专题04 圆周运动的应用(6大考点)(福建专用)-【好题汇编】备战2024-2025学年高一物理下学期期末真题分类汇编
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内容正文:
专题04 圆周运动的应用
水平转盘模型
一、单选题
1.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,福清水文化公园的转椅深受儿童的喜爱,当转椅匀速转动时,小朋友随转椅一起做匀速圆周运动,小朋友相对座椅无滑动,在这种情况下小朋友的受力情况,下列说法正确的是( )
A.仅受重力和座椅的支持力
B.受重力、座椅的支持力和向心力
C.若仅转椅的角速度增大为原来的2倍,向心力增大为原来的4倍
D.若仅转椅的角速度增大为原来的2倍,向心力增大为原来的2倍
2.(23-24高一下·福建宁德·期末)如图所示,餐桌的自动转盘在电动机的带动下以周期T匀速转动。两个材料相同质量不同的茶杯A、B放在转盘上,与转盘保持相对静止,它们到转轴的距离均为r,且可看作质点。已知最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度大小为g,则( )
A.两茶杯均受到重力、支持力、摩擦力和向心力
B.质量大的茶杯转动时所需的向心加速度较大
C.若增大转盘的角速度,质量大的茶杯先滑动
D.为保证两茶杯不打滑,动摩擦因数至少为
3.(23-24高一下·福建莆田·期末)如图甲所示,将质量均为m的物块A、B沿同一径向置于水平转盘上,两者用长为L的水平轻绳连接,轻绳恰好伸直但无拉力。已知两物块与转盘之间的动摩擦因数均为,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,物块A与转轴的距离等于L,整个装置能绕通过转盘中心的竖直轴转动。当转盘以不同角速度匀速转动时,两物块所受摩擦力大小f与角速度二次方的关系图像如图乙所示,重力加速度为g。下列说法正确的是( )
A.乙图中图像a为物块B所受f与的关系图像
B.当角速度增大到时,轻绳开始出现拉力
C.
D.当时,轻绳的拉力大小为
4.(23-24高一下·福建泉州·期末)如图,两相同的小物块A、B放在水平圆台上,A离转轴较近。两物块与台面间的动摩擦因数相同,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现让圆台由静止开始转动,在转速缓慢增大的过程中( )
A.物块A将先滑动 B.物块B将先滑动
C.物块A、B将同时滑动 D.转速增大到某个值时物块将沿半径向外滑动
5.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,小木块a和b(可视为质点)放在水平圆盘上,a的质量是2m,b的质量是m,a与转轴OO'的距离为L,b与转轴的距离为2L。木块与圆盘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。下列说法正确的是( )
A.a所受的摩擦力方向始终与速度方向相反
B.未滑动时,a所受的摩擦力大于b所受的摩擦力
C.当时,a所受摩擦力的大小为2kmg
D.b一定比a先开始滑动
6.(23-24高一下·福建三明·期末)如图,两瓷罐P、Q(可视为质点)放在水平圆桌转盘上,质量分别为m、2m,离转轴OO′的距离分别为R、2R,与转盘间的动摩擦因数均为μ。若转盘从静止开始缓慢地加速转动,P、Q与转盘均保持相对静止,用ω表示转盘的角速度,则( )
A.当ω增大时,P比Q先开始滑动
B.P、Q未滑动前所受的摩擦力大小相等
C.P开始滑动时,临界角速度为
D.Q开始滑动时,临界角速度为
二、多选题
7.(23-24高一下·福建福州·期末)某游戏转盘装置如图所示,游戏转盘水平放置且可绕转盘中心的转轴转动。转盘上放置两个相同的物块A、B,物块A、B通过轻绳相连。开始时,绳恰好伸直但无弹力,现让该装置从静止开始转动,使其角速度缓慢增大。整个过程中,物块A、B都相对于盘面静止,物块A、B到转轴的距离分别为r、2r,物块的质量均为m且与转盘间的动摩擦因数均为,接触面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度大小为g。下列说法正确的是( )
A.当转盘的角速度大小为时,物块B受到的摩擦力大小为
B.当转盘的角速度大小为时,物块A受到的摩擦力大小为
C.为了确保物块A、B都相对于转盘静止,转盘的角速度不能超过
D.在转盘角速度从零开始逐渐增大的过程中,物块B受到的摩擦力一直增大
8.(23-24高一下·福建·期末)如图所示,在水平圆盘上放有质量分别为m、m、2m的可视为质点的三个物体A、B、C,圆盘可绕垂直圆盘的中心轴转动。三个物体与圆盘的动摩擦因数均为,最大静摩擦力认为等于滑动摩擦力。三个物体与轴O共线且,现将三个物体用轻质细线相连,保持细线伸直且恰无张力。若圆盘从静止开始转动,角速度ω极其缓慢地增大,已知重力加速度为,则对于这个过程,下列说法正确的是( )
A.A的摩擦力先增加再减小后不变
B.B、C两个物体的静摩擦力先增大后不变
C.当时整体会发生滑动
D.当时,在ω增大的过程中B、C间的拉力不断增大
汽车水平路面转弯
一、多选题
1.(23-24高一下·福建南平·期末)有关圆周运动的基本模型,下列关于插图的表述正确的是( )
A.图甲中自行车轮A、B两点运动周期不同
B.图乙中汽车在水平路面上安全转弯时,地面对汽车指向内侧的静摩擦力提供向心力
C.图丙中脱水筒工作时,水与衣物之间的附着力不足以提供向心力,水珠被甩出脱水筒
D.图丁中火车经过外轨高于内轨的弯道时,外侧车轮轮缘一定与外轨发生挤压
二、填空题
2.(23-24高一下·福建龙岩·期末)如图所示,1、2分别为吴立同学骑车上学和放学途经的路,经过两条线路时的速度大小相同,吴立在线路1、2上行驶时所受向心力大小为、。则 (选填“大于”、“等于”、“小于”),提供向心力的是 (选填“摩擦力”、“重力”、“弹力”);若吴立同学保持匀速率行驶,线路1可以看成半径为5m的圆的一部分,自行车与地面之间的动摩擦因数为0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度。则在线路1上行驶不发生侧滑的最大速度为 m/s。
3.(23-24高一下·福建福州·期末)如图为小明同学拍摄的高速公路某弯道处的照片,通过请教施工人员得知,该段公路宽度为16m,内外侧的高度差为2m,某车道设计安全时速为25m/s(无侧滑趋势)。已知角度较小时,角的正切值可近似等于正弦值,若g取。根据所学圆周运动得知识,可计算出该车道的转弯半径为 m;若汽车在该处的行驶速度大于25m/s,则汽车有向弯道 (填“内侧”或“外侧”)滑动的趋势。
4.(23-24高一下·福建泉州·期末)如图,质量为的汽车在水平公路上行驶,当汽车经过半径为的弯路时,车速为。此时汽车转弯所需要的向心力大小为 N。下雨天汽车转弯前要减速,是因为汽车与地面间的 (选填“摩擦力”或“最大静摩擦力”)变小了。
倾斜路面转弯
一、单选题
1.(23-24高一下·福建三明·期末)如图,国道G534线三明市三元区中村乡石马岬隧道至富兴堡街道路段,急转弯处是一段圆弧,当汽车行驶的速率为v时,车轮与路面间的横向(即垂直于前进方向)摩擦力为零。则在该弯道处( )
A.路面外侧低内侧高
B.路面结冰时,v变小
C.车速小于v,汽车向内侧滑动
D.车速大于v,小于最高限速,汽车不向外侧滑动
2.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,火车在倾斜的轨道上匀速转弯,弯道的倾角为θ,半径为r,重力加速度为g,则火车转弯时外侧车轮轮缘不对外轨产生挤压的最大速率是(设转弯半径水平)( )
A. B. C. D.
3.(23-24高一下·福建福州·期末)公路急转弯处通常是交通事故多发地带,如图所示,某公路急转弯处是一圆弧,当汽车行驶的速率为时,汽车恰好没有向公路内、外两侧滑动的趋势,则在该弯道处( )
A.转弯时原理与火车转弯不同,故建设时内侧应比外侧高
B.车速只要低于,车辆便会向内侧滑动
C.车速虽然高于,但只要不超出某一最高限度,车辆便不会向外侧滑动
D.当路面结冰时,与未结冰时相比,的值变小
二、多选题
4.(23-24高一下·福建福州·期末)鼓岭是位于福州晋安区宦溪镇的避暑胜地,山高800多米,吸引了游客来参观。盘山公路转弯处路面造得外高内低,例如当车向右转弯时,司机左侧的路面比右侧的要高一些。设路面与水平面的夹角为,某质量为m的汽车,转弯时速度大小为v,转弯轨迹均可视为半径为R的圆弧。下列表达式正确的是( )
A.汽车此时所需向心力F的大小
B.汽车此时所需向心力F的大小
C.若汽车超过某速度而向外滑动时,一定受到沿转弯轨迹半径方向向外的作用力
D.若车轮与路面的横向(即垂直于前进方向)摩擦力为零,则车速为
三、填空题
5.(23-24高一下·福建漳州·期末)如图甲是医用体温计甩降器,图乙是其简图,管口离转轴比管底离转轴近,把用过的体温计放入甩降器管中,利用甩降器的转动将水银柱甩回玻璃泡内,则体温计放入甩降器管中时,体温计玻璃泡的一端应放在 (填“管口处”或“管底处”),该装置设计的原理是利用 现象。
圆锥摆模型
一、单选题
1.(23-24高一下·福建福州·期末)如图,将穿过空心管的轻质细绳,一端拴接小物体,另一端挂一篮球。手握空心管抡动物体使其在水平面内做匀速圆周运动,篮球恰好处于静止状态。现要让篮球缓慢上升,可使物体仅( )
A.减小质量 B.减小转动半径 C.增大转动角速度 D.增大转动周期
2.(23-24高一下·福建南平·期末)如图所示,轻绳的一端拴一小球,另一端与一固定的竖直杆连接。当小球以角速度ω水平绕杆匀速转动时,轻绳与竖直杆之间的张角为θ。下列图像中能正确表示小球做圆周运动的角速度ω与张角θ关系的是( )
A. B.
C. D.
3.(23-24高一下·福建·期末)下列关于课本中相关案例的说法正确的是( )
A.图1所示为论述“曲线运动的速度方向”的示意图,这里运用了“极限”的思想方法
B.图2所示的演示实验,该实验能证明平抛运动的水平分运动为匀速直线运动,竖直分运动为自由落体运动
C.图3所示用手抓紧绳子使小球在水平面上做匀速圆周运动,当转速足够快,绳子能被拉至水平方向
D.图4所示“墨水旋风”示意图中,墨水是由于受到离心力的作用而离圆心越来越远
二、多选题
4.(23-24高一下·福建福州·期末)如图甲为自动计数的智能呼啦圈,水平固定的圆形腰带外侧有轨道,配重通过轻绳与轨道上的滑轮P连接。锻炼中,配重的运动简化为绕腰带的中心轴在水平面内匀速转动,其模型如图乙所示。已知配重的质量为m,轻绳长为l,与竖直方向的夹角为,圆形腰带的半径为r,重力加速度为g,配重可视为质点,则配重( )
A.受到的拉力大小为 B.受到的拉力大小为
C.转动的角速度为 D.转动的角速度为
5.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,一不可伸长的轻质细绳,绳子的长度为l,绳的另一端连接一质量为m的小球,另一端固定在天花板上,小球可看作质点,现让小球以不同的角速度绕竖直轴做匀速圆周运动,小球离A点的竖直高度为h,细绳的拉力大小为F,重力加速度为g,下列图像可能正确的是( )
A. B.
C. D.
三、填空题
6.(23-24高一下·福建莆田·期末)游乐园中的“空中飞椅”简化模型如图所示。水平转盘可绕轴转动,绳子上端固定在转盘的边缘上,绳子的下端连接座椅,人坐在座椅上随转盘旋转而在空中飞旋。当转盘匀速转动时,绳子与竖直方向的夹角为。若转盘转速增大,夹角将 ,绳子的拉力将 。(填“增大”“减小”“不变”)
7.(23-24高一下·福建厦门·期末)如图所示,轻绳一端连接小球A,穿过内壁光滑的竖直细管后另一端与质量为2kg的小球B连接,某同学握住细管,使小球A在水平面内做匀速圆周运动,小球B保持静止。稳定时轻绳OA段长为0.2m、与竖直方向夹角为60°,重力加速度g取,则小球A的质量为 kg,做圆周运动的角速度为 rad/s。
四、解答题
8.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,轻杆的一端固定在轻质竖直转轴上的O点,杆与轴的夹角 杆上套有一劲度系数k=100N/m的轻质弹簧,弹簧一端固定于 O点,另一端与套在杆上的质量 的圆环相连,杆和圆环均处于静止状态。已知弹簧原长,弹簧始终在弹性限度内,取重力加速度 ,不计一切摩擦。
(1)求圆环静止时弹簧的长度L;
(2)杆随转轴缓慢加速转动,圆环始终未离开杆。当弹簧处于原长时,求杆转动的角速度大小;
9.(23-24高一下·福建三明·期末)如图为一种可测量转动角速度的简易装置。“V”形光滑支架可随水平面上的底座绕中轴线OO′旋转,支架两杆与水平面间夹角均为θ,两侧的杆长均为1.5L。一原长为L的轻弹簧套在AB杆上,下端固定于杆上的B点,另一端与一小球拴接。已知支架静止时弹簧的长度为0.5L,小球的质量为m,重力加速度为g。现让小球随支架以角速度ω匀速转动。求:
(1)轻弹簧的劲度系数k;
(2)轻弹簧恰为原长时,支架角速度ω1的大小;
(3)若已知θ=53°,,,sin53°=0.8,cos53°=0.6,小球在杆末端A匀速转动时,支架角速度ω2的大小。
绳模型
一、多选题
1.(23-24高一下·四川南充·期中)水平光滑直轨道ab与半径为R的竖直半圆形光滑轨道bc相切,一小球以初速度v0沿直轨道向右运动,如图所示,小球进入圆形轨道后刚好能通过c点,然后小球做平抛运动落在直轨道上的d点,则( )
A.小球到达c点的速度为
B.R越大,小球经过b点的瞬间对轨道的压力变大
C.小球在直轨道上的落点d与b点距离为2R
D.小球从c点落到d点需要时间为
二、解答题
2.(23-24高一下·福建泉州·期末)用长为的细绳拴着质量为的小球在竖直平面内做圆周运动,求小球在最高点的最小速度是多少?若小球在最低点的速度为,求此时小球在最低点受到的绳的拉力是多少?
3.(23-24高一下·河北承德·阶段练习)某同学站在水平地面上,手握不可伸长的轻绳一端,轻绳的另一端系有质量为m的小球(视为质点),甩动手腕,使小球在竖直平面内绕O点做部分圆周运动(圆周摆动)。当小球某次运动到最低点时,轻绳突然断裂,小球飞行水平距离d后落地,如图所示。已知O点距地面的高度为d,O点与小球之间的绳长为,重力加速度大小为g,不计空气阻力。求:
(1)轻绳断裂时小球的速度大小和小球落地时的速度大小;
(2)轻绳刚要断裂时轻绳所受的拉力大小F。
杆模型
一、多选题
1.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,长为0.25m的轻质细杆一端固定于O点,另一端固定有一质量为1kg的小球,使小球绕O点在竖直面内以2m/s的线速度做匀速圆周运动。取g=10m/s2。下列说法正确的是( )
A.小球通过最高点时,对杆的作用力大小是16N,方向竖直向下
B.小球通过最高点时,对杆的作用力大小是6N,方向竖直向上
C.小球通过最低点时,对杆的作用力大小是26N,方向竖直向上
D.小球通过最低点时,对杆的作用力大小是26N,方向竖直向下
2.(23-24高一下·福建福州·期末)如图甲所示,轻杆一端固定一小球,另一端绕O点在竖直平面内做半径为R的圆周运动。小球运动到最高点时,杆与小球间弹力大小为F,当小球运动的角速度ω逐渐增大时,得到F-ω2图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.当地的重力加速度大小为bR
B.小球的质量为
C.时,杆对小球的弹力方向向上
D.若c=2b,则杆对小球弹力大小为a
二、填空题
3.(23-24高一下·福建福州·期末)在长1m的轻杆,一端连着质量0.5kg的小球,另一端绕过O点的水平固定轴在竖直平面内自由转动。当小球以3m/s的速率通过最高点时,受到轻杆的作用力为大小为 N,是 (选填“拉力”或“支持力”)。。
三、解答题
4.(23-24高一下·福建福州·期末)电动打夯机可以用来平整地面。如图为某小型电动打夯机的结构示意图,质量为m的摆锤通过轻杆与总质量为M的底座(含电动机)上的转轴相连,电动机通过皮带传动,使摆锤绕转轴O在竖直面内以角速度匀速转动,转动半径为R。已知打夯机底座始终没有离开地面。求:
(1)摆锤在最低点和最高点时打夯机对地面的压力差;
(2)要使第(1)问压力差达到最大,求:打夯机角速度的值和压力差的最大值。
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专题04 圆周运动的应用
水平转盘模型
一、单选题
1.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,福清水文化公园的转椅深受儿童的喜爱,当转椅匀速转动时,小朋友随转椅一起做匀速圆周运动,小朋友相对座椅无滑动,在这种情况下小朋友的受力情况,下列说法正确的是( )
A.仅受重力和座椅的支持力
B.受重力、座椅的支持力和向心力
C.若仅转椅的角速度增大为原来的2倍,向心力增大为原来的4倍
D.若仅转椅的角速度增大为原来的2倍,向心力增大为原来的2倍
【答案】C
【详解】AB.对小朋友受力分析,小朋友受到重力,座椅的支持力和座椅的静摩擦力,静摩擦力提供向心力,故AB错误;
CD.根据可知若仅转椅的角速度增大为原来的2倍,向心力增大为原来的4倍,故C正确,D错误。
故选C。
2.(23-24高一下·福建宁德·期末)如图所示,餐桌的自动转盘在电动机的带动下以周期T匀速转动。两个材料相同质量不同的茶杯A、B放在转盘上,与转盘保持相对静止,它们到转轴的距离均为r,且可看作质点。已知最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度大小为g,则( )
A.两茶杯均受到重力、支持力、摩擦力和向心力
B.质量大的茶杯转动时所需的向心加速度较大
C.若增大转盘的角速度,质量大的茶杯先滑动
D.为保证两茶杯不打滑,动摩擦因数至少为
【答案】D
【详解】A.两茶杯均受到重力、支持力、摩擦力的作用,故A错误;
B.根据向心加速度的公式
可知两茶杯向心加速度一样大,故B错误;
C.恰好滑动时,根据最大静摩擦力提供向心力有
可知
两茶杯一起滑动,故C错误;
D.根据牛顿第二定律有
解得
则为保证两茶杯不打滑,动摩擦因数至少为,故D正确;
故选D。
3.(23-24高一下·福建莆田·期末)如图甲所示,将质量均为m的物块A、B沿同一径向置于水平转盘上,两者用长为L的水平轻绳连接,轻绳恰好伸直但无拉力。已知两物块与转盘之间的动摩擦因数均为,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,物块A与转轴的距离等于L,整个装置能绕通过转盘中心的竖直轴转动。当转盘以不同角速度匀速转动时,两物块所受摩擦力大小f与角速度二次方的关系图像如图乙所示,重力加速度为g。下列说法正确的是( )
A.乙图中图像a为物块B所受f与的关系图像
B.当角速度增大到时,轻绳开始出现拉力
C.
D.当时,轻绳的拉力大小为
【答案】D
【详解】AB.一开始角速度比较小时,两物块的静摩擦力提供所需的向心力,由于物块B的半径较大,所需向心力较大,则物块B的摩擦力先达到最大,之后物块B的摩擦力不变,绳子开始产生拉力,则乙图中图像b为物块B所受f与的关系图像,对B由牛顿第二定律可得
解得开始产生绳子拉力时的角速度为
故AB错误;
CD.乙图中图像a为物块A所受f与的关系图像,当时,物块A的摩擦力达到最大,分别对A和B根据牛顿第二定律可得
联立解得
则有
故C错误,D正确。
故选D。
4.(23-24高一下·福建泉州·期末)如图,两相同的小物块A、B放在水平圆台上,A离转轴较近。两物块与台面间的动摩擦因数相同,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现让圆台由静止开始转动,在转速缓慢增大的过程中( )
A.物块A将先滑动 B.物块B将先滑动
C.物块A、B将同时滑动 D.转速增大到某个值时物块将沿半径向外滑动
【答案】B
【详解】当转速较小时,沿半径方向的静摩擦力提供向心力,两物块随平台做匀速圆周运动,根据
可知离转轴较远的小物块B,所需的向心力较大,因为二者的最大静摩擦力相同,所以当转速达到某一值时,小物块B先滑动做离心运动。
故选B。
5.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,小木块a和b(可视为质点)放在水平圆盘上,a的质量是2m,b的质量是m,a与转轴OO'的距离为L,b与转轴的距离为2L。木块与圆盘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。下列说法正确的是( )
A.a所受的摩擦力方向始终与速度方向相反
B.未滑动时,a所受的摩擦力大于b所受的摩擦力
C.当时,a所受摩擦力的大小为2kmg
D.b一定比a先开始滑动
【答案】D
【详解】D.小物块a、b随圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动,每一时刻两者均做圆周运动,其向心力由静摩擦力提供,根据牛顿第二定律可知:当a所受摩擦力达到最大静摩擦力时,有
解得
当b所受摩擦力达到最大静摩擦力时,有
解得
可得
说明b先达到最大静摩擦力,b一定比a先开始滑动,故D正确;
A. a所受的摩擦力方向始终与相对运动方向相反,当a随圆盘缓慢地加速转动时,某时刻可认为是匀速圆周运动,摩擦力提供向心力,摩擦力方向与速度方向垂直,故A错误;
B.未滑动时,小物块a、b随圆盘相对静止做匀速圆周运动,两者所受静摩擦力等于各自的向心力
,
所以未滑动时,a所受的摩擦力等于b所受的摩擦力,故B错误;
C.由于
所以a所受摩擦力的大小
故C错误。
故选D。
6.(23-24高一下·福建三明·期末)如图,两瓷罐P、Q(可视为质点)放在水平圆桌转盘上,质量分别为m、2m,离转轴OO′的距离分别为R、2R,与转盘间的动摩擦因数均为μ。若转盘从静止开始缓慢地加速转动,P、Q与转盘均保持相对静止,用ω表示转盘的角速度,则( )
A.当ω增大时,P比Q先开始滑动
B.P、Q未滑动前所受的摩擦力大小相等
C.P开始滑动时,临界角速度为
D.Q开始滑动时,临界角速度为
【答案】C
【详解】B.P、Q未滑动前所受的摩擦力分别为
P、Q未滑动前所受的摩擦力大小不相等,B错误;
ACD.根据牛顿第二定律得
解得
P、Q开始滑动时的角速度分别为
当ω增大到时,Q先开始滑动,C正确,AD错误。
故选C。
二、多选题
7.(23-24高一下·福建福州·期末)某游戏转盘装置如图所示,游戏转盘水平放置且可绕转盘中心的转轴转动。转盘上放置两个相同的物块A、B,物块A、B通过轻绳相连。开始时,绳恰好伸直但无弹力,现让该装置从静止开始转动,使其角速度缓慢增大。整个过程中,物块A、B都相对于盘面静止,物块A、B到转轴的距离分别为r、2r,物块的质量均为m且与转盘间的动摩擦因数均为,接触面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度大小为g。下列说法正确的是( )
A.当转盘的角速度大小为时,物块B受到的摩擦力大小为
B.当转盘的角速度大小为时,物块A受到的摩擦力大小为
C.为了确保物块A、B都相对于转盘静止,转盘的角速度不能超过
D.在转盘角速度从零开始逐渐增大的过程中,物块B受到的摩擦力一直增大
【答案】BC
【详解】A.转盘的角速度较小时,物块A、B所需的向心力均由静摩擦力提供,当转盘的角速度大小为时,物块B所需向心力大小为
则此时物块B受到的摩擦力大小为,故A错误;
B.当转盘的角速度大小为时,物块B所需向心力大小为
则轻绳弹力为0,物块A所需向心力大小为
此时物块A受到的摩擦力大小为,故B正确;
D.结合上述可知,由于B圆周运动的轨道半径大一些,所需向心力大一些,B所受摩擦力先达到最大静摩擦力,则在转盘角速度逐渐增大的过程中,刚开始由物块B受到的静摩擦力提供其圆周运动所需向心力,当物块B受到的摩擦力达到最大静摩擦力后,绳开始绷紧,由最大静摩擦力和轻绳弹力的合力提供物块B所需的向心力,物块B受到的摩擦力先增大后不变,故D错误;
C.设当角速度为、轻绳弹力为F时,物块A、B与盘面间的摩擦力均达到最大静摩擦力,则有
,
解得
故C正确。
故选BC。
8.(23-24高一下·福建·期末)如图所示,在水平圆盘上放有质量分别为m、m、2m的可视为质点的三个物体A、B、C,圆盘可绕垂直圆盘的中心轴转动。三个物体与圆盘的动摩擦因数均为,最大静摩擦力认为等于滑动摩擦力。三个物体与轴O共线且,现将三个物体用轻质细线相连,保持细线伸直且恰无张力。若圆盘从静止开始转动,角速度ω极其缓慢地增大,已知重力加速度为,则对于这个过程,下列说法正确的是( )
A.A的摩擦力先增加再减小后不变
B.B、C两个物体的静摩擦力先增大后不变
C.当时整体会发生滑动
D.当时,在ω增大的过程中B、C间的拉力不断增大
【答案】BC
【详解】ABC.当圆盘转速增大时,由静摩擦力提供向心力。三个物体的角速度相等,由可知,因为C的半径最大,质量最大,故C所需要的向心力增加最快,最先达到最大静摩擦力,此时
计算得出
当C的摩擦力达到最大静摩擦力之后,BC间绳子开始提供拉力,B的摩擦力增大,达最大静摩擦力后,AB之间绳子开始有力的作用,随着角速度增大,A的摩擦力将减小到零然后反向增大,当A与B的摩擦力也达到最大时,且BC的拉力大于AB整体的摩擦力时物体将会出现相对滑动,此时A与B还受到绳的拉力,对C可得
对A、B整体可得
计算得出
当时整体会发生滑动,故A错误,BC正确;
D.在时,B、C间的拉力为零,当时,在增大的过程中B、C间的拉力逐渐增大,故D错误。
故选BC。
汽车水平路面转弯
一、多选题
1.(23-24高一下·福建南平·期末)有关圆周运动的基本模型,下列关于插图的表述正确的是( )
A.图甲中自行车轮A、B两点运动周期不同
B.图乙中汽车在水平路面上安全转弯时,地面对汽车指向内侧的静摩擦力提供向心力
C.图丙中脱水筒工作时,水与衣物之间的附着力不足以提供向心力,水珠被甩出脱水筒
D.图丁中火车经过外轨高于内轨的弯道时,外侧车轮轮缘一定与外轨发生挤压
【答案】BC
【详解】A.图甲中自行车轮A、B两点共轴转动,运动周期相同。故A错误;
B.图乙中汽车在水平路面上安全转弯时,地面对汽车指向内侧的静摩擦力提供向心力。故B正确;
C.图丙中脱水筒工作时,水与衣物之间的附着力不足以提供向心力,水珠做离心运动被甩出脱水筒。故C正确;
D.图丁中火车经过外轨高于内轨的弯道时,当火车转弯大于规定速度行驶时,重力和支持力的合力不足提供向心力时,外轨对外侧车轮的轮缘会有挤压作用。故D错误。
故选BC。
二、填空题
2.(23-24高一下·福建龙岩·期末)如图所示,1、2分别为吴立同学骑车上学和放学途经的路,经过两条线路时的速度大小相同,吴立在线路1、2上行驶时所受向心力大小为、。则 (选填“大于”、“等于”、“小于”),提供向心力的是 (选填“摩擦力”、“重力”、“弹力”);若吴立同学保持匀速率行驶,线路1可以看成半径为5m的圆的一部分,自行车与地面之间的动摩擦因数为0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度。则在线路1上行驶不发生侧滑的最大速度为 m/s。
【答案】 大于 摩擦力 5
【详解】[1]根据向心力
由于经过两条线路时的速度大小相同,而,则
[2]重力和弹力方向沿竖直方向,摩擦力提供指向圆心的向心力;
[3]恰好不发生侧滑时
可得
3.(23-24高一下·福建福州·期末)如图为小明同学拍摄的高速公路某弯道处的照片,通过请教施工人员得知,该段公路宽度为16m,内外侧的高度差为2m,某车道设计安全时速为25m/s(无侧滑趋势)。已知角度较小时,角的正切值可近似等于正弦值,若g取。根据所学圆周运动得知识,可计算出该车道的转弯半径为 m;若汽车在该处的行驶速度大于25m/s,则汽车有向弯道 (填“内侧”或“外侧”)滑动的趋势。
【答案】 500 外侧
【详解】[1]汽车受力如图
由牛顿第二定律可知
由几何关系知
联立解得
[2]若汽车在该处的行驶速度大于25m/s,因为速度变大,汽车需要的向心力增大,而由重力和支持力的合力提的向心力不足,则汽车将要有做离心运动的趋势,所以有向外滑动的趋势。
4.(23-24高一下·福建泉州·期末)如图,质量为的汽车在水平公路上行驶,当汽车经过半径为的弯路时,车速为。此时汽车转弯所需要的向心力大小为 N。下雨天汽车转弯前要减速,是因为汽车与地面间的 (选填“摩擦力”或“最大静摩擦力”)变小了。
【答案】 800 最大静摩擦力
【详解】[1]汽车转弯所需要的向心力大小为
[2]下雨天汽车转弯前要减速,是因为汽车与地面间的最大静摩擦力变小了。若汽车速度太快,转弯时所需的向心力超过地面提供的最大静摩擦力,将做离心运动。
倾斜路面转弯
一、单选题
1.(23-24高一下·福建三明·期末)如图,国道G534线三明市三元区中村乡石马岬隧道至富兴堡街道路段,急转弯处是一段圆弧,当汽车行驶的速率为v时,车轮与路面间的横向(即垂直于前进方向)摩擦力为零。则在该弯道处( )
A.路面外侧低内侧高
B.路面结冰时,v变小
C.车速小于v,汽车向内侧滑动
D.车速大于v,小于最高限速,汽车不向外侧滑动
【答案】D
【详解】A.路面外侧高内侧低,支持力不竖直向上,偏向内侧,支持力的水平分量才能充当向心力,A错误;
BCD.设路面倾斜角度为θ,圆弧半径为r,根据牛顿第二定律得
解得
当汽车以v速度行驶时,汽车与路面没有摩擦力,路面结冰时,v不变;车速小于v,汽车有向内侧滑动的趋势,产生向外侧的静摩擦力,在该摩擦力的作用下,汽车不向内滑动;车速大于v,小于最高限速,产生向内的静摩擦力,在该摩擦力的作用下,汽车不向外侧滑动,BC错误,D正确。
故选D。
2.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,火车在倾斜的轨道上匀速转弯,弯道的倾角为θ,半径为r,重力加速度为g,则火车转弯时外侧车轮轮缘不对外轨产生挤压的最大速率是(设转弯半径水平)( )
A. B. C. D.
【答案】C
【详解】火车在倾斜的轨道上匀速转弯时,若内、外侧车轮轮缘不对内、外轨产生挤压,则有火车的重力与倾斜轨道的支持力的合力提供向心力,如图所示。设此时火车的速率为,则此速率是火车转弯时外侧车轮轮缘不对外轨产生挤压的最大值,由牛顿第二定律可得
解得
故选C。
3.(23-24高一下·福建福州·期末)公路急转弯处通常是交通事故多发地带,如图所示,某公路急转弯处是一圆弧,当汽车行驶的速率为时,汽车恰好没有向公路内、外两侧滑动的趋势,则在该弯道处( )
A.转弯时原理与火车转弯不同,故建设时内侧应比外侧高
B.车速只要低于,车辆便会向内侧滑动
C.车速虽然高于,但只要不超出某一最高限度,车辆便不会向外侧滑动
D.当路面结冰时,与未结冰时相比,的值变小
【答案】C
【详解】A.转弯时原理与火车转弯相同,转弯时利用汽车的重力与路面的支持力的合力提供向心力,所以建设时外侧应比内侧高,故A错误;
B.车速低于,重力和支持力的合力大于所需的向心力,车辆有向内侧滑动的趋势,车辆受到指向外侧的静摩擦力,如果车速稍低于,车辆不会向内侧滑动,故B错误;
C.车速高于时,重力和支持力的合力不足以提供向心力,车辆有向外侧滑动的趋势,车辆受到指向内侧的静摩擦力,所以只要速度不超出最高限度,车辆不会向外侧滑动,故C正确;
D.轿车该弯道处受力如图所示
根据牛顿第二定律可得
解得
可知路面结冰时,与未结冰时相比,的值不变,故D错误。
故选C。
二、多选题
4.(23-24高一下·福建福州·期末)鼓岭是位于福州晋安区宦溪镇的避暑胜地,山高800多米,吸引了游客来参观。盘山公路转弯处路面造得外高内低,例如当车向右转弯时,司机左侧的路面比右侧的要高一些。设路面与水平面的夹角为,某质量为m的汽车,转弯时速度大小为v,转弯轨迹均可视为半径为R的圆弧。下列表达式正确的是( )
A.汽车此时所需向心力F的大小
B.汽车此时所需向心力F的大小
C.若汽车超过某速度而向外滑动时,一定受到沿转弯轨迹半径方向向外的作用力
D.若车轮与路面的横向(即垂直于前进方向)摩擦力为零,则车速为
【答案】BD
【详解】AB.根据向心力公式可知汽车此时所需向心力F的大小
故B正确,A错误;
C.汽车在路面上行驶,最多可能受到的力为重力、路面的摩擦力和路面的支持力三个力,不可能受到沿转弯轨迹半径方向向外的作用力,故C错误;
D.若车轮与路面的横向(即垂直于前进方向)摩擦力为零,此时车的受力分析如图所示
根据
可得车速
故D正确。
故选BD。
三、填空题
5.(23-24高一下·福建漳州·期末)如图甲是医用体温计甩降器,图乙是其简图,管口离转轴比管底离转轴近,把用过的体温计放入甩降器管中,利用甩降器的转动将水银柱甩回玻璃泡内,则体温计放入甩降器管中时,体温计玻璃泡的一端应放在 (填“管口处”或“管底处”),该装置设计的原理是利用 现象。
【答案】 管底处 离心
【详解】[1][2]利用甩降器的转动将水银柱甩回玻璃泡内,则体温计放入甩降器管中时,应将体温计玻璃泡的一端远离离心机的转轴,即体温计玻璃泡的一端应放在管底处,使得水银柱受到的力不足以提供圆周运动所需的向心力,做离心运动而甩回玻璃泡里;该装置设计的原理是利用离心现象。
圆锥摆模型
一、单选题
1.(23-24高一下·福建福州·期末)如图,将穿过空心管的轻质细绳,一端拴接小物体,另一端挂一篮球。手握空心管抡动物体使其在水平面内做匀速圆周运动,篮球恰好处于静止状态。现要让篮球缓慢上升,可使物体仅( )
A.减小质量 B.减小转动半径 C.增大转动角速度 D.增大转动周期
【答案】C
【详解】以物体为对象,物体受到重力和绳子拉力作用,竖直方向有
水平方向有
可得绳子拉力为
可知要让篮球缓慢上升,可使物体仅增大质量,仅增大转动半径,仅增大转动角速度,即仅减小转动周期。
故选C。
2.(23-24高一下·福建南平·期末)如图所示,轻绳的一端拴一小球,另一端与一固定的竖直杆连接。当小球以角速度ω水平绕杆匀速转动时,轻绳与竖直杆之间的张角为θ。下列图像中能正确表示小球做圆周运动的角速度ω与张角θ关系的是( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【详解】对小球受力分析,如图
依题意,小球受到重力mg和轻绳的拉力F的合力提供向心力,可得
又
联立,解得
可知-图像为过原点的倾斜直线。
故选A。
3.(23-24高一下·福建·期末)下列关于课本中相关案例的说法正确的是( )
A.图1所示为论述“曲线运动的速度方向”的示意图,这里运用了“极限”的思想方法
B.图2所示的演示实验,该实验能证明平抛运动的水平分运动为匀速直线运动,竖直分运动为自由落体运动
C.图3所示用手抓紧绳子使小球在水平面上做匀速圆周运动,当转速足够快,绳子能被拉至水平方向
D.图4所示“墨水旋风”示意图中,墨水是由于受到离心力的作用而离圆心越来越远
【答案】A
【详解】A.图1所示为论述“曲线运动速度特点”的示意图,这里运用了“极限”的思想方法,故A正确;
B.图2所示的演示实验中,若两球同时落地,则证明平抛运动在竖直方向做自由落体运动,但不能证明水平方向为匀速直线运动,故B错误;
C.图3所示用手抓紧绳子使小球在水平面上做匀速圆周运动,无论转速多快,绳子拉力总有竖直分量(其竖直分量大小等于mg),则绳子不可能拉至水平,故C错误;
D.图4所示“墨水旋风”示意图中,离心力是一种虚拟力,是一种惯性的体现,而不能说受到了离心力,故D错误。
故选A。
二、多选题
4.(23-24高一下·福建福州·期末)如图甲为自动计数的智能呼啦圈,水平固定的圆形腰带外侧有轨道,配重通过轻绳与轨道上的滑轮P连接。锻炼中,配重的运动简化为绕腰带的中心轴在水平面内匀速转动,其模型如图乙所示。已知配重的质量为m,轻绳长为l,与竖直方向的夹角为,圆形腰带的半径为r,重力加速度为g,配重可视为质点,则配重( )
A.受到的拉力大小为 B.受到的拉力大小为
C.转动的角速度为 D.转动的角速度为
【答案】AC
【详解】AB.竖直方向上受力平衡可得
可得
故A正确,B错误;
CD.水平方向根据牛顿第二定律可得
解得
故C正确,D错误。
故选AC。
5.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,一不可伸长的轻质细绳,绳子的长度为l,绳的另一端连接一质量为m的小球,另一端固定在天花板上,小球可看作质点,现让小球以不同的角速度绕竖直轴做匀速圆周运动,小球离A点的竖直高度为h,细绳的拉力大小为F,重力加速度为g,下列图像可能正确的是( )
A. B.
C. D.
【答案】ACD
【详解】AB.对小球进行受力分析,如图所示
根据牛顿第二定律有
解得
故A正确,B错误;
CD.结合上述可知,令绳子的拉力为F,则有
解得
故CD正确。
故选ACD。
三、填空题
6.(23-24高一下·福建莆田·期末)游乐园中的“空中飞椅”简化模型如图所示。水平转盘可绕轴转动,绳子上端固定在转盘的边缘上,绳子的下端连接座椅,人坐在座椅上随转盘旋转而在空中飞旋。当转盘匀速转动时,绳子与竖直方向的夹角为。若转盘转速增大,夹角将 ,绳子的拉力将 。(填“增大”“减小”“不变”)
【答案】 增大 增大
【详解】[1]设转盘半径为,绳子长度为,由牛顿第二定律可得
可得
可知转盘转速增大时,即角速度增大时,夹角将增大;
[2]竖直方向根据受力平衡可得
解得绳子拉力为
由于夹角将增大,则绳子的拉力将增大。
7.(23-24高一下·福建厦门·期末)如图所示,轻绳一端连接小球A,穿过内壁光滑的竖直细管后另一端与质量为2kg的小球B连接,某同学握住细管,使小球A在水平面内做匀速圆周运动,小球B保持静止。稳定时轻绳OA段长为0.2m、与竖直方向夹角为60°,重力加速度g取,则小球A的质量为 kg,做圆周运动的角速度为 rad/s。
【答案】 1
【详解】[1]小球B保持静止,则绳子的拉力为
对小球A,竖直方向有
解得小球A的质量为
[2]对小球A,重力与绳子拉力的合力提供向心力,则
解得做圆周运动的角速度为
四、解答题
8.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,轻杆的一端固定在轻质竖直转轴上的O点,杆与轴的夹角 杆上套有一劲度系数k=100N/m的轻质弹簧,弹簧一端固定于 O点,另一端与套在杆上的质量 的圆环相连,杆和圆环均处于静止状态。已知弹簧原长,弹簧始终在弹性限度内,取重力加速度 ,不计一切摩擦。
(1)求圆环静止时弹簧的长度L;
(2)杆随转轴缓慢加速转动,圆环始终未离开杆。当弹簧处于原长时,求杆转动的角速度大小;
【答案】(1)0.10m;(2)rad/s
【详解】(1) 对圆环
弹簧的长度
解得
L=0.10m
(2)当弹簧处于原长时,对圆环
几何关系
解得
9.(23-24高一下·福建三明·期末)如图为一种可测量转动角速度的简易装置。“V”形光滑支架可随水平面上的底座绕中轴线OO′旋转,支架两杆与水平面间夹角均为θ,两侧的杆长均为1.5L。一原长为L的轻弹簧套在AB杆上,下端固定于杆上的B点,另一端与一小球拴接。已知支架静止时弹簧的长度为0.5L,小球的质量为m,重力加速度为g。现让小球随支架以角速度ω匀速转动。求:
(1)轻弹簧的劲度系数k;
(2)轻弹簧恰为原长时,支架角速度ω1的大小;
(3)若已知θ=53°,,,sin53°=0.8,cos53°=0.6,小球在杆末端A匀速转动时,支架角速度ω2的大小。
【答案】(1);(2);(3)
【详解】(1)静止时弹簧被压缩了,设弹簧弹力为F1,受力分析如图,由平衡条件可得
①
解得
(2)轻弹簧恰为原长时,小球只受重力和杆的支持力N2,受力分析如图,由几何关系
②
竖直方向
③
水平方向
④
联立②③④得
(3)小球在A端随装置做匀速圆周运动时,弹簧伸长量为,受力分析如图,弹簧的弹力
⑤
圆周运动的半径
⑥
竖直方向
⑦
水平方向
⑧
联立⑤⑥⑦⑧解得
绳模型
一、多选题
1.(23-24高一下·四川南充·期中)水平光滑直轨道ab与半径为R的竖直半圆形光滑轨道bc相切,一小球以初速度v0沿直轨道向右运动,如图所示,小球进入圆形轨道后刚好能通过c点,然后小球做平抛运动落在直轨道上的d点,则( )
A.小球到达c点的速度为
B.R越大,小球经过b点的瞬间对轨道的压力变大
C.小球在直轨道上的落点d与b点距离为2R
D.小球从c点落到d点需要时间为
【答案】ACD
【详解】A.小球进入圆形轨道后刚好能通过c点,重力提供向心力,则
解得
故A正确;
B.设小球在b点受到轨道的支持力为,对小球在b点时受力分析,由牛顿第二定律可得
得
由牛顿第三定律有小球经过b点的瞬间对轨道的压力大小为
可见R越大,小球经过b点的瞬间对轨道的压力变小。故B错误;
CD.小球从c点到d点做平抛运动,则
解得
故CD正确。
故选ACD。
二、解答题
2.(23-24高一下·福建泉州·期末)用长为的细绳拴着质量为的小球在竖直平面内做圆周运动,求小球在最高点的最小速度是多少?若小球在最低点的速度为,求此时小球在最低点受到的绳的拉力是多少?
【答案】,
【详解】当绳子的拉力为零时,速度最小,根据
得小球在最高点的最小速度为
在最低点,根据牛顿第二定律得
解得
3.(23-24高一下·河北承德·阶段练习)某同学站在水平地面上,手握不可伸长的轻绳一端,轻绳的另一端系有质量为m的小球(视为质点),甩动手腕,使小球在竖直平面内绕O点做部分圆周运动(圆周摆动)。当小球某次运动到最低点时,轻绳突然断裂,小球飞行水平距离d后落地,如图所示。已知O点距地面的高度为d,O点与小球之间的绳长为,重力加速度大小为g,不计空气阻力。求:
(1)轻绳断裂时小球的速度大小和小球落地时的速度大小;
(2)轻绳刚要断裂时轻绳所受的拉力大小F。
【答案】(1),;(2)
【详解】(1)设轻绳断裂后小球在空中运动的时间为t,根据平抛运动的规律有
解得
又
解得
小球落地时的竖直分速度大小
经分析可知
解得
(2)由题意可知,小球做圆周运动的半径
设当轻绳断裂时,轻绳对小球的拉力大小为,有
根据牛顿第三定律有
解得
杆模型
一、多选题
1.(23-24高一下·福建福州·期末)如图所示,长为0.25m的轻质细杆一端固定于O点,另一端固定有一质量为1kg的小球,使小球绕O点在竖直面内以2m/s的线速度做匀速圆周运动。取g=10m/s2。下列说法正确的是( )
A.小球通过最高点时,对杆的作用力大小是16N,方向竖直向下
B.小球通过最高点时,对杆的作用力大小是6N,方向竖直向上
C.小球通过最低点时,对杆的作用力大小是26N,方向竖直向上
D.小球通过最低点时,对杆的作用力大小是26N,方向竖直向下
【答案】BD
【详解】AB.设小球通过最高点时,杆对小球的作用力大小是,方向竖直向下,由牛顿第二定律得
解得
由牛顿第三定律可知小球对杆的作用力大小是6N,方向竖直向上,故A错误,B正确;
CD.设小球通过最高点时,杆对小球的作用力大小是,方向竖直向上,由牛顿第二定律得
解得
由牛顿第三定律可知小球对杆的作用力大小是26N,方向竖直向下,故C错误,D正确。
故选BD。
2.(23-24高一下·福建福州·期末)如图甲所示,轻杆一端固定一小球,另一端绕O点在竖直平面内做半径为R的圆周运动。小球运动到最高点时,杆与小球间弹力大小为F,当小球运动的角速度ω逐渐增大时,得到F-ω2图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.当地的重力加速度大小为bR
B.小球的质量为
C.时,杆对小球的弹力方向向上
D.若c=2b,则杆对小球弹力大小为a
【答案】AD
【详解】A.当角速度较小时,在最高点,重力大于所需向心力,弹力方向向上,则有
根据图乙可知,当角速度的平方为b时,弹力为0,由重力提供向心力,则有
解得当地的重力加速度大小为
故A正确;
B.结合上述可知,当角速度的平方为0时,弹力大小为a,则有
结合上述解得,小球的质量为
故B错误;
C.当角速度较大时,重力不足以提供向心力,弹力方向向下,则有
当时,杆对小球的弹力方向向下,大小为
故C错误;
D.若,结合上述有
解得
故D正确。
故选AD。
二、填空题
3.(23-24高一下·福建福州·期末)在长1m的轻杆,一端连着质量0.5kg的小球,另一端绕过O点的水平固定轴在竖直平面内自由转动。当小球以3m/s的速率通过最高点时,受到轻杆的作用力为大小为 N,是 (选填“拉力”或“支持力”)。。
【答案】 0.5 支持力
【详解】[1][2]当小球以2m/s的速率通过最高点时,小球做圆周运动所需的向心力大小为
所以轻杆对小球有向上的支持力,大小为
三、解答题
4.(23-24高一下·福建福州·期末)电动打夯机可以用来平整地面。如图为某小型电动打夯机的结构示意图,质量为m的摆锤通过轻杆与总质量为M的底座(含电动机)上的转轴相连,电动机通过皮带传动,使摆锤绕转轴O在竖直面内以角速度匀速转动,转动半径为R。已知打夯机底座始终没有离开地面。求:
(1)摆锤在最低点和最高点时打夯机对地面的压力差;
(2)要使第(1)问压力差达到最大,求:打夯机角速度的值和压力差的最大值。
【答案】(1);(2),
【详解】(1)当摆锤转到顶端时,轻杆对摆锤的作用力大小为,有
对打夯机有
当摆锤转到底端时,轻杆对摆锤的作用力大小为,有
对打夯机有
故
联立解得
(2)当底座刚好对地面无压力,打夯机转动的角速度达到最大,有
解得角速度为
代入
得
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