圆周运动中的临界问题和周期性问题.doc
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圆周运动中的临界问题和周期性问题
一、圆周运动问题的解题步骤:
1、确定研究对象
2、画出运动轨迹、找出圆心、求半径
3、分析研究对象的受力情况,画受力图
4、确定向心力的来源
5、由牛顿第二定律……列方程求解
二、临界问题常见类型:
1、按力的种类分类:
(1)、与弹力有关的临界问题:
接触面间的弹力:
从有到无,或从无到有
绳子的拉力:
从无到有,从有到最大,或从有到无
(2)、与摩擦力有关的弹力问题:
从静到动,从动到静,临界状态下静摩擦力达到最大静摩擦
2、按轨道所在平面分类:
(1)、竖直面内的圆周运动
(2)、水平面内的圆周运动
三、竖直面内的圆周运动的临界问题
1、单向约束之绳、外轨道约束下的竖直面内圆周运动临界问题:
特点:
绳对小球,轨道对小球只能产生指向圆心的弹力
mg
O
轨道
mg
O
①临界条件:
绳子或轨道对小球没有力的作用:
mg=mv2/R→v临界=(可理解为恰好转过或恰好转不过的速度)
即此时小球所受重力全部提供向心力
②能过最高点的条件:
v≥,当v>时,绳对球产生拉力,轨道对球产生压力.
③不能过最高点的条件:
v<V临界(实际上球还没到最高点时就脱离了轨道做斜抛运动)
例1、绳子系着装有水的木桶,在竖直面内做圆周运动,水的质量m=0.5kg,绳子长度为l=60cm,求:
(g取10m/s2)
A、最高点水不留出的最小速度?
B、设水在最高点速度为V=3m/s,求水对桶底的压力?
答案:
(1)
(2)2.5N
mg
O
变式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?
2、单向约束之内轨道约束下(拱桥模型)的竖直面内圆周运动的临界问题:
汽车过拱形桥时会有限速,是因为当汽车通过半圆弧顶部时的速度时,汽车对弧顶的压力FN=0,此时汽车将脱离桥面做平抛运动,因为桥面不能对汽车产生拉力.
例2、半径为R的光滑半圆球固定在水平面上,顶部有一小物体,
如图所示。
今给小物体一个水平初速度,则小物体将()
A.沿球面下滑至M点
B.先沿球面下滑至某点N,然后便离开斜面做斜下抛运动
C.按半径大于R的新的圆弧轨道做圆周运动
D.立即离开半圆球做平抛运动
3、双向约束之轻杆、管道约束下的竖直面内圆周运动的临界问题
物体(如小球)在轻杆作用下的运动,或在管道中运动时,随着速度的变化,杆或管道对其弹力发生变化.这里的弹力可以是支持力,也可以是压力,即物体所受的弹力可以是双向的,与轻绳的模型不同.因为绳子只能提供拉力,不能提供支持力;而杆、管道既可以提供拉力,又可以提供支持力;在管道中运动,物体速度较大时可对上壁产生压力,而速度较小时可对下壁产生压力.在弹力为零时即出现临界状态.
(一)轻杆模型
如图所示,轻杆一端连一小球,在竖直面内作圆周运动.
(1)能过最高点的临界条件是:
.这可理解为恰好转过或恰好不能转过最高点的临界条件,此时支持力.
(2)当时,,N仍为支持力,且N随v的增大而减小,
(3)当时,N=0,此为轻杆不受弹力的临界条件.
(4)当时,N随的增大而增大,且N为拉力指向圆心,
例3、如图所示,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,现使小球恰好能在竖直面内做完整的圆周运动。
已知水平地面上的C点位于O点正下方,且到O点的距离为1.9L。
不计空气阻力。
(1)求小球通过最高点A时的速度vA;
(2)若小球通过最低点B时,细线对小球的拉力T恰好为小球重力的6倍,且小球经过B点的瞬间让细线断裂,求小球落地点到C点的距离。
解:
(1)小球恰好能做完整的圆周运动,则小球通过A点时细线的拉力刚好为零,根据向心力公式有:
mg=
解得:
。
(2)小球在B点时根据牛顿第二定律有
T-mg=m
其中T=6mg
解得小球在B点的速度大小为vB=
细线断裂后,小球从B点开始做平抛运动,则由平抛运动的规律得:
竖直方向上1.9L-L= (2分)
水平方向上x=vBt (2分)
解得:
x=3L (2分)
即小球落地点到C点的距离为3L。
答案:
(1)
(2)3L
㈡管道模型
质点(小球)在光滑、竖直面内的圆管中作圆周运动(圆管截面半径r远小于球的圆周运动的半径R),如图所示.小球达到最高点时对管壁的压力有三种情况:
(1)刚好对管壁无压力,此时重力为向心力,临界速度为.
(2)当时,对下管壁有压力,此时,故。
(3)当时,对上管壁有压力,此时。
实际上,轻杆和管道两种约束情况可化归为同类的物理模型,即双向约束模型.
例4、一内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管的半径大得多),圆管中有两个直径与细管内径相同的小球(可视为质点)。
A球的质量为m1,B球的质量为m2。
它们沿环形圆管顺时针运动,经过最低点时的速度都为v0。
设A球运动到最低点时,球恰好运动到最高点,若要此时两球作用于圆管的合力为零,那么m1,m2,R与v0应满足关系式是。
解:
首先画出小球运动达到最高点和最低点的受力图,如图4-1所示。
A球在圆管最低点必受向上弹力N1,此时两球对圆管的合力为零,m2必受圆管向下的弹力N2,且N1=N2。
据牛顿第二定律A球在圆管的最低点有:
同理m2在最高点有:
m2球由最高点到最低点机械能守恒:
由上述方程可得:
【小结】比较复杂的物理过程,如能依照题意画出草图,确定好研究对象,逐一分析就会变为简单问题。
找出其中的联系就能很好地解决问题。
四、水平面内圆周运动中的临界问题:
解决圆周运动中临界问题的一般方法
1、对物体进行受力分析
2、找到其中可以变化的力以及它的临界值
3、求出向心力(合力或沿半径方向的合力)的临界值
4、用向心力公式求出运动学量(线速度、角速度、周期、半径等)的临界值
O
O’
A
例5、水平转盘上放有质量为m的物快,当物块到转轴的距离为r时,若物块始终相对转盘静止,物块和转盘间最大静摩擦力是正压力的μ倍,求转盘转动的最大角速度是多大?
解:
由
得:
点评:
提供的向心力的临界值决定了圆周运动角速度的临界值
变式5、物体与圆筒壁的动摩擦因数为μ,圆筒的半径为R,若要物体不滑下,圆筒的角速度至少为多少?
解:
得
30°
45°
A
B
C
例6、如图所示,两绳系一质量为m=0.1kg的小球,上面绳长L=2m,两端都拉直时与轴的夹角分别为30°与45°,问球的角速度在什么范围内,两绳始终张紧,当角速度为3rad/s时,上、下两绳拉力分别为多大?
解:
当ω渐大,AC绳与杆夹角变大,但BC绳还没拉直。
当AC绳与杆夹角为30°时,BC绳处在虚直状态。
之后ω再增大,
BC绳上也会有拉力。
所以BC绳虚直为临界状态。
30°
45°
A
B
C
∴,BC绳上有拉力。
分析小球,由牛顿第二定律:
θ
变式6-1:
如图,长为L的绳子,下端连着质量为m的小球,上端接于天花板上,当把绳子拉直时,绳与竖直方向夹角θ=60°。
此时小球静止于光滑水平面上。
(1)当小球以做圆锥摆运动时,绳子张力多大?
桌面支持力多大?
(2)当小球以做圆周运动时,绳子张力多大?
桌面受到的压力多大?
答案:
(1)T=mg
(2)T=4mg
mg
N
T
θ
变式6-2、如图所示,一个光滑的圆锥体固定在水平桌面上,其轴线沿竖直方向,母线与轴线之间的夹角为θ=30°,一条长度为L的绳(质量不计),一端的位置固定在圆锥体的顶点O处,另一端拴着一个质量为m的小物体(物体可看质点),物体以速率v绕圆锥体的轴线做水平匀速圆周运动。
⑴当v=时,求绳对物体的拉力;
⑵当v=时,求绳对物体的拉力。
解:
物体在水平面内做匀速圆周运动,由重力G、拉力T、支持力N提供向心力,当角速度ω很小时,物体在圆锥体上运动。
由
(2)得:
代入
(1)得:
由此可得,当v增大时,N减少。
∴当ω大到一定值时,物体将离开锥面,绳与竖直方向的夹角将变大。
显然当球与锥面虚接触(即N=0,θ=30°)时的线速度值为物体的临界速度。
对球分析,由牛顿第二定律:
⑴当,所以N>0。
由
(2)得:
代入
(1)得:
⑵当,此时N=0,但夹角变大,不为30°
由(6)得:
(7),代入(5)得:
代入(7)得:
例7、如图所示,细绳一端系着质量M=0.6kg的物体,静止在水平面上,另一端通过光滑的小孔吊着质量m=0.3kg的物体,M的中与圆孔距离为0.2m,并知M和水平面的最大静摩擦力为2N。
现使此平面绕中心轴线转动,问角速度ω在什么范围m会处于静止状态?
(g=10m/s2)
M
r
o
m
(ω的范围是:
即2.9rad/s<ω<6.5rad/s)
变式7:
在以角速度ω匀速转动的转台上放着一质量为M的物体,通过一条光滑的细绳,由转台中央小孔穿下,连接着一m的物体,如图所示。
设M与转台平面间的最大静摩擦力为压力的k倍,且转台不转时M不能相对转台静止。
求:
(1)如果物体M离转台中心的距离保持R不变,其他条件相同,则转台转动的角速度ω满足什么条件,物体M才能随转台转动?
(2)物体M随转台一起以角速度ω匀速转动时,物体离转台中心的最大距离和最小距离。
M
m
答案:
(1)
(2)
例8、如图所示,在水平转台上放有A、B两个小物块,它们距离轴心O分别为,,它们与台面间相互作用的静摩擦力的最大值为其重力的0.4倍,取。
(1)当转台转动时,要使两物块都不发生相对于台面的滑动,求转台转动的角速度的范围;
(2)要使两物块都对台面发生滑动,求转台转动角度速度应满足的条件。
答案:
(1)
(2)
变式8:
如图,匀速转动的水平圆盘上,沿半径方向放置用细线相连的质量均为m的A、B两个小物块。
A离轴心的距离r1=20cm,B离轴心的距离r2=30cm,A和B与盘面间相互作用的最大静摩擦力均为重力的0.4倍,求:
O
O’
BA
(1)若细线上没张力,圆盘转动的角速度应该满足什么条件?
(2)欲使A、B与盘间不发生相对滑动,圆盘转动的最大角速度为多少?
(3)当A即将滑动时,烧断细线,A、B运动状态如何?
答案:
(1)
(2)4rad/s
(3)A继续做圆周运动,B做离心运动
五、圆周运动的周期性问题:
利用圆周运动的周期性把另一种运动(例如匀速直线运动、平抛运动)联系起来。
圆周运动是一个独立的运动,而另一个运动通常也是独立的,分别明确两个运动过程,注意用时间相等来联系。
在这类问题中,要注意寻找两种运动之间的联系,往往是通过时间相等来建立联系的。
同时,要注意圆周运动具有周期性,因此往往有多个答案。
例9:
如图所示,半径为R的圆盘绕垂直于盘面的中心轴匀速转动,其正上方h处沿OB方向水平抛出一个小球,要使球与盘只碰一次,且落点为B,则小球的初速度v=_________,圆盘转动的角速度ω=_________。
【审题】小球做的是平抛运动,在小球做平抛运动的这段时间内,圆盘做了一定角度的圆周运动。
解:
①小球做平抛运动,在竖直方向上:
h=gt2
则运动时间t=
又因为水平位移为R,所以球的速度v==R·
②在时间t内,盘转过的角度θ=n·2π,又因为θ=ωt
则转盘角速度:
ω==2nπ(n=1,2,3…)
【总结】上题中涉及圆周运动和平抛运动这两种不同的运动,这两种不同运动规律在解决同一问题时,常常用“时间”这一物理量把两种运动联系起来。
变式9-1:
如图所示,小球Q在竖直平面内做匀速圆周运动,当Q球转到图示位置时,有另一小球P在距圆周最高点为h处开始自由下落.要使两球在圆周最高点相碰,则Q球的角速度ω应满足什么条件?
【审题】下落的小球P做的是自由落体运动,小球Q做的是圆周运动,若要想碰,必须满足时间相等这个条件。
解:
设P球自由落体到圆周最高点的时间为t,由自由落体可得
gt2=h求得t=
Q球由图示位置转至最高点的时间也是t,但做匀速圆周运动,周期为T,有
t=(4n+1)(n=0,1,2,3……)两式联立再由T=得(4n+1)=
所以ω=(4n+1)(n=0,1,2,3……)
【总结】由于圆周运动每个周期会重复经过同一个位置,故具有重复性。
在做这类题目时,应该考虑圆周运动的周期性
六、圆周运动中的临界问题练习:
r
o
ω
1、如图所示,水平转盘上放有质量为m的物块,当物块到转轴的距离为r时,连接物块和转轴的绳刚好被拉直(绳上张力为零)。
物体和转盘间最大静摩擦力是其下压力的μ倍。
求:
⑴当转盘角速度ω1=时,细绳的拉力T1。
⑵当转盘角速度ω2=时,细绳的拉力T2。
答案:
(1)0
(2)
2、
(ABD)
3、
(BD)
4、在质量为M的电动机飞轮上,固定着一个质量为m的重物,重物到轴的距离为R,如图所示,为了使电动机不从地面上跳起,电动机飞轮转动的最大角速度不能超过(B)
A. B.
C. D.
5、AB
在光滑的水平面上钉有两个钉子A和B.相距20cm.用一根长度为1m的细绳.一端系一个质量为0.4kg的小球.另一端栓在钉子A上.使小球开始位于A的左边.并以2m/s的速率在水平面上绕A做匀速圆周运动.若绳子承受4N的拉力就会断.那么从开始运动到绳被拉断.小球转的半圆周数(B)
A.2B.3C.4D.5
6.如图所示,水平转盘可绕竖直中心轴转动,盘上叠放着质量均为1kg的A、B两个物块,物块用长为0.25m的细线与固定在转盘中心处的力传感器相连,两个物块和传感器的大小均可不计.细线能承受的最大拉力为8N.A、B间的动摩擦因数为0.4,B与转盘间的动摩擦因数为0.1,且可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力.转盘静止时,细线刚好伸直,传感器的读数为零.当转盘以不同的角速度匀速转动时,传感器上就会显示相应的读数F.试通过计算在坐标系中作出图象.g取10m/s2.
解:
小结:
多物体、拉力、静摩擦力变化。
抓住各物体达到最大静摩擦力,拉力达到最大值。
注意各个临界值达到的顺序,和物体飞出对拉力的影响。
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- 关 键 词:
- 圆周运动 中的 临界 问题 周期性