2019高中物理 第二章 匀速圆周运动 1 圆周运动学案 教科版必修2.doc

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1、11 1 圆周运动圆周运动学习目标 1.知道什么是匀速圆周运动，知道它是变速运动.2.掌握线速度的定义式，理解线速度的大小、方向的特点.3.掌握角速度的定义式，知道周期、转速的概念.4.知道线速度、角速度和周期之间的关系一、线速度1定义：质点做圆周运动通过的弧长与通过这段弧长所用时间的比值，v.s t2意义：描述做圆周运动的物体运动的快慢3方向：线速度是矢量，方向与圆弧相切，与半径垂直4匀速圆周运动(1)定义：质点沿圆周运动，在相等的时间内通过的圆弧长度相等(2)性质：线速度的方向是时刻变化的，所以是一种变速运动二、角速度1定义：连接质点与圆心的半径所转过的角度 跟所用时间 t的比值，. t2

2、意义：描述物体绕圆心转动的快慢3单位(1)角的单位：国际单位制中，弧长与半径的比值表示角的大小，即 ，其单位称s r为弧度，符号：rad.(2)角速度的单位：弧度每秒，符号是 rad/s 或 rads1.三、周期和转速1周期T：做匀速圆周运动的物体运动一周所用的时间，单位：秒(s)2转速n：单位时间内转过的圈数，单位：转每秒(r/s)或转每分(r/min)3周期和转速的关系：T (n单位为 r/s 时)1 n四、线速度、角速度和周期之间的关系1线速度与周期的关系：v.2r T2角速度与周期的关系：.2 T3线速度与角速度的关系：vr.21判断下列说法的正误(1)匀速圆周运动是一种匀速运动()(

3、2)做匀速圆周运动的物体，相同时间内位移相同()(3)做匀速圆周运动的物体转过的角度越大，其角速度就越大()(4)做匀速圆周运动的物体，当半径一定时，线速度与角速度成正比()(5)做匀速圆周运动的物体，角速度大的半径一定小()2A、B两个质点，分别做匀速圆周运动，在相等时间内它们通过的弧长比sAsB23，转过的圆心角比AB32，那么它们的线速度之比vAvB_，角速度之比AB_.答案 23 32解析 由v知 ；由知 .s tvA vB2 3 tA B3 2一、线速度和匀速圆周运动如图 1 所示为自行车的车轮，A、B为辐条上的两点，当它们随轮一起转动时，回答下列问题：图 1(1)A、B两点的速度方

4、向各沿什么方向？(2)如果B点在任意相等的时间内转过的弧长相等，B做匀速运动吗？(3)匀速圆周运动的线速度是不变的吗？匀速圆周运动的“匀速”同“匀速直线运动”的“匀速”一样吗？(4)A、B两点哪个运动得快？答案 (1)两点的速度方向均沿各自圆周的切线方向(2)B运动的方向时刻变化，故B做非匀速运动(3)质点做匀速圆周运动时，线速度的大小不变，方向时刻在变化，因此，匀速圆周运动只是速率不变，是变速曲线运动而“匀速直线运动”中的“匀速”指的是速度不变，是大小、3方向都不变，二者并不相同(4)B运动得快1对线速度的理解：(1)线速度是物体做圆周运动的瞬时速度，线速度越大，物体运动得越快(2)线速度是

5、矢量，它既有大小，又有方向，线速度的方向在圆周各点的切线方向上(3)线速度的大小：v，s代表弧长s t2对匀速圆周运动的理解：(1)匀中有变：由于匀速圆周运动是曲线运动，其速度方向沿着圆周的切线方向，所以物体做匀速圆周运动时，速度的方向时刻在变化(2)匀速的含义：速度的大小不变，即速率不变转动快慢不变，即角速度大小不变(3)运动性质：线速度的方向时刻改变，所以匀速圆周运动是一种变速运动例 1 (多选)某质点绕圆轨道做匀速圆周运动，下列说法中正确的是( )A因为该质点速度大小始终不变，所以该质点做的是匀速运动B该质点速度大小不变，但方向时刻改变，是变速运动C该质点速度大小不变，因而加速度为零，处

6、于平衡状态D该质点做的是变速运动，具有加速度，故它所受合力不等于零答案 BD二、角速度、周期和转速如图 2 所示，钟表上的秒针、分针、时针以不同的角速度做圆周运动图 2(1)秒针、分针、时针转动的快慢相同吗？如何比较它们转动的快慢？(2)秒针、分针和时针的周期分别是多大？4答案 (1)不相同根据角速度公式知，在相同的时间内，秒针转过的角度最大， t时针转过的角度最小，所以秒针转得最快(2)秒针周期为 60 s，分针周期为 60 min，时针周期为 12 h.1对角速度的理解：(1)角速度描述做圆周运动的物体绕圆心转动的快慢，角速度越大，物体转动得越快(2)角速度的大小：，代表在时间 t内，物体

7、与圆心的连线转过的角度 t(3)在匀速圆周运动中，角速度大小不变，是恒量2周期(频率)和转速：当转速的单位是转每秒(r/s)时，转速和频率对匀速圆周运动来说在数值上是相等的，即nf，周期、频率和转速三者的关系是T .1 f1 n例 2 (多选)一正常转动的机械钟表，下列说法正确的是( )A秒针转动的周期最长B时针转动的转速最小C秒针转动的角速度最大D秒针的角速度为 rad/s 30答案 BCD解析 秒针转动的周期最短，角速度最大，A 错误，C 正确；时针转动的周期最长，转速最小，B 正确；秒针的角速度为 rad/s rad/s，故 D 正确2 60 30三、描述匀速圆周运动的各物理量之间的关系

8、1描述圆周运动的各物理量之间的关系：(1)v2nrs t2r T(2)2n t2 T(3)vr2描述圆周运动的各物理量之间关系的理解：(1)角速度、周期、转速之间关系的理解：物体做匀速圆周运动时，由2n知，2 T角速度、周期、转速三个物理量，只要其中一个物理量确定了，其余两个物理量也确定了(2)线速度与角速度之间关系的理解：由vr知，r一定时，v；v一定时，5 ；一定时，vr.1 r例 3 做匀速圆周运动的物体，10 s 内沿半径为 20 m 的圆周运动 100 m，试求物体做匀速圆周运动时：(1)线速度的大小；(2)角速度的大小；(3)周期的大小答案 (1)10 m/s (2)0.5 rad

9、/s (3)4 s解析 (1)依据线速度的定义式v可得s tv m/s10 m/s.s t100 10(2)依据vr可得， rad/s0.5 rad/s.v r10 20(3)T s4 s.2 2 0.5【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】线速度、角速度、周期(和转速)的关系针对训练 1 (多选)火车以 60 m/s 的速率转过一段圆弧形弯道，某乘客发现放在桌面上的指南针在 10 s 内匀速转过了约 10.在此 10 s 时间内，火车( )A运动路程为 600 m B加速度为零C角速度约为 1 rad/s D弯道半径约为 3.4 km答案 AD解析 由svt知，s600 m，A 正确

10、在弯道做圆周运动，火车加速度不为零，B 错误由 10 s 内转过 10知，角速度rad/s rad/s0.017 rad/s，C 错10 360 210 180误由vr知，rm3.4 km，D 正确v 60 180四、同轴转动和皮带传动问题如图 3 为两种传动装置的模型图6图 3(1)甲图为皮带传动装置，试分析A、B两点的线速度及角速度关系(2)乙图为同轴转动装置，试分析A、C两点的角速度及线速度关系答案 (1)皮带传动时，在相同的时间内，A、B两点通过的弧长相等，所以两点的线速度大小相同，又vr，当v一定时，角速度与半径成反比，半径大的角速度小(2)同轴转动时，在相同的时间内，A、C两点转过

11、的角度相等，所以这两点的角速度相同，又因为vr，当一定时，线速度与半径成正比，半径大的线速度大常见的传动装置及其特点同轴转动皮带传动齿轮传动装置A、B两点在同轴的一个圆盘上两个轮子用皮带连接(皮带不打滑)，A、B两点分别是两个轮子边缘上的点两个齿轮啮合，A、B两点分别是两个齿轮边缘上的点特点角速度、周期相同线速度大小相等线速度大小相等规律线速度与半径成正比：vA vBr R角速度与半径成反比： .周期与半径成正A Br R比：TA TBR r角速度与半径成反比：.周期与半径成正比：A Br2 r1TA TBr1 r27例 4 (多选)如图 4 所示的传动装置中，B、C两轮固定在一起绕同一轴转动

12、，A、B两轮用皮带传动，三个轮的半径关系是rArC2rB.若皮带不打滑，则A、B、C三轮边缘上a、b、c三点的( )图 4A角速度之比为 122B角速度之比为 112C线速度大小之比为 122D线速度大小之比为 112答案 AD解析 A、B两轮通过皮带传动，皮带不打滑，则A、B两轮边缘的线速度大小相等，B、C两轮固定在一起绕同一轴转动，则B、C两轮的角速度相等a、b比较：vavb由vr得：abrBrA12b、c比较：bc由vr得：vbvcrBrC12所以abc122vavbvc112故 A、D 正确【考点】传动问题分析【题点】传动问题中各物理量的比值关系传动问题是圆周运动部分的一种常见题型，在

13、分析此类问题时，关键是要明确什么量相等，什么量不等，在通常情况下，应抓住以下两个关键点：(1)绕同一轴转动的各点角速度、转速n和周期T相等，而各点的线速度vr与半径r成正比；(2)链条和链条连接的轮子边缘线速度的大小相等，不打滑的摩擦传动两轮边缘上各点线速度大小也相等，而角速度 与半径r成反比v r针对训练 2 (多选)如图 5 所示为一种齿轮传动装置，忽略齿轮啮合部分的厚度，甲、乙两个轮子的半径之比为 13，则在传动的过程中( )8图 5A甲、乙两轮的角速度之比为 31B甲、乙两轮的周期之比为 31C甲、乙两轮边缘处的线速度之比为 31D甲、乙两轮边缘上的点相等时间内转过的弧长之比为 11答

14、案 AD解析 这种齿轮传动，与不打滑的皮带传动规律相同，即两轮边缘的线速度相等，故 C 错误；根据线速度的定义v可知，弧长 svt，故 D 正确；根据vr可知 ，又s tv r甲、乙两个轮子的半径之比r1r213，故甲、乙两轮的角速度之比12r2r131，故 A 正确；周期T，所以甲、乙两轮的周期之比2 T1T22113，故 B 错误【考点】传动问题分析【题点】传动问题中各物理量的比值关系1(对匀速圆周运动的认识)对于做匀速圆周运动的物体，下列说法中不正确的是( )A相等的时间内通过的路程相等B相等的时间内通过的弧长相等C相等的时间内通过的位移相同D在任何相等的时间内，连接物体和圆心的半径转过

15、的角度都相等答案 C解析 匀速圆周运动是指速度大小不变的圆周运动，因此在相等时间内通过的路程相等，弧长相等，转过的角度也相等，A、B、D 项正确；相等时间内通过的位移大小相等，方向不一定相同，故 C 项错误【考点】对匀速圆周运动的理解【题点】对匀速圆周运动的理解2(描述圆周运动各量的关系)一质点做匀速圆周运动，其线速度大小为 4 m/s，转动周期为 2 s，下列说法中不正确的是( )9A角速度为 0.5 rad/sB转速为 0.5 r/sC运动轨迹的半径为 1.27 mD频率为 0.5 Hz答案 A解析 由题意知v4 m/s，T2 s，根据角速度与周期的关系可知 2 T2 3.14 2rad/

16、s3.14 rad/s.由线速度与角速度的关系vr得r m1.27 m，由v 4 v2nr得转速n r/s0.5 r/s，又由频率与周期的关系得f 0.5 v 2r424 1 THz，故 A 错误，符合题意【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】线速度、角速度、周期(和转速)的关系3(传动问题)某新型自行车，采用如图 6 甲所示的无链传动系统，利用圆锥齿轮 90轴交，将动力传至后轴，驱动后轮转动，杜绝了传统自行车“掉链子”问题如图乙所示是圆锥齿轮 90轴交示意图，其中A是圆锥齿轮转轴上的点，B、C分别是两个圆锥齿轮边缘上的点，两个圆锥齿轮中心轴到A、B、C三点的距离分别记为rA、rB和r

17、C(rArBrC)下列有关物理量大小关系正确的是( )图 6AB点与C点的角速度：BCBC点与A点的线速度：vCvArB rACB点与A点的线速度：vBvArA rBDB点和C点的线速度：vBvC答案 B解析 B点与C点的线速度大小相等，由于rBrC，所以BC，故 A、D 错误；B点的角速度与A点的角速度相等，所以，即vBvA，故 C 错误；B点与C点的线速度相等，vB rBvA rArB rA10所以vCvA，故 B 正确rB rA114(传动问题)如图 7 所示，A、B轮通过皮带传动，A、C轮通过摩擦传动，半径RA2RB3RC，各接触面均不打滑，则A、B、C三个轮的边缘点的线速度大小和角速

18、度之比分别为( )图 7AvAvBvC123，ABC321BvAvBvC111，ABC236CvAvBvC111，ABC123DvAvBvC321，ABC111答案 C解析 由题意知，A、B轮通过皮带传动，A、B边缘上的点具有大小相等的线速度；A、C轮通过摩擦传动，A、C边缘上的点具有相等的线速度，所以三个轮的边缘点的线速度大小是相等的，则vAvBvC111；根据线速度与角速度之间的关系vR，得ABC123，选项 C 正确【考点】传动问题分析【题点】皮带(或齿轮)传动问题分析5(圆周运动的周期性)如图 8 所示，半径为R的圆盘绕垂直于盘面的中心轴匀速转动，其正上方h处沿OB方向水平抛出一小球，

19、要使球与盘只碰一次，且落点为B，求小球的初速度及圆盘转动的角速度的大小(不计空气阻力)图 8答案 R 2n(n1,2,3)g 2hg 2h解析 设小球在空中运动时间为t，此圆盘转过角则Rvt，hgt21 2故初速度vRg 2hn2(n1,2,3)又因为t12则圆盘角速度2n(n1,2,3)n2 tg 2h【考点】圆周运动与其它运动结合的问题【题点】圆周运动与其它运动结合的多解问题一、选择题考点一 描述圆周运动物理量的关系及计算1关于做匀速圆周运动的物体的线速度、角速度、周期的关系，下面说法中正确的是( )A线速度大的角速度一定大B线速度大的周期一定小C角速度大的半径一定小D角速度大的周期一定小

20、答案 D解析 由vr可知，当r一定时，v与成正比；v一定时，与r成反比，故 A、C错误由v可知，当r一定时，v越大，T越小，B 错误由可知，越大，2r T2 TT越小，故 D 正确【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】线速度、角速度、周期(和转速)的关系2(多选)质点做匀速圆周运动时，下列说法中正确的是( )A因为vr，所以线速度v与轨道半径r成正比B因为 ，所以角速度与轨道半径r成反比v rC因为2n，所以角速度与转速n成正比D因为，所以角速度与周期T成反比2 T答案 CD解析 当一定时，线速度v才与轨道半径r成正比，所以 A 错误当v一定时，角速度才与轨道半径r成反比，所以 B 错

21、误在用转速或周期表示角速度时，角速度与转速成正比，与周期成反比，故 C、D 正确【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】线速度、角速度、周期(和转速)的关系3汽车在公路上行驶一般不打滑，轮子转一周，汽车向前行驶的距离等于车轮的周长某13国产轿车的车轮半径为 30 cm，当该型号轿车在高速公路上行驶时，驾驶员面前的速率计的指针指在“120 km/h”上，可估算出该车车轮的转速约为( )A1 000 r/min B1 000 r/sC1 000 r/h D2 000 r/h答案 A解析 “120 km/h”指的是车轮边缘的线速度大小，由n可知，nv 2r r/h63 694 r/h18 r/

22、s1 062 r/min，故选120 km/h 2 3.14 30 cm120 000 2 3.14 0.3A.4(多选)甲、乙两个做匀速圆周运动的质点，它们的角速度之比为 31，线速度之比为23，那么下列说法中正确的是( )A它们的半径之比为 29B它们的半径之比为 12C它们的周期之比为 23D它们的周期之比为 13答案 AD解析 由vr，得r， ，A 对，B 错；由T，得T甲T乙v r甲 r乙v甲乙 v乙甲2 92 13，C 错，D 对2 甲2 乙【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】圆周运动各物理量间的比值关系考点二 传动问题5.如图 1 所示，转动方向盘时，方向盘上的P、Q两

23、点的角速度分别为P和Q，线速度大小分别为vP和vQ，则( )图 1APvQ DPQ vPvQ14答案 D解析 P、Q两点绕共同的轴转动，故角速度相同，根据vr可知，P点的线速度大于Q点的线速度，故选 D.6.如图 2 所示是一个玩具陀螺a、b和c是陀螺上的三个点当陀螺绕垂直于地面的轴线以角速度稳定旋转时，下列表述正确的是( )图 2Aa、b和c三点的线速度大小相等Ba、b和c三点的角速度大小相等Ca、b的角速度比c的大Dc的线速度比a、b的大答案 B解析 同一物体上的三点绕同一竖直轴转动，因此角速度相同，c的半径最小，故它的线速度最小，a、b的半径相同，二者的线速度大小相等，故选 B.【考点】

24、传动问题分析【题点】同轴传动问题分析7某变速箱中有甲、乙、丙三个齿轮，如图 3 所示，其半径分别为r1、r2、r3，若甲轮的角速度为，则丙轮的角速度为( )图 3A. B. C. D.r1 r3r3 r1r3 r2r1 r2答案 A解析 各轮边缘各点的线速度大小相等，则有r1r3，所以，故选项 Ar1 r3正确8如图 4 所示的装置中，已知大齿轮的半径是小齿轮半径的 3 倍，A点和B点分别在两轮边缘，C点离大轮轴距离等于小轮半径若不打滑，则它们的线速度之比vAvBvC为( )15图 4A133 B131C331 D313答案 C解析 A、C两点转动的角速度相等，由vr可知，vAvC31；A、B

25、两点的线速度大小相等，即vAvB11，则vAvBvC331.【考点】传动问题分析【题点】传动问题中各物理量的比值关系考点三 圆周运动的周期性9某机器内有两个围绕各自的固定轴匀速转动的铝盘A、B，A盘固定一个信号发射装置P，能持续沿半径向外发射红外线，P到圆心的距离为 28 cm.B盘上固定一个带窗口的红外线信号接收装置Q，Q到圆心的距离为 16 cm.P、Q转动的线速度相同，都是 4 m/s.当P、Q正对时，P发出的红外线恰好进入Q的接收窗口，如图 5 所示，则Q每隔一定时间就能接收到红外线信号，这个时间的最小值应为( )图 5A0.56 s B0.28 sC0.16 s D0.07 s答案

26、A解析 根据公式T可求出，P、Q转动的周期分别为TP0.14 s 和TQ0.08 s，根据2r v题意，只有当P、Q同时转到题图所示位置时，Q才能接收到红外线信号，所以所求的最小时间应该是它们转动周期的最小公倍数，即 0.56 s，所以选项 A 正确【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】对周期和转速的理解及简单计算10.如图 6 所示，一位同学做飞镖游戏，已知圆盘的直径为d，飞镖距圆盘L，且对准圆盘上边缘的A点水平抛出(不计空气阻力)，初速度为v0，飞镖抛出的同时，圆盘绕垂直圆盘过盘心O的水平轴匀速转动，角速度为.若飞镖恰好击中A点，则下列关系正确的是( )16图 6AdL2g v02

27、B(n0,1,2,3)2n1v0LCv0d 2D2(n0,1,2,3)g22n12d答案 B解析 依题意飞镖做平抛运动的同时，圆盘上A点做匀速圆周运动，恰好击中A点，说明A正好在最低点被击中，则A点转动的时间t(n0,1,2,3)，平抛的时间2n1t，则有(n0,1,2,3，)，B 正确，C 错误；平抛的竖直位移为d，则L v0L v02n1dgt2，联立有d2g2(2n1)2(n0,1,2,3，)，A、D 错误1 21 2【考点】圆周运动与其他运动结合的问题【题点】圆周运动与其他运动结合的多解问题二、非选择题11(描述圆周运动的物理量)一汽车发动机的曲轴每分钟转 2 400 周，求：(1)曲

28、轴转动的周期与角速度(2)距转轴r0.2 m 点的线速度大小答案 (1) s 80 rad/s (2)16 m/s1 40解析 (1)由于曲轴每秒钟转40(周)，周期T s；而每转一周为 2 rad，因此2 400 601 40曲轴转动的角速度240 rad/s80 rad/s.(2)已知r0.2 m，因此这一点的线速度vr800.2 m/s16 m/s.【考点】线速度、角速度、周期(和转速)【题点】线速度、角速度、周期(和转速)的关系12(传动问题)如图 7 所示为皮带传动装置，皮带轮的圆心分别为O、O，A、C为皮带轮17边缘上的点，B为AO连线上的一点，RBRA，RCRA，当皮带轮匀速转动

29、时，皮带与皮带1 22 3轮之间不打滑，求A、B、C三点的角速度大小之比、线速度大小之比图 7答案 223 212解析 由题意可知，A、B两点在同一皮带轮上，因此AB，又皮带不打滑，所以vAvC，故可得CA，vC RCvA 2 3RA3 2所以ABCAAA223.3 2又vBRBBRAA，1 2vA 2所以vAvBvCvAvAvA212.1 2【考点】传动问题分析【题点】综合传动问题13(圆周运动与其他运动的结合)如图 8 所示，半径为R的圆轮在竖直面内绕O轴匀速转动，圆轮最低点距地面的高度为R，轮上a、b两点与O的连线相互垂直，a、b两点均粘有一个小物体，当a点转至最低位置时，a、b两点处的小物体同时脱落，经过相同时间落到水平地面上(不计空气阻力，重力加速度为g)图 8(1)试判断圆轮的转动方向(说明判断理由)(2)求圆轮转动的角速度大小答案 见解析解析 (1)由题意知，a物体做平抛运动，若与b点物体下落的时间相同，则b物体一定做竖直下抛运动，故知圆轮转动方向为逆时针转动(2)a平抛：Rgt21 218b竖直下抛：2Rv0tgt21 2由得v0gR 2又因v0 R由解得.g 2R【考点】圆周运动与其它运动结合的问题【题点】圆周运动与其它运动结合的问题