- 生活中的圆周运动
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(10分)铁路转弯处的弯道半径r是根据地形决定的,弯道处要求外轨比内轨高,其内外轨的高度差h的设计不仅与r有关,还取决于火车在弯道上的行驶速率,表中数据是铁路设计人员技术手册中弯道半径r及与之对应的轨道的高度差h
轨道半径r/m
660
330
220
165
132
110
内外轨高度差h/mm
50
100
150
200
250
300
(1)根据表中数据,试导出h与r关系的表达式,并求出当r=440m时,h的设计值
(2)铁路建成后,火车通过弯道时,要求内外轨均不受车轮施加的侧向压力,又已知我国铁路内外轨间距为L=1435mm,结合表中数据,计算我国火车的转弯速率(取g=10m/s2。结果取整数,路轨倾角很小时,正切值按正弦值计算)
正确答案
(1)h=75mm
(2)
(1)分析表中数据可知,每组的h与r的乘积等于常数C=660m×0.05m=33m2
故hr=33(或h="33/r) " 当r=440m时,h="75mm " --- 4分
(2)转弯处内外轨均没有受侧压力,
当倾角很小时:
---------(6分)
杆长为L,球的质量为m,杆连球在竖直平面内绕轴O自由转动,已知在最高点处,杆对球的弹力大小为F=1/2mg,求这时小球的即时速度大小。
正确答案
⑴若F向上,则 ⑵若F向下,则
球所需向心力向下,本题中F=1/2mg<mg,所以弹力的方向可能向上也可能向下。⑴若F向上,则 ⑵若F向下,则
有一个固定竖直放置的圆形轨道,半径为R,由左右两部分组成。如图8所示,右半部分AEB是光滑的,左半部分BFA是粗糙的.现在最低点A给一个质量为m的小球一个水平向右的初速度,使小球沿轨道恰好运动到最高点B,小球在B点又能沿BFA轨道回到点A,到达A点时对轨道的压力为4mg.
在求小球在A点的速度V0时,甲同学的解法是:由于小球恰好到达B点,故在B点小球的速度为零,,所以:
在求小球由BFA回到A点的速度时,乙同学的解法是:由于回到A点时对轨道的压力为4mg故:,所以:
你同意甲、乙两位同学的解法吗?如果同意请说明理由;若不同意,请指出他们的错误之处,并求出结果.根据题中所描绘的物理过程,求小球由B经F回到A的过程中克服摩擦力所做的功.
正确答案
不同意
不同意,甲同学:小球恰好到达B点,故在B点小球的速度为零,错误,小球恰好到达B点的临界条件是重力恰好提供向心力,即:
由A经E到B过程中,由动能定理得:
得:
乙同学:由于回到A点时对轨道的压力为4mg,故:错误,应为
得:
小球由B经F回到A的过程中:由动能定理得:
解之得:
如图6—8—23所示,杆长为L,杆的一端固定一质量为m的小球,杆的质量忽略不计,整个系统绕杆的另一端O在竖直平面内作圆周运动,求:
(1)小球在最高点A时速度为多大时,才能使杆对小球m的作用力为零?
(2)小球在最高点A时,杆对小球的作用力F为拉力和推力时的临界速度是多少?
(3)如m =" 0.5kg," L =" 0.5m," =" 0.4m/s," 则在最高点A和最低点B时, 杆对小球m的作用力各是多大? 是推力还是拉力?
正确答案
(1),(2)
,(3) 拉力25.3N。
(1) 若杆和小球之间相互作用力为零,那么小球作圆周运动的向心力由重力mg提供, 解得:
(2) 若小球m在最高点A时受拉力F,则 解得
若小球m在最高点A时受推力F,则 解得:
可见是杆对小球m的作用力F在推力和拉力之间突变的临界速度.
(3) 杆长L = 0.5m时,临界速度m/s ="2.2" m/s,
=" 0.4m/s" <
,杆对小球有推力
。由
解得:
=(
)N = 4.84N,由A到B只有重力做功,机械能守恒,设B点所处水平面为参考面,则有
解得:
m/s = 4.5m/s,在最低点B,小球m受拉力
,由
解得
N = 25.3N
(8分)有一辆质量为1.2×103kg的小汽车驶上半径为90m的圆弧形拱桥。求:
(1)汽车到达桥顶的速度为10m/s时对桥的压力的大小;
(2)汽车以多大的速度经过桥顶时恰好对桥没有压力;
正确答案
(1)
(2)m/s
解:(1)设汽车到达桥顶的速度为v1,桥对车的支持力为FN
根据牛顿第二定律: (2分)
解得: (2分)
根据牛顿第三定律,车对桥的压力大小为
(1分)
(2)设汽车以速度v2经过桥顶时
恰好对桥没有压力
根据牛顿第二定律: (2分)
解得: (或22.4m/s) (1分)
一段铁道弯轨,内、外轨道高度差为h=10cm,弯道半径为900cm,轨道平面宽L=144cm,求这段弯道的设计速度,并讨论当火车速度大于或小于这一速度时会发生什么现象?(g取10m/s2)
正确答案
v=25m/s
当火车以设计速度运动时,火车受重力与轨道支持力作用,受力示意图如图所示,选x方向沿半径指向圆心,y方向为竖直向上,在y方向上,根据平衡条件有
FNcosθ=mg在x方向上,根据牛顿第二定律有FNsinθ=,由以上两式可得:mgtanθ=
.又因θ角很小,故tanθ≈sinθ≈
.所以mg
=
,解得v=
="25" m/s. 当火车速度大于设计速度时,所需的向心力增大,而重力恒定,则铁道对火车的作用力增大,故轨道对火车的作用力F不再与轨道平面垂直.根据牛顿第三定律,平行于轨道平面的分力F2的反作用力作用在铁轨上,如果F2过大,将导致铁轨向外侧移动,损坏铁轨,造成火车出轨事故.当火车速度小于设计速度时,也可能造成火车出轨事故(请同学自己分析受力情况).可见火车在弯道上行驶时,应按限速标志牌上的速度行驶,以免发生事故.
绳系着装有水的水桶在竖直平面内做圆周运动,水的质量为0.5千克,绳长为60厘米,( g=10m/s2 )
(1)最高点水不流出的最小速率
(2)水在最高点速率为3米/秒时,水对桶底的压力
正确答案
2.42 2.6
试题分析:(1)在最高点,重力完全充当向心力时,速度最小,为,解得
(2),所以桶对水有向下的支持力,支持力和重力完全充当向心力,所以
,所以
点评:关键是判断在最高点向心力的来源,然后根据牛顿第二定律列式求解
(10分)如图所示,轻杆长2L,中点装在水平轴O点,两端分别固定着小球A和B,A球质量为m,B球质量为2m,两者一起在竖直平面内绕O轴做圆周运动。
(1)若A球在最高点时,杆A端恰好不受力,求此时O轴的受力大小和方向;
(2)若B球到最高点时的速度等于第(1)小问中A球到达最高点时的速度,则B球运动到最高点时,O轴的受力大小和方向又如何?
正确答案
(1)O轴所受有力大小为4mg,方向竖直向下
(2)O轴所受的力的大小为2mg,方向竖直向下
(1)A在最高点时,对A有mg=m,
对B有TOB-2mg=2m,可得TOB=4mg。
根据牛顿第三定律,O轴所受有力大小为4mg,方向竖直向下 (5分)
(2)B在最高点时,对B有2mg+ T′OB=2m,代入(1)中的v,可得T′OB=0;
对A有T′OA-mg=m,T′OA=2mg。
根据牛顿第三定律,O轴所受的力的大小为2mg,方向竖直向下 (5分)
(12分)如图所示,半径为的光滑圆形轨道竖直固定放置,质量为
的小球在圆形轨道内侧做圆周运动.小球通过轨道最高点时恰好与轨道间没有相互作用力.已知当地的重力加速度大小为
,不计空气阻力.
试求:
(1)小球通过轨道最高点时速度的大小;
(2)小球通过轨道最低点时角速度的大小;
(3)小球通过轨道最低点时受到轨道支持力的大小.
正确答案
(1)(2)
(3)
(12分)解:(1)设小球通过轨道最高点时速度的大小为,根据题意和牛顿第二定律可知:
(2分),解得
(1分)
(2)设小球通过轨道最低点时速度的大小为,根据机械能守恒定律可知:
(3分),设小球通过轨道最低点时角速度的大小为
,根据
(2分),联立解得
(1分)
(3)设小球通过轨道最低点时受到轨道支持力的大小为,根据牛顿第二定律得:
或
(2分),联立解得
(1分)
如图6—8—17所示,在水平转台上,置有小物体A、B、C,它们与转台的动摩擦因数均为μ,与转轴的距离分别为r、2r、3r,质量分别为m、2m、3m,则当转台转速增加时,哪一个物体先做离心运动?
正确答案
C物体
根据物体即将滑动时即F=μmg,F=mrω2得μmg=mrω2即μg=rω2,所以物体是否滑动与质量无关,由F=mrω2可知,同质量的物体,在角速度相同的情况下,越远离圆心,所需向心力越大,故C物体先做离心运动。
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