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第3讲圆周运动
学习目标1.掌握描述圆周运动的各物理量及它们之间的关系。2.会分析匀速圆周运动的周期性及多解问题。3.会分析圆周运动向心力的来源,并利用圆周运动的相关知识解决生活中的圆周运动。
考点一圆周运动的运动学问题
1.描述圆周运动的物理量
2.匀速圆周运动
(1)定义:如果物体沿着圆周运动,并且线速度的大小处处相等,这种运动叫作匀速圆周运动。
(2)特点:加速度大小不变,方向始终指向圆心,是变加速运动。
(3)条件:合力大小不变、方向始终与速度方向垂直且指向圆心。
3.离心运动和近心运动
(1)离心运动:做圆周运动的物体,在所受合力突然消失或不足以提供圆周运动所需向心力的情况下,就做逐渐远离圆心的运动。
(2)受力特点(如图)
①当F=0时,物体沿切线方向飞出,做匀速直线运动。
②当0Fmω2r时,物体逐渐远离圆心,做离心运动。
③当Fmω2r时,物体逐渐向圆心靠近,做近心运动。
(3)本质:离心运动的本质并不是受到离心力的作用,而是提供的力小于做匀速圆周运动需要的向心力。
思考在an=v2r,an=ω2r两式中an与r
提示在v一定时,an与r成反比;在ω一定时,an与r成正比。
例1(2024·黑吉辽卷,2)“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
解析由题图可知rPrQ,A错误;篮球绕轴转动时,P、Q在相同时间内转过的圆心角相等,根据ω=θt可知,ωP=ωQ,D正确;根据v=ωr可知,线速度vPvQ,B错误;根据an=ω2r可知,向心加速度aPaQ,C
例2(2025·辽宁朝阳学校月考)如图所示,修正带的核心部件是两个半径之比为3∶1的大小齿轮,两个齿轮通过相互咬合进行工作,A和B分别为两个齿轮边缘处的两点。若两齿轮匀速转动,下列说法正确的是()
A.若变速拖动修正带,A、B两点的线速度大小之比为1∶1
B.若匀速拖动修正带,A、B两点的线速度大小之比为3∶1
C.若匀速拖动修正带,A、B两点的角速度大小之比为3∶1
D.若匀速拖动修正带,A、B两点的向心加速度大小之比为3∶1
答案A
解析A和B分别为两个齿轮边缘处的两点,则A、B两点的线速度大小相等,即A、B两点的线速度大小之比为1∶1;根据v=ωr,a=ω2r,可知A、B两点的角速度大小之比为ωA∶ωB=rB∶rA=1∶3,A、B两点的向心加速度大小之比为aA∶aB=rB∶rA=1∶3,故A正确。
总结提升三种传动装置
同轴转动
皮带传动
齿轮传动
装
置
A、B两点在同轴的一个圆盘上
两个轮子用皮带连接,A、B两点分别是两个轮子边缘上的点
两个齿轮轮齿啮合,A、B两点分别是两个齿轮边缘上的点
特
点
角速度、周期相同
线速度大小相等
线速度大小相等
转
向
相同
相同
相反
规
律
线速度与半径成正比:
vAv
向心加速度与半径成正比:
aAa
角速度与半径成反比:
ωAω
向心加速度与半径成反比:
aAa
角速度与半径成反比:
ωAω
向心加速度与半径成反比:
aAa
例3(2025·江苏海安联考)如图所示,直径为d的竖直圆筒绕中心轴线以恒定的转速匀速转动。一子弹以水平速度沿圆筒直径方向从左侧射入圆筒,从右侧射穿圆筒后发现两弹孔在同一竖直线上且相距为h,重力加速度为g,则下列说法正确的是()
A.子弹在圆筒中的水平速度为dg
B.子弹在圆筒中的水平速度为2dg
C.圆筒转动的角速度可能为π2
D.圆筒转动的角速度可能为3πg
答案A
解析子弹在圆筒中运动的时间与自由下落高度h的时间相同,由h=12gt2,解得t=2hg,则v0=dt=dg2h,故A正确,B错误;在此段时间内圆筒转过的圈数为半圈的奇数倍,即ωt=(2n+1)π(n=0,1,2,…),所以ω=(2n+1)πt=(2n+1)π·g2h(n=0,1,2,…),当n=0时ω=πg2h,
考点二圆周运动的动力学问题
1.匀速圆周运动的向心力
(1)作用效果
向心力产生向心加速度,只改变速度的方向,不改变速度的大小。
(2)大小
Fn=mv2r=mω2r=m4π2T
(3)方向
始终沿半径方向指向圆心,时刻在改变,即向心力是一个变力。
2.匀速圆周运动中向心力的来源
运动模型
向心力Fn的来源(图示)
汽车在水平路面转弯
水平转台(光滑)
圆锥摆
飞车走壁
飞机水平转弯
火车转弯
3.变速圆周运动的向心力
如图所示,当小球在竖直面内摆动时,半径方向的合力提供向心力,即
FT-mgcosθ=mv2
判断正误
(1)向心力指向圆心,与速度方向垂直,不改变速度的大小。(√)
(2)向心力可以由物体受到的某
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