2019-2020年高三物理书联版资料 曲线运动.doc

第四章 2019-2020年高三物理书联版资料 曲线运动 一、考点要求内容要 求说 明曲线运动物体做曲线运动的条件曲线运动中速度的方向互成角度的两个匀速直线运动的合成平抛物体与自由落体同时落地决定向心力大小的因素离心现象曲线运动中速度的方向运动的合成和分解平抛运动匀速圆周运动线速度、角速度和周期向心加速度向心力离心现象二、知识结构三、本章知识考查特点及高考命题趋势 本章内容是牛顿运动定律在曲线运动中的具体应用，复习好本章的概念和规律，将加深对速度、加速度及其关系的理解，加深对牛顿第二定律的理解，提高解决实际问题的能力。在高考中对本章知识的考查重点在于：（1）平抛运动在前几年的考题中都有所体现，在近两年考题中出现的几率较小，但仍要引起注意。（2）匀速圆周运动及其重要公式，特别是匀速圆周运动的力学特点，要引起足够的重视，另外天体运动的考查都离不开匀速圆周运动。（3）本章中一些考题的特点是：一题中考查知识点多，有相当一部分是与电场、磁场、机械能结合的综合题，以及与实际生活、新科技、新能源等结合的应用性题型。实用复习建议掌握基础知识、基本概念，抓住处理复杂运动的基本方法运动的合成与分解，能将所学的知识进行合理的迁移，在处理圆周运动问题时，要区分匀速圆周运动和非匀速圆周运动的区别，同时要首先确定圆心位置和圆轨道平面，认真分析向心力的来源。 四、课后练习 1、曲线运动与直线运动的明显区别是 。2、曲线运动中，质点在某一点的速度方向是 。3、曲线运动是一种变速运动，这是因为 。4、物体做曲线运动的条件是 。5、做曲线运动的物体，它的加速度方向跟速度方向 。6、一个运动可以根据其效果分解为两个运动，这两个运动叫 而那一个运动称为这两个运动的 .7、合位移是指 ；分位移是指 ；合速度是指 ；分速度是指 。8、合运动的位移、速度、加速度分别是两个分运动位移、速度、加速度的 和。9、已知分运动求合运动叫做 ，已知合运动求分运动叫做 。10、合运动与分运动可以是 运动，也可以是 运动，一个曲线运动可以分解为两个方向上的 运动。（填“直线”或“曲线”）11、平抛运动是指 。12、平抛运动可以分解为 运动和 运动。13、平抛运动的轨迹是一条 线。14、匀速圆周运动是指 。15、匀速圆周运动实质上是匀速率圆周运动的简称，这是因为 。16、匀速圆周运动的线速度大小是指 ，方向沿 。17、匀速圆周运动的角速度是指 。18、匀速圆周运动的周期是指 所用的时间。19、线速度、角速度与周期的关系式_，角速度与周期的关系式 。20、质点以半径r=0.1m绕定点做匀速圆周运动，转速n=300r/min，则质点的角速度为 rad/s，线速度为 m/s。21、钟表钞针的运动周期为 s，频率为 Hz，角速度为 rad/s.22、向心力是指质点做匀速圆周运动时，受到的总是沿着半径指向 的力，是变力。23、向心力的方向总与物体的运动方向_，他只改变线速度 ，不改变线速度 。24、在匀速圆周运动中，向心加速度_不变，其方向总是指向 ，是时刻变化的，所以匀速圆周运动是一种 加速曲线运动。25、向心加速度是由 产生的，在匀速圆周运动中，它只描述线速度 变化快慢。26、向心力表达式： 。向心加速度表达式： 。27、向心力是按 命名的力，任何一个力或几个力，只要它的 是使物体产生 ，它就是物体所受的向心力。28、火车拐弯时，如果在拐弯处内外轨一样高，则火车拐弯所需的向心力是 的弹力提供；如果在转弯处使外轨高于内轨，且据转弯半径和规定的速度，恰当选择内外轨的高度差，则火车所需的向心力完全由 和 的合力提供。29、汽车通过凸拱桥或凹路面时，在最高点或最低点所需的向心力是由 的合力提供的。 第二课时 运动的合成与分解 一、考点理解 （一）曲线运动1、物体做曲线运动的条件：运动物体所受的合力跟它的速度方向不在一条直线上。2、曲线运动的特点：（1）运动学特征：做曲线运动物体在某点的速度方向就是该点的切线方向，所以曲线运动的物体速度方向时刻改变，即速度矢量时刻改变。曲线运动一定是变速运动，加速度一定不为零。（2）动力学特征：曲线运动物体所受合外力方向和速度方向不在一直线上，且一定指向曲线的凹侧。3、曲线运动的轨迹与合外力方向的确定（1）做曲线运动的物体，其轨迹向合外力所指的一方弯曲，若已知物体的运动轨迹，可判断出合外力的大致方向。若合外力为变力，则为变加速运动；若合外力为恒力，则为匀变速运动；若合外力为恒力且与初速度方向不在同一直线上，则物体做匀变速曲线运动。（2）当物体受到的合外力的方向和速度方向的夹角为锐角时，物体做曲线运动的速率将增大；当物体受到的合外力方向与速度方向夹角为钝角时，物体做曲线运动的速率将减小；当物体所受合外力的方向与速度方向垂直时，该力只改变速度的方向，不改变其大小。（二）运动的合成与分解1、合运动与分解已知物体的分运动求合运动叫运动的合成，已知物体的合运动求分运动叫运动的分解。运动的合成和分解是解决曲线运动问题的基本方法，即较复杂的运动可以看作较简单的运动的合运动。必须明确：运动的合成和分解遵循矢量合成和分解的平行四边形定则；2、合运动与分运动的关系（1）等时性：各分运动经历的时间与合运动经历的时间相等。（2）独立性：一个物体同时参与几个分运动，各分运动独立进行，不受其它运动的影响。（3）等效性：各分运动的规律叠加起来与合运动规律有完全相同的效果。3、合运动的轨迹与分运动性质的关系：（1）两个匀速直线运动的合运动仍然是匀速直线运动。（2）一个匀速运动和一个匀变速直线运动的合运动仍然是匀变速运动，当二者共线时为匀变速直线运动，不共线时为匀变速曲线运动。（3）两个匀变速直线运动的合运动仍然是匀变速运动，若合初速度方向与合加速度方向在一条直线上，是直线运动；若合初速度方向与合加速度方向不在一条直线上，是曲线运动。4、运动的分解的两种基本方法：（1）运动效果法：在实际问题中，一个运动到底应该怎样分解，可以根据合运动产生的效果，具体问题具体分析。（2）功率相等法求合速度与分速度大小关系在确定哪个运动是合运动，哪个运动是分运动时，要明白的一点是：实际轨迹上的运动永远是合运动。 二、方法讲解 1、运动的合成和分解的平行四边形法或三角形法如图甲所示，人在船上匀速走动而船又在水中匀速航行。在某段时间内，如果船不动，人对岸的位移为；如果人不动，由于船航行造成人对岸的位移为。当两位移同时存在时，在岸上的观察者所看到的人的合位移就是由平行四边形法则求出的。平行四边形法还可用更简单的办法来代替，如图乙所示，从A出发，把表示人对岸的两个分运动的位移、首尾相接地画出，则从A指向D的有向线段同样表示了人对岸的合运动的位移，这种方法叫运动合成的三角形法。若人的两个分运动位移用、来表示，合运动位移用S表示，则：速度和加速度的合成也可以按平行四边形法或三角形法表示，即：，2、在实际问题中，有的是考查曲线运动的条件，有的是考查两分运动的独立性的性点，有的考查用三角形求极值问题，有的是利用分运动规律求解实际问题，一定要认真对待。3、关于斜牵引运动的基本规律及分解方法所谓“斜牵引运动”是指牵引方向与被牵引物体的运动方向不在同一条直线上，此时物体做变速直线运动。为了确定合运动与分运动的关系，一般应按如下步骤进行：（1）确定合运动的方向物体运动的实际方向就是合运动即合速度的方向。（2）确定合运动的两个效果一是沿牵引方向的平动效果，改变速度的大小；二是垂直牵引方向的转动效果，改变速度的方向。（3）将合速度按平动、转动效果分解，确定合速度与分速度的大小关系。 三.考点应用 例 1:如图所示，用船A拖着车B前进，若船匀速前进，速度为，当OA绳与水平方向夹角为时，求：（1）车运动的速度多大？（2）车B是否做匀速运动。分析:此题的关键是分清合速度与分速度，并根据实际运动情况，确定速度的分解方向。解答:（1）车前进的速度取决于船前进而使OB段绳子变短的快慢，可把分解为一个沿绳子方向的分速度和一个垂直于绳的分速度，如图所示，所以车前进的速度应等于的分速度，即=。（2）当船匀速向前运动时，角逐渐减小，车速度将逐渐增大，因此，车B不做匀速运动。点评:（1）该题是速度的分解问题，船的前进速度产生了绳子的下拉速度（沿绳的方向）和绳子以滑轮为轴的转动速度。（2）将船的速度分解时，每一位置的分解方法相同，但两个分速度的大小不同（因为角变化）（3）让学生学会分析这类题的方法，该题就是速度的正交分解问题，因此，合速度一定大于分速度，在比较两个速度的大小时（如比较与的大小），可通过比较位移的大小来确定（因时间相同）。例2：两个宽度相同但长度不同的台球框固定在水平面上，从两个框的长边同时以相同的速度分别发出小球A和B，如图所示，设球与框边碰撞时无机械能损失，不计摩擦，则两球回到最初出发的框边的先后是（ ）A、A球先回到出发框边B、B球先回到出发框边C、两球同时回到出发框边D、因两框长度不明，故无法确定哪一个球先回到出发框边分析：小球与框边的碰撞无机械能损失，所以小球每次撞碰前后的运动速率不变，且碰后球的运动方向的反向延长线与碰前球的运动路线相对于被碰框边对称，与光的反射情形类似。选A球的运动进行分析。如图所示，小球沿AC方向在C处与长框边碰撞后，沿CD方向运动到D处与短边相碰，最后沿DE方向回到出发的框边（若长边很长，可直接沿CD方向回到出发的框边）。经对称得到的直线的长度应该与折线AC、CD、DE的总长度相等。框的边长不同，只要出发时的速度相同，即CAE相同，不管D点位置如何变化，球所通过的总路程总是相同的。不计碰撞的时间，两球应同时回到最初出发的框边，故正确答案为C。答案：C点评：上述解答是研究合运动，若只研究垂直于出发框边的分运动，依题意知的大小相同，反弹后其大小也不变，回到出发框边运动路程为台球宽度L的2倍，所以A、B球回到初始出发框边的时间，两球应同时回到出发的框边，因此，要注意灵活运用运动的合成和分解来分析和求解实际问题。例3：如图所示，一辆汽车通过轻绳和定滑轮将竖井中质量为m的重物吊起，开始左右两侧的绳处于竖直状态，且左侧的绳长为H，汽车静止不动，然后汽车向左行驶，当通过水平距离H时，汽车的速度达到。求此过程中绳的拉力对重物做了多少功？分析：此题考查的重点是运动的合成与分解，并要运用功能原理，解答时要分清合速度与分速度以及合速度与分速度的关系。解答：设此时重物的速度为，上升高度为h。根据功能原理，绳的拉力对重物所做的功，等于重物机械能的增量，即汽车沿水平方向向左运动有两个效果：一是使绳上各点沿绳平动，且平动的瞬时速率就是重物上升的速率；二是使绳绕左侧的定滑轮转动。因此，汽车的速度应分解为相对绳垂直的分量和平行的分量，且平行分量的大小就是重物上升的速率，即根据三角函数的关系，重物上升的高度为：所以，绳的拉力对重物做的功为：点评：解决问题的关键在于分清合速度和分速度，并根据实际运动的情况，确定合速度的分解方向。若将本题运动的分解和绳受拉力的分解混同起来，很容易得出错误的结果，认为。产生错误的原因就在于不能正确分析合运动和分运动间的关系。例4： 渡河问题是运动合成与分解的典型模型，在渡河问题的情景中，有四个重要的极值规律，下面将分别进行探究并证明。情景：一条大河，设河岸平直，船相对水的速度为（即船在静水中的速度），水的流速为（即水对地的速度），船的合速度为（即船对地的速度，其方向就是船的航向），河的宽度为L。问题探究1：当船头垂直河岸，即时，渡河时间最短，且渡河时间与水的流速无关。证明：如图（1）所示，设船头与河岸的夹角为a，则渡河时间可以表示为：当，即时，渡河时间最短，此时，这里应该注意：渡河时间与水的流速无关，水的流速只影响船下漂的距离，即：当时，下漂距离为：问题探究2： 在的条件下，当船的合速度垂直河岸时，渡河位移最小，并等于河宽，即证明：如图（2）所示，当合速度的方向即船的航向垂直河岸时，船将达到正对岸，不会下漂，即x=0，位移最小为。这时，船头与河岸的夹角应为问题探究3 ：在的条件下，当船头与船的合速度方向垂直，即时，渡河位移最小。证明：如图（3）所示，当恒定不变，的大小不变而方向变化时，根据矢量合成的三角形法则，合速度的矢尖总是在以为半径的圆周上；当与圆相切，即时，下漂距离（x）所对应的角最小，下漂距最小，总位移（s）最小。这时，船头应指向上游，与河岸的夹角即为，其大小应为：这时，最小下漂距离和最小位移分别为：， 问题探究4： 船沿指向下游的固定航线渡河，当船头与船的合速度垂直，即时，船相对水的速度最小，并等于水的流速沿垂直航线的分量。证明：如图（4）所示，设航线OA与河岸的夹角为。为了沿此航线到达对岸，首先必须保证合速度的方向与航线重合。为了使船相对水的速度最小，在同样条件下消耗功率最少，只有船相对水的速度与水的流速沿垂直航向的分量等值反向，才能保证船在垂直航线方向的速度为零。所以，船对水的最小速度为：船渡河的速度的大小就等于平行航线的分量，即。此时，船沿航线方向的运动位移为：通过对渡河问题的深入探究，可以帮助我们加深理解运动的合成与分解中的相关问题。点评：小船同时参与两个运动，随水漂流和船在静水中运动，由于分运动之间的独立性和等时性，不管和大小如何，当最大时，渡河耗时最少，所以小船正对对岸航行时=为最大；由与组成的平行四边形可知，当时，可以垂直于对岸，故航程最短为河宽；当时，不可能垂直于对岸，航程最短为。这种情况要特别注重其分析方法。 四、课后练习 1、（1999年上海）如图所示，物体在恒力F作用下沿曲线从A运动到B，这时突然使它所受的力方向改变而大小不变（即由F变为F）。在此力作用下，关于物体以后的运动情况下，下列说法正确的是（ ）A、物体不可能沿曲线Ba运动B、物体不可能沿直线Bb运动C、物体不可能沿曲线Bc运动D、物体不可能沿原曲线B返回A2、（2001年全国）在抗洪抢险中，战士驾驶摩托艇救人，假设江岸是平直的，洪水沿江向下游流去，水流速度为，摩托艇在静水中的航速为，战士救人的地点A离岸边最近处O的距离为d。如果战士想在最短时间内将人送上岸，则摩托艇登陆的地点距O点的距离为（ ）A、 B、0C、 D、3、（2000年全国）如图为一空间探测器的示意图，、是四个喷气发动机，、的连线与空间一固定坐标系的x轴平行，、的连线与y轴平行，每台发动机开动时，都能向探测器提供推力，但不会使探测器转动，开始时，探测器以恒定的速率向正x方向平动。要使探测器为向正x偏负y的方向以原来的速率平动，则可（ ）A、先开动适当时间，再开动适当时间B、先开动适当时间，再开动适当时间C、开动适当时间D、先开动适当时间，再开动适当时间4、（2001年上海）关于互成角度的两个初速度不为零的匀变速直线运动的合运动，下列说法正确的是（ ）A、一定是直线运动B、一定是抛物线运动C、可能是直线运动，也可能是抛物线运动D、以上说法都不对5、一条大河宽为y=300m，水的流速为=1.0m/s。如图所示，一艘船在静水中的速度为=3.0m/s。试回答下列问题：（1）若船以最短时间渡河，到达对岸时下漂距离是多少？（2）若船要到达距离正对岸的上游码头A，需要多少时间？6、如图所示，一条河宽为L=900m，水的流速为m/s，并在下游形成壮观的瀑布，一艘游艇从距离瀑布水平距离为s=1200m的上游渡河，为了不会被冲进瀑布，而且消耗功率最少，试回答：（1）游艇应如何航行？最小速度是多大？（2）游艇在河中航行的时间不能超过多少？ 第三课时 平抛物体的运动 一、考点理解 1、平抛运动的定义水平方向抛出的物体只在重力作用下的运动叫做平抛运动。2、平抛运动的性质平抛运动的物体只受重力作用，且力的方向与初速度方向垂直，因此平抛物体的运动是加速度恒定（恒为g）的匀变速曲线运动。3、平抛运动的研究方法运动的合成与分解是研究曲线运动的基本方法。根据运动的合成与分解，可将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体来进行研究。4、平抛运动的规律运动位移： X=0t（水平方向匀速直线运动）y=（竖直方向自由落体运动）运动轨迹：由、式中消去t，得： （抛物线轨迹）运动速度：x=0（水平方向匀速直线运动）y=gt（竖直方向自由落体运动）如图所示，以抛出点作为坐标原点，建立直角坐标系，有：（1）水平方向上： （2）竖直方向上： （3）任意时刻位移 （4）任意时刻速度:（5）注意到：（即某时刻平抛物体运动的方向与过水平方向距离的一半处的直线运动方向相同）。（6）平抛运动时间：（由高度决定，与无关）。（7）水平射程：（由和h共同决定）。（8）平抛运动的速度变化：，即相等时间内速度改变量相等，如图所示。 二、方法讲解 1、常规解法是运动的分解法水平方向和竖直方向的两个分运动是相互独立的，其中每个分运动都不会因另一个运动的存在而受到影响。水平方向和竖直方向的两个分运动及其合运动具有等时性。由可知，平抛物体在空中运动的时间t只决定于物体抛出时离地的高度h，而与抛出时的初速度无关。2、特殊的解题方法是选择一个适当的参考系。选择一个自由落体运动物体为参考系，平抛物体相对于这个参考系是水平匀速直线运动，选择一个相同初速的水平匀速直线运动物体为参考系，平抛物体相对这个参考系是做自由落体运动。这种方法在解判断题时是方便的。3、平抛物体运动的解题思路运用运动的合成和分解法是解平抛物体运动问题的基本方法，解题时一般是通过分析题意，将平抛物体运动分解为水平方向上匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动去研究。根据平抛物体运动位移和速度规律，结合运用一些几何知识列出方程，求解问题的结果。 三、考点应用 例1：如图所示，两个相对的斜面，倾角分别为和。在顶点把两个小球以同样大小的初速度分别向左、向右水平抛出，小球都落在斜面上。若不计空气阻力，则A、B两个小球的运动时间之比为（ ）A、1:1 B、4:3 C、16:9 D、9:16分析：由平抛物体运动位移规律，可得：由图知：故，所以有：。故D选项正确。答案：D点评：灵活运用平抛运动位移规律（或速度规律）是解这类题的基本方法，应用时必须明确各量的物理意义，不能盲目套用公式。例2：如图所示倾角为的斜面顶端，水平抛出一钢球，落到斜面底端，已知抛出点到落点间斜边长为L求抛出的初速度？抛出后经多长时间物体离斜面最远？分析：本题的特点是起点和落点都在斜面上，则物体的位移与水平线的夹角为斜面的倾角，同时通过分析可得出物体离斜面最远时，速度方向平行于斜面。解答：钢球做平抛运动，下落高度，飞行时间 水平飞行距离 初速度当物体的速度方向平行于斜面时，离斜面最远，如图所示此时物体竖直方向上的分速度为：物体从抛出到离斜面最远所用时间为：点评：解答斜面上的平抛问题，除要运用平抛运动的位移和速度规律，还要充分运用斜面倾角。找出斜面倾角同位移和速度与水平方向的夹角的关系，从而使问题得到简化。例3：在离水平地面高度为H处有一小球A，在A的右边，与它的水平距离为s处的地面上，有另一小球B，如图所示，现同时把两球抛出。A球沿水平方向向右，抛出时的初速度为，B球竖直向上，抛出时的初速度为。设H、s是已知的，问：（1）要想使两球空中相碰，、各应满足什么条件？（2）若从抛出到相碰所经历的时间为最长，则B球运动的路程是多少？分析：此题有两个物体分别做两种运动，A物体做平抛运动，B物体做竖直上抛运动，要根据它们的运动特点，找出它们相碰的条件，即A的水平位移为s，A与B在同一高度，再根据位移关系找出时间关系解答：（1）设A球从抛出至落地的时间为，则：在时间内，A球在水平方向运动的路程不能小于s，否则不可能与B球相碰，故有： 由、两式得应满足的条件： 抛出后经时间t，B球上升到离地面的高度为处，则：这时A球离地面的高度为则：若B球在运动过程中与A球相碰，则应满足：； 由、式可得：联立、两式得： 故式和式即为使用两球中相碰，、各应满足的条件。（2）如果要使A、B球在抛出后经过较长的时间才相碰，由式知，即要较小。但碰撞必须发生在A球落地之前，故经历最长的时间即为A球从抛出至落地的时间。由式和式可得出，的最小值为：B球上升的最大高度为：则B球从抛出到碰撞时刻经过的总路程为：点评：研究做平抛运动的物体A和做竖直上抛运动的物体B，在不同的情况下相碰所应满足的条件，问题具有综合性和复杂性，对能力的要求也较高，在分析问题时，不仅要抓住两种运动的关联性，还须建立其数学关联方程，并根据物理意义，严密推导求解，从而得到正确的结论。例4：如图所示，为一物体做平抛运动的x-y图象，物体从0点抛出，x、y分别为其水平和竖直位移。P（x、y）为物体运动过程中的任一点，其速度的反向延长线交于x轴A点（A点未画出），则0A的长为：（ ）A、x ; B、 0.5x C、03x D、不能确定分析：作出图示如图，设与竖直方向的夹角为，根据几何关系由平抛运动得水平方向：x =竖直方向：由得在中，=ytan=所以，选B答案：B点评：从解题中我们发现：平抛运动中以抛出点O为坐标原点的坐标系中任一点P（x，y）的速度方向与竖直方向的夹角为则；其速度方向的反向延长线交于x轴的处，这两个结论可用于分析其它的平抛、类平抛问题。 四、课后练习 1、（1996全国）如图所示，以9.8m/s的水平初速度抛出的物体，飞行一段时间后，垂直撞在倾角为的斜面上，可知物体完成这段飞行的时间是（ ）A、s B、sC、s D、2 s2、（1996上海）物体作平抛运动，描述物体在竖直方向的分速度（取向下为正）随时间变化的图线是（ ）3、（1997上海）在一次“飞车过黄河”的表演中，汽车在空中飞经最高点后在对岸着地，已知汽车从最高点至着地点经历的时间约为0.8s，两点间的水平距离约为30m，忽略空气阻力，则最高点的速度大小是 （取g=10m/s2）4、（2003上海）如图所示，在研究平抛运动时，小球A沿轨道滑下，离开轨道末端（末端水平）时撞开轻质接触式开关s，被电磁铁吸住的小球B同时自由下落。改变整个装置的高度H做同样的实验，发现位于同一高度的A、B两球总是同时落地，该实验现象说明了A球在离开轨道后（ ）A、水平方向的分运动是匀速直线运动B、水平方向的分运动是匀加速直线运动C、竖直方向的分运动是自由落体运动D、竖直方向的分运动是匀速直线运动5、（2004湖北）一水平放置的水管，距地面高h=1.8m，管内横截面积cm2。有水从管口处以不变的速度m/s源源不断地沿水平方向射出，设出口处横截面上各处水的速度都相同，并假设水流在空中不散开。取重力加速度m/s2，不计空气阻力。求水流稳定后在空中有多少立方米的水？6、一网球运动员在离网的距离为12m处沿水平方向发球，发球高度为2.4m，网的高度为0.9m。（1）若网球在网上0.1m处越过，求网球的初速度。（2）若按上述初速度发球，求该网球落地点到网的距离。（取m/s2，不考虑空气阻力） 第四课时 匀速圆周运动 一、考点理解 1、关于匀速圆周运动（1）条件：物体在圆周上运动；任意相等的时间里通过的圆弧长度相等。（2）性质：匀速圆周运动是加速度变化（大小不变而方向不断变化）的变加速运动。（3）匀速圆周运动的向心力：是按力的作用效果来命名的力，它不是具有确定性质的某种力，相反，任何性质的力都可以作为向心力。例如，小铁块在匀速转动的圆盘上保持相对静止的原因是，静摩擦力充当向心力，若圆盘是光滑的，就必须用线细拴住小铁块，才能保证小铁块同圆盘一起做匀速转动，这时向心力是由细线的拉力提供。向心力的作用效果是改变线速度的方向。做匀速圆周运动的物体所受的合外力即为向心力，它是产生向心加速度的原因，其方向一定指向圆心，是变化的（线速度大小变化的非匀速圆周运动的物体所受的合外力不指向圆心，它既要改变速度方向，同时也改变速度的大小，即产生法向加速度和切向加速度）。向心力可以是某几个力的合力，也可以是某个力的分力。例如，用细绳拴着质量为m的物体，在竖直平面内做圆周运动到最低点时，其向心力由绳的拉力和重力（）两个力的合力充当。而在圆锥摆运动中，小球做匀速圆周运动的向心力则是由重力的分力（，其中为摆线与竖直轴的夹角）充当，因此决不能在受力分析时沿圆心方向多加一个向心力。物体做匀速圆周运动所需向心力大小可以表示为： 2、描述圆周运动的物理量（1）线速度：（s是物体在时间t内通过的圆弧长），方向沿圆弧上该点处的切线方向。描述了物体沿圆弧运动的快慢程度。（2）角速度：（是物体在时间t内绕圆心转过的角度），描述了物体绕圆心转动的快慢程度。（3）周期与频率：（沿圆周运动一周所用的时间叫周期，每秒钟完成圆周运动的转数叫频率）。（4）向心加速度：描述线速度方向变化快慢的物理量。大小：。方向：总是指向圆心，方向时刻在变化，是一个变加速度。说明 当为常数时，与r成正比；当为常数时，与r成反比。因此，若无特殊条件说明，不能说一定与r 成正比还是反比。3、匀速圆周运动的运动学特征匀速圆周运动的线速度大小不变但方向不断变化；周期不变；频率不变；角速度不变；向心加速度大小不变但方向不断变化。 二、方法讲解1、匀速圆周运动的分析方法对于匀速圆周运动的问题，一般可按如下步骤进行分析：（1）确定做匀速圆周运动的物体作为研究对象。（2）明确运动情况。包括搞清运动速率、轨迹半径R及轨迹圆心O的位置等，只有明确了上述几点后，才能知道运动物体在运动过程中所需的向心力大小（）和向心力方向（指向圆心）。（3）分析受力情况，对物体实际受力情况作出正确的分析，画出受力图，确定指向圆心的合外力F（即提供的向心力）。（4）代入公式，求解结果。2、匀速圆周运动中向心力的特点由于匀速圆周运动仅是速度方向发生变化而速度大小不变，故只存在向心加速度，物体受的外力的合力就是向心力，可见，合外力大小不变，方向始终与速度方向垂直指向圆心，是物体做匀速圆周运动的条件。在求解匀速圆周运动的问题时，关键是对物体进行受力分析，看是哪一个力或哪几个力的合力来提供向心力。 三、考点应用 例1：如图所示为一皮带传动装置，右轮的半径为r，a是它边缘上的一点，左侧是一轮轴，大轮的半径是4r，小轮的半径是2r，b点在小轮上，到小轮中心的距离为r，c点和d点分别位于小轮和大轮的边缘上，若在传动过程中皮带不打滑，则（ ）A、a点和b点的线速度大小相等B、a点和b点的角速度大小相等C、a点和c点的线速度大小相等D、a点和d点的向心加速度大小相等分析：皮带不打滑表示轮子边缘在某段时间内转过的弧长总是跟皮带移动的距离相等，即a、c两点的线速度大小相等，C选项正确，A选项错误。b、c、d三点同轴转动，角速度大小相等，B选项错误。设a点线速度为，c点线速度也为，而d点线速度则为，所以：。D选项正确。答案：C、D点评：本题考查的重点是描述圆周运动的线速度、角速度及向心加速度等几个物理量间的关系。需要明确的是：用皮带传动的皮带轮轮缘（皮带触点）线速度相等；固定在同一转动轴上转动的物体其角速度相等，解此类题时首先要明确究竟是线速度大小相等还是角速度大小相等，然后根据关系式，用比例的方法求得问题的结果。例2：如图所示，两绳系一个质量为m=0.1kg的小球，上面绳长l=2m，两绳都拉直时与轴夹角分别为与。问球的角速度满足什么条件，两绳始终张紧？分析：分析两绳始终张紧的制约条件，当由零逐渐增大时可能出现两个临界值；其一是BC恰好拉直，但不受拉力；其二是AC仍然拉直，但不受拉力。对小球C进行受力分析，运用正交分解法分别对上述两种情况列出动力学方程求解。解答：两绳张紧时，小球受的力如右图所示，当由0逐渐增大时，可能出现两个临界值。（1）BC恰好拉直，但仍然为零，设此时的角速度为，则有代入已知解得，rad/s（2）AC由拉紧转为恰好拉直，但已为零，设此时的角速度为，则有代入已知解得，rad/s可见，要使两绳始终张紧，必须满足2.40rad/s3.16rad/s点评：本题考查对匀速圆周运动的动态分析，即根据题给条件，确定临界状态是分析问题和解决问题的关键，同类问题还有在光滑的锥顶用细绳悬一小球，让小球和圆锥面一起匀速转动，当转速为某一值时，锥面对小球恰无支持力作用，转速大于这一临界值，小球将摆起，离开锥面做锥摆运动，且顶角随之增大。例3：如图所示，电风扇在闪光灯下运转，闪光灯每秒闪30次，风扇转轴O上装有3个扇叶，它们互成角，当风扇转动时，观察者感觉扇叶不动，则风扇转速可能是（ ）A、600r/min B、900r/minC、1200r/min D、3000r/min分析：风扇转动时，观察者感觉扇叶不动，说明在每相邻两次闪光的时间间隔 内，风扇转过的角度是的整倍数，即圈的整数倍。s风扇的最小转速r/s=600 r/min故满足题意的可能转速（k=1，2，3）答案：ACD点评：匀速圆周运动是一种周期性的运动，分析此类问题，关键是抓住周期性这一特点，得出可能的多解通式，解题过程中，常出现只考虑k=1的情况，而没有注意问题的多解性。例4：如图所示，长为L的悬线固定在O点，在O点正下方处有一钉子C，把悬线另一端的小球m拉到跟悬点在同一水平面上无初速度释放，到悬点正下方时悬线碰钉子，则小球的（）A、 线速度突然增大B、角速度突然增大C、向心加速度突然增大D、悬线拉力突然增大分析：小球碰到钉子后，将做的圆周运动，碰钉子前后瞬间的线速度不会改变，而将增大，将大，将增大。故答案为B、C、D答案：BCD点评：注意速度不能“突变”，掌握这一点是解答本题的关键。例5：如图所示，水平面上方挂一个摆长为L、摆球质量为m的单摆，若此摆球位于光滑水平面上，摆长仍为L，悬点到水平面距离为h（ hL ），摆球在水平面上以n转/秒的转速做匀速圆周运动，求水平面受到的压力，为使摆球不离开水平面，求转速n的最大值。分析：摆球受力有三个：重力、支持力、摆线的拉力。当摆球对水平面压力为零时，摆球只受到两个力作用。分别对这两种情况求出合力即向心力，然后列出动力学方程求解。解答：受力分析如右图由式得：即代入式，整理得：根据牛顿第三定律，水平面受到的压力大小，方向垂直水平面向下。当时，点评：摆球转速越大，摆线偏离竖直方向的夹角越大，摆球对水平面的压力就越小，摆球受到水平面的弹力即支持力也就越小。当支持力时，此时摆球的转速是摆球不离开水平面的最大转速。 四、课后练习 1、（2003上海）某品牌电动自行车的铭牌如下：车型：20时（车轮直径：508mm）电池规格：36V 12Ah（蓄电池）整车质量：40kg额定转速：210r/min外形尺寸：L1800mmW650mmH1100mm充电时间：2-8h 电机：后轮驱动、直流永磁式电机额定工作电压/电流：36V/5A根据此铭牌中的有关数据，可知该车的额定时速约为（ ）A、15km/h B、18km/hC、20km/h D、25km/h2、（2004上海春季）假设“神舟”五号实施变轨后做匀速圆周运动，共运行了n周，起始时刻为，结束时刻为，运行速度为，半径为r，则计算其运行周期可用（ ）；A、 B、 C、 D、3、（2003杭州）机械手表中的分针和秒针在转动时，可视为匀速转动，分针和秒针从重合开始到第2次重合，中间经历时间为（ ）A、1min B、minC、min D、min4、（2004秦川）在如图所示的皮带传动中，小轮半径是大轮半径的一半，大轮上c点到轮心的距离恰等于，若皮带传动中皮带不打滑，则图中a、b、c三点（ ）A、线速度之比为221B、角速度之比为211C、转动周期之比为211D、向心加速度大小之比为4215、关于地球自转所产生的向心加速度的下列说法中，正确的是（ ）A、在地球上的任何地方的物体都有向心加速度B、在地球上的物体的向心加速度随纬度增加而增大C、在地球上的物体的向心加速度随纬度减小而增大D、在地球上的物体的向心加速度方向都指向地心6、在水平转台上叠放着A、B两物体，当转台匀速转动时，两物体随转台一起旋转，则放在下面的B物体受到的力的个数为（ ）A、3个 B、4个 C、5个 D、6个7、飞行员最多可承受9倍重力加速度带来的影响。当飞机在竖直面内以速度沿圆弧轨道俯冲时，圆弧轨道最小半径是（ ）A、 B、 C、 D、8如图所示，直角架ABC的直角边AB边在竖直方向上，B点和C点各系一细绳，两绳共吊着一质量为1kg的小球于D点，且BDCD，ABD=，BD=40cm。当直角架以AB为轴以10rad/s的角速度匀速转动时，绳BD和CD的张力各为多少？ 第五课时 圆周运动的实例分析 离心运动 一、考点理解 （一）实例分析1、火车转弯火车转弯处铁路外轨略高于内轨，使得火车所受重力和支持力的合力提供向心力：，故（R为轨道半径，L为内、外轨间距，h为外轨略高于内轨的高度）。（1）当火车行驶速度等于时，内、外轨道对轮缘都没有侧压力。（2）当火车行驶速度大于时，需要有外轨对火车轮缘的侧压力来补充向心力。（3）当火车行驶速度小于时，多余的合力部分将使火车的轮缘与内轨间产生侧压力。2、汽车在平地上转弯汽车转弯时所需向心力来源于汽车与地面的摩擦力。如果汽车速度较大时，汽车就会发生侧向滑动，发生危险。汽车在平地上转弯时，它所受的重力及路面支持力都在竖直方向上，沿水平方向指向转弯中心O的向心力只能来自轮胎与路面间的摩擦力，如图所示，如果弯道的圆周半径为R，汽车的转弯速度为，则这个摩擦力的大小应为。由于受轮胎和路面材料性质、表面状况等因素的限制，摩擦力的数值不可能很大，因而在一定的水平路面上，汽车的转弯速度要受到制约，如果转弯速度过大，摩擦力作为向心力显得不足时，汽车便会发生离心运动而滑向道路的外侧，这当然是很危险的；另外，即使摩擦力能够提供足够的向心力，由于转弯速度过大，还有可能造成汽车向外侧翻倒，为此，我们作如下定量分析，并就一些问题展开讨论。设汽车转弯时内外轮间的距离为d（dR），汽车重心距地面高度为h，且与两轮水平距离相等，则受力分析如图所示。水平指向圆心的合外力产生向心加速度，有：竖直方向合外力平衡，有：对一般物体平衡问题，以重心为转轴，根据不翻倒的条件，有：联立、式，可得：由、式可知，汽车在平地上转弯时，内外两轮胎所受地面的支持力不同，且外轮所受到的支持力较大。令即汽车转弯时内轮离地，有：，即此时，汽车即有翻倒的危险，因此，为避免汽车翻倒，转弯速度应小于，使。又由于汽车与地面接触动摩擦因数为定值，为使其摩擦力足以提供向心力，应有：即综合、式可知，要保证汽车转弯安全，即不产生翻倒或发生离心运动而滑向道路的外侧，汽车转弯速度必须小于和两值中的较小值，否则就会造成伤害事故。对实际问题进行理论分析时，要抽象出具体的物理模型，本例中汽车在平地上转弯，可抽象为匀速圆周运动的质点模型，但注意到汽车还有翻倒的可能，所以还必须抽象出一般物体的平衡问题，另一个类似的例子是我们观察到的摩托车比赛，在转弯时，运动员总是向内侧倾斜，从而较好地提供向心力（能不能无限地倾斜？最大倾斜角由哪些因素决定？）现实问题中，还有在装有茶叶水的杯中旋转搅动，使茶叶和水都转动起来，会发现茶叶最后慢慢地都集中在中央（应该说向心力不足，应做离心运动，为什么会集中在中央呢？）只要读者认真地观察，善于运用理论进行分析，并抽象出物理模型，就会有所认识，有所发现，有所创造。3、汽车过拱桥汽车过拱桥时的受力情况，如图所示，汽车在竖直方向受到两个力的作用：重力mg和桥对汽车的支持力。汽车对桥的压力大小（方向相反）由此看出这个压力小于汽车的重量mg。4、圆锥面上的圆周运动小球绕圆锥面做匀速圆周运动，如图甲小球受三个力的作用：重力、支持力和拉力。利用正交分解可求出：图乙受2个力的作用：重力、支持力，这两个力的合力提供小球做圆周运动的向心力：（二）离心现象做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动，这种现象就是离心现象。离心现象是圆周运动自身特有的一种运动现象。做圆周运动的物体，由于本身的惯性，总有沿圆周切线方向飞去的倾向，它所以没有飞去是因为有向心力持续地把物体拉到圆周上来，对于一个半径为R，线速度为（角速度为）的匀速圆周运动，需要的向心力大小应为（或）。如果实际能提供给物体的向心力正好为，物体虽有离心倾向但不表现出实际的“离心现象”；假如=0，物体由于惯性将沿切线方向飞出；假如，便会出现介乎以上两者之间的情况物体沿着切线和圆周之间的某条曲线运动，如图所示，不管出现哪种情况，物体均由原定轨道上的圆周运动变为做离圆心越来越远的“离心运动”。 二、方法讲解 （一）竖直平面内的圆周运动的分析法物体受重力作用的影响，能否在竖直平面内做圆周运动，关键在于分析物体通过最高点时的临界条件，下面就几种模型进行讨论。1、如图甲和图乙所示，没有物体支承的小球，在竖直平面作圆周运动过最高点的情况：注意：绳对小球只能产生沿绳收缩方向的拉力（1）临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用。注意：如果小球带电，且空间存在电、磁场时，临界条件应是小球重力、电场力和洛仑兹力的合力作为向心力，此时临界速度（2）能过最高点的条件：，当时，绳对球产生向下的拉力，轨道对球产生向下的压力。（3）不能过最高点的条件：（实际上球还没到最高点时就脱离了轨道）2、如图所示，有物体支撑的小球在竖直平面内做圆周运动过最高点的情况。注意：杆与绳不同，杆对球既能产生拉力，也能对球产生支持力。（1）临界条件：由于硬杆和管壁的支撑作用，小球恰能达最高点的临界速度=0（2）图甲所示的小球过最高点时，轻杆对小球的弹力情况。当v=0时，轻杆对小球有竖直向上的支持力N，其大小等于小球的重力，即N=mg。当0v时，杆对小球的支持力的方向竖直向上，大小随球速度的增大而减小，其取值范围是：mgN0。当v=时，N=0当v时，杆对小球有指向圆心的拉力，其大小随速度的增大而增大。（3）图乙所示的小球过最高点时，光滑硬管对小球的弹力情况。当v=0时，管的内壁下侧对小球有竖直向上的支持力N，其大小等于小球重力，即N=mg。当0v时，管的内壁下侧对小球仍有竖直向上的支持力N，大小随速度的增大而减小，其取值范围是mgN0。当v=时，N=0。当v时，管的内壁上侧对小球有竖直向下指向圆心的压力，其大小随速度的增大而增大。3、小物体在竖直平面内的外轨道，做圆周运动。若使m沿轨道运动到最高点，如图（1）所示。限制条件是：m到达最高点的速度若使m能从最高点沿轨道下滑，如（2）所示，m在最高点的速度的限制条件是若时，物体将从最高点起，脱离圆轨道做平抛运动。m在最高点从=0开始，沿光滑轨道下滑，如图（3）所示。m脱离轨道的临界条件是：轨道对m的支持力（二）向心力的来源向心力是按力的作用效果来命名的力，它的作用效果是改变线速度的方向；它不是具有确定性质的某种力，相反，任何性质的力都可以作为向心力。在匀速圆周运动中，向心力是由物体受到的合外力来提供，且与合外力相等。在非匀速圆周运动中，向心力是由物体受到的合外力在指向圆心方向的分力来提供，且与合外力的这个分力相等，而这个分力只改变物体的速度方向；合外力在切线方向上的分力改变物体的速度大小。 三考点应用 例1：如图所示，质量为0.1kg的木桶内盛水0.4kg，用50cm的绳子系桶，使它在竖直面内做圆周运动。如果通过最高点和最低点时的速度大小分别为9m/s和10m/s，求木桶在最高点和最低点对绳的拉力和水对桶的压力。（g取10m/s2）分析：此题关键是分析木桶和水在最高点和最低点的受力情况，求出向心力，然后用牛顿第二定律求解。解答：在最高点时，以木桶和水为研究对象，木桶和水的质量为：0.1kg+0.4kg=0.5kg，水的质量为kg，则木桶和水受重力mg和绳的拉力作用，有：，即把数据代入上式，可得：=76N，则桶对绳的拉力大小为76N，方向向上。水在最高点受重力和桶对水的支持力的作用，有：，即把数据代入上式，可得：=60.8N则水对桶的压力大小为60.8N，方向向上。在最低点时，木桶和水受绳向上的拉力和向下的重力作用，有，即把数据代往上式，可得：N则桶对绳的拉力大小为105N，方向向下。水在最低点受桶向上的支持力和向下的重力作用，有：，即把数据代入上式，可得：=84N，则水对桶的压力大小为84N，方向向下。点评：求木桶对绳的拉力，必须要以水和桶整体为研究对象，而求水对桶的压力，必须以水为研究对象。另外，求出拉力和压力后，还必须根据牛顿第三定律说明力的方向。研究对象不清，就胡乱套用公式求解，这是初学者极易出现的错误。例2：如图所示，匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向放置两个用细线相连的质量均为m的小物体、，它们到转轴距离分别为cm，cm，、与盘面间的最大静摩擦力均为重力的0.4倍，试求：（1）当细线上开始出现张力时，圆盘的角速度（2）当A开始滑动时，圆盘的角速度（3）当A即将滑动时，烧断细线，A、B状态如何？分析：盘转速较小时，A、B随盘做圆周运动的向心力较小，可完全由盘面的静摩擦力提供。由于可知，B需向心力较大，当B与盘面的静摩擦力达到最大值时（此时A受静摩擦力尚未达到最大值）。若继续增大转速，则B将做离心运动从而拉紧细线，使线上出现张力，转速越大，细线上张力越大，使A受静摩擦力也越大，当A受的静摩擦力达到最大值时，也将开始滑动，B与A受到的静摩擦力达到最大值的状态时，线上开始出现拉力和即将外滑的临界状态，这是解题的关键。解答：（1）当细线上开始出现张力时，表明B与盘间的静摩擦力已达到最大，设此时圆盘角速度为，则解得(rad/s)（2）当A开始滑动时，表明A与盘的静摩擦力也达到最大，设此时盘转动角速度为，线上拉力为，则对A 对B 以上两式中， 解以上三式得(rad/s)（3）烧断细线，A与盘的静摩擦力减小，继续随盘做半径为cm的圆周运动，而B由于不足以提供必要的向心力而做离心运动。点评：此题是典型的平面上的圆周运动问题，由静摩擦力提供向心力，但要注意线上开始出现张力以及A开始滑动时向心力的大小及动力学方程。例3：如图所示，一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相同的小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面作匀速圆周运动，则下列说法正确的是（ ） A、球A的线速度必定大于球B的线速度；B、球A的角速度必定小于球B的角速度；C、球A的运动周期必定小于球B的运动周期D、球A对筒壁的压力必定大于球B对筒壁的压力分析：对小球A、B受力分析，两球的向心力都来源于重力mg和支持力的合力，其合成如图所示，故两球的向心力比较线速度时，选用分析得r大，一定大，A答案正确比较角速度时，选用分析