圆周运动的三种模型

第 1 页 圆周运动的三种模型 一 一 圆锥摆模型 圆锥摆模型 如图所示 摆球的质量为 m 摆线长度为 L 摆动后摆球做圆周运动 摆线与竖直方向成 角 对小球受 力分析 正交分法解 得 竖直方向 水平方向 FX 最终得 F合 用力的合成法得 F合 半径 r 圆周运动 F向 由 F合 F向可得 V 圆锥摆是物理学中一个基本模型 许多现象都含有这个模型 分析方法同样适用自行车 摩托车 火车转弯 飞机在水平面内做匀速圆周飞行等在水平面内的匀速圆周运动的问题 共同点是由重力和 弹力的合力提供向心力 向心力方向水平 1 小球在半径为 R 的光滑半球内做水平面内的匀速圆周运动 试分析图中 小球与半球球心连线跟竖直方 向的夹角 与线速度 V 周期 T 的关系 小球的半径远小于 R 2 如图所示 用一根长为l 1m 的细线 一端系一质量为m 1kg 的小球 可视为质点 另一端固定在一光 滑锥体顶端 锥面与竖直方向的夹角 37 当小球在水平面内绕锥体的轴做匀速圆周运动的角速度为 时 细线的张力为T 求 取g 10m s2 结果可用根式表示 1 若要小球离开锥面 则小球的角速度 0至少为多大 2 若细线与竖直方向的夹角为 60 则小球的角速度 为多大 第 2 页 二 轻绳模型二 轻绳模型 一 轻绳模型的特点 1 轻绳的质量和重力不计 2 只能产生和承受沿绳方向的拉力 二 轻绳模型在圆周运动中的应用 小球在绳的拉力作用下在竖直平面内做圆周运动的临界问题 1 临界条件 小球通过最高点 绳子对小球刚好没有力的作用 由重力提供向心力 v临界 2 小球能通过最高点的条件 v v临界 此时 绳子对球产生 力 3 不能通过最高点的条件 v v临界 实际上小球还没有到最高点时 就脱离了轨道 练习练习 质量为 m 的小球在竖直平面内的圆形轨道的内侧运动 经过最高点而不脱离轨道的临界速度为 v 当小球以 2v 的速度经过最高点时 对轨道的压力是 A 0 B mg C 3mg D 5mg 三三 轻杆模型 轻杆模型 一 轻杆模型的特点 1 轻杆的质量和重力不计 2 能产生和承受各方向的拉力和压力 二 轻杆模型在圆周运动中的应用 轻杆的一端连着一个小球在竖直平面内做圆周运动 小球通过最高点时 轻杆对小球产生弹力的情况 1 小球能通过最高点的最小速度 v 此时轻杆对小球的作用力 N N 为 力 2 当 轻杆对小球的作用力 N 0 R v m 2 临临 gRv 临临 3 当 即 0 vv临界 时 有 轻杆对小球的作用力 N 为 力 R v m 2 练习练习 半径为 R 0 5m 的管状轨道 有一质量为 m 3kg 的小球在管状轨道内部做圆周运动 通过最高点时小球的速率 是 2m s g 10m s2 则 A 外轨道受到 24N 的压力 B 外轨道受到 6N 的压力 C 内轨道受到 24N 的压力 D 内轨道受到 6N 的压力 第 3 页 一 轻绳模型 一 轻绳模型的特点 1 轻绳的质量和重力不计 2 只能产生和承受沿绳方向的拉力 二 轻绳模型在圆周运动中的应用 小球在绳的拉力作用下在竖直平面内做圆周运动的临界问题 1 临界条件 小球通过最高点 绳子对小球刚好没有力的作用 由重力提供向心力 2 小球能通过最高点的条件 当 时 绳子对球产生拉力 3 不能通过最高点的条件 实际上小球还没有到最高点时 就脱离了轨道 例 质量为 m 的小球在竖直平面内的圆形轨道的内侧运动 经过最高点而不脱离轨道的临界速度为 v 当小球 以 2v 的速度经过最高点时 对轨道的压力是 A 0 B mg C 3mg D 5mg 分析 内侧轨道只能对小球产生向下的压力 其作用效果同轻绳一样 所以其本质是轻绳模型 当小球经过最高点的临界速度为 v 则 当小球以 2v 的速度经过最高点时 轨道对小球产生了一个向下的压力 N 则 因为 所以 根据牛顿第三定律 小球对轨道压力的大小也是 故选 c 二 轻杆模型 第 4 页 一 轻杆模型的特点 1 轻杆的质量和重力不计 2 能产生和承受各方向的拉力和压力 二 轻杆模型在圆周运动中的应用 轻杆的一端连着一个小球在竖直平面内做圆周运动 小球通过最高点时 轻杆对小球产生弹力的情况 1 小球能通过最高点的临界条件 v 0 N mg N 为支持力 2 当 时 有 N 为支持力 3 当 时 有 N 0 4 当 时 有 N 为拉力 例 半径为 R 0 5m 的管状轨道 有一质量为 m 3kg 的小球在管状轨道内部做圆周运动 通过最高点时小球的 速率是 2m s g 10m s2 则 A 外轨道受到 24N 的压力 B 外轨道受到 6N 的压力 C 内轨道受到 24N 的压力 D 内轨道受到 6N 的压力 分析 管状轨道对小球既有支持力又有压力 所以其本质属于杆模型 当小球到最高点轨道对其作用力为零时 有 则 2m s 所以 内轨道对小球有向上的支持力 则有 代入数值得 N 6N 根据牛顿第三定律 小球对内轨道有向下的压力大小也为 6N 故选 D 三 圆锥摆模型 圆锥摆模型在圆周运动中的应用 第 5 页 如图所示 摆球的质量为 m 摆线长度为 L 摆动后摆线与竖直方向成 角 则 分析 摆球在水平面上做匀速圆周运动 加速度必定指向圆心 依据牛顿第二定律 对摆球受力分析 得 圆锥摆是物理学中一个基本模型 许多现象都含有这个模型 例 小球在半径为 R 的光滑半球内做水平面内的匀速圆周运动 试分析图中 小球与半球球心连线跟竖直 方向的夹角 与线速度 V 周期 T 的关系 小球的半径远小于 R 分析 小球做匀速圆周运动的圆心在和小球等高的水平面上 向心力是重力和支持力的合力 所以是一个圆锥 摆模型 则 由此可得 本题是一个圆锥摆模型 分析方法同样适用自行车 摩托车 火车转弯 飞机在水平面内做匀速圆周飞行等 在水平面内的匀速圆周运动的问题 共同点是由重