- 向心力
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做圆周运动的两个物体M和N,它们所受的向心力F与轨道半径R之间的关系如图所示,其中图线N为双曲线的一个分支,则由图象可知( )
正确答案
解析
解:A、M为过原点的倾斜直线,知M的向心力与半径成正比,根据F=mRω2知,M的角速度不变;N为双曲线的一个分支,知N的向心力与半径成反比,根据F=m知,N线速度不变,故A错误;
B、交点处,MN的半径和向心力都相等,根据F=m知mv2相等,所以在两图线的交点,M和N的动能相同,故B正确;
C、交点处,MN的半径和向心力都相等,根据F=ma,由于不知道质量关系,所以M和N的向心加速度大小不一定相等,故C错误;
D、根据v=ωR及M的角速度不变,可知随着半径增大,M的线速度增大,根据v=ωR及N线速度不变,可知随着半径增大,N的角速度减小,故D正确.
故选BD
据绵阳日报消息,京广铁路不久也将开通时速达到300公里以上“动车组”列车.届时,乘列车就可以体验时速300公里的追风感觉.我们把火车转弯近似看成是做匀速圆周运动,火车速度提高会使外轨受损.为解决火车高速转弯时不使外轨受损这一难题,你认为以下措施可行的是( )
正确答案
解析
解:A、mgtanθ=m,由于θ较小,则tanθ≈sinθ≈
,h为内外轨道的高度差,L为路面的宽度.则 mg
=m
,L、R一定,v增大,h增大.故A正确,B错误.
C、设弯道半径为R,路面的倾角为θ,由牛顿第二定律得
mgtanθ=m,θ一定,v增大时,可增大半径R.故C正确,D错误.
故选AC.
两个质量不同的小球用长度不等的细线拴在同一点并在同一水平面内做匀速圆周运动,则它们的( )
正确答案
解析
解:A、对其中一个小球受力分析,如图,受重力,绳子的拉力,由于小球做匀速圆周运动,故细线的拉力与重力的合力提供向心力;
将重力与拉力合成,合力指向圆心,由几何关系得,
细线的拉力 T=,因θ不同,故T不同,故A错误.
B、C、D合力 F=mgtanθ ①;
由向心力公式得到,F=mω2r ②;
设绳子与悬挂点间的高度差为h,由几何关系,得:r=htanθ ③;
由①②③三式得,ω=,与绳子的长度和转动半径无关,故C正确;
由v=wr,两球转动半径不等,故B错误;
由a=ω2r,两球转动半径不等,故D错误;
故选C.
在用高级沥青铺设的高速公路上,汽车的最大速度为108km/h.汽车在这种路面上行驶时,它的轮胎与地面的最大静摩擦力等于车重的0.4倍.(g取10m/s2)
(1)如果汽车在这种高速路的水平弯道上拐弯,假设弯道的路面是水平的,其弯道的最小半径是多少?
(2)如果高速公路上设计了圆弧拱桥作立交桥,要使汽车能够安全通过圆弧拱桥,这个圆弧拱桥的半径至少是多少?
正确答案
(1)汽车在水平路面上拐弯,可视为汽车做匀速圆周运动,其向心力由车与路面间的静摩擦力提供.当静摩擦力达到最大值时,由向心力公式可知这时的半径最小,有:
m≤0.4mg
由速度v=30 m/s,得:r≥225m.
(2)汽车过拱桥,看做在竖直平面内做匀速圆周运动,到达最高点时,根据向心力公式有:
mg-N=m
为了保证安全,车对路面的压力必须大于零,有:mg≥m
其中:v=30 m/s
解得:R≥90 m
答:(1)弯道的最小半径是225m;
(2)圆弧拱桥的半径至少是90m.
解析
(1)汽车在水平路面上拐弯,可视为汽车做匀速圆周运动,其向心力由车与路面间的静摩擦力提供.当静摩擦力达到最大值时,由向心力公式可知这时的半径最小,有:
m≤0.4mg
由速度v=30 m/s,得:r≥225m.
(2)汽车过拱桥,看做在竖直平面内做匀速圆周运动,到达最高点时,根据向心力公式有:
mg-N=m
为了保证安全,车对路面的压力必须大于零,有:mg≥m
其中:v=30 m/s
解得:R≥90 m
答:(1)弯道的最小半径是225m;
(2)圆弧拱桥的半径至少是90m.
如图所示,置于圆形水平转台边缘的小物块随转台加速转动,当转速达到某一数值时,物块恰好滑离转台开始做平抛运动.现测得转台半径R=0.8m,离水平地面的高度H=0.2m,物块平抛落地过程水平位移的大小为s=0.4m.设物块所受的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)物块做平抛运动的初速度大小v0;
(2)物块与转台间的动摩擦因数μ.
正确答案
解:(1)物块做平抛运动,在竖直方向上有
H=gt2 ①
在水平方向上有
s=v0t ②
由①②式解得v0=s =
=2m/s ③
(2)物块离开转台时,最大静摩擦力提供向心力,有
Fm=m ④
Fm=μFN=μmg ⑤
由③④⑤式解得μ==
=0.5.
答:(1)物块做平抛运动的初速度大小为2m/s;
(2)物块与转台间的动摩擦因数为0.5.
解析
解:(1)物块做平抛运动,在竖直方向上有
H=gt2 ①
在水平方向上有
s=v0t ②
由①②式解得v0=s =
=2m/s ③
(2)物块离开转台时,最大静摩擦力提供向心力,有
Fm=m ④
Fm=μFN=μmg ⑤
由③④⑤式解得μ==
=0.5.
答:(1)物块做平抛运动的初速度大小为2m/s;
(2)物块与转台间的动摩擦因数为0.5.
如图所示,在光滑水平面上,质量为m的小球在细线的拉力作用下,以角速度ω做半径为r的匀速圆周运动.小球所受向心力的大小为( )
正确答案
解析
解:根据牛顿第二定律得,拉力提供向心力,有F=mω2r.故B正确,A、C、D错误.
故选:B
汽车通过拱桥顶点时速度为10m/s时,车对桥的压力为车重的,取g=10m/s2,则拱桥半径为______m.如果汽车行驶到桥顶时对桥顶恰无压力,则汽车速度为______m/s.
正确答案
40
20
解析
解:汽车通过拱桥顶点时速度为10m/s时,受重力,和支持力mg,
根据牛顿第二定律:mg-mg=m
代入数据得:R=40m;
如果汽车行驶到桥顶时对桥顶恰无压力,即只受重力,
mg=m
代入数据得:v′=20m/s
故答案为:40,20.
如图所示,一根长L=0.5m的细绳悬于天花板上O点,绳的另一端挂一个质量为m=1kg的小球,已知绳能承受的最大拉力为12.5N,小球在水平面内做圆周运动,当速度逐渐增大,绳断裂后,小球将平抛后掉在地上.(g=10m/s2)
(1)若小球做圆周运动的平面离地高为h=0.8m,则小球经多长时间落地.
(2)绳断裂时,小球的角速度为多少?
(3)在第(1)问中小球落点离悬点O在地面上的垂直投影的距离为多少?
正确答案
解:(1)根据h=得,t=
.
(2)根据牛顿第二定律得,mgtan37°=mLsinθω2
解得:
(3)小球平抛运动的水平位移x=vt=Lsinθωt=0.5×0.6×5×0.4m=0.6m.
由几何关系得,d=.
答:(1)若小球做圆周运动的平面离地高为h=0.8m,则小球经0.4s落地.
(2)绳断裂时,小球的角速度为5rad/s;
(3)在第(1)问中小球落点离悬点O在地面上的垂直投影的距离为.
解析
解:(1)根据h=得,t=
.
(2)根据牛顿第二定律得,mgtan37°=mLsinθω2
解得:
(3)小球平抛运动的水平位移x=vt=Lsinθωt=0.5×0.6×5×0.4m=0.6m.
由几何关系得,d=.
答:(1)若小球做圆周运动的平面离地高为h=0.8m,则小球经0.4s落地.
(2)绳断裂时,小球的角速度为5rad/s;
(3)在第(1)问中小球落点离悬点O在地面上的垂直投影的距离为.
细绳系一小球使其在竖直平面内做圆周运动,不计空气阻力,当小球运动到最高点时,小球可能( )
正确答案
解析
解:A、B、小球在竖直平面内做圆周运动,通过最高点时,受重力和拉力,合力等于向心力
mg+F=m
F随着速度的减小而减小,当F=0时,速度达到最小临界值v0
mg=m
解得
v0=
即小球一定受重力,可能受拉力,而向心力是由合力提供,不能说物体受到向心力作用,因而A错误、B正确;
C、由上述分析可知,当v>时.拉力不为零,因而C错误;
D、平衡状态特指匀速直线运动状态和保持静止的状态,物体在最高点存在向心加速度,故不是平衡态,D错误;
故选B.
如图所示,小物块位于半径为R的半球形物体顶端,若给小物块一水平速度v0=,则物块( )
正确答案
解析
解:在最高点,当支持力为零时,根据牛顿第二定律得:
mg=m
解得:v=
因为vo=
所以小物块将立即做平抛运动,
根据动能定理得:
解得落地时速度为:
设落地时速度方向与地面成θ角,则:
cos=
=
故θ=45°,故ABC错误,D正确.
故选:D.
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