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A. 物体除受其他的力外还要受到一个向心力的作用
B. 物体所受的合外力提供向心力
C. 向心力是一个恒力
D. 向心力的大小一直在变化
2. 关于匀速圆周运动中,向心加速度a、线速度v、角速度ω、转速n以及半径r之间的关系,下列说法正确的是( )
A. 由a=■可知,a与r成反比
B. 由a=rω2可知,a与r成正比
C. 由v=rω可知,ω与r成反比
D. 由ω=2πn可知,ω与n成正比
3. 用绳拴着一个物体,使它在无限大的光滑水平面上做匀速圆周运动,如图1所示,绳断以后物体将( )
A. 沿半径方向接近圆心
B. 沿半径方向远离圆心
C. 沿切线方向做匀速直线运动
D. 由于惯性,物体继续做圆周运动
4. 质量为m的小球在竖直平面内的圆形轨道内侧运动,若经最高点不脱离轨道的临界速度为v,则当小球以2v速度经过最高点时,小球对轨道的压力大小为( )
A. 0 B. mg
C. 3mg D. 5mg
5. 质量不计的轻质弹性杆P插在桌面上,杆端套有一个质量为m的小球,今使小球沿水平方向做半径为R的匀速圆周运动,角速度为ω,如图2所示,则杆的上端受到的作用力大小为 ( )
A. mω2R
B. ■
C. ■
D. 不能确定
6. 下列关于向心加速度的说法中正确的是( )
A. 向心加速度的方向始终与速度方向垂直
B. 在匀速圆周运动中,向心加速度是恒定的
C. 做圆周运动时,向心加速度一定指向圆心
D. 地球自转时,各点的向心加速度都指向地心
7. 如图3所示,水平转盘上的A、B、C三处有三块可视为质点的由同一种材料做成的正立方体物块;B、C处物块的质量相等且为m,A处物块的质量为2m;点A、B与轴O的距离相等且为r,点C到轴O的距离为2r,转盘以某一角速度匀速转动时,A、B、C处的物块都没有发生滑动现象,下列说法中正确的是( )
A. C处物块的向心加速度最大
B. A处物块受到的静摩擦力最小
C. 当转速增大时,最先滑动起来的是C处的物块
D. 当转速继续增大时,最后滑动起来的是A处的物块
8. 一小球质量为m,用长为L的悬绳(不可伸长,质量不计)固定于O点,在O点正下方L/2处钉有一颗钉子,如图4所示,将悬线沿水平方向拉直无初速释放后,当悬线碰到钉子后的瞬间
( )
A. 小球线速度没有变化
B. 小球的角速度突然增大到原来的2倍
C. 小球的向心加速度突然增大到原来的2倍
D. 悬线对小球的拉力突然增大到原来的2倍
9. 如图5所示,将完全相同的两小球A、B用长L=0.8 m的细绳,悬于以v=4 m/s向左匀速运动的小车顶部,两球与小车前后壁接触. 由于某种原因,小车突然停止,此时悬线中张力之比TA ∶ TB为(g=10 m/s2)( )
A. 1 ∶ 1 B. 1 ∶ 2
C. 1 ∶ 3 D. 1 ∶ 4
10. 如图6所示,O1和O2是两个靠摩擦传动的轮子,不打滑. 已知Ra ∶ Rb ∶ Rc=1 ∶ 2 ∶ 1,则a、b、c三点的线速度之比为____________,角速度之比为_____________,向心加速度之比为____________.
11. 如图7所示,定滑轮的半径为r=2 cm,绕在滑轮上的细线悬挂着一个重物由静止开始释放,测得重物以加速度a=2 m/s2做匀加速运动,在重物由静止开始下落距离为1 m的瞬间,滑轮边缘点的角速度ω=_______rad/s,向心加速度a′=_______m/s2.
12. 一个圆盘在水平面内匀速转动,角速度是4 rad/s. 盘面上距圆盘中心0.10 m的位置有一个质量为0.10 kg的小物体能够随圆盘一起运动,如图8所示.
(1) 求小物体做匀速圆周运动时所受向心力的大小;
(2) 关于小物体的向心力,甲、乙两人有不同意见:甲认为该向心力等于圆盘对小物体的静摩擦力,指向圆心;乙认为小物体有向前运动的趋势,静摩擦力方向和相对运动趋势方向相反,即向后,而不是和运动方向垂直,因此向心力不可能是静摩擦力. 你的意见是什么?请说明理由.
13. 如图9,一辆质量为500 kg的汽车静止在一座半径为50 m的圆弧形拱桥顶部. (g取10 m/s2)
(1) 此时汽车对圆弧形拱桥的压力是多大?
(2) 如果汽车以10 m/s的速度经过拱桥的顶部,则汽车对圆弧形拱桥的压力是多大?
(3) 汽车以多大速度通过拱桥的顶部时,汽车对圆弧形拱桥的压力恰好为零?
14. 如图10所示,质量为m=0.1 kg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=2 m,当两绳都拉直时,A、B两绳和细杆的夹角θ1=30°,θ2=45°,g取10 m/s2. 求:
??我天生好静。无论上班、下班,只要屁股落在椅子上,那就象铁板钉钉,只要欠欠身,手臂触及能完成,绝对不会额外使用腿部的力量。久而久之,年近不惑,腹部的赘肉日积月累,已严重有碍风景。节制饮食?人生就那几十年,何苦与肚子闹别扭?与时俱进,去健身房跟风?可那玩意贵在坚持,如若间断,其卷土重来之势我辈可无法招架!还是慢慢走吧!可走向哪里?谁会每天那么无聊,陪你耗费无端的体力?哈,有了!孩子刚上初中,每天不是要上晚自习吗?何不以此为借口,多兜点圈子,而且目标明确:做母亲的,理当以保护孩子的安全为己任!如此双赢之举,不实施简直是资源浪费,心动不如行动!
??从去年的9月开始,每天吃过晚饭,打理完家务,中央一台的新闻30分也结束了,我出发的号角也就奏响了。带上点零用钱,在朦胧的夜色中,轻松上路了。走直路,15分钟就到,起不到锻炼身体的目的。我就以家为圆心,以尽量延伸的边缘安全带为半径,开始我的慢步60分。马路,在越来越美的霓红灯与路灯的交相辉映下,一切从喧嚣归于宁静,正好与我的个性不谋而合。沿路上,我很喜欢的,当数廉政广场晚上的运动气氛,老老少少。男男女女,或夫妇相携,或全家同乐,或情侣亲密,或朋友共聚,每个人都溶入到了运动的海洋之中,从他们的身上可以感受到生活不单纯只有失意,还有很多积极向上的东西等着我们追寻。所有的郁闷、不快,在美妙的音乐声中烟消云散,在这一刻得到升华。也许并不相识,但彻底放松的欲望把大家拢到了一起。有做健身操的、有跳交谊舞的;还有不服老居然捡拾起儿时的游戏,三五成群的踢起毽子,尽管没了当年的身手矫健,可哈哈大笑中身心放松却能达到极至。兴趣来时,我往往也会去凑凑热闹,毕竟肚里的饭已消化半小时,跳一跳,出出汗,神也清,气也爽。遥想当年,我踢毽还是不错的。还踢过比赛呢。可是现在人老了,腿脚也不中用了。头一回踢过之后,回家半个屁股痛了一天。工夫不负有心人,这几天就好多了。我相信,只要能坚持下来,还是有更好的发挥的。何况是毽总会被踢的。我就是那美丽的毽啊!
??跳绳是一个很好的运动项目,可以让全身得到适当的锻炼。在廉政广场上每天有这样一群人,他们每天在快曲人伴奏下跳绳,有几个人更厉害,一个多小时不会停的。看到他们配合着音乐的节拍轻松地跳绳,我心中真是佩服得五体投地。我也想一展身手,可是每回跳都坚持不了几分钟。但手脚并用,赘肉在起伏中,日渐消退,目的达到了,其乐无穷。
??自从实施我的圆周运动计划之后,每天我睡得可香了。看来这运动真的是很有好处。夏天到了。希望朋友们别都躲在家里避暑。到了晚上出来运动一下,出出汗,会让我们感觉更舒服的。朋友们,一起加入到运动的行列中吧。有了健康的身体,就有了快乐的心情,我们才会更有信心迎接明天的挑战。
文/zhuxf666_jm
(1)“匀速圆周运动”这个词用于描述质点的运动,或描述物体质心的运动;“匀速转动”这个词用于描述刚体的运动:刚体上每个点绕转轴做匀速圆周运动.①
(2)描述匀速圆周运动可以用轨道半径、线速度、加速度等物理量;而描述匀速转动不采用这些物理量,因为刚体匀速转动时离转轴远近不等的点做匀速圆周运动的轨道半径、线速度、加速度各不相等.
二、联系
(1)刚体做匀速转动时,刚体上任意一点做匀速圆周运动的角速度、周期、频率,也称为刚体做匀速转动的角速度、周期、频率.
(2)质点做匀速圆周运动时合外力由质点指向圆心;刚体绕着跟质心不重合的转轴做匀速转动时,合外力或外力的矢量和由质心指向转轴(质心与转轴重合时合外力为零).②
(3)刚体做匀速转动时,外力对转轴的力矩的代数和为零;质点做匀速圆周运动时,外力对圆心的力矩的代数和为零.
①在一些习惯讲法中,“转动”、“转”的含义跟“圆周运动”、“椭圆运动”相同.比如,“地球绕着太阳转”,不是指“地球上每个点都绕着太阳中心做相同角速度的圆周运动”,而是指“地球质心绕着太阳中心(近似)做圆周运动”.
知识目标
1、进一步理解向心力的概念.
2、理解向心力公式,进一步明确匀速圆周运动的产生条件,掌握向心力公式的应用.
能力目标
1、培养在实际问题中分析向心力来源的能力.
2、培养运用物理知识解决实际问题的能力.
情感目标
1、激发学生学习兴趣,培养学生关心周围事物的习惯.
教学建议
教材分析
教材首先明确提出向心力是按效果命名的力,任何一个力或几个力的合力只要它的作用效果是使物体产生向心加速度,它就是物体所受的向心力,接着详细介绍了火车转弯和汽车过拱桥两个常见的实际问题.后面又附有思考与讨论,开拓学生的思维.
教法建议
1、培养学生分析向心力来源的能力,分析问题时,要首先引导学生对做周围运动的物体进行受力情况分析,并让学生清楚地认识到求出物体沿半径方向受到的合外力,就是提供给物体做圆周运动的向心力.
2、培养学生运用物体知识解决实际问题的能力.通过例题的分析与讨论(结合动画或课件),引导学生从中领悟掌握运用向心力公式的思路和方法.即:第一:根据物体受力情况分析向心力的来源,做匀速圆周运动的物体.
第二:运用向心力公式计算做圆周运动所需的向心力.
第三:由物体实际受到的力提供了它所需要的向心力,列出方程求解.
3、可多举一些实例让学生分析.向心力可由重力、弹力、摩擦力等单独提供,也可由它们的合力提供.
4、在讲述汽车过拱桥的问题时,汽车做的是变速圆周运动,对此要根据牛顿第二定律的瞬时性向学生指出:在变速圆周运动中,物体在各位置受到的向心力分别产生了物体通过各位置的向心加速度,向心力公式仍是适用的.但要注意,对于物体做匀速圆周运动的情况,只有在物体通过最高点和最低点时,向心力才是合外力.同时,还可以向学生指出:此问题中出现的汽车对桥面的压力大于或小于车重的现象,是发生在圆周运动中的超重或失重现象.
教学设计方案
匀速圆周运动的实例分析
教学重点:分析向心力来源.
教学难点:实际问题的处理方法.
主要设计:
一、讨论向心力的来源:
例如:万有引力提供向心力(人造地球卫星);弹力提供向心力(绳系小球在光滑水平面上的匀速圆周运动);摩擦力力提供向心力(物价在转盘上随转盘一起转动);合力提供向心力(圆锥摆等).
二、讨论火车转弯:
(一)展示图片1:火车车轮有凸出的轮缘.
(二)展示课件1:外轨作用在火车轮缘上的力F是使火车必须转弯的向心力.
(三)展示课件2:外轨高于内轨时重力与支持力的合力是使火车转弯的向心力.
(四)讨论:为什么转弯处的半径和火车运行速度有条件限制?
三、讨论汽车过拱桥:
(一)思考:汽车过拱桥时,对桥面的压力与重力谁大?
(二)展示课件3:汽车过拱桥在最高点的受力情况(变变)
(三)展示课件4:汽车过凹形桥时低点时的受力情况(变变)
(四)总结在圆周运动中的超重、失重情况.
探究活动
在高中物理中,学习圆周运动时,常常会遇到下面的一个典型题目:
考虑下面两种情况,(1)轻绳:一条质量忽略不计的绳悬挂着一个质点在竖直平面上做圆周运动。(2)轻杆:质点固定在一根轻杆(质量忽略不计)上,在竖直平面上做圆周运动。
问:在这两种情况下,如果质点从最低点A以一定初速度出发,求使它能运动到最高点B的最小初速度v0 。
解:对于轻绳,当质点运动到最高点B时,质点受力为:
F=T+G=T+mg(1)
其中T是轻绳的拉力,G=mg是质点的重力,r为半径,取向下的方向为正方向。根据向心力公式可得:
mv2r=F=T+mg(2)
即质点在最高点B的速度是
v=(Tm+g)r(3)
由于轻绳只能对质点产生拉力,不可能产生推力,当轻绳松弛,拉力取最小值T=0,此时质点的速度取最小值,即
v=gr(4)
考虑到整个过程中只有重力做工,机械能守恒, 即
12mv20=12mv2+2mgr(5)
不难得出,质点在最低点A的初速度的最小值为:
v0=5gr(6)
对于轻杆,同样分析得到公式(2)和公式(3),然而,杆不仅可以对质点施加拉力,也可以施加推力,因此,T的最小值不是0,可以取负值!当T=-mg时,
mv2r=0(7)
所以,质点在最高点B的速度为v=0,根据机械能守恒,得出质点在最低点A的初速度的最小值为:
v0=2gr(8)
可见这两种情况是不同的,轻绳情况下质点要运动到最高点B需要比轻杆情况下更高的初速度。
然而,上述计算只回答了质点运动到最高点B需要的最小初速度,却没有回答(1)如果质点初速度小于该值,会发生什么情况?(2)从动力学角度看,轻绳和轻杆对于质点的作用究竟有什么区别,导致如此不同的结果?下面我们就详细讨论两种情况下质点的受力及运动规律,探究事情的原因。 2轻绳
由上述计算结果可知,轻绳情况下,质v0=2gr点运动到最高点B的速度不为零,换句话说,如果质点在最低点A仅仅具有的初速度,那么,它是不可能做圆周运动直到最高点B的。在此前的某一时刻,质点的运动就脱离圆周了。下面我们给出证明。
考虑图1上的C点,其半径和竖直方向的夹角为θ,质点的运动速度为v,则根据牛顿第二定律,沿半径方向有:
T+mgcosθ=mv2r(9)
此时,如果轻绳已经松弛,T=0,所以
mgcos=mv2r(10)
另一方面,根据机械能守恒定律可得
12mv20=12mv2+mgr(1+cosθ)(11)
将(10)带入(11)可得
cosθ=23(12)
当质点运动到θ=arcos23的位置C点时,当它欲继续沿圆周上升时,重力的径向分量mgcosθ继续增大,而由于机械能守恒,质点的速度会进一步减小,则在公式(9)中,重力的径向分量就会大于质点做圆周运动所需的向心力,换句话说,轻绳对质点的作用力必须为负值(推力),而这是不可能的!因此,质点从C点开始就不能再做圆周运动了。这个点可以叫做质点运动的临界点。考虑到此时轻绳已经松弛,质点仅受重力作用,而它具有v切向速度,所以,它将做斜抛运动。注意质点做斜抛运动以后某一给时刻,轻绳会重新张紧,质点的运动状态会再度发生变换。不过这个问题就不在本文讨论范围内了,可以忽略。
最后,我们可以得出结论:对于轻绳来说,只要质点的初始速度小于,那么它都不可能做圆周运动达到最高点B,而是在此前的某一点(临界点)就脱离圆周变成了斜抛运动。
3轻杆
轻杆的情况可以类似地分析。
假定质点在最低点A的初始速度为v0=2gr,在C点,夹角为θ,质点的运动速度为v,则
T+mgcosθ=mv2r(13)
同样,此时轻杆对质点的拉力T=0。然而,随着质点进一步沿圆周运动,重力的径向分量mgcosθ继续增大,而由于机械能守恒,质点的速度会进一步减小,此时轻杆对质点的拉力T转变成负值,也就是说,它对质点施加的是推力。不同于轻绳,杆是完全可能对质点施加推力的。因此,质点继续沿圆周上升,重力的径向分量mgcosθ继续增大,相应地轻杆对质点的推力也随之增大,这两个力的方向相反,始终保证公式(13)成立,质点可以继续沿圆周运动。可见,C点是轻杆对质点的作用力由拉力转变成推力的临界点。但是质点在经过C点前后运动状态并未发生变化,始终是做圆周运动。根据机械能守恒定律,质点到达最高点B时,其速度为零,此时
T+mg=0T=-mg(14)
即此时轻杆对质点的施加向上的推力,其大小等于质点的重力。
最后,我们可以得出结论:对于轻杆来说,只要质点的初始速度大于等于2gr,它就可以沿圆周运动到达最高点B,只是该过程中轻杆对质点的作用力的方向发生了变化,最初是拉力,后来转变成了推力。
4讨论
对于轻绳和轻杆的两种情况,它的共同点是都遵守机械能守恒定律,区别是,质点要做圆周运动,必须提供向心力,而且向心力的大小与质点的速度有关的。