一、第六章 圆周运动易错题培优(难)
1.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 、1.5r 。设最大静摩擦力等于 滑动摩擦力,下列说法正确的是(重力加速度为 g )( )
A .
B 对 A 的摩擦力一定为 3μmg B .B 对 A 的摩擦力一定为 3m ω2r
C .转台的角速度需要满足g
r
μω
D .转台的角速度需要满足23g
r
μω 【答案】BD 【解析】 【分析】 【详解】
AB .对A 受力分析,受重力、支持力以及B 对A 的静摩擦力,静摩擦力提供向心力,有
()()233f m r m g ωμ=
故A 错误,B 正确;
CD .由于A 、AB 整体、C 受到的静摩擦力均提供向心力,故对A 有
()()233m r m g ωμ
对AB 整体有
()()23232m m r m m g ωμ++
对物体C 有
()21.52m r mg ωμ
解得
g
r
μω
故C 错误, D 正确。 故选BD 。
2.如图所示,可视为质点的、质量为m 的小球,在半径为R 的竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动,下列有关说法中正确的是( )
A .小球能够到达最高点时的最小速度为0
B gR
C 5gR 为6mg
D .如果小球在最高点时的速度大小为gR ,则此时小球对管道的外壁的作用力为3mg 【答案】ACD 【解析】 【分析】 【详解】
A .圆形管道内壁能支撑小球,小球能够通过最高点时的最小速度为0,选项A 正确,
B 错误;
C .设最低点时管道对小球的弹力大小为F ,方向竖直向上。由牛顿第二定律得
2
v F mg m R
-=
将5v gR =代入解得
60F mg =>,方向竖直向上
根据牛顿第三定律得知小球对管道的弹力方向竖直向下,即小球对管道的外壁有作用力为6mg ,选项C 正确;
D .小球在最高点时,重力和支持力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律有
2
v F mg m R
'+=
将2v gR =
30F mg '=>,方向竖直向下
根据牛顿第三定律知球对管道的外壁的作用力为3mg ,选项D 正确。 故选ACD 。
3.如图所示,一个竖直放置半径为R 的光滑圆管,圆管内径很小,有一小球在圆管内做圆周运动,下列叙述中正确的是( )
A.小球在最高点时速度v gR
B.小球在最高点时速度v由零逐渐增大,圆管壁对小球的弹力先逐渐减小,后逐渐增大C.当小球在水平直径上方运动时,小球对圆管内壁一定有压力
D.当小球在水平直径下方运动时,小球对圆管外壁一定有压力
【答案】BD
【解析】
【分析】
【详解】
A.小球恰好通过最高点时,小球在最高点的速度为零,选项A错误;
<
B.在最高点时,若v gR
2
v
-=
mg N m
R
可知速度越大,管壁对球的作用力越小;
>
若v gR
2
v
N mg m
+=
R
可知速度越大,管壁对球的弹力越大。
选项B正确;
C.当小球在水平直径上方运动,恰好通过最高点时,小球对圆管内外壁均无作用力,选项C错误;
D.当小球在水平直径下方运动时,小球受竖直向下的重力,要有指向圆心的向心力,则小球对圆管外壁一定有压力作用,选项D正确。
故选BD。
4.如图所示,在水平圆盘上沿半径方向放置用细线相连的质量均为m的A、B两个物块(可视为质点)。A和B距轴心O的距离分别为r A=R,r B=2R,且A、B与转盘之间的最大静摩擦力都是f m,两物块A和B随着圆盘转动时,始终与圆盘保持相对静止。则在圆盘转动的角速度从0缓慢增大的过程中,下列说法正确的是()
A .
B 所受合力一直等于A 所受合力 B .A 受到的摩擦力一直指向圆心
C .B 受到的摩擦力先增大后不变
D .A 、B 两物块与圆盘保持相对静止的最大角速度ωm = 2m
f mR
【答案】CD 【解析】 【分析】 【详解】
当圆盘角速度比较小时,由静摩擦力提供向心力。两个物块的角速度相等,由2F m r ω=可知半径大的物块B 所受的合力大,需要的向心力增加快,最先达到最大静摩擦力,之后保持不变。当B 的摩擦力达到最大静摩擦力之后,细线开始提供拉力,根据
2
m 2T f m R ω+=?
2A T f m R ω+=
可知随着角速度增大,细线的拉力T 增大,A 的摩擦力A f 将减小到零然后反向增大,当A 的摩擦力反向增大到最大,即A m =f f -时,解得
m
2f mR
ω=
角速度再继续增大,整体会发生滑动。 由以上分析,可知AB 错误,CD 正确。 故选CD 。
5.如图所示,质量相等的A 、B 两个小球悬于同一悬点O ,且在O 点下方垂直距离h =1m 处的同一水平面内做匀速圆周运动,悬线长L 1=3m ,L 2=2m ,则A 、B 两小球( )
A .周期之比T 1:T 2=2:3
B .角速度之比ω1:ω2=1:1
C .线速度之比v 1:v 283
D .向心加速度之比a 1:a 2=8:3
【答案】BC 【解析】 【分析】 【详解】
AB .小球做圆周运动所需要的向心力由重力mg 和悬线拉力F 的合力提供,设悬线与竖直方向的夹角为θ。对任意一球受力分析,由牛顿第二定律有: 在竖直方向有
F cosθ-mg =0…①
在水平方向有
2
24sin sin F m L T
πθθ= …②
由①②得
2T = 分析题意可知,连接两小球的悬线的悬点距两小球运动平面的距离为h =L cosθ,相等,所以周期相等
T 1:T 2=1:1
角速度
2T
πω=
则角速度之比
ω1:ω2=1:1
故A 错误,B 正确; C .根据合力提供向心力得
2
tan tan v mg m
h θθ
= 解得
tan v =
根据几何关系可知
1tan h
θ==
2tan h
θ=
=故线速度之比
12v v =:故C 正确;
D .向心加速度a=vω,则向心加速度之比等于线速度之比为
1283
a a=
::
故D错误。
故选BC。
6.一轻杆一端固定质量为m的小球,以另一端O为圆心,使小球在竖直面内做半径为R 的圆周运动,如图所示,则下列说法正确的是()
A.小球过最高点时,杆所受到的弹力可以等于零
B gR
C.小球过最高点时,杆对球的作用力一定随速度增大而增大
D.小球过最高点时,杆对球的作用力可能随速度增大而增大
【答案】AD
【解析】
【分析】
【详解】
A.当小球到达最高点弹力为零时,重力提供向心力,有
2
v
mg m
R
=
解得
v gR
=
即当速度v gR
=A正确;
B.小球通过最高点的最小速度为零,选项B错误;
CD.小球在最高点,若v gR
<
2
v
mg F m
R
-=
杆的作用力随着速度的增大而减小;
若v gR
>
2
v
mg F m
R
+=
杆的作用力随着速度增大而增大。
选项C错误,D正确。
故选AD。
7.如图所示,匀速转动的水平圆盘上放有质量分别为2kg和3kg的小物体A、B,A、B间
用细线沿半径方向相连。它们到转轴的距离分别为R A =0.2m 、R B =0.3m 。A 、B 与盘面间的最大静摩擦力均为重力的0.4倍。g 取10m/s 2,现极其缓慢地增大圆盘的角速度,则下列说法正确的是( )
A .小物体A 达到最大静摩擦力时,
B 受到的摩擦力大小为12N B .当A 恰好达到最大静摩擦力时,圆盘的角速度为4rad/s
C 230
D .当A 恰好达到最大静摩擦力时,剪断细线,A 将做向心运动,B 将做离心运动 【答案】AC 【解析】 【分析】 【详解】
A .当增大原盘的角速度,
B 先达到最大静摩擦力,所以A 达到最大静摩擦力时,B 受摩擦力也最大,大小为
f B=km B
g =0.4?3?10N=12N
故A 正确;
B .当A 恰好达到最大静摩擦力时,圆盘的角速度为ω,此时细线上的拉力为T ,由牛顿第二定律,对A
2A A A k T R m g m ω-=
对B
2B B B T km g m R ω+=
联立可解得
s 13
102
ω=
故B 错误;
C. 当细线上开始有弹力时,此时B 物体受到最大摩擦力,由牛顿第二定律,有
2B B 1B k m R m g ω=
可得
1230
ω=
故C 正确;
D. 当A 恰好达到最大静摩擦力时,剪断细线,A 物体摩擦力减小,随圆盘继续做圆周运动,而B 不再受细线拉力,最大摩擦力不足以提供向心力,做离心运动,故D 错误。 故选AC 。
8.如图所示,在水平转台上放置有轻绳相连的质量相同的滑块1和滑块2,转台绕转轴OO′以角速度ω匀运转动过程中,轻绳始终处于水平状态,两滑块始终相对转台静止,且与转台之间的动摩擦因数相同,滑块1到转轴的距离小于滑块2到转轴的距离.关于滑块1和滑块2受到的摩擦力f1和f2与ω2的关系图线,可能正确的是
A.B.
C.D.
【答案】AC
【解析】
【详解】
两滑块的角速度相等,根据向心力公式F=mrω2,考虑到两滑块质量相同,滑块2的运动半径较大,摩擦力较大,所以角速度增大时,滑块2先达到最大静摩擦力.继续增大角速度,滑块2所受的摩擦力不变,绳子拉力增大,滑块1的摩擦力减小,当滑块1的摩擦力减小到零后,又反向增大,当滑块1摩擦力达到最大值时,再增大角速度,将发生相对滑动.故滑块2的摩擦力先增大达到最大值不变.滑块1的摩擦力先增大后减小,在反向增大.故A、C正确,B、D错误.故选AC.
9.如图所示,b球在水平面内做半径为R的匀速圆周运动,BC为圆周运动的直径,竖直平台与b球运动轨迹相切于B点且高度为R。当b球运动到切点B时,将a球从切点正上方的A点水平抛出,重力加速度大小为g,从a球水平抛出开始计时,为使b球在运动一周的时间内与a球相遇(a球与水平面接触后不反弹),则下列说法正确的是()
A.a球在C点与b球相遇时,a球的运动时间最短
B.a球在C点与b球相遇时,a球的初始速度最小
C.若a球在C点与b球相遇,则a2gR
D .若a 球在C 点与b 球相遇,则b 球做匀速圆周运动的周期为2R
g
【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】
A .平抛时间只取决于竖直高度,高度 R 不变,时间均为2R
t g
=;故A 错误。 BC .平抛的初速度为
x v t
=
时间相等,在C 点相遇时,水平位移最大
max 2x R =
则初始速度最大为:
max 22R
v gR t
=
= 故B 错误,C 正确。
D .在 C 点相遇时,b 球运动半个周期,故 b 球做匀速圆周运动的周期为
222
b R
T t g
== 故D 错误。 故选C 。
10.如图所示,12O O 两轮紧挨在一起靠摩擦力传动而同时转动,其中A 、B 是两轮边缘上的点,C 为1O 上的一点,且C 点到1O 的距离与B 点到2O 的距离相等,则下列说法正确的是( )
A .BC 两点线速度大小相等
B .AB 两点角速度相等
C .BC 两点角速度相等
D .AB 两点线速度大小相等
【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】
BD .A 、B 两点靠传送带传动,线速度大小相等,即
A B =v v
根据v r ω=可知半径不同因此角速度不相等,选项B 错误,D 正确; AC .A 、C 共轴转动,角速度相同,即
A C =ωω
根据v r ω=可知A 线速度大于C 的线速度,所以
B C B C ,v v ωω≠≠
选项AC 错误。 故选D 。
11.如图所示,转台上固定有一长为4L 的水平光滑细杆,两个中心有孔的小球A 、B 从细杆穿过并用原长为L 的轻弹簧连接起来,小球A 、B 的质量分别为3m 、2m 。竖直转轴处于转台及细杆的中心轴线上,当转台绕转轴匀速转动时( )
A .小球A 、
B 受到的向心力之比为3:2
B .当轻弹簧长度变为2L 时,小球A 做圆周运动的半径为1.5L
C .当轻弹簧长度变为3L 时,转台转动的角速度为ω,则弹簧的劲度系数为1.8mω2
D .如果角速度逐渐增大,小球A 先接触转台边沿 【答案】C 【解析】 【分析】 【详解】
A .由于弹簧的拉力提供小球做圆周运动的向心力,弹簧对两个小球的拉力相等,因此两个小球的向心力相等,A 错误;
B .由于向心力相等,因此
221232m r m r ωω=
而轻弹簧长度变为2L 时
122r r L +=
可得
10.8r L =,2 1.2r L =
当轻弹簧长度变为2L 时,小球A 做圆周运动的半径为0.8L ,B 错误; C .当长度为3L 时,即
123r r L ''+=
可得
1 1.2r L '=
此时弹簧的弹力提供A 球做圆周运动的向心力,则
2(3)3 1.2k L L m L ω-=?
整理得
21.8k m ω=
C 正确;
D .由于B 球的轨道半径总比A 球的大,因此B 球先接触转台边沿,D 错误。 故选C 。
12.在粗糙水平桌面上,长为l=0.2m 的细绳一端系一质量为m=2kg 的小球,手握住细绳另一端O 点在水平面上做匀速圆周运动,小球也随手的运动做匀速圆周运动。细绳始终与桌面保持水平,O 点做圆周运动的半径为r=0.15m ,小球与桌面的动摩擦因数为=0.6μ,
210m/s g =。当细绳与O 点做圆周运动的轨迹相切时,则下列说法正确的是( )
A .小球做圆周运动的向心力大小为6N
B .O 点做圆周运动的角速度为42rad/s
C .小球做圆周运动的线速度为22m/s
D .小球做圆周运动的轨道半径为18
m 【答案】B 【解析】 【分析】 【详解】
AD .小球做圆周运动的半径如图
根据几何关系有
220.25m R r l =+=
则有
tan r l
θ=
解得
37θ?=
正交分解
sin T mg θμ=
cos T F θ=向
两式相比解得
0.6210
N 16N 3tan 374
F mg
μ?
??=
=
=向 故AD 错误;
B .小球和O 点转动的角速度相同,根据
2F m R ω=向
可知
16rad/s 42rad/s 20.25
m F R ω===?向
故B 正确;
C .小球做圆周运动的线速度
420.25m/s 2m/s v R ω==?=
故C 错误。 故选B 。
13.游乐园里有一种叫“飞椅”的游乐项目,简化后的示意图如图所示.已知飞椅用钢绳系着,钢绳上端的悬点固定在顶部水平转盘上的圆周上.转盘绕穿过其中心的竖直轴匀速转动.稳定后,每根钢绳(含飞椅及游客)与转轴在同一竖直平面内.图中P 、Q 两位游客悬于同一个圆周上,P 所在钢绳的长度大于Q 所在钢绳的长度,钢绳与竖直方向的夹角分别为θ1、θ2.不计钢绳的重力.下列判断正确的是( )
A .P 、Q 两个飞椅的线速度大小相同
B .无论两个游客的质量分别有多大,θ1一定大于θ2
C .如果两个游客的质量相同,则有θ1等于θ2
D .如果两个游客的质量相同,则Q 的向心力一定大于P 的向心力 【答案】B 【解析】 【详解】
BC .设钢绳延长线与转轴交点与游客所在水平面的高度为h ,对游客受力分析,由牛顿第二定律和向心力公式可得:
2tan tan mg m h θωθ=
则:
P Q h h =
设圆盘半径为r ,绳长为L ,据几何关系可得:
cos tan r
h L θθ=
+ 因为:
P Q L L >
所以:
12θθ>
由上分析得:无论两个游客的质量分别有多大,θ1一定大于θ2;故B 项正确,C 项错误。 A .设游客做圆周运动的半径为R ,由几何关系可得:
sin R r L θ=+
所以:
P Q R R >
两游客转动的角速度相等,据v R ω=可得:
P Q v v >
故A 项错误。
D .对游客受力分析,游客所受向心力:
n tan F mg θ=
如果两个游客的质量相同,12θθ>,所以P 的向心力一定大于Q 的向心力,故D 项错误。
14.如图所示,一根轻杆,在其B 点系上一根细线,细线长为R,在细线下端连上一质量为 m 小球.以轻杆的A 点为顶点,使轻杆旋转起来,其B 点在水平面内做匀速圆周运动,轻杆的轨迹为一个母线长为L 的圆锥,轻杆与中心轴AO 间的夹角为α.同时小球在细线的约束下开始做圆周运动,轻杆旋转的角速度为ω,小球稳定后,细线与轻杆间的夹角β = 2α.重力加速度用g 表示,则( )
A .细线对小球的拉カ为mg /sina
B .小球做圆周运动的周期为π/ω
C .小球做圆周运动的线速度与角速度的乘积为gtan2a
D .小球做圆周运动的线速度与角速度的比值为(L+R)sina
【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】
细线的拉力满足cos F mg α=,得cos mg
F α
=
,选项A 错误;小球达到稳定状态后做匀速圆周运动,其周期与轻杆旋转的周期相同,周期2T πω
=
的
,选项B 错误;小球做圆周运
动,根据题意有tan(2)mg mv ααω-=得,小球的线速度与角速度的乘积是
tan v g ωα=,选项C 错误;小球做圆周运动的线速度与角速度的比值即是半径,根据题
意得()sin r L R α=+,选项D 正确. 综上所述本题答案是:D
15.质量为 m 的小球由轻绳 a 和 b 分别系于一轻质细杆的 A 点和 B 点,如图所示,绳 a 与水平方向成θ角,绳 b 在水平方向且长为 l ,当轻杆绕轴 AB 以角速度ω匀速转动时,小球在水平面内做匀速圆周 运动,则下列说法正确的是( )
A .a 绳的张力可能为零
B .a 绳的张力随角速度的增大而增大
C .若 b 绳突然被剪断,则 a 绳的弹力一定发生变化
D .当角速度tan g
l ωθ
>,b 绳将出现弹力 【答案】D 【解析】 【分析】 【详解】
A 、小球做匀速圆周运动,在竖直方向上的合力为零,水平方向上的合力提供向心力,所以a 绳在竖直方向上的分力与重力相等,可知a 绳的张力不可能为零,故A 错;
B 、根据竖直方向上平衡得,F a sinθ=mg ,解得sin a mg
F θ
=,可知a 绳的拉力不变,故B 错误.
D 、当b 绳拉力为零时,有:2mgcot m l θω= ,解得tan g
l ωθ
=
,可知当角速度
ω>,b绳将出现弹力,故D对;
C、由于b绳可能没有弹力,故b绳突然被剪断,a绳的弹力可能不变,故C错误
故选D
【点睛】
小球做匀速圆周运动,在竖直方向上的合力为零,水平方向上的合力提供向心力,所以a 绳在竖直方向上的分力与重力相等,可知a绳的张力不可能为零;由于b绳可能没有弹力,故b绳突然被剪断,a绳的弹力可能不变.