2024高考物理大一轮复习课件 第四章 第3讲 圆周运动

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1.熟练掌握描述圆周运动的各物理量之间的关系.2.掌握匀速圆周运动由周期性引起的多解问题的分析方法.3.会分析圆周运动的向心力来源，掌握圆周运动的动力学问题的分析方法，掌握圆锥摆模型.
考点一　圆周运动的运动学问题
考点二　圆周运动的动力学问题
1.描述圆周运动的物理量
2.匀速圆周运动(1)定义：如果物体沿着圆周运动，并且线速度的大小处处　　　，这种运动叫作匀速圆周运动.(2)特点：加速度大小　　　，方向始终指向　　　，是变速运动.(3)条件：合外力大小　　　、方向始终与　　　方向垂直且指向圆心.
1.匀速圆周运动是匀变速曲线运动.(　　)2.物体做匀速圆周运动时，其线速度是不变的.(　　)3.物体做匀速圆周运动时，其所受合外力是变力.(　　)4.匀速圆周运动的向心加速度与半径成反比.(　　)
1.对公式v＝ωr的理解当ω一定时，v与r成正比.当v一定时，ω与r成反比.
在v一定时，an与r成反比；在ω一定时，an与r成正比.
3.常见的传动方式及特点
例1　如图，A、B两艘快艇在湖面上做匀速圆周运动，在相同时间内，它们通过的路程之比是4∶3，运动方向改变的角度之比是3∶2，则它们A.线速度大小之比为4∶3B.角速度之比为3∶4C.圆周运动的半径之比为2∶1D.向心加速度大小之比为1∶2
考向1　圆周运动物理量的分析和计算
时间相同，路程之比即线速度大小之比，为4∶3，A项正确；由于时间相同，运动方向改变的角度之比即对应扫过的圆心角之比，等于角速度之比，为3∶2，B项错误；线速度之比除以角速度之比等于半径之比，为8∶9，C项错误；由向心加速度an＝ 知，线速度平方之比除以半径之比即向心加速度大小之比，为2∶1，D项错误.
例2　(多选)在如图所示的齿轮传动中，三个齿轮的半径之比为2∶3∶6，当齿轮传动的时候，关于小齿轮边缘的A点和大齿轮边缘的B点，下列说法正确的是A.A点和B点的线速度大小之比为1∶1B.A点和B点的角速度之比为1∶1C.A点和B点的角速度之比为3∶1D.A点和B点的线速度大小之比为1∶3
题图中三个齿轮边缘的线速度大小相等，则A点和B点的线速度大小之比为1∶1，由v＝ωr可知，线速度一定时，角速度与半径成反比，则A点和B点角速度之比为3∶1，故A、C正确，B、D错误.
例3　(多选)如图所示，直径为d的竖直圆筒绕中心轴线以恒定的转速匀速转动.一子弹以水平速度沿圆筒直径方向从左侧射入圆筒，从右侧射穿圆筒后发现两弹孔在同一竖直线上且相距为h，重力加速度为g，则
考向3　圆周运动的多解问题
1.匀速圆周运动的向心力(1)作用效果向心力产生向心加速度，只改变速度的　　　，不改变速度的　　　.(2)大小
(3)方向始终沿半径方向指向　　　，时刻在改变，即向心力是一个变力.
2.离心运动和近心运动(1)离心运动：做圆周运动的物体，在所受合外力突然消失或不足以提供圆周运动所需向心力的情况下，就做　　　　　　　的运动.(2)受力特点(如图)①当F＝0时，物体沿　　方向飞出，做匀速直线运动.②当0ω，则与以ω匀速转动时相比，以ω′匀速转动时A.小球的高度一定降低B.弹簧弹力的大小一定不变C.小球对杆压力的大小一定变大D.小球所受合外力的大小一定变大
对小球受力分析，设弹簧弹力为FT，弹簧与水平方向的夹角为θ，
可知θ为定值，FT不变，则当转速增大后，小球的高度不变，弹簧的弹力不变，A错误，B正确；水平方向当转速较小，杆对小球的弹力FN背离转轴时，则FTcs θ－FN＝mω2r即FN＝FTcs θ－mω2r
当转速较大，FN指向转轴时，则FTcs θ＋FN′＝mω′2r即FN′＝mω′2r－FTcs θ因ω′>ω，根据牛顿第三定律可知，小球对杆的压力不一定变大，C错误；根据F合＝mω2r可知，因角速度变大，则小球所受合外力变大，D正确.
例5　(2022·全国甲卷·14)北京2022年冬奥会首钢滑雪大跳台局部示意图如图所示.运动员从a处由静止自由滑下，到b处起跳，c点为a、b之间的最低点，a、c两处的高度差为h.要求运动员经过c点时对滑雪板的压力不大于自身所受重力的k倍，运动过程中将运动员视为质点并忽略所有阻力，则c点处这一段圆弧雪道的半径不应小于
例6　(2023·辽宁省六校联考)四个完全相同的小球A、B、C、D均在水平面内做圆锥摆运动.如图甲所示，小球A、B在同一水平面内做圆锥摆运动(连接B球的绳较长)；如图乙所示，小球C、D在不同水平面内做圆锥摆运动，但是连接C、D的绳与竖直方向之间的夹角相等(连接D球的绳较长)，则下列说法错误的是A.小球A、B角速度相等B.小球A、B线速度大小相等C.小球C、D所需的向心加速度大小相等D.小球D受到绳的拉力与小球C受到绳的拉力大小相等
例7　如图所示，质量相等的甲、乙两个小球，在光滑玻璃漏斗内壁做水平面内的匀速圆周运动，甲在乙的上方.则A.球甲的角速度一定大于球乙的角速度B.球甲的线速度一定大于球乙的线速度C.球甲的运动周期一定小于球乙的运动周期D.甲对内壁的压力一定大于乙对内壁的压力
例8　如图所示，质量均为m的a、b两小球用不可伸长的等长轻质绳子悬挂起来，使小球a在竖直平面内来回摆动，小球b在水平面内做匀速圆周运动，连接小球b的绳子与竖直方向的夹角和小球a摆动时绳子偏离竖直方向的最大夹角都为θ，重力加速度为g，则下列说法正确的是A.a、b 两小球都是所受合外力充当向心力B.a、b两小球圆周运动的半径之比为tan θ
小球a速度大小变化，只有在最低点时所受合外力充当向心力，而小球b做匀速圆周运动，所受合外力充当向心力，故A错误；
小球a到达最高点时速度为零，将重力正交分解，有Fa＝mgcs θ，故D错误.
考向3　生活中的圆周运动
例9　列车转弯时的受力分析如图所示，铁路转弯处的圆弧半径为R，两铁轨之间的距离为d，内外轨的高度差为h，铁轨平面和水平面间的夹角为α(α很小，可近似认为tan α≈sin α)，重力加速度为g，下列说法正确的是
列车以规定速度转弯时受到重力、支持力的作用，重力和支持力的合力提供向心力，A错误；
若要提高列车过转弯处的速度，则列车所需的向心力增大，故需要增大α，D错误.
1.空中飞椅深受年轻人的喜爱，飞椅的位置不同，感受也不同，关于飞椅的运动，下列说法正确的是A.乘坐飞椅的所有爱好者一起做圆周运动，最外侧的　飞椅角速度最大B.缆绳一样长，悬挂点在最外侧的飞椅与悬挂在内侧的飞椅向心加速度　大小相等C.飞椅中的人随飞椅一起做圆周运动，受重力、飞椅的支持力与向心力D.不管飞椅在什么位置，缆绳长短如何，做圆周运动的飞椅角速度都相同
乘坐飞椅的所有爱好者一起做匀速圆周运动，其角速度相同，故A错误，D正确；根据an＝rω2，由A可知角速度相同，当转动半径越大，向心加速度越大，故悬挂在最外侧飞椅的向心加速度大，故B错误；向心力是由重力和支持力的合力提供的，故C错误.
2.(2021·全国甲卷·15)“旋转纽扣”是一种传统游戏.如图，先将纽扣绕几圈，使穿过纽扣的两股细绳拧在一起，然后用力反复拉绳的两端，纽扣正转和反转会交替出现.拉动多次后，纽扣绕其中心的转速可达50 r/s，此时纽扣上距离中心1 cm处的点向心加速度大小约为A.10 m/s2 B.100 m/s2C.1 000 m/s2 D.10 000 m/s2
根据匀速圆周运动的规律，此时ω＝2πn＝100π rad/s，向心加速度a＝ω2r≈1 000 m/s2，故选C.
3.无级变速箱是自动挡车型变速箱的一种，比普通的自动变速箱换挡更平顺，没有冲击感.如图为其原理图，通过改变滚轮位置实现在变速范围内任意连续变换速度.A、B为滚轮轴上两点，变速过程中主动轮转速不变，各轮间不打滑，则A.从动轮和主动轮转动方向始终相反B.滚轮在B处时，从动轮角速度小于主动轮角速度C.滚轮从A到B，从动轮线速度先增大后减小D.滚轮从A到B，从动轮转速先增大后减小
因为从动轮和主动轮转动方向都和滚轮的转动方向相反，所以从动轮和主动轮转动方向始终相同，A错误；滚轮在B处时，从动轮和主动轮与滚轮接触点的线速度大小相等，此处从动轮的半径大于主动轮的半径，根据v＝ωr可知，从动轮角速度小于主动轮角速度，B正确；
主动轮转速不变，滚轮从A到B，主动轮的半径越来越小，主动轮与滚轮接触点的线速度一直减小，从动轮线速度与滚轮线速度大小相等，故一直减小，C错误；
滚轮从A到B，从动轮线速度一直减小，又因为从动轮半径在变大，又v＝ωr＝2πnr，滚轮从A到B，从动轮转速一直减小，D错误.
4.(2023·广东惠州市调研)如图所示，一根细线下端拴一个金属小球Q，细线穿过小孔(小孔光滑)另一端连接在金属块P上，P始终静止在水平桌面上，若不计空气阻力，小球在某一水平面内做匀速圆周运动(圆锥摆).实际上，小球在运动过程中不可避免地受到空气阻力作用.因阻力作用，小球Q的运动轨迹发生缓慢的变化(可视为一系列半径不同的圆周运动).下列判断正确的是A.小球Q的位置越来越高B.细线的拉力减小C.小球Q运动的角速度增大D.金属块P受到桌面的静摩擦力增大
由于小球受到空气阻力作用，线速度减小，则所需要的向心力减小，小球做近心运动，小球的位置越来越低，故A项错误；
对金属块P，由平衡条件知，P受到桌面的静摩擦力大小等于细线的拉力大小，则静摩擦力减小，故D项错误.
5.如图所示，一个半径为5 m的圆盘正绕其圆心匀速转动，当圆盘边缘上的一点A处在如图所示位置的时候，在其圆心正上方20 m的高度有一个小球(视为质点)正在向边缘的A点以一定的速度水平抛出，取g＝10 m/s2，不计空气阻力，要使得小球正好落在A点，则A.小球平抛的初速度一定是2.5 m/sB.小球平抛的初速度可能是2.5 m/sC.圆盘转动的角速度一定是π rad/sD.圆盘转动的加速度大小可能是π2 m/s2
6.(2023·内蒙古包头市模拟)如图所示，两等长轻绳一端打结，记为O点，并系在小球上.两轻绳的另一端分别系在同一水平杆上的A、B两点，两轻绳与固定的水平杆夹角均为53°.给小球垂直纸面的速度，使小球在垂直纸面的竖直面内做往复运动.某次小球运动到最低点时，轻绳OB从O点断开，小球恰好做匀速圆周运动.已知sin 53°＝0.8，cs 53°＝0.6，则轻绳OB断开前后瞬间，轻绳OA的张力之比为A.1∶1 B.25∶32C.25∶24 D.3∶4
7.(2023·浙江省镇海中学模拟)如图为自行车气嘴灯及其结构图，弹簧一端固定在A端，另一端拴接重物，当车轮高速旋转时，LED灯就会发光.下列说法正确的是A.安装时A端比B端更远离圆心B.高速旋转时，重物由于受到离心力的作　用拉伸弹簧从而使触点接触C.增大重物质量可使LED灯在较低转速下也能发光D.匀速行驶时，若LED灯转到最低点时能发光，则在最高点时也一定能　发光
要使重物做离心运动，M、N接触，则A端应靠近圆心，因此安装时B端比A端更远离圆心，A错误；转速越大，所需向心力越大，弹簧拉伸越长，M、N能接触，灯会发光，不能说重物受到离心力的作用，B错误；
8.(2023·浙江山水联盟联考)如图所示，内壁光滑的空心圆柱体竖直固定在水平地面上，圆柱体的内径为R.沿着水平切向给贴在内壁左侧O点的小滑块一个初速度v0，小滑块将沿着柱体的内壁旋转向下运动，最终落在柱体的底面上.已知小滑块可看成质点，质量为m，重力加速度为g，O点距柱体的底面距离为h.下列判断正确的是A.v0越大，小滑块在圆柱体中运动时间越短B.小滑块运动中的加速度越来越大C.小滑块运动中对圆柱体内表面的压力越来越大D.小滑块落至底面时的速度大小为
小滑块沿着圆柱体表面切向的速度大小不变，所需向心力不变，则小滑块运动中对圆柱体内表面的压力不变，故C错误；
9.(2023·河北张家口市模拟)如图所示，O为半球形容器的球心，半球形容器绕通过O的竖直轴以角速度ω匀速转动，放在容器内的两个质量相等的小物块a和b相对容器静止，b与容器壁间恰好没有摩擦力的作用.已知a和O、b和O的连线与竖直方向的夹角分别为60°和30°，则下列说法正确的是
a、b角速度相等，向心力大小可表示为F＝mω2Rsin α，所以a、b所需向心力大小之比为sin 60°∶sin 30°＝　∶1，A正确；
对b分析可得mgtan 30°＝mω2Rsin 30°，结合对b分析结果，对a分析有mω2Rsin 60°