- 生活中的圆周运动
- 共945题
(20分)如图所示,在水平向左的匀强电场中,一带电小球质量为m,电量为-q。用绝缘轻绳(不伸缩)悬于O点,平衡时小球位于A点,此时绳与竖直方向的夹角θ=30°。绳长为l,AO=CO=DO=l,OD水平,OC竖直。求:
(1)电场强度E
(2)当小球移到D点后,让小球由静止自由释放,小球向右摆动过程中的最大速率和该时刻轻绳中张力(计算结果可带根号)。
正确答案
(1)(2)F=
mg
试题分析:(1)有平衡条件得: =tan30°(2分)
E=(2分)
(2) 当小球移到D点后,让小球由静止自由释放,小球先做匀加速直线运动,运动到与竖直方向成30°时绳绷直,关于OC对称,设此时速度为VB
由牛顿第二定律得;解得a=
g(2分)
对匀加速过程有V=2al(2分)
绳绷直后,沿绳方向速度VBX不变,垂直绳方向速度变为0
VBX=VBcos30°(3分)
到达A点时切向加速度为0,速度达到最大值
m V
+qEl=
mV
(3分)
解得V=
(2分)
轻绳中张力
F-mg=
(2分)
解得F=mg (2分)
游乐园“翻滚过山车”的物理原理可以用如图所示的装置演示。斜
槽轨道AB,EF与半径为R=0.1m的竖直圆轨道(圆心为O)相连,AB,EF分
别与圆O相切于B、E点,C为轨道的最低点,∠BOC=37°。质量为m=0.1kg
的小球从A点静止释放,先后经B、C、D、E到F点落入小框。(整个装置的轨
道均光滑,取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)小球在光滑斜槽轨道AB上运动过程中加速度的大小
(2)要使小球从A点到F点的全过程不脱离轨道,A点距离低点的竖直高度h至少多高?
正确答案
(1)a=6m/s2
(2)h=0.25m
略
如图所示,质量为0.5 kg的小杯里盛有1 kg的水,用绳子系住小杯在竖直平面内做“水流星”表演,转动半径为1 m,小杯通过最高点的速度为4 m/s,g取10 m/s2,求:
①在最高点时,绳的拉力?
②在最高点时水对小杯底的压力?
③为使小杯经过最高点时水不流出, 在最高点时最小速率是多少?
正确答案
9N,6N,
试题分析:(1)从最低点到最高点,应用动能定理,得
(2分)
在最高点: (1分)
得
绳的拉力大小为21N,方向竖直向下 (1分)
(2)在最高点对水得: (2分)
得 由牛顿第三定律得,水对杯底的压力大小为6N,
方向竖直向上。 (2分)
(3)杯子和水整体在最高点的最小速度为:
(2分)
从最高点到最低点应用动能定理:
(1分)
得最低点的最小速度为: (1分)
点评:竖直平面内的圆周运动一般是变速圆周运动,对这类问题现行教材和高考只要求讨论最高点和最低点的情况.注意绳约束和杆约束的区别,弄清不同情况下的临界速度,是分析解决这类问题的关键
如图所示,是自行车传动结构的示意图,假设脚踏板每n秒转一圈,要知道在这种情况下自行车的行驶速度,则① 还须测量哪些物理量,
在图中标出并写出相应的物理意义 、 、 ② 自行车的行驶速度是 (用你假设的物理量表示)
正确答案
① 后轮半径R; 大齿轮半径r1; 小齿轮半径r2 ②
如图所示,在倾角α=300的光滑斜面上,有一长L=0.4米的细绳,一端固定在O点,另一端拴一质量m=0.2千克的小球。使小球在斜面上做圆周运动,(1)小球通过最高点A时的最小速度为________米/秒。(2)如果细绳能承受的最大拉力为9牛,小球通过最低点时的最大速度为________米/秒。
正确答案
; 4
试题分析:小球在最高点A,若速度最小,则只受重力和支持力,绳子上拉力为零,即,则
;小球通过最低点时的若最大速度,则绳子拉力达到最大值,即
,计算可得
。故答案为:
; 4
点评:本题考查了圆周运动向心力列式求解的过程。在注意到绳子最大拉力情况下求出最大速度。
如图5-6-13所示,竖直圆筒内壁光滑,半径为R,顶部有入口A,在A的正下方h处有出口B.一质量为m的小球从入口A沿切线方向水平射入圆筒内,要使小球从B处飞出,小球进入入口A的速度v0应满足什么条件?在运动过程中小球对筒的压力有多大?
图5-6-13
正确答案
(n≥1)
(n≥1)
小球的运动是竖直方向的自由落体运动和水平面内匀速圆周运动的合运动.
由于gt2=h,t=
,小球在水平面内转过了n圈(n≥1),则v0=
即v0=·n(n≥1) 筒对球的压力提供了向心力
即FN=(n≥1)
根据牛顿第三定律得小球对筒的压力为(n≥1).
如图所示,支架的质量为M,置于水平地面上,转轴O悬挂一个质量为m的小球,绳长为 L,将小球从图中水平位置以某一速度释放,为了使小球能绕O点在竖直平面内做圆周运动,且支架不至于离开地面,小球释放时初速度应满足什么条件?
正确答案
m小球刚好通过最高点时
mg=,得
.
M对地面压力刚好为零时,有:
则小球在竖直平面内做圆周运动,又使支架不离开地面,在最高点时的速度满足:
如图6-6-15所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置的示意图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在车身上,C为小车的车轮,D为与C同轴相连的齿轮.车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示.若实验显示单位时间内的脉冲数为n,累计脉冲数为N,则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是 ,小车速度的表达式为v ;行程的表达式为s .
正确答案
小车的速度v、行程s、车轮半径R和齿轮的齿数P,,
小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积.设车轮的半径为R,单位时间内车轮转动圈数为K,则有v= 2aRK.若齿轮的齿轮数为P,则齿轮转一圈电子电路显示的脉冲量为P,已知单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿数转动圈数为.由于齿轮与车轮同轴相连,他们在单位时间内转动圈数相等,即K=
.由以上两式可得
同理,设车轮转动的累计圈数为K,则有,且
, 故
可见,要测出小车的速度v和行程s,除单位时间内的脉冲量n和累脉冲量N外,还必须测出车轮半径R和齿轮的齿数P.
长为R的轻杆一端固定一质量为m的小球,以另一端为固定转轴,使之在竖直平面内做圆周运动.求以下两种情况时小球在最高点的速度各为多少?
(1)在最高点时,小球对杆的压力为mg
(2)在最高点时,小球对杆的拉力为mg
正确答案
(1)V=0 (2)V=
试题分析:(1)该情况下,小球的向心力为向上的支持力和竖直向下的重力的合力,故,解得
(2)此情况下,小球的向心力为向下的拉力和向下的重力的合力,所以,解得
点评:本题的关键是分析小球做圆周运动向心力来源,然后列式求解
《水流星》是在一根彩绳的两端,各系一只玻璃碗,碗内盛水。演员甩绳舞弄,晶莹的玻璃碗飞快地旋转飞舞,而碗中之水不洒点滴,以娴熟、高超、新颖的技巧和动人的风采赢得满场的掌声。如右图所示,演员手中的彩绳长1.6m,碗和水的质量为1kg,当碗转到最低点时离地面的高度为0.2m,则:
(1)水刚好不洒出来时的加速度(2)碗能飞出多远
正确答案
(1)7.1rad/s (2)0.8m
试题分析:(1)碗在竖直平面内做圆周运动,要想水刚好不洒出来,即向心力刚好与重力相等,则设碗到最高点的速度为v0,手腕转动的角速度为w
R=0.8m
又由 即w=
=7.1rad/s
由于重力刚好提供向心力,所以上半截绳子的拉力为零
(2)对碗做受力分析如右图所示,设最低点的最大速度为v,绳子拉力为T则
即
由T≦30N,则V≦4m/s
碗在最低点的速度最大不能超过4m/s
绳子在最低点断开将做平抛运动,设在空中运动的时间为t,飞出的最远距离为s,则
竖直方向:
水平方向:
由v=4m/s,得
S=0.8m
即碗能飞出0.8m。
点评:本题考查了平抛运动的物体,通过牛顿第二定律列出向心力的表达式,建立等式求解。
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