圆周运动专题复习——临界问题课件

圆周运动中的临界问题1任务任务:1、掌握处理圆周运动的基本思路、掌握处理圆周运动的基本思路和方法；和方法；2、掌握、掌握圆周运动中圆周运动中极值临界问题极值临界问题的临界条件，会用的临界条件，会用临界条件处理临界条件处理实际问题。实际问题。3 3、牛顿第二定律在曲线运动中的具体应用、牛顿第二定律在曲线运动中的具体应用 任务:1、掌握处理圆周运动的基本思路和方法；3、牛顿第二定2圆周运动非匀速非匀速圆周运动圆周运动匀速匀速圆周运动圆周运动角速度、周期、频率不变，角速度、周期、频率不变，线速度、向心加速度、向心力的大小不变，线速度、向心加速度、向心力的大小不变，方向时刻改变；方向时刻改变；合外力不指向圆心，与速度方向不垂直；合外力不指向圆心，与速度方向不垂直；合外力大小不变，方向始终与速度方向垂直，合外力大小不变，方向始终与速度方向垂直，且指向圆心。且指向圆心。合外力沿着半径方向的分量提供向心力合外力沿着半径方向的分量提供向心力，改变速，改变速度方向；度方向；沿着速度方向的分量，改变速度大小沿着速度方向的分量，改变速度大小。特点：特点：性质：性质：变速运动；变速运动；非匀变速曲线运动；非匀变速曲线运动；条件：条件：向心力就是物体作圆周运动的合外力。向心力就是物体作圆周运动的合外力。当速率增大时，合外力与速度方向的夹角当速率增大时，合外力与速度方向的夹角为锐角；反之，为钝角。为锐角；反之，为钝角。圆周运动非匀速匀速角速度、周期、频率不变，合外力不指向圆心，3 例例1 1、在山、在山东卫视的全运向前冲的全运向前冲节目中，有一个目中，有一个“大大转盘”的关卡。如的关卡。如图所示，一所示，一圆盘正在正在绕一通一通过它中心它中心O O且垂直于且垂直于盘面的面的竖直直轴逆逆时针匀速匀速转动，在，在圆盘上有一名上有一名质量量为m m的的闯关者（可是关者（可是为质点）到点）到转轴的距离的距离为d d，已知，已知闯关者与关者与圆盘间的摩擦因素的摩擦因素为，且，且闯关者与关者与圆盘间的最大静摩的最大静摩擦力等于滑擦力等于滑动摩擦力。摩擦力。为了使了使闯关者关者与与圆盘保持相保持相对静止，求静止，求圆盘的的转动角速度的取角速度的取值范范围。一、匀速圆周运动中的极值问题一、匀速圆周运动中的极值问题1、滑动与静止的临界问题、滑动与静止的临界问题 例1、在山东卫视的全运向前冲节目中，有一个“大转盘”4如如图所示，用所示，用细绳一端系着的一端系着的质量量为M0.6 kg的物的物体体A静止在水平静止在水平转盘上，上，细绳另一端通另一端通过转盘中心的光中心的光滑小孔滑小孔O吊着吊着质量量为m0.3 kg的小球的小球B，A的重心到的重心到O点的距离点的距离为0.2 m，若，若A与与转盘间的最大静摩擦力的最大静摩擦力为Fm2 N，为使小球使小球B保持静止，求保持静止，求转盘绕中心中心O旋旋转的的角速度角速度的取的取值范范围(取取g10 m/s2)【答案】2.9 rad/s6.5 rad/s如图所示，用细绳一端系着的质量为M0.6 kg的物体A静止5 如图所示，匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向如图所示，匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向两个用细线相连的小物体两个用细线相连的小物体A、B的质量均为的质量均为m，它们，它们到转轴的距离分别为到转轴的距离分别为rA=20cm，rB=30cm。A、B与与圆盘间的最大静摩擦力均为重力的圆盘间的最大静摩擦力均为重力的0.4倍，倍，（g=10m/s2）求：）求：（1）当细线上开始出现张力，圆盘的角速度；）当细线上开始出现张力，圆盘的角速度；（2）当）当A开始滑动时，圆盘的角速度开始滑动时，圆盘的角速度 如图所示，匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向两68如如图所示，所示，OO为竖直直轴，MN为固定在固定在OO上的水上的水平光滑杆，有两个平光滑杆，有两个质量相同的金属球量相同的金属球A、B套在水平杆上，套在水平杆上，AC和和BC为抗拉能力相同的两根抗拉能力相同的两根细线，C端固定在端固定在转轴OO上当上当绳拉直拉直时，A、B两球两球转动半径之比恒半径之比恒为2 1，当，当转轴的角速度逐的角速度逐渐增大增大时()AAC先断先断BBC先断先断C两两线同同时断断D不能确定哪根不能确定哪根线先断先断解析解析A8如图所示，OO为竖直轴，MN为固定在OO上的水平光滑72、绳子中的临界问题、绳子中的临界问题）3045CABL L例：如图所示，两绳子系一个质量为例：如图所示，两绳子系一个质量为m=0.1kg的的小球，上面绳子长小球，上面绳子长L=2m，两绳都拉直时与轴夹，两绳都拉直时与轴夹角分别为角分别为30与与45。问球的角速度满足什么条件，。问球的角速度满足什么条件，两绳子始终张紧？两绳子始终张紧？2.4rad/s 3.16rad/s2、绳子中的临界问题）3045CABL例：如图所示，8如图所示，直角架如图所示，直角架ABCABC和和ABAB连在竖直方向上，连在竖直方向上，B B点和点和C C点各点各系一细绳，两绳共吊着一个质量系一细绳，两绳共吊着一个质量1 1千克的小球于千克的小球于D D点，且点，且BDBD CDCD，ABD=30ABD=300 0，BD=40BD=40厘米，当直角架以厘米，当直角架以ABAB为轴，为轴，以以1010弧度弧度/秒的角速度匀速转动时，绳秒的角速度匀速转动时，绳BDBD的张力为的张力为_牛，绳牛，绳CDCD的张力为的张力为_牛。牛。如图所示，直角架ABC和AB连在竖直方向上，B点和C点各系一93、脱离与不脱离的临界问题、脱离与不脱离的临界问题）37可看成质点的质量为可看成质点的质量为m的小球随圆锥体一的小球随圆锥体一起做匀速圆周运动，细线长为起做匀速圆周运动，细线长为L，求：，求：（1）当）当 时时绳子的拉力；绳子的拉力；（2）当）当 时时绳子的拉力；绳子的拉力；3、脱离与不脱离的临界问题）37可看成质点的质量为m的小球10图3-5例：如图例：如图3-5所示，在电机距轴所示，在电机距轴O为为r处固定一质量为处固定一质量为m的的铁块电机启动后，铁块以角速度铁块电机启动后，铁块以角速度绕轴绕轴O匀速转动匀速转动则电机对地面的最大压力和最小压力之差为则电机对地面的最大压力和最小压力之差为_.（1）若）若m在最高点时突然与电机脱离，在最高点时突然与电机脱离，它将如何运动它将如何运动?（2）当角速度）当角速度为何值时，铁块在最高为何值时，铁块在最高点与电机恰无作用力点与电机恰无作用力?（3）本题也可认为是一电动打夯机的原）本题也可认为是一电动打夯机的原理示意图。若电机的质量为理示意图。若电机的质量为M，则，则多大多大时，电机可以时，电机可以“跳跳”起来起来?此情况下，对此情况下，对地面的最大压力是多少地面的最大压力是多少?图3-5例：如图3-5所示，在电机距轴O为r处固定一质量为m11二、竖直平面内的圆周运动的临界问题二、竖直平面内的圆周运动的临界问题球绳模型球绳模型教学目标教学目标:1、掌握在竖直平面内做、掌握在竖直平面内做圆周运动的圆周运动的几种常见模型及其做几种常见模型及其做圆周运动的临界圆周运动的临界条件，会用条件，会用临界条件处理实际问题。临界条件处理实际问题。2、体会牛顿运动定律在曲线运动中体会牛顿运动定律在曲线运动中的具体应用的具体应用二、竖直平面内的圆周运动的临界问题球绳模型教学目标:1、12模型模型1：绳球模型：绳球模型 不可伸长的细绳长为不可伸长的细绳长为L，拴着可看成质点的质拴着可看成质点的质量为量为m的小球在竖直平面内做圆周运动。的小球在竖直平面内做圆周运动。oALvABv0试分析：试分析：当小球在当小球在最高点最高点B的的速度为速度为v0 时，绳的拉力与速度时，绳的拉力与速度的关系？的关系？模型1：绳球模型 不可伸长的细绳长为L，拴着可看成质点13v1o思考：思考：小球小球过最高点的最小速过最高点的最小速度是多少度是多少?最高点：最高点：v2当当v=vv=v0 0，对绳子的拉力刚好为，对绳子的拉力刚好为0 0，小球刚好能够通过，小球刚好能够通过（到）（到）最高点、刚好能做完整的圆周运动；最高点、刚好能做完整的圆周运动；mgT思考：当思考：当v=v0、vv0、vv0时分别会发生什么现象？时分别会发生什么现象？当当vvvvvv0 0，对绳子的有拉力，小球能够通过最高点。，对绳子的有拉力，小球能够通过最高点。v1o思考：小球过最高点的最小速度是多少?最高点：v2当v14思考：要使小球做完整的圆周运动，思考：要使小球做完整的圆周运动，在最低点的速度有什么要求？在最低点的速度有什么要求？oALvABvB由机械能守恒可的：由机械能守恒可的：当当VB取得最小值时，即：取得最小值时，即：VA取得最小值即：取得最小值即：结论：要使小球做完整的圆周结论：要使小球做完整的圆周运动，在最低点的速度运动，在最低点的速度思考：要使小球做完整的圆周运动，在最低点的速度有什么要求？o15 例：例：长为L L的的细绳，一端系一，一端系一质量量为m m的小球的小球,另一端固另一端固定于某点，当定于某点，当绳竖直直时小球静止，小球静止，现给小球一水平初小球一水平初速度速度v v0 0，使小球在竖直平面内做圆周运动，并且刚好过，使小球在竖直平面内做圆周运动，并且刚好过最高点，则下列说法中正确的是：（最高点，则下列说法中正确的是：（）A.A.小球过最高点时速度为零小球过最高点时速度为零B.B.小球开始运动时绳对小球的拉力为小球开始运动时绳对小球的拉力为m mC.C.小球过最高点时绳对小的拉力小球过最高点时绳对小的拉力mgmgD.D.小球过最高点时速度大小为小球过最高点时速度大小为D变型型题1：给小球多大的水平初速度，小球多大的水平初速度，才能使才能使绳在小球运在小球运动过程中始程中始终绷紧？例：长为L的细绳，一端系一质量为m的小球,另一端固定于某16小球将做什么运动？小球将做什么运动？小球将做什么运动？17变型题变型题2：在倾角为：在倾角为=30的光滑斜面上用的光滑斜面上用细绳拴住一小球，另一端固定，其拴住一小球，另一端固定，其细线长为0.8m，现为了使一了使一质量量为0.2kg的小球做的小球做圆周运周运动，则小球在最低点的速度至少小球在最低点的速度至少为多少？多少？变型题2：在倾角为=30的光滑斜面上用细绳拴住一小球，另18在在“水流星水流星”表演中，杯子在竖直平面做圆周表演中，杯子在竖直平面做圆周运动，在最高点时，杯口朝下，但杯中水却不运动，在最高点时，杯口朝下，但杯中水却不会流下来，为什么？会流下来，为什么？对杯中水：对杯中水：GFNFN=0水恰好不流出水恰好不流出表演表演“水流星水流星”，需要保证杯，需要保证杯子在圆周运动最高点的线速度不子在圆周运动最高点的线速度不得小于得小于即：即：实例一：水流星实例一：水流星重力的效果重力的效果全部提供向心力全部提供向心力在“水流星”表演中，杯子在竖直平面做圆周运动，在最高点时，杯19思考：过山车为什么在最高点也不会掉下来？思考：过山车为什么在最高点也不会掉下来？实例二：过山车实例二：过山车思考：过山车为什么在最高点也不会掉下来？实例二：过山车20拓展：物体沿竖直内轨运动拓展：物体沿竖直内轨运动 有一竖直放置、内壁有一竖直放置、内壁光滑光滑圆环，其半径为圆环，其半径为r，质，质量为量为m的小球沿它的内表面做圆周运动时，分析的小球沿它的内表面做圆周运动时，分析小球在最高点的速度应满足什么条件？小球在最高点的速度应满足什么条件？思考：思考：小球小球过最高点的最小速度过最高点的最小速度是多少是多少?当当v=v0，对轨道刚好无压力，小球刚好能够通过最高点；，对轨道刚好无压力，小球刚好能够通过最高点；当当vv0，对轨道有压力，对轨道有压力，小球能够通过最高点；小球能够通过最高点；mgFN 要保证过山车在最高点不掉下来，此时的速度必须满足：要保证过山车在最高点不掉下来，此时的速度必须满足：Av0拓展：物体沿竖直内轨运动 有一竖直放置、内壁光滑圆环，其半21规律总结：规律总结：无支持物无支持物物体在圆周运动过物体在圆周运动过最高点最高点时，轻绳对物体只能产生沿绳收时，轻绳对物体只能产生沿绳收缩方向向下的拉力，或轨道对物体只能产生向下的弹力；缩方向向下的拉力，或轨道对物体只能产生向下的弹力；若速度太小物体会脱离圆轨道若速度太小物体会脱离圆轨道无支持物模型无支持物模型不能过最高点的条件：不能过最高点的条件：VVVV临界临界(实际上小球尚未到达实际上小球尚未到达最高点时就脱离了轨道最高点时就脱离了轨道)使小球做完整的圆周运动，使小球做完整的圆周运动，在轨道的在轨道的最低点的速度应满足最低点的速度应满足：规律总结：无支持物物体在圆周运动过最高点时，轻绳对物体只能产22例例2 2、如、如图所示，所示，质量量为m=100gm=100g的小物的小物块（可（可视为质点），从距地面高点），从距地面高h=2.0mh=2.0m的斜的斜轨道上由静止开始道上由静止开始下滑，与斜下滑，与斜轨道相接的是半径道相接的是半径r=0.4mr=0.4m的光滑的光滑圆轨道，道，已知斜面的已知斜面的倾角角为4545，与物体，与物体间的的动摩擦因数摩擦因数为0.2.(g=10m/s0.2.(g=10m/s2 2）问：物：物块运动到圆轨道的最低点时运动到圆轨道的最低点时对轨道的道的压力力为多大？物体能否运多大？物体能否运动到到圆轨道的最高点？道的最高点？)45（E变型题变型题3、若在半圆的右侧加上匀强电场，并使物体带、若在半圆的右侧加上匀强电场，并使物体带上负电，已知物体受到的电场力等于其重力的上负电，已知物体受到的电场力等于其重力的3倍倍，则物体又能否运动到圆轨道的最高点呢？则物体又能否运动到圆轨道的最高点呢？点拨：将复合场等点拨：将复合场等效为重力场，找到效为重力场，找到“力学最高点力学最高点”。例2、如图所示，质量为m=100g的小物块（可视为质点），从23归纳总结归纳总结 解解决决千千变变万万化化的的圆圆周周运运动动的的问问题题，基基本本思思路路方方法法一一般般有有两两条条途途径径：一一、牛牛顿顿运运动动定定律律；二二、功能的关系。功能的关系。归纳总结 解决千变万化的圆周运动的问题，基本思路方法一般有两24模型二：球杆模型：模型二：球杆模型：小球在轻质杆或管状轨道弹力作用下的圆周运动，小球在轻质杆或管状轨道弹力作用下的圆周运动，过过最高点最高点时杆与绳不同，时杆与绳不同，杆对球既能产生拉力，杆对球既能产生拉力，也能对球产生支持力也能对球产生支持力；（管状轨道的口径略大于；（管状轨道的口径略大于小球的直径小球的直径)模型二：球杆模型：25长为长为L的轻杆一端固定着一质量为的轻杆一端固定着一质量为m的小球，使的小球，使小球在竖直平面内做圆周运动。小球在竖直平面内做圆周运动。试分析：试分析：（1）当小球在最低点）当小球在最低点A的速度的速度为为v2时，杆的受力与速度的关时，杆的受力与速度的关系怎样？系怎样？（2）当小球在最高点）当小球在最高点B的速度的速度为为v1时，杆的受力与速度的关时，杆的受力与速度的关系怎样？系怎样？AB长为L的轻杆一端固定着一质量为m的小球，使小球在竖直平面内做26F3mgF2v2v1o思考思考:在最高点时，在最高点时，何时杆表现为何时杆表现为拉力？何时表现为支持力？试求拉力？何时表现为支持力？试求其临界速度。其临界速度。AB最高点：最高点：拉力拉力支持力支持力临界速度：临界速度：当当vv0，杆对球有向下的拉力。，杆对球有向下的拉力。mgF1此时最低点的速度为：此时最低点的速度为：F3mgF2v2v1o思考:在最高点时，何时杆表现为拉力？何27问：当问：当v2的速度等于的速度等于0时，杆对球的时，杆对球的支持力为多少？支持力为多少？F支支=mg此时最低点的速度为：此时最低点的速度为：结论：使小球能做完整的圆结论：使小球能做完整的圆周运动在最低点的速度周运动在最低点的速度问：当v2的速度等于0时，杆对球的支持力为多少？F支=mg此28拓展：物体在管型轨道内的运动拓展：物体在管型轨道内的运动如图，有一内壁光滑、如图，有一内壁光滑、竖直竖直放置的管放置的管型轨道，其半径为型轨道，其半径为R，管内有一质量，管内有一质量为为m的小球有做的小球有做圆周运动圆周运动，小球的直，小球的直径刚好略小于管的内径。径刚好略小于管的内径。思考：在最高点时，什么时候外管壁对小球有压力，思考：在最高点时，什么时候外管壁对小球有压力，什么时候内管壁对小球有支持力什么时候内管壁对小球有支持力?什么时候内外管什么时候内外管壁都没有压力？壁都没有压力？小球在最低点的速度小球在最低点的速度v至少多大时，才至少多大时，才能使小球在管内做完整的圆周运动？能使小球在管内做完整的圆周运动？临界速度：临界速度：当当vv0，外壁对球有向下的压力。，外壁对球有向下的压力。使小球能做完整的圆周运动在最低点的速度：使小球能做完整的圆周运动在最低点的速度：拓展：物体在管型轨道内的运动如图，有一内壁光滑、竖直放置的管29圆周运动专题复习临界问题课件30圆周运动专题复习临界问题课件31例题例题:轻杆长为轻杆长为2L2L，水平转轴装在中点，水平转轴装在中点O O，两端分别固定，两端分别固定着小球着小球A A和和B B。A A球质量为球质量为m m，B B球质量为球质量为2m2m，在竖直平面内，在竖直平面内做圆周运动。做圆周运动。当杆绕当杆绕O O转动到某一速度时，转动到某一速度时，A A球在最高点，如图所示，球在最高点，如图所示，此时杆此时杆A A点恰不受力，求此时点恰不受力，求此时O O轴的受力大小和方向；轴的受力大小和方向；保持保持问中的速度，当问中的速度，当B B球运动到最高点时，求球运动到最高点时，求O O轴的轴的受力大小和方向；受力大小和方向；在杆的转速逐渐变化的过程中，在杆的转速逐渐变化的过程中，能否出现能否出现O O轴不受力的情况？请计算说明。轴不受力的情况？请计算说明。解析：解析：AA端恰好不受力，则端恰好不受力，则B B球：球：杆对杆对B B球无作用力，对球无作用力，对A A球球:由牛顿第三定律，由牛顿第三定律，B B球对球对O O轴的拉力轴的拉力，竖直向下。，竖直向下。由牛顿第三定律，由牛顿第三定律，A A球对球对O O轴的拉力轴的拉力，竖直向下。，竖直向下。例题:轻杆长为2L，水平转轴装在中点O，两端分别固定着小球A32若若B B球在上端球在上端A A球在下端，对球在下端，对B B球：球：对对A A球：球：联系得联系得:若若A A球在上端，球在上端，B B球在下端，对球在下端，对A A球：球：对对B B球：球：联系得联系得显然不成立，所以能出现显然不成立，所以能出现O O轴不受力的情况，此时轴不受力的情况，此时在杆的转速逐渐变化的过程中，能否出现在杆的转速逐渐变化的过程中，能否出现O轴不轴不受力的情况？请计算说明。受力的情况？请计算说明。若B球在上端A球在下端，对B球：对A球：联系得:若A球在上端33图3-6四、圆周运动的周期性四、圆周运动的周期性利用圆周运动的周期性把另一种运动（例如匀速直线运动、利用圆周运动的周期性把另一种运动（例如匀速直线运动、平抛运动）联系起来。圆周运动是一个独立的运动，而另平抛运动）联系起来。圆周运动是一个独立的运动，而另一个运动通常也是独立的，分别明确两个运动过程，注意一个运动通常也是独立的，分别明确两个运动过程，注意用时间相等来联系。在这类问题中，要注意寻找两种运动用时间相等来联系。在这类问题中，要注意寻找两种运动之间的联系，往往是之间的联系，往往是通过时间相等通过时间相等来建立联系的。同时，来建立联系的。同时，要注意要注意圆周运动具有周期性，因此往往有多个答案圆周运动具有周期性，因此往往有多个答案。例例1：如图所示，半径为：如图所示，半径为R的圆盘绕垂直于的圆盘绕垂直于盘面的中心轴匀速转动，其正上方盘面的中心轴匀速转动，其正上方h处沿处沿OB方向水平抛出一个小球，要使球与盘只方向水平抛出一个小球，要使球与盘只碰一次，且落点为碰一次，且落点为B，则小球的初速度，则小球的初速度v_，圆盘转动的角速度，圆盘转动的角速度_。【审题】小球做的是平抛运动，在小球做平抛运动的这【审题】小球做的是平抛运动，在小球做平抛运动的这段时间内，圆盘做了一定角度的圆周运动。段时间内，圆盘做了一定角度的圆周运动。图3-6四、圆周运动的周期性例1：如图所示，半径为R的圆盘绕34图3-7例例2：如图所示，小球：如图所示，小球Q在竖直平面内做匀在竖直平面内做匀速圆周运动，当速圆周运动，当Q球转到图示位置时，有球转到图示位置时，有另一小球另一小球P在距圆周最高点为在距圆周最高点为h处开始自由处开始自由下落下落.要使两球在圆周最高点相碰，则要使两球在圆周最高点相碰，则Q球球的角速度的角速度应满足什么条件？应满足什么条件？【审题】下落的小球【审题】下落的小球P做的是自由落体运动，小做的是自由落体运动，小球球Q做的是圆周运动，若要想碰，必须满足时做的是圆周运动，若要想碰，必须满足时间相等这个条件。间相等这个条件。图3-7例2：如图所示，小球Q在竖直平面内做匀速圆周运动，当35