高考物理曲线运动解题技巧讲解及练习题(含答案)及解析

高考物理曲线运动解题技巧讲解及练习题(含答案)及解析
一、高中物理精讲专题测试曲线运动
1．如图所示，一根长为0.1 m的细线，一端系着一个质量是0.18kg的小球，拉住线的另一端，使球在光滑的水平桌面上做匀速圆周运动，当小球的转速增加到原转速的3倍时，细线断裂，这时测得线的拉力比原来大40 N．求：
（1）线断裂的瞬间，线的拉力；
（2）这时小球运动的线速度；
（3）如果桌面高出地面0.8 m，线断裂后小球沿垂直于桌子边缘的方向水平飞出去落在离桌面的水平距离．
【答案】（1）线断裂的瞬间，线的拉力为45N；
（2）线断裂时小球运动的线速度为5m/s；
（3）落地点离桌面边缘的水平距离2m．
【解析】
【分析】
【详解】
(1)小球在光滑桌面上做匀速圆周运动时受三个力作用;重力mg、桌面弹力F N和细线的拉力F,重力mg和弹力F N平衡，线的拉力提供向心力，有：
F N=F=mω2R，
设原来的角速度为ω0,线上的拉力是F0,加快后的角速度为ω,线断时的拉力是F1，则有：
F1:F0=ω2: 2
=9:1，
又F1=F0+40N，
所以F0=5N,线断时有：F1=45N.
(2)设线断时小球的线速度大小为v,由F1=
2
v
m
R
，
代入数据得：v=5m/s.
(3)由平抛运动规律得小球在空中运动的时间为：t =220.810
h s g ⨯==0.4s ， 则落地点离桌面的水平距离为：x =vt =5×0.4=2m .
2．如图所示，在竖直平面内有一半径为R 的
1
4
光滑圆弧轨道AB ，与水平地面相切于B 点。

现将AB 锁定，让质量为m 的小滑块P （视为质点）从A 点由静止释放沿轨道AB 滑下，最终停在地面上的C 点，C 、B 两点间的距离为2R ．已知轨道AB 的质量为2m ，P 与B 点右侧地面间的动摩擦因数恒定，B 点左侧地面光滑，重力加速度大小为g ，空气阻力不计。

（1）求P 刚滑到圆弧轨道的底端B 点时所受轨道的支持力大小N 以及P 与B 点右侧地面间的动摩擦因数μ；
（2）若将AB 解锁，让P 从A 点正上方某处Q 由静止释放，P 从A 点竖直向下落入轨道，最后恰好停在C 点，求：
①当P 刚滑到地面时，轨道AB 的位移大小x 1；
②Q 与A 点的高度差h 以及P 离开轨道AB 后到达C 点所用的时间t 。

【答案】（1）P 刚滑到圆弧轨道的底端B 点时所受轨道的支持力大小N 为3mg ，P 与B 点右侧地面间的动摩擦因数μ为0.5；（2）若将AB 解锁，让P 从A 点正上方某处Q 由静止释放，P 从A 点竖直向下落入轨道，最后恰好停在C 点，①当P 刚滑到地面时，轨道AB 的位移大小x 1为3R ；②Q 与A 点的高度差h 为2
R
，P 离开轨道AB 后到达C 点所用的时间t 1326R g
【解析】 【详解】
（1）滑块从A 到B 过程机械能守恒，应用机械能守恒定律得：mgR =
2
12
B mv ， 在B 点，由牛顿第二定律得：N -mg =m 2B
v R
，
解得：v B 2gR N =3mg ，
滑块在BC 上滑行过程，由动能定理得：-μmg •2R =0-2
12
B mv ， 代入数据解得：μ=0.5；
（2）①滑块与轨道组成的系统在水平方向动量守恒，以向右为正方向，由动量守恒定律得：
mv 1-2mv 2=0 m
1R x t --2
m 1x
t
=0， 解得：x 1=
3
R
； ②滑块P 离开轨道AB 时的速度大小为v B ，P 与轨道AB 组成的系统在水平方向动量守恒，以向右为正方向，由动量守恒定律得：mv B -2mv =0， 由机械能守恒定律得：mg （R +h ）=2211
222
B mv mv +⋅， 解得：h =
2
R
； P 向右运动运动的时间：t 1=
1
B
x v ， P 减速运动的时间为t 2，对滑片，由动量定理得：-μmgt 2=0-mv B ， 运动时间：t =t 1+t 2， 解得：t =
1326R
g
；
3．如图所示，物体A 置于静止在光滑水平面上的平板小车B 的左端，物体在A 的上方O 点用细线悬挂一小球C(可视为质点)，线长L ＝0.8m ．现将小球C 拉至水平无初速度释放，并在最低点与物体A 发生水平正碰，碰撞后小球C 反弹的速度为2m/s ．已知A 、B 、C 的质量分别为m A ＝4kg 、m B ＝8kg 和m C ＝1kg ，A 、B 间的动摩擦因数μ＝0.2，A 、C 碰撞时间极短，且只碰一次，取重力加速度g ＝10m/s 2.
(1)求小球C 与物体A 碰撞前瞬间受到细线的拉力大小； (2)求A 、C 碰撞后瞬间A 的速度大小；
(3)若物体A 未从小车B 上掉落，小车B 的最小长度为多少？ 【答案】(1)30 N (2)1.5 m/s (3)0.375 m 【解析】 【详解】
（1）小球下摆过程机械能守恒，由机械能守恒定律得：m 0gl 1
2
=m 0v 02 代入数据解得：v 0＝4m/s ，
对小球，由牛顿第二定律得：F﹣m0g＝m02 0
v
l
代入数据解得：F＝30N
（2）小球C与A碰撞后向左摆动的过程中机械能守恒，得：2
1
2C
mv mgh
=
所以：22100.22
C
v gh
==⨯⨯=m/s
小球与A碰撞过程系统动量守恒，以小球的初速度方向为正方向，
由动量守恒定律得：m0v0＝﹣m0v c+mv A
代入数据解得：v A＝1.5m/s
（3）物块A与木板B相互作用过程，系统动量守恒，以A的速度方向为正方向，
由动量守恒定律得：mv A＝（m+M）v
代入数据解得：v＝0.5m/s
由能量守恒定律得：μmgx
1
2
=mv A2
1
2
-（m+M）v2
代入数据解得：x＝0.375m；
4．如图所示，一质量M=4kg的小车静置于光滑水平地面上，左侧用固定在地面上的销钉挡住。

小车上表面由光滑圆弧轨道BC和水平粗糙轨道CD组成，BC与CD相切于C，圆弧BC所对圆心角θ＝37°，圆弧半径R=2.25m，滑动摩擦因数μ=0.48。

质量m=1kg的小物块从某一高度处的A点以v0＝4m/s的速度水平抛出，恰好沿切线方向自B点进入圆弧轨道，最终与小车保持相对静止。

取g＝10m/s2，sin37°=0.6，忽略空气阻力，求:
（1）A、B间的水平距离；
（2）物块通过C点时，轨道对物体的支持力；
（3）物块与小车因摩擦产生的热量。

【答案】（1）1.2m（2）25.1
N
F N
=（3）13.6J
【解析】
【详解】
（1）物块从A到B由平抛运动的规律得:
tanθ=
gt
v
x= v0t
得x=1.2m
（2）物块在B点时，由平抛运动的规律得：0
cos
B
v
v
θ
=
物块在小车上BC 段滑动过程中，由动能定理得： mgR (1－cos θ)＝
12mv C 2－1
2
mv B 2 在C 点对滑块由牛顿第二定律得 2C
N v F mg m R
-= 联立以上各式解得：25.1N F N =
（3）根据牛顿第二定律，对滑块有μmg ＝ma 1， 对小车有μmg ＝Ma 2
当滑块相对小车静止时，两者速度相等，即 v C －a 1t 1＝a 2t 1 由以上各式解得 134
6
t s =
， 此时小车的速度为v ＝a 2t 1＝
34
/m s 物块在CD 段滑动过程中由能量守恒定律得：12mv C 2＝1
2
（M ＋m ）v 2 + Q 解得：Q =13.6J
5．如图所示，水平转台上有一个质量为m 的物块，用长为2L 的轻质细绳将物块连接在转轴上，细绳与竖直转轴的夹角θ＝30°，此时细绳伸直但无张力，物块与转台间动摩擦因数为μ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力．物块随转台由静止开始缓慢加速转动，重力加速度为g ，求：
（1）当转台角速度ω1为多大时，细绳开始有张力出现； （2）当转台角速度ω2为多大时，转台对物块支持力为零； （3）转台从静止开始加速到角速度3g
L
ω=
的过程中，转台对物块做的功．
【答案】（1）1g
L
μω=（2）233g L
ω=
（3）132mgL
⎛ ⎝ 【解析】
【分析】 【详解】
（1）当最大静摩擦力不能满足所需要向心力时，细绳上开始有张力：
212sin mg m L μωθ=⋅
代入数据得
1ω=
（2）当支持力为零时，物块所需要的向心力由重力和细绳拉力的合力提供
2
2tan 2sin mg m L θωθ=⋅
代入数据得
2ω=
（3）∵32ωω>，∴物块已经离开转台在空中做圆周运动．设细绳与竖直方向夹角为α，有
23tan 2sin mg m L αωα=⋅
代入数据得
60α=︒
转台对物块做的功等于物块动能增加量与重力势能增加量的总和即
231
(2sin 60)(2cos302cos60)2
W m L mg L L ω=
⋅+-o o o 代入数据得：
1
(2
W mgL =
【点睛】
本题考查牛顿运动定律和功能关系在圆周运动中的应用，注意临界条件的分析，至绳中出现拉力时，摩擦力为最大静摩擦力；转台对物块支持力为零时，N=0，f=0．根据能量守恒
定律求转台对物块所做的功．
6．如图所示，竖直平面内有一光滑的直角细杆MON ，其中ON 水平，OM 竖直，两个小物块A 和B 分别套在OM 和ON 杆上，连接AB 的轻绳长为L =0.5m ，．现将直角杆MON 绕过OM 的轴O 1O 2缓慢地转动起来．已知A 的质量为m 1=2kg ，重力加速度g 取10m/s 2。

（1）当轻绳与OM 的夹角θ=37°时，求轻绳上张力F 。

（2）当轻绳与OM 的夹角θ=37°时，求物块B 的动能E kB 。

（3）若缓慢增大直角杆转速，使轻绳与OM 的夹角θ由37°缓慢增加到53°，求这个过程中直角杆对A 和B 做的功W A 、W B 。

【答案】（1）25N F =（2） 2.25J kB E = （3）0A W = ，B 61J 12
W = 【解析】 【详解】
（1）因A 始终处于平衡状态，所以对A 有
1cos F m g θ=
得25N F =
（2）设B 质量为2m 、速度为v 、做圆周运动的半径为r ，对B 有
2
2sin v F m r
θ=
sin r L θ= 221
2
kB E m v =
得21sin 2cos kB m gL E θ
θ
=
2.25J kB E =
（3）因杆对A 的作用力垂直于A 的位移，所以0A W =
由（2）中的21sin 2cos kB m gL E θθ
=知，当53θ=︒时，B 的动能为kB 16J 3E '
= 杆对B 做的功等于A 、B 组成的系统机械能的增量，故B kB kB 1W E E m gh '
=-+ ①
其中cos37cos53h L L ︒︒=- ② 得B 61J 12
W =
7．如图所示，半径为R 的四分之三光滑圆轨道竖直放置，CB 是竖直直径，A 点与圆心等高，有小球b 静止在轨道底部，小球a 自轨道上方某一高度处由静止释放自A 点与轨道相切进入竖直圆轨道，a 、b 小球直径相等、质量之比为3∶1，两小球在轨道底部发生弹性正碰后小球b 经过C 点水平抛出落在离C 点水平距离为22R 的地面上，重力加速度为g ，小球均可视为质点。

求
(1)小球b 碰后瞬间的速度；
(2)小球a 碰后在轨道中能上升的最大高度。

【答案】6gR 13
R 【解析】 【详解】
(1)b 小球从C 点抛出做平抛运动，有：2
122
gt R = 解得4R
t g
=
小球b 做平抛运动的水平位移：22C x v t R == 解得2C v gR = 根据机械能守恒有：
22b b b C b 11
222
m v m v m gR =+ 可知小球b 在碰后瞬间的速度：b 6v gR
(2)a 、b 两小球相碰，由动量守恒得：'a a a a b b m v m v m v =+ a 、b 两小球发生弹性碰撞，由机械能守恒得：
222111
'222
a a a a
b b m v m v m v =+
又m a ＝3m b 解得：23a b v v = 11'23
a a
b v v v == 可得：a 6'gR
v =
，小球a 在轨道内运动，不能到达圆心高度，所以小球a 不会脱离轨道，只能在轨道内来回滚动，根据机械能守恒可得：2a a a 1
'2
m v m gh = 解得：3
R h =
8．如图所示，一半径r ＝0.2 m 的1/4光滑圆弧形槽底端B 与水平传送带相接，传送带的运行速度为v 0＝4 m/s ，长为L ＝1.25 m ，滑块与传送带间的动摩擦因数μ＝0.2，DEF 为固定于竖直平面内的一段内壁光滑的中空方形细管，EF 段被弯成以O 为圆心、半径R ＝0.25 m 的一小段圆弧，管的D 端弯成与水平传带C 端平滑相接，O 点位于地面，OF 连线竖直．一质量为M ＝0.2 kg 的物块a 从圆弧顶端A 点无初速滑下，滑到传送带上后做匀加速运动，过后滑块被传送带送入管DEF ，已知a 物块可视为质点，a 横截面略小于管中空部分的横截面，重力加速度g 取10 m/s 2．求：
(1)滑块a 到达底端B 时的速度大小v B ； (2)滑块a 刚到达管顶F 点时对管壁的压力． 【答案】（1）2/B v m s = （2） 1.2N F N = 【解析】
试题分析：（1）设滑块到达B 点的速度为v B ，由机械能守恒定律，有21g 2
B M r Mv = 解得：v B =2m/s
（2）滑块在传送带上做匀加速运动，受到传送带对它的滑动摩擦力， 由牛顿第二定律μMg =Ma
滑块对地位移为L ，末速度为v C ，设滑块在传送带上一直加速 由速度位移关系式2Al=v C 2-v B 2
得v C =3m/s<4m/s ，可知滑块与传送带未达共速 ,滑块从C 至F ，由机械能守恒定律，有
221122
C F Mv MgR Mv =+ 得v F =2m/s
在F 处由牛顿第二定律2g F
N v M F M R
+=
得F N =1．2N 由牛顿第三定律得管上壁受压力为1．2N, 压力方向竖直向上 考点：机械能守恒定律；牛顿第二定律
【名师点睛】物块下滑和上滑时机械能守恒，物块在传送带上运动时，受摩擦力作用，根据运动学公式分析滑块通过传送带时的速度，注意物块在传送带上的速度分析．
9．如图所示，P 为弹射器，PA 、BC 为光滑水平面分别与传送带AB 水平相连，CD 为光滑半圆轨道，其半径R =2m ，传送带AB 长为L =6m ，并沿逆时针方向匀速转动．现有一质量m =1kg 的物体（可视为质点）由弹射器P 弹出后滑向传送带经BC 紧贴圆弧面到达D 点，已知弹射器的弹性势能全部转化为物体的动能，物体与传送带的动摩擦因数为μ=0.2．取g =10m/s 2，现要使物体刚好能经过D 点，求： （1）物体到达D 点速度大小；
（2）则弹射器初始时具有的弹性势能至少为多少．
【答案】（1）5；（2）62J 【解析】 【分析】 【详解】
（1）由题知，物体刚好能经过D 点，则有：
2D
v mg m R
=
解得：25D v gR =
=m/s
（2）物体从弹射到D 点，由动能定理得：
2
1202
D W mgL mgR mv μ--=-
p W E =
解得：p E =62J
10．如图所示，一滑板放置在光滑的水平地面上，右侧紧贴竖直墙壁，滑板由圆心为O 、半径为R 的四分之一光滑圆弧轨道和水平轨道两部分组成，且两轨道在B 点平滑连接，整个系统处于同一竖直平面内．现有一可视为质点的小物块从A 点正上方P 点处由静止释放，落到A 点的瞬间垂直于轨道方向的分速度立即变为零，之后沿圆弧轨道AB 继续下
滑，最终小物块恰好滑至轨道末端C 点处．已知滑板的质量是小物块质量的3倍，小物块滑至B 点时对轨道的压力为其重力的3倍，OA 与竖直方向的夹角为θ=60°，小物块与水平轨道间的动摩擦因数为μ=0.3，重力加速度g 取102/m s ，不考虑空气阻力作用，求：
（1）水平轨道BC 的长度L ；
（2）P 点到A 点的距离h ．
【答案】（1）2.5R （2）
23
R 【解析】
【分析】
（1）物块从A 到B 的过程中滑板静止不动，先根据物块在B 点的受力情况求解B 点的速度；滑块向左滑动时，滑板向左也滑动，根据动量守恒和能量关系列式可求解水平部分的长度；（2）从P 到A 列出能量关系；在A 点沿轨道切向方向和垂直轨道方向分解速度；根据机械能守恒列出从A 到B 的方程；联立求解h ．
【详解】
（1）在B 点时，由牛顿第二定律：2B B v N mg m R -=，其中N B =3mg ； 解得2B v gR =
从B 点向C 点滑动的过程中，系统的动量守恒，则(3)B mv m m v =+； 由能量关系可知：2211(3)22B mgL mv m m v μ=
-+ 联立解得：L=2.5R ；
（2）从P 到A 点，由机械能守恒：mgh=
12
mv A 2； 在A 点：01sin 60A A v v =， 从A 点到B 点：
202111(1cos60)22A B mv mgR mv +-= 联立解得h=23
R。