- 生活中的圆周运动
- 共107题
如图,在竖直平面内有一固定光滑轨道,其中AB是长为R的水平直轨道,BCD是圆心为O、半径为R的圆弧轨道,两轨道相切于B点,在外力作用下,一小球从A点由静止开始做匀加速直线运动,到达B点时撤除外力,已知小球刚好能沿圆轨道经过最高点C,重力加速度大小为g,求:
(1)小球从在AB段运动的加速度的大小;
(2)小球从D点运动到A点所用的时间。
正确答案
见解析。
解析
(1)小球在BCD段运动时,受到重力、轨道正压力的作用,如图所示,据题意,,且小球在最高点C所受轨道压力为0
①
设小球在C点的速度大小为,根据牛顿第二定律有
②
小球从B点运动到C点,机械能守恒,设B点处小球的速度大小为,有
③
由于小球在AB段由静止开始做匀加速运动,设加速度大小为,由运动学公式得
④
由②③④式得 ⑤
(2)设小球在D处的速度大小为,下落到A点时的速度大小为,由机械能守恒有
⑥
⑦
设从D点运动到A点所用时间为,由运动学公式得
⑧
由④⑤⑥⑦⑧式得
⑨
知识点
如图15所示,一条轨道固定在竖直平面内,粗糙的ab段水平,bcde段光滑,cde段是以O为圆心、R为半径的一小段圆弧。可视为质点的物块A和B紧靠在一起,静止于b处,A的质量是B的3倍。两物块在足够大的内力作用下突然分离,分别向左、右始终沿轨道运动。B到b点时速度沿水平方向,此时轨道对B的支持力大小等于B所受重力的3/4,A与ab段的动摩擦因数为μ,重力加速度g,求:
(1)物块B在d点的速度大小;
(2)物块A滑行的距离s
正确答案
(1)υ =(2)s =。
解析
(1)B在d点,根据牛顿第二定律有:
mg −mg =
解得:υ =
(2)B从b到d过程,只有重力做功,机械能守恒有:
mυB2 = mgR +mυ2①分离过程动量守恒有:
3mυA = mυB ②匀减速直线运动,用动能定理得:0 —×3mυA2 = − 3μmg s③
联立①②③,解得:
s =
知识点
如图所示,质量M=2kg的滑块套在光滑的水平轨道上,质量m=1kg的小球通过长L=0.5m的轻质细杆与滑块上的光滑轴O连接,小球和轻杆可在竖直平面内绕O轴自由转动。开始轻杆处于水平状态。现给小球一个竖直向上的初速度v0=4m/s,g取10m/s2。
(1)若锁定滑块,试求小球通过最高点P时对轻杆的作用力大小和方向。
(2)若解除对滑块的锁定,试求小球通过最高点时的速度大小。
(3)在满足(2)的条件下,试求小球击中滑块右侧轨道位置点与小球起始位置点间的距离。
正确答案
见解析。
解析
(1)设小球能通过最高点,且此时的速度为v1。在上升过程中,因只有重力做功,小球的机械能守恒。则,则v1=
设小球到达最高点时,轻杆对小球的作用力为F,方向向下,则F+mg=
联立解得F=2N,由牛顿第三定律可知,小球对轻杆的作用力大小为2N,方向竖直向上。
(2)解除锁定后,设小球通过最高点时的速度为v2,此时滑块的速度为V。在上升过程中,因系统在水平方向上不受外力作用,水平方向的动量守恒。以水平向右的方向为正方向,有
mv2+MV=0
在上升过程中,因只有重力做功,系统的机械能守恒,则
,联立解得v2=2m/s
(3)设小球击中滑块右侧轨道的位置点与小球起始点的距离为s1,滑块向左移动的距离为s2,任意时刻小球的水平速度大小为v3,滑块的速度大小为V/。由系统水平方向的动量守恒,得
mv3-MV′=0,两边同乘以△t,得mv3△t-MV′△t=0,故对任意时刻附近的微小间隔△t都成立,累积相加后,有ms1-Ms2=0,又s1+s2=2L,得s1=
知识点
小明站在水平地面上,手握不可伸长的轻绳一端,绳的另一端系有质量为m的小球,甩动手腕,使球在竖直平面内做圆周运动。当球某次运动到最低点时,绳突然断掉,球飞行水平距离d后落地。如题24图所示。已知握绳的手离地面高度为d,手与球之间的绳长为d,重力加速度为g。忽略手的运动半径和空气阻力。
(1)求绳断时球的速度大小和球落地时的速度大小。
(2)向绳能承受的最大拉力多大?
(3)改变绳长,使球重复上述运动,若绳仍在球运动到最低点时断掉,要使球抛出的水平距离最大,绳长应是多少?最大水平距离为多少?
正确答案
见解析
解析
(1)设绳断后球飞行时间为t,由平抛运动规律,有
竖直方向d=gt2,水平方向 d=v1t
得v1=
由机械能守恒定律,有
=+mg
得 v2=
(2)设绳能承受的最大拉力大小为T,这也是球受到绳的最大拉力大小.
球做圆周运动的半径为R=
由圆周运动向心力公式,有T-mg=
得T=mg
(3)设绳长为l,绳断时球的速度大小为v3,绳承受的最大拉力不变,
有T-mg= 得v3=
绳断后球做平抛运动,竖直位移为d-l,水平位移为x,时间为t1.
有d-l= x=v3t1
得x=4
当l=时,x有极大值 xmax=d
知识点
图4是滑到压力测试的示意图,光滑圆弧轨道与光滑斜面相切,滑到底部B处安装一个压力传感器,其示数N表示该处所受压力的大小,某滑块从斜面上不同高度h处由静止下滑,通过B是,下列表述正确的有
正确答案
解析
设滑块在B点的速度大小为v,开始到B点由动能定理得: 在B点由牛顿第二定律得:因而:选B,C
知识点
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