高中物理必修二科学思维系列-竖直平面内的圆周运动模型

1、科学思维系列竖直平面内的圆周运动模型物体在竖直平面内的圆周运动是典型的变速圆周运动，一般情况下只讨论最高点和最低点的情况模型1轻绳模型如图所示，细绳系的小球或在光滑轨道内侧运动的小球，在最高点时的临界状态为只受重力，即mgeq f(mv2,r)，则veq r(gr).在最高点时：veq r(gr)时，拉力或压力为零veq r(gr)时，物体受向下的拉力或压力v2.24 m/s，水桶能过最高点，此时桶底对水有一向下的压力，设为FN，则由牛顿第二定律有：FNmgmeq f(v2,l)代入数据可得：FN4 N由牛顿第三定律可得水对桶底的压力：FN4 N.【答案】(1)2.24 m/s(2)4 N变式

2、训练1如图所示，在竖直平面内有一半径为R的半圆形轨道，最高点为P点，现让一小滑块(可视为质点)从水平地面上向半圆形轨道运动，下列关于小滑块运动情况的分析，正确的是()A若vP0，小滑块恰能通过P点，且离开P点后做自由落体运动B若vP0，小滑块能通过P点，且离开P点后做平抛运动C若vPeq r(gR)，小滑块恰能到达P点，且离开P点后做自由落体运动D若vPeq r(gR)，小滑块恰能到达P点，且离开P点后做平抛运动解析：要使物体能通过最高点，则由mgmeq f(v2,R)可得：vPeq r(gR)，即若速度小于eq r(gR)，由于重力大于物体需要的向心力，物体将做“向心”运动，物体将离开轨道，

3、无法达到最高点，若大于等于eq r(gR)，则可以通过最高点做平抛运动，选项D正确答案：D变式训练2如图所示，游乐场翻滚过山车上的乘客常常会在高空倒悬时吓得魂飞魄散设想如下数据，轨道最高处离地面32 m，最低处几乎贴地，圆环直径15 m，过山车经过最高点时的速度约18 m/s.在这样的情况下能否保证乘客的安全呢？(g取10 m/s2)解析：要保证乘客安全，过山车能通过最高点时的最小速度为临界速度此时圆形轨道对过山车的作用力为零，重力提供向心力，则有mgeq f(mv2,R)，可得veq r(gR)5eq r(5) m/s由5eq r(5) m/s18 m/s可知，这种情况下过山车和人一定能安全

4、地通过顶点，绝对安全，不必担心答案：绝对安全模型2轻杆模型如图所示，在细轻杆上固定的小球或在管形光滑轨道内运动的小球，由于杆和管能对小球产生向上的支持力，所以小球能在竖直平面内做圆周运动的条件是：在最高点的速度大于或等于零在最高点小球的受力情况为：v0时，小球受向上的支持力FNmg.0veq r(gr)时，小球受向上的支持力FN满足0FNeq r(gr)时，小球受向下的拉力或压力，并且随速度的增大而增大即杆类的临界速度为v临0.【典例2】如图所示，长为L0.5 m的轻杆OA绕O点在竖直面内做匀速圆周运动，A端连着一个质量为m2 kg的小球，g取10 m/s2.(1)如果在最低点时小球的速度为3

5、 m/s，杆对小球的拉力为多大？(2)如果在最高点杆对小球的支持力为4 N，杆旋转的角速度为多大？【解析】(1)小球在最低点受力如图甲所示，合力提供向心力，则F1mgmeq f(v2,L)，解得F156 N.(2)小球在最高点受力如图乙所示，则mgF2m2L，解得4 rad/s.【答案】(1)56 N(2)4 rad/s变式训练3(多选)如图所示，A是用轻绳连接的小球，B是用轻杆连接的小球，两球都在竖直面内做圆周运动，且绳、杆长度L相等忽略空气阻力，下列说法中正确的是()AA球通过圆周最高点的最小速度是eq r(gL)BB球通过圆周最高点的最小速度为零CB球到最低点时处于超重状态DA球在运动过

6、程中所受的合外力的方向总是指向圆心解析：A球在最高点的临界情况是绳子拉力为零，根据mgeq f(mv2,L)，可知在最高点的最小速度为eq r(gL)，由于杆可以提供拉力，也可以提供支持力，所以B球在最高点的最小速度为零，故A、B正确；在最低点时，B球的加速度方向向上，处于超重状态，故C正确；A球做变速圆周运动，只在最高点和最低点的合力方向指向圆心，故D错误答案：ABC变式训练4(多选)如图所示，有一个半径为R的光滑圆管道，现给小球一个初速度，使小球在竖直面内做圆周运动，则关于小球在最高点时的速度v，下列叙述中正确的是()Av的极小值为eq r(gR)Bv由零逐渐增大，管道对球的弹力逐渐增大C

7、当v由eq r(gR)逐渐增大时，管道对小球的弹力也逐渐增大D当v由eq r(gR)逐渐减小时，管道对小球的弹力逐渐增大解析：小球在最高点，管道对小球的作用力可以向上，可以向下，所以v的最小值为零，故A错误当veq r(gR)时，根据牛顿第二定律得mgFNeq f(mv2,R)，可得管道对球的作用力FN0；当veq r(gR)时，管道对小球的作用力方向向下，根据牛顿第二定律得mgFNmeq f(v2,R)，当v由eq r(gR)逐渐增大时，管道对小球的弹力也逐渐增大，故C、D正确，B错误答案：CD方法技巧竖直平面内圆周运动的分析方法竖直面内圆周运动过顶点的问题关键在于能不能过顶点，能过顶点的条件下物体的受力情况究竟是怎样的下面是竖直面内圆周运动的求解思路：(1)确定模型：首先判断是轻绳模型还是轻杆模型，两种模型过最高点的临界条件不同，其原因主要是“绳”不能支持物体，而“杆”既能支持物体，也能拉物体(2)确定临界点：v临eq r(gr)，对轻绳模型来说是能否通过最高点