【物理】物理生活中的圆周运动专项含解析

【物理】物理生活中的圆周运动专项含解析
一、高中物理精讲专题测试生活中的圆周运动
1．如图所示，粗糙水平地面与半径为R =0.4m 的粗糙半圆轨道BCD 相连接，且在同一竖直平面内，O 是BCD 的圆心，BOD 在同一竖直线上．质量为m =1kg 的小物块在水平恒力F =15N 的作用下，从A 点由静止开始做匀加速直线运动，当小物块运动到B 点时撤去F ，小物块沿半圆轨道运动恰好能通过D 点，已知A 、B 间的距离为3m ，小物块与地面间的动摩擦因数为0.5，重力加速度g 取10m/s 2．求： （1）小物块运动到B 点时对圆轨道B 点的压力大小． （2）小物块离开D 点后落到地面上的点与D 点之间的距离
【答案】（1）160N （2）2 【解析】 【详解】
（1）小物块在水平面上从A 运动到B 过程中，根据动能定理，有： （F -μmg ）x AB =
1
2
mv B 2-0 在B 点，以物块为研究对象，根据牛顿第二定律得：
2B
v N mg m R
-=
联立解得小物块运动到B 点时轨道对物块的支持力为：N =160N
由牛顿第三定律可得，小物块运动到B 点时对圆轨道B 点的压力大小为：N ′=N =160N （2）因为小物块恰能通过D 点，所以在D 点小物块所受的重力等于向心力，即：
2D
v mg m R
=
可得：v D =2m/s
设小物块落地点距B 点之间的距离为x ，下落时间为t ，根据平抛运动的规律有： x =v D t ，
2R =
12
gt 2
解得：x =0.8m
则小物块离开D 点后落到地面上的点与D 点之间的距离20.82m l x =
=
2．如图所示，在竖直平面内有一绝缘“⊂”型杆放在水平向右的匀强电场中，其中AB 、CD 水平且足够长，光滑半圆半径为R ，质量为m 、电量为+q 的带电小球穿在杆上，从距B 点
x=5.75R 处以某初速v 0开始向左运动．已知小球运动中电量不变，小球与AB 、CD 间动摩擦因数分别为μ1=0.25、μ2=0.80，电场力Eq=3mg/4，重力加速度为g ，sin37°=0.6，cos37°=0.8．求：
（1）若小球初速度v 0=4gR ，则小球运动到半圆上B 点时受到的支持力为多大； （2）小球初速度v 0满足什么条件可以运动过C 点；
（3）若小球初速度v=4gR ，初始位置变为x=4R ，则小球在杆上静止时通过的路程为多大．
【答案】（1）5.5mg （2）04v gR >（3）()44R π+ 【解析】 【分析】 【详解】
（1）加速到B 点：221011-22
mgx qEx mv mv μ-=
- 在B 点：2
v N mg m R
-=
解得N=5.5mg
（2）在物理最高点F ：tan qE mg
α=
解得α=370；过F 点的临界条件：v F =0
从开始到F 点：2101-(sin )(cos )02
mgx qE x R mg R R mv μαα-+-+=- 解得04v gR =
可见要过C 点的条件为：04v gR >
（3）由于x=4R<5.75R ，从开始到F 点克服摩擦力、克服电场力做功均小于（2）问，到F 点时速度不为零，假设过C 点后前进x 1速度变为零，在CD 杆上由于电场力小于摩擦力，小球速度减为零后不会返回，则：
2
121101--(-)202mgx mgx qE x x mg R mv μμ--⋅=-
1s x R x π=++
解得：(44)s R π=+
3．如图所示，在竖直平面内固定有两个很靠近的同心圆形轨道，外圆ABCD 光滑，内圆的上半部分B′C′D′粗糙，下半部分B′A′D′光滑．一质量m=0.2kg 的小球从轨道的最低点A 处以初速度v 0向右运动，球的直径略小于两圆间距，球运动的轨道半径R=0.2m ，取g=10m/s 2．
（1）若要使小球始终紧贴着外圆做完整的圆周运动，初速度v 0至少为多少？ （2）若v 0=3m/s ，经过一段时间小球到达最高点，内轨道对小球的支持力F C =2N ，则小球在这段时间内克服摩擦力做的功是多少？
（3）若v 0=3.1m/s ，经过足够长的时间后，小球经过最低点A 时受到的支持力为多少？小球在整个运动过程中减少的机械能是多少？（保留三位有效数字） 【答案】（1）0v 10m/s （2）0.1J （3）6N ；0.56J 【解析】 【详解】
（1）在最高点重力恰好充当向心力
2C
mv mg R
= 从到机械能守恒
220112-22
C mgR mv mv =
解得
010m/s v =
（2）最高点
'2
-C
C mv mg F R
=
从A 到C 用动能定理
'22011-2--22
f C mgR W mv mv =
得=0.1J f W
（3）由0=3.1m/s<10m/s v 于，在上半圆周运动过程的某阶段，小球将对内圆轨道间有弹力，由于摩擦作用，机械能将减小．经足够长时间后，小球将仅在半圆轨道内做往复运动．设此时小球经过最低点的速度为A v ，受到的支持力为A F
2
12
A mgR mv =
2-A
A mv F mg R
= 得=6N A F
整个运动过程中小球减小的机械能
2
01-2
E mv mgR ∆=
得=0.56J E ∆
4．如图所示,半径为
4
l
,质量为m 的小球与两根不可伸长的轻绳a ,b 连接,两轻绳的另一端分别固定在一根竖直光滑杆的A ,B 两点上.已知A ,B 两点相距为l ,当两轻绳伸直后A 、B 两点到球心的距离均为l ,重力加速度为g ．
（1）装置静止时,求小球受到的绳子的拉力大小T ；
（2）现以竖直杆为轴转动并达到稳定（轻绳a ,b 与杆在同一竖直平面内）． ①小球恰好离开竖直杆时,竖直杆的角速度0ω多大? ②轻绳b 伸直时,竖直杆的角速度ω多大？
【答案】(1)T = (2)①ω0=②ω≥【解析】 【详解】
(1)设轻绳a 与竖直杆的夹角为α
cos α=
对小球进行受力分析得
cos mg
T α
=
解得：
15
T mg =
(2)①小球恰好离开竖直杆时，小球与竖直杆间的作用力为零。

可知小球做圆周运动的半径为
r=
4
l 2
0tan mg m r αω=
解得:
ω0=②轻绳b 刚伸直时，轻绳a 与竖直杆的夹角为60°，可知小球做圆周运动的半径为
sin60r l '=︒
2tan 60mg m r ω'︒=
解得:
ω轻绳b 伸直时，竖直杆的角速度
ω≥
5．如图所示，用绝缘细绳系带正电小球在竖直平面内运动，已知绳长为L ，重力加速度g ，小球半径不计，质量为m ，电荷q ．不加电场时，小球在最低点绳的拉力是球重的9倍。

(1)求小球在最低点时的速度大小；
(2)如果在小球通过最低点时，突然在空间产生竖直向下的匀强电场，若使小球在后面的运动中，绳出现松软状态，求电场强度可能的大小。

【答案】（1）18v gL =2）335mg mg
E q q
≤≤ 【解析】 【详解】
（1）在最低点，由向心力公式得：
2
1mv F mg L
-= 解得：18v gL =（2）果在小球通过最低点时，突然在空间产生竖直向下的匀强电场，若使小球在后面的运动中，绳出现松软状态，说明小球能通过与圆心等的水平面，但不能通过最高点。

则小球不能通过最高点， 由动能定理得：
2212112222
mg L Eq L mv mv ⋅+=
- 且
2
2
v Eq mg m L
+=
则35mg
E q
=
也不可以低于O 水平面
2
12
mv mgL EqL += 则3mg
E q
=
所以电场强度可能的大小范围为
335mg mg
E q q
≤≤
6．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2
g 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．
7．一个同学设计了一种玩具的模型如图所示，该模型由足够长的倾斜直轨道AB 与水平直轨道BC 平滑连接于B 点，水平直轨道与圆弧形轨道相切于C 点，圆弧形轨道的半径为R 、直径CD 竖直，BC =4R 。

将质量为m 的小球在AB 段某点由静止释放，整个轨道均是光滑的。

要使小球从D 点飞出并落在水平轨道上，重力加速度取g ，求：
(1)释放点至水平轨道高度的范围； (2)小球到达C 点时对轨道最大压力的大小。

【答案】52
R
≤h≤4R (2) 3mg 【解析】 【详解】
(1)小球恰能通过D 点时，释放点高度最小
mg =m 21D
v R
A 到D ，根据机械能守恒定律：mgh 1=mg 2R +2112
D mv 联立得h 152
R
小球从D 点飞出后恰好落在B 点时，释放点高度最大
2R =
212at 4R =v D2t
A 到D ，根据机械能守恒定律：mgh 2=mg 2R +2212
D mv 联立得h 2=4R
52R
h ≤4R (2)h =4R 时，C 点速度最大，压力最大 A 到C ，根据机械能守恒定律：mgh =
212
C mv 在C 点：N －mg =2C
v m R
联立得N =3mg
根据牛顿第三定律，压力大小为N ′=N =3mg
8．如图所示倾角45θ=o 的粗糙直导轨与半径0.4R m =的光滑圆(部分)导轨相切，切点为B ，O 为圆心，CE 为竖直直径，整个轨道处在竖直平面内．一质量1m kg =的小滑块从直导轨上的D 点无初速度下滑，小滑块滑上圆环导轨后恰好能从圆环导轨的最高点C 水平
飞出．已知滑块与直导轨间的动摩擦因数0.5μ=，重力加速度210/g m s =，不计空气阻力．求：
()1滑块在圆导轨最低点E 时受到的支持力大小；
()2滑块从D 到B 的运动过程中损失的机械能．(计算结果可保留根式)
【答案】(1) 60N F = (2)(
622J E =+V 【解析】 【详解】
()1滑块在C 点时由重力提供向心力，有：2
c mv mg R
= 滑块从E 点到C 点的运动过程中，由机械能守恒可知：
2211222
E C mv mg R mv =⨯+ 在E 点有：2E
mv F mg R
-=
解得：60F N =
()2滑块从B 点到E 点过程，由机械能守恒可知：()2
2111cos452
2
B
E mv mgR mv +-=o 滑块从D 点到B 点过程有：2
2B v ax =
根据牛顿第二定律知sin45cos45mg mg ma o o
μ-= 由功能关系可知，损失的机械能cos45E mg x o
V μ=⋅ 解得：(622E J =+V ． 【点睛】
该题的突破口是小滑块滑上圆环导轨后恰好能从圆环导轨的最高点C 水平飞出，由重力提供向心力．要分析清楚滑块的运动情况，抓住每个过程的物理规律．
9．
如图所示，位于竖直平面内的光滑有轨道，由一段倾斜的直轨道与之相切的圆形轨道连接而成，圆形轨道的半径为R ．一质量为m 的小物块从斜轨道上某处由静止开始下滑，然后沿圆形轨道运动．要求物块能通过圆形轨道最高点，且在该最高点与轨道间的压力不能超过5mg （g 为重力加速度）．求物块初始位置相对于圆形轨道底部的高度h 的取值范
围．
【答案】2.5R≤h≤5R 【解析】
试题分析：要求物块相对于圆轨道底部的高度，必须求出物块到达圆轨道最高点的速度，在最高点，物体做圆周运动的向心力由重力和轨道对物体的压力提供，当压力恰好为0时，h 最小；当压力最大时，h 最大．由机械能守恒定律和牛顿第二定律结合解答． 设物块在圆形轨道最高点的速度为v ，由机械能守恒得： 2122
mgh mgR mv =+
物块在最高点受的力为重力mg ，轨道的压力N F ,重力与压力的合力提供向心力，有
2
N v mg F m R
+=
物块能通过最高点的条件是0N F ≥ 由以上式得v gR ≥
联立以上各式得52
h R ≥
根据题目要求5N F mg ≤ 由以上各式得6v gR ≤由此可得5h R ≤ 所以h 的取值范围是
5
52
h R ≤≤ 点睛：物体在竖直平面内做圆周运动的过程中在最高点的最小速度必须满足重力等于向心力，这是我们解决此类问题的突破口．要知道小球做圆周运动时，由指向圆心的合力充当向心力．
10．如图所示为某种弹射小球的游戏装置，由内置弹簧发射器的光滑直管道PA 和光滑圆管道ABC 平滑相接，粗糙斜面CD 上端与管道ABC 末端相切于C 点，下端通过一段极小圆弧（图中未画出）与粗糙水平面DE 平滑连接，半径R =2.0m 的光滑半圆轨道竖直固定，其最低点E 与水平面DE 相接，F 为其最高点．每次将弹簧压缩到同一位置后释放，小球即被弹簧弹出，经过一系列运动后从F 点水平射出．己知斜面CD 与水平面DE 的长度均为L =5m ，小球与斜面及水平面间的动摩擦因数均为μ=0.2，其余阻力忽略不计，角θ=37℃，弹簧的长度、小球大小、管道直径均可忽略不计，若小球质量m =0.1kg ，则小球到达管F 时恰好与管口无挤压．求：
（1）弹簧的弹性势能大小E p ；
（2）改变小球的质量，小球通过管口F 时，管壁对小球的弹力F N 也相应变化，写出F N 随小球质量m 的变化关系式并说明的F N 方向．
【答案】（1）6.8J ；
（2）a)当m =0.1kg 时，F N 为零；
b)当0<m <0.1kg 时，N F 6.868m =-，向下；
c)当0.1kg m 0.12kg ∴≤≤，N F 68m 6.8=-，向上； d) 当m 0.12kg >时, F N 为零．
【解析】
【详解】
（1）恰好与管口无挤压，则
21v mg m R
= P-F ，由动能定理得 211
W 2mgR mg(Lcos L)mv 2--μθ+=弹
初始弹性势能
E P =W 弹
联立以上各式解得
E P =6.8J
（2）在F 点 2
N v F mg m R
+= ① P-F ，由能量守恒得： 2P 1E mg(Lcos L)2mgR mv 2
=μθ+++②
由①②得
N F 6.868m =- ③ a)由③可知当m=0.1kg 时，F N 为零；
b)当0<m<0.1kg 时，N F 6.868m =-小球经过F 点时外管壁对它有向下的弹力 c)当小球到达F 点速度恰好为零时由②可得
17m kg 0.12kg 145
=≈
则0.10.12kg m kg ≤≤
N F 68m 6.8=-
小球经过F 点时内管壁对它向上弹力 d) 当0.12kg m >时, F N 为零。