- 向心力
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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( )
正确答案
解析
解:设小球在最低点的速度为v,
B、当细线碰到钉子的瞬间,小球的动能是状态量,不会发生变化,所以小球的瞬时速度不会变化,选项B错误.
A、小球的速度不变,细线碰到钉子的瞬间,半径由L变为,由公式ω=
可知小球的角速度突然增大,选项A正确.
C、小球的速度不变,细线碰到钉子的瞬间,半径由L变为,由公式a=
可知小球的向心加速度突然变大,选项C错误.
D、小球的速度不变,细线碰到钉子的瞬间,半径由L变为,由公式T=m
+mg可知小球对悬线的拉力变大,选项D错误.
故选:A
如图所示,质量为m的小球固定在长为L的细轻杆的一端,绕细杆的另一端O在竖直平面内做圆周运动,球转到最高点A时,线速度的大小为
,此时( )
正确答案
解析
解:设此时杆对小球的作用力为拉力,则有:
T+mg=m
解得:T=-
负号说明力的方向与假设相反,即球受到的力为杆子的支持力
根据牛顿第三定律可知:杆受到的压力,故B正确.
故选B
如图所示,水平转盘上放有质量为m的小物块,连接小物块和转轴的细绳的长度为r,小物块和转盘间的最大静磨擦力是其正压力的μ倍.开始时,细绳刚好处于拉直状态(绳上无张力).求:
(1)当转盘的角速度ω1=时,细绳的拉力F1的大小;
(2)当转盘的角速度ω2=时,细绳的拉力F2的大小?
正确答案
解:设转动过程中小物块与盘间恰好达到最大静摩擦力时转动的角速度为ω0,此时辔的张力恰好为零,则根据牛顿第二定律得:
解得:
(1)因为<ω0,所以小物块所需向心力小于小物块与盘间的最大摩擦力,则小物块与盘产生的摩擦力还未达到最大静摩擦力,细绳的拉力仍为0,即F1=0
(2)因为>ω0,所以小物块所需向心力大于小物块与盘间的最大静摩擦力.
由牛顿第二定律得:
解得:
答:(1)当转盘的角速度ω1=时,细绳的拉力F1的大小是0;
(2)当转盘的角速度ω2=时,细绳的拉力F2的大小是
.
解析
解:设转动过程中小物块与盘间恰好达到最大静摩擦力时转动的角速度为ω0,此时辔的张力恰好为零,则根据牛顿第二定律得:
解得:
(1)因为<ω0,所以小物块所需向心力小于小物块与盘间的最大摩擦力,则小物块与盘产生的摩擦力还未达到最大静摩擦力,细绳的拉力仍为0,即F1=0
(2)因为>ω0,所以小物块所需向心力大于小物块与盘间的最大静摩擦力.
由牛顿第二定律得:
解得:
答:(1)当转盘的角速度ω1=时,细绳的拉力F1的大小是0;
(2)当转盘的角速度ω2=时,细绳的拉力F2的大小是
.
如图所示,小球沿水平面以初速v0通过O点进入半径为R的竖直半圆弧轨道,不计一切阻力,则( )
正确答案
解析
解:A、球进入竖直半圆轨道后,随着高度的上升,重力势能增加,根据机械能守恒定律可知,其动能减小,速率减小,做变速圆周运动,故A错误.
B、若小球能通过半圆弧最高点P,小球所受的合力不为零,提供向心力,则球在P点受力不平衡.故B错误.
C、小球恰好通过P点,则有mg=m,vP=
设小球的初速度为v.由机械能守恒定律得:mg•2R+=
,联立解得 v=
由于v0=3>v,所以小球一定能通过P点,故C正确.
D、若小球恰能通过半圆弧最高点P,之后做平抛运动,则有 2R=,得t=2
水平距离为 x=vPt,当vP=时,水平距离最小,为 x=
•2
=2R,故D正确.
故选:CD.
如图所示,汽车通过拱形桥时的运动可看做圆周运动.质量为m的汽车以速率v通过拱形桥最高点时,若桥面的圆弧半径为R,则此时汽车对桥面的压力大小为( )
正确答案
解析
解:根据牛顿第二定律,汽车对桥的压力等于桥对汽车的支持力
对汽车受力分析,受重力和支持力,由于汽车做圆周运动,故合力提供向心力,有
mg-FN=m
解得
FN=mg-m
故选C.
汽车车厢地板上有一货物,货物与地板之间的最大静摩擦力是物体重力的0.2倍,当汽车以5m/s的速率匀速转过半径为8m的弯道时,在司机看来,货物将( )
正确答案
解析
解:货物随汽车一起做匀速圆周运动需要的向心力F=m,车厢能提供的最大静摩擦力为f=μmg=2m,
因为F>f,所以静摩擦力不足以提供静摩擦力,货物将做离心运动,右转时向车的左后方滑下,左转时向右后方滑下,故C正确.
故选:C
如图所示,在光滑的圆锥漏斗的内壁,有两个质量相等的小球A、B,它们分别紧贴漏斗,在不同水平面上做匀速圆周运动,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、对A、B两球进行受力分析,两球均只受重力和漏斗给的支持力FN.如图所示.
设内壁与水平面的夹角为θ.
根据牛顿第二定律有:mgtanθ=,解得:v=
,A球的轨道半径较大,则小球A的速率较大.故A正确,B错误.
C、支持力,两小球的质量相等,则支持力相等,对漏斗壁的压力相等.故C错误.
D、根据ω=知,A的轨道半径大,则A的角速度较小.故D错误.
故选:A.
某圆拱桥的半径为20m,一辆质量为5.0t的汽车通过桥顶时对桥顶的压力是其重力,则它过桥顶时的速度等于( )
正确答案
解析
解:以汽车为研究对象,根据牛顿第二定律得:
mg-N=m,N=
,
解得:v=10m/s
故选:A
用长为L的细线拴一质量为m 的小球,使小球在水平面内做匀速圆周运动,细线与竖直方向平角为θ,如图所示.求:
(1)绳子拉力大小
(2)小球线速度大小.
正确答案
解:(1)小球在水平面内做匀速圆周运动,对小球受力分析,如图
小球受重力、和绳子的拉力,合力提供向心力,由图得:
绳子拉力大小 T==
(2)根据几何关系可知:F向=mgtanθ,
根据向心力公式得:
F向=m
又 r=Lsinθ
解得:v=
答:
(1)绳子拉力大小是.
(2)小球线速度大小是.
解析
解:(1)小球在水平面内做匀速圆周运动,对小球受力分析,如图
小球受重力、和绳子的拉力,合力提供向心力,由图得:
绳子拉力大小 T==
(2)根据几何关系可知:F向=mgtanθ,
根据向心力公式得:
F向=m
又 r=Lsinθ
解得:v=
答:
(1)绳子拉力大小是.
(2)小球线速度大小是.
一辆质量为1000kg的汽车在圆弧半径为50m的拱桥上行驶.(g取10m/s2)
(1)若汽车到达桥顶时速度为v1=5m/s,汽车对桥面的压力是多大?
(2)汽车以多大速度经过桥顶时,恰好对桥面没有压力?
(3)汽车对桥面的压力过小是不安全的,因此汽车过桥时的速度不能过大.对于同样的车速,拱桥圆弧的半径大些比较安全,还是小些比较安全?
(4)如果拱桥的半径增大到与地球半径一样大,汽车要在桥面上腾空,速度至少为多大?(已知地球半径为6 400km)
正确答案
解:(1)如图所示,汽车到达桥顶时,竖直方向受到重力G和桥对它的支持力N的作用.
汽车对桥顶的压力大小等于桥顶对汽车的支持力N,汽车过桥时做圆周运动,重力和支持力的合力提供向心力,即F=G-N;
根据向心力公式:F=,有N=G-F=mg-m
=10000-1000×
=5000N.
故汽车对桥的压力是5000N.
(2)汽车经过桥顶恰好对桥没有压力而腾空,则N=0,即汽车做圆周运动的向心力完全由其自身重力来提供,所以有:
F=G=m,得v=
=
=10
m/s.
故汽车以10m/s速度经过桥顶时便恰好对桥没有压力而腾空.
(3)根据N=G-F=mg-m知R越大,压力N越大,故拱桥圆弧的半径大些比较安全;
(4)由G=m,得v=
=
=8×103m/s
答:(1)若汽车到达桥顶时速度为v1=5m/s,汽车对桥面的压力是5000N;
(2)汽车以10m/s经过桥顶时,恰好对桥面没有压力;
(3)汽车对桥面的压力过小是不安全的,因此汽车过桥时的速度不能过大.对于同样的车速,拱桥圆弧的半径大些比较安全.
(4)如果拱桥的半径增大到与地球半径一样大,汽车要在桥面上腾空,速度至少为8×103m/s;
解析
解:(1)如图所示,汽车到达桥顶时,竖直方向受到重力G和桥对它的支持力N的作用.
汽车对桥顶的压力大小等于桥顶对汽车的支持力N,汽车过桥时做圆周运动,重力和支持力的合力提供向心力,即F=G-N;
根据向心力公式:F=,有N=G-F=mg-m
=10000-1000×
=5000N.
故汽车对桥的压力是5000N.
(2)汽车经过桥顶恰好对桥没有压力而腾空,则N=0,即汽车做圆周运动的向心力完全由其自身重力来提供,所以有:
F=G=m,得v=
=
=10
m/s.
故汽车以10m/s速度经过桥顶时便恰好对桥没有压力而腾空.
(3)根据N=G-F=mg-m知R越大,压力N越大,故拱桥圆弧的半径大些比较安全;
(4)由G=m,得v=
=
=8×103m/s
答:(1)若汽车到达桥顶时速度为v1=5m/s,汽车对桥面的压力是5000N;
(2)汽车以10m/s经过桥顶时,恰好对桥面没有压力;
(3)汽车对桥面的压力过小是不安全的,因此汽车过桥时的速度不能过大.对于同样的车速,拱桥圆弧的半径大些比较安全.
(4)如果拱桥的半径增大到与地球半径一样大,汽车要在桥面上腾空,速度至少为8×103m/s;
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