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2017年高考物理一轮总复习 专题四 专题提升四 圆周运动中的临界问题课件
* 专题提升四 圆周运动中的临界问题 突破一 水平面内的匀速圆周运动的临界问题 1.此类问题的解题思路 (1)明确研究对象的受力情况. (2)抓住合力提供向心力这一关键点. 2.注意临界问题,往往都是被动力的临界问题 如:绳子达到最大拉力,恰好达到最大摩擦力等. 解题的关键是:确定临界状态并找出满足临界状态的条件. 3.典例分析. 例 1:如图 Z4-1 所示,两绳系一质量为 m=0.1 kg 的小球, 两绳的另一端分别固定于轴的 A、B 两处,上方的绳长 l=2 m, 两绳拉直时与轴的夹角分别为 30°和 45°,问球的角速度在什 么范围内两绳始终有张力(取 g=10 m/s2)? 图 Z4-1 解:设两细绳都被拉直时,A、B 绳的拉力分别为 TA、TB, 小球的质量为m,A 绳与竖直方向的夹角为θ=30°,B 绳与竖 直方向的夹角为α=45°,经受力分析,由牛顿第二定律得 当 B 绳中恰无拉力时 由③④式解得ω2= rad/s≈3.16 rad/s 所以,两绳始终有张力,角速度的范围是 2.4 rad/sω3.16 rad/s. 思维提升:此类问题中,往往是两根绳子恰无拉力时为角 速度出现极大值和极小值的临界条件,抓住临界条件、分析小 球在临界位置的受力情况是解决此类问题的关键. FBcos α=mg r=lBsinα=lAsinθ ④ 突破二 竖直平面内的圆周运动中的临界问题 甲 乙 图 Z4-2 如图 Z4-2 所示,没有物体支撑的小球,在竖直平面做圆周 运动过最高点的情况: 1.轻绳模型 2.轻杆模型 甲 乙 图 Z4-3 如图 Z4-3 所示,球过最高点时,轻质杆对球产生的弹力情 况: 3.拱桥模型 图 Z4-4 如图 Z4-4 所示的小球在轨道的最高点时,如果 v≥ , 此时将脱离轨道做平抛运动,因为轨道对小球不能产生拉力. 4.典例分析 例 2:如图所 Z4-5 示,在电机距轴 O 为 r 处固定一质量为 m 的铁块.电机启动后,铁块以角速度ω绕轴 O 匀速转动.求 电机对地面的最大压力和最小压力之差. 图 Z4-5 解:铁块在竖直面内做匀速圆周运动,其向心力是重力 mg 与轮对它的压力 F 的合力.由圆周运动的规律可知:当 m 转到 最低点时 F 最大,当 m 转到最高点时 F 最小.设铁块在最高点 和最低点时,电机对其用力分别为 F1 和 F2,且都指向轴心,根 据牛顿第二定律有 在最高点:mg+F1=mω2r 在最低点:F2-mg=mω2r ① ② 电机对地面的最大压力和最小压力分别出现在铁块 m 位于 最低点和最高点,且压力差的大小为ΔFN=F2+F1 ③ 由①②③式可解得ΔFN=2mω2r 思维提升:通过本例说明在竖直平面内物体做圆周运动通 过最高点和最低点时向心力的来源,以及在最高点的临界条件 的判断和临界问题分析方法. 突破三 竖直平面内的圆周运动与能量的综合 例 3:过山车是游乐场中常见的设施.如图 Z4-6 所示是一 种过山车的简易模型,它由水平轨道和在竖直平面内的三个圆 形轨道组成,B、C、D 分别是三个圆形轨道的最低点,B、C 间距与 C、D 间距相等,半径 R1=2.0 m、R2=1.4 m.一个质量 为 m=1.0 kg 的小球(可视为质点),从轨道的左侧 A 点以 v0= 12.0 m/s 的初速度沿轨道向右运动,A、B 间距 L1=6.0 m.小球 与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.2,圆形轨道是光滑的.假设 水平轨道足够长,圆形轨道间不相互重叠.重力加速度取 g= 10 m/s2,计算结果保留小数点后一位数字.试求: 图 Z4-6 (1)小球在经过第一个圆形轨道的最高点时,轨道对小球作 用力的大小. (2)如果小球恰能通过第二个圆形轨道,则 B、C 间距 L 应 是多少. (3)在满足(2)的条件下,如果要使小球不能脱离轨道,在第 三个圆形轨道的设计中,半径 R3 应满足的条件和小球最终停留 点与起点 A 的距离. 解:(1)设小球经过第一圆轨道的最高点时的速度为 v1,根 据动能定理 小球在最高点受到重力 mg 和轨道对它的作用力 F,根据牛 顿第二定律 由①②式解得 F=10.0 N. ③ (2)设小球在第二个圆轨道的最高点的速率为 v2,由题意知 由④⑤式解得 L=12.5 m. ⑥ (3)要保证小球不脱离轨道,可分两种情况进行讨论: Ⅰ.轨道半径较小时,小球恰好能通过第三个圆轨道,设在 最高点的速度为 v3,应满足 ⑦ 由⑥⑦⑧式解得 R3=0.4 m *
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