知识讲解圆周运动的向心力及其应用提高.pdf

高中物理 高中物理 圆周运动的向心力及其应用 【学习目标】1、理解向心力的特点及其来源 2、理解匀速圆周运动的条件以及匀速圆周运动和变速圆周运动的区别 3、能够熟练地运用力学的基本方法解决圆周运动问题 5、理解外力所能提供的向心力和做圆周运动所需要的向心力之间的关系，以此为根据理解向心运动和离心运动。【要点梳理】要点一、物体做匀速圆周运动的条件 要点诠释：物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。要点二、关于向心力及其来源 1、向心力 要点诠释（1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力.（2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。（3）向心力的大小：22vFmammrr向向 向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积；对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方；线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。如果是匀速圆周运动则有：22222244vFmammrmrmrfrT向向（4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。（5）关于向心力的说明：向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力；匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小；无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。2、向心力的来源 要点诠释（1）向心力不是一种特殊的力。重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。（2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)：高中物理 高中物理 要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别 1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动 要点诠释：（1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体受到的合外力完全充当向心力的角色。例如月球围绕地球做匀速圆周运动，它受到的地球对它的引力就是合外力，这个合外力正好沿着半径指向地心，完全用来提供月球围绕地球做匀速圆周运动的向心力。（2）在变速圆周运动中，向心力只是物体受到的合外力的沿着半径方向的一个分量。例如用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，它的受力情况如图所示，物体受到线的拉力 F拉和重力 mg 的作用，其合力分解为两个分量：向心力和切向力。高中物理 高中物理 不难看出：FFmg cos拉向 sinmgF切 向心力改变着速度的方向，产生向心加速度；切向力与线速度的方向相同或者相反，改变着线速度的大小使得物体做变速圆周运动。2、从圆周运动的规律看匀速圆周运动和变速圆周运动 要点诠释：（1）匀速圆周运动和变速圆周运动所适用的共同规律 无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动向心加速度的大小总是：22rrvmFa向向（公式中的每一个量都是瞬时量，任何一个时刻或者任何一个位置都可以用公式计算向心加速度。）换一种说法就是：在圆周运动中的任何时刻或位置，牛顿运动定律都成立，即22mrrvmmaF向向 例如上面的例子，用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，在图中所示的位置用牛顿第二定律可得：22mvFFmg cosmamrr拉向向 切切mamgFsin（2）只适用于匀速圆周运动的计算公式：222222224m4mF44frTrfrTra向向 因为在匀速圆周运动的过程中各个量大小的平均值和瞬时值是相等的；如果将上式用在变速圆周运动中，计算的结果仅是一个意义不大的粗略的平均值。要点四、圆周运动的实例 1、水平面上的圆周运动 要点诠释：（1）圆锥摆运动：小球在细线的拉力和重力作用下的在水平面上的匀速圆周运动，如图所示：高中物理 高中物理 向心力来源：物体重力和线的拉力的合力，沿着水平方向指向圆心。力学方程：2222sin4sinsintanTlmlmlvmmamg 问题讨论：a.物体加速度与夹角的关系：tanga，向心加速度越大时，夹角越大。b.角速度与夹角的关系：coslg，可见角速度越大时，夹角越大。（2）在水平圆盘上随圆盘一起转动物体 向心力的来源：如图，在竖直方向上重力和支持力平衡，物体做圆周运动的向心力由物体所受的静摩擦力提供。静摩擦力的方向：当物体做匀速圆周运动时，这个静摩擦力沿着半径指向圆心；当做变速圆周运动时，静摩擦力还有一个切线方向的分量存在，用来改变线速度的大小。静摩擦力的变化：当水平圆盘的转速增大时，物体受到的静摩擦力也随之增大，当物体所需要的向心力大于最大静摩擦力时，物体将相对于圆盘滑动，变为滑动摩擦力。2、竖直平面内的圆周运动 要点诠释：（1）汽车过拱形桥 在竖直面内的圆周运动中可以分为：匀速圆周运动和变速圆周运动。对于匀速圆周运动处理起来一般比较方便。对于变速圆周运动，定量的计算通常是在圆周的最高点和最低点处用牛顿第二定律。例如：汽车通过半圆的拱形桥，因为桥面对汽车提供的只能是支持力。O F l m F向 O1 r mg 高中物理 高中物理 汽车在点位置最高时，对车由牛顿第二定律得：RvmFmgN2 为了驾驶安全，桥面对车的支持力必须大于零，即0NF 从而解得车的速度应满足关系vgR（如果gRv，在不计空气阻力的情况下，车将做平抛运动）汽车在位置时有22NNv v mgF mmg sinF mRR径 又0NF 解得vgRsin（2）汽车通过圆弧型的凹处路面 如图在最低点处，对车运用牛顿第二定律得：rmvmgFN2 桥面对车的支持力rmvmgFN2 可见，随着车的速度增大，路面对车的支持力变大。要点五、圆周运动中的超重与失重 1、超重与失重的判断标准 要点诠释：（1）运动物体的加速度方向向上或者有向上的分量时，物体处于超重状态，物体对水平支持面的压力大于自身的重力。（2）运动物体的加速度方向向下或者有向下的分量时，物体处于失重状态，物体对水平支持面的压力小于自身的重力。2、圆周运动中的超重与失重现象 要点诠释：高中物理 高中物理（1）失重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最高点附近时，向心加速度竖直向下，物体对支持物的压力小于自身重力。例如在拱形桥顶运动的汽车，由上面计算有RvmmgFN2，它对于桥面的压力小于重力。（2）超重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最低点附近时，向心加速度竖直向上，物体对支持物的压力大于自身重力。例如汽车通过圆弧型的凹处路面在最低点处，桥面对车的支持力rmvmgFN2大于自身重力。要点五、关于离心现象 1、外力提供的向心力与做圆周运动需要的向心力之间的关系对物体运动的影响 要点诠释：（1）外力提供的向心力：是某个力、几个力的合力或者是合力在半径方向上的分量，是实实在在的相互作用。（2）做圆周运动需要的向心力：是指在半径为 r 的圆周上以速度 v 运动时，必须要这么大的一个力，才能满足速度方向改变的要求。（3）供需关系对物体运动的影响：外力提供的向心力等于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做圆周运动；外力提供的向心力小于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做远离圆心的运动离心运动 外力提供的向心力大于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做靠近圆心的运动也可称之为向心运动 2、离心现象及其运用 要点诠释：（1）被利用的离心现象：洗衣机甩干衣服：水珠和衣服之间的附着力不足以提供水珠高速转动时需要的向心力，而做离心运动从而脱离衣服，使得衣服变干。离心沉淀器：悬浊液在试管中高速转动时，密度大于液体密度的小颗粒做离心运动，密度小于液体密度的小颗粒做向心运动，从而使得液体很快被分离。离心水泵：水在叶轮转动的作用下做离心运动，从而使得水从低处运动到高处，等等。（2）需要防止的离心现象：高速转动的砂轮会因为离心运动而破碎，造成事故；火车或者汽车会因为转弯时的速度过大而出现侧滑、倾翻，造成人员伤亡等。【典型例题】类型一、水平面上的圆周运动 例 1、(2015 哈尔滨校级期末)如图所示，两个质量均为 m 的小木块 a 和 b（可视为质点）放在水平圆盘上，a 与转轴 OO的距离为 l，b 与转轴的距离为 2l，木块与圆盘的最大静摩擦力为木块所受重力的 k 倍，重力加速度大小为 g，若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速运动，用表示圆盘转动的角速度，下列说法正确的是（）高中物理 高中物理 Ab 一定比 a 先开始滑动 Ba、b 所受的摩擦力始终相等 C当2kgl时，b 开始滑动的临界角速度 D当23kgl时，a 所受的摩擦力大小为kmg 【答案】AC【解析】两个木块的最大静摩擦力相等，木块随圆盘一起转动，静摩擦力提供向心力，由牛顿第二定律得：木块所受的静摩擦力2fmr，m、相等，fr，所以 b 所受的静摩擦力大于 a 的静摩擦力，当圆盘的角速度增大时 b 的静摩擦力先达到最大值，所以 b 一定比 a 先开始滑动，故 A 正确，B 错误；当 b 刚要滑动时，有22kmgml，解得：2kgl，故 C 正确；以 a 为研究对象，当23kgl时，由牛顿第二定律知：2fml，可解得：23fkmg，故 D 错误。【总结升华】木块随圆盘一起转动，静摩擦力提供向心力，而所需要的向心力大小由物体的质量、半径和角速度决定，当圆盘转速增大时，提供的静摩擦力随之增大，当需要的向心力大于静摩擦力时，物体开始滑动。本题的关键是正确分析木块的受力。举一反三【变式】原长为 L 的轻弹簧一端固定一小铁块，另一端连接在竖直轴 OO上，小铁块放在水平圆盘上，若圆盘静止，把弹簧拉长后将小铁块放在圆盘上，使小铁块能保持静止的弹簧的最大长度为 5L/4，现将弹簧长度拉长到 6L/5 后，把小铁块放在圆盘上，在这种情况下，圆盘绕中心轴 OO以一定角速度匀速转动，如图所示 已知小铁块的质量为 m，为使小铁块不在圆盘上滑动，圆盘转动的角速度最大不得超过多少?【答案】max3/(8)km【解析】以小铁块为研究对象，圆盘静止时：设铁块受到的最大静摩擦力为maxf，由平衡条件得max/4fkL 圆盘转动的角速度最大时，铁块受到的摩擦力maxf与弹簧的拉力 kx 的合力提供向心力，由牛顿第二定高中物理 高中物理 律得2maxmax(6/5)kxfmL 又因为 xL/5 解以上三式得角速度的最大值max3/(8)km 类型二、实际生活中的圆周运动 例 2、质量不计的轻质弹性杆 P 插入桌面上的小孔中，杆的另一端套有一个质量为 m 的小球，今使小球在水平面内做半径为 R 的匀速圆周运动，且角速度为，如图所示，则杆的上端受到球对其作用力的大小为()A2mR B242m gR C242m gR D不能确定【思路点拨】小球在重力和杆的弹力作用下在水平面内做匀速圆周运动，故小球所受合力必沿水平方向，根据力的合成即可求出杆对小球的作用力的大小，从而得出杆受到的球的作用力的大小。【答案】C【解析】对小球进行受力分析，小球受两个力：一个是重力 mg，另一个是杆对小球的作用力 F，两个力的合力产生向心力由平行四边形定则可得：242Fm gR，再根据牛顿第三定律，可知杆受到球对其作用力的大小为242Fm gR故选项 C 正确【总结升华】本题一定要弄清小球向心力的来源另外还要注意杆提供的弹力方向可以是任何一个方向，不一定非要沿着杆 举一反三【高清课程：匀速圆周运动题型分析 例 5】【变式】铁路弯道的内外侧铁轨往往不在同一水平面上，质量为 M 的火车，以恒定的速率在水平面内沿一段半径为 r 的圆弧道转弯，受力如图所示，已知内外铁轨的倾角为。（1）车的速率 v0为多大时，使车轮对铁轨的侧压力正好为零?（2）如果火车的实际速率 vv0，分析铁轨对车轮的施力情况。【答案】火车挤压内轨当火车挤压外轨当;vv;vvgrtanv 000 类型三、动力学综合问题 例 3、（2016 江西师大附中月考）如图甲所示，水平转盘可绕竖直中心轴转动，盘上叠放着质量均为 1 kg的 A、B 两个物块，B 物体用长为 0.25 m 的细线与固定在转盘中心处的力传感器相连，两个物块和传感器高中物理 高中物理 的大小均可忽略不计，细线能承受的最大拉力为 8 N，A、B 间的动摩擦因数=0.4，B 与转盘问的动摩擦因素1=0.1，且可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力。转盘静止时，细线刚好伸直，力传感器的读数为零，当转盘以不同的角速度匀速转动时，力传感器上就会显示相应的读数 F。试通过计算在图乙的坐标系中作出 F2的图象，g 取 10 ms2。【解析】B 物体将发生滑动的角速度为112rad/sgr，则0，2时，F=0，当 A 物体所需的向心力大于最大静摩擦力时，A 将脱离 B 物体，此时的角速度由 m22r=2mg，得224rad/sgr。则 F=2m2r21mg=0.522（2，4），=2时绳子的张力为 F=2m22r21mg=(2420.252)N=6 N8 N，故绳子未断，接下来随着角速度的增大，A 脱离 B 物体，只有 B 物体做匀速圆周运动，设绳子达到最大拉力时的角速度为3，则max136rad/sFmgmr。当角速度为2时，m22r=1420.25 N=4 N1mg，即绳子产生了拉力。则 F=m2r1mg=0.2521，4，6，综上所述作出 F2图象如图所示。【点评】解决本题的关键正确地确定研究对象，搞清向心力的来源，结合临界条件，通过牛顿第二定律进行求解。举一反三【高清课程：匀速圆周运动题型分析 例 8】【变式 1】建筑工地上常使用打夯机夯实地基，如图是其结构原理图。长为l的连杆（质量可忽略）固定在轮盘A上，轮盘A和连杆固定在一起可一起绕轴O旋转，连杆另一端固定一质量为m的铁块，电动机通过皮带轮带动轮盘A和连杆，可在竖直平面内做圆周运动。当旋转的角速度达到一定数值，可使质量为M（不包括铁块的质量m）的打夯机离开地面，然后砸向地面，从而起到夯实地基的作用。试分析连杆转动的最小角速度。高中物理 高中物理 【答案】mlg)mM(【解析】当铁块运动到最高点时，受重力mg和杆的拉力F1作用，这两个力的合力提供铁块此时做圆周运动所需的向心力。当铁块的角速度逐渐增大时，所需的向心力增大，将导致拉力F1的增大。根据牛顿第三定律可知，此时铁块对打夯机向上的拉力21FF，所以当21FFMg时，打夯机将脱离地面。设为使打夯机脱离开地面连杆转动的最小角速度为，由牛顿第二定律：对M有 02FMg 对m有 21Fmgml 因 21FF 由以上几式解得：mlg)mM(【变式 2】（2015 河南校级模拟）一质量为 M、倾角为的斜面体在水平地面上，质量为 m 的小木块（可视为质点）放在斜面上，现用一平行于斜面的、大小恒定的拉力 F 作用于小木块，拉力在斜面所在的平面内绕小木块旋转一周的过程中，斜面体和木块始终保持静止状态，下列说法中正确的是（）A小木块受到斜面的最大静摩擦力为22(mgsin)F B小木块受到斜面的最大摩擦力为sinFmg C斜面受到地面的最大静摩擦力为F 高中物理 高中物理 D斜面体受到地面的最大摩擦力为cosF【答案】C【解析】当 F 沿斜面向下时，木块所受的静摩擦力最大，受力分析如图：由平衡条件：sinMaxfFmg，故 A 正确，B 错误；选整体为研究对象，当 F 水平时，整体所受的摩擦力最大，由平衡条件：fF，即斜面所受的最大静摩擦力为 F，故 C 正确，D 错误。