5.8圆周运动中临界极值问题（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理

这是一份5.8圆周运动中临界极值问题（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理，共17页。试卷主要包含了0m/s2，7mg=mv2/R,R=0等内容，欢迎下载使用。
第5.8 讲 圆周运动中的临界极值问题
【知识点精讲】
圆周运动中的两类临界问题
1．与摩擦力有关的临界极值问题
物体间恰好不发生相对滑动的临界条件是物体间恰好达到最大静摩擦力．
(1)如果只是摩擦力提供向心力，则最大静摩擦力Fm＝eq \f(mv2,r)，静摩擦力的方向一定指向圆心．
(2)如果除摩擦力以外还有其他力，如绳两端连接物体随水平面转动，其中一个物体存在一个恰不向内滑动的临界条件和一个恰不向外滑动的临界条件，分别为静摩擦力达到最大且静摩擦力的方向沿半径背离圆心和沿半径指向圆心．
2．与弹力有关的临界极值问题
(1)压力、支持力的临界条件是物体间的弹力恰好为零．
(2)绳上拉力的临界条件是绳恰好拉直且其上无弹力或绳上拉力恰好为最大承受力．
【方法归纳】
1.审题时，要看题述是否有“恰好”、“刚好”、“取值范围”、“最大值”、“最小值”等，是否存在临界条件和极值问题。
2. 解决圆周运动中的临界极值问题的一般思路是：首先分析临界条件时物体所处的状态，及该状态下的受力特点，然后利用牛顿运动定律和圆周运动知识列方程解答。
【最新高考题精练】
1.（2018年11月浙江选考物理）一质量为2.0×103kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104N，当汽车经过半径为80m的弯道时，下列判断正确的是更多课件 教案 视频 等优质滋源请 家 威杏 MXSJ663 第9题图
A. 汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力
B. 汽车转弯的速度为20m/s时所需的向心力为1.4×104N
C. 汽车转弯的速度为20m/s时汽车会发生侧滑
D. 汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0m/s2
【参考答案】D
【名师解析】分析受力只能分析性质力，不能添加效果力，所以汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力，选项A错误；由F=m=2.0×103×N=1.0×104N，选项B错误；汽车转弯的速度为20m/s时，所需向心力1.0×104N，小于路面可提供的最大静摩擦力1.4×104N，汽车不会发生侧滑，选项C错误；由fmax=ma，解得a=7.0m/s2，即汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0m/s2，选项D正确。
2.（2017年11月浙江选考）如图所示，照片中的汽车在水平路面上做匀速圆周运动，已知图中双向四车道的总宽度约为15m，内车道边缘间最远的距离为150m。假设汽车受到的最大静摩擦力等于车重的0.7倍，则运动的汽车
A、所受的合力可能为零
B、只受重力和地面的支持力作用
C、最大速度不能超过25m/s
D、所需的向心力由重力和支持力的合力提供
【参考答案】C
【名师解析】汽车在水平路面上做匀速圆周运动，受到重力、支持力和摩擦力，重力和地面的支持力平衡，摩擦力提供向心力，由0.7mg=mv2/R,R=0.5×150m+15m=90m，联立解得最大速度v=25m/s，选项C正确。
3.（2017年4月浙江选考）图中给出了一段“S”形单行盘山公路的示意图。弯道1、弯道2可看作两个不同水平面上的圆弧，圆心分别为O1、O2，弯道中心线半径分别为r1=10m，r2=20m，弯道2比弯道1高h=12m，有一直道与两弯道圆弧相切。质量m=1200kg的汽车通过弯道时做匀速圆周运动，路面对轮胎的最大径向静摩擦力时车重的1.25倍，行驶时要求汽车不打滑。（sin37°=0.6，sin53°=0.8）
（1）求汽车沿弯道1中心线行驶时的最大速度v1；
（2）汽车以v1进入直道，以P=30kW的恒定功率直线行驶了t=8.0s进入弯道2，此时速度恰为通过弯道中心线的最大速度，求直道上除重力以外的阻力对汽车做的功；
（3）汽车从弯道1的A点进入，从同一直径上的B点驶离，有经验的司机会利用路面宽度，用最短时间匀速安全通过弯道。设路宽d=10m，求此最短时间（A、B两点都在轨道中心线上，计算时视汽车为质点）。
【运动情景分析】汽车在两个水平面内的弯道上做匀速圆周运动和倾斜直道上变速运动。此题存在两个临界状态（径向静摩擦力达到最大值，轨迹与弯道内侧相切），要注意应用轨迹图的几何关系。
【思路分析】（1）当路面对轮胎的径向静摩擦力达到最大时，最大径向静摩擦力等于向心力。列出方程得到汽车沿弯道1中心线行驶时的最大速度v1和沿弯道1中心线行驶时的最大速度v2。
（2）利用动能定理列方程得出直道上除重力以外的阻力对汽车做的功。
（3）画出汽车从弯道1的A点进入，从同一直径上的B点驶离的最短轨迹图，利用几何关系得出轨迹半径，利用最大径向静摩擦力等于向心力得出运动速度，然后应用速度公式得出运动的最短时间。
【考点】本题主要考察知识点：水平面内圆周运动临街问题，能量守恒
【规范解析】（1）设汽车在弯道1的最大速度v1，有：kmg=m
解得：v1=5m/s。
（2）设汽车在弯道2的最大速度v2，有：kmg=m
解得：v2=5m/s。
汽车在直道上运动，由动能定理：Pt-mgh+Wf=mv22-mv12。
代入数据可得：Wf=-2.1×104J。
（3）设汽车在弯道2按照最短时间行驶的最大速度v，轨迹半径为r’，有：kmg=m
解得：v=。
由此可知，轨迹半径r增大v增大，r最大，AB弧长最小，对应时间最短，所以轨迹设计应如下图所示。
由图可以得到：r’2= r12+[r’-（r1-d/2）]2
代入数据可以得到r’=12.5m
汽车沿着该路线行驶的最大速度：v==12.5m/s
由sinθ==0.8，则对应的圆心角2θ=106°
线路长度：s=×2πr’=23.1m。
最短时间：t‘=s/v=1.8s。
【总结】对于圆周运动，主要运用的知识点是圆周运动规律和牛顿运动定律。解答圆周运动问题一般是根据题述情景画出轨迹图，根据图中的几何关系可得出根据半径；利用合外力提供向心力列方程可得出待求量。
4．（2015·江苏）一转动装置如图所示，四根轻杆OA、OC、AB和CB与两小球以及一小环通过铰链连接，轻杆长均为l，球和环的质量均为m，O端固定在竖直的轻质转轴上，套在转轴上的轻质弹簧连接在O与小环之间，原长为L，装置静止时，弹簧长为，转动该装置并缓慢增大转速，小环缓慢上升。弹簧始终在弹性限度内，忽略一切摩擦和空气阻力，重力加速度为g，求：
（1）弹簧的劲度系数k；
（2）AB杆中弹力为零时，装置转动的角速度ω0；
（3）弹簧长度从缓慢缩短为的过程中，外界对转动装置所做的功W。
【名师解析】：（1）装置静止时，设、杆中的弹力分别为、，杆与转轴的夹角为.
小环受到弹簧的弹力
小环受力平衡
小球受力平衡；
解得。
（2）设、杆中的弹力分别为、，杆与转轴的夹角为 ，弹簧长度为.
小环受到弹簧的弹力
小环受力平衡
解得：
对小球：；
且
解得。
（3）弹簧长度为时，设、杆中的弹力分别为、，杆与弹簧的夹角为.
小环受到弹簧的弹力
小环受力平衡 且
对小球,
解得。
整个过程弹簧弹性势能变化为零，则弹力做的功为零，由动能定理
解得。
【最新模拟题精练】
1.（2022浙江台州高一质检）14. 如图所示的杂技演员在表演水流星的节目时，手持两端系有盛水的杯子的绳子中点在竖直平面内做圆周运动，若两只杯子内盛水的质量相等，当一只杯子在最高点时水恰好洒不出来，这时另一只杯子中的水对杯底的压力大小是水的重力的（ ）
A. 2倍
B. 4倍
C. 5倍
D. 6倍
【参考答案】A
【名师解析】
杯子在最高点，设速度为v时水恰好洒不出来，则有水的重力提供其做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律可得
解得
则在最低点的杯子的速度大小也为，在最低点，由牛顿第二定律可得
由牛顿第三定律可知，最低点杯子中的水对杯底的压力大小是
则有
A正确，BCD错误。
2.（2021重庆模拟6）如题图1所示为“铁笼飞车”的特技表演,据其抽象出来的理想模型为如题图2所示的内壁光滑的圆球,其中a、b、c分别表示做圆周运动时的不同轨道,a轨与b轨均水平,c轨竖直,一质点在球内绕其光滑内壁做圆周运动时,下列有关说法正确的是（ ）
A.沿a轨可能做变速圆周运动
B.沿c轨运动的最小速度为0
C.沿a轨运动的速度比沿b轨运动的速度大
D.沿a轨运动的周期比沿b轨运动的周期大
【参考答案】AD
【名师解析】沿a轨可能做变速圆周运动，选项A正确；沿c轨运动属于绳模型，在最高点的最小速度为，选项B错误；与mgtanθ=mv2/r，r=Rsinθ，联立解得：v2=gRsinθtanθ，所以沿a轨运动的速度比沿b轨运动的速度小，由T=2πr/v可得T=2π，可知，沿a轨运动的速度比沿b轨运动的速度大，选项D正确。
3.（2023安徽合肥名校联考）图示为运动员在水平道路上转弯的情景，转弯轨迹可看成一段半径为R的圆弧，运动员始终与自行车在同一平面内。转弯时，只有当地面对车的作用力通过车(包括人)的重心时，车才不会倾倒。设自行车和人的总质量为M，轮胎与路面间的动摩擦因数为μ，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g。下列说法正确的是
A．车受到地面的支持力方向与车所在平面平行
B．转弯时车不发生侧滑的最大速度为
C．转弯时车与地面间的静摩擦力一定为μMg
D．转弯速度越大，车所在平面与地面的夹角越小
【参考答案】BD
【命题意图】此题以运动员在水平道路上转弯的为情景，考查水平面内的匀速圆周运动，摩擦力及其相关知识点。
【解题思路】车受到地面的支持力方向与车所在平面垂直，选项A错误；由μmg=m,解得转弯时车不发生侧滑的最大速度为v=，选项B正确；转弯时车与地面间的静摩擦力一定小于或等于最大静摩擦力μMg，选项C错误；转弯速度越大，所需向心力越大，车所在平面与地面的夹角越小，选项D正确。
【易错警示】解答此类题一定要注意静摩擦力与最大静摩擦力的区别，静摩擦力小于或等于最大静摩擦力。
4. （2023吉林长春高一期末）若将短道速滑运动员在弯道转弯的过程看成在水平冰面上的一段匀速圆周运动，转弯时冰刀嵌入冰内从而使冰刀受与冰面夹角为（蹬冰角）的支持力，不计一切摩擦，弯道半径为R，重力加速度为g。以下说法正确的是（ ）
A. 地面对运动员的作用力与重力与重力大小相等
B. 武大靖转弯时速度的大小为
C. 若武大靖转弯速度变大则需要减小蹬冰角
D 武大靖做匀速圆周运动，他所受合外力保持不变
【参考答案】BC
【名师解析】
地面对运动员的作用力与重力的合力提供向心力，则地面对运动员的作用力大于重力，故A错误；
由题意可知，武大靖转弯时，根据牛顿第二定律有
可得其转弯时速度的大小为
故B正确；
武大靖转弯时速度的大小为
若减小蹬冰角，则减小，武大靖转弯速度将变大，故C正确；
武大靖做匀速圆周运动，他所受合外力始终指向圆心，大小不变，方向变化，故D错误。
5. 如图所示，一质量为m的小孩(可视为质点)做杂技表演。一不可伸长的轻绳一端固定于距离水平安全网高为H的O点，小孩抓住绳子上的P点从与O点等高的位置由静止开始向下摆动，小孩运动到绳子竖直时松手离开绳子做平抛运动，落到安全网上。已知P点到O点的距离为l(0eq \r(\f(Kg,2L))，绳子一定有弹力
C．ω在eq \r(\f(Kg,2L))