2023届高三物理复习重难点突破27圆周运动的动力学分析之水平面内的圆周运动（原卷版）

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专题27圆周运动的动力学分析之水平面内的圆周运动1.匀速圆周运动的特点：线速度大小不变、方向时刻改变；角速度、周期、转速都恒定不变；合力、向心力、加速度、向心加速度的大小都恒定不变，方向一定始终指向圆心（时刻改变！！！）。2.变速圆周运动的特点：合力方向和加速度方向一定不指向圆心，但向心力和向心加速度方向一定指向圆心（时刻改变！！！），分析变速圆周运动向心力的来源时，把物体的受力分解为沿着半径方向和切线方向两个分力，则指向圆心方向的合力提供物体圆周运动的向心力。3.向心力表达式：Fn＝man＝m＝mω2r＝mr4.圆周运动动力学分析的主要步骤(1)确定研究对象，明确物体做圆周运动的平面、圆心、半径；(2)分析物体的受力情况，画出受力分析图，用分析出的力确定合力的表达式(沿半径方向指向圆心的合力!)；(3)分析物体的运动情况，即物体的线速度、角速度、周期、半径等，确定向心力表达式；(4)列方程求解（核心方程F合＝F向，F合为沿半径方向指向圆心的合力!）考点一水平面内的圆周运动1.向心力的来源及常见的运动模型（向心力表达式以m或mω2r为例）向心力是按力的作用效果命名的，可以是重力、弹力、摩擦力等各种力，也可以是几个力的合力或某个力的分力，因此在受力分析中要避免再另外添加一个向心力。2.常见的运动模型（向心力表达式以m或mω2r为例）1.（2022·北京市陈经纶中学高三阶段练习）(多选)

1有关圆周运动的基本模型如图所示，下列说法正确的是（　   ）A．如图甲，火车转弯小于规定速度行驶时，外轨对轮缘会有挤压作用B．如图乙，小球在光滑而固定的竖直圆锥筒内做匀速圆周运动，合力指向运动轨迹的圆心C．如图丙，小球在细绳作用下做匀速圆周运动，重力与拉力的合力必指向圆心（不计阻力）D．如图丁，物体M紧贴圆筒壁随圆筒一起做圆周运动，摩擦力提供向心力2．如图所示，物块P置于水平转盘上随转盘一起运动，图中c沿半径指向圆心，a与c垂直，下列说法正确的是（　　）A．当转盘匀速转动时，P受摩擦力方向为a方向B．当转盘加速转动时，P受摩擦力方向为d方向C．当转盘加速转动时，P受摩擦力方向为c方向D．当转盘减速转动时，P受摩擦力方向为d方向3．如图所示，光滑小球串在三杆夹角均为120°的Y形杆上，三杆结点为O，Y形杆的一杆竖直，并绕该竖直杆匀速旋转，使小球维持在距O点l处，重力加速度为g，则Y形杆旋转的角速度ω为（　　）A．2g3lB．23g3lC．2glD．23gl4．（2022·四川眉山·高一期末）自新冠疫情发生以来，无人机已经成为战疫利器之一，如图所示，某质量为m的无人机以恒定速率v在水平面内做匀速圆周运动，圆心为O，半径为R，重力加速度为g。在图示位置，空气对无人机的作用力方向和大小为（　　）

2A．竖直向上，F=mgB．水平向右，F=mv2RC．斜向右上方，F=mg2−v4R2D．斜向右上方，F=mg2+v4R25．（2022·广西桂林·高一期末）“空中飞椅”是大型游乐场的常规游乐项目，下图为“空中飞椅”结构简图，长为L的钢绳一端系着座椅，另一端固定在半径为r的水平转盘边缘。转盘可绕穿过其中心的竖直轴转动，当转盘以角速度ω匀速转动时，钢绳与转轴在同一竖直平面内，与竖直方向的夹角为θ。若座椅和人的总质量为m，不计钢绳的质量，重力加速度为g。以下说法正确的是（　　）。A．座椅和人受到重力、钢绳的拉力和向心力的作用B．座椅和人的向心力大小为mω2LsinθC．钢绳的拉力大小为mgcosθD．转盘匀速转动时，人处于平衡状态6．如图所示，半径为R的半球形陶罐，固定在可以绕竖直轴转动的水平转台上，转台转轴与过陶罐球心O的对称轴OO′重合。转台以一定角速度匀速转动，一质量为m的小物块落入陶罐内，经过一段时间后小物块随陶罐一起转动且相对罐壁静止，此时小物块受到的摩擦力恰好为0，且它和O点的连线与OO′之间的夹角为θ，重力加速度为g。下列说法正确的是（　　）A．小物块做圆周运动的向心力由陶罐的支持力提供，方向指向O点

3B．小物块做圆周运动的向心力大小为mgtanθ，方向与OO′垂直C．小物块做圆周运动的角速度大小为gtanθRD．如果转台的转速稍稍增大，小物块相对陶壁有向下的运动趋势7．（2022·广东·东莞市东方明珠学校高一期中）如图所示，内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，两个质量相同的小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动，则（　　）A．球B的角速度一定小于球A的角速度B．球B对筒壁的压力一定大于球A对筒壁的压力C．球B运动的周期一定大于球A运动的周期D．球B的线速度一定小于球A的线速度8.(多选)如图，两弹性轻绳一端系在天花板的O点，另一端分别系着质量均为m的小球a、b，并让两小球都以O′为圆心在同一水平面上做匀速圆周运动。已知两弹性绳的弹力都与其伸长量成正比，且原长恰好都等于OO′，则(　　)A．小球a、b的运动周期相同B．小球a的向心力大于小球b的向心力C．小球a、b的线速度大小相同D．弹性绳1的劲度系数大于弹性绳2的劲度系数9．(多选)如图所示，一根细线下端拴一个金属小球P，细线的上端固定在金属块Q上，Q放在带小孔（小孔光滑）的水平桌面上，小球在某一水平面内做匀速圆周运动（圆锥摆）。现使小球改到一个更高一些的水平面上做匀速圆周运动（图中P′位置），两次金属块Q都静止在桌面上的同一点，则后一种情况与原来相比较，下列判断中正确的是（　　）A．细线所受的拉力变小B．小球P运动的角速度变小C．Q受到桌面的静摩擦力变大D．小球P运动的向心加速度变大10．（2022·湖北武汉·模拟）(多选)

4如图所示，水平转台边缘固定一光滑竖直卡槽，与轻质杆右端固定在一起的轻质小球可以沿卡槽上、下自由移动，由于卡槽的作用，轻质杆始终沿转台的半径方向且保持水平，劲度系数为k=50N/m的轻弹簧一端固定在竖直转轴上，另一端与轻质杆共同连在质量m=0.1kg的小球上，当转台以角速度ω=3rad/s绕转轴匀速转动时，轻弹簧与竖直方向的夹角θ=37°。已知转台半径R=10cm，轻质杆的长度L=4cm，重力加速度g取10m/s，sin37°=0.6，cos37°=0.8下列说法正确的是（　　）A．轻弹簧的伸长量为103cmB．轻弹簧的伸长量为2.5cmC．轻质杆中的弹力大小为0.696ND．轻质杆中的弹力大小为7.5N11．如图所示，A、B、C三个物体放在旋转的水平圆盘面上，物体与盘面间的最大静摩擦力均是其重力的k倍，三物体的质量分别为2m、m、m，它们离转轴的距离分别为R、R、2R。当圆盘旋转时，若A、B、C三物体均相对圆盘静止，则下列判断中正确的是（　　）=A．A物的向心加速度最大B．B和C所受摩擦力大小相等C．当圆盘转速缓慢增大时，C比A先滑动D．当圆盘转速缓慢增大时，B比A先滑动12．（2022·云南师大附中高三阶段练习）如图所示，水平转台上的小物体A、B通过轻绳连接，转台静止时绳中无拉力，A、B的质量分别为m、2m，A、B与转台间的动摩擦因数均为μ，A、B离转台中心的距离分别为1.5r、r，当两物体随转台一起匀速转动时，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，下列说法中正确的是（　　）A．绳中无拉力时，A、B物体受到的摩擦力大小相等B．当绳中有拉力时，转台转动的角速度应大于μgrC．若转台转动的角速度为6μgr，则A、B一起相对转台向B离心的方向滑动

5D．物体A所受的摩擦力方向一定指向圆心13．（2022·内蒙古包头·高一期末）如图，相同的物块a、b用沿半径方向的细线相连放置在水平圆盘上（绳子无拉力）。当圆盘绕转轴转动时，物块a、b始终相对圆盘静止。下列关于物块b所受的摩擦力随圆盘角速度的平方（ω2）的变化关系正确的是（　　）A．B．C．D．14．（2022·山东·模拟预测）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，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≤μgrD．若转台的角速度逐渐增大，最先滑动的是A物体15．（2022·黑龙江·尚志市尚志中学高三阶段练习）如图所示，“V”形光滑支架下端用铰链固定于水平地面上，支架两臂与水平面间夹角θ均为53°，“V”形支架的AB臂上套有一根原长为l的轻弹簧，轻弹簧的下端固定于“V”形支架下端，上端与一小球相接触不连接，该臂上端有一挡板。已知小球质量为

6m，支架每臂长为3l2，支架静止时弹簧被压缩了l3，重力加速度为g。现让小球随支架一起绕中轴线OO′以角速度ω匀速转动。sin53°=45，cos53°=35，求：（1）轻弹簧的劲度系数k；（2）轻弹簧恰为原长时，支架的角速度ω0；（3）当ω=12ω0及ω=2ω0时轻弹簧弹力的大小。16．如图所示，倾角为θ=30°的固定斜面上放置一物体A，细线通过两光滑定滑轮与小球B连接，斜面上方的线与斜面平行，当小球B竖直下垂静止时，物块A刚好静止在斜面上；当小球B在水平面内做匀速圆周运动时，物块A也刚好能静止于斜面上。已知此时悬线长为L，与竖直方向的夹角φ=60°，B物体的质量为m，重力加速度为g，求：（1）B在水平面内做匀速圆周运动的周期；（2）A物体的质量。考点二水平面内圆周运动的临界问题1.在水平面内做圆周运动的物体，当转速变化时，物体的受力可能发生变化，转速继续变化，会出现绳子张紧、绳子突然断裂、静摩擦力随转速增大而逐渐达到最大值、弹簧弹力大小方向发生变化等，从而出现临界问题，确定临界状态是分析临界问题的关键．2.常见的临界状态和临界条件(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．3．临界问题的分析方法

7当确定了物体运动的临界状态和临界条件后，要分别针对不同的运动过程或现象，选择相对应的物理规律，然后再列方程求解．17．如图所示，半径为r的圆筒绕竖直中心轴OO′旋转，小物块a靠在圆筒的内壁上，它与圆筒内壁间的动摩擦因数为μ。若最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力，要使a不下落，圆筒转动的转速n至少应为（　　）A．12πμgrB．2πμgrC．12πgμrD．2πμrg18．(多选)如图所示，内壁光滑的竖直圆桶，绕中心轴做匀速圆周运动，一物块用细绳系着，绳的另一端系于圆桶上表面圆心，且物块贴着圆桶内表面随圆桶一起转动，则（　　）A．绳的张力一定不为零B．桶对物块的弹力一定不为为零C．若转动的角速度增大，桶对物块的弹力保持不变D．若转动的角速度减小，绳的张力可能不变也可能减小19．（2022·重庆第二外国语学校高三期末）(多选)如图，小球（可视作质点）和a、b两根细绳相连，两绳分别固定在细杆上两点，其中b绳长Lb=2m，小球随杆一起在水平面内匀速转动．当两绳都拉直时，a、b两绳和细杆的夹角θ1=45°,θ2=60°,g=10m/s2。若a、b两绳始终张紧，则小球运动的线速度大小可能是（　　）A．3.5m/sB．4m/sC．4.5m/sD．5m/s20.(多选)如图所示，三角形为一光滑锥体的正视图，锥面与竖直方向的夹角为θ＝37°.一根长为l＝1

8m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(　　)A．小球受重力、支持力、拉力和向心力B．小球可能只受拉力和重力C．当ω0＝rad/s时，小球对锥体的压力刚好为零D．当ω＝2rad/s时，小球受重力、支持力和拉力作用21．如图，水平桌面中心O处有一个小孔，用细绳穿过光滑小孔，绳两端分别连接质量M=2kg的物体A和m=1kg的物体B，A到圆孔的距离为0.5m。（物体可以看成质点，g取10m/s2）（1）如果水平桌面光滑且固定，要使物体B能静止，求A物体做匀速圆周运动的线速度v0的大小；（2）如果水平桌面粗糙，物体A与水平桌面间摩擦因数为μ=0.3，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，现使此水平桌面绕过O点的竖直轴匀速转动，则其角速度ω在什么范围内，A可与水平桌面保持相对静止状态？考点三离心运动1．物体做离心运动的本质：做圆周运动的物体，由于惯性，总有沿着切线方向飞出去的倾向。2．物体做离心运动的原因提供向心力的合力突然消失，或者合力不足以提供所需的向心力．3.离心运动、近心运动的判断：物体做圆周运动时出现离心运动还是近心运动，由实际提供的合力F合和所需向心力(m或mω2r)的大小关系决定．(如图所示)(1)当F合＝mω2r，“提供”等于“需要”，物体做匀速圆周运动；(2)当F合>mω2r，“提供”超过“需要”，物体做近心运动；(3)当0≤F合

922．假设地球吸引月球的万有引力在某一年瞬时突然消失，则月球将（　　）A．落到地球表面B．静止在地球上空某一点不动C．沿月亮轨道的切线方向飞出D．沿地球和月亮的连线远离地球飞出23．如图，光滑水平面上，质量为m的小球，在细绳拉力F的作用下，以速度v做半径为r的匀速圆周运动。（　　）A．若小球沿顺时针运动到图示位置时，拉力F突然变小，则小球将沿轨迹a运动B．若小球沿顺时针运动到图示位置时，拉力F突然变大，则小球将沿轨迹b运动C．若小球沿顺时针运动到图示位置时，绳子突然断裂，则小球将沿轨迹c运动D．无论绳子上的力如何变化，小球都将沿圆周运动