高一物理向心力的应用,离心现象基础练习题(带参考答案)

图2

一、学习要点

1、知道在变速圆周运动中，可用公式求质点在某一点的向心力和向心加速度；

2、会根据向心力和牛顿第二定律的知识分析和讨论与圆周运动相关的物理现象；

3、知道什么是离心现象，知道物体做离心运动的条件；

4、知道离心运动的应用和危害及其防止。 二、学习内容

（一）水平面内的圆周运动 1．汽车转弯模型

（1）汽车在水平路面上转弯

汽车在水平路面转弯时，通常受重力mg 、支持力N 、牵引力F 、阻力f 阻，此外还 受到沿弯道圆心方向的静摩擦力f ，向心力由____________提供。设汽车的速度大小为

v ，质量为m ，弯道半径为R ，汽车与路面间的最大静摩擦力为f max ，则由牛顿第二定律有下式：2

max v f m f R

=＜。

问题1：汽车在水平路面转弯时的向心力是由滑动摩擦力提供的吗？

例1．汽车与路面的动摩擦因数为μ，公路某转弯处半径为R （设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）问：若路面水平，汽车转弯不发生

侧滑，汽车最大速度应为多少？

练习1．汽车甲和汽车乙质量相等，以相等的速率沿同一水平弯道做匀速圆周运动，甲车在乙车的外侧。两车沿半径方向受到的摩

擦力分别为f 甲和f 乙。以下说法正确的是（ ） A ．f 甲小于f 乙 B ．f 甲等于f 乙

C ．f 甲大于f 乙

D ．f 甲和f 乙大小均与汽车速率无关

点评：汽车转弯时速度不能过大。速度过大，转弯时所需要的向心力大，容易超出汽车与路面间的最大静摩擦力而产生侧滑，从而导

致汽车翻倒。

（2）汽车在倾斜路面上转弯

汽车在内低外高的倾斜路面转弯时，若无侧向摩擦力时，由___________和________ 的合力提供汽车转弯的向心力。

问题2：汽车在倾斜路面转弯时的向心力是由静摩擦力提供的吗？

例2：如图1所示，在高速公路的拐弯处，路面筑得外高内低，即当车向左拐弯时，司机右侧的路面比左侧的要高一些，路面与水平面

间的夹角为θ。设拐弯路段是半径为R 的圆弧，要使车速为v 时车轮与路面之间的横向（即垂直于前进方向）摩擦力等于0，θ应等于（ ）

A ．2

sin v gR θ=

B ．2

tan v gR θ=

C ．2

cos v gR

θ=

D ．2

cot v gR

θ=

练习2．有一种杂技表演叫“飞车走壁”。由杂技演员驾驶摩托车沿圆台形表演台的侧壁，做匀速圆周运动。图2中粗线圆表示摩

托车的行驶轨迹，轨迹离地面的高度为h 。下列说法中正确的是（ ） A ．h 越高，摩托车对侧壁的压力将越大 B ．h 越高，摩托车做圆周运动的向心力将越大 C ．h 越高，摩托车做圆周运动的周期将越小 D ．h 越高，摩托车做圆周运动的线速度将越大

θ

图1

高一物理讲义

第五章向心力应用、离心现象

图3

图6

N

mg

mg

N

图7

点评：汽车在倾斜的路面转弯时，若汽车的速度刚好满足2

tan v gR

θ=时，汽车与路面间没有侧向的摩擦力，从而增加了转弯的安全系

数。

2．火车转弯问题

为了防止火车拐弯时造成事故，火车的内外轨道设计如图3所示， 在转弯处使外轨略高于内轨，火车驶过转弯处时，由____________和 ____________的合力提供火车转弯的向心力。

设轨道面与水平方向的夹角为θ，火车转弯的半径为R ，火车转

弯的规定速度为v 0，由牛顿第二定律得：20

tan v mg m R

θ=

问题3．火车转弯时为何要把路面设计成倾斜状况？

例3．（多选题）为了适应国民经济的发展需要，从2007年4月18日起，我国铁路正式实施第六次提速。火车转弯可以看做是匀速圆

周运动，火车速度提高易使外轨受损，为解决火车高速转弯时使外轨受损这一难题，你认为理论上可行的措施是（ ） A ．仅减小弯道半径

B ．仅增大弯道半径

C ．仅适当减小内、外轨的高度差

D ．仅适当增加内、外轨的高度差

练习3．在高速公路的拐弯处，通常路面都是外高内低。如图4所示，在某路段汽车向左拐弯，司机左侧的路面比右侧的路面低一些。汽车的运动可看作是做半径为R 的圆周运动。如图5所示，设内外路面高度差为h ，路基的水平宽度为d ，路面的宽度为L 。已知重力加速度为g 。要使车轮与路面之间的横向摩擦力（即垂直于前进方向）等于零，则汽车转弯时的车速应等于（ ）

A ．L

gRh

B ．

d

gRh

C ．h gRL

D ．h

gRd

点评：当火车行驶的速率v ＞v 0时，所需要的向心力超过重力和支持力的合力，由外轨对外轮产生沿路面向内的弹力（侧压力）补充向

心力；当v ＜v 0时，所需要的向心力小于重力和支持力的合力，由内轨对内轮产生沿路面向外的弹力（侧压力）抵消多余的力。

（二）竖直面内的圆周运动 1．汽车过桥模型（凸桥或凹桥）

汽车过桥时的向心力由重力mg 及桥面对汽车的 支持力N 决定，设汽车的速度大小为v ，质量为m ， 桥的半径为R ，对凹桥（如图6）由牛顿第二定律可 列出表达式： 对凸桥（如图7）由牛顿第二定律可列出表达式：

问题4：汽车过凸桥或凹桥时，向心力由哪些力提供？

例4．游客乘坐过山车，在圆弧轨道最低点处获得的向心加速度达到20 m/s 2，g 取10 m/s 2，那么此位置座椅对游客的作用力相当于游

客重力的（ ） A ．1倍

B ．2倍

C ．3

倍

D ．4倍

练习4．建造在公路上的桥梁大多是凸形桥，较少是水平桥，凹形桥就更少了，以下就原因的分析错误的是（ ）

A ．凸形桥比凹形桥更加美观

B ．凸形桥结构可以更好的将桥面的压力分散到桥墩上，有利桥体结构的稳定

C ．车辆以同样速度通过凹形桥时对桥面的压力要比水平或凸形桥的压力大，故凹形桥更易损坏

D ．凸形桥结构增大了桥下的通行空间，方便桥下通行

点评：汽车过凸桥或凹桥时所需要的向心力由重力与支持力的合力提供。 2．轻绳拉小球圆周运动

细绳拴着小球在竖直平面内圆周运动时，通常我们只研究小球通过最低点或最高点的受力及运动问题。小球在这两点圆周运动的向心力由重力及绳的拉力的合力提供。

问题5：细绳拴着小球在竖直平面内圆周运动时，小球通过最高点时的速度可以为零吗？ h

d L

图4

图5