的夹角分别为、，。下列说法正确的是（）A．列车依次通过3个位置的角速度之比为1：1：2B．列车依次通过3个位置的向心加速度之比为1：1：2C．3个位置的D．3个位置的内外轨道的高度差之比为1：1：2【答案】C【详解】A.根据可知，列车依次通过3个位置的角速度之比为2：2：1，故A错误；B.根据可知，列车依次通过3个位置的向心加速度之比为2：2：1，故B错误；C.根据火车在转弯处的受力分析，由牛顿第二定律可知故故C正确；D.设内外轨道间距离为，则有h和成正比，所以故D错误。故选C。【变式演练2】如图所示，有一辆汽车在前挡风玻璃内悬挂了一个挂件。当汽车在水平公路上转弯时，司机发现挂件向右倾斜并且倾斜程度在缓慢减小，已知汽车的转弯半径一定，则下列说法正确的是（）A．汽车正在向右加速转弯B．汽车正在向右减速转弯C．汽车正在向左加速转弯D．汽车正在向左减速转弯【答案】D【详解】挂件向右倾斜，对挂件受力分析可知，重力、拉力的合力水平向左，即向心力向左，汽车向左转弯。设挂件与竖直方向的夹角为，则摆动过程中的向心力为由于挂件倾斜程度在缓慢减小，摆角变小，而汽车的转弯半径一定，所以汽车的速率在减小，即汽车正在向左减速转弯。故选D。【变式演练3】．运球转身是运球中的一种基本方法，是篮球运动中重要进攻技术之一。拉球转身的动作是难点，例如图a所示为运动员为拉球转身的一瞬间，由于篮球规则规定手掌不能上翻，我们将此过程理想化为如图b所示的模型，薄长方体代表手掌，转身时球紧贴竖立的手掌，绕着转轴（中枢脚所在直线）做圆周运动，假设手掌和球之间的最大静摩擦因数为0.5，篮球质量为600克，直径24厘米，手到转轴的距离为0.5米，则要顺利完成此转身动作，篮球和手至少要有多大的速度（  ）A．2.28m/s B．2.76m/sC．3.16m/s D．3.52m/s【答案】B【详解】竖直方向上水平方向上解得故选B。题型三圆周运动中的临界极值问题类型1水平面内圆周运动的临界问题三种临界情况(1)接触与脱离的临界条件：两物体相接触或脱离，临界条件是弹力FN＝0.(2)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是静摩擦力达到最大值．(3)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.【例1】（2024·江苏·高考真题）陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。如图所示是生产陶磁的简化工作台，当陶瓷匀速转动时，台面面上掉有陶屑，陶屑与桌面间的动摩因数处处相同（台面够大），则（

）A．离轴OO´越远的陶屑质量越大B．

离轴OO´越近的陶屑质量越小C．只有平台边缘有陶屑D．离轴最远的陶屑距离不会超过某一值【答案】D【详解】ABC．与台面相对静止的陶屑做匀速圆周运动，静摩擦力提供向心力，当静摩擦力为最大静摩擦力时，根据牛顿第二定律可得解得因与台面相对静止的这些陶屑的角速度相同，由此可知能与台面相对静止的陶屑离轴OO′的距离与陶屑质量无关，只要在台面上不发生相对滑动的位置都有陶屑。故ABC错误；D．离轴最远的陶屑其受到的静摩擦力为最大静摩擦力，由前述分析可知最大的运动半径为μ与ω均一定，故R为定值，即离轴最远的陶屑距离不超过某一值R。故D正确。故选D。【变式演练1】如图所示，天花板下通过两个支架固定一根细钢管，轻绳从钢管穿过后，在其两端分别挂质量为m1、m2的小球a、b（均可视为质点），两小球的质量之比为，钢管左端轻绳AB段长度为l=1m，当钢管一侧悬挂小球的轻绳上张力不小于另一侧张力的时，绳不会发生滑移，为使小球b保持静止状态，已知重力加速度大小为g，sin37°=0.6，cos37°=0.8，下列说法正确的是（）A．若小球a也保持静止状态，则B．若k=1，可将小球a拉至轻绳AB段与竖直方向成夹角53°无初速度释放C．若可使小球a在水平面内做匀速圆周运动，其角速度范围为D．若轻绳AB段与竖直方向的夹角为37°，可使小球a在水平面内做匀速圆周运动，则【答案】AC【详解】A．对小球b，根据平衡条件若小球a也保持静止状态，则且联立，解得即故A正确；B．若k=1，设，小球a拉至轻绳AB段与竖直方向成夹角53°无初速度释放，设小球在最低点时的速度大小为v，根据动能定理轻绳的拉力和小球的重力的合力提供向心力，根据牛顿第二定律解得小球b因为所以，小球b不能保持静止，故B错误；C．若，则设，，对b则小球a受到的轻绳的拉力设小球a在水平面内做匀速圆周运动轻绳与竖直方向的夹角为，则在水平方向联立，解得故C正确；D．若轻绳AB段与竖直方向的夹角为37°，可使小球a在水平面内做匀速圆周运动，在竖直方向解得又因为且解得即故D错误。故选AC。【变式演练2】如图所示，竖直平面内的光滑金属细圆环半径为R，质量为m的带孔小球穿于环上，同时有一长为R的轻杆一端固定于球上，另一端通过光滑的铰链固定于圆环最低点，当圆环以角速度绕竖直直径转动时，轻杆对小球的作用力大小和方向为（）A．沿杆向上 B．沿杆向下C．沿杆向上 D．沿杆向下【答案】B【详解】设轻杆与竖直直径夹角为，由几何关系可得解得则小球作圆周运动的半径为作圆周运动所需向心力为小球有向上运动的趋势，设杆对小球有沿杆向下的拉力F1，环对小球有指向圆心的支持力F2，有平衡条件可知解得故选B。【变式演练3】如图所示，水平圆台可以绕其中心轴转动。在圆台中心两侧放上甲、乙两物体，两物体的质量均为m，均可视为质点，甲、乙两物体到圆台中心距离分别为2R、R，其连线过圆台中心。两物体与圆台间的动摩擦因数均为μ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g。（1）若圆台以某一角速度转动时，甲、乙均未滑动。求两物体的加速度之比；（2）若圆台的角速度逐渐增大，请分析说明甲、乙两物体谁先滑动；（3）若将甲、乙两物体用不可伸长的轻绳连接，轻绳最初拉直而不张紧，缓慢增加圆台的转速，求两物体刚要滑动时圆台转动的角速度ω。【答案】（1）2:1；（2）甲；（3）【详解】（1）若圆台以某一角速度转动时，甲、乙均未滑动，根据可得两物体的加速度之比（2）若圆台的角速度逐渐增大，根据可得因甲转动半径较大，临界角速度较小，可知甲物体谁先滑动；（3）两物体刚要滑动时，甲受最大静摩擦力指向圆心，乙受最大静摩擦力背离圆心，则对甲对乙解得圆台转动的角速度【变式演练4】．（2023·福建·高考真题）一种离心测速器的简化工作原理如图所示。细杆的一端固定在竖直转轴上的O点，并可随轴一起转动。杆上套有一轻质弹簧，弹簧一端固定于O点，另一端与套在杆上的圆环相连。当测速器稳定工作时，圆环将相对细杆静止，通过圆环的位置可以确定细杆匀速转动的角速度。已知细杆长度，杆与竖直转轴的夹角a始终为，弹簧原长，弹簧劲度系数，圆环质量；弹簧始终在弹性限度内，重力加速度大小取，摩擦力可忽略不计（1）若细杆和圆环处于静止状态，求圆环到O点的距离；（2）求弹簧处于原长时，细杆匀速转动的角速度大小；（3）求圆环处于细杆末端P时，细杆匀速转动的角速度大小。【答案】（1）0.05m；（2）；（3）【详解】（1）当细杆和圆环处于平衡状态，对圆环受力分析得根据胡克定律得弹簧弹力沿杆向上，故弹簧处于压缩状态，弹簧此时的长度即为圆环到O点的距离（2）若弹簧处于原长，则圆环仅受重力和支持力，其合力使得圆环沿水平方向做匀速圆周运动。根据牛顿第二定律得由几何关系得圆环此时转动的半径为联立解得（3）圆环处于细杆末端P时，圆环受力分析重力，弹簧伸长，弹力沿杆向下。根据胡克定律得对圆环受力分析并正交分解，竖直方向受力平衡，水平方向合力提供向心力，则有，由几何关系得联立解得【变式演练5】如图所示，在水平圆盘上放置一个质量为的小滑块，滑块离圆盘中心。滑块与圆盘之间的动摩擦因数为0.1，现使圆盘绕垂直于盘面的中心轴缓慢加速转动，至小滑块与盘面发生相对滑动。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度取，则（

）A．圆盘缓慢加速转动过程中，滑块所受的摩擦力做功为0B．小滑块与盘面发生相对滑动时圆盘的角速度为C．在小滑块上面再放置一个相同的小滑块，发生相对滑动时的角速度为D．在小滑块上面再放置一个质量为的小滑块，两者之间的动摩擦因数为0.05，发生相对滑动时的角速度为【答案】D【详解】A．小滑块动能增大，故摩擦力做正功，A错误；B．小滑块与盘面发生相对滑动时有解得B错误；C．在小滑块上面再放置一个相同的小滑块，发生相对滑动时有解得C错误；D．在小滑块上面再放置一个的小滑块，两者之间的动摩擦因数为0.05，则两个小滑块首先发生相对滑动，有解得D正确。故选D。类型2竖直面内的圆周运动的临界问题1．两类模型对比轻绳模型(最高点无支撑)轻杆模型(最高点有支撑)实例球与绳连接、水流星、沿内轨道运动的“过山车”等球与杆连接、球在光滑管道中运动等图示受力示意图F弹向下或等于零F弹向下、等于零或向上力学方程mg＋F弹＝meq\f(v2,R)mg±F弹＝meq\f(v2,R)临界特征F弹＝0mg＝meq\f(vmin2,R)即vmin＝eq\r(gR)v＝0即F向＝0F弹＝mg讨论分析(1)最高点，若v≥eq\r(gR)，F弹＋mg＝meq\f(v2,R)，绳或轨道对球产生弹力F弹(2)若v<eq\r(gR)，则不能到达最高点，即到达最高点前小球已经脱离了圆轨道(1)当v＝0时，F弹＝mg，F弹背离圆心(2)当0<v<eq\r(gR)时，mg－F弹＝meq\f(v2,R)，F弹背离圆心并随v的增大而减小(3)当v＝eq\r(gR)时，F弹＝0(4)当v>eq\r(gR)时，mg＋F弹＝meq\f(v2,R)，F弹指向圆心并随v的增大而增大2．解题技巧(1)物体通过圆周运动最低点、最高点时，利用合力提供向心力列牛顿第二定律方程；(2)物体从某一位置到另一位置的过程中，用动能定理找出两处速度关系；(3)注意：求对轨道的压力时，转换研究对象，先求物体所受支持力，再根据牛顿第三定律求出压力．【例1】如图所示，一长为L的轻绳拉着质量为m的小球保持静止。现在给小球一个水平初速度，使小球在竖直面内做完整的圆周运动，不计空气阻力，重力加速度为g，则下列判断正确的是（）A．小球在最高点的速度可以等于0B．小球获得的初速度大小为C．小球做圆周运动的过程中仅有一处合力指向圆心D．小球过最低点与最高点时受到绳的拉力大小之差等于6mg【答案】D【详解】A．小球在竖直面内做完整的圆周运动，若小球恰好能通过最高点，则有重力提供向心力，可得解得可知小球能通过最高点的最小速度是，因此小球在最高点的速度不可以等于0，A错误；

B．若小球恰好能通过最高点，设小球获得的初速度大小为v＇，则在最低点时由动能定理，则有解得由以上计算可知，是小球获得的初速度大小的最小值，有可能比这个速度要大，B错误；C．小球在竖直面内做完整的变速圆周运动，由以上分析可知，小球在最高点和最低点处合力指向圆心，C错误；D．设小球在最高点时的速度为v0，在最低点时的速度为，由动能定理可得小球在最高点时，由牛顿第二定律可得小球在最低点时，由牛顿第二定律可得联立以上各式解得D正确。故选D。【例2】（2024·安徽蚌埠·三模）如图所示，长为的轻绳悬挂于O点，另一端连接质量为的小球，小球可视为质点。在点正下方的处固定一光滑小钉，将小球拉起使悬线呈水平绷紧状态后，无初速地释放，小球运动到最低点后绕点运动，不计空气阻力，重力加速度为．（1）要使小球能以为圆心做完整的圆周运动，OC长度至少为多大？（2）小球从A运动到B的过程中，当重力功率最大时，绳对小球的拉力为多大。【答案】（1）；（2）【详解】（1）以点为重力势能参考点，设OC距离为，小球恰好通过最高点时的速度为，由机械能守恒定律得由牛顿第二定律得解得（2）当绳对小球拉力的竖直分量与重力大小相等时，小球运动速度的竖直分量最大，重力功率最大，设此时绳与水平方向的夹角为，小球速度大小为，则有由动能定理得由牛顿运动定理得解得【例3】（2024·陕西咸阳·模拟预测）如图所示，长为0.1m的轻杆一端固定一小球质量为0.1kg的小球，小球绕圆心O在竖直面内做圆周运动。P是圆周上的最高点，重力加速度，下面说法正确的时（）A．当小球运动到与O相平的水平位置时，杆对小球作用力为零B．若小球经过P点时速度为1m/s，杆对小球作用力为零C．若小球经过P点时杆对小球作用力等于0.36N，小球的速度一定等于0.8m/sD．若小球经过Q点时杆对小球作用力等于5N，小球速度一定等于2m/s【答案】BD【详解】A．小球做圆周运动过程中要有向心力，因此，当小球运动到与相平的水平位置时杆对小球提供一个指向圆心的拉力，故A错误；B．在最高点，当只有重力提供向心力时有代入数据解得故B正确；C．在最高点，杆对小球的作用力可能向上，也可能向下，因此有或解得故C错误；D．当小球运动到最低点时，小球受杆的拉力为，有代入数据解得故D正确。故选BD。【变式演练1】如图所示，在O点用长为L不可伸长的轻绳悬挂一质量为m的小球，O点正下方的P点固定一细钉子，OP距离为d，C点和P点等高。小球处于O点右侧同一水平高度的A点时，绳刚好拉直，将小球从A点由静止释放。不计空气阻力。下列说法正确的是（）A．小球从A点运动B点的过程中，重力的功率逐渐变大B．绳撞钉子前后，小球的角速度不变C．d取某个值（不等于0）时，小球运动到C点的速度恰好为零D．若时，小球不能绕钉子做圆周运动【答案】D【详解】A．小球在A点时速度为零，重力的功率为零，小球在B点时速度沿水平方向，重力的功率也为零，又因为小球从A点运动B点的过程中，速度大小和方向是连续变化的，不存在突变过程，所以该过程中重力的功率先增大后减小，故A错误；B．撞钉子前后的一小段时间内，由于小球在水平方向加速度为零，所以线速度大小不变，但小球做圆周运动的半径突然变小，则根据可知小球的角速度变大，故B错误；C．小球运动过程中绳子拉力不做功，只有重力做功，机械能守恒，所以无论d在0＜d＜L范围内取何值，即C点低于O点高于B点时，小球运动到C点的速度都不可能为零，故C错误；D．若时，设小球运动到C点时的速度大小为vC，根据机械能守恒定律有解得若要使小球能绕钉子做圆周运动，其到最高点的最小速度vm应满足即小球由C点向O点运动过程中克服重力做功，速度减小，所以不可能以vm通过O点，即不能绕钉子做圆周运动，故D正确。故选D。【变式演练2】如图所示，粗糙的水平轨道和光滑的竖直圆轨道ABCD相切于A点，小滑块P静置在水平轨道上，现对P施加水平向右的恒力F使之由静止向右运动，到A点时撤去F。研究发现：当起点在M点左侧或N点右侧时，P进入圆轨道后不会脱离轨道。设MA与NA的比值为k，小滑块与水平轨道间的动摩擦因数为μ，则（）A．μ越大，k越大 B．μ越大，k越小C．k=2 D．k=【答案】D【详解】根据题意知，滑块从M点开始运动时，恰好能够到最高点，有在最高点时，重力提供向心力滑块从N点开始运动时，刚好能够运动到B点，有联立上式得k的取值与μ无关，故选D。【变式演练3】（2024·河北·三模）如图所示，在竖直平面内有一固定光滑轨道，其中AB是长度为R的水平轨道，BCDE是圆心为O、半径为R的圆弧轨道，两轨道相切于B点。一可视为质点的小球从A点以某速度（大小未知）水平向左运动，重力加速度大小为g。下列说法正确的是（）A．当时，小球刚好过最高点D点B．当时，小球不会脱离圆弧轨道C．若小球能通过E点，则越大，小球在B点与E点所受的弹力之差越大D．小球从E点运动到A点的最长时间为【答案】AD【详解】A．由题知，小球刚好过最高点D点，则由圆周运动知在A到D过程中，由动能定理可知联立解得A正确；B．当时，设上升高度为，假设小球不会脱离圆弧轨道，则必须满足，由动能定理知代入得假设不成立，故当时，小球会脱离圆弧轨道，B错误；C．B到E运动过程中，由动能定理知在B点时，小球所受弹力为在E点时，小球所受弹力为则小球在B点与E点所受的弹力之差为故小球在B点与E点所受的弹力之差不变，C错误；D．在D到E过程中，由动能定理知代入得从E到A运动过程中，小球做竖直下抛运动，则代入得D正确；故选AD。【变式演练4】如图所示，一轻绳系一质量为m小球，竖直悬挂在O点，现将小球沿圆弧拉至与O等高的A点，由静止自由释放。小球运动过程中经过C点时，绳与竖直方向的夹角为，以下判断正确的是（）A．小球下摆到最低点的过程中，重力平均功率为0，细绳拉力一直增大B．小球运动至C点时，其加速度大小为C．小球运动至C点时，轻绳对小球的拉力大小为D．若小球经过C点时重力功率最大，则【答案】CD【详解】AC．小球下摆到最低点的过程中，重力平均功率为小球下降高度不为0，可知，重力平均功率不为0。令轻绳长为L，根据动能定理有对小球进行分析，小球做圆周运动，则有解得小球向下运动过程中，减小，则细绳拉力一直增大，故A错误，C正确；B．结合上述可知，小球沿半径方向的加速度为解得小球沿圆周切线方向有小球的加速度解得故B错误；D．小球重力的瞬时功率结合上述解得若有对函数求导有当导数值为0时，重力的瞬时功率达到最大，解得故D正确。故选CD。【变式演练5】．如图所示，被锁定在墙边的压缩弹簧右端与质量为0.2kg、静止于A点的滑块P接触但不粘连，滑块P所在光滑水平轨道与半径为0.8m的光滑半圆轨道平滑连接于B点，压缩的弹簧储存的弹性势能为2.8J，重力加速度取10m/s2，现将弹簧解除锁定，滑块P被弹簧弹出，脱离弹簧后冲上半圆轨道的过程中（）A．可以到达半圆轨道最高点DB．经过B点时对半圆轨道的压力大小为9NC．不能到达最高点D，滑块P能到达的最大高度为1.35mD．可以通过C点且在CD之间某位置脱离轨道，脱离时的速度大小为2.2m/s【答案】BC【详解】A．设滑块P恰能通过最高点D，则有解得则滑块P从B点到D点，根据动能定理有解得滑块在B点的动能为所以滑块不能到达半圆轨道最高点D，故A错误；B．滑块经过B点时的速度大小为vB，根据功能关系可得在B点根据牛顿第二定律可得联立解得根据牛顿第三定律可知对半圆轨道的压力大小为9N，故B正确；CD．滑块在C点的重力势能为则滑块可以通过C点且在CD之间某位置脱离轨道，此时的速度大小为v根据功能关系可得根据牛顿第二定律可得联立解得，滑块离开轨道后做斜上抛运动根据功能关系可得解得滑块P能到达的最大高度为故C正确，D错误。故选BC。【变式演练6】如图所示，长为L的杆一端固定在过O点的水平转轴上，另一端固定质量为m的小球。杆在电动机的驱动下在竖直平面内旋转，带动小球以角速度做匀速圆周运动，其中A点为最高点，C点为最低点，B、D点与O点等高。已知重力加速度为g，下列说法正确的是（

）A．小球在B、D两点受到杆的作用力大于mgB．小球在A、C两点受到杆的作用力大小的差值为6mgC．小球在B、D两点受到杆的作用力大小等于D．小球从A点到B点的过程，杆对小球做的功等于【答案】A【详解】AC．当小球在B、D两点时，杆对小球作用力竖直方向的分力应等于重力，水平方向分力提供向心力，故杆对小球的作用力为故A正确；C错误；B．若小球在最高点，杆对小球的作用力为支持力，则在A点在C点所以若小球在最高点，杆对小球的作用力为拉力，则在A点在C点所以故B错误；D．小球从A点到B点的过程，根据动能定理，可得解得杆对小球做的功等于故D错误。故选A。【变式演练7】如图半径为L的细圆管轨道竖直放置，管内壁光滑，管内有一个质量为m的小球做完整的圆周运动，圆管内径远小于轨道半径，小球直径略小于圆管内径，下列说法不正确的是（）A．经过最低点时小球可能处于失重状态B．经过最高点Z时小球可能处于完全失重状态C．若小球能在圆管轨道做完整圆周运动，最高点Z的速度v最小值为0D．若经过最高点Z的速度v增大，小球在Z点对管壁压力可能减小【答案】A【详解】A．小球在最低点时加速度向上，则小球处于超重状态，故A错误，符合题意；B．小球经过最高点Z时，若对轨道的压力为零，则重力完全提供向心力，小球处于完全失重状态，故B正确，不符合题意；C．由于在最高点圆管能支撑小球，所以速度的最小值为零，故C正确，不符合题意；D．若过最高点的速度较小，则在Z点，小球在Z点对管壁压力向下，轨道对小球有向上的弹力，根据牛顿第二定律可得此时经过最高点Z的速度增大，小球在Z点和管壁的作用力减小，故D正确，不符合题意。故选A。【变式演练8】如图所示，竖直平面内固定有一个半径为R的光滑圆环形细管，现给小球（直径略小于管内径）一个初速度，使小球在管内做圆周运动，小球通过最高点时的速度为v。已知重力加速度为g，则下列叙述中正确的是（）A．v的最小值为B．当时，小球处于完全失重状态，不受力的作用C．当时，轨道对小球的弹力方向竖直向下D．当v由逐渐减小的过程中，轨道对小球的弹力也逐渐减小【答案】C【详解】A．小球通过最高点时细管可以提供竖直向上的支持力，当支持力的大小等于小球重力的大小，小球的最小速度为零，故A错误；B．根据公式可知，当时，小球的加速度为方向竖直向下，则小球处于完全失重状态，只受重力作用，故B错误；C．当时，小球需要的向心力为则可知，轨道对小球的弹力大小为，方向竖直向下，故C正确；D．当时，小球需要的向心力可知，小球受轨道竖直向上的弹力，由牛顿第二定律有可得则逐渐减小的过程中，轨道对小球的弹力逐渐增大，故D错误。故选C。类型3斜面上圆周运动的临界问题物体在斜面上做圆周运动时，设斜面的倾角为θ，重力垂直斜面的分力与物体受到的支持力相等，解决此类问题时，可以按以下操作，把问题简化．【例1】如图所示，倾角为的斜面体固定在水平地面上，在斜面上固定一个半圆管轨道AEB，圆管的内壁光滑、半径为r，其最低点A、最高点B的切线水平，AB是半圆管轨道的直径，现让质量为m的小球（视为质点）从A点以一定的水平速度滑进圆管，圆管的内径略大于小球的直径、重力加速度为g，、，下列说法正确的是（）A．当小球到达B点时受到沿斜面方向的弹力刚好为0，则小球在B点的速度为B．小球离开B点做平抛运动的时间为C．若小球在B点的加速度大小为2g，则A点对小球沿斜面方向的弹力大小为D．若小球到达B点时受到沿斜面方向的弹力刚好为0，则小球的落地点与P点间的距离为【答案】BCD【详解】A．小球到达B点时受到沿斜面方向的弹力刚好为0，则由重力沿斜面的分力提供向心力，则有解得A错误；B．小球离开B点做平抛运动，竖直方向上有解得B正确；D．若小球到达B点时受到沿斜面方向的弹力刚好为0，根据上述有，小球的落地点与P点间的距离为解得D正确；C．小球在B点的加速度大小为2g，则在B点有小球由A运动到B过程有小球在A点有解得C正确。故选BCD。【变式演练1】如图所示，一倾斜的匀质圆盘绕垂直于盘面的固定对称轴以恒定角速度转动，盘面上离转轴距离2.5m处有一小物体与圆盘始终保持相对静止。物体与盘面间的动摩擦因数为，盘面与水平面的夹角为30°，g取。则的可能取值为（）A． B． C． D．【答案】ABC【详解】当小物体转到圆盘的最低点刚要滑动时，所受的静摩擦力沿斜面向上达到最大时，角速度为ω1，由牛顿第二定律得：代入数据解得：当小物体转到圆盘的最高点刚要滑动时，所受的静摩擦力沿斜面向下达到最大时，角速度为ω2，同理虽然，但小物体从最高点向最低点转动过程中，摩擦力和重力无法提供出满足向心力出来，所以要保证小物体与圆盘始终保持相对静止，圆盘的角速度应取其通过最低点的最大角速度，故D错误，ABC正确。故选ABC。【变式演练2】如图所示，在倾角为的足够大的固定斜面上，一长度为L的轻杆一端可绕斜面上的O点自由转动，另一端连着一质量为m的小球（视为质点）。现使小球从最低点A以速率v开始在斜面上做圆周运动，通过最高点B。重力加速度大小为g，轻杆与斜面平行，不计一切摩擦。下列说法正确的是（）A．小球通过A点时所受轻杆的作用力大小为B．小球通过B点时的最小速度为C．小球通过A点时斜面对小球的支持力与小球的速度无关D．若小球以的速率通过B点时突然脱落而离开轻杆，则小球到达与A点等高处时与A点间的距离为2L【答案】ACD【详解】A．小球在A点受到重力、斜面的支持力以及杆的拉力，由向心力公式可得可得故A正确；B．杆可以为小球提供支持力，所以小球经过最高点B时的最小速度为零，故B错误；C．斜面对小球的支持力始终等于重力沿垂直于斜面方向的分量，与小球的速度无关，故C正确；D．经分析可知小球经过B点脱落后在斜面上作类平抛运动，在水平方向做匀速直线运动，在沿斜面方向做初速度为零的匀加速度直线运动。沿斜面方向根据牛顿第二定律由位移公式可知水平方向故D正确。故选ACD。【变式演练3】如图所示，在倾角为θ的光滑斜面上，有一长为l的细线，细线的一端固定在O点，另一端拴一质量为m的小球，现使小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动，则（

）A．小球通过最高点A时的速度B．小球通过最高点A时的速度C．小球通过最高点A时，细线对小球的拉力T=0D．小球通过最高点A时，细线对小球的拉力T=mgsinθ【答案】AC【详解】小球在斜面上做圆周运动的等效重力为恰好通过最高点A时，只有等效重力提供向心力，故此时有解得故选AC。题型四圆周运动与图像结合问题类型1水平面内圆周运动与图像结合问题【例1】（2024·北京·一模）当做圆周运动的物体角速度ω变化时，我们可以引用角加速度β来描述角速度ω的变化快慢，即。图甲中某转盘自时由静止开始转动，其前4s内角加速度β随时间t变化如图乙所示。则（

）A．第4s末，转盘停止转动 B．角加速度的变化率的单位为：rad/sC．0~2s内转盘做匀角加速圆周运动 D．第2s末，转盘的角速度大小为10rad/s【答案】D【详解】A．根据可知可知图线下的面积表示角速度的变化量，第4s末，角速度的变化量最大，转盘未停止转动，故A错误；B．角加速度的变化率的单位为，故B错误；C．由图乙可知，0~2s内转盘的角加速度均匀增加，则转盘做非匀角加速圆周运动，故C错误；D．图线下的面积表示角速度的变化量，可知第2s末，转盘的角速度大小为故D正确。故选D。【例2】如图甲所示，将质量为M的物块A和质量为m的物块B放在水平转盘上，两者用长为L的水平轻绳连接，物块与转盘间的最大静摩擦力均为各自重力的k倍，物块A与转轴的距离等于轻绳长度，整个装置能绕通过转盘中心的竖直轴转动。开始时，轻绳恰好伸直但无弹力，现让该装置从静止开始转动，使角速度缓慢增大，绳中张力与转动角速度的平方的关系如图乙所示，当角速度的平方超过时，物块A、B开始滑动。若图乙中的、及重力加速度均为已知，下列说法正确的是（）A． B． C． D．【答案】BD【详解】由题图乙可知，当转盘角速度的二次方为时，A、B间的细绳开始出现拉力，可知此时B达到最大静摩擦力，故有当转盘角速度的二次方为时，A达到最大静摩擦力，对A有对B有联立以上三式解得故选BD。【变式演练1】如图甲所示，两个完全一样的小木块a和b（可视为质点）用轻绳连接置于水平圆盘上，a与转轴OO′的距离为l。圆盘从静止开始绕转轴极缓慢地加速转动，木块和圆盘保持相对静止。ω表示圆盘转动的角速度，a、b与圆盘保持相对静止的过程中所受摩擦力与ω2满足如图乙所示关系，图中f2=3f1，下列判断正确的是（

）A．图线（1）对应物体b B．绳长为2lC． D．ω=ω2时绳上张力大小为【答案】ABD【详解】A．根据图像刚开始为过原点的直线，可得开始时有f=mω2r则刚开始时绳子无拉力，摩擦力提供各自的向心力为，因为，所以有则图线（1）对应物体b，A正确；B．当时，对物体ab有，，可得解得所以绳子长度为B正确；CD．当时，对b有得当时，设此时绳子拉力为，对物体ab有，联立解得，C错误，D正确。故选ABD。【变式演练2】如图所示，相同的物块a、b用沿半径方向的细线相连放置在水平圆盘上．当圆盘绕转轴转动时，物块a、b始终相对圆盘静止．下列关于物块a所受的摩擦力随圆盘角速度的平方（ω2）的变化关系正确的是（）A． B．C． D．【答案】D【详解】转动过程中a、b角速度相同。当圆盘角速度较小时，a、b由静摩擦力充当向心力，绳子拉力为零，此过程中a、b所需要的摩擦力分别为，因为，故，又因为a、b与平台的最大静摩擦力相同，所以随着角速度增大，b先达到最大静摩擦力，当b达到最大静摩擦力f0时绳子开始出现拉力，此时对于a、b有，联立可得由上述分析可知，绳子拉力出现之前图像的斜率为，绳子拉力出现之后图线的斜率为，所以绳子有拉力时图线斜率变大。故选D。【变式演练3】如图所示，长为L的细绳上端固定在天花板上，下端拴一个可视为质点的小球，小球在水平面内做匀速圆周运动。细绳跟竖直方向的夹角为θ，小球做匀速圆周运动的角速度为ω。当小球以不同的角速度ω做匀速圆周运动时，细绳与竖直方向的夹角θ随之变化，已知当地的重力加速度大小为g，下列关于θ与ω的关系图像可能正确的是（

） B． C． D．【答案】C【详解】由向心力公式可得可得即与成正比。故选C。类型2竖直面内圆周运动与图像结合【解题指导】1.清楚圆周运动中绳、杆模型的物理规律，列出正确的物理方程。2.对一次函数y＝kx＋b要非常熟练，会用会画。3.熟练地将数学和物理结合起来，用图像法来解决物理问题。【数理思想与模型建构】1.数理思想是基于物理现象的数学模型，利用数学知识解决物理问题的科学思维方法。2.模型建构(1)轻绳模型：①v＞eq\r(gR)时绳子的弹力F＝meq\f(v2,R)－mg，方向竖直向下②v＝eq\r(gR)时绳子的弹力为零，是安全通过最高点的临界条件(2)轻杆模型①v＞eq\r(gR)时轻杆对物体的弹力F＝meq\f(v2,R)－mg，方向竖直向下②v＝eq\r(gR)时轻杆对物体的弹力为零，是物体所受弹力方向变化的临界速度。③v＜eq\r(gR)时轻杆对物体的弹力FN＝mg－meq\f(v2,R)，方向竖直向上。【思维建构】1.根据物理现象列出物理方程。2.根据物理方程整理成函数关系。3.将物理方程与一次函数相对应。4.根据函数思想对应物理图像分析求解。【例1】如图甲所示，用一轻质绳拴着一质量为的小球，在竖直平面内做圆周运动（不计一切阻力），小球运动到最高点时绳对小球的拉力为，小球在最高点的速度大小为，其图像如图乙所示，则（）A．轻质绳长为B．当地的重力加速度为C．当时，轻质绳的拉力大小为D．只要，小球在最低点和最高点时绳的拉力差均为【答案】D【详解】A．小球运动到最高点时，对小球受力分析，由牛顿第二定律有可得可知图线斜率为可得轻质绳长为故A错误；B．由图像可知纵轴上截距的绝对值为则有故B错误；C．由图像可知故当时，有故C错误；D．从最高点到最低点，由机械能守恒有在最低点对小球受力分析，由牛顿第二定律有联立可得小球在最低点和最高点时绳的拉力差为故D正确。故选D。【例2】如图甲所示，一质量m＝4kg的小球（可视为质点）以v0＝4m/s的速度从A点冲上竖直光滑半圆轨道。当半圆轨道的半径R发生改变时，小球对B点的压力与半径R的关系图像如图乙所示，g取10m/s2，下列说法不正确的是（）A．x＝2.5B．y＝40C．若小球能通过轨道上的C点，则其落地点距A点的最大水平距离为0.80mD．当小球恰能通过轨道上的C点时，半圆轨道的半径R＝64cm【答案】ABD【详解】AB．从A到B，根据动能定理可得在B点，根据牛顿第二定律得联立解得结合题图乙可知，故AB错误，AB满足题意要求；D．恰能通过最高点时，在最高点，根据牛顿第二定律可得从最低点到最高点，根据动能定理可得解得故D错误，满足题意要求；C．从最高点做平抛运动，则有，且联立解得当解得取最大值，可得故C正确，不满足题意要求。故选ABD。【变式演练1】如图甲所示，质量为0.2kg的小球套在竖直固定的光滑圆环上，并在圆环最高点保持静止。受到轻微扰动后，小球由静止开始沿着圆环运动，一段时间后，小球与圆心的连线转过θ角度时，小球的速度大小为v，v2与cosθ的关系如乙图所示，g取。则（）A．圆环半径为0.6mB．时，小球所受合力为4N