第3讲 圆周运动及向心力公式的应用

第3讲圆周运动及其应用考点1 描述圆周运动的物理量及其关系(d)【典例1】(2018·浙江4月选考真题)A、B两艘快艇在湖面上做匀速圆周运动(如图),在相同时间内,它们通过的路程之比是4∶3,运动方向改变的角度之比是3∶2,则它们( )A.线速度大小之比为4∶3B.角速度大小之比为3∶4C.圆周运动的半径之比为2∶1D. 向心加速度大小之比为1∶2【解析】选A。

因为相同时间内它们通过的路程之比是4∶3,根据v=,则A、B的线速度之比为4∶3,故A正确;运动方向改变的角度之比为3∶2,根据ω=,则角速度之比为3∶2,故B错误;根据v=ωr可得圆周运动的半径之比为=×=×=,故C错误;根据a=vω得,向心加速度之比为==×=,故D错误。

1.如图是自行车传动结构的示意图,其中Ⅰ是半径为r1的大齿轮,Ⅱ是半径为r2的小齿轮,Ⅲ是半径为r3的后轮,假设脚踏板的转速为n r/s,则自行车前进的速度为( )A. B.C. D.【解析】选D。

转速为单位时间内转过的圈数,因为转动一圈,对圆心转过的角度为2π,所以ω=2πn,因为要测量自行车前进的速度,即车轮Ⅲ边缘上的线速度的大小。

根据题意知:轮Ⅰ和轮Ⅱ边缘上的线速度的大小相等,据v=rω可知r1ω1=r2ω2,已知ω1=2πn,则轮Ⅱ的角速度ω2=ω1。

因为轮Ⅱ和轮Ⅲ共轴,所以转动的ω相等,即ω3=ω2,根据v=rω可知,v=r3ω3=,故选D。

2.(2019·台州模拟)如图所示为“行星转动示意图”。

中心“太阳轮”的转动轴固定,其半径为R1,周围四个“行星轮”的转动轴固定,其半径为R2,“齿圈”的半径为R3,其中R1=1.5R2,A、B、C分别是“太阳轮”“行星轮”“齿圈”边缘上的点,齿轮转动过程不打滑,那么( )A.A点与B点的角速度相同B.A点与B点的线速度相同C.B点与C点的转速之比为7∶2D.A点与C点的周期之比为3∶5【解析】选C。

力学应用圆周运动与向心力的关系与计算在力学中，圆周运动是一种重要的运动形式，它涉及到向心力的作用。

本文将探讨圆周运动与向心力的关系以及其计算方法。

一、圆周运动的定义与特点圆周运动是指物体沿着圆形轨道做匀速运动的一种运动形式。

其特点是速度大小不变，但方向不断改变。

二、向心力的定义与作用向心力是指物体在圆周运动中由于方向改变而产生的力。

它的方向始终指向圆心，大小与速度、半径有关，由以下公式表示：向心力F = mv² / r其中，m为物体的质量，v为物体的速度，r为运动物体到圆心的距离，也称为半径。

三、向心力的计算方法在圆周运动中，向心力可以通过以下步骤计算：步骤一：确定物体的质量m、速度v和运动半径r的数值。

步骤二：将上述数值代入向心力公式F = mv² / r中，计算向心力的数值。

步骤三：根据题目给出的具体情况，判断向心力的方向（始终指向圆心）。

四、向心力的影响因素向心力的大小取决于物体的质量、速度和运动半径，因此可以通过改变这些因素来影响向心力的大小。

1. 物体质量：质量越大，向心力越大。

2. 速度大小：速度越大，向心力越大。

3. 运动半径：半径越小，向心力越大。

五、向心力的应用向心力在生活和工程中有着广泛的应用。

以下是一些常见的应用示例：1. 银行转盘：银行门口常见的一个装置是一个不断旋转的转盘，乘客在转盘上旋转时会感受到向心力的作用。

这种装置的作用是让人们感到舒适，同时也提供了方便的交通。

2. 汽车转弯：当汽车在转弯时，车轮对地面施加向心力，使汽车保持在弯道上稳定行驶。

3. 摩天轮：摩天轮是一种经典的游乐设施，乘客乘坐在摩天轮上时会体验到向心力的作用。

4. 离心机：离心机是一种常见的实验仪器，在生物化学实验中用于将物质分离。

离心机通过旋转产生向心力，使不同物质按照密度不同分离。

六、总结通过本文的探讨，我们了解了圆周运动与向心力的关系及其计算方法。

向心力是物体在圆周运动中产生的力，其大小取决于物体的质量、速度和运动半径。

圆周运动的向心力及其应用【学习目标】1、理解向心力的特点及其来源2、理解匀速圆周运动的条件以及匀速圆周运动和变速圆周运动的区别3、能够熟练地运用力学的基本方法解决圆周运动问题5、理解外力所能提供的向心力和做圆周运动所需要的向心力之间的关系，以此为根据理解向心运动和离心运动。

【要点梳理】要点一、物体做匀速圆周运动的条件要点诠释：物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。

说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。

要点二、关于向心力及其来源1、向心力要点诠释（1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力.（2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。

（3）向心力的大小：22vF ma m mrrω===向向向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积；对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方；线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。

如果是匀速圆周运动则有：22222244vF ma m mr mr mr fr Tπωπ=====向向（4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。

（5）关于向心力的说明：①向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力；②匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小；③无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。

2、向心力的来源要点诠释（1）向心力不是一种特殊的力。

重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。

（2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)：要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动要点诠释：（1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体受到的合外力完全充当向心力的角色。

第3讲圆周运动及向心力公式的应用A组基础题组1.(2013海南单科,8,5分)(多选)关于物体所受合外力的方向,下列说法正确的是( )A.物体做速率逐渐增加的直线运动时,其所受合外力的方向一定与速度方向相同B.物体做变速率曲线运动时,其所受合外力的方向一定改变C.物体做变速率圆周运动时,其所受合外力的方向一定指向圆心D.物体做匀速率曲线运动时,其所受合外力的方向总是与速度方向垂直2.(2016宁夏银川二中三练)(多选)如图所示,两物块A、B套在水平、粗糙的CD杆上,并用不可伸长的轻绳连接,整个装置能绕过CD中点的轴OO'转动,已知两物块质量相等,杆CD对物块A、B的最大静摩擦力大小相等,开始时绳子处于自然长度(绳子恰好伸直但无弹力),物块B到OO'轴的距离为物块A到OO'轴距离的两倍,现让该装置从静止开始转动,使转速逐渐增大,从绳子处于自然长度到两物块A、B即将滑动的过程中,下列说法正确的是( )A.A、B物块受到的静摩擦力都是一直增大B.A受到的静摩擦力是先增大后减小,B受到的静摩擦力一直增大C.A受到的静摩擦力是先指向圆心后背离圆心,B受到的静摩擦力一直增大后保持不变D.A受到的静摩擦力是先增大后减小又增大,B受到的静摩擦力一直增大后保持不变3.(2016安徽淮北三校联考)如图所示,细绳长为L,挂一个质量为m的小球,球离地的高度h=2L,当绳受到大小为2mg的拉力时就会断裂,绳的上端系一质量不计的环,环套在光滑水平杆上,现让环与球一起以速度v=向右运动,在A处环被挡住而立即停止,A离墙的水平距离也为L,球在以后的运动过程中,球第一次碰撞点离墙角B点的距离ΔH是(不计空气阻力)( )A.ΔH=LB.ΔH=LC.ΔH=LD.ΔH=L4.(2015福建理综,17,6分)如图,在竖直平面内,滑道ABC 关于B 点对称,且A 、B 、C 三点在同一水平线上。

若小滑块第一次由A 滑到C,所用的时间为t 1,第二次由C 滑到A,所用的时间为t 2,小滑块两次的初速度大小相同且运动过程始终沿着滑道滑行,小滑块与滑道的动摩擦因数恒定,则( )A.t 1<t 2B.t 1=t 2C.t 1>t 2D.无法比较t 1、t 2的大小5.[2015河北名校联盟质量监测(二),19](多选)如图,三个质点a 、b 、c 质量分别为m 1、m 2、M(M ≫m 1,M ≫m 2)。

单元名称：圆周运动基础知识（共用3课时）一、本单元重要知识点及其内涵：知识点1：圆周运动：一是理解要点：（1）了解物体做圆周运动的特征；（2）了解线速度，角速度和周期的概念；知道它们是描述物体做匀速圆周运动快慢的物理量，会用相应的公式进行计算；（3）理解线速度，角速度和周期之间的关系二是注意事项：（1）圆周运动概念的把握，如角速度，线速度周期，频率转速等；（2）着重把握线速度，角速度的定义式；三是应用形式：（1）三种传动方式的考察：共轴传动，皮带传动，齿轮传动；（2）定义式的基本应用和公式计算，注意频率和转速是相同的这一基本点知识点2：向心加速度一是理解要点：（1）知道什么是速度的变化，什么是向心加速度；（2）理解向心加速度概念的基础上，体验向心加速度方向的推导过程；二是注意事项：（1）在理解向心加速度概念的基础上，体验向心加速度方向的推导过程；（2）向心加速度方向的推导；三是应用形式：（1）向心加速度公式的应用；（2）矢量相减的应用，推导向心加速度的过程知识点3：向心力一是理解要点：（1）知道如果一个力或几个力的合力的效果是使物体产生向心加速度，它就是物体所受的向心力。

会在具体问题中分析向心力的来源（2）知道向心力大小与哪些因素有关，理解公式的确切含义；二是注意事项：（1）通过向心力的概念学习的过程，知道从不同的角度研究问题的方法；（2）体会自然规律在物理解题过程中的作用及应用；三是应用形式：（1）向心力来源分析；（2）牛顿第二定律与向心力的结合，实际应用二、本单元重要问题和解决方法归纳：问题一：三种传动方式的应用解法分析：共轴传动，角速度相同；皮带传动，线速度相同；齿轮传动，线速度相同；例1、如图所示，a、b两轮靠皮带传动，A、B分别为两轮边缘上的点，C与A同在a（1）根据r v =ω知21===A B B A B C r r ωωωω （2）根据ωr v =知21====A B A C A C BC r r r r v v v v （3）根据ωv a =知412121=⨯==B B C C BC v v a a ωω 点评：共轴转动的物体上各点的角速度相同，不打滑的皮带传动的两轮边缘上各点线速度大小相等，这样通过“角速度”或“线速度”将比较“遥远”的两个质点的运动学特点联系在一起，最后再利用v=ωr 进行分析。

知识讲解+圆周运动的向心力及其应用圆周运动的向心力及其应用【要点梳理】要点一、物体做匀速圆周运动的条件物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。

说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。

要点二、关于向心力及其来源1、向心力（1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力. （2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。

（3）向心力的大小：22vF ma m mrrω===向向向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积；对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方；线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。

如果是匀速圆周运动则有：22222244vF ma m mr mr mr fr Tπωπ=====向向（4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。

（5）关于向心力的说明：①向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力；②匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小；③无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。

2、向心力的来源（1）向心力不是一种特殊的力。

重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。

（2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)：要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动（1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体受到的合外力完全充当向心力的角色。

例如月球围绕地球做匀速圆周运动，它受到的地球对它的引力就是合外力，这个合外力正好沿着半径指向地心，完全用来提供月球围绕地球做匀速圆周运动的向心力。

专题：圆周运动向心力公式的应用1、半径为40cm ，转速1200r/min ．求（1）砂轮转动的周期；（2）砂轮转动的角速度；（3）砂轮边缘上一点线速度的大小？2.甲、乙两个物体都做匀速圆周运动，其质量之比为1:2，转动半径之比为1:2，在相同的时间内甲转过60度，乙转过45度，则他们的向心力之比为( )A1：4 B2：3 C 4：9 D9：163．图2中所示为一皮带传动装置，右轮的半径为r ，a 是它边缘上的一点。

左侧是一轮轴，大轮的半径为4r ，小轮的半径为2r ，b 点在小轮上，到小轮中心的距离为r 。

c 点和d 点分别位于小轮和大轮的边缘上。

若在传动过程中，皮带不打滑。

则：（ ）A. a 点与b 点的线速度大小相等B. a 点与b 点的角速度大小相等C. a 点与c 点的线速度大小相等D. a 点与d 点的向心加速度大小相等4．有—个竖直放置的圆形轨道，半径为R ，由左右两部分组成．如图5—4—6所示．右半部分AEB 是光滑的，左半部BFA ，是粗糙的．现在轨道最低点A 放一个质量为m 的小球。

并给小球一个水平向右的初速度，使小球沿轨道恰好运动到最高点B ，小球在B 点又能沿BFA 轨道回到A 点，到达A 点时对轨道的压力为4mg ．在求小球在A 点的速度v 0？若给小球以初速度但方向向左，小球能到达最高点吗?有关摩擦力的圆周运动1．如图1，小物体m 与圆盘保持相对静止，随盘一起做匀速圆周运动，则物体的受力情况是（ ）A ．受重力、支持力、静摩擦力和向心力的作用B ．摩擦力的方向始终指向圆心OC ．重力和支持力是一对平衡力D ．摩擦力是使物体做匀速圆周运动的向心力2．如图4所示，A 、B 、C 三个物体放在旋转圆台上，动摩擦因数均为μ，A m ，A 、B 离轴的距离为R ，C 离轴的距离为2R ，则当圆台旋转时（设三物体都没有滑动）（ ）A ．C 物体的向心加速度最大B ．B 物体所受的静摩擦力最小C ．当圆台转速增加时，C 比A 先滑动D ．当圆台转速增加时，B 比A 先滑动3.如图9所示，物体与圆筒壁的动摩擦因数为μ，圆筒的半径为R 。

圆周运动及向心力公式的应用考点一：描述圆周运动的物理量例1：如图所示是自行车传动结构的示意图，其中Ⅰ是半径为r1的牙盘（大齿轮），Ⅱ是半径为r2的飞轮（小齿轮），Ⅲ是半径为r3的后轮，假设脚踏板的转速为n（r/s），则自行车前进的速度为（）例2：如图所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速和行程的装置的示意图，A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮．车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示．若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是_______________；小车速度的表达式为v=_______________；行程的表达式为s=__________________.考点二：匀速圆周运动及圆周运动向心力的特点例3：汽车甲和汽车乙质量相等,以相等速度率沿同一水平弯道做匀速圆周运动,甲车在乙车的外侧.两车沿半径方向受到的摩擦力分别为F f甲和F f乙,以下说法正确的是 ( )A. F f甲小于F f乙B. F f甲等于F f乙C. F f甲大于F f乙D. F f甲和F f乙大小均与汽车速率无关例4：（1）为了清理堵塞河道的冰凌，空军实施了投弹爆破，飞机在河道上空高H处以速度v0水平匀速飞行，投掷下炸弹并击中目标。

求炸弹刚脱离飞机到击中目标所飞行的水平距离及击中目标时的速度大小。

（不计空气阻力）（2）如图17所示，一个竖直放置的圆锥筒可绕其中心OO′转动，筒内壁粗糙，筒口半径和筒高分别为R 和H，筒内壁A点的高度为筒高的一半。

内壁上有一质量为m的小物块。

求A 当筒不转动时，物块静止在筒壁A点受到的摩擦力和支持力的大小；B 当物块在A点随筒做匀速转动，且其受到的摩擦力为零时，筒转动的角速度。

考点三：离心现象及应用例5：铁路转弯处的弯道半径r是根据地形决定的．弯道处要求外轨比内轨高，其内外轨高度差h的设计不仅与r有关，还取决于火车在弯道上的行驶速率，下面表格中是铁路设计人员技术手册中弯道半径r及与之对应的轨道的高度差h．(1)根据表中数据，试导出h和r关系的表达式，并求出当r =440 m时，h的设计值．(2)铁路建成后，火车通过弯道时，为保证绝对安全，要求内外轨道均不向车轮施加侧向压力，又已知我国铁路内外轨的间距设计值为L =1 435 mm，结合表中数据，算出r= 440 m 时火车的转弯速度v．（以km/h为单位，结果取整数；g=10 m/s2，当倾角很小时，取sinα≈tanα）(3)随着人们生活节奏的加快，对交通运输的快捷提出了更高的要求．为了提高运输力，国家对铁路不断进行提速，这就要求铁路转弯速率也需要提高，请根据上述计算原理和上述表格分析提速时应采取怎样的有效措施？:考点四：向心加速度分析例6：有一种叫“飞椅”的游乐项目，示意图如图所示，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。

向心力知识点总结高一物理必修3高一物理必修3中，向心力是一个重要而复杂的概念，它在我们的日常生活中无处不在。

它涉及到旋转运动、天体力学、车辆转弯等多个领域。

本文将带您一同深入探讨向心力的相关知识。

一、向心力的概念向心力是物体在圆周运动中受到的一个力，它指向物体运动轨迹的中心点。

在圆周运动中，物体会沿着一个圆周运动，而向心力则是使物体在圆周运动的同时保持它们离中心点的距离不变的力。

二、向心力的公式和计算物体所受的向心力与物体的质量和圆周运动速度的平方成正比，与物体到圆心的距离成反比。

向心力的公式为：F = mv² / r，其中F表示向心力，m表示物体的质量，v表示物体的运动速度，r表示物体到圆心的距离。

我们可以通过向心力的公式来计算一个物体所受的向心力。

例如，一个质量为2kg的物体在一个半径为3m的圆周上以每秒4m/s的速度运动，我们可以计算出它所受的向心力为：F = 2 * 4² / 3 = 32/3 N。

三、向心力的影响因素向心力的大小受到几个因素的影响，主要包括物体的质量、运动速度和圆周半径。

首先，当物体质量增加时，向心力也会增加。

这是因为同样的运动速度下，质量越大，物体的惯性也就越大，所以向心力就越大。

其次，当物体运动速度增加时，向心力也会增加。

这是因为在同样的质量下，当物体的运动速度增加时，它的动能也会增加，从而使向心力增加。

最后，当圆周半径增加时，向心力会减小。

当物体的运动轨迹越大，向心力的作用范围也就越大，从而使向心力减小。

四、向心力与离心力的关系向心力和离心力是一个相互作用的力对。

向心力使物体向圆周运动的中心点靠拢，而离心力则相反，它使物体远离圆心。

在圆周运动中，我们常常会遇到一些场景，比如旋转木马。

当木马以一定的速度旋转时，乘客会受到向外的离心力，这就是离心力的作用。

离心力的公式与向心力的公式形式相似，但方向相反。

离心力的公式为：F' = mv² / r，其中F'表示离心力。

圆周运动的向心力及其应用【要点梳理】要点一、物体做匀速圆周运动的条件 要点诠释：物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。

说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。

【典型例题】类型一、水平面上的圆周运动例1（多选）、 (2015 哈尔滨校级期末)如图所示，两个质量均为m 的小木块a 和b （可视为质点）放在水平圆盘上，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运动，用ω表示圆盘转动的角速度，下列说法正确的是（ ） A ．b 一定比a 先开始滑动 B ．a 、b 所受的摩擦力始终相等 C ．当2kglω=时，b 开始滑动的临界角速度 D ．当23kglω=时，a 所受的摩擦力大小为kmg 【解析】两个木块的最大静摩擦力相等，木块随圆盘一起转动，静摩擦力提供向心力，由牛顿第二定律得：木块所受的静摩擦力2f m r ω=，m 、ω相等，f r ∝，所以b 所受的静摩擦力大于a 的静摩擦力，当圆盘的角速度增大时b 的静摩擦力先达到最大值，所以b 一定比a 先开始滑动，故A 正确，B 错误；当b 刚要滑动时，有22kmg m l ω=，解得：2kglω=，故C 正确；以a 为研究对象，当23kgl ω=时，由牛顿第二定律知：2f m l ω=，可解得：23f kmg =，故D 错误。

【变式】原长为L 的轻弹簧一端固定一小铁块，另一端连接在竖直轴OO ′上，小铁块放在水平圆盘上，若圆盘静止，把弹簧拉长后将小铁块放在圆盘上，使小铁块能保持静止的弹簧的最大长度为5L/4，现将弹簧长度拉长到6L/5后，把小铁块放在圆盘上，在这种情况下，圆盘绕中心轴OO ′以一定角速度匀速转动，如图所示．已知小铁块的质量为m ，为使小铁块不在圆盘上滑动，圆盘转动的角速度ω最大不得超过多少? 【答案】max 3/(8)k m ω=【解析】以小铁块为研究对象，圆盘静止时：设铁块受到的最大静摩擦力为max f ，由平衡条件得max /4f kL =．二定律得2max max (6/5)kx f m L ω+=．又因为x ＝L/5．解以上三式得角速度的最大值max ω=要点二、关于向心力及其来源 1、向心力 要点诠释（1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力. （2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。