第2节 科学探究：向心力（分层作业）物理鲁科版必修第二册

2．科学探究：向心力 目录 【攻核心·技能提升】 1 一、向心力的来源 1 二、圆周运动的动力学问题 3 三、原型与拓展 5 【拓思维·重难突破】 9 【链高考·精准破局】 10 一、向心力的来源 1.如图所示，该文物为战国青铜机械零件，由单模铸成，中为方孔，周列斜齿40个，体积小，铸造比较精密，保存完好，反映出战国时期机械零件铸造的精密和进步，是一件重要的中国古代工艺实物。分析古人使用齿轮时，各轮齿具有相同的（　　） A．角速度 B．线速度 C．向心力 D．向心加速度 2.如图所示，为一条弯曲的河流的四处河岸，河水对河岸的冲刷程度最严重的可能是（　　） A．A处 B．B处 C．C处 D．D处 3.如图所示，杂技演员进行表演时，可以悬空靠在匀速转动的圆筒内壁而不掉下来。下列说法正确的是（　　） A．演员受到重力、支持力、静摩擦力、向心力的作用 B．演员所需的向心力由重力提供 C．圆筒的角速度越大，演员所受的静摩擦力越大 D．圆筒的角速度越大，演员所受的支持力越大 4.随着人民生活水平的提高，户外旅游越来越受欢迎。如图所示，在东北雪乡有一款坐马拉爬犁的旅游体验项目深受游客的喜爱。假设马拉爬犁在水平雪地上做匀速圆周运动，下列有关说法正确的是（　　） A．爬犁受到的支持力和重力是一对平衡力 B．马拉爬犁的力等于爬犁受到的摩擦力 C．重力、支持力和摩擦力的合力和马拉爬犁的力构成一对平衡力 D．马拉爬犁的力的一个分力提供向心力 5.如图，一机械臂铁夹夹着一个质量为m的小球，若小球球心到机械臂转轴的距离为r，机械臂与小球在水平面内做角速度为的匀速圆周运动，已知重力加速度为g，则铁夹对小球的作用力（　　） A．大小为mg，方向竖直向上 B．大小为，方向水平且指向转轴 C．大小为，方向斜向上 D．大小为，方向水平且指向转轴 6.如图甲所示，机器人转动八角巾手帕时形成一个匀速转动的圆盘。为手帕的中心，为手帕上的三个点（如图乙），各点到点的距离关系为，下列说法正确的是（　　） A．A点的线速度大于点的线速度 B．点的周期大于点的周期 C．点的角速度小于A点的角速度 D．A点所受的合力不一定指向圆心 二、圆周运动的动力学问题 7.游乐场内有一种叫“空中飞椅”的游乐项目，静止时的状态可简化为如图所示。左边绳长大于右边绳长，左边人与飞椅的总质量大于右边人与飞椅的总质量。当匀速转动时，下列四幅图可能的状态为（　　） A．B．C．D． 8.如图甲所示是济南市某环岛的俯视图，某汽车行驶的路径如图乙所示。汽车以的速度沿水平直线车道行驶，从点进入半径为的水平圆弧车道，再从点进入水平直线车道。若汽车轮胎与路面间的动摩擦因数为，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，汽车可视为质点，重力加速度大小。求： (1)为行驶安全，汽车在圆弧车道行驶的最大速度； (2)若汽车减速和加速的加速度大小均为，则汽车安全行驶过程中从减速到恢复原速度经历的最短时间（取3）。 9.如图所示的机械装置由摆锤和底座两部分组成，摆锤通过轻质直杆与底座上的转轴连接，整个机械装置放置在上表面水平的压力传感器上，底座内部的电机可以驱动摆锤在竖直平面内做半径为的匀速圆周运动，底座始终保持静止。已知摆锤的质量为，底座的质量为，重力加速度为，下列说法正确的是（　　） A．若摆锤的速率为，则摆锤运动到最高点时，压力传感器的示数等于 B．摆锤运动到最低点时，压力传感器的示数可能小于 C．当摆锤重心与点等高且在点右侧时，直杆对摆锤的弹力指向点 D．当摆锤重心与点等高且在点右侧时，底座所受摩擦力水平向左 10.运球转身是篮球运动中重要进攻技术之一，其中拉球转身的动作是难点。如图甲所示为运动员拉球转身的一瞬间，由于篮球规则规定手掌不能上翻，我们将此过程理想化为如图乙所示的模型。薄长方体代表手掌，转身时球紧贴竖立的手掌，绕着转轴（中枢脚所在直线）做圆周运动。假设手掌和球之间的最大静摩擦因数为0.5，篮球质量为600g，球心到转轴的距离为45cm，则要顺利完成此转身动作，篮球和手的速度至少为（　　） A．3m/s B．2m/s C．1m/s D．0.5m/s 11.如图甲所示为一小女孩在水泥管内踢球的情境，整个过程可简化为图乙。固定的竖直圆形轨道半径为R，圆心为O，轨道上的C点和圆心O点的连线与水平方向的夹角为37°。某次踢球时，小女孩把球从轨道最低点A水平向左踢出，球在第一次经过C点后恰好能通过最高点B，当球第二次到达C点时，恰好离开轨道并落入书包内，接球时书包与直径AB的水平距离为0.2R。已知球从A点刚被踢出时的速度是经过B点时速度的3倍，球的质量为m，球与轨道间的动摩擦因数处处相等，重力加速度为g，球可视为质点，不计空气阻力。下列说法正确的是（　　） A．球从A到B和从B到A的过程中，摩擦力做功相等 B．球从A到B的过程中，摩擦力做功为2mgR C．球第二次到达C点的速度大小 D．接球时书包离A点的竖直高度为0.8R 12.（2025·安徽·高考真题）如图，M、N为固定在竖直平面内同一高度的两根细钉，间距。一根长为的轻绳一端系在M上，另一端竖直悬挂质量的小球，小球与水平地面接触但无压力。时，小球以水平向右的初速度开始在竖直平面内做圆周运动。小球牵引着绳子绕过N、M，运动到M正下方与M相距L的位置时，绳子刚好被拉断，小球开始做平抛运动。小球可视为质点，绳子不可伸长，不计空气阻力，重力加速度g取。 (1)求绳子被拉断时小球的速度大小，及绳子所受的最大拉力大小； (2)求小球做平抛运动时抛出点到落地点的水平距离； (3)若在时，只改变小球的初速度大小，使小球能通过N的正上方且绳子不松弛，求初速度的最小值。 三、原型与拓展 13.某实验小组利用如图甲所示的向心力演示器，验证小球做圆周运动所需的向心力F与角速度之间的关系。挡板A、C分别到左右塔轮中心的距离相等，挡板B到左塔轮中心的距离是A到左塔轮中心距离的2倍，左右塔轮自上而下有三层，如图乙所示，它们通过不打滑的传动皮带连接，转动手柄使长槽和短槽分别随塔轮一起转动。球对挡板的作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格的格子数与两个小球所受向心力的大小成正比。 (1)将质量相同的两个小球分别放在甲图中的A、C两个位置，塔轮皮带套塔轮第二层的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动，此时左，右两侧露出的标尺格数之比应为 。 (2)其他条件不变，若减小手柄的转速，则左右两标尺的格数 （填“变多”“变少”或“不变”），两标尺格数的比值 （填“变大”“变小”或“不变”）。观测到的实验结果与理论值相符，即可验证F与ω之间的关系。 14.某兴趣小组利用如图甲所示的向心力演示仪探究向心力大小与角速度、运动半径、质量的关系。 (1)标尺上露出的红白相间等分格子数，可以粗略显示小球的 （填“向心力”或“角速度”）大小。 (2)另一兴趣小组用如图乙所示的装置探究向心力与角速度的关系。用手拨动旋臂使它做圆周运动，力传感器和光电门固定在实验器上，实时测量向心力和角速度的大小。 a．图丙中①②两条曲线为相同半径、不同质量下向心力与角速度的关系图线，由图可知曲线①对应的金属块质量 （填“大于”或“小于”）曲线②对应的金属块质量； b．为了进一步明确向心力与角速度的关系，作出图线为过原点的倾斜直线，由此可得出的结论是 。 15.物理小组设计了一款如图（a）所示的研究向心力大小的实验装置，其简化示意图如图（b），装置固定在水平桌面，在可调速的电机上固定一个半圆形有机玻璃凹槽（表面光滑，可忽略摩擦的影响），凹槽在电机的带动下能沿轴转动，旁边竖直固定一标尺，其上是可调高度的激光笔，实验步骤如下： （1）将钢球放入凹槽底部，上下移动激光笔对准凹槽圆心，此时激光笔所在位置读数记为。 （2）接通电源，开启电机调速开关，钢球往凹槽外侧运动；当钢球到达某一高度后随凹槽做稳定的匀速圆周运动，上下移动激光笔，当红色激光对准钢球球心位置时，记录此时激光笔所在位置读数为（），记。 （3）利用光电传感器探测钢球运动的周期T，当钢球第1次被光电传感器接收到信号时数字计时器开始计时，并记录为1次，达到n次时计时器停止计时，记录总时间t，则钢球运动的周期T= （用题给的符号表示）。 （4）若适当调大电机转速，钢球运动的周期T将 （填“变大”、“不变”或“变小”）；则激光笔应 （填“上移”、“不动”或“下移”）。 （5）改变电机转速，重复实验，得到多组T和h的数据，记录到表格中，并绘制图像，根据图像的斜率k还能进一步求出当地重力加速度g= （用题给的符号表示）。 16.小明同学用如图甲所示的向心力演示仪来探究向心力的大小与质量、角速度和半径之间的关系，装置中长槽的处和短槽的处分别到各自转轴中心距离之比为，变速塔轮自上而下有三种组合方式，每层中左右塔轮的半径之比不同。 (1)下列实验中采用的实验方法与本实验相同的是___________ A．探究两个互成角度的力的合成规律 B．探究加速度与物体受力、物体质量的关系 C．探究弹簧弹力与形变量的关系 D．验证机械能守恒定律 (2)小明同学将皮带套在第二层塔轮上，调整长槽、短槽共线，位置如图乙所示，缓慢转动手柄使短槽转动一圈，此时长槽和短槽再次共线且位置如图丙所示，则第二层左右塔轮的半径之比为___________（填选项标号） A． B． C． D． (3)在探究向心力的大小与角速度关系之前，小明同学选择两个相同的小球，将装置调整为如图丁所示，请指出其中的至少两处错误： ① ； ② 。 17.某小组用如图甲所示的装置探究了小滑块做圆周运动时，向心力与质量、转动半径、角速度大小之间的关系。直杆水平固定在竖直转轴上，一端套有小滑块，另一端竖直固定一挡光条，在水平直杆上固定一力传感器，用轻绳将滑块与力传感器水平相连，竖直转轴由电动机带动匀速旋转。 该小组利用实验所测数据，描点作出两条力传感器示数与小滑块转动角速度的平方的关系图像分别如图乙中、所示，则： (1)测得挡光条的宽度为，到竖直转轴的距离为，某次挡光条通过光电门时的挡光时间为，则该过程中小滑块绕竖直转轴转动的角速度大小为 （用所给物理量符号表示）； (2)由图像可知，在分别测量、两图像对应数据时，测时小滑块与水平直杆间的最大静摩擦力 （选填“大于”、“等于”或“小于”）测时小滑块与水平直杆间的最大静摩擦力； (3)已知测量图像对应数据时所用小滑块的质量为200g，则由图像可知，测量图像对应数据时小滑块到竖直转轴的距离为 m（结果保留2位有效数字）。 18.如图甲所示为智能健身圈，其原理是利用摇动腰部轨道上的阻尼环带起腰带外部轨道上的小球，起到健身的效果，其原理简化为如图乙所示。设配重小球的质量为m，体积忽略不计，小球悬绳(忽略质量)长度为L，腰带轨道近似看成是正圆，且半径为R。若配重小球绕腰带的中心轴做水平匀速圆周运动，小球的线速度大小为v，绳子与竖直方向夹角为θ，运动过程腰部保持稳定，重力加速度为g。下列说法正确的是（　　） A．要让配重小球从静止以速度v匀速转动起来，悬绳对小球做的功为 B．当绳子与竖直方向夹角为θ时，配重小球做匀速圆周运动的向心力大小为 C．若更换质量为2m的配重小球，以相同角速度转动阻尼环，绳子与竖直方向夹角不变 D．当绳子与竖直方向夹角保持为θ时，配重小球转动频率 19.制作陶瓷时，在水平面内匀速转动的台面上有一些陶屑。假设陶屑与台面间的动摩擦因数均相同，最大静摩擦力等于滑动摩檫力。将陶屑视为质点，则（　　） A．离转轴越近的陶屑质量越大 B．离转轴越远的陶屑质量越大 C．陶屑只能分布在台面的边缘处 D．陶屑只能分布在一定半径的圆内 20.某同学借助如图甲所示的DIS向心力实验器探究影响向心力大小的因素。电动机带动旋臂绕竖直转轴转动，水平直杆一端固定在过竖直转轴上的传动装置上，竖直直杆（与竖直转轴在同一竖直线上）连接传动装置和力传感器，力传感器可以记录水平直杆上的拉力在水平直杆上固定质量为m的砝码，在旋臂―端固定一圆柱状挡光条。当电机转动时，旋臂带动挡光条、砝码一起绕竖直转轴转动，挡光条经过光电门时，光电门可以记录挡光条经过光电门的挡光时间。 (1)本实验中用到的物理方法是（　　） A．微元法 B．控制变量法 C．类比法 D．等效替代法 (2)该同学测出挡光条的直径d、挡光条中心到竖直转轴的距离L，若挡光条经过光电门的挡光时间为∆t，则砝码转动的角速度ω= （用题中物理量符号表示）； (3)在实验中，保持砝码质量不变，测出砝码到竖直转轴的距离r，改变砝码转动的速度，记录对应的力传感器示数F及挡光条的挡光时间∆t，作出对应F-ω图像；改变砝码到竖直转轴的距离r重复上述步骤，在同一坐标系中分别得到图乙中的①②③④⑤五条图线。对5条图线进行分析研究可知图线 （填①②③④或⑤）对应的半径r最大； (4)对图线②的数据进行处理，获得了F-ω2图像，该图像是一条过原点的直线，由此可得实验结论： 。 21.（2025·福建·高考真题）（多选）春晚上转手绢的机器人，手绢上有P、Q两点，圆心为O，，手绢做匀速圆周运动，则（　　） A．P、Q线速度之比为 B．P、Q角速度之比为 C．P、Q向心加速度之比为 D．P点所受合外力总是指向O 22.（2025·山东·高考真题）某同学用不可伸长的细线系一个质量为的发光小球，让小球在竖直面内绕一固定点做半径为的圆周运动。在小球经过最低点附近时拍摄了一张照片，曝光时间为。由于小球运动，在照片上留下了一条长度约为半径的圆弧形径迹。根据以上数据估算小球在最低点时细线的拉力大小为（　　） A． B． C． D． 23.（2025·重庆·高考真题）“魔幻”重庆的立体交通屋叠交错，小明选取其中两条线探究车辆的运动。如图所示，轻轨列车与汽车以速度分别从M和N向左同时出发，列车做匀速直线运动，汽车在长为s的NO段做匀减速直线运动并以速度进入半经为R的OP圆孤段做匀速圆周运动。两车均视为质点，则（　　） A．汽车到O点时，列车行驶距离为s B．汽车到O点时，列车行驶距离为 C．汽车在OP段向心加速度大小为 D．汽车在OP段向心加速度大小为 24.（2023·浙江·高考真题）“探究向心力大小的表达式”实验装置如图所示。 ①采用的实验方法是 A．控制变量法　　B．等效法　　C．模拟法 ②在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的 之比（选填“线速度大小”、“角速度平方”或“周期平方”）；在加速转动手柄过程中，左右标尺露出红白相间等分标记的比值 （选填“不变”、“变大”或“变小”）。 25.（2025·北京·高考真题）利用打点计时器研究匀变速直线运动的规律，实验装置如图1所示。 (1)按照图1安装好器材，下列实验步骤正确的操作顺序为________（填各实验步骤前的字母）。 A．释放小车 B．接通打点计时器的电源 C．调整滑轮位置，使细线与木板平行 (2)实验中打出的一条纸带如图2所示，为依次选取的三个计数点（相邻计数点间有4个点未画出），可以判断纸带的 （填“左端”或“右端”）与小车相连。 (3)图2中相邻计数点间的时间间隔为T，则打B点时小车的速度 。 (4)某同学用打点计时器来研究圆周运动。如图3所示，将纸带的一端固定在圆盘边缘处的M点，另一端穿过打点计时器。实验时圆盘从静止开始转动，选取部分纸带如图4所示。相邻计数点间的时间间隔为，圆盘半径。则这部分纸带通过打点计时器的加速度大小为 ；打点计时器打B点时圆盘上M点的向心加速度大小为 。（结果均保留两位有效数字） 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 2．科学探究：向心力 目录 【攻核心·技能提升】 1 一、向心力的来源 1 二、圆周运动的动力学问题 4 三、原型与拓展 9 【拓思维·重难突破】 14 【链高考·精准破局】 16 一、向心力的来源 1.如图所示，该文物为战国青铜机械零件，由单模铸成，中为方孔，周列斜齿40个，体积小，铸造比较精密，保存完好，反映出战国时期机械零件铸造的精密和进步，是一件重要的中国古代工艺实物。分析古人使用齿轮时，各轮齿具有相同的（　　） A．角速度 B．线速度 C．向心力 D．向心加速度 【答案】A 【详解】齿轮转动时做圆周运动，线速度、向心力、向心加速度的方向均时刻发生改变，而角速度的大小、方向都不变。 故选A。 2.如图所示，为一条弯曲的河流的四处河岸，河水对河岸的冲刷程度最严重的可能是（　　） A．A处 B．B处 C．C处 D．D处 【答案】C 【详解】河水经过弯曲处，根据向心力公式 可知在河水流量及流速一定的情况下，弯曲处的曲率半径越小，河水所需向心力越大，对河岸冲刷越严重，由题图可知C处曲率半径最小，则冲刷最严重的可能是C处。 故选C。 3.如图所示，杂技演员进行表演时，可以悬空靠在匀速转动的圆筒内壁而不掉下来。下列说法正确的是（　　） A．演员受到重力、支持力、静摩擦力、向心力的作用 B．演员所需的向心力由重力提供 C．圆筒的角速度越大，演员所受的静摩擦力越大 D．圆筒的角速度越大，演员所受的支持力越大 【答案】D 【详解】ABD．对演员进行受力分析，演员受到重力、支持力、静摩擦力的作用，其中演员所需的向心力由支持力提供，根据牛顿第二定律可得 可知圆筒的角速度越大，演员所受的支持力越大，故AB错误，D正确； C．竖直方向根据平衡条件可得 可知演员所受的静摩擦力与圆筒的角速度无关，故C错误。 故选D。 4.随着人民生活水平的提高，户外旅游越来越受欢迎。如图所示，在东北雪乡有一款坐马拉爬犁的旅游体验项目深受游客的喜爱。假设马拉爬犁在水平雪地上做匀速圆周运动，下列有关说法正确的是（　　） A．爬犁受到的支持力和重力是一对平衡力 B．马拉爬犁的力等于爬犁受到的摩擦力 C．重力、支持力和摩擦力的合力和马拉爬犁的力构成一对平衡力 D．马拉爬犁的力的一个分力提供向心力 【答案】D 【详解】A．把马拉爬犁的力在水平面和竖直面进行正交分解，受力分析如图所示 则有， 故爬犁受到的支持力小于重力，故A错误； B．由受力分析可知，马拉爬犁的力大于爬犁受到的摩擦力，故B错误； C．爬犁做圆周运动，其合力不为零，所以重力、支持力、摩擦力的合力和马拉爬犁的力不能构成一对平衡力，故C错误； D．提供爬犁做圆周运动的向心力，是马拉爬犁的力在水平面上的另一个分力，也是重力、支持力、摩擦力和马拉爬犁的力的合力，故D正确。 故选D。 5.如图，一机械臂铁夹夹着一个质量为m的小球，若小球球心到机械臂转轴的距离为r，机械臂与小球在水平面内做角速度为的匀速圆周运动，已知重力加速度为g，则铁夹对小球的作用力（　　） A．大小为mg，方向竖直向上 B．大小为，方向水平且指向转轴 C．大小为，方向斜向上 D．大小为，方向水平且指向转轴 【答案】C 【详解】对小球受力分析可知，小球受重力、铁夹对球的作用力，当机械臂使小球在水平面内做匀速圆周运动时，根据牛顿第二定律可知，合力沿水平方向且指向转轴，则铁夹对球的作用力斜向上方，铁夹对球的作用力大小 故选C。 6.如图甲所示，机器人转动八角巾手帕时形成一个匀速转动的圆盘。为手帕的中心，为手帕上的三个点（如图乙），各点到点的距离关系为，下列说法正确的是（　　） A．A点的线速度大于点的线速度 B．点的周期大于点的周期 C．点的角速度小于A点的角速度 D．A点所受的合力不一定指向圆心 【答案】A 【详解】BC．根据题意可知A、B、C三点同轴转动，所以A、B、C三点的角速度相等，周期也相等，故BC错误； A．根据，因为，所以A点的线速度大于C点的线速度，故A正确； D．因为八角巾手帕做匀速圆周转动，所以A点所受的合力提供向心力，一定指向圆心，故D错误。 故选A。 二、圆周运动的动力学问题 7.游乐场内有一种叫“空中飞椅”的游乐项目，静止时的状态可简化为如图所示。左边绳长大于右边绳长，左边人与飞椅的总质量大于右边人与飞椅的总质量。当匀速转动时，下列四幅图可能的状态为（　　） A．B．C．D． 【答案】A 【详解】对飞椅和人整体受力分析可知 解得 由于左边绳长大于右边绳长，则有左边角度大，即有 故选A。 8.如图甲所示是济南市某环岛的俯视图，某汽车行驶的路径如图乙所示。汽车以的速度沿水平直线车道行驶，从点进入半径为的水平圆弧车道，再从点进入水平直线车道。若汽车轮胎与路面间的动摩擦因数为，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，汽车可视为质点，重力加速度大小。求： (1)为行驶安全，汽车在圆弧车道行驶的最大速度； (2)若汽车减速和加速的加速度大小均为，则汽车安全行驶过程中从减速到恢复原速度经历的最短时间（取3）。 【答案】(1)(2) 【详解】（1）汽车在圆弧车道BC行驶的过程中，由牛顿第二定律得 代入题中数据，解得最大速度 （2）汽车减速和加速的时间为 其中 代入数据，联立解得 汽车在圆弧车道BC行驶的时间为 解得 汽车从减速到恢复原速度经历的时间为 9.如图所示的机械装置由摆锤和底座两部分组成，摆锤通过轻质直杆与底座上的转轴连接，整个机械装置放置在上表面水平的压力传感器上，底座内部的电机可以驱动摆锤在竖直平面内做半径为的匀速圆周运动，底座始终保持静止。已知摆锤的质量为，底座的质量为，重力加速度为，下列说法正确的是（　　） A．若摆锤的速率为，则摆锤运动到最高点时，压力传感器的示数等于 B．摆锤运动到最低点时，压力传感器的示数可能小于 C．当摆锤重心与点等高且在点右侧时，直杆对摆锤的弹力指向点 D．当摆锤重心与点等高且在点右侧时，底座所受摩擦力水平向左 【答案】AD 【详解】A．若摆锤的速率为，摆锤运动到最高点时，直杆上无弹力，而底座保持静止，压力传感器的示数等于，故A正确； B．摆锤运动到最低点时，摆锤处于超重状态，压力传感器的示数一定大于，故B错误； CD．当摆锤重心与点等高且在点右侧时，直杆对摆锤弹力的竖直分量与摆锤的重力平衡，水平分力提供向心力，直杆对重锤的弹力斜向左上，直杆对底座的弹力斜向右下，而底座保持静止，所以底座所受摩擦力水平向左，故C错误D正确。 故选AD。 10.运球转身是篮球运动中重要进攻技术之一，其中拉球转身的动作是难点。如图甲所示为运动员拉球转身的一瞬间，由于篮球规则规定手掌不能上翻，我们将此过程理想化为如图乙所示的模型。薄长方体代表手掌，转身时球紧贴竖立的手掌，绕着转轴（中枢脚所在直线）做圆周运动。假设手掌和球之间的最大静摩擦因数为0.5，篮球质量为600g，球心到转轴的距离为45cm，则要顺利完成此转身动作，篮球和手的速度至少为（　　） A．3m/s B．2m/s C．1m/s D．0.5m/s 【答案】A 【详解】对篮球受力分析，竖直方向最大静摩擦力等于重力，即 由，水平方向手对球的作用力提供向心力 联立解得 故选A。 11.如图甲所示为一小女孩在水泥管内踢球的情境，整个过程可简化为图乙。固定的竖直圆形轨道半径为R，圆心为O，轨道上的C点和圆心O点的连线与水平方向的夹角为37°。某次踢球时，小女孩把球从轨道最低点A水平向左踢出，球在第一次经过C点后恰好能通过最高点B，当球第二次到达C点时，恰好离开轨道并落入书包内，接球时书包与直径AB的水平距离为0.2R。已知球从A点刚被踢出时的速度是经过B点时速度的3倍，球的质量为m，球与轨道间的动摩擦因数处处相等，重力加速度为g，球可视为质点，不计空气阻力。下列说法正确的是（　　） A．球从A到B和从B到A的过程中，摩擦力做功相等 B．球从A到B的过程中，摩擦力做功为2mgR C．球第二次到达C点的速度大小 D．接球时书包离A点的竖直高度为0.8R 【答案】C 【详解】A．球从A到B的过程比从B到A的过程中到达相同高度时速度大，因此A到B的过程球对轨道的压力更大，摩擦力也更大，摩擦力做功更多，A错误； B．由球在第一次经过C点后恰好能通过最高点B，故在B点 得，则 球从A到B的过程运用动能定理有 解得，B错误； C．当球第二次到达C点时，恰好离开轨道并落入书包内，则有 解得，C正确； D．离开轨道球做斜抛运动，将分解， ， 水平方向有 竖直方向有 则接球时书包离A点的竖直高度 联立解得，D错误。 故选C。 12.（2025·安徽·高考真题）如图，M、N为固定在竖直平面内同一高度的两根细钉，间距。一根长为的轻绳一端系在M上，另一端竖直悬挂质量的小球，小球与水平地面接触但无压力。时，小球以水平向右的初速度开始在竖直平面内做圆周运动。小球牵引着绳子绕过N、M，运动到M正下方与M相距L的位置时，绳子刚好被拉断，小球开始做平抛运动。小球可视为质点，绳子不可伸长，不计空气阻力，重力加速度g取。 (1)求绳子被拉断时小球的速度大小，及绳子所受的最大拉力大小； (2)求小球做平抛运动时抛出点到落地点的水平距离； (3)若在时，只改变小球的初速度大小，使小球能通过N的正上方且绳子不松弛，求初速度的最小值。 【答案】(1)，(2)4m(3) 【详解】（1）小球从最下端以速度v0抛出到运动到M正下方距离为L的位置时，根据机械能守恒定律 在该位置时根据牛顿第二定律 解得， （2）小球做平抛运动时， 解得x=4m （3）若小球经过N点正上方绳子恰不松弛，则满足 从最低点到该位置由动能定理 解得 三、原型与拓展 13.某实验小组利用如图甲所示的向心力演示器，验证小球做圆周运动所需的向心力F与角速度之间的关系。挡板A、C分别到左右塔轮中心的距离相等，挡板B到左塔轮中心的距离是A到左塔轮中心距离的2倍，左右塔轮自上而下有三层，如图乙所示，它们通过不打滑的传动皮带连接，转动手柄使长槽和短槽分别随塔轮一起转动。球对挡板的作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格的格子数与两个小球所受向心力的大小成正比。 (1)将质量相同的两个小球分别放在甲图中的A、C两个位置，塔轮皮带套塔轮第二层的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动，此时左，右两侧露出的标尺格数之比应为 。 (2)其他条件不变，若减小手柄的转速，则左右两标尺的格数 （填“变多”“变少”或“不变”），两标尺格数的比值 （填“变大”“变小”或“不变”）。观测到的实验结果与理论值相符，即可验证F与ω之间的关系。 【答案】(1)1：4(2) 变少 不变 【详解】（1）若传动皮带套在塔轮第二层，左右塔轮半径之比为；由于是传动皮带连接，线速度相等，根据 可知A、C两处的角速度之比为；根据 可知此时左、右两侧露出的标尺格数之比为。 （2）[1][2]其他条件不变，若减小手柄转动的速度，则左、右两个塔轮的角速度减小，小球做圆周运动的向心力减小，但左、右两个塔轮的角速度比值不变，所以左、右两标尺的格数变少，两标尺格数的比值不变。 14.某兴趣小组利用如图甲所示的向心力演示仪探究向心力大小与角速度、运动半径、质量的关系。 (1)标尺上露出的红白相间等分格子数，可以粗略显示小球的 （填“向心力”或“角速度”）大小。 (2)另一兴趣小组用如图乙所示的装置探究向心力与角速度的关系。用手拨动旋臂使它做圆周运动，力传感器和光电门固定在实验器上，实时测量向心力和角速度的大小。 a．图丙中①②两条曲线为相同半径、不同质量下向心力与角速度的关系图线，由图可知曲线①对应的金属块质量 （填“大于”或“小于”）曲线②对应的金属块质量； b．为了进一步明确向心力与角速度的关系，作出图线为过原点的倾斜直线，由此可得出的结论是 。 【答案】(1)向心力(2) 小于 质量和半径一定时，向心力和角速度的平方成正比 【详解】（1）标尺上露出的红白相间等分格子数，可以粗略显示小球的向心力大小。 （2）①[1] 根据，由于半径相同，由图可知，在角速度相同的条件下，曲线①对应的向心力小于曲线②对应的向心力，则曲线①对应的金属块质量小于曲线②对应的金属块质量。 ②[2] 图线为过原点的倾斜直线，由此可得出的结论是质量和半径一定时，向心力和角速度的平方成正比。 15.物理小组设计了一款如图（a）所示的研究向心力大小的实验装置，其简化示意图如图（b），装置固定在水平桌面，在可调速的电机上固定一个半圆形有机玻璃凹槽（表面光滑，可忽略摩擦的影响），凹槽在电机的带动下能沿轴转动，旁边竖直固定一标尺，其上是可调高度的激光笔，实验步骤如下： （1）将钢球放入凹槽底部，上下移动激光笔对准凹槽圆心，此时激光笔所在位置读数记为。 （2）接通电源，开启电机调速开关，钢球往凹槽外侧运动；当钢球到达某一高度后随凹槽做稳定的匀速圆周运动，上下移动激光笔，当红色激光对准钢球球心位置时，记录此时激光笔所在位置读数为（），记。 （3）利用光电传感器探测钢球运动的周期T，当钢球第1次被光电传感器接收到信号时数字计时器开始计时，并记录为1次，达到n次时计时器停止计时，记录总时间t，则钢球运动的周期T= （用题给的符号表示）。 （4）若适当调大电机转速，钢球运动的周期T将 （填“变大”、“不变”或“变小”）；则激光笔应 （填“上移”、“不动”或“下移”）。 （5）改变电机转速，重复实验，得到多组T和h的数据，记录到表格中，并绘制图像，根据图像的斜率k还能进一步求出当地重力加速度g= （用题给的符号表示）。 【答案】 变小 上移 【详解】（3）[1]光电传感器连续2次接收到信号的时间间隔是一个周期，钢球运动的周期 （4）[2][3]由 若适当调大电机转速，钢球运动的周期T将变小；则激光笔应上移。 （5）[4]钢球做匀速圆周运动时重力与支持力的合力提供向心力，如图 则 解得 根据图像的斜率k求出当地重力加速度 16.小明同学用如图甲所示的向心力演示仪来探究向心力的大小与质量、角速度和半径之间的关系，装置中长槽的处和短槽的处分别到各自转轴中心距离之比为，变速塔轮自上而下有三种组合方式，每层中左右塔轮的半径之比不同。 (1)下列实验中采用的实验方法与本实验相同的是___________ A．探究两个互成角度的力的合成规律 B．探究加速度与物体受力、物体质量的关系 C．探究弹簧弹力与形变量的关系 D．验证机械能守恒定律 (2)小明同学将皮带套在第二层塔轮上，调整长槽、短槽共线，位置如图乙所示，缓慢转动手柄使短槽转动一圈，此时长槽和短槽再次共线且位置如图丙所示，则第二层左右塔轮的半径之比为___________（填选项标号） A． B． C． D． (3)在探究向心力的大小与角速度关系之前，小明同学选择两个相同的小球，将装置调整为如图丁所示，请指出其中的至少两处错误： ① ； ② 。 【答案】(1)B(2)C(3) 实验开始前，标尺没有调零 皮带没有套在同一层塔轮上 【详解】（1）探究向心力的大小与小球质量m、角速度和半径r之间的关系，采用的实验方法是控制变量法。 A．探究两个互成角度的力的合成规律，采用的实验方法是等效替代法，故A错误； B．探究加速度与物体受力、物体质量的关系，采用的实验方法是控制变量法，故B正确； CD．探究弹簧弹力与形变量的关系、验证机械能守恒定律没有用到控制变量法，故CD错误。 故选B。 （2）皮带传动中，两塔轮的线速度相同，即 当短槽转一圈时，此时长槽转过的圈数为 题目要求短槽转一圈后，长槽与短槽再次共线，即长槽转过半圈。 因此 选项中满足整数比的为2：1。 故选C。 （3）[1][2]实验开始前，标尺没有调零；皮带没有套在同一层塔轮上。 17.某小组用如图甲所示的装置探究了小滑块做圆周运动时，向心力与质量、转动半径、角速度大小之间的关系。直杆水平固定在竖直转轴上，一端套有小滑块，另一端竖直固定一挡光条，在水平直杆上固定一力传感器，用轻绳将滑块与力传感器水平相连，竖直转轴由电动机带动匀速旋转。 该小组利用实验所测数据，描点作出两条力传感器示数与小滑块转动角速度的平方的关系图像分别如图乙中、所示，则： (1)测得挡光条的宽度为，到竖直转轴的距离为，某次挡光条通过光电门时的挡光时间为，则该过程中小滑块绕竖直转轴转动的角速度大小为 （用所给物理量符号表示）； (2)由图像可知，在分别测量、两图像对应数据时，测时小滑块与水平直杆间的最大静摩擦力 （选填“大于”、“等于”或“小于”）测时小滑块与水平直杆间的最大静摩擦力； (3)已知测量图像对应数据时所用小滑块的质量为200g，则由图像可知，测量图像对应数据时小滑块到竖直转轴的距离为 m（结果保留2位有效数字）。 【答案】(1)(2)小于(3)0.14 【详解】（1）挡光条通过光电门时速度大小为 根据可得该过程中小滑块绕竖直转轴转动的角速度大小为 （2）对小滑块由牛顿第二定律 化简可得 将图像中图线延长，纵截距，则由图可知 故测时小滑块与水平直杆间的最大静摩擦力小于测时小滑块与水平直杆间的最大静摩擦力。 （3）对小滑块由牛顿第二定律 化简可得 将图像中坐标、代入联立解得 18.如图甲所示为智能健身圈，其原理是利用摇动腰部轨道上的阻尼环带起腰带外部轨道上的小球，起到健身的效果，其原理简化为如图乙所示。设配重小球的质量为m，体积忽略不计，小球悬绳(忽略质量)长度为L，腰带轨道近似看成是正圆，且半径为R。若配重小球绕腰带的中心轴做水平匀速圆周运动，小球的线速度大小为v，绳子与竖直方向夹角为θ，运动过程腰部保持稳定，重力加速度为g。下列说法正确的是（　　） A．要让配重小球从静止以速度v匀速转动起来，悬绳对小球做的功为 B．当绳子与竖直方向夹角为θ时，配重小球做匀速圆周运动的向心力大小为 C．若更换质量为2m的配重小球，以相同角速度转动阻尼环，绳子与竖直方向夹角不变 D．当绳子与竖直方向夹角保持为θ时，配重小球转动频率 【答案】C 【详解】A．要让配重小球从静止以速度v匀速转动起来，此时小球的重力势能也要增加，则悬绳对小球做的功大于，故A错误； B．当绳子与竖直方向夹角为θ时，配重小球做匀速圆周运动的向心力大小为，故B错误； C．根据 两边可消掉m，若更换质量为2m的配重小球，以相同角速度转动阻尼环，绳子与竖直方向夹角不变，故C正确； D．根据上述结论 当绳子与竖直方向夹角保持为θ时，配重小球转动频率 故D错误。 故选C。 19.制作陶瓷时，在水平面内匀速转动的台面上有一些陶屑。假设陶屑与台面间的动摩擦因数均相同，最大静摩擦力等于滑动摩檫力。将陶屑视为质点，则（　　） A．离转轴越近的陶屑质量越大 B．离转轴越远的陶屑质量越大 C．陶屑只能分布在台面的边缘处 D．陶屑只能分布在一定半径的圆内 【答案】D 【详解】与台面相对静止的陶屑做匀速圆周运动，静摩擦力提供向心力，当静摩擦力为最大静摩擦力时，根据牛顿第二定律可得 解得 因与台面相对静止的这些陶屑的角速度相同，由此可知能与台面相对静止的陶屑离转轴的距离与陶屑质量无关，只要在台面上不发生相对滑动的位置都有陶屑。μ与ω均一定，故为定值，即陶屑离转轴最远的陶屑距离不超过，即陶屑只能分布在半径为的圆内。故ABC错误，故D正确。 故选D。 20.某同学借助如图甲所示的DIS向心力实验器探究影响向心力大小的因素。电动机带动旋臂绕竖直转轴转动，水平直杆一端固定在过竖直转轴上的传动装置上，竖直直杆（与竖直转轴在同一竖直线上）连接传动装置和力传感器，力传感器可以记录水平直杆上的拉力在水平直杆上固定质量为m的砝码，在旋臂―端固定一圆柱状挡光条。当电机转动时，旋臂带动挡光条、砝码一起绕竖直转轴转动，挡光条经过光电门时，光电门可以记录挡光条经过光电门的挡光时间。 (1)本实验中用到的物理方法是（　　） A．微元法 B．控制变量法 C．类比法 D．等效替代法 (2)该同学测出挡光条的直径d、挡光条中心到竖直转轴的距离L，若挡光条经过光电门的挡光时间为∆t，则砝码转动的角速度ω= （用题中物理量符号表示）； (3)在实验中，保持砝码质量不变，测出砝码到竖直转轴的距离r，改变砝码转动的速度，记录对应的力传感器示数F及挡光条的挡光时间∆t，作出对应F-ω图像；改变砝码到竖直转轴的距离r重复上述步骤，在同一坐标系中分别得到图乙中的①②③④⑤五条图线。对5条图线进行分析研究可知图线 （填①②③④或⑤）对应的半径r最大； (4)对图线②的数据进行处理，获得了F-ω2图像，该图像是一条过原点的直线，由此可得实验结论： 。 【答案】(1)B(2)(3)①(4)在误差允许范围内，当m、r一定时，F与ω2成正比 【详解】（1）本实验中，通过控制质量、半径、角速度中两个物理量相同，探究向心力与另外一个物理量之间的关系，采用的科学方法是控制变量法。 故选B。 （2）由题意得 解得 （3）根据 由F-ω图像可知，当m，ω相同时，r大的对应的F大，故而图线①对应的半径r最大。 （4）根据控制变量法以及数据处理可得结论：在误差允许范围内，当m、r一定时，F与ω2成正比。 21.（2025·福建·高考真题）（多选）春晚上转手绢的机器人，手绢上有P、Q两点，圆心为O，，手绢做匀速圆周运动，则（　　） A．P、Q线速度之比为 B．P、Q角速度之比为 C．P、Q向心加速度之比为 D．P点所受合外力总是指向O 【答案】AD 【详解】B．手绢做匀速圆周运动，由图可知、属于同轴传动模型，故角速度相等，即角速度之比为，B错误； A．由 可知，、线速度之比 得A正确； C．由 可知，、向心加速度之比 得C错误； D．做匀速圆周运动的物体，其合外力等于向心力，故合力总是指向圆心，D正确。 故选AD。 22.（2025·山东·高考真题）某同学用不可伸长的细线系一个质量为的发光小球，让小球在竖直面内绕一固定点做半径为的圆周运动。在小球经过最低点附近时拍摄了一张照片，曝光时间为。由于小球运动，在照片上留下了一条长度约为半径的圆弧形径迹。根据以上数据估算小球在最低点时细线的拉力大小为（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】根据题意可知在曝光时间内小球运动的长度为 近似认为在曝光时间内小球做匀速直线运动，故有 在最低点根据牛顿第二定律有 代入数据解得T=7N 故选C。 23.（2025·重庆·高考真题）“魔幻”重庆的立体交通屋叠交错，小明选取其中两条线探究车辆的运动。如图所示，轻轨列车与汽车以速度分别从M和N向左同时出发，列车做匀速直线运动，汽车在长为s的NO段做匀减速直线运动并以速度进入半经为R的OP圆孤段做匀速圆周运动。两车均视为质点，则（　　） A．汽车到O点时，列车行驶距离为s B．汽车到O点时，列车行驶距离为 C．汽车在OP段向心加速度大小为 D．汽车在OP段向心加速度大小为 【答案】B 【详解】AB．对汽车，根据速度位移关系 可得匀减速运动的加速度大小 汽车做减速运动的时间 这段时间列车行驶距离为 B正确，A错误； CD．根据 可得汽车在OP段向心加速度大小为 CD错误。 故选B。 24.（2023·浙江·高考真题）“探究向心力大小的表达式”实验装置如图所示。 ①采用的实验方法是 A．控制变量法　　B．等效法　　C．模拟法 ②在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的 之比（选填“线速度大小”、“角速度平方”或“周期平方”）；在加速转动手柄过程中，左右标尺露出红白相间等分标记的比值 （选填“不变”、“变大”或“变小”）。 【答案】 A 角速度平方 不变 【详解】①[1]本实验先控制住其它几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，采用的实验方法是控制变量法； 故选A。 ②[2]标尺上露出的红白相间的等分格数之比为两个小球所受向心力的比值，根据 在小球质量和转动半径相同的情况下，可知左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的角速度平方之比。 [3]设皮带两塔轮的半径为R1、R2，塔轮的线速度为v；则有，,小球质量和转动半径相同的情况下，可知,由于两变速盘的半径之比不变，则两小球的角速度平方之比不变，左、右标尺露出红白相间等分标记的比值不变。 25.（2025·北京·高考真题）利用打点计时器研究匀变速直线运动的规律，实验装置如图1所示。 (1)按照图1安装好器材，下列实验步骤正确的操作顺序为________（填各实验步骤前的字母）。 A．释放小车 B．接通打点计时器的电源 C．调整滑轮位置，使细线与木板平行 (2)实验中打出的一条纸带如图2所示，为依次选取的三个计数点（相邻计数点间有4个点未画出），可以判断纸带的 （填“左端”或“右端”）与小车相连。 (3)图2中相邻计数点间的时间间隔为T，则打B点时小车的速度 。 (4)某同学用打点计时器来研究圆周运动。如图3所示，将纸带的一端固定在圆盘边缘处的M点，另一端穿过打点计时器。实验时圆盘从静止开始转动，选取部分纸带如图4所示。相邻计数点间的时间间隔为，圆盘半径。则这部分纸带通过打点计时器的加速度大小为 ；打点计时器打B点时圆盘上M点的向心加速度大小为 。（结果均保留两位有效数字） 【答案】(1)CBA(2)左端(3)(4) 0.81 【详解】（1）实验步骤中，首先调整滑轮位置使细线与木板平行，确保力的方向正确；接着接通打点计时器电源，让计时器先工作；最后释放小车。故顺序为CBA； （2）小车做匀加速直线运动时，速度越来越大，纸带上点间距逐渐增大。图2中纸带左端间距小，右端间距大，说明纸带左端与小车相连。 （3）根据匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度。B点为A、C的中间时刻，AC间位移为x2，时间间隔为2T；则 （4）[1]根据逐差法可知 [2]B点是AC的中间时刻点，则有 此时向心加速度 / 学科网（北京）股份有限公司 $