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18-19 第5章 习题课3 竖直面内的圆周运动问题.docVIP

18-19 第5章 习题课3 竖直面内的圆周运动问题.doc

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PAGE \* MERGEFORMAT 1/ NUMPAGES \* MERGEFORMAT 6 习题课3 竖直面内的圆周运动问题 [学习目标] 1.了解竖直面上圆周运动的两种基本模型. 2.掌握轻绳约束下圆周运动的两个特殊点的相关分析. 3.学会分析圆周运动问题的一般方法. [合 作 探 究·攻 重 难] 竖直面内圆周运动的轻绳(过山车)模型 轻绳模型(如图1所示)的最高点问题 图1 1.绳(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).  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2所示,水的质量m=0.5 kg,水的重心到转轴的距离l=50 cm.(g取10 m/s2) 图2 (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=3 m/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. 此时有:mg=meq \f(v\o\al(2,0),l), 则所求的最小速率为: v0=eq \r(gl)≈2.24 m/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=4 N. 由牛顿第三定律,水对桶底的压力: FN′=4 N. [答案] (1)2.24 m/s (2)4 N [针对训练] 1.如图3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(  ) 【导学号 图3 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 1.最高点的最小速度 如图4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. 图4 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.  长度为0.5 m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=2 kg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10 m/s2) (1)杆做匀速圆周运动的转速为2.0 r/s; (2)杆做匀速圆周运动的转速为0.5 r/s. [解析] 小球在最高点的受力如图所示: (1)杆的转速为2.0 r/s时,ω=2π·n=4π rad/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≈138 N 即杆对小球提供了138 N的拉力. 由牛顿第三定律知小球对杆的拉力大小为138 N,方向竖直向上. (2)杆的转速为0.5 r/s时,ω′=2π·n=π rad/s 同理可得小球所受杆的作用力 F=mLω′2-mg=2×(0.5×π2-10)N≈-10 N. 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10 N,方向竖直向下. [答案] (1)小球对杆的拉力为138 N,方向竖直向上 (2)小球对杆的压力为10 N,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. [针对训练] 2.(多选)如图5所示,有一个半径为R的光滑圆轨道,现给小球一个初速度,使小球在竖直面内做圆周运动,则

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