专题28圆周运动的动力学分析之竖直面及倾斜面内的圆周运动-高三物理一轮复习重难点逐个突破

专题28  圆周运动的动力学分析之竖直面及倾斜面内的圆周运动

考点一   竖直面内的圆周运动

1.“绳、杆”模型

2.竖直面内圆周运动经常考查最高点和最低点，最高点的速度和最低点的速度可以通过动能定理联系起来，所以竖直面内的圆周运动，经常与动能定理联立求解。

1.(2020·全国卷Ⅰ)如图，一同学表演荡秋千．已知秋千的两根绳长均为10 m，该同学和秋千踏板的总质量约为50 kg.绳的质量忽略不计．当该同学荡到秋千支架的正下方时，速度大小为8 m/s，此时每根绳子平均承受的拉力约为(　　)

A．200 N   B．400 N

C．600 N   D．800 N

2．(多选)如图所示，某一玩具汽车以速度先后匀速驶过凹形路面最低点（如图甲）和拱形桥最高点（如图乙），汽车质量，其半径均为，g取，下列说法中正确的是（　　）

A．图甲中汽车对路面的压力大小等于200N

B．图乙中汽车对桥面的压力大小等于100N

C．图甲中当汽车行驶的速度大小一定时，若路面的半径越大，则汽车对路面的压力越大

D．图乙中当汽车行驶的速度大小一定时，若汽车对桥面的压力始终大于0，则桥面的半径越大，汽车对桥面的压力越大

 3．(多选)如图，用长为的轻绳拴着一小球（可视为质点）在竖直平面内做完整的圆周运动，不计空气阻力，重力加速度大小为。下列说法正确的是（　　）

A．小球在最高点时，轻绳的拉力不可能为零

B．小球在最低点时，轻绳的拉力大小一定大于小球的重力大小

C．小球在最高点时，其向心力仅由轻绳的拉力提供

D．小球在最高点的最小速率为

4．如图所示，质量为m的物块，沿着半径为R的半球形金属壳内壁滑下，半球形金属壳竖直固定放置，开口向上，滑到最低点时速度大小为v，若物体与球壳之间的摩擦因数为μ，则物体在最低点时，下列说法正确的是（　　）

A．受到向心力为mg+m       B．受到的摩擦力为μm(g+)

C．受到的摩擦力为μmg       D．受到的合力方向竖直向上

5．(多选)如图所示，质量为m的小球置于内表面光滑的正方体盒子中，盒子的棱长略大于球的直径。某同学拿着这个盒子在竖直面内做半径为R的匀速圆周运动，盒子在运动过程中不发生转动，已知重力加速度为g，盒子经过最高点A时与小球间恰好无作用力。以下说法正确的是（　　）

A．该盒子做匀速圆周运动的线速度为

B．该盒子做匀速圆周运动的周期为

C．盒子经过最低点C时与小球之间的作用力大小为2mg

D．盒子经过与圆心O等高处的B点时，小球对盒子左壁的压力大小为mg

6．(多选)小球质量为m，用长为L的轻质细线悬挂在O点，在O点的正下方处有一钉子P，把细线沿水平方向拉直，如图所示，无初速度地释放小球，当细线碰到钉子的瞬间，设线没有断裂，则下列说法正确的是（　　）

A．小球的角速度突然减小 B．小球的线速度突然减小

C．小球的向心加速度突然增大 D．小球对悬线的拉力突然增大

7．一根不可伸长的轻绳拴着小球（可视为质点）在竖直平面做圆周运动。已知轻绳能够承受的最大拉力为28N，小球的质量m=0.2kg，轻绳的长度=0.4m，重力加速度g取10m/s2，小球通过最高点的速度大小范围是（　　）

A．0≤v<6m/s B．2m/s≤v<4m/s

C．2m/s≤v<6m/s D．2m/s≤v<8m/s

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

C．b小球受到的绳子拉力为

D．a小球运动到最高点时受到的绳子拉力为

9．（2022·全国·高三）(多选)如图所示，粗细均匀的半圆管道内壁光滑，竖直固定在水平面上，上、下端管口切线水平。质量均为的两小球、（直径略小于管道内径），分别以不同的速度从管道下端管口进入管道，到达管道最高点时对管壁的作用力大小相等，离开管道后，球在水平面上的落点到下端管口的距离是的2倍。已知重力加速度大小为，则两球到达管道的最高点时（　　）

A．的速度大小是的2倍      B．对管壁的作用大小为

C．对管壁的作用力竖直向下   D．对管壁的作用力竖直向上

10．(多选)如图所示，竖直面内固定有一个半径为R的光滑圆环，质量为m的珠子穿在环上，正在沿环做圆周运动。已知珠子通过圆环最高点时，对环的压力大小为，则此时珠子的速度大小可能是（　　）

A． B． C． D．

 11．(多选)如图甲所示，小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动。当小球运动到圆形管道的最高点时，管道对小球的弹力与最高点时的速度平方的关系如图乙所示（取竖直向下为正方向）。MN为通过圆心的一条水平线。不计小球半径、管道的粗细，重力加速度为g。则下列说法中正确的是（　　）

A．管道的半径为           B．小球的质量为

C．小球在MN以下的管道中运动时，内侧管壁对小球一定没有作用力

D．小球在MN以上的管道中运动时，外侧管壁对小球一定有作用力

12．（2022·山东·惠民县第一中学高一期末）如图所示，内壁光滑的细圆管用轻杆固定在竖直平面内，其质量为0.22kg，半径为0.5m。质量为0.1kg的小球，其直径略小于细圆管的内径，小球运动到圆管最高点时，杆对圆管的作用力为零，重力加速度的值取。则小球在最高点的速度大小为（       ）

A．2m/s B．4m/s C．6m/s D．8m/s

13．如图所示，在质量为M=2.0kg的电动机飞轮上，固定着一个质量为m=0.5kg的重物，重物到轴的距离为R=0.25m，重力加速度g=10m/s2。当电动机飞轮以某一角速度匀速转动时，电动机恰好不从地面上跳起，则电动机对地面的最大压力为（　　）

A．30N B．40N C．50N D．60N

14．（2023·全国·高三专题练习）杂技演员在做水流星表演时，用绳系着装有水的小桶可视为质点在竖直平面内做圆周运动，当小桶运动到最高点时，水恰好不流出来。已知最高点距地面的高度为h=1.8m，若水的质量m=0.5kg，绳长l=90cm，绳长为L，空气阻力忽略不计，重力加速度g取。

（1）求小桶在最高点时的速度大小；

（2）如果小桶运动到最高点时杂技演员突然脱手，求小桶落地时与演员之间的水平距离为多少；

（3）若在最高点时水桶的速率v=3m/s，求水对桶底的压力大小。

15．如图所示，用长为的轻绳把一个小铁球挂在离水平地面高为的点，小铁球以为圆心在竖直面内做圆周运动且恰好能到达最高点A处，不计空气阻力，重力加速度为，若运动到最高点时轻绳被切断，求

（1）小铁球落到地面时速度的大小；

（2）小铁球刚落到地面时离点距离。

16.如图所示，质量为的小物体从A点以vA5.0m/s的初速度沿粗糙的水平面匀减速运动距离s1.0m到达B点vB2m/s，然后进入半径R0.4m竖直放置的光滑半圆形轨道，小物体恰好通过轨道最高点C后水平飞出轨道，重力加速度g取10m/s2。求：

（1）粗糙水平面的动摩擦因μ；

（2）小物体在B处对圆形轨道压力的大小FN；

（3）从轨道最高点C水平飞出后落在距B点的距离x。

17．（2022·山东烟台·高一期末）某滑雪场赛道如图所示，倾斜赛道MN与光滑圆弧赛道NP相切于N点，圆弧赛道的半径R=5m，所对应的圆心角，P点末端切线水平，倾斜赛道PQ足够长。一质量为m=60kg的滑雪运动员从MN赛道上A点由静止开始滑下，从圆弧轨道P点沿切线飞出，落在PQ赛道的B点，已知在MN赛道下滑过程中运动员与赛道间的动摩擦因数，A、N两点间距，PQ赛道与水平方向的夹角，空气阻力不计，，，，求：

（1）运动员到达N点时的速度大小；

（2）运动员到达P点时对轨道的压力大小；

（3）运动员落在B点时的动能。

18．（2022·青海·模拟预测）如图所示，光滑水平桌面上有一小球，小球的质量m=1.0kg，小球初始位置a点距桌子右边缘处A点的距离x=0.5m；在桌子右侧竖直面内有一光滑不完整圆轨道，其圆心O和水平桌面在同一水平线上，且AOC在同一直线上，C点是水平线AO延长线与轨道的交点，B为轨道的一个端口，OB与竖直线夹角为37°，A点与B点的高度差为h=0.2m，现用恒力F水平向右拉小球，小球从静止开始运动，小球运动到桌子边缘处A点时撤去F，此后小球恰好从B点无任何碰撞进入圆轨道，已知重力加速度g=10m/s2，求：（计算结果均保留两位小数）

（1）小球进入B点时速度大小。

（2）水平拉力F的大小。

（3）小球在C点对轨道的压力。

考点二  倾斜面内的圆周运动

物体在斜面上做圆周运动时，如下图所示，设斜面的倾角为θ，重力垂直斜面的分力与物体受到的支持力相等，物体运动到斜面任意位置时由斜面内指向圆心方向的合力提供向心力．

19．如图所示，一倾斜的匀质圆盘绕垂直于盘面的固定对称轴以恒定角速度ω转动，盘面上离转轴距离2.5m处有一小物体与圆盘始终保持相对静止。物体与盘面间的动摩擦因数为0.8（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力），盘面与水平面的夹角为37°，g取。则ω的最大值是（　　）

A．0.5rad/s B．0.4rad/s C．0.3rad/s D．0.2rad/s

20．（2023·全国·高三专题练习）如图所示，一倾角为θ＝30°的斜劈静置于粗糙水平面上，斜劈上表面光滑，一轻绳的一端固定在斜面上的O点，另一端系一小球。在图示位置垂直于绳给小球一初速度，使小球恰好能在斜面上做圆周运动。已知O点到小球球心的距离为l，重力加速度为g，整个过程中斜劈静止，下列说法正确的是（　　）

A．小球在顶端时，速度大小为

B．小球在底端时，速度大小为

C．小球运动过程中，地面对斜劈的摩擦力大小不变

D．小球运动过程中，地面对斜劈的支持力等于小球和斜劈的重力之和

考点三    竖直面圆周运动中小球的不脱轨问题

“小球在下图所示的轨道中运动时不脱离圆轨道运动”所包含的两种情况：

(1)小球通过最高点并完成圆周运动，这种情况下最高点的速度要满足v>。

(2)小球没有通过最高点，但没有脱离圆轨道，这种情况下小球最高上升到与圆心等高位置处然后原路返回。

21．（2022·全国·高三课时练习）如图所示，半径为R、内壁光滑的硬质圆环固定在地面上，有一质量为m、可视为质点的光滑小球在圆环的底端，现给小球一个初速度v，下列说法中正确的是（　　）

A．小球能上升的最大高度一定等于

B．无论v多大，小球上升的最大高度不超过

C．要使小球一直不脱离圆环，v的最小速度为

D．若小球能到达圆环最高点，则在最高点的速度大小可以等于零

22．如图所示，固定在竖直面内的两个半圆形光滑轨道分别与粗糙程度均匀的水平面上A，B两点相切，A、B之间距离为2m，其中左侧半圆轨道半径为2m，右侧半圆轨道半径为0.3m。P是左侧轨道上一点，OP与竖直方向夹角θ=53°，一个质量为1kg、可当作质点的小滑块从左侧轨道P点由静止释放。已知重力加速度g取10m/s2，cos53°=0.6，求：

（1）小滑块第一次滑至圆弧轨道末端A点时所受的支持力；

（2）讨论小滑块与水平面的动摩擦因数满足怎样的条件，才能使得小滑块能够进入右侧半圆轨道且第一次在右侧半圆轨道上滑动过程中中途不脱离轨道。