- 向心力
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(选做A)如图所示,摩托车做腾跃特技表演,沿曲面冲上高0.8m顶部水平高台,接着以v=3m/s水平速度离开平台,落至地面时,恰能无碰撞地沿圆弧切线从A点切入光滑竖直圆弧轨道,并沿轨道下滑.A、B为圆弧两端点,其连线水平.已知圆弧半径为R=1.0m,人和车的总质量为180kg,特技表演的全过程中,阻力忽略不计.(计算中取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6).求:
(1)从平台飞出到A点,人和车运动的水平距离s.
(2)从平台飞出到达A点时速度及圆弧对应圆心角θ.
(3)人和车运动到达圆弧轨道A点时对轨道的压力.
正确答案
解:(1)车做的是平抛运动,很据平抛运动的规律可得
竖直方向上 H=
水平方向上 s=vt2,
则s=.
(2)摩托车落至A点时,其竖直方向的分速度vy=gt2=4m/s
到达A点时速度=5m/s
设摩托车落地时速度方向与水平方向的夹角为α,则
tanα=
即α=53°
所以θ=2α=106°
(3)对摩托车受力分析可知,摩托车受到的指向圆心方向的合力作为圆周运动的向心力,
所以 NA-mgcosα=
解得 NA=5580 N
由牛顿第三定律可知,人和车在最低点O时对轨道的压力为5580 N.
答:(1)从平台飞出到A点,人和车运动的水平距离s为1.2m.
(2)从平台飞出到达A点时速度及圆弧对应圆心角θ为106°.
(3)人和车运动到达圆弧轨道A点时对轨道的压力为5580 N.
解析
解:(1)车做的是平抛运动,很据平抛运动的规律可得
竖直方向上 H=
水平方向上 s=vt2,
则s=.
(2)摩托车落至A点时,其竖直方向的分速度vy=gt2=4m/s
到达A点时速度=5m/s
设摩托车落地时速度方向与水平方向的夹角为α,则
tanα=
即α=53°
所以θ=2α=106°
(3)对摩托车受力分析可知,摩托车受到的指向圆心方向的合力作为圆周运动的向心力,
所以 NA-mgcosα=
解得 NA=5580 N
由牛顿第三定律可知,人和车在最低点O时对轨道的压力为5580 N.
答:(1)从平台飞出到A点,人和车运动的水平距离s为1.2m.
(2)从平台飞出到达A点时速度及圆弧对应圆心角θ为106°.
(3)人和车运动到达圆弧轨道A点时对轨道的压力为5580 N.
一级方程式(F1)汽车大赛中,冠军舒马赫驾驶着一辆总质量是M (M约1.5吨)的法拉利赛车经过一半径为R的水平弯道时的速度为v.工程师为提高赛车的性能.都将赛车形状设计得使其上下方空气存在一个压力差--气动压力(行业术语),从而增大了赛车对地面的正压力,行业中将正压力与摩擦力的比值称为侧向附着系数,用η表示.试求上述赛车转弯时不致侧滑,则
(1)所需的向心力为多大?
(2)所需的摩擦力为多大?
(3)所需的气动压力为多大?
正确答案
解:(1)汽车拐弯的向心力F=M.
(2)因为摩擦力提供向心力,根据牛顿第二定律得,f=.
(3)因为摩擦力ηf=(Mg+F),则气动压力F=ηf-Mg=.
答:(1)所需的向心力为M.
(2)所需的摩擦力为M.
(3)所需的气动压力为.
解析
解:(1)汽车拐弯的向心力F=M.
(2)因为摩擦力提供向心力,根据牛顿第二定律得,f=.
(3)因为摩擦力ηf=(Mg+F),则气动压力F=ηf-Mg=.
答:(1)所需的向心力为M.
(2)所需的摩擦力为M.
(3)所需的气动压力为.
如图所示,将一质量为m的摆球用长为L的细绳吊起,上端固定,使摆球在水平面内做匀速圆周运动,细绳就会沿圆锥面旋转,这样就构成了一个圆锥摆,已知摆线与竖直方向的夹角为θ,求:
(1)细绳的张力大小
(2)小球的加速度大小
(3)小球的线速度大小.
正确答案
解:(1)小球受重力和拉力作用,两个力的合力提供向心力,根据合成法得:
F=.
(2)根据几何关系可知:向心力大小为:FN=mgtanθ,所以向心加速度 a==gtanθ,
(3)根据牛顿第二定律得,mgtanθ=m,
又r=Lsinθ
解得:v=.
答:
(1)细绳的张力大小为.
(2)小球的加速度大小为gtanθ.
(3)小球的线速度大小为.
解析
解:(1)小球受重力和拉力作用,两个力的合力提供向心力,根据合成法得:
F=.
(2)根据几何关系可知:向心力大小为:FN=mgtanθ,所以向心加速度 a==gtanθ,
(3)根据牛顿第二定律得,mgtanθ=m,
又r=Lsinθ
解得:v=.
答:
(1)细绳的张力大小为.
(2)小球的加速度大小为gtanθ.
(3)小球的线速度大小为.
如图甲所示,2011年11月3日凌晨,我国“神舟八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器首次成功实现了空间交会对接试验,这是我国载人太空飞行的又一个里程碑.设想在未来的时间里我国已经建立了载人空间站,空间站绕地球做匀速圆周运动而处于完全失重状态,此时无法用天平称量物体的质量.某同学设计了在这种环境中测量小球质量的实验装置,如图乙所示:光电传感器B能够接受光源A发出的细激光束,若B被挡光就将一个电信号给与连接的电脑.将弹簧测力计右端用细线水平连接在空间站壁上,左端栓在另一穿过了光滑水平小圆管的细线MON上,N处系有被测小球,让被测小球在竖直面内以O点为圆心做匀速圆周运动.
(1)实验时,从电脑中读出小球自第1次至第n次通过最高点的总时间t和测力计示数F,除此之外,还需要测量的物理量是:______.
(2)被测小球质量的表达式为 m=______〔用(1)中的物理量的符号表示〕.
正确答案
解:被测小球在竖直面内以O点为圆心做匀速圆周运动,仅由绳子的拉力提供向心力.
小球自第1次至第n次通过最高点的总时间为t,则其周期为 T=
根据牛顿第二定律和向心力公式得:
F=m=m
r
联立上两式得:m=
故还需要测量的物理量是小球圆周运动半径r.
故答案为:
(1)小球圆周运动半径r,
(2)
解析
解:被测小球在竖直面内以O点为圆心做匀速圆周运动,仅由绳子的拉力提供向心力.
小球自第1次至第n次通过最高点的总时间为t,则其周期为 T=
根据牛顿第二定律和向心力公式得:
F=m=m
r
联立上两式得:m=
故还需要测量的物理量是小球圆周运动半径r.
故答案为:
(1)小球圆周运动半径r,
(2)
一圆环的圆心为O,若以它的直径AB为轴做匀速转动,如图所示,圆环上P、Q两点的线速度大小之比是多少?若圆环的半径是20cm,绕AB轴转动的周期是0.1s,环上Q点的向心加速度大小是多少?
正确答案
解:P、Q两点均以AB为轴做匀速转动,角速度相等,都为ω,则Q点转动的半径 r1=Rsin30°=
,P点转动的半径 r2=Rsin60°=
R
由公式v=rω,ω相等,则P、Q两点的线速度大小之比 =
=
Q点的向心加速度大小是
答:P、Q两点的线速度大小之比是1:.
环上Q点的向心加速度大小是40π2 m/s2.
解析
解:P、Q两点均以AB为轴做匀速转动,角速度相等,都为ω,则Q点转动的半径 r1=Rsin30°=
,P点转动的半径 r2=Rsin60°=
R
由公式v=rω,ω相等,则P、Q两点的线速度大小之比 =
=
Q点的向心加速度大小是
答:P、Q两点的线速度大小之比是1:.
环上Q点的向心加速度大小是40π2 m/s2.
如图所示,将完全相同的两个小球A、B,用长L=0.8m的细绳悬于以v=4m/s向右匀速运动的小车顶部,两球与小车前后壁接触,由于某种原因,小车突然停止运动,此时悬线的拉力之比FA:FB为(g=10m/s2)( )
正确答案
解析
解:若A、B的质量为m,则
对A球有:FA-mg=m,得FA=mg+m
=m(10+
)=30m.
对B球有:FB=mg=10m.
所以FA:FB=3:1.故C正确,A、B、D错误.
故选C.
人骑自行车在水平弯道上转弯时,人和自行车要一起朝弯道内侧方向倾斜才行,如图所示,关于上述过程中下列描述中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、自行车转弯时所受的摩擦力有滚动摩擦力和侧向静摩擦力,故A错误;
B、自行车转弯时所需的向心力由地面对轮胎的侧向静摩擦力提供,故B正确;
C、根据F=m,转弯的半径越大,向心力越小,故为了安全,车手骑车应在弯道外侧转弯较好,故C错误;
D、如与车倾斜角度越大,地面对车的支持力大小不变,仍然等于人和车的总重力,故D正确;
故选:BD,
如图所示,一根长为l的轻杆悬于O点并可绕O点自由转动,在杆的下端和中点分别固定了一个质量均为m的小球,开始时杆竖直.现用一水平恒力作用在杆的下端,使杆偏离竖直方向.若水平恒力F=
mg,则轻杆转过角度为37°时,小球A的线速度______,当杆偏离竖直方向的角度为______时,A球的速度最大.(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
正确答案
45°
解析
解:根据动能定理,有
F•lsin37°-mg•(l-lcos37°)-mg(l-lcos37°)=
解得vA=
第一次速度最大时,合力矩为零,根据力矩平衡条件,有
mg•lsinθ+mg•lsinθ=F•lcosθ
解得:θ=45°
故答案为:;45°
如图所示,轻杆的一端有一个小球,另一端有光滑的固定轴O,现给球一初速度,使球和杆一起绕轴在竖直面内转动,不计空气阻力,用F表示球到达最高点时杆对球的作用力,则F( )
正确答案
解析
解:小球做竖直面上的圆周运动,在最高点时的向心力大小与速度有关.
(特值法)特殊情况下,F向=mg,小球只受重力;
当v>,小球受重力和拉力;
当v<,小球受重力和推力.
由于轻杆可以产生推力,而且v的大小未知,因此三种可能都存在;
故选:D.
如图所示,一光滑的半径为R=1m的半圆形轨道固定在水平面上,一个质量为m=2kg的小球以某一速度冲上轨道,然后小球从轨道口B处飞出,最后落在水平面上.已知小球落地点C距B处的距离为3m,求小球对轨道口B处的压力为多大.
正确答案
解:根据2R=得,t=
,
小球落地点C距B处的距离为3m3,则平抛运动的水平位移x=,
则小球在B点的速度vB=.
根据牛顿第二定律得,,
解得N=,
所以小球对轨道口B处的压力为5N.
答:小球对轨道口B处的压力为5N
解析
解:根据2R=得,t=
,
小球落地点C距B处的距离为3m3,则平抛运动的水平位移x=,
则小球在B点的速度vB=.
根据牛顿第二定律得,,
解得N=,
所以小球对轨道口B处的压力为5N.
答:小球对轨道口B处的压力为5N
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