圆周运动（二

【本讲教育信息】

一. 教学内容：

圆周运动（二）

 

二. 知识要点：

深刻理解向心力的概念，知道如果一个力或几个力的合力的效果是使物体产生向心加速度，这一个力或几个力的合力就是向心力，会对圆周运动的物体进行受力分析，会找向心力。知道物体做匀速圆周运动的条件，知道什么是近心运动，什么是离心运动，知道外力大于向心力做近心运动，外力小于向心力，做离心运动。

 

三. 重难点分析：

1. 向心力及来源

物体做圆周运动有加速度

产生这个加速度的力就叫向心力，这个力的大小为

。方向总是指向圆心。只要物体所受外力大小为

，方向总指向圆心，那么这个力就可以做向心力，若几个力的合力大小为

，方向指向圆心，那么这几个力的合力做向心力。因此① 向心力是根据力的效果命名的，不是单独一种性质的力。② 向心力可以由一个力提供也可以由几个力的合力充当，既几个力共同做向心力，还可以由某一个力的分力作向心力。

2. 做匀速圆周运动的条件，近心运动，离心运动。当物体做匀速圆周运动，外力或几个外力的合大小

方向总指向圆心，就是做匀速圆周运动所需要的力恰好与合外力相等。

若合外力

则F所产生的加速度大于

，在垂直于v方向改变得过快，速度偏向圆心过多，运动半径减小做近心运动。

若合外力

则F所产生的加速度比做半径不变的圆周运动加速度

小，偏向圆心方向速度的改变慢，运动的半径增大，做远离圆心的运动简称离心运动。

3. 实例分析

（1）火车转弯

火车左右两侧的车轮分别沿铁轨运动，沿直线运动时，两条钢轨位于同一水平面内以防侧倾倒。而当火车转弯时，有向心加速度需要向心力，为此使钢轨不在一个平面内，外侧高而内侧低，本身不再是竖直的但能顺利转弯而不发生侧倾，否则车辆不能受到外力，要做离心运动，发生倾覆。

见下图，列车转弯时，靠近圆心一侧为内侧，另一侧为外侧，相应为内轨外轨，与列车前进方向无关。

 

取水平面内转弯半径为r，内外轨距为d，内外轨高度差为h。

转弯时竖直截面见右图，由于转弯在水平面内转弯半径为水平方向，向心加速度为水平方向。列车受力有重力，竖直向下，路轨支持力

方向与双轨连线垂直，这两个力的合力做向心力，沿水平方为

。

两轨道连线倾角为

，

而

 

为转弯时速率

∴

    

    

转弯时速率

则外力的合力恰好等于向心力，若

则外力的合力小于向心力，要做离心运动火车向外侧翻倒，滑动，火车对外侧轨道有沿转弯半径向外的压力，火车向外侧推轨道。

当

则合外力大于向心力，要做近心运动，火车对内侧轨道有沿转弯半径向圆心方向的压力，即火车对内轨有向圆心方向的推力。

火车提速转弯半径r不改变则内外轨道高差h要增加，不然火车转弯有危险。

（2）汽车过拱形桥和凹形山坡底，设拱形桥半径为r，汽车速率为v。

   

   

汽车对桥面压力与

等大比重力小。

若v足够大使

则

汽车对桥面无压力，汽车即将离开桥面。

若汽车没有离开桥面半径与竖直方向成

角，

即使v不变，

也会随

增大而减小。当

 

时，

减小到零，汽车也即将离桥面。

（3）圆锥摆

长度为

的细绳下端拴一个质量为m的小球，固定绳的上端，使小球沿水平面内的圆做匀速圆周运动。

细绳转动恰好形成一个锥面，所以叫圆锥摆。

设绳与竖直方向成

角，球转动的角速度为

。

  

 而

∴

    

当

一定，

越大一定是

越大，T越小，即转得快。

∴ 圆锥摆转动越快，悬线偏离竖直方向越多

（4）上述圆锥摆运动中若线速度突然增大，则

增大，而

，小球就要做离心运动使圆周运动半径增大。

相反若速度

减小就要做近心运动，运动半径逐渐减小。

即外力小于向心力时就要做离心运动，外力大于向心力时就要做近心运动。

4. 应用匀速圆周运动规律求解问题的步骤和方法。

（1）确定研究对象

（2）找到运动过程中的状态变化，即从什么位置开始做圆周运动，要求的状态是否为圆周运动。

（3）对研究对象分析受力，尤其注意确定向心力方向。

（4）建坐标系原点在圆心，指向圆心为正方向，坐标轴随物体运动而运动。（转动的坐标系）

（5）由牛顿第二定律列方程。注意未知量个数，列方程个数。

注意：作用力，反作用力关系。

（6）解方程，进行必要的讨论。

 

【典型例题分析】

[例1] 匀速行进中的小车下面悬挂一个重物，若绳长为

，行进速度为v，当小车突然刹车停止运动悬绳的拉力多大？（已知悬挂重物质量为m）

解析：小车匀速行进时，重物以相同的速度一起匀速前进，当小车紧急刹车而停止时，重物不能马上停止。以小车为圆心做圆周运动。重物受两个力，速度为v。

    

     

悬绳的拉力大小为

注意：小车停止后，重物不再做匀速直线运动，而是圆周运动。

[例2] 过山车是常见的刺激娱乐项目，可以简化为下面问题。竖直平面内的圆形轨道半径为R。过山车从倾斜轨道滑下进入圆形轨道，在竖直轨道上做圆周运动，求在圆形轨道最高点，车的最小速度。

解析：过山车在圆形轨道做圆周运动轨道的支持力，重力的合力做向心力，车经最高点恰好不掉下来就是车没有离开圆轨道，又对轨道无压力，则

  即过山车的最小速度至少为

当车速小于

，重力大于向心力，车就要脱离轨道而掉下来。

当车速大于

则轨道的支持力与重力的合力做向心力，车对轨道有向上的压力。

[例3] 汽车与路面之间的动摩擦因数

，转弯处弯道半径为

，

取

。

（1）若路面铺成水平的，汽车转弯时速度不能超过多大？

（2）若路面铺成外侧高内侧低的坡面，倾角为

，汽车以多大速度转弯，与路面无摩擦。

（3）若是（2）中转弯路面，最大转弯速度是多少？

解析：路面是水平的，汽车转弯，向心力沿水平方向，摩擦力做向心力，速度最大摩擦也最大。

∴

    

若弯路是坡面，且车与路面无侧向摩擦力

则

   

（3）汽车以最大速度转弯则受三个力向心力沿水平方向，取水平方向为

轴，竖直方向为

轴。

    

解得

大于水平路面的最大转弯速度

[例4] 质量为

和

的小球分别固定在长为

的轻杆两端。转杆绕过中点的水平轴匀速转动。若轻杆转动中对轴的作用力最小为零，求对轴作用力最大值。

解析：

的球在最高点

，

的球最低点

，对轴的作用力

，

，

的球在最低点，对轴作用力

是最大值。

由题设知F最小为零

∴

   F最大值

[例5] 如图所示，有一质量为m的小球P与穿过光滑水平板中央小孔O的轻绳相连，用力拉着绳的另一端使P在水平板上绕O点做半径为a的圆周运动，速率为

。若将绳突然放松，然后再拉住，使小球到O点距离增大到b。

求：

（1）小球以b为半径做匀速圆周运动的速率

（2）小球运动由绳长为a到绳长为b的时间。

解析：小球绕O做圆周运动，绳突然松开则无外力做向心力，球做离心运动沿切线S飞出，到绳长为b时受绳拉力速度改变，由于拉力沿绳的方向，小球速度

沿绳方向分速度减小为零垂直于绳的速度不变。当小球以b为半径做圆周运动速率就是

在垂直于绳的分量。

 而

    

（2）运动S的时间

 

【模拟试题】

1. 甲、乙两个物体均做匀速圆周运动，甲的质量和轨道半径均为乙的一半，当甲转过

60°时，乙在这段时间里正好转过45°，则甲乙两个物体的向心力之比为 （    ）

A.

     B.

 　　C.

 　  D.

2. 以相同的材料做成的A、Ｂ、C三物体放在匀速转动的平台上，若都相对于平台静止，且

，

，则（    ）

A. C的向心加速度最大

B. A受到的摩擦力最大

C. 转速增大时，C比B先滑动

D. 转速增大时，B比A先滑动                               

3. 一个内壁光滑的圆锥形筒固定在水平面上，如图所示。有质量相同的小球A和B沿着筒的内壁在水平面内做匀速圆周运动，A球运动的半径大于B球运动的半径，则（    ）            

A. A球的角速度必小于B球的角速度     

B. A球的线速度必小于B球的线速度

C. A球运动的周期必大于B球的运动的周期

D. A球对筒壁的压力必大于B球对筒壁的压力

4. 冰面上的溜冰运动员所受最大静摩擦力为运动员重力的K倍，在水平面上沿半径为R的圆周滑行的运动员，其安全速度为（     ）

A. v=K

  　     B. v≤

　  

C. v≤

   　  D. v≤

5. 如图所示，在光滑水平面上放一小球以某速度运动到A点，遇到一段半径为R的圆弧曲面AB，然后落到水平地面的C点，假如小球没有跟圆弧曲线上的任何点接触，则BC的最小距离为（    ）

A. 0      B. R      C.

R     D. （

－1）R         

6. 如图所示，已知半圆形碗半径为R，质量为M，静止在地面上，质量为m的滑块滑到圆弧最底端速率为v，碗仍静止，此时地面受到碗的压力为（    ）   

A. mg＋m

　　      B. Mg＋mg＋m

　　

C.

　　      D. Mg＋mg—m

7. 如图所示，在光滑的以角速度ω旋转的水平细杆上，穿有质量分别为m和M的两球，两球用轻细线连接，若M>m，则（    ）

A. 当两球离轴距离相等时，两球相对杆不动

B. 当两球离轴距离之比等于质量之比时，两球相对杆都不动　　　　

C. 若转速为ω时，两球相对杆都不动，那么转速为2ω时两球也不动

D. 若两球相对杆滑动，一定向同一方向，不会相向滑动

8. 关于向心力的说法中正确的是（    ）

A. 物体受到向心力的作用才可能做圆周运动

B. 向心力是指向圆心方向的合力，是根据作用效果命名的

C. 向心力可以是重力、弹力、摩擦力等各种力的合力，也可以是其中某一种力或者某几种力的合力

D. 向心力只改变物体的运动方向，不改变物体的运动快慢

9. 两个做匀速圆周运动的物体，其质量之比为

，角速度之比为

，线速度之比为

，则它们的向心加速度之比为       ，它们所需向心力之比为      。

10. 一个做匀速圆周运动的物体，如果半径不变而速率增加到原来速率的3倍，其向心力增加了64N，那么物体原来受到的向心力的大小是     N。

11. 如图所示，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，则圆筒转动的角速度至少为      。

12. 地球在自转的过程中，质量为m、站在赤道上的人A和质量为2m、站在北纬

位置的人B，随地球一起转动，A和B随地球转动的角速度之比为     ，A和B随地球转动的线速度之比为      ，A和B随地球转动的向心加速度之比为      ，A和B随地球转动的向心力之比为     。

13. 用绳的一端拴一重物，手握绳的另一端使重物在竖直面内做圆周运动，试分析重物

到达最高点与最低点时向心力的来源，绳子在哪一点受到的拉力大?为什么?

14. 如图所示，高为h竖直圆筒内壁光滑，半径为R，顶部有入口A，在A的正下方处有出口B，一质量为m的小球自入口A沿切线方向水平射入圆筒内，要使球从B处飞出，小球进入入口A的速度应满足什么条件?在运动过程中，球对筒压力多大?

15. 如图所示，在光滑水平面上固定相距40cm的两个钉子A和B，长1m的细绳一端系着质量为0.4kg的小球，另一端固定在钉子A上，开始时小球和钉子A、B在同一直线上，小球始终以2m/s的速率，在水平面上做匀速圆周运动，若细绳能够承受最大拉力为4N，那么从开始到细绳断开所经历的时间是多少？

16. 如图所示，弹簧一端固定在转轴上，另一端与小物块相连，物块在光滑水平面上绕轴做匀速圆周运动，弹簧原长为0.5m，劲度系数为100N／m，物块质量为

kg，当物块转动周期为0.2s，弹簧的伸长量是多少?

 

【试题答案】

1. C     2. D     3. AC     4. B     5. D     6. B     7. CD    8. ABCD

9.

;

    10. 8N     11.

     12.

；

；

；

13. 略14. 小球速率

俯视小球做匀速圆周运动时间为t。A、B半径在同一方向，

竖直方向小球做自由落体运动，

，

  

 向心力

15. 设小球恰好断开时，运动半径为

，

 

   

小球绕第三个半周时半径为

，所以当小球绕完两半周接第三个半圆时绳子断开。时间为

 

   

16. 设伸长量为

。

 

  解得