(物理)物理生活中的圆周运动练习题20篇

（物理）物理生活中的圆周运动练习题20篇
一、高中物理精讲专题测试生活中的圆周运动
1．水平面上有一竖直放置长H ＝1.3m 的杆PO ，一长L ＝0.9m 的轻细绳两端系在杆上P 、Q 两点，PQ 间距离为d ＝0.3m ，一质量为m ＝1.0kg 的小环套在绳上。

杆静止时，小环靠在杆上，细绳方向竖直；当杆绕竖直轴以角速度ω旋转时，如图所示，小环与Q 点等高，细绳恰好被绷断。

重力加速度g ＝10m ／s 2，忽略一切摩擦。

求：
（1）杆静止时细绳受到的拉力大小T ； （2）细绳断裂时杆旋转的角速度大小ω； （3）小环着地点与O 点的距离D 。

【答案】（1）5N （2）53/rad s （3）1.6m 【解析】 【详解】
（1）杆静止时环受力平衡，有2T ＝mg 得：T ＝5N
（2）绳断裂前瞬间，环与Q 点间距离为r ，有r 2＋d 2＝（L －r ）2 环到两系点连线的夹角为θ，有d sin L r θ=-，r
cos L r
θ=- 绳的弹力为T 1，有T 1sinθ＝mg T 1cosθ＋T 1＝m ω2r 得53/rad s ω=
（3）绳断裂后，环做平抛运动，水平方向s ＝vt
竖直方向：2
12
H d gt -=
环做平抛的初速度：v ＝ωr
小环着地点与杆的距离：D 2＝r 2＋s 2 得D ＝1.6m 【点睛】
本题主要是考查平抛运动和向心力的知识，解答本题的关键是掌握向心力的计算公式，能清楚向心力的来源即可。

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 -2m 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 ）=221
1
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．游乐场正在设计一个全新的过山车项目，设计模型如图所示，AB 是一段光滑的半径为R 的四分之一圆弧轨道，后接一个竖直光滑圆轨道，从圆轨道滑下后进入一段长度为L 的粗糙水平直轨道BD ，最后滑上半径为R 圆心角0
60θ=的光滑圆弧轨道DE ．现将质量为m 的滑块从A 点静止释放，通过安装在竖直圆轨道最高点C 点处的传感器测出滑块对轨道压力为mg ，求：
（1）竖直圆轨道的半径r ．
（2）滑块在竖直光滑圆弧轨道最低点B 时对轨道的压力．
（3）若要求滑块能滑上DE 圆弧轨道并最终停在平直轨道上（不再进入竖直圆轨道），平直轨道BD 的动摩擦因数μ需满足的条件． 【答案】（1）3
R （2）7mg （3）2R R
L L μ<≤ 【解析】
(1) 对滑块，从A 到C 的过程，由机械能守恒可得：
2
1(2)2
C mg R r mv -=
22C
v mg m r
=
解得：3
R r =
； (2) 对滑块，从A 到B 的过程，由机械能守恒可得：
212
B mgR mv =
在B 点，有：
2B
v N mg m r
-=
可得：滑块在B 点受到的支持力 N=7mg ；
由牛顿第三定律可得，滑块在B 点对轨道的压力
7N N mg '==，方向竖直向下；
(3) 若滑块恰好停在D 点，从B 到D 的过程，由动能定理可得：
2
112
B mgL mv μ-=-
可得：1R L
μ=
若滑块恰好不会从E 点飞出轨道，从B 到E 的过程，由动能定理可得：
2
21(1cos )2
B mgL mgR mv μθ---=-
可得：
22R L
μ=
若滑块恰好滑回并停在B 点，对于这个过程，由动能定理可得：
2
31·22
B mg L mv μ-=-
综上所述，μ需满足的条件：
2R R L L
μ<<．
4．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B v =
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)22
B 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=
1
2
mv A 2； 在A 点：0
1sin 60A A v v =，
从A 点到B 点：202111(1cos60)22
A B mv mgR mv +-= 联立解得h=
23
R
5．如图所示，在竖直平面内有一“∞”管道装置，它是由两个完全相同的圆弧管道和两直管道组成。

直管道和圆弧管道分别相切于1A 、2A 、1B 、2B ，1D 、2D 分别是两圆弧管道的最高点，1C 、2C 分别是两圆弧管道的最低点，1C 、2C 固定在同一水平地面上。

两直管道略微错开，其中圆弧管道光滑，直管道粗糙，管道的粗细可忽略。

圆弧管道的半径均为R ，111111222222B O D AO C B O D A O C α∠=∠=∠=∠=。

一质量为m 的小物块以水平向左的速度0v 从1C 点出发沿管道运动，小物块与直管道间的动摩擦因数为μ。

设
012/v m s =，m=1kg ，R=1.5m ，0.5μ=，37α=︒（sin37°=0.6，cos37°=0.8）。

求：
（1）小物块从1C 点出发时对管道的作用力； （2）小物块第一次经过2C 点时的速度大小； （3）小物块在直管道12B A 上经过的总路程。

【答案】（1）106N ，方向向下（2）7（3）534
m 【解析】 【详解】
(1)物块在C 1点做圆周运动，由牛顿第二定律有：
20
v N mg m R
-=
可得：20
106N v N mg m R
=+=
由牛顿第三定律可知，小物块对管道的作用力大小为106N ，方向向下 (2)由几何知识易有：21122cos 4m sin R l A B A B α
α
===
= 从C 1到C 2由动能定理可得：22
2011cos 22
mgl mv mv μα-=
- 可得：2
202cos 47m /s v v gl μα=-=
(3)以C 1C 2水平线作为重力势能的参考平面，则小物块越过D 1、D 2点时的机械能需满足：
0230J E E mgR >==
由于直管道的摩擦，物块每完整经历直管道一次，机械能的减少量满足：
cos 16J f E W mgl μα∆===
设n 为从第一次经过D 1后，翻越D 1和D 2的总次数，则有：
2
0012
mv n E E -∆>， ()2
001-12
mv n E E +∆< 可得：n =2，表明小物块在第二次经过D 1后就到不了D 2，之后在D 1B 1A 2C 2D 2之间往复运动直至稳定，最后在A 2及C 2右侧与A 2等高处之间往复稳定运动。

由开始到稳定运动到达A 2点，由动能定理有：
()2
01cos 1cos 02
mgs mgR mv μαα---=-
可得：s=
694
m 故在B 1A 2直管道上经过的路程为s'=s －l =
534
m
6．某同学设计出如图所示实验装置，将一质量为0.2kg 的小球（可视为质点）放置于水平弹射器内，压缩弹簧并锁定，此时小球恰好在弹射口，弹射口与水平面AB 相切于A 点．AB 为粗糙水平面，小球与水平面间动摩擦因数μ＝0.5，弹射器可沿水平方向左右移动；BC 为一段光滑圆弧轨道．O /为圆心，半径R ＝0.5m ，O /C 与O /B 之间夹角为θ＝37°．以C 为原点，在C 的右侧空间建立竖直平面内的直角坐标系xOy ，在该平面内有一水平放置开口向左且直径稍大于小球的接收器D ．（sin37°=0.6，cos37°=0.8，g 取10m/s 2）
（1）某次实验中该同学使弹射口距离B 处L 1＝1.6m 处固定，解开锁定释放小球，小球刚好到达C 处，求弹射器释放的弹性势能？
（2）求上一问中，小球到达圆弧轨道的B 点时对轨道的压力？
（3）把小球放回弹射器原处并锁定，将弹射器水平向右移动至离B 处L 2＝0.8m 处固定弹射器并解开锁定释放小球，小球将从C 处射出，恰好水平进入接收器D ，求D 处坐标？
【答案】(1)1.8J(2)2.8N(3) （0.144，0.384） 【解析】 【详解】
（1）从A 到C 的过程中，由定能定理得：
W 弹-μmgL 1-mgR （1-c osθ）=0
解得：
W 弹=1.8J ．
根据能量守恒定律得：
E P =W 弹=1.8J ；
（2）从B 到C 由动能定理：
021(1cos37)2
B mgR mv -=
在B 点由牛顿第二定律：
2B
NB v F mg m R
-=
带入数据联立解得：
F NB =2.8N
（3）小球从C 处飞出后，由动能定理得：
W 弹-μmgL 2-mgR （1-cosθ）=
1
2
mv C 2-0， 解得：
v C =22m/s
方向与水平方向成37°角，
由于小球刚好被D 接收，其在空中的运动可看成从D 点平抛运动的逆过程，
v Cx =v C cos37°=
82
m/s v Cy =v C sin37°=
62
5
m/s ， 由v Cy =gt 解得
t =0.122s
则D 点的坐标：
x =v Cx t y =
1
2
v Cy t ， 解得：
x =0.144m ，y =0.384m
即D 处坐标为：（0.144m ，0.384m ）． 【点睛】
本题考查了动能定理的应用，小球的运动过程较复杂，分析清楚小球的运动过程是解题的前提与关键，分析清楚小球的运动过程后，应用动能定理、平抛运动规律可以解题．
7．如图所示，用两根长度均为l 的细线将质量为m 的小球悬挂在水平的天花板下面，轻绳与天花板的夹角为θ．将细线BO 剪断，小球由静止开始运动．不计空气阻力，重力加速度为g ．求：
（1）剪断细线前OB 对小球拉力的大小； （2）剪断细线后小球从开始运动到第一次
摆到最高点的位移大小；
（3）改变B 点位置，剪断BO 后小球运动到最低点时细线OA 的拉力F 2与未剪断前细线的拉力F 1之比
2
1
F F 的最大值． 【答案】（1
）2sin mg F θ
= （2）2cos x l θ= （3） 21max 94F F = 【解析】 （1）1
sin 2
F mg θ= 得2sin mg
F θ
=
（2）小球运动到左侧最高点时绳与天花板夹角为α mglsin α=mglsin θ 得α=θ X=2lcos θ
（3）小球运动到最低点时速度为v
2
1(1sin )2
mgl mv θ-=
2
2v F mg m l
-=
F 1=F
得： 22
1
6sin 4sin F F θθ=- 当3sin 4θ=
时可得 21max
9 =4F F
8．如图所示，在圆柱形屋顶中心天花板O 点，挂一根L =3 m 的细绳，绳的下端挂一个质量
m 为0.5 kg 的小球，已知绳能承受的最大拉力为10 N.小球在水平面内做圆周运动，当速
度逐渐增大到绳断裂后，小球以v =9m/s 的速度落在墙边.
求这个圆柱形房屋的高度H 和半径R .（g 取10 m/s 2）
【答案】3.3m 4.8m 【解析】
整体分析：设绳与竖直方向夹角为θ，则通过重力与拉力的关系求出夹角θ，小球在绳子断开后做平抛运动，根据竖直方向做自由落体运动求出下落的高度，根据几何关系即可求得H ，根据向心力公式求出绳断时的速度，进而求出水平位移，再根据几何关系可求R ． （1）如图所示，选小球为研究对象，设绳刚要断裂时细绳的拉力大小为T ，绳 与竖直方向夹角为θ，则在竖直方向有：T cos θ-mg =0，
解得：0.5101
cos 102
mg T θ⨯=
== ，故θ=60° 那么球做圆周运动的半径为：0333
sin 603r L m m ==⨯= OO ′间的距离为：OO ′=Lcos 60°=1.5m ， 则O′O ″间的距离为O′O″=H -OO =H -1.5m ．
根据牛顿第二定律： 2
sin A
v T m r
θ= 联立以上并代入数据解得：35/A v m s =
设在A 点绳断，细绳断裂后小球做平抛运动，落在墙边C 处． 设A 点在地面上的投影为B ，如图所示．
由速度运动的合成可知落地速度为：v 2=v A 2+（gt ）2， 代入数据可得小球平抛运动的时间：t =0.6s
由平抛运动的规律可知小球在竖直方向上的位移为：22111
100.6 1.822
h gt m ==⨯⨯= 所以屋的高度为H =h 1+1.5m=3.3m
小球在水平方向上的位移为：95
350.6BC A x v t m === 由图可知，圆柱形屋的半径为R 2=r 2+(x BC )2 代入数据解得：R =4.8m
点睛：本题主要考查了平抛运动的基本公式及向心力公式的应用，同学们要理清运动过程，并能画出小球运动的轨迹，尤其是落地时水平位移与两个半径间的关系，在结合几何
关系即可解题．
9．如图所示，AB 是倾角为θ的粗糙直轨道，BCD 是光滑的圆弧轨道，AB 恰好在B 点与圆弧相切，圆弧的半径为R ．一个质量为m 的物体（可以看作质点）从直轨道上与圆弧的圆心O 等高的P 点由静止释放，结果它能在两轨道间做往返运动．已知物体与轨道AB 间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g ．试求：
（1）物体释放后，第一次到达B 处的速度大小，并求出物体做往返运动的整个过程中在AB 轨道上通过的总路程s ；
（2）最终当物体通过圆弧轨道最低点E 时，对圆弧轨道的压力的大小；
（3）为使物体能顺利到达圆弧轨道的最高点D （E 、O 、D 为同一条竖直直径上的3个点），释放点距B 点的距离L 应满足什么条件．
【答案】（1）2(sin cos )tan B gR v θμθθ
-=；
R
L μ= （2）(32cos )N F mg θ=-； （3）(32cos )2(sin cos )
R
L θθμθ+-…
【解析】 【分析】 【详解】
（1）设物体释放后，第一次到达B 处的速度为1v ，根据动能定理可知：
2
1cos 1cos cos sin 2
R mgR mg mv θθμθ
θ-= 解得：
2(sin cos )
tan B gR v θμθθ
-=
物体每完成一次往返运动，在AB 斜面上能上升的高度都减少一些，最终当它达B 点时，速度变为零，对物体从P 到B 全过程用动能定理，有
cos cos 0mgR mgL θμθ-=
得物体在AB 轨道上通过的总路程为
R
L μ
=
（2）最终物体以B 为最高点在圆弧轨道底部做往返运动，设物体从B 运动到E 时速度为
2v v ，由动能定理知：
221(1cos )2
v mgR m θ-=
在E 点，由牛顿第二定律有
22
N mv F mg R
-= 解得物体受到的支持力
(32cos )N F mg θ=-
根据牛顿第三定律，物体对轨道的压力大小为(32cos )N N F F mg θ'
==-，方向竖直向
下．
（3）设物体刚好到达D 点时的速度为D v 此时有
2D
mv mg R
= 解得：
D v =设物体恰好通过D 点时释放点距B 点的距离为0L ，有动能定理可知：
2
001[sin (1cos )]cos 2
D mg L R mg L mv θθμθ-+-=
联立解得：
0(32cos )2(sin cos )
R
L θθμθ+=
-
则：
(32cos )2(sin cos )
R L θθμθ+-…
答案：（1）B v =；
R
L μ= （2）(32cos )N F mg θ=-； （3）(32cos )2(sin cos )R
L θθμθ+-…
10．如图所示,一个可视为质点,质量2m kg =的木块从P 点以初速度05/v m s =向右运动,木块与水平面间的动摩擦因数为0.2,木块运动到M 点后水平抛出,恰好沿竖直的粗糙圆弧AB 的A 点的切线方向进入圆弧(不计空气阻力)。

已知圆弧的半径0.5R m =,半径OA 与竖直半径OB 间的夹角53θ︒=,木块到达A 点时的速度大小5/A v m s =。

已知
sin 530.8cos530.6︒︒==
,210/.g m s =求：
（1）P 到M 的距离L ； （2）M 、A 间的距离s ；
（3）若木块到达圆弧底端B 点时速度大小5/B v m s =,求此时木块对轨道的压力。

【答案】（1）4m ；（2）213
m 5
；（3）120N 、方向竖直向下； 【解析】 【详解】
（1）平抛的初速度，即为木块在M 点的速度为：
v x =v A cosθ=5×0.6=3m/s
P 到M 由牛顿第二定律：
μmg=ma ， a=μg =2m/s 2
由运动学公式知：
220
3355
m 4m 22
2x v v L a
-⨯-⨯=
=
-⨯-＝
（2）物体到达A 点时竖直方向上的速度为
v y =v •sinθ=5×0.8=4m/s
则下落时间为
4
0.4s 10
y v t g
＝
＝
＝ 则水平位移为
x =v x t =3×0.4=1.2m
竖直方向上的距离为
244
0.8m 220
m y
v y g
⨯=
＝
＝ M 、A 间的距离
2213
m 5
s x y +＝＝
（3）由牛顿第二定律：
2B
v N mg m
R
-＝
得
225
2102N=120N 0.5
B v N mg m R =+=⨯+⨯
根据牛顿第三定律可知，此时木块对轨道的压力为120N 、方向竖直向下；。