高考物理必修知识点知识讲解 圆周运动的向心力及其应用 提高

圆周运动的向心力及其应用编稿：周军 审稿：吴楠楠 【学习目标】1、理解向心力的特点及其来源2、理解匀速圆周运动的条件以及匀速圆周运动和变速圆周运动的区别3、能够熟练地运用力学的基本方法解决圆周运动问题5、理解外力所能提供的向心力和做圆周运动所需要的向心力之间的关系，以此为根据理解向心运动和离心运动。【要点梳理】要点一、物体做匀速圆周运动的条件要点诠释：物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。要点二、关于向心力及其来源1、向心力要点诠释（1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力.（2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。（3）向心力的大小： 向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积；对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方；线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。如果是匀速圆周运动则有：（4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。（5）关于向心力的说明：向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力；匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小；无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。2、向心力的来源要点诠释（1）向心力不是一种特殊的力。重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。（2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)：要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动要点诠释：（1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体受到的合外力完全充当向心力的角色。例如月球围绕地球做匀速圆周运动，它受到的地球对它的引力就是合外力，这个合外力正好沿着半径指向地心，完全用来提供月球围绕地球做匀速圆周运动的向心力。（2）在变速圆周运动中，向心力只是物体受到的合外力的沿着半径方向的一个分量。例如用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，它的受力情况如图所示，物体受到线的拉力F拉和重力mg的作用，其合力分解为两个分量：向心力和切向力。不难看出： 向心力改变着速度的方向，产生向心加速度；切向力与线速度的方向相同或者相反，改变着线速度的大小使得物体做变速圆周运动。2、从圆周运动的规律看匀速圆周运动和变速圆周运动要点诠释：（1）匀速圆周运动和变速圆周运动所适用的共同规律无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动向心加速度的大小总是：（公式中的每一个量都是瞬时量，任何一个时刻或者任何一个位置都可以用公式计算向心加速度。）换一种说法就是：在圆周运动中的任何时刻或位置，牛顿运动定律都成立，即例如上面的例子，用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，在图中所示的位置用牛顿第二定律可得：（2）只适用于匀速圆周运动的计算公式： 因为在匀速圆周运动的过程中各个量大小的平均值和瞬时值是相等的；如果将上式用在变速圆周运动中，计算的结果仅是一个意义不大的粗略的平均值。要点四、圆周运动的实例1、水平面上的圆周运动要点诠释：（1）圆锥摆运动：小球在细线的拉力和重力作用下的在水平面上的匀速圆周运动，如图所示：O F lm F向 O1 r mg向心力来源：物体重力和线的拉力的合力，沿着水平方向指向圆心。力学方程：问题讨论：a.物体加速度与夹角的关系：，向心加速度越大时，夹角越大。b.角速度与夹角的关系：，可见角速度越大时，夹角越大。（2）在水平圆盘上随圆盘一起转动物体向心力的来源：如图，在竖直方向上重力和支持力平衡，物体做圆周运动的向心力由物体所受的静摩擦力提供。静摩擦力的方向：当物体做匀速圆周运动时，这个静摩擦力沿着半径指向圆心；当做变速圆周运动时，静摩擦力还有一个切线方向的分量存在，用来改变线速度的大小。静摩擦力的变化： 当水平圆盘的转速增大时，物体受到的静摩擦力也随之增大，当物体所需要的向心力大于最大静摩擦力时，物体将相对于圆盘滑动，变为滑动摩擦力。2、竖直平面内的圆周运动要点诠释：（1）汽车过拱形桥在竖直面内的圆周运动中可以分为：匀速圆周运动和变速圆周运动。对于匀速圆周运动处理起来一般比较方便。对于变速圆周运动，定量的计算通常是在圆周的最高点和最低点处用牛顿第二定律。例如：汽车通过半圆的拱形桥，因为桥面对汽车提供的只能是支持力。汽车在点位置最高时，对车由牛顿第二定律得：为了驾驶安全，桥面对车的支持力必须大于零，即从而解得车的速度应满足关系（如果，在不计空气阻力的情况下，车将做平抛运动）汽车在位置时有又 解得（2）汽车通过圆弧型的凹处路面 如图在最低点处，对车运用牛顿第二定律得： 桥面对车的支持力可见，随着车的速度增大，路面对车的支持力变大。要点五、圆周运动中的超重与失重1、超重与失重的判断标准要点诠释：（1）运动物体的加速度方向向上或者有向上的分量时，物体处于超重状态，物体对水平支持面的压力大于自身的重力。（2）运动物体的加速度方向向下或者有向下的分量时，物体处于失重状态，物体对水平支持面的压力小于自身的重力。2、圆周运动中的超重与失重现象要点诠释：（1）失重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最高点附近时，向心加速度竖直向下，物体对支持物的压力小于自身重力。例如在拱形桥顶运动的汽车，由上面计算有，它对于桥面的压力小于重力。（2）超重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最低点附近时，向心加速度竖直向上，物体对支持物的压力大于自身重力。例如汽车通过圆弧型的凹处路面在最低点处， 桥面对车的支持力大于自身重力。要点五、关于离心现象1、外力提供的向心力与做圆周运动需要的向心力之间的关系对物体运动的影响要点诠释：（1）外力提供的向心力：是某个力、几个力的合力或者是合力在半径方向上的分量，是实实在在的相互作用。（2）做圆周运动需要的向心力：是指在半径为r的圆周上以速度v运动时，必须要这么大的一个力，才能满足速度方向改变的要求。（3）供需关系对物体运动的影响：外力提供的向心力等于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做圆周运动；外力提供的向心力小于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做远离圆心的运动离心运动外力提供的向心力大于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做靠近圆心的运动也可称之为向心运动2、离心现象及其运用要点诠释：（1）被利用的离心现象：洗衣机甩干衣服：水珠和衣服之间的附着力不足以提供水珠高速转动时需要的向心力，而做离心运动从而脱离衣服，使得衣服变干。离心沉淀器：悬浊液在试管中高速转动时，密度大于液体密度的小颗粒做离心运动，密度小于液体密度的小颗粒做向心运动，从而使得液体很快被分离。离心水泵：水在叶轮转动的作用下做离心运动，从而使得水从低处运动到高处，等等。（2）需要防止的离心现象：高速转动的砂轮会因为离心运动而破碎，造成事故；火车或者汽车会因为转弯时的速度过大而出现侧滑、倾翻，造成人员伤亡等。【典型例题】类型一、水平面上的圆周运动例1、 (2015 哈尔滨校级期末)如图所示，两个质量均为m的小木块a和b（可视为质点）放在水平圆盘上，a与转轴OO的距离为l，b与转轴的距离为2l，木块与圆盘的最大静摩擦力为木块所受重力的k倍，重力加速度大小为g，若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速运动，用表示圆盘转动的角速度，下列说法正确的是（ ）Ab一定比a先开始滑动 Ba、b所受的摩擦力始终相等C当时，b开始滑动的临界角速度 D当时，a所受的摩擦力大小为 【答案】AC【解析】两个木块的最大静摩擦力相等，木块随圆盘一起转动，静摩擦力提供向心力，由牛顿第二定律得：木块所受的静摩擦力，、相等，所以b所受的静摩擦力大于a的静摩擦力，当圆盘的角速度增大时b的静摩擦力先达到最大值，所以b一定比a先开始滑动，故A正确，B错误；当b刚要滑动时，有，解得：，故C正确；以a为研究对象，当时，由牛顿第二定律知：，可解得：，故D错误。【总结升华】木块随圆盘一起转动，静摩擦力提供向心力，而所需要的向心力大小由物体的质量、半径和角速度决定，当圆盘转速增大时，提供的静摩擦力随之增大，当需要的向心力大于静摩擦力时，物体开始滑动。本题的关键是正确分析木块的受力。举一反三【变式】原长为L的轻弹簧一端固定一小铁块，另一端连接在竖直轴OO上，小铁块放在水平圆盘上，若圆盘静止，把弹簧拉长后将小铁块放在圆盘上，使小铁块能保持静止的弹簧的最大长度为5L/4，现将弹簧长度拉长到6L/5后，把小铁块放在圆盘上，在这种情况下，圆盘绕中心轴OO以一定角速度匀速转动，如图所示已知小铁块的质量为m，为使小铁块不在圆盘上滑动，圆盘转动的角速度最大不得超过多少?【答案】【解析】以小铁块为研究对象，圆盘静止时：设铁块受到的最大静摩擦力为，由平衡条件得圆盘转动的角速度最大时，铁块受到的摩擦力与弹簧的拉力kx的合力提供向心力，由牛顿第二定律得又因为xL/5解以上三式得角速度的最大值类型二、实际生活中的圆周运动例2、质量不计的轻质弹性杆P插入桌面上的小孔中，杆的另一端套有一个质量为m的小球，今使小球在水平面内做半径为R的匀速圆周运动，且角速度为，如图所示，则杆的上端受到球对其作用力的大小为( )A B C D不能确定【思路点拨】小球在重力和杆的弹力作用下在水平面内做匀速圆周运动，故小球所受合力必沿水平方向，根据力的合成即可求出杆对小球的作用力的大小，从而得出杆受到的球的作用力的大小。【答案】C【解析】对小球进行受力分析，小球受两个力：一个是重力mg，另一个是杆对小球的作用力F，两个力的合力产生向心力由平行四边形定则可得：，再根据牛顿第三定律，可知杆受到球对其作用力的大小为故选项C正确【总结升华】本题一定要弄清小球向心力的来源另外还要注意杆提供的弹力方向可以是任何一个方向，不一定非要沿着杆举一反三【高清课程：匀速圆周运动题型分析 例5】【变式】铁路弯道的内外侧铁轨往往不在同一水平面上，质量为M的火车，以恒定的速率在水平面内沿一段半径为r的圆弧道转弯，受力如图所示，已知内外铁轨的倾角为a。（1）车的速率v0为多大时，使车轮对铁轨的侧压力正好为零? （2）如果火车的实际速率vv0，分析铁轨对车轮的施力情况。【答案】类型三、动力学综合问题例3、如图所示，在光滑的水平桌面上有一光滑小孔O，一根轻绳穿过小孔，一端连接质量为m1 kg的小球A，另一端连接质量为M4 kg的重物B求： (1)当A球沿半径为R0.1 m的圆做匀速圆周运动，其角速度为10rad/s时，B对地面的压力为多少? (2)要使B物体对地面恰好无压力，A球的角速度应为多大?(g取10/s2)【思路点拨】小球A在生的拉力作用下做匀速圆周运动，合力提供向心力；B静止，合力为零。【解析】本题考查了有关匀速圆周运动中向心力来源的问题，只有准确对物体进行受力分析，才能正确找到向心力，并利用向心力公式的适当表示方法解题 (1)对小球A来说，小球受到的重力和支持力平衡，因此绳子的拉力提供向心力，则 对物体B来说，物体受到三个力的作用：重力Mg、绳子的拉力、地面的支持力，由力的平衡条件可得FT+FNMg，所以FNMgFT将FT10 N代入上式，可得：FN410 N10 N30 N由牛顿第三定律可知，B对地面的压力为30 N，方向竖直向下(2)当B对地面恰好无压力时，有：Mg，拉力提供小球A所需向心力，则：，则 即当B对地面恰好无压力时，A球的角速度应为20 rad/s【总结升华】由于小球A做匀速圆周运动的向心力由绳子的拉力提供，而绳子的拉力又改变物体B对地面的正压力，因此从绳子的拉力入手是解决本题的关键，绳子的拉力是联系小球A与物体B受力情况的“桥梁”举一反三【高清课程：匀速圆周运动题型分析 例8】【变式1】建筑工地上常使用打夯机夯实地基，如图是其结构原理图。长为l的连杆（质量可忽略）固定在轮盘A上，轮盘A和连杆固定在一起可一起绕轴O旋转，连杆另一端固定一质量为m的铁块，电动机通过皮带轮带动轮盘A和连杆，可在竖直平面内做圆周运动。当旋转的角速度达到一定数值，可使质量为M（不包括铁块的质量m）的打夯机离开地面，然后砸向地面，从而起到夯实地基的作用。试分析连杆转动的最小角速度。【答案】【解析】当铁块运动到最高点时，受重力mg和杆的拉力F1作用，这两个力的合力提供铁块此时做圆周运动所需的向心力。当铁块的角速度逐渐增大时，所需的向心力增大，将导致拉力F1的增大。根据牛顿第三定律可知，此时铁块对打夯机向上的拉力，所以当时，打夯机将脱离地面。设为使打夯机脱离开地面连杆转动的最小角速度为，由牛顿第二定律：对M有 对m有 因 由以上几式解得 ：【变式2】（2015 河南校级模拟）一质量为M、倾角为的斜面体在水平地面上，质量为m的小木块（可视为质点）放在斜面上，现用一平行于斜面的、大小恒定的拉力F作用于小木块，拉力在斜面所在的平面内绕小木块旋转一周的过程中，斜面体和木块始终保持静止状态，下列说法中正确的是（ ）A小木块受到斜面的最大静摩擦力为 B小木块受到斜面的最大摩擦力为 C斜面受到地面的最大静摩擦力为 D斜面体受到地面的最大摩擦力为【答案】C【解析】当F沿斜面向下时，木块所受的静摩擦力最大，受力分析如图：由平衡条件：，故A正确，B错误；选整体为研究对象，当F水平时，整体所受的摩擦力最大，由平衡条件：，即斜面所受的最大静摩擦力为F，故C正确，D错误。