2024届高考物理一轮复习（新教材鲁科版）第四章抛体运动与圆周运动专题强化六圆周运动的临界问题课件

圆周运动的临界问题目标要求1.掌握水平面内、竖直面内和斜面上的圆周运动的动力学问题的分析方法.2.会分析水平面内、竖直面内和斜面上圆周运动的临界问题.专题强化六 内容索引题型一　水平面内圆周运动的临界问题题型二　竖直面内圆周运动的临界问题题型三　斜面上圆周运动的临界问题课时精练 题型一水平面内圆周运动的临界问题 物体做圆周运动时，若物体的速度、角速度发生变化，会引起某些力(如拉力、支持力、摩擦力)发生变化，进而出现某些物理量或运动状态的突变，即出现临界状态.1.常见的临界情况(1)水平转盘上的物体恰好不发生相对滑动的临界条件是物体与盘间恰好达到最大静摩擦力.(2)物体间恰好分离的临界条件是物体间的弹力恰好为零.(3)绳的拉力出现临界条件的情形有：绳恰好拉直意味着绳上无弹力；绳上拉力恰好为最大承受力等. 2.分析方法分析圆周运动临界问题的方法是让角速度或线速度从小逐渐增大，分析各量的变化，找出临界状态.确定了物体运动的临界状态和临界条件后，选择研究对象进行受力分析，利用牛顿第二定律列方程求解. 例1(2018·浙江11月选考·9)如图所示，一质量为2.0×103kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104N，当汽车经过半径为80m的弯道时，下列判断正确的是A.汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力B.汽车转弯的速度为20m/s时所需的向心力为1.4×104NC.汽车转弯的速度为20m/s时汽车会发生侧滑D.汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0m/s2√ 汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力，向心力是由摩擦力提供的，A错误； 例2(多选)如图所示，两个质量均为m的小木块a和b(可视为质点)放在水平圆盘上，a与转轴OO′的距离为l，b与转轴的距离为2l.木块与圆盘间的最大静摩擦力为木块所受重力的k倍，重力加速度大小为g.若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动，用ω表示圆盘转动的角速度，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，下列说法正确的是√√ 两木块滑动前转动的角速度相同，则fa＝mω2l，则fb＝mω2·2l，fa<fb，选项B错误； 例3细绳一端系住一个质量为m的小球(可视为质点)，另一端固定在光滑水平桌面上方h高度处，绳长l大于h，使小球在桌面上做如图所示的匀速圆周运动，重力加速度为g.若要小球不离开桌面，其转速不得超过√ 对小球受力分析，小球受三个力的作用，重力mg、水平桌面支持力N、绳子拉力F. 例4(多选)(2023·湖北省公安县等六县质检)如图所示，AB为竖直放置的光滑圆筒，一根长细绳穿过圆筒后一端连着质量为m1＝5kg的小球(可视为质点)，另一端和细绳BC(悬点为B)在结点C处共同连着一质量为m2的小球(可视为质点)，长细绳能承受的最大拉力为60N，细绳BC能承受的最大拉力为27.6N.圆筒顶端A到C点的距离l1＝1.5m，细绳BC刚好被水平拉直时长l2＝0.9m，转动圆筒并逐渐缓慢增大角速度，在BC绳被拉直之前，用手拿着m1，保证其位置不变，在BC绳被拉直之后，放开m1，重力加速度g取10m/s2， 下列说法正确的是A.在BC绳被拉直之前，AC绳中拉力逐渐增大B.当角速度ω＝时，BC绳刚好被拉直C.当角速度ω＝3rad/s时，AC绳刚好被拉断D.当角速度ω＝4rad/s时，BC绳刚好被拉断√√√ 转动圆筒并逐渐缓慢增大角速度的过程中，AC绳与竖直方向的夹角θ逐渐增大，m2竖直方向处于平衡，由TAcosθ＝m2g，可知在BC绳被拉直之前，AC绳中拉力逐渐增大，A正确； 当ω＝3rad/s>rad/s，BC绳被拉直且放开了m1，m1就一直处于平衡状态，AC绳中拉力不变且为50N，小于AC绳承受的最大拉力，AC未被拉断，C错误；对小球m2，竖直方向有m1gcosθ＝m2g，可得m2＝4kg，当BC被拉断时有m1gsinθ＋TBC＝m2ω22l2，解得ω2＝4rad/s，D正确. 题型二竖直面内圆周运动的临界问题 1.两类模型对比轻绳模型(最高点无支撑)轻杆模型(最高点有支撑)实例球与绳连接、水流星、沿内轨道运动的“过山车”等球与杆连接、球在光滑管道中运动等图示 受力示意图F弹向下或等于零F弹向下、等于零或向上力学方程临界特征F弹＝0v＝0即F向＝0F弹＝mg 2.解题技巧(1)物体通过圆周运动最低点、最高点时，利用合力提供向心力列牛顿第二定律方程；(2)物体从某一位置到另一位置的过程中，用动能定理找出两处速度关系；(3)注意：求对轨道的压力时，转换研究对象，先求物体所受支持力，再根据牛顿第三定律求出压力. 例5(2023·陕西延安市黄陵中学)如图所示，一质量为m＝0.5kg的小球(可视为质点)，用长为0.4m的轻绳拴着在竖直平面内做圆周运动，g＝10m/s2，下列说法不正确的是A.小球要做完整的圆周运动，在最高点的速度至少为2m/sB.当小球在最高点的速度为4m/s时，轻绳拉力为15NC.若轻绳能承受的最大张力为45N，小球的最大速度不能超过m/sD.若轻绳能承受的最大张力为45N，小球的最大速度不能超过4m/s√ 例6(多选)(2023·福建泉州市质检)如图甲所示，质量为m的小球与轻杆一端相连，绕杆的另一端点O在竖直平面内做圆周运动，从小球经过最高点开始计时，杆对小球的作用力大小F随杆转过角度θ的变化关系如图乙所示，忽略摩擦阻力，重力加速度大小为g，则A.当θ＝0时，小球的速度为0B.当θ＝π时，力F的大小为6mgC.当θ＝时，小球受到的合力大于3mgD.当θ＝π时，小球的加速度大小为6g√√ 题型三斜面上圆周运动的临界问题 物体在斜面上做圆周运动时，设斜面的倾角为θ，重力垂直斜面的分力与物体受到的支持力大小相等，解决此类问题时，可以按以下操作，把问题简化.物体在转动过程中，转动越快，最容易滑动的位置是最低点，恰好滑动时：μmgcosθ－mgsinθ＝mω2R. 例7(多选)如图所示，一倾斜的匀质圆盘绕垂直于盘面的固定对称轴以恒定角速度ω转动，盘面上离转轴2.5m处有一小物体(可视为质点)与圆盘始终保持相对静止，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，盘面与水平面的夹角为30°，g取10m/s2，则以下说法中正确的是A.小物体随圆盘以不同的角速度ω做匀速圆周运动时，ω越大时，小物体在最高点处受到的摩擦力一定越大B.小物体受到的摩擦力可能背离圆心√√ 当物体在最高点时，也可能受到重力、支持力与摩擦力三个力的作用，摩擦力的方向可能沿斜面向上(即背离圆心)，也可能沿斜面向下(即指向圆心)，摩擦力的方向沿斜面向上时，ω越大时，小物体在最高点处受到的摩擦力越小，故A错误，B正确；当物体转到圆盘的最低点恰好不滑动时，圆盘的角速度最大，此时小物体受竖直向下的重力、垂直于斜面向上的支持力、沿斜面指向圆心的摩擦力，由沿斜面的合力提供向心力，支持力N＝mgcos30°，摩擦力f＝μN＝μmgcos30°，又μmgcos30°－mgsin30°＝mω2R，解得ω＝1.0rad/s，故C正确，D错误. 四课时精练 12345678910基础落实练1.一汽车通过拱形桥顶时速度为10m/s，车对桥顶的压力为车重的，如果要使汽车在该桥顶对桥面恰好没有压力，车速为A.15m/sB.20m/sC.25m/sD.30m/s√ 123456789102.(多选)如图所示，三角形为一光滑锥体的正视图，母线与竖直方向的夹角为θ＝37°.一根长为l＝1m的细线一端系在锥体顶端，另一端系着一可视为质点的小球，小球在水平面内绕锥体的轴做匀速圆周运动，重力加速度g＝10m/s2，sin37°＝0.6，不计空气阻力，则√√ 12345678910转速较小时，小球紧贴锥体，则Tcosθ＋Nsinθ＝mg，Tsinθ－Ncosθ＝mω2lsinθ，随着转速的增加，T增大，N减小，当角速度ω达到ω0时支持力为零，支持力恰好为零时有mgtanθ＝mω02lsinθ，解得ω0＝rad/s，A错误，B、C正确；当ω＝rad/s时，小球已经离开斜面，小球受重力和拉力的作用，D错误. 123456789103.(多选)(2023·湖北省华大新高考联盟名校联考)如图所示，在竖直平面内有一半径为R的光滑固定细管(忽略管的内径)，半径OB水平、OA竖直，一个直径略小于管内径的小球(可视为质点)由B点以某一初速度v0进入细管，之后从管内的A点以大小为vA的水平速度飞出.忽略空气阻力，重力加速度为g， 12345678910下列说法正确的是√√ 12345678910 12345678910 123456789104.(2023·福建省百校联考)半径为R的内壁光滑的圆环形轨道固定在水平桌面上，轨道的正上方和正下方分别有质量为mA和mB的小球A和B，A的质量是B的两倍，它们在轨道内沿逆时针方向滚动，经过最低点时速率相等；当B在最低点时，A球恰好在最高点，如图所示，此时轨道对桌面的压力恰好等于轨道重力，当地重力加速度为g.则小球在最低点的速率可表示为√ 12345678910 123456789105.(2023·湖南岳阳市第十四中学检测)如图所示，叠放在水平转台上的物体A、B及物体C能随转台一起以角速度ω匀速转动，A、B、C的质量分别为3m、2m、m，A与B、B和C与转台间的动摩擦因数都为μ，A和B、C离转台中心的距离分别为r和1.5r.最大静摩擦力等于滑动摩擦力，物体A、B、C均可视为质点，重力加速度为g，下列说法正确的是A.B对A的摩擦力一定为3μmgB.B对A的摩擦力一定为3mω2rC.转台的角速度需要满足ω≤D.若转台的角速度逐渐增大，最先滑动的是A物体√ 12345678910由于物体A、B及物体C能随转台一起匀速转动，则三个物体受到的均为静摩擦力，由静摩擦力提供向心力，则B对A的摩擦力一定为fA＝3mω2r，又有0<fA≤fmax＝3μmg，由于角速度大小不确定，B对A的摩擦力不一定达到最大静摩擦力3μmg，A错误，B正确； 12345678910 12345678910该分析表明，当角速度逐渐增大时，物体C所受摩擦力先达到最大静摩擦力，即若转台的角速度逐渐增大，最先滑动的是C物体，C、D错误. 123456789106.(2023·四川绵阳市诊断)如图所示，轻杆长3L，在杆两端分别固定质量均为m的球A和B(均可视为质点)，光滑水平转轴穿过杆上距球A为L处的O点，外界给系统一定能量后，杆和球在竖直平面内转动，球B运动到最高点时，杆对球B恰好无作用力.忽略空气阻力，重力加速度为g，则球B在最高点时A.球B的速度为零B.球A的速度大小为C.水平转轴对杆的作用力为1.5mgD.水平转轴对杆的作用力为2.5mg√ 12345678910 123456789107.(2023·重庆市西南大学附属中学月考)如图所示，在倾角为α＝30°的光滑斜面上有一长L＝0.8m的轻杆，杆一端固定在O点，可绕O点自由转动，另一端系一质量为m＝0.05kg的小球(可视为质点)，小球在斜面上做圆周运动，g取10m/s2.要使小球能到达最高点A，则小球在最低点B的最小速度是能力综合练√ 12345678910 8.(多选)如图所示，两个可视为质点的、相同的木块A和B放在转盘上，两者用长为L的水平细绳连接，木块与转盘间的最大静摩擦力均为各自重力的K倍，A放在距离转轴L处，整个装置能绕通过转盘中心的转轴O1O2转动，开始时，绳恰好伸直但无弹力，现让该装置从静止开始转动，使角速度缓慢增大，以下说法正确的是(重力加速度为g)12345678910√√√ 12345678910 12345678910 123456789109.(多选)(2023·湖北省重点中学检测)如图甲所示的陀螺可在圆轨道的外侧旋转而不脱落，好像轨道对它施加了魔法一样，被称为“魔力陀螺”，该玩具深受孩子们的喜爱.其物理原理可等效为如图乙所示的模型：半径为R的磁性圆轨道竖直固定，质量为m的小铁球(视为质点)在轨道外侧转动，A、B两点分别为轨道上的最高点、最低点.铁球受轨道的磁性引力始终指向圆心且大小不变，重力加速度为g，不计摩擦和空气阻力.素养提升练 12345678910下列说法正确的是A.铁球可能做匀速圆周运动B.铁球绕轨道转动时机械能守恒C.铁球在A点的速度一定大于或等于D.要使铁球不脱轨，轨道对铁球的磁性引力至少为5mg√√ 12345678910铁球绕轨道转动受到重力、轨道的磁性引力和轨道的弹力作用，而轨道的磁性引力和弹力总是与速度方向垂直，故只有重力对铁球做功，铁球做变速圆周运动，铁球绕轨道转动时机械能守恒，选项B正确，A错误； 12345678910 1234567891010.(多选)如图所示，竖直平面内有一半径为R＝0.35m且内壁光滑的圆形轨道，轨道底端与光滑水平面相切，一小球(可视为质点)以v0＝3.5m/s的初速度进入轨道，g＝10m/s2，则A.小球不会脱离圆轨道B.小球会脱离圆轨道C.小球脱离轨道时的速度大小为D.小球脱离轨道的位置与圆心连线和水平方向间的夹角为30°√√√ 12345678910 12345678910设当小球脱离轨道时，其位置与圆心连线和水平方向间的夹角为θ，小球此时只受重力作用，将重力分解如图所示.