物理曲线运动题20套(带答案)
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物理曲线运动题20套(带答案)
一、高中物理精讲专题测试曲线运动
1．有一水平放置的圆盘，上面放一劲度系数为k的弹簧，如图所示，弹簧的一端固定于轴O上，另一端系一质量为m的物体A，物体与盘面间的动摩擦因数为μ，开始时弹簧未发生形变，长度为l．设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力．求：
（1）盘的转速ω0多大时，物体A开始滑动？
（2）当转速缓慢增大到2ω0时，A仍随圆盘做匀速圆周运动，弹簧的伸长量△x是多少？
【答案】（1） gl （2）34mglklmg
【解析】
【分析】
（1）物体A随圆盘转动的过程中，若圆盘转速较小，由静摩擦力提供向心力；当圆盘转速较大时，弹力与摩擦力的合力提供向心力．物体A刚开始滑动时，弹簧的弹力为零，静摩擦力达到最大值，由静摩擦力提供向心力，根据牛顿第二定律求解角速度ω0．
（2）当角速度达到2ω0时，由弹力与摩擦力的合力提供向心力，由牛顿第二定律和胡克定律求解弹簧的伸长量△x．
【详解】
若圆盘转速较小，则静摩擦力提供向心力，当圆盘转速较大时，弹力与静摩擦力的合力提供向心力．
（1）当圆盘转速为n0时，A即将开始滑动，此时它所受的最大静摩擦力提供向心力，则有：
μmg＝mlω02，
解得：ω0= gl．
即当ω0＝ gl时物体A开始滑动．
（2）当圆盘转速达到2ω0时，物体受到的最大静摩擦力已不足以提供向心力，需要弹簧的弹力来补充，即：μmg+k△x＝mrω12，
r=l+△x
解得：34mglxklmgV＝
【点睛】
当物体相对于接触物体刚要滑动时，静摩擦力达到最大，这是经常用到的临界条件．本题关键是分析物体的受力情况．
2．如图所示，一箱子高为H．底边长为L，一小球从一壁上沿口A垂直于箱壁以某一初速度向对面水平抛出，空气阻力不计。设小球与箱壁碰撞前后的速度大小不变，且速度方向与箱壁的夹角相等。
（1）若小球与箱壁一次碰撞后落到箱底处离C点距离为，求小球抛出时的初速度v0；
（2）若小球正好落在箱子的B点，求初速度的可能值。
【答案】（1） （2）
【解析】
【分析】
（1）将整个过程等效为完整的平抛运动，结合水平位移和竖直位移求解初速度；（2）若小球正好落在箱子的B点，则水平位移应该是2L的整数倍，通过平抛运动公式列式求解初速度可能值。
【详解】
（1）此题可以看成是无反弹的完整平抛运动，
则水平位移为：x＝＝v0t
竖直位移为：H＝gt2
解得：v0＝ ；
（2）若小球正好落在箱子的B点，则小球的水平位移为：x′＝2nL（n＝1.2.3……）
同理：x′＝2nL＝v′0t，H＝gt′2
解得： （n＝1.2.3……）
3．如图所示，一根长为0.1 m的细线，一端系着一个质量是0.18kg的小球，拉住线的另一端，使球在光滑的水平桌面上做匀速圆周运动，当小球的转速增加到原转速的3倍时，细线断裂，这时测得线的拉力比原来大40 N．求：
（1）线断裂的瞬间，线的拉力；
（2）这时小球运动的线速度；
（3）如果桌面高出地面0.8 m，线断裂后小球沿垂直于桌子边缘的方向水平飞出去落在离桌面的水平距离．
【答案】（1）线断裂的瞬间，线的拉力为45N；
（2）线断裂时小球运动的线速度为5m/s；
（3）落地点离桌面边缘的水平距离2m．
【解析】
【分析】
【详解】
(1)小球在光滑桌面上做匀速圆周运动时受三个力作用;重力mg、桌面弹力FN和细线的拉力F,重力mg和弹力FN平衡，线的拉力提供向心力，有：
FN=F=mω2R，
设原来的角速度为ω0,线上的拉力是F0,加快后的角速度为ω,线断时的拉力是F1，则有：
F1:F0=ω2: 20=9:1，
又F1=F0+40N，
所以F0=5N,线断时有：F1=45N.
(2)设线断时小球的线速度大小为v,由F1=2vmR，
代入数据得：v=5m/s.
(3)由平抛运动规律得小球在空中运动的时间为：t=220.810hsg=0.4s，
则落地点离桌面的水平距离为：x=vt=5×0.4=2m.
4．一宇航员登上某星球表面，在高为2m处，以水平初速度5m/s抛出一物体，物体水平射程为5m，且物体只受该星球引力作用求：
（1）该星球表面重力加速度
（2）已知该星球的半径为为地球半径的一半，那么该星球质量为地球质量的多少倍．
【答案】（1）4m/s2；（2）110； 【解析】
（1）根据平抛运动的规律：x＝v0t
得0515xtssv＝＝＝
由h＝12gt2
得：2222222/4/1hgmsmst＝＝＝
（2）根据星球表面物体重力等于万有引力：2GMmmgR星星＝
地球表面物体重力等于万有引力：2GMmmgR地地＝
则222411=()10210MgRMgR星星地地＝
点睛：此题是平抛运动与万有引力定律的综合题，重力加速度是联系这两个问题的桥梁；知道平抛运动的研究方法和星球表面的物体的重力等于万有引力．
5．高台滑雪以其惊险刺激而闻名，运动员在空中的飞跃姿势具有很强的观赏性。某滑雪轨道的完整结构可以简化成如图所示的示意图。其中AB段是助滑坡，倾角α=37°，BC段是水平起跳台，CD段是着陆坡，倾角θ=30°，DE段是停止区，AB段与BC段平滑相连，轨道各部分与滑雪板间的动摩擦因数均为μ=0.03，图中轨道最高点A处的起滑台距起跳台BC的竖直高度h=47m。运动员连同滑雪板的质量m=60kg，滑雪运动员从A点由静止开始起滑，通过起跳台从C点水平飞出，运动员在着陆坡CD上的着陆位置与C点的距离l=120m。设运动员在起跳前不使用雪杖助滑，忽略空气阻力的影响，取重力加速度g=10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求：
（1）运动员在助滑坡AB上运动加速度的大小；
（2）运动员在C点起跳时速度的大小；
（3）运动员从起滑台A点到起跳台C点的过程中克服摩擦力所做的功。
【答案】（1） （2） （3）
【解析】
【详解】
（1）运动员在助滑坡AB上运动时，根据牛顿第二定律得：mgsinα-μmgcosα=ma 解得：a=g（sinα-μcosα）=10×（0.6-0.03×0.8）=5.76m/s2．
（2）设运动员从C点起跳后到落到着陆坡上的时间为t，C点到着陆坡上着陆点的距离为L．运动员从C点起跳后做平抛运动，则有
竖直方向：Lsinθ=gt2…①
水平方向：Lcosθ=v0t…②
由①：②得：tanθ=
解得 t=2s，v0=30m/s
（3）运动员从起滑台A点到起跳台C点的过程，根据动能定理得
mgh-Wf=mv02
解得克服摩擦力所做的功 Wf=mgh-mv02=60×10×47-×60×302=1200J
【点睛】
本题要分析清楚运动员的运动情况，知道运动员先做匀加速运动，后做匀减速运动，最后平抛运动，是动能定理和平抛运动的综合，要善于运用斜面的倾角研究平抛运动两个分位移之间的关系，求出时间．
6．水平面上有一竖直放置长H＝1.3m的杆PO，一长L＝0.9m的轻细绳两端系在杆上P、Q两点，PQ间距离为d＝0.3m，一质量为m＝1.0kg的小环套在绳上。杆静止时，小环靠在杆上，细绳方向竖直；当杆绕竖直轴以角速度ω旋转时，如图所示，小环与Q点等高，细绳恰好被绷断。重力加速度g＝10m／s2，忽略一切摩擦。求：
（1）杆静止时细绳受到的拉力大小T；
（2）细绳断裂时杆旋转的角速度大小ω；
（3）小环着地点与O点的距离D。
【答案】（1）5N （2）53/rads （3）1.6m
【解析】
【详解】
（1）杆静止时环受力平衡，有2T＝mg 得：T＝5N
（2）绳断裂前瞬间，环与Q点间距离为r，有r2＋d2＝（L－r）2 环到两系点连线的夹角为θ，有dsinLr，rcosLr
绳的弹力为T1，有T1sinθ＝mg
T1cosθ＋T1＝mω2r
得53/rads
（3）绳断裂后，环做平抛运动，水平方向s＝vt
竖直方向：212Hdgt
环做平抛的初速度：v＝ωr
小环着地点与杆的距离：D2＝r2＋s2
得D＝1.6m
【点睛】
本题主要是考查平抛运动和向心力的知识，解答本题的关键是掌握向心力的计算公式，能清楚向心力的来源即可。
7．图示为一过山车的简易模型，它由水平轨道和在竖直平面内的光滑圆形轨道组成，BC分别是圆形轨道的最低点和最高点，其半径R=1m，一质量m＝1kg的小物块（视为质点）从左側水平轨道上的A点以大小v0＝12m／s的初速度出发，通过竖直平面的圆形轨道后，停在右侧水平轨道上的D点．已知A、B两点间的距离L1＝5．75m，物块与水平轨道写的动摩擦因数0．2，取g＝10m／s2，圆形轨道间不相互重叠，求：
（1）物块经过B点时的速度大小vB；
（2）物块到达C点时的速度大小vC；
（3）BD两点之间的距离L2，以及整个过程中因摩擦产生的总热量Q
【答案】(1) 11/ms (2) 9/ms (3) 72J
【解析】
【分析】
【详解】
（1）物块从A到B运动过程中，根据动能定理得：22101122BmgLmvmv
解得：11/Bvms
（2）物块从B到C运动过程中，根据机械能守恒得：2211·222BCmvmvmgR 解得：9/Cvms
（3）物块从B到D运动过程中，根据动能定理得：22102BmgLmv
解得：230.25Lm
对整个过程，由能量守恒定律有：20102Qmv
解得：Q=72J
【点睛】
选取研究过程，运用动能定理解题．动能定理的优点在于适用任何运动包括曲线运动．知道小滑块能通过圆形轨道的含义以及要使小滑块不能脱离轨道的含义．
8．如图所示，水平实验台A端固定，B端左右可调，将弹簧左端与实验平台固定，右端
有一可视为质点，质量为2kg的滑块紧靠弹簧（未与弹黄连接)，弹簧压缩量不同时， 将滑块弹出去的速度不同.圆弧轨道固定在地面并与一段动摩擦因素为0.4的粗糙水平地面相切D点，AB段最长时，BC两点水平距离xBC=0.9m,实验平台距地面髙度h=0.53m，圆弧半径R=0.4m，θ=37°，已知 sin37° =0.6, cos37° =0.8.完成下列问題：
（1）轨道末端AB段不缩短，压缩弹黄后将滑块弹出，滑块经过点速度vB=3m/s，求落到C点时速度与水平方向夹角；
（2）滑块沿着圆弧轨道运动后能在DE上继续滑行2m,求滑块在圆弧轨道上对D点的压力大小：
（3）通过调整弹簧压缩量，并将AB段缩短，滑块弹出后恰好无碰撞从C点进入圆弧 轨道，求滑块从平台飞出的初速度以及AB段缩短的距离.
【答案】（1）45°（2）100N （3）4m/s、0.3m
【解析】
（1）根据题意C点到地面高度0cos370.08ChRRm
从B点飞出后，滑块做平抛运动，根据平抛运动规律：212Chhgt
化简则0.3ts
根据 BCBxvt 可知3/Bvms
飞到C点时竖直方向的速度3/yvgtms
因此tan1yBvv
