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2.1怎样描述圆周运动学习目标 1.知道什么是匀速圆周运动,知道它是变速运动.2.记住线速度的定义式,理解线速度的大小、方向的特点.3.记住角速度的定义式,知道周期、转速的概念.4.理解并掌握vr和2n等公式一、线速度1定义:物体做圆周运动通过的弧长与通过这段弧长所用时间的比值,v.2意义:描述做圆周运动的物体运动的快慢3方向:线速度是矢量,方向沿着圆周的切线方向4匀速圆周运动:沿着圆周运动,且在相等的时间里通过的圆弧长度相等的运动二、角速度1定义:物体做圆周运动时,连接它与圆心的半径转过的角度跟所用时间t的比值.2意义:描述物体做圆周运动的快慢3单位:弧度每秒,符号是rad/s.三、周期和转速1周期T:物体沿圆周运动一周的时间,单位为秒(s)周期与角速度的关系:.2转速n:物体在单位时间内完成圆周运动的圈数,单位为每秒(s1)或转每分(r/min)四、角速度与线速度的关系vR.即学即用1判断下列说法的正误(1)匀速圆周运动是一种匀速运动()(2)做匀速圆周运动的物体,相同时间内的位移相同()(3)做匀速圆周运动的物体,其线速度不变()(4)做匀速圆周运动的物体,其角速度大小不变()(5)做匀速圆周运动的物体,周期越大,角速度越小()2A、B两个质点,分别做匀速圆周运动,在相等时间内它们通过的弧长之比sAsB23,转过的圆心角之比AB32,那么它们的线速度大小之比vAvB_,角速度大小之比AB_.答案2332解析由v知;由知.一、线速度和匀速圆周运动导学探究如图1所示为自行车的车轮,A、B为辐条上的两点,当它们随轮一起转动时,回答下列问题:图1(1)A、B两点的速度各沿什么方向?(2)如果B点在任意相等的时间内转过的弧长相等,B点做匀速运动吗?(3)匀速圆周运动的线速度是不变的吗?匀速圆周运动的“匀速”同“匀速直线运动”的“匀速”一样吗?(4)A、B两点哪个运动得快?答案(1)两点的速度均沿各自圆周的切线方向(2)B运动的方向时刻变化,故B做非匀速运动(3)质点做匀速圆周运动时,线速度的大小不变,方向时刻在变化,因此,匀速圆周运动只是速率不变,是变速曲线运动而“匀速直线运动”中的“匀速”指的是速度不变,是大小、方向都不变,二者并不相同(4)B运动得快知识深化1对线速度的理解(1)线速度是物体做圆周运动的瞬时速度,线速度越大,物体运动得越快(2)线速度是矢量,它既有大小,又有方向,线速度的方向在圆周各点的切线方向上(3)线速度的大小:v,s代表在时间t内通过的弧长2对匀速圆周运动的理解(1)匀中有变:由于匀速圆周运动是曲线运动,其速度方向沿着圆周的切线方向,所以物体做匀速圆周运动时,速度的方向时刻在变化(2)匀速的含义:速度的大小不变,即速率不变;转动快慢不变,即角速度大小不变(3)运动性质:线速度的方向时刻改变,所以匀速圆周运动是一种变速运动例1(多选)某质点绕圆轨道做匀速圆周运动,下列说法中正确的是()A因为它的速度大小始终不变,所以它做的是匀速运动B该质点速度大小不变,但方向时刻改变,是变速运动C该质点速度大小不变,因而加速度为零,处于平衡状态D该质点做的是变速运动,具有加速度,故它所受合力不等于零答案BD二、角速度、周期和转速导学探究如图2所示,钟表上的秒针、分针、时针以不同的角速度做圆周运动图2(1)秒针、分针、时针它们转动的快慢相同吗?如何比较它们转动的快慢?(2)秒针、分针和时针的周期分别是多大?答案(1)不相同根据角速度公式知,在相同的时间内,秒针转过的角度最大,时针转过的角度最小,所以秒针转得最快(2)秒针周期为60 s,分针周期为60 min,时针周期为12 h.知识深化1对角速度的理解(1)角速度描述做圆周运动的物体绕圆心转动的快慢,角速度越大,物体转动得越快(2)角速度的大小:,代表在时间t内物体与圆心的连线转过的角度(3)在匀速圆周运动中,角速度大小不变2对周期和频率(转速)的理解(1)周期描述了匀速圆周运动的一个重要特点时间周期性其具体含义是:描述匀速圆周运动的一些变化的物理量,每经过一个周期时,大小和方向与初始时刻完全相同,如线速度等(2)当单位时间取1 s时,fn.频率和转速对匀速圆周运动来说在数值上是相等的,但频率具有更广泛的意义,两者的单位也不相同3周期、频率和转速间的关系:T.例2(多选)一精准转动的机械钟表,下列说法正确的是()A秒针转动的周期最长B时针转动的转速最小C秒针转动的角速度最大D秒针的角速度为 rad/s答案BCD解析秒针转动的周期最短,角速度最大,A错误,C正确;时针转动的周期最长,转速最小,B正确;秒针的角速度为 rad/s rad/s,D正确三、描述匀速圆周运动的各物理量之间的关系导学探究线速度、角速度、周期都是用来描述圆周运动快慢的物理量,它们的物理含义不同,但彼此间却相互联系(1)线速度与周期及转速的关系是什么?(2)角速度与周期及转速的关系是什么?(3)线速度与角速度什么关系?答案(1)物体转动一周的弧长s2R,转动一周所用时间为tT,则v2Rn.(2)物体转动一周转过的角度为2,用时为T,则2n.(3)vR.知识深化1描述匀速圆周运动的各物理量之间的关系(1)v2nR(2)2n(3)vR2描述匀速圆周运动的各物理量之间关系的理解(1)角速度、周期、转速之间关系的理解:物体做匀速圆周运动时,由2n知,角速度、周期、转速三个物理量,只要其中一个物理量确定了,其余两个物理量也确定了(2)线速度与角速度之间关系的理解:由vR知,R一定时,v;v一定时,;一定时,vR.例3做匀速圆周运动的物体,10 s内沿半径为20 m的圆周运动100 m,试求物体做匀速圆周运动时:(1)线速度的大小;(2)角速度的大小;(3)周期的大小答案(1)10 m/s(2)0.5 rad/s(3)4 s解析(1)依据线速度的定义式v可得v m/s10 m/s.(2)依据vR可得, rad/s0.5 rad/s.(3)T s4 s.针对训练1一质点做匀速圆周运动,其线速度大小为4 m/s,转动周期为2 s,下列说法中不正确的是()A角速度为0.5 rad/sB转速为0.5 r/sC运动轨迹的半径约为1.27 mD频率为0.5 Hz答案A解析由题意知v4 m/s,T2 s,根据角速度与周期的关系可知 rad/s3.14 rad/s.由线速度与角速度的关系vR得R m1.27 m由v2nR得转速n r/s0.5 r/s.又由频率与周期的关系得f0.5 Hz.故A错误,符合题意四、同轴转动和皮带传动问题导学探究如图3为两种传动装置的模型图图3(1)甲图为皮带传动装置,试分析A、B两点的线速度及角速度关系(2)乙图为同轴转动装置,试分析A、C两点的角速度及线速度关系答案(1)皮带传动时,在相同的时间内,A、B两点通过的弧长相等,所以两点的线速度大小相同,又vR,当v一定时,角速度与半径成反比,半径大的角速度小,即vAvB,AvC.知识深化常见的传动装置及其特点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(皮带不打滑),A、B两点分别是两个轮子边缘上的点两个齿轮啮合,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规律线速度与半径成正比:l角速度与半径成反比:.周期与半径成正比:角速度与半径成反比:.周期与半径成正比:例4(多选)如图4所示的传动装置中,B、C两轮固定在一起绕同一轴转动,A、B两轮用皮带传动,三个轮的半径关系是rArC2rB.若皮带不打滑,则A、B、C三轮边缘上a、b、c三点的()图4A角速度之比为122B角速度之比为112C线速度大小之比为122D线速度大小之比为112答案AD解析A、B两轮通过皮带传动,皮带不打滑,则A、B两轮边缘的线速度大小相等,B、C两轮固定在一起绕同一轴转动,则B、C两轮的角速度相等a、b比较:vavb由vR得,abRBRA12b、c比较:bc由vR得,vbvcrBrC12所以abc122vavbvc112故A、D正确传动问题是圆周运动部分的一种常见题型,在分析此类问题时,关键是要明确什么量相等,什么量不等,在通常情况下,应抓住以下两个关键点:(1)绕同一轴转动的各点角速度、转速n和周期T相等,而各点的线速度vR与半径R成正比;(2)链条和链条连接的轮子边缘线速度的大小相等,不打滑的摩擦传动两轮边缘上各点线速度大小也相等,而角速度与半径R成反比针对训练2(多选)如图5所示为一种齿轮传动装置,忽略齿轮啮合部分的厚度,甲、乙两个轮子的半径之比为13,则在传动的过程中()图5A甲、乙两轮的角速度之比为31B甲、乙两轮的周期之比为31C甲、乙两轮边缘处的线速度之比为31D甲、乙两轮边缘上的点相等时间内转过的弧长之比为11答案AD解析这种齿轮传动,与不打滑的皮带传动规律相同,即两轮边缘的线速度相等,故C错误;根据线速度的定义v可知,弧长svt,故D正确;根据vR可知,又甲、乙两个轮子的半径之比R1R213,故甲、乙两轮的角速度之比12R2R131,故A正确;周期T,所以甲、乙两轮的周期之比T1T22113,故B错误.1(对匀速圆周运动的认识)对于做匀速圆周运动的物体,下列说法中不正确的是()A相等的时间内通过的路程相等B相等的时间内通过的弧长相等C相等的时间内通过的位移相同D在任何相等的时间内,连接物体和圆心的半径转过的角度都相等答案C解析匀速圆周运动的线速度、角速度大小不变,因此在相等时间内通过的路程相等、弧长相等、转过的角度也相等,A、B、D项正确;相等时间内通过的位移大小相等,方向不一定相同,故C项错误2(描述圆周运动各量的关系)关于做匀速圆周运动的物体,下列说法正确的是()A因为在相等的时间内通过的圆弧长度相等,所以线速度恒定B如果物体在0.1 s内转过30角,则角速度为300 rad/sC若半径R一定,则线速度与角速度成反比D若半径为R,周期为T,则线速度为v答案D解析物体做匀速圆周运动时,线速度大小恒定,方向沿圆周的切线方向,在不断地改变,故选项A错误;角速度 rad/s rad/s,选项B错误;线速度与角速度的关系为vR,由该式可知,R一定时,v,选项C错误;由线速度的定义可得,在转动一周时有v,选项D正确3.(传动问题)如图6所示是自行车传动结构的示意图,其中A是半径为r1的大齿轮,B是半径为r2的小齿轮,C是半径为r3的后轮,假设脚踏板的转速为n r/s,则自行车前进的速度为()图6A. B.C. D.答案C解析自行车的前进速度即为后轮的线速度,由题意可得1r12r2,32,又12n,v3r3,所以v,选项C正确4(圆周运动的周期性)如图7所示,半径为R的圆盘绕垂直于盘面的中心轴匀速转动,其正上方h处沿OB方向水平抛出一小球,不计空气阻力,重力加速度为g,要使球与盘只碰一次,且落点为B,求小球的初速度及圆盘转动的角速度的大小图7答案R2n(n1,2,3)解析设球在空中运动时间为t,此过程中圆盘转过角,则Rvt,hgt2故初速度vRn2(n1,2,3)又因为t则圆盘角速度2n(n1,2,3)一、选择题考点一描述圆周运动的物理量的关系及计算1一质点做匀速圆周运动时,圆的半径为r,周期为4 s,那么1 s内质点的位移大小和路程分别是()Ar和 B.和C.r和r D.r和答案D解析质点在1 s内转过了圈,画出运动过程的示意图可求出这段时间内的位移大小为r,路程为,所以选项D正确2关于做匀速圆周运动的物体的线速度、角速度、周期的关系,下面说法中正确的是()A线速度大的角速度一定大B线速度大的周期一定小C角速度大的半径一定小D角速度大的周期一定小答案D解析由vR可知,当R一定时,v与成正比;v一定时,与R成反比,故A、C均错误由v可知,当R一定时,v越大,T越小,B错误由可知,越大,T越小,故D正确3(多选)质点做匀速圆周运动时,下列说法中正确的是()A因为vr,所以线速度v与轨道半径r成正比B因为,所以角速度与轨道半径r成反比C因为2n,所以角速度与转速n成正比D因为,所以角速度与周期T成反比答案CD解析当一定时,线速度v才与轨道半径r成正比,所以A错误当v一定时,角速度才与轨道半径r成反比,所以B错误在用转速或周期表示角速度时,角速度与转速成正比,与周期成反比,故C、D正确4(多选)甲、乙两个做匀速圆周运动的质点,它们的角速度之比为31,线速度之比为23,那么下列说法中正确的是()A它们的半径之比为29B它们的半径之比为12C它们的周期之比为23D它们的周期之比为13答案AD解析由vR,得R,A对,B错;由T,得T甲T乙13,C错,D对考点二传动问题5如图1所示是一个玩具陀螺a、b和c是陀螺上的三个点当陀螺绕垂直于地面的轴线以角速度稳定旋转时,下列表述正确的是()图1Aa、b和c三点的线速度大小相等Ba、b和c三点的角速度大小相等Ca、b的角速度比c的大Dc的线速度比a、b的大答案B解析同一物体上的三点绕同一竖直轴转动,因此角速度相同,c的半径最小,故它的线速度最小,a、b的半径相同,二者的线速度大小相等,故选B.6两个小球固定在一根长为L的杆的两端,绕杆上的O点做圆周运动,如图2所示当小球1的速度为v1时,小球2的速度为v2,则O点到小球2的距离是()图2A. B.C. D.答案B解析两球在同一杆上,旋转的角速度相等,均为,设两球的转动半径分别为r1、r2,则r1r2L.又知v1r1,v2r2,联立得r2,B正确7如图3所示的齿轮传动装置中,主动轮的齿数z124,从动轮的齿数z28,当主动轮以角速度顺时针转动时,从动轮的运动情况是()图3A顺时针转动,周期为B逆时针转动,周期为C顺时针转动,周期为D逆时针转动,周期为答案B解析主动轮顺时针转动,则从动轮逆时针转动,两轮边缘的线速度大小相等,由齿数关系知主动轮转一周时,从动轮转三周,故T从,B正确8如图4所示的装置中,已知大轮的半径是小轮半径的3倍,A点和B点分别在两轮边缘,C点到大轮轴的距离等于小轮半径若不打滑,则它们的线速度之比vAvBvC为()图4A133 B131C331 D313答案C解析A、C两点转动的角速度相等,由vR可知,vAvC31;A、B两点的线速度大小相等,即vAvB11,则vAvBvC331.考点三圆周运动的周期性9某机器内有两个围绕各自的固定轴匀速转动的铝盘A、B,A盘固定一个信号发射装置P,能持续沿半径向外发射红外线,P到圆心的距离为28 cm.B盘上固定一个带窗口的红外线信号接收装置Q,Q到圆心的距离为16 cm.P、Q转动的线速度相同,都是4 m/s.当P、Q正对时,P发出的红外线恰好进入Q的接收窗口,如图5所示,则Q每隔一定时间就能接收到红外线信号,这个时间的最小值应为()图5A0.56 s B0.28 sC0.16 s D0.07 s答案A解析根据公式T可求出,P、Q转动的周期分别为TP0.14 s和TQ0.08 s,根据题意,只有当P、Q同时转到题图所示位置时,Q才能接收到红外线信号,所以所求的最小时间应该是它们转动周期的最小公倍数,即0.56 s,所以选项A正确10如图6所示,一位同学做飞镖游戏,已知圆盘的直径为d,飞镖距圆盘L,且对准圆盘上边缘的A点水平抛出(不计空气阻力),初速度为v0,重力加速度为g,飞镖抛出的同时,圆盘绕垂直圆盘过盘心O的水平轴匀速转动,角速度为.若飞镖恰好击中A点,则下列关系正确的是()图6AdB(n0,1,2,3)Cv0D2(n0,1,2,3)答案B解析依题意飞镖做平抛运动的同时,圆盘上A点做匀速圆周运动,恰好击中A点,说明A正好在最低点被击中,则A点转动的时间t(n0,1,2,3),平抛运动的时间t,则有(n0,1,2,3,),B正确,C错误;平抛的竖直位移为d,则dgt2,联立有d2g2(2n1)2(n0,1,2,3,),A、D错误二、非选择题11(描述圆周运动的物理量)一汽车发动机的曲轴每分钟转2 400周,求:(1)曲轴转动的周期与角速度的大小(2)距转轴r0.2 m的点的线速度的大小答案(1) s80 rad/s(2)16 m/s解析(1)由于曲轴每秒钟转40(周),周期T s;而每转一周为2 rad,因此曲轴转动的角速度240 rad/s80 rad/s.(2)已知r0.2 m,因此这一点的线速度vr800.2 m/s16 m/s.12(传动问题)如图7所示为皮带传动装置,皮带轮的圆心分别为O、O,A、C为皮带轮边缘上的点,B为AO连线上的一点,RBRA,RCRA,当皮带轮匀速转动时,皮带与皮带轮之间不打滑,求A、B、C三点的角速度大小之比、线速度大小之比图7答案223212解析由题意可知,A、B两点在同一皮带轮上,因此AB,又皮带不打滑,所以vAvC,故可得CA,所以ABCAAA223.又vBRBBRAA,所以vAvBvCvAvAvA212.13(圆周运动与其他运动的结合)如图8所示,半径为R的圆轮在竖直面内绕O轴匀速转动,圆轮最低点距地面的高度为R,轮上a、b两点与O的连线相互垂直,a、b两点均粘有一个小物体,当a点转至最低位置时,a、b两点处的小物体同时脱落,经过相同时间落到水平地面上(不计空气阻力,重力加速度为g)图8(1)试判断圆轮的转动方向(说明判断理由)(2)求圆轮转动的角速度大小答案见解析解析(1)由题意知,a处物体做平抛运动,若与b处物体下落的时间相同,则b处物体必须做竖直下抛运动,故知圆轮转动方向为逆时针方向(2)a处物体平抛:Rgt2b处物体竖直下抛:2Rv0tgt2由得v0又因由解得.
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