高考物理总复习 专题 圆周运动中的临界问题探究1 水平面内的匀速圆周运动中的临界问题剖析讲义.doc

水平面内的匀速圆周运动中的临界问题剖析一、考点突破：知识点考纲要求题型说明水平面内的匀速圆周运动中的临界问题1. 掌握水平面内圆周运动向心力的来源；2. 会用极限法分析临界条件；3. 会根据状态的变化判断弹力和静摩擦力的大小及方向变化选择题、计算题属于高频考点，是对弹力和静摩擦力被动性的进一步理解，同时也考查弹力和摩擦力的临界问题二、重难点提示：重点：1. 掌握水平面内圆周运动向心力的来源；2. 会用极限法分析临界条件。难点：会根据状态的变化判断弹力和静摩擦力的大小及方向变化。一、水平面内圆周运动临界产生原因1. 从运动学角度：物体做圆周运动的角速度过大，所需要的向心力过大，物体所受合外力的径向分力不足会出现临界。2. 从动力学角度：外界提供的最大的径向合外力存在最大值或最小值，这就决定了物体做圆周运动的速度就有最大值或最小值，因此出现临界。二、水平面内圆周运动的两种模型1. 圆台转动类小物块放在旋转圆台上，与圆台保持相对静止，如图所示，物块与圆台间的动摩擦因数为，离轴距离为r，圆台对小物块的静摩擦力（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）提供小物块做圆周运动所需的向心力。水平面内，绳拉小球在圆形轨道上运动等问题均可归纳为“圆台转动类”。临界条件：圆台转动的最大角速度max，当max时，小物块脱离圆台轨道。下图均为平台转动类 甲乙丙2. 火车拐弯类如图所示，火车拐弯时，在水平面内做圆周运动，重力mg和轨道支持力n的合力f提供火车拐弯时所需的向心力。圆锥摆、汽车转弯等问题均可归纳为“火车拐弯类”。临界条件：若v，火车拐弯时，既不挤压内轨也不挤压外轨；若v，火车拐弯时，车轮挤压外轨，外轨反作用于车轮的力的水平分量与f之和提供火车拐弯时所需的向心力；若v，火车拐弯时，车轮挤压内轨，内轨反作用于车轮的力的水平分量与f之差提供火车拐弯时所需的向心力。火车转弯问题类变形： 1 2 3 4 5【方法指导】临界问题解题思路1. 确定做圆周运动的物体作为研究对象。2. 确定做圆周运动的轨道平面、圆心位置和半径。3. 对研究对象进行受力分析。哪些力存在临界？（摩擦力、弹力）4. 运用平行四边形定则或正交分解法（取向心加速度方向为正方向）求出向心力f。5. 根据向心力公式，选择一种形式列方程求解。例题1 如图所示，半径为、质量为m的小球用两根不可伸长的轻绳a、b连接，两轻绳的另一端系在一根竖直杆的a、b两点上，a、b两点相距为l，当两轻绳伸直后，a、b两点到球心的距离均为l。当竖直杆以自己为轴转动并达到稳定时（细绳a、b与杆在同一竖直平面内）。求：（1）竖直杆角速度为多大时，小球恰离开竖直杆。（2）小球离开竖直杆轻绳a的张力fa与竖直杆转动的角速度之间的关系。思路分析：（1）小球恰离开竖直杆时，小球与竖直杆间的作用力为零，此时轻绳a与竖直杆间的夹角为，由题意可知sin ，r沿半径：fasin m2r垂直半径：facos mg联立解得2（2）由（1）可知小球恰离开竖直杆时，famg若角速度再增大，小球将离开竖直杆，在轻绳b恰伸直前，设轻绳a与竖直杆的夹角为，此时小球做圆周运动的半径为rlsin 沿半径：fasin m2r垂直半径：facos mg联立解得fam2l当轻绳b恰伸直时，60，此时故有fam2l，此时 2若角速度再增大，轻绳b拉直后，小球做圆周运动的半径为rlsin 60沿半径：fasin 60fbsin 60m2r垂直半径：facos 60fbcos 60mg联立解得：faml2mg，此时2答案：（1）2 （2）02时，famg； 2时，fam2l；2时，faml2mg例题2 如图所示，两个用相同材料制成的靠摩擦转动的轮a和b水平放置，两轮半径ra2rb，当主动轮a匀速转动时，在a轮边缘放置的小木块恰能相对静止在a轮边缘上。若将小木块放在b轮上，欲使木块相对b轮也静止，则木块距b轮转轴的最大距离为（）a. b. c. d. rb思路分析：根据a和b靠摩擦转动可知，a和b边缘线速度大小相等，即raarbb，b2a，又根据在a轮边缘放置的小木块恰能相对静止得mgmra，设小木块放在b轮上相对b轮也静止时，距b轮转轴的最大距离为rb，则有：mgmrb，解上面式子可得rb。答案：c【易错警示】易错点：匀速圆周运动与非匀速圆周运动合外力方向的区别满分训练：如图所示，物块p置于水平转盘上随转盘一起运动，图中c方向沿半径指向圆心，a方向与c方向垂直。当转盘逆时针转动时，下列说法正确的是（ ）a. 当转盘匀速转动时，p受摩擦力方向为cb. 当转盘匀速转动时，p不受转盘的摩擦力c. 当转盘加速转动时，p受摩擦力方向可能为ad. 当转盘减速转动时，p受摩擦力方向可能为b思路分析：圆盘匀速转动时，重力和支持力平衡，合外力（摩擦力）提供圆周运动向心力，故摩擦力方向指向圆心o点，a正确，b错误；当转盘加速转动时，物块p做加速圆周运动，不仅有沿c方向指向圆心的向心力，还有指向a方向的切向力，使线速度大小增