专题06 竖直面内圆周运动模型---【模型与方法】2023-2024学年高一物理同步模型易点通(人教版2019必修第二册)

2024-01-31
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专题06 竖直面内圆周运动模型 一.汽车过拱(凹)形桥模型 1.汽车过拱形桥:汽车在桥上运动,经过最高点时,汽车的重力与桥对汽车支持力的合力提供向心力。如图甲所示。 由牛顿第二定律得:G-FN=m,则FN=G-m。 汽车对桥的压力与桥对汽车的支持力是一对相互作用力,即F′N=FN=G-m,因此,汽车对桥的压力小于重力,而且车速越大,压力越小。 (1)当0≤v<时,0<FN≤G。 (2)当v=时,FN=0. (3)当v>时,汽车做平抛运动飞离桥面,发生危险。 甲         乙 2.汽车过凹形桥 如图乙所示,汽车经过凹形桥面最低点时,受竖直向下的重力和竖直向上的支持力,两个力的合力提供向心力,则FN-G=m,故FN=G+m。由牛顿第三定律得:汽车对凹形桥面的压力F′N=G+m,大于汽车的重力。 二.竖直面内圆周运动的轻绳(过山车)模型 小球沿竖直光滑轨道内侧做圆周运动,小球在细绳作用下在竖直平面内做圆周运动,都是绳模型,如图所示。 甲      乙 (1)向心力分析 ①小球运动到最高点时受向下的重力和向下的绳子拉力(或轨道弹力)作用,由这两个力的合力提供向心力,mg+FN=m。 ②小球运动到最低点时受向下的重力和向上的绳子拉力(或轨道弹力)作用,由这两个力的合力提供向心力,FN-mg=m。 (2)临界条件 小球恰好过最高点时,应满足弹力FN=0,即mg=m,可得小球在竖直面内做圆周运动的临界速度v=。 (3)能过最高点的条件:v≥v临。 (4)不能通过最高点的条件:v<v临,实际上小球在到达最高点之前就脱离了圆轨道,如图所示。 三.竖直面内圆周运动的轻杆(管)模型 小球被一轻杆拉着在竖直平面内做圆周运动,小球在竖直放置的光滑细管内做圆周运动,都是杆模型,如图所示。 甲       乙 (1)向心力分析 ①小球运动到最高点时受杆(或轨道)的弹力和向下的重力作用,由这两个力的合力提供向心力。若弹力向上:mg-FN=m;若弹力向下:mg+FN=m。 ②小球运动到最低点时受杆(或轨道)向上的弹力和向下的重力作用,由这两个力的合力提供向心力,FN-mg=m。 (2)临界条件:由于硬杆或管壁的支撑作用,小球能到达最高点的临界速度v临=0,轻杆或轨道对小球有支持力FN=mg。 (3)当0<v<时,杆或内管壁对小球的支持力FN=mg-m,支持力FN随v的增大而减小,其取值范围是0<FN<mg。 (4)当v>时,杆对小球施加的是拉力,且拉力F=m-mg;或外管壁对小球有竖直向下的压力FN=m-mg。 【模型演练1】(2023下·北京延庆·高一统考期中)杂技表演中有一个“水流星”的节目:在一只水杯中装上水,然后让水杯在竖直平面内做圆周运动,水不会洒出来。如图所示为水流星运动的示意图,一细绳与水杯相连,杯中装有水,水杯与细绳一起在竖直平面内做圆周运动,若水的质量m=0.5 kg,水的重心到转轴的距离L=40 cm。(g=10 m/s2) (1)若在最高点水不流出来,求桶的最小速率; (2)若在最高点水桶的速率v=4 m/s,求桶底对水的压力大小 【方法总结】竖直平面内圆周运动的分析方法 (1)明确运动的模型,是轻绳模型还是轻杆模型。 (2)明确物体的临界状态,即在最高点时物体具有最小速度时的受力特点。 (3)分析物体在最高点及最低点的受力情况,根据牛顿第二定律列式求解。 【模型演练2】(2024·高一课时练习)长度为的轻杆OA绕O点在竖直平面内做圆周运动,A端连着一个质量的小球,g取。求在下述两种情况下,通过最高点时小球对杆的作用力的大小和方向。 (1)杆做匀速圆周运动的转速为; (2)杆做匀速圆周运动的转速为。 【方法总结】(1)注意r/s与rad/s的不同。 (2)先求小球受到杆的弹力,再用牛顿第三定律得出杆受小球的力。 (3)当未知力的方向不确定时,要采用假设正方向的办法。 【模型演练3】(2023下·山东日照·高一校考阶段练习)如图所示,质量m=2.0×104kg的汽车以不变的速率先后驶过凹形桥面和凸形桥面,两桥面的圆弧半径均为60 m,如果桥面承受的压力不得超过3.0×105N,重力加速度g=10m/s2,则: (1)分析汽车以相同速率分别通过凹形桥面最低点和凸形桥面最高点时,哪种情况对桥面压力较大? (2)汽车允许的最大速率是多少? (3)若以所求速度行驶,汽车对桥面的最小压力是多少?    【规律总结】对于汽车过桥问题,具体的解题步骤如下: (1)选取研究对象,确定轨道平面、圆心位置和轨道半径; (2)正确分析研究对象的受力情况,明确向心力是按作用效果命名的力,在受力分析时不能列出,明确向心力的来源; (3)根据平衡条件和牛顿运动定律列方程求解。 【模型演练4】1.(2023下·高一全国联考期中)如图甲,小球用不可伸长的轻绳连

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