第六章专题强化水平面内的圆周运动的临界问题(1).docxVIP

第六章专题强化水平面内的圆周运动的临界问题(1).docx

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[学习目标]1.知道水平面内的圆周运动的几种常见模型,并会找它们的临界条件.2.掌握圆周运动临界问题的分析方法.

物体做圆周运动时,若物体的线速度大小、角速度发生变化,会引起某些力(如拉力、支持力、摩擦力)发生变化,进而出现某些物理量或运动状态的突变,即出现临界状态.

水平面内的圆周运动常见的临界问题:

(1)物体恰好(没有)发生相对滑动,静摩擦力达到最大值.

(2)物体恰好要离开接触面,物体与接触面之间的弹力为0.

(3)绳子恰好断裂,绳子的张力达到最大承受值.

(4)物体所受支持力为0或绳子刚好伸直,绳子的张力恰好为0.

如图1所示,A、B、C三个物体放在旋转的水平圆盘面上,物体与盘面间的最大静摩擦力均是其重力的k倍,三物体的质量分别为2m、m、m,它们离转轴的距离分别为R、R、2R.当圆盘旋转时,若A、B、C三物体均相对圆盘静止,则下列说法正确的是()

图1

A.A的向心加速度最大

B.B和C所受摩擦力大小相等

C.当圆盘转速缓慢增大时,C比A先滑动

D.当圆盘转速缓慢增大时,B比A先滑动

答案C

解析A、B、C三物体角速度相同,an=ω2r,则物体C的向心加速度最大,选项A错误;摩擦力提供向心力,FfB=mω2R,FfC=mω2·(2R),物体B所受摩擦力小于物体C所受摩擦力,选项B错误;物体恰好滑动时,kmg=mω2r,ω=eq\r(\f(kg,r)),故滑动的临界角速度与质量无关,r越大,临界角速度越小,故物体C先滑动,选项C正确,D错误.

针对训练(2021·江苏宿迁市高一期中)“魔盘”是一种神奇的游乐设施,它是一个能绕中心轴转动的带有竖直侧壁的大型转盘,随着“魔盘”转动角速度的增大,“魔盘”上的人可能滑向盘的边缘.如图2所示,质量为m的人(视为质点)坐在转盘上,与转盘中心O相距r,转盘的半径为R,人与盘面及侧壁间的动摩擦因数均为μ,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g.

图2

(1)当转盘的角速度大小为ω0时,人未滑动,求此时人受到的摩擦力大小和方向;

(2)使转盘的转速缓慢增大,求人与转盘发生相对滑动时转盘的角速度大小ω;

(3)当人滑至“魔盘”侧壁时,只要转盘的角速度不小于某一数值ωm,人就可以离开盘面,贴着侧壁一起转动,试求角速度ωm的大小.

答案(1)mω02r指向转盘中心O点(2)eq\r(\f(μg,r))(3)eq\r(\f(g,μR))

解析(1)人做圆周运动,摩擦力提供向心力,有Ff=mω02r,方向指向转盘中心O点

(2)静摩擦力提供圆周运动所需的向心力,当静摩擦力达到最大静摩擦力时,此时的角速度为最大角速度,则

μmg=mω2r

解得ω=eq\r(\f(μg,r))

(3)人离开盘面贴着侧壁一起转动时,竖直方向受力平衡,水平方向侧壁对人的支持力提供向心力,则有

FN=mωm2R

μFN=mg

解得ωm=eq\r(\f(g,μR))

如图3所示,水平转盘上放有质量为m的物块,物块到转轴的距离为r.一段绳的一端与物块相连,另一端系在圆盘中心上方eq\f(4,3)r处,绳恰好伸直,物块和转盘间的动摩擦因数为μ,设物块受到的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知重力加速度为g.

图3

(1)当水平转盘以角速度ω1匀速转动时,绳上恰好有张力,求ω1的值;

(2)当水平转盘以角速度ω2匀速转动时,物块恰好离开转盘,求ω2的值.

答案(1)eq\r(\f(μg,r))(2)eq\r(\f(3g,4r))

解析(1)当水平转盘以角速度ω1匀速转动时,绳上恰好有张力,静摩擦力达到最大值,则此时物块所需向心力恰好完全由最大静摩擦力提供,则μmg=mrω12,解得:ω1=eq\r(\f(μg,r)).

(2)物块恰好离开转盘,则FN=0,物块只受重力和绳的拉力,如图所示,

mgtanθ=mω22r

tanθ=eq\f(3,4)

联立解得:ω2=eq\r(\f(3g,4r)).

如图4所示,质量为m的小球由轻绳a和b分别系于一轻质细杆的A点和B点,当轻杆绕轴OO′以角速度ω匀速转动时,小球在水平面内做匀速圆周运动,a绳与水平面成θ角,b绳平行于水平面且长为l,重力加速度为g,则下列说法正确的是()

图4

A.a绳与水平方向夹角θ随角速度ω的增大而一直减小

B.a绳所受拉力随角速度的增大而增大

C.当角速度ωeq\r(\f(g,ltanθ))时,b绳将出现弹力

D.若b绳突然被剪断,则a绳的弹力一定发生变化

答案C

解析对小球受力分析可得a绳与水平方向的夹角θ随ω增大而减小,当b绳达到水平时,θ不再变化.对小球受力分析可得a绳的弹力在竖直方向的分力平衡了小球的重力,解得FTa=eq\f(mg,sinθ),故A、B错误.当FTacosθ=m

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