mg±F;当弹力大小F>mg时,向心力只有一解:
F+mg;当弹力F=mg时,向心力等于零。
【重难点例题启发与方法总结】
1、如图所示,质量为m=0.1kg的小球和A、B两根细绳相连,两绳固定在细杆的A、B两点,其中A绳长LA=2m,当两绳都拉直时,A、B两绳和细杆的夹角θ1=30°,θ2=45°,g=10m/s2.求:
(1)当细杆转动的角速度ω在什么范围内,A、B两绳始终张紧?
(2)当ω=3rad/s时,A、B两绳的拉力分别为多大?
[解析]
(1)当B绳恰好拉直,但TB=0时,细杆的转动角速度为ω1,
有:
TAcos30°=mg
解得:
ω1=2.4rad/s
当A绳恰好拉直,但TA=0时,细杆的转动角速度为ω2,
有:
解得:
ω2=3.15(rad/s)
要使两绳都拉紧2.4rad/s≤ω≤3.15rad/s
(2)当ω=3rad/s时,两绳都紧.
TA=0.27N, TB=1.09N
2、如图所示,倾斜放置的圆盘绕着中轴匀速转动,圆盘的倾角为37°.在距转动中心0.1m处放一小木块,小木块跟随圆盘一起转动,小木块与圆盘的动摩擦因数为0.8,木块与圆盘的最大静摩擦力与相同条件下的滑动摩擦力相同.若要保持木块不相对圆盘滑动,圆盘转动的角速度最大值约为
A.8rad/s B.2rad/s C.rad/sD.rad/s
〖解析〗木块在最低点时容易相对圆盘滑动,此时木块相对圆盘将要滑动,圆盘的角速度最大,则
μmgcos37°-mgsin37°=mω2r
ω=
=rad/s=2rad/s
所以,选项B正确.
3、如图所示,在倾角为α=300的光滑斜面上,有一根长为L=0.8m的细绳,一端固定在O点,另一端系一质量为m=0.2kg的小球,沿斜面作圆周运动,试计算:
(1)小球通过最高点A的最小速度;
(2)小球通过最高点的最小速度。
(3)若细绳的抗断拉力为Fmax=10N,小球在最低点B的最大速度是多少?
A
L
O
B
α
图26
〖解析〗
(1)小球在最低点时的等效重力为G=mgsinα
小球在最高点A速度最小。
(2)根据动能定理:
当小球在最高点速度最小时,在最低点速度一定最小
解得最低点速度的最小值是
(3)若绳子的抗断拉力为10N,根据牛顿第二定律
解得小球在最低点B的最大速度是vBM=6m/s
4、在一根长为L的不计质量的细杆中点和末端各连一质量为m的小球B和C,如图所示,杆可以在竖直平面内绕固定点A转动,将杆拉到某位置放开,末端C球摆到最低位置时,杆BC受到的拉力刚好等于C球重的2倍.求:
(g=10m/s2)
TAB
C
A
B
TBC=2mg
mg
mg
(1)C球通过最低点时的线速度;
(2)杆AB段此时受到的拉力.
[解析]
(1)C球通过最低点时,受力如图且作圆周运动
F向=TBC-mg
即2mg-mg=
得c球通过最低点时的线速度为:
vC=
(2)以最低点B球为研究对象,
其受力如图4-3-9所示,B球圆周运动的F向=TAB-mg-2mg
即TAB-3mg=,且vB=vC
得杆AB段此时受到的拉力为:
TAB=3.5mg
[点评]此题涉及到两个物体,按常规要分别研究各个物体,分别列出方程,此时还不能求解,必须还要找到两个物体联系的量再列一个方程才能求解,因而,找到两个物体物理量间的联系是解题的关键;本题中两球固定在一轻杆上,它们的角速度相同是个隐含条件.
mg
N
T
θ
5、如图所示,一个光滑的圆锥体固定在水平桌面上,其轴线沿竖直方向,母线与轴线之间的夹角为θ=30°,一条长度为L的绳(质量不计),一端的位置固定在圆锥体的顶点O处,另一端拴着一个质量为m的小物体(物体可看质点),物体以速率v绕圆锥体的轴线做水平匀速圆周运动。
⑴当v=时,求绳对物体的拉力;
⑵当v=时,求绳对物体的拉力。
解析:
设小球刚好对锥面没有压力时的速率为,则有
解得
(1)当
(2)当时,小球离开锥面,设绳与轴线夹角为,则
6、如图所示,一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面,圆锥筒固定不动,有两个质量相同的小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内作匀速圆周运动,则下列说法正确的是()
A.球A的线速度必定大于球B的线速度
B.球A的角速度必定小于球B的角速度
C.球A的运动周期必定小于球B的运动周期
D.球A对筒壁的压力必定大于球B对筒壁的压力
解析:
对小球A、B受力分析,两球的向心力都来源于重力mg和支持力的合力,其合成如图4所示,故两球的向心力
比较线速度时,选用分析得r大,v一定大,A答案正确。
比较角速度时,选用分析得r大,一定小,B答案正确。
比较周期时,选用分析得r大,T一定大,C答案不正确。
小球A和B受到的支持力都等于,D答案不正确。
【重难点关联练习巩固与方法总结】
1、汽车通过拱桥颗顶点的速度为10m/s时,车对桥的压力为车重的。
如果使汽车驶至桥顶时对桥恰无压力,则汽车的速度为( )
A、15m/s B、20m/s C、25m/s D、30m/s
2、如图所示,在匀速转动的圆盘上,沿直径方向上放置以细线相连的A、B两个小物块。
A的质量为,离轴心,B的质量为,离轴心,A、B与盘面间相互作用的摩擦力最大值为其重力的0.5倍,试求
(1)当圆盘转动的角速度为多少时,细线上开始出现张力?
(2)欲使A、B与盘面间不发生相对滑动,则圆盘转动的最大角速度为多大?
()
解析:
(1)较小时,A、B均由静摩擦力充当向心力,增大,可知,它们受到的静摩擦力也增大,而,所以A受到的静摩擦力先达到最大值。
再增大,AB间绳子开始受到拉力。
由,得:
(2)达到后,再增加,B增大的向心力靠增加拉力及摩擦力共同来提供,A增大的向心力靠增加拉力来提供,由于A增大的向心力超过B增加的向心力,再增加,B所受摩擦力逐渐减小,直到为零,如再增加,B所受的摩擦力就反向,直到达最大静摩擦力。
如再增加,就不能维持匀速圆周运动了,A、B就在圆盘上滑动起来。
设此时角速度为,绳中张力为,对A、B受力分析:
对A有对B有
联立解得:
3、一内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管半径大得多)。
在圆管中有两个直径与细管内径相同的小球(可视为质点)。
A球的质量m1,B球的质量为m2,它们沿环形管顺时针运动,经过最低点时的速度都为v0,设A球运动到最低点,B球恰好运动到最高点。
若要此时两球作用于圆管的合力为零,那么m1、m2、R与v0应满足的关系式是______。
4、如图39-3所示,物体P用两根长度相等、不可伸长的细线系于竖直杆上,它们随杆转动,若转动角速度为ω,则[ABC]
A.ω只有超过某一值时,绳子AP才有拉力
B.绳子BP的拉力随ω的增大而增大
C.绳子BP的张力一定大于绳子AP的张力
D.当ω增大到一定程度时,绳AP的张力大于BP的张力
5、如图2所示,在匀速转动的水平圆盘上,沿半径方向放着用细线连接的质量相等的两物体A和B,它们与盘间的摩擦因数相同.当圆盘转速加快到两物体刚好还未发生滑动时,烧断细线,则两物体的运动情况将是【】
A.两物体均沿切线方向滑动
B.两物体均沿半径方向滑动,离圆盘圆心越来越远
C.两物体仍随圆盘一起做匀速圆周运动,不会发生滑动
D.物体A仍随圆盘一起做匀速圆周运动,不会发生滑动;
物体B发生滑动,沿一条曲线向外运动,离圆盘圆心越来越远
6、半径为R的光滑半圆球固定在水平面上,如图所示.顶部有一小物体甲,今给它一个水平初速度v0=,物体甲将
A.沿球面下滑至M点
B.先沿球面下滑至某点N,然后便离开球面做斜下抛运动
C.按半径大于R的新的圆弧轨道做圆周运动
D.立即离开半圆球做平抛运动
7、长度为0.5m的轻质细杆OA,A端有一质量为3kg的木球,以O点为圆心,在竖直面内作圆周运动,如图所示,小球通过最高点的速度为2m/s,取g=10m/s2,则此时球对轻杆的力大小是 ,方向向 。
8、如图所示,木板B托着木块A在竖直平面内作匀速圆周运动,从与圆心相平的位置a运动到最高点b的过程中()
A、B对A的支持力越来越大
B、B对A的支持力越来越小
C、B对A的摩擦力越来越大
D、B对A的摩擦力越来越小
9、如图所示,两根长度相同的细绳,连接着相同的两个小球让它们在光滑的水平面内做匀速圆周运动,其中O为圆心,两段绳子在同一直线上,此时,两段绳子受到的拉力之比T1∶T2为()
A、1∶1B、2∶1
C、3∶2D、3∶1
10、如图所示,小球M与穿过光滑水平板中央的小孔O的轻绳相连,用手拉着绳的另一端使M在水平板上作半径为a,角速度为ω1的匀速圆周运动,求:
(1)此时M的速率.
(2)若将绳子突然放松一段,小球运动t时间后又拉直,此后球绕O作半径为b的匀速圆周运动,求绳由放松到拉直的时间t.
A
B
11、一内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管的半径大得多),在圆管中有两个直径与细管内径相同的小球(可视为质点),A球的质量为m1,B球的质量为m2,它们沿环形圆管顺时针运动,经过最低点时的速度都是v0,设A球运动到最低点时,B球恰好运动到最高点,若要此时两球作用于圆管的合力为零,那么m1,m2,R与v0应满足的关系。
【课后强化巩固练习与方法总结】
1、火车转弯做圆周运动,如果外轨和内轨一样高,火车能匀速通过弯道做圆周运动,下列说法中正确的是()
A.火车通过弯道向心力的来源是外轨的水平弹力,所以外轨容易磨损
B.火车通过弯道向心力的来源是内轨的水平弹力,所以内轨容易磨损
C.火车通过弯道向心力的来源是火车的重力,所以内外轨道均不磨损
D.以上三种说法都是错误的
2、冰面对溜冰运动员的最大摩擦力为运动员重力的k倍,在水平冰面上沿半径为R的圆周滑行的运动员,若依靠摩擦力充当向心力,其安全速度为()
3、如图所示,光滑的水平圆盘中心O处有一个小孔,用细绳穿过小孔,绳两端各系一个小球A和B,两球质量相等,圆盘上的A球做半径为r=20cm的匀速圆周运动,要使B球保持静止状态,求A球的角速度ω应是多大
A
B
O
10