高中物理生活中的圆周运动试题类型及其解题技巧及解析

高中物理生活中的圆周运动试题类型及其解题技巧及解析

一、高中物理精讲专题测试生活中的圆周运动

1．如图所示，水平桌面上有一轻弹簧，左端固定在A 点，自然状态时其右端位于B 点．D 点位于水平桌面最右端，水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP ，其形状为半径R ＝0.45m 的圆环剪去左上角127°的圆弧，MN 为其竖直直径，P 点到桌面的竖直距离为R ，P 点到桌面右侧边缘的水平距离为1.5R ．若用质量m 1＝0.4kg 的物块将弹簧缓慢压缩到C 点，释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B 点，用同种材料、质量为m 2＝0.2kg 的物块将弹簧缓慢压缩到C 点释放，物块过B 点后其位移与时间的关系为x ＝4t ﹣2t 2，物块从D 点飞离桌面后恰好由P 点沿切线落入圆轨道．g ＝10m/s 2，求：

（1）质量为m 2的物块在D 点的速度；

（2）判断质量为m 2＝0.2kg 的物块能否沿圆轨道到达M 点：

（3）质量为m 2＝0.2kg 的物块释放后在桌面上运动的过程中克服摩擦力做的功. 【答案】（1）2.25m/s （2）不能沿圆轨道到达M 点 （3）2.7J 【解析】 【详解】

（1）设物块由D 点以初速度v D 做平抛运动，落到P 点时其竖直方向分速度为：

v y 22100.45gR =⨯⨯m/s ＝3m/s

y D

v v =tan53°43

=

所以：v D ＝2.25m/s

（2）物块在内轨道做圆周运动，在最高点有临界速度，则

mg ＝m 2

v R

，

解得：v 32

2

gR =

=

m/s 物块到达P 的速度：

22

223 2.25P D y v v v =+=+＝3.75m/s

若物块能沿圆弧轨道到达M 点，其速度为v M ，由D 到M 的机械能守恒定律得：

()22

222111cos5322

M P m v m v m g R =-⋅+︒ 可得：2

0.3375M v =-，这显然是不可能的，所以物块不能到达M 点

（3）由题意知x ＝4t -2t 2，物块在桌面上过B 点后初速度v B ＝4m/s ，加速度为：

24m/s a =

则物块和桌面的摩擦力：22m g m a μ= 可得物块和桌面的摩擦系数: 0.4μ=

质量m 1＝0.4kg 的物块将弹簧缓慢压缩到C 点，释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B 点，由能量守恒可弹簧压缩到C 点具有的弹性势能为：

p 10BC E m gx μ-=

质量为m 2＝0.2kg 的物块将弹簧缓慢压缩到C 点释放，物块过B 点时，由动能定理可得：

2p 221

2

BC B E m gx m v μ-=

可得，2m BC x = 在这过程中摩擦力做功：

12 1.6J BC W m gx μ=-=-

由动能定理，B 到D 的过程中摩擦力做的功：

W 2222201122

D m v m v =

- 代入数据可得：W 2＝-1.1J

质量为m 2＝0.2kg 的物块释放后在桌面上运动的过程中摩擦力做的功

12 2.7J W W W =+=-

即克服摩擦力做功为2.7 J .

2．如图所示，光滑轨道CDEF 是一“过山车”的简化模型，最低点D 处入、出口不重合，

E 点是半径为0.32R m =的竖直圆轨道的最高点，D

F 部分水平，末端F 点与其右侧的水

平传送带平滑连接，传送带以速率v=1m/s 逆时针匀速转动，水平部分长度L=1m ．物块B 静止在水平面的最右端F 处．质量为1A m kg =的物块A 从轨道上某点由静止释放，恰好通过竖直圆轨道最高点E ，然后与B 发生碰撞并粘在一起．若B 的质量是A 的k 倍，A B 、与传送带的动摩擦因数都为0.2μ=，物块均可视为质点，物块A 与物块B 的碰撞时间极短，取2

10/g m s =．求：

（1）当3k =时物块A B 、碰撞过程中产生的内能； （2）当k=3时物块A B 、在传送带上向右滑行的最远距离；

（3）讨论k 在不同数值范围时，A B 、碰撞后传送带对它们所做的功W 的表达式．

【答案】（1）6J （2）0.25m （3）①()21W k J =-+②()

2215

21k k W k +-=+

【解析】

（1）设物块A 在E 的速度为0v ，由牛顿第二定律得：20

A A v m g m R

=①，

设碰撞前A 的速度为1v ．由机械能守恒定律得：220111222

A A A m gR m v m v +=②， 联立并代入数据解得：14/v m s =③；

设碰撞后A 、B 速度为2v ，且设向右为正方向，由动量守恒定律得

()122A A m v m m v =+④；

解得：211

41/13

A A

B m v v m s m m =

=⨯=++⑤；

由能量转化与守恒定律可得：()22

121122

A A

B Q m v m m v =-+⑥，代入数据解得Q=6J ⑦； （2）设物块AB 在传送带上向右滑行的最远距离为s ，

由动能定理得：()()221

2

A B A B m m gs m m v μ-+=-+⑧，代入数据解得0.25s m =⑨； （3）由④式可知：214

/1A A B m v v m s m m k

=

=++⑩；

（i ）如果A 、B 能从传送带右侧离开，必须满足()()2

21

2

A B A B m m v m m gL μ+>+，

解得：k ＜1，传送带对它们所做的功为：()()21J A B W m m gL k μ=-+=-+； （ii ）（I ）当2v v ≤时有：3k ≥，即AB 返回到传送带左端时速度仍为2v ； 由动能定理可知，这个过程传送带对AB 所做的功为：W=0J ，

（II ）当0k ≤<3时，AB 沿传送带向右减速到速度为零，再向左加速， 当速度与传送带速度相等时与传送带一起匀速运动到传送带的左侧． 在这个过程中传送带对AB 所做的功为()()22211

22

A B A B W m m v m m v =

+-+， 解得()

2215

21k k W k +-=

+； 【点睛】本题考查了动量守恒定律的应用，分析清楚物体的运动过程是解题的前提与关键，应用牛顿第二定律、动量守恒定律、动能定理即可解题；解题时注意讨论，否则会漏解．A 恰好通过最高点E ，由牛顿第二定律求出A 通过E 时的速度，由机械能守恒定律求出A 与B 碰撞前的速度，A 、B 碰撞过程系统动量守恒，应用动量守恒定律与能量守恒定律求出碰撞过程产生的内能，应用动能定理求出向右滑行的最大距离．根据A 、B 速度与传送带速度间的关系分析AB 的运动过程，根据运动过程应用动能定理求出传送带所做的功．