圆周运动的三种模型

物理圆周运动8种模型
1、天体绕行模型。

2、汽车过桥模型。

3、绳模型。

4、杆模型。

5、火车转弯模型。

6、圆锥摆模型。

7、飞车走壁模型。

8、物块随圆盘一起转动模型。

其中杆模型也就是物体在竖直平面内做圆周运动，有支撑，如：小球和杆相连、小球在弯管内运动。

例题如下：
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，则下列说法正确的是（A）
A、小球过最高点时，杆所受到的弹力可以等于零。

B、小球过最高点的最小速度是√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，杆对球的作用力一定随速度增大而减小。

解析：
轻杆可对小球产生向上的支持力，小球经过最高点的速度可以为零，
当小球过最高点的速度v=√gR时，杆所受的弹力等于零，A正确，B错误；若v<√gR，则杆在最高点对小球的弹力竖直向上，mg-F=mv2/R，随v增大，F减小，若v>√gR，则杆在最高点对小球的弹力竖直向下，
mg+F=mv2/R，随v增大，F增大，故C、D均错误。

杆模型的运动规律：
1、小球在最高点的速度v可以等于零。

2、当小球的速度v=√gR，杆对小球的支持力为零，小球只受重力。

3、当小球的速度v<√gR时，杆对小球有支持力。

4、当小球的速度v>√gR时，杆对小球有拉力。

竖直平面内的圆周运动模型考点规律分析(1)竖直平面内的圆周运动模型在竖直平面内做圆周运动的物体，运动至轨道最高点时的受力情况，可分为三种模型。

一是只有拉(压)力，如球与绳连接、沿内轨道的“过山车”等，称为“轻绳模型”；二是只有推(支撑)力的，称为“拱桥模型”；三是可拉(压)可推(支撑)，如球与杆连接，小球在弯管内运动等，称为“轻杆模型”。

(2)三种模型对比典型例题例1长度为L＝0.50 m的轻质细杆OA，A端有一质量为m＝3.0 kg的小球，如图所示，小球以O点为圆心在竖直平面内做圆周运动，通过最高点时小球的速率是2.0 m/s，g取10 m/s2，则此时细杆OA受到()A．6.0 N的拉力B．6.0 N的压力C．24 N的拉力D．24 N的压力[规范解答]设小球以速率v0通过最高点时，球对杆的作用力恰好为零，即mg ＝m v 20L得v 0＝gL ＝10×0.50 m/s ＝ 5 m/s 。

由于v ＝2.0 m/s< 5 m/s ，可知过最高点时，球对细杆产生压力，细杆对小球为支持力，如图所示，为小球的受力情况图。

由牛顿第二定律mg －N ＝m v 2L ，得N ＝mg －m v 2L ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫3.0×10－3.0×2.020.50 N ＝6.0 N 由牛顿第三定律知，细杆OA 受到6.0 N 的压力。

[完美答案] B例2 一细绳与水桶相连，水桶中装有水，水桶与水一起以细绳的另一端点为圆心在竖直平面内做圆周运动，如图所示，水的质量m ＝0.5 kg ，水的重心到转轴的距离l ＝50 cm ，g 取10 m/s 2。

求：(1)若在最高点水不流出来，求桶的最小速率；(结果保留三位有效数字)(2)若在最高点水桶的速率v ＝3 m/s ，求水对桶底的压力大小。

[规范解答] (1)以水桶中的水为研究对象，在最高点恰好不流出来，说明水的重力恰好提供其做圆周运动所需的向心力，此时桶的速率最小。

圆周运动的三种模型一、圆锥摆模型：如图所示：摆球的质量为m，摆线长度为L ，摆动后摆球做圆周运动，摆线与竖直方向成θ角，对小球受力分析，正交分法解得：竖直方向：水平方向：F X=最终得F合=。

用力的合成法得F合=。

半径r=，圆周运动F向==，由F合=F向可得V=，ω=圆锥摆是物理学中一个基本模型，许多现象都含有这个模型。

分析方法同样适用自行车，摩托车，火车转弯，飞机在水平面内做匀速圆周飞行等在水平面内的匀速圆周运动的问题。

共同点是由重力和弹力的合力提供向心力，向心力方向水平。

1、小球在半径为R 的光滑半球内做水平面内的匀速圆周运动，试分析图中θ（小球与半球球心连线跟竖直方向的夹角）与线速度V ，周期T 的关系。

（小球的半径远小于R）2、如图所示，用一根长为l＝1m的细线，一端系一质量为m＝1kg的小球（可视为质点），另一端固定在一光滑锥体顶端，锥面与竖直方向的夹角θ＝37°，当小球在水平面内绕锥体的轴做匀速圆周运动的角速度为ω时，细线的张力为T。

求（取g＝10m/s2，结果可用根式表示）：（1）若要小球离开锥面，则小球的角速度ω0至少为多大？（2）若细线与竖直方向的夹角为60°，则小球的角速度ω＇为多大？二．轻绳模型（一）轻绳模型的特点：1. 轻绳的质量和重力不计；2. 只能产生和承受沿绳方向的拉力；（二）轻绳模型在圆周运动中的应用小球在绳的拉力作用下在竖直平面内做圆周运动的临界问题：1. 临界条件：小球通过最高点，绳子对小球刚好没有力的作用，由重力提供向心力： = ，v 临界 =2. 小球能通过最高点的条件： v v 临界（此时，绳子对球产生 力）3. 不能通过最高点的条件： v v 临界 （实际上小球还没有到最高点时，就脱离了轨道）练习：质量为m 的小球在竖直平面内的圆形轨道的内侧运动，经过最高点而不脱离轨道的临界速度为v ，当小球以2v 的速度经过最高点时，对轨道的压力是（ ）A . 0 B. mg C .3mg D 5mg三．轻杆模型：(一)轻杆模型的特点：1.轻杆的质量和重力不计；2.能产生和承受各方向的拉力和压力(二)轻杆模型在圆周运动中的应用轻杆的一端连着一个小球在竖直平面内做圆周运动，小球通过最高点时，轻杆对小球产生弹力的情况：1. 小球能通过最高点的最小速度v= ，此时轻杆对小球的作用力N= （ N 为 力）2. 当 =R v m 2临界（ 轻杆对小球的作用力N= 0 ），gR v 临界3 当 （即0<v< v 临界）时，有 =Rv m 2（ 轻杆对小球的作用力N 为 力） 4 当（即v>v 临界）时，有 =R v m 2（轻杆对小球的作用力N 为 力） 练习：半径为R=0.5m 的管状轨道，有一质量为m=3kg 的小球在管状轨道内部做圆周运动，通过最高点时小球的速率是2m/s ，g=10m/s2 ，则（ ）A. 外轨道受到24N 的压力B. 外轨道受到6N 的压力C. 内轨道受到24N 的压力D. 内轨道受到 6N 的压力一．轻绳模型（一）轻绳模型的特点：1. 轻绳的质量和重力不计；2. 只能产生和承受沿绳方向的拉力；（二）轻绳模型在圆周运动中的应用小球在绳的拉力作用下在竖直平面内做圆周运动的临界问题：1. 临界条件：小球通过最高点，绳子对小球刚好没有力的作用，由重力提供向心力：2. 小球能通过最高点的条件：（当时，绳子对球产生拉力）3. 不能通过最高点的条件：（实际上小球还没有到最高点时，就脱离了轨道）例：质量为m的小球在竖直平面内的圆形轨道的内侧运动，经过最高点而不脱离轨道的临界速度为v ，当小球以2v的速度经过最高点时，对轨道的压力是（）A . 0 B. mg C .3mg D 5mg分析：内侧轨道只能对小球产生向下的压力，其作用效果同轻绳一样，所以其本质是轻绳模型当小球经过最高点的临界速度为v ，则当小球以2v的速度经过最高点时，轨道对小球产生了一个向下的压力N ，则因为所以根据牛顿第三定律，小球对轨道压力的大小也是，故选c.1.轻杆的质量和重力不计；2.能产生和承受各方向的拉力和压力(二)轻杆模型在圆周运动中的应用轻杆的一端连着一个小球在竖直平面内做圆周运动，小球通过最高点时，轻杆对小球产生弹力的情况：1. 小球能通过最高点的临界条件：v=0 ，N=mg （N为支持力）2. 当时，有（N为支持力）3 当时，有（N=0 ）4 当时，有（N 为拉力）例：半径为R=0.5m 的管状轨道，有一质量为m=3kg的小球在管状轨道内部做圆周运动，通过最高点时小球的速率是2m/s ，g=10m/s2 ，则（）A. 外轨道受到24N的压力B. 外轨道受到6N的压力C. 内轨道受到24N 的压力D. 内轨道受到6N的压力分析：管状轨道对小球既有支持力又有压力，所以其本质属于杆模型：当小球到最高点轨道对其作用力为零时：有则， =>2m/s所以，内轨道对小球有向上的支持力，则有代入数值得：N=6N根据牛顿第三定律，小球对内轨道有向下的压力大小也为6N ，故选D三．圆锥摆模型：圆锥摆模型在圆周运动中的应用：如图所示：摆球的质量为m，摆线长度为L ，摆动后摆线与竖直方向成θ角，则分析：摆球在水平面上做匀速圆周运动，加速度必定指向圆心，依据牛顿第二定律，对摆球受力分析，得：圆锥摆是物理学中一个基本模型，许多现象都含有这个模型。

水平面内圆周运动的两种模型一、两种模型模型Ⅰ圆台转动类小物块放在旋转圆台上，与圆台保持相对静止，如图1所示．物块与圆台间的动摩擦因数为μ，离轴距离为R，圆台对小物块的静摩擦力(设最大静摩擦力等于摩擦力)提供小物块做圆周运动所需的向心力．水平面内，绳拉小球在圆形轨道上运动等问题均可归纳为“圆台转动类”．图1临界条件圆台转动的最大角速度ωmax=，当ω<ωmax时，小物块与圆台保持相对静止；当ω>ωmax时，小物块脱离圆台轨道．模型Ⅱ火车拐弯类如图2 所示，火车拐弯时，在水平面内做圆周运动，重力mg和轨道支持力N的合力F提供火车拐弯时所需的向心力．圆锥摆、汽车转弯等问题均可归纳为“火车拐弯类”．图2临界条件若v=，火车拐弯时，既不挤压内轨也不挤压外轨；若v>，火车拐弯时，车轮挤压外轨，外轨反作用于车轮的力的水平分量与F之和提供火车拐弯时所需的向心力；若v>，火车拐弯时，车轮挤压内轨，内轨反作用于车轮的力的水平分量与F之差提供火车拐弯时所需的向心力．二、两种模型的应用例1 如图3所示，半径为R的洗衣筒，绕竖直中心轴00'转动，小橡皮块P靠在圆筒内壁上，它与圆筒间的动摩擦因数为μ.现要使小橡皮块P恰好不下落，则圆筒转动的角速度ω至少为多大?(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)图3 图4【解析】此题属于“圆台转动类”，当小橡皮块P绕轴00'做匀速圆周运动时，小橡皮块P受到重力G、静摩擦力f和支持力N的作用，如图4所示.其中“恰好”是隐含条件，即重力与最大静摩擦力平衡f max=G，μN=mg列出圆周运动方程N=mω2min R联立解得ωmin=例2 在半径为R的半球形碗的光滑内面，恰好有一质量为m的小球在距碗底高为H处与碗保持相对静止，如图5所示．则碗必以多大的角速度绕竖直轴在水平面内匀速转动?图5【解析】此题属于“火车拐弯类”，当小球做匀速圆周运动时，其受到重力G和支持力F的作用，如图5所示.隐含条件一是小球与碗具有相同的角速度ω，隐合条件二是小球做匀速圆周运动的半径r=Rcosθ．列出圆周运动方程Fcosθ=mω2Rcosθ竖直方向上由平衡条件有Fsinθ-mg=0其中 sinθ=联立解得ω=例3 长度为2l的细绳，两端分别固定在一根竖直棒上相距为l的A、B两点，一质量为m的光滑小圆环套在细绳上，如图6所示．则竖直棒以多大角速度匀速转动时，小圆环恰好与A点在同一水平面内?图6【解析】此题属于“火车拐弯类”，当小圆环做匀速圆周运动时，小圆环受到重力G、绳OB的拉力F和绳OA的拉力F的作用，如图7所示图7隐含条件一是小圆环与棒具有相同角速度ω，隐含条件二是小圆环光滑，两侧细绳拉力大小相等，隐含条件三是小圆环做匀速圆周运动的圆心为A点、半径为r(OA)．列出圆周运动方程 F+Fcosθ=mω2r由平衡条件有 Fsinθ-mg=0其中 cosθ=，sinθ=联立解得ω=小试身手1、如图8所示，质量均为m的A、B两物体用细绳悬着，跨过固定在圆盘中央光滑的定滑轮．物体A与圆盘问的动摩擦因数为μ，离圆盘中心距离R．为使物体A与圆盘保持相对静止，则圆盘角速度ω的取值范围为多少？（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）图82、如图9所示，长度分别为l1和l2两细绳OA、OB，一端系在竖直杆，另一端系上一质量为m的小球，两细绳OA和OB同时拉直时，与竖直杆的夹角分别为30°、45°.则杆以多大角速度转动时，两细绳同时且始终拉直？图9。

竖直平面内的变速圆周运动1．无支撑模型——绳球或内轨道模型如图所示，没有物体支撑的小球，在竖直平面内做变速圆周运动过最高点的情况．（1）分析小球在最低点和最高点的受力情况最低点： 最高点：表达式 表达式（2）当小球在最高点的速度为多少时，细绳的拉力为零？解：最高点小球受重力mg 和细绳拉力T 的作用，它们的提供向心力，有2v mg T mR+=细绳拉力为零时，有2v mg m R =解得v gR =【小结归纳】(1)通过最高点临界条件：绳子的拉力(或轨道的压力)刚好为零，小球的重力提供其圆周运动的向心力，即mg ＝m v 2临界r.上式中的v 临界是小球通过最高点的最小速度，通常叫临界速度，v 临界＝gr . (2)通过最高点的条件：v ≥v 临界，当v >v 临界时，绳、轨道对球分别产生拉力F 、压力N . (3)不能通过最高点的条件：v <v 临界(实际上球还没有到最高点就脱离了轨道)．典型例题：1．如图4所示，细杆的一端与一小球相连，可绕过O 的水平轴自由转动。

现给小球一初速度，使它做圆周运动。

图中a 、b 分别表示小球轨道的最低点和最高点，则杆对球作用力可能是 （ ） A ．a 处为拉力，b 处为拉力 B ．a 处为拉力，b 处为推力 C ．a 处为推力，b 处为拉力 D ．a 处为推力，b 处为推力R 绳 R 绳T mgT mg2．汽车以恒定的速率v 通过半径为r 的凹型桥面，如图6-8-4 所示，求汽车在最低点时对桥面的压力是多大？3．如图，质量为0.5kg 的小杯里盛有1kg 的水，用绳子系住小杯在竖直平面内做“水流星”表演，转动半径为1m ，小杯通过最高点的速度为4m/s ，g 取10m/s 2,求： (1) 在最高点时，绳的拉力？ (2) 在最高点时水对小杯底的压力？(3) 为使小杯经过最高点时水不流出, 在最高点 时最小速率是多少?4．如图5-4-6所示，细绳一端系着质量为M=0.6kg 的物体，静止在水平面上. 另一端通过光滑的小孔吊着质量为m=0.3kg 的物体，M 的中点与圆孔距离为0.2m ，并知M 和水平面的最大静摩擦力为2N.现使此平面绕中心轴转动.问角速度ω在什么范围内M 处于静止状态？（g 取10m/s 2）OMmr 图（5-4-6）针对性练习：1．长度为L ＝0.5m 的轻质细杆OA ，A 端有一质量为m ＝3.0kg 的小球，如图5所示，小球以O 点为圆心在竖直平面内做圆周运动，通过最高点时小球的速率是2.0m ／s ，g 取10m ／s 2，则此时细杆OA 受到 （ ） A ．6.0N 的拉力 B ．6.0N 的压力 C ．24N 的拉力D ．24N 的压力2．一质量为m 的物体，沿半径为R 的向下凹的圆形轨行，如图6-8-7所示，经过最低点的速度为v ，物体与轨道之间的动摩檫因数为μ，则它在最低点时受到的摩檫力为：（ ） A ．μmg B ．μmv 2/R C ．μm(g+v 2/R) D ．μm(g -v 2/R)3．一辆质量m=2.0t 的小轿车，驶过半径R=90m 的一段圆弧形桥面，重力加速度g=10m ／s 2．求： (1)若桥面为凹形，汽车以20m ／s 的速度通过桥面最低点时，对桥面压力是多大? (2)若桥面为凸形，汽车以l0m ／s 的速度通过桥面最高点时，对桥面压力是多大? (3)汽车以多大速度通过凸形桥面顶点时，对桥面刚好没有压力4．一辆载重汽车的质量为4m,通过半径为R 的拱形桥，若桥顶能承受的最大压力为F=3mg ，为了安全行驶，汽车应以多大的速度通过桥顶？AL Om图 55．如图所示，小球沿光滑的水平面冲上一人光滑的半圆形轨道，轨道半公式为R，小球在轨道的最高点对轨道压力等于小球的重力，问（1）小球到达轨道最高点时的速度为多大？6．A、B两球质量分别为m1与m2，用一劲度系数为K的弹簧相连，一长为l1的细线与m1相连，置于水平光滑桌面上，细线的另一端拴在竖直轴OO`上，如图所示，当m1与m2均以角速度w绕OO`做匀速圆周运动时，弹簧长度为l2。

专题09 圆周运动七大常考模型(解析版)2020年高考物理一轮复热点题型归纳与变式演练专题09 圆周运动七大常考模型专题导航】目录题型一水平面内圆盘模型的临界问题在水平面内，圆盘绕自身的对称轴做匀速圆周运动时，当圆盘上一点的速度等于圆盘上任意一点的速度时，该点所在的半径为临界半径。

此时，圆盘上该点所受的向心力最大，达到极限值。

热点题型二竖直面内圆周运动的临界极值问题在竖直面内，圆周运动的临界问题与水平面内的类似，但由于竖直面内的向心力方向不再垂直于重力方向，因此需要通过分解向心力和重力的合力来求解临界速度和临界半径。

球-绳模型或单轨道模型球-绳模型指的是一个质量为m的小球通过一根质量忽略不计的细绳悬挂在竖直方向上，并绕着一个半径为R的竖直圆周做匀速圆周运动的模型。

单轨道模型则是一个质量为m 的小球沿着一个半径为R的水平圆周滑行的模型。

这两个模型的分析方法类似，都需要通过分解合力来求解运动的参数。

球-杆模型或双轨道模型球-杆模型指的是一个质量为m的小球沿着一个质量忽略不计的细杆滚动的模型。

双轨道模型则是一个质量为m的小球沿着两个半径分别为R1和R2的圆轨道滚动的模型。

这两个模型的分析方法也类似，都需要通过分解合力来求解运动的参数。

热点题型三斜面上圆周运动的临界问题在斜面上，圆周运动的临界问题与水平面内的类似，但由于斜面的存在，需要通过分解合力来求解临界速度和临界半径。

热点题型四圆周运动的动力学问题圆周运动的动力学问题主要涉及到角加速度、角速度和角位移等参数的计算。

在这类问题中，需要利用牛顿第二定律和角动量守恒定律等物理定律来分析运动状态。

圆锥摆模型圆锥摆模型指的是一个质量为m的小球通过一根质量忽略不计的细绳悬挂在竖直方向上，并绕着一个半径为R的圆锥面做匀速圆周运动的模型。

在分析这种模型时，需要考虑到向心力和重力的合力方向与竖直方向的夹角，以及圆锥面的倾角等因素。

车辆转弯模型车辆转弯模型主要涉及到车辆在转弯时所受的向心力和摩擦力等因素。

万有引力与航天重点规律方法总结一、三种模型1.匀速圆周运动模型:无论就是自然天体(如地球、月亮)还就是人造天体(如宇宙飞船、人造卫星)都可瞧成质点,围绕中心天体(视为静止)做匀速圆周运动 2.双星模型:将两颗彼此距离较近的恒星称为双星,它们相互之间的万有引力提供各自 转动的向心力。

3、“天体相遇”模型:两天体相遇,实际上就是指两天体相距最近。

二、两种学说1、地心说:代表人物就是古希腊科学家托勒密 2/日心说:代表人物就是波兰天文学家哥白尼 三、两个定律 1、开普勒定律:第一定律(又叫椭圆定律):所有的行星围绕太阳运动的轨道都就是椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上第二定律(又叫面积定律):对每一个行星而言,太阳与行星的连线,在相等时间内扫过相同的面积。

第三定律(又叫周期定律):所有行星绕太阳运动的椭圆轨道的半长轴R 的三次方跟公转周期T 的二次方的比值都相等。

表达式为:)4(223πGM K K T R == k 只与中心天体质量有关的定值与行星无关2、牛顿万有引力定律1687年在《自然哲学的数学原理》正式提出万有引力定律⑴、内容:宇宙间的一切物体都就是相互吸引的、两个物体间引力的方向在它们的连线上,引力的大小跟它们的质量的乘积成正比,跟它们之间的距离的二次方成反比、 ⑵、数学表达式:rF MmG2=万⑶、适用条件:a 、适用于两个质点或者两个均匀球体之间的相互作用。

(两物体为均匀球体时,r 为两球心间的距离)b 、 当0→r 时,物体不可以处理为质点,不能直接用万有引力公式计算c 、 认为当0→r 时,引力∞→F 的说法就是错误的⑷.对定律的理解a 、普遍性:任何客观存在的有质量的物体之间都有这种相互作用力b 、相互性:两个物体间的万有引力就是一对作用力与反作用力,而不就是平衡力关系。

c 、宏观性:在通常情况下万有引力非常小,只有在质量巨大的星球间或天体与天体附近的物体间,它的存在才有实际意义、d 、特殊性:两个物体间的万有引力只与它们本身的质量、它们之间的距离有关、与所在空间的性质无关,与周期及有无其它物体无关、(5)引力常数G:①大小:kg m N G 2211/67.610⋅⨯=-,由英国科学家卡文迪许利用扭秤测出②意义:表示两个质量均为1kg 的物体,相距为1米时相互作用力为:N 101167.6-⨯四、两条思路:即解决天体运动的两种方法1、 万有引力提供向心力:F F 向万= 即:222224n Mm v F Gma m mr mr r r Tπω=====万2.天体对其表面物体的万有引力近似等于重力:g m R MmG=2即 2gR GM =(又叫黄金代换式)注意:①地面物体的重力加速度②高空物体的重力加速度:〈+=2')(h R GM g9.8m/s 2③关系:22')(h R gRg+=五、万有引力定律的应用1、计算天体运动的线速度、角速度、周期、向心加速度。

圆周运动模型一、匀速圆周运动模型 1．随盘匀速转动模型1．如图，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． 如图所示，质量为m 的小物体系在轻绳的一端，轻绳的另一端固定在转轴上。

轻绳长度为L 。

现在使物体在光滑水平支持面上与圆盘相对静止地以角速度 做匀速圆周运动，求：（1）物体运动一周所用的时间T ；（2）绳子对物体的拉力。

3、如图所示，MN 为水平放置的光滑圆盘，半径为1.0m ，其中心O 处有一个小孔，穿过小孔的细绳两端各系一小球A 和B ，A 、B 两球的质量相等。

圆盘上的小球A 作匀速圆周运动。

问（1）当A 球的轨道半径为0.20m 时，它的角速度是多大才能维持B 球静止？（2）若将前一问求得的角速度减半，怎样做才能使A 作圆周运动时B 球仍能保持静止？4、如图4所示，a 、b 、c 三物体放在旋转水平圆台上,它们与圆台间的动摩擦因数均相同，已知a 的质量为2m ，b 和c 的质量均为m ，a 、b 离轴距离为R ，c 离轴距离为2R 。

当圆台转动时,三物均没有打滑，则：（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）（ ）A.这时c 的向心加速度最大 B ．这时b 物体受的摩擦力最小C.若逐步增大圆台转速，c 比b 先滑动 D ．若逐步增大圆台转速，b 比a 先滑动5、如右图所示，某游乐场有一水上转台，可在水平面内匀速转动，沿半径方向面对面手拉手坐着甲、乙两个小孩，假设两小孩的质量相等，他们与盘间的动摩擦因数相同，当圆盘转速加快到两小孩刚好还未发生滑动时，某一时刻两小孩突然松手，则两小孩的运动情况是( ) A ．两小孩均沿切线方向滑出后落入水中 B ．两小孩均沿半径方向滑出后落入水中C ．两小孩仍随圆盘一起做匀速圆周运动，不会发生滑动而落入水中D ．甲仍随圆盘一起做匀速圆周运动，乙发生滑动最终落入水中6、线段OB=AB ，A 、B 两球质量相等，它们绕O 点在光滑的水平面上以相同的角速度转动时，如图4所示，两段线拉力之比T AB ：T OB ＝______。

微专题3圆周运动的常见模型和临界问题类型一圆周运动中的轻杆和轻绳模型项目轻绳模型轻杆模型常见类型均是没有支撑的小球均是有支撑的小球过最高点的临界条件由mg＝mv2r得v临＝grv临＝0讨论分析(1)能过最高点时，v≥gr，F N＋mg＝mv2r，绳、轨道对球产生弹力F N(2)不能过最高点时，v<gr，在到达最高点前小球已经脱离了圆轨道，如图所示(1)当v＝0时，F N＝mg，F N为支持力，沿半径背离圆心(2)当0<v<gr时，－F N＋mg＝mv2r，F N背离圆心，随v的增大而减小(3)当v＝gr时，F N＝0(4)当v>gr时，F N＋mg＝mv2r，F N指向圆心并随v的增大而增大【例1】(多选)如图所示，轻杆长3L，在杆两端分别固定质量均为m的球A和B，光滑水平转轴穿过杆上距球A为L处的O点，外界给系统一定能量后，杆和球在竖直平面内转动，球B运动到最高点时，杆对球B恰好无作用力．忽略空气阻力．则球B在最高点时()A ．球B 的速度为2gL B ．球A 的速度大小为2gLC ．水平转轴对杆的作用力为1.5mgD ．水平转轴对杆的作用力为2.5mg[解析] 球B 运动到最高点时，球B 对杆恰好无作用力，即重力恰好提供向心力，则有：mg ＝m v 2B 2L ，解得v ＝2gL ，故A 正确．由于A 、B 两球的角速度相等，由v ＝ωr 得：球A 的速度大小为：v A ＝12v B ＝122gL ，故B 错误．B 球到最高点时，对杆无弹力，此时A 球所受重力和拉力的合力提供向心力，有：F －mg ＝m v 2A L ，解得：F ＝1.5mg ，可得水平转轴对杆的作用力为1.5mg ，故C 正确，D 错误．[答案] AC【例2】 如图所示，长度为L ＝0.4 m 的轻绳，系一小球在竖直平面内做圆周运动，小球的质量为m ＝0.5 kg ，小球半径不计，g取 10 m/s 2.(1)求小球刚好通过最高点时的速度大小；(2)小球通过最高点时的速度大小为 4 m/s 时，求轻绳的拉力大小；(3)若轻绳能承受的最大张力为45 N ，小球速度大小的最大值．解析：(1)小球刚好通过最高点时，重力恰好提供向心力，有mg ＝m v 21L，得v 1＝gL ＝2 m/s.(2)小球通过最高点时的速度大小为4 m/s 时，拉力和重力的合力提供向心力，有F T ＋mg ＝m v 22L ，得F T ＝15 N.(3)分析可知小球通过最低点时轻绳的张力最大，在最低点，由牛顿第二定律得F ′T －mg ＝m v 23L ，将F ′T ＝45 N 代入解得v 3＝4 2 m/s ，即小球的速度不能超过4 2 m/s.答案：(1)2 m/s (2)15 N (3)4 2 m/s[针对训练1] 如图甲所示，用一轻质绳拴着一质量为m 的小球，在竖直平面内做圆周运动(不计一切阻力)，小球运动到最高点时绳对小球的拉力为T ，小球在最高点的速度大小为v ，其T －v 2关系如图乙所示，则( )A ．轻质绳长为am bB ．当地的重力加速度为a mC ．当v 2＝c 时，轻质绳的拉力大小为ac b ＋a D ．只要v 2≥0，小球就能在竖直平面内做完整的圆周运动解析：选B.在最高点时，绳对小球的拉力和重力的合力提供向心力，则得：mg ＋T ＝m v 2L ，解得：T ＝m L v 2－mg ①，由图像知，T ＝0时，v 2＝b .图像的斜率k ＝a b ，则得：m L ＝a b ，得绳长 L ＝mb a ，故A 错误；当v 2＝0时，T ＝－a ，由①得：－a ＝－mg ，得：g ＝a m ，故B 正确；当v 2＝c 时，代入①得：T ＝m L ·c －mg ＝a b ·c－a ，故C 错误；只要v 2≥b ，在最高点绳子的拉力F ≥0，小球就能在竖直平面内做完整的圆周运动，故D 错误．[针对训练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，重力加速度为g .下列有关说法正确的是( )A ．小球在圆心上方管道内运动时，对外壁一定有作用力B ．小球能够到达最高点时的最小速度为 gRC ．小球到达最高点的速度是 gR 时，球受到的合外力为零D．若小球在最高点时的速度大小为2gR，则此时小球对管道外壁的作用力大小为3mg解析：选D.圆形管道内能支撑小球，小球能够通过最高点时的最小速度为0，此时对外轨道没有作用力，故A、B错误；小球在最高点的速度大小为gR时，根据F合＝m v2R可得F合＝mg，即合外力不为零，故C错误；设管道外壁对小球的弹力大小为F，方向竖直向下，由牛顿第二定律得mg＋F＝m v2R，代入解得F＝3mg＞0方向竖直向下，故D正确．类型二水平圆周运动中的临界问题1．与摩擦力有关的临界问题(1)物体间恰好不发生相对滑动的临界条件是物体间恰好达到最大静摩擦力，如果只是摩擦力提供向心力，则有F f＝m v2r，静摩擦力的方向一定指向圆心．(2)如果除摩擦力外还有其他力，如绳两端连接物体，其中一个物体竖直悬挂，另外一个物体在水平面内做匀速圆周运动，此时存在一个恰不向内滑动的临界条件和一个恰不向外滑动的临界条件，静摩擦力达到最大且静摩擦力的方向分别为沿半径背离圆心和沿半径指向圆心．2．与弹力有关的临界问题：压力、支持力的临界条件是物体间的弹力恰好为零．绳上拉力的临界条件是绳恰好拉直且其上无弹力或绳上拉力恰好为最大承受力等．3．解决圆周运动临界问题的一般思路(1)要考虑达到临界条件时物体所处的状态．(2)分析该状态下物体的受力特点．(3)结合圆周运动知识，列出相应的动力学方程分析求解．【例3】质量为m的小球由轻绳a和b分别系于一轻质细杆的B点和A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．当角速度ω＞gl tan θ时，b绳将出现弹力D．若b绳突然被剪断，则a绳的弹力一定发生变化[解析]由于小球m的重力不为零，a绳的张力不可能为零，b绳的张力可能为零，故A错误；由于a绳的张力在竖直方向的分力等于重力，角θ不变，所以a绳张力不变，b绳的张力随角速度的增大而增大，故B错误；若b绳中的张力为零，设a绳中的张力为F，对小球m有，F sin θ＝mg，F cos θ＝mω2l，解得ω＝gl tan θ，即当角速度ω＞gl tan θ时，b绳将出现弹力，故C正确；若ω＝gl tan θ，b绳突然被剪断时，a绳的弹力不发生变化，故D错误．[答案] C【例4】如图所示，水平转盘的中心有一个光滑的竖直小圆孔，质量为m的物体A放在转盘上，物体A到圆孔的距离为r，物体A通过轻绳与物体B相连，物体B的质量也为m.若物体A与转盘间的动摩擦因数为μ，则转盘转动的角速度ω在什么范围内，才能使物体A随转盘转动而不滑动？[解析]当A将要沿转盘背离圆心滑动时，A所受的摩擦力为最大静摩擦力，方向指向圆心，此时A做圆周运动所需的向心力为绳的拉力与最大静摩擦力的合力，即F＋F fmax＝mrω21①由于B静止，故有F＝mg②又F fmax＝μF N＝μmg③由①②③式可得ω1＝g（1＋μ）r当A将要沿转盘向圆心滑动时，A所受的摩擦力为最大静摩擦力，方向背离圆心，此时A做圆周运动所需的向心力为F－F fmax＝mrω22④由②③④式可得ω2＝g（1－μ）r故要使A随转盘一起转动而不滑动，其角速度ω的范围为ω2≤ω≤ω1，即g（1－μ）r≤ω≤g（1＋μ）r.[答案]g（1－μ）r≤ω≤g（1＋μ）r[针对训练3]如图所示，可视为质点的木块A、B叠放在一起，放在水平转台上随转台一起绕固定转轴OO′匀速转动，木块A、B与转轴OO′的距离为1 m，A的质量为5 kg，B的质量为10 kg.已知A与B间的动摩擦因数为0.2，B与转台间的动摩擦因数为0.3，若木块A、B与转台始终保持相对静止，则转台角速度ω的最大值为(最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10 m/s2)()A．1 rad/s B. 2 rad/sC. 3 rad/s D．3 rad/s解析：选B.对A有μ1m A g≥m Aω2r，对A、B整体有(m A＋m B)ω2r≤μ2(m A＋m B)g，代入数据解得ω≤ 2 rad/s，故B正确．[针对训练4](2022·江苏如皋期末)如图所示，水平转台上有一个小物块，用长为L的轻细绳将物块连接在通过转台中心的转轴上，细绳与竖直转轴的夹角为θ，系统静止时细绳绷直但张力为零．物块与转台间的动摩擦因数为μ()μ＜tan θ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g.物块随转台由静止开始缓慢加速转动，求：(1)绳中刚要出现拉力时转台的角速度ω1；(2)物块刚离开转台时转台的角速度ω2.解析：(1)当物块与转台间达到最大静摩擦力时，绳中要出现拉力，由牛顿第二定律得μmg＝mω21L sin θ解得ω1＝μgL sin θ.(2)物块刚离开转台时，物体和转台之间恰好无相互作用力，有F N＝0，f＝0 对物块有T sin θ＝mω22L sin θT cos θ＝mg联立解得ω2＝gL cos θ.答案：(1)μgL sin θ(2)gL cos θ类型三倾斜圆周运动的临界问题【例5】如图所示，一倾斜的圆筒绕固定轴OO1以恒定的角速度ω转动，圆筒的半径r＝1.5 m．筒壁内有一小物体与圆筒始终保持相对静止，小物体与圆筒间的动摩擦因数为32(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，转动轴与水平面间的夹角为60°，g取10 m/s2，则ω的最小值是()A．1 rad/s B.303rad/sC.10 rad/s D．5 rad/s[解析]受力分析如图，受重力mg，弹力N，静摩擦力f.ω取最小值时，物体在图示位置将要产生相对滑动．由牛顿第二定律有mg cos60°＋N＝mω2r，在平行于筒壁方向上，达到最大静摩擦力，即f max＝mg sin 60°，由于f max＝μN，解得ω＝10 rad/s，C正确．[答案] C[针对训练5]如图所示，一倾斜的匀质圆盘绕垂直于盘面的固定对称轴以恒定角速度ω转动，盘面上与转轴距离2.5 m处有一小物体与圆盘始终保持相对静止．物体与盘面间的动摩擦因数为32(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，盘面与水平面的夹角为30°，g取10 m/s2.则ω的最大值是()A. 5 rad/sB. 3 rad/s C ．1.0 rad/s D ．0.5 rad/s解析：选 C.小物体随圆盘匀速转动时，向心力由静摩擦力和重力沿斜面方向的分力的合力提供，小物体转到最低点时，摩擦力一方面需提供向心力，另一方向还需平衡重力沿斜面方向上的分力，即在最低点时所需摩擦力最大，是最容易发生相对滑动的位置，故只要保证最低点不发生相对滑动即可．在最低点，由向心力公式得：F f －mg sin θ＝mω2r ①，F f ＝μmg cos θ②，代入数值得：ω＝1.0 rad/s ，故C 正确．[A 级——合格考达标练]1．如图所示，在竖直平面内的圆周轨道半径为r ，质量为m的小物块以速度v 通过轨道的最高点P .已知重力加速度为g ，则小物块在P 点受到轨道对它的压力大小为( )A ．m v 2rB.m v 2r －mg C ．mg －m v 2r D ．m v 2r＋mg 解析：选B.在P 点由牛顿第二定律可知：mg ＋F ＝m v 2r ，解得F ＝m v 2r －mg ，B 正确．2．如图所示，当汽车以12 m/s 的速度通过拱形桥顶时，对桥顶的压力为车重的34.如果要使汽车在桥面行驶至桥顶时，对桥面的压力恰好为零，则汽车通过桥顶的速度为( )A ．3 m/sB ．10 m/sC ．12 m/sD ．24 m/s解析：选 D.根据牛顿第二定律得：mg －N ＝m v 2R ，其中N ＝34mg ，解得：R＝57.6 m ．当车对桥顶无压力时，有：mg ＝m v ′2R ，代入数据解得：v ′＝24 m/s ，D 正确．3．如图所示，质量相等的A 、B 两物体随竖直圆筒一起做匀速圆周运动，且与圆筒保持相对静止，下列说法中正确的是( )A ．线速度v A >v BB ．运动周期T A >T BC ．筒壁对它们的弹力N A ＝N BD ．它们受到的摩擦力f A ＝f B解析：选D.A 和B 共轴转动，角速度相等即周期相等，由v ＝rω知，A 转动的半径较小，则A 的线速度较小，A 、B 错误．A 和B 做圆周运动靠弹力提供向心力，由N ＝mrω2知，A 的半径小，则N A <N B .在竖直方向上，重力和静摩擦力平衡，两物体重力相等，则摩擦力相等，即f A ＝f B ，C 错误，D 正确．4．质量为m 的小球在竖直平面内的圆形轨道的内侧运动，经过轨道最高点而不脱离轨道的最小速度是v ，则当小球以3v 的速度经过最高点时，对轨道压力的大小是( )A ．0B ．3mgC ．5mgD ．8mg解析：选D.当小球以速度v 经内轨道最高点时不脱离轨道，小球仅受重力，重力充当向心力，有mg ＝m v 2r ；当小球以速度3v 经内轨道最高点时，小球受重力mg 和向下的弹力N ，合外力充当向心力，有mg ＋N ＝m （3v ）2r ；又由牛顿第三定律得到，小球对轨道的压力与轨道对小球的弹力相等，N ′＝N ；由以上三式得到，N ′＝8mg ，D 正确．5．一轻杆一端固定质量为m 的小球，以另一端O 为圆心，使小球在竖直平面内做半径为R 的圆周运动，如图所示，则下列说法正确的是( )A ．小球过最高点的最小速度是gRB ．小球过最高点时，杆所受到的弹力可以等于零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，杆对球的作用力一定随速度增大而减小解析：选 B.由于杆可以提供拉力，也可以提供支持力，所以小球过最高点的最小速度为零，故A 错误；当小球在最高点的速度v ＝gR 时，靠重力提供向心力，杆的弹力为零，故B 正确；杆在最高点可以提供拉力，也可以提供支持力，当提供支持力时，速度越大作用力越小，当提供拉力时，速度越大作用力越大，故C 、D 错误．6．(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(图上未画出)，两次金属块Q 都保持在桌面上静止．则后一种情况与原来相比较，下面的判断中正确的是( )A ．Q 受到桌面的支持力变大B ．Q 受到桌面的静摩擦力变大C ．小球P 运动的角速度变大D ．小球P 运动的周期变大解析：选BC.金属块Q 保持在桌面上静止，对于金属块和小球整体研究，整体在竖直方向没有加速度，根据平衡条件得知，Q受到桌面的支持力等于两个物体的总重力，保持不变，故A 错误．设细线与竖直方向的夹角为θ，细线的拉力大小为T ，细线的长度为L .P 球做匀速圆周运动时，由重力和细线的拉力的合力提供向心力，如图，则有T ＝mg cos θ，mg tan θ＝mω2L sin θ，得角速度ω＝gL cos θ＝gh ，周期T ＝2πω，使小球改到一个更高一些的水平面上做匀速圆周运动时，θ增大，cos θ减小、h 减小，则得到细线拉力T 增大，角速度增大，周期T 减小．对Q ，由平衡条件得知，f ＝T sin θ＝mg tan θ，知Q 受到桌面的静摩擦力变大，静摩擦力方向在改变，故B 、C 正确，D 错误．7．(多选)如图所示，A 、B 、C 三个物体放在旋转圆台上，它们由相同材料制成，A 的质量为2m ，B 、C 的质量各为m ，如果A 、B 到O 点的距离为R ，C到O的距离为2R，当圆台旋转时(设A、B、C都没有滑动)，下述结论中正确的是()A.C物体的向心加速度最大B．B物体受到的静摩擦力最小C．当圆台旋转速度增大时，B比C先开始滑动D．当圆台旋转速度增大时，A比B先开始滑动解析：选AB.由题意可知三个物体相对于圆盘静止，向心力都由静摩擦力提供，且三个物体角速度相同，C物体的半径最大，由向心力公式a＝ω2R得，C 物体的向心加速度最大，A正确；由f＝mω2R可知物体B受到的静摩擦力最小，B正确；当圆台转速增大时，哪个物体先达到最大静摩擦力f＝μF N＝μmg，哪个先滑动，比较物体B和C，它们的质量相同，所受的最大静摩擦力相同，而物体C的半径大，所以物体C先发生滑动，C错误；比较物体A和B，它们的质量不同，半径相同，根据μmg＝mω2R可知，A、B同时发生滑动，D错误．[B级——等级考增分练]8．如图所示，OO′为竖直轴，MN为固定在OO′上的水平光滑杆，有两个质量相同的金属球A、B套在水平杆上，AC和BC为抗拉能力相同的两根细线，C 端固定在转轴OO′上．当绳拉直时，A、B两球转动半径之比恒为2∶1，当转轴的角速度逐渐增大时()A.AC先断B．BC先断C．两线同时断D．不能确定哪根线先断解析：选A.对A球进行受力分析，A球受重力、支持力、拉力F A三个力作用，拉力的分力提供A球做圆周运动的向心力，得：水平方向F A cos α＝mr Aω2，同理，对B球：F B cos β＝mr Bω2，由几何关系，可知cos α＝r AAC，cos β＝r B BC .所以：F AF B＝r A cos βr B cos α＝r A r BBCr B r AAC＝ACBC.由于AC>BC，所以F A>F B，即绳AC先断．9．如图甲所示，一轻杆一端固定在O点，另一端固定一小球，在竖直平面内做半径为R的圆周运动．小球运动到最高点时，杆与小球间弹力大小为F N，小球在最高点的速度大小为v，F N－v2图像如图乙所示．下列说法正确的是()A.当地的重力加速度大小为R bB．小球的质量为ab RC．v2＝c时，杆对小球弹力方向向上D．若c＝2b，则杆对小球弹力大小为2a解析：选B.通过图像乙分析可知：当v2＝b，F N＝0时，小球做圆周运动的向心力由重力提供，即mg＝m bR，g＝bR，A错误；当v2＝0，F N＝a时，重力等于弹力F N，即mg＝a，所以m＝ag＝ab R，B正确；v2＞b时，杆对小球的弹力方向与小球重力方向相同，竖直向下，故v2＝c时，杆对小球弹力的方向竖直向下，C错误；v2＝c＝2b时，mg＋F N＝m2bR，解得F N＝mg＝a，D错误．10．如图所示，一质量为m的小球用长度均为L两轻绳a、b连接，绳a的另一端固定在竖直细杆的P点，绳b的另一端固定在杆上距P点为L的Q点．当杆绕其竖直中心轴匀速转动时，将带动小球在水平面内做匀速圆周运动．不计空气阻力，重力加速度为g.(1)当绳b刚好拉直(无弹力)时，求小球的线速度大小v.(2)若两绳能承受的最大拉力均为4mg，求小球绕杆做圆周运动的最小周期T.解析：(1)圆周运动的半径r＝L cos 30°小球所受的合力提供向心力，有mg tan 60°＝m v2 r解得v＝6gL2.(2)竖直方向F a sin 30°＝F b sin 30°＋mg水平方向F a cos 30°＋F b cos 30°＝m 4π2 T2r当小球做圆周运动的周期减小时，a绳先达到最大拉力F a＝4mg解得T＝π2L3g.答案：(1)6gL2(2)π2L3g。

专题二 圆周运动的临界问题1．竖直平面内的圆周运动 (1)竖直平面内的圆周运动模型在竖直平面内做圆周运动的物体，根据运动至轨道最高点时的受力情况，可分为三种模型。

一是只有拉(压)力，如球与绳连接、沿内轨道的“过山车”等，称为“轻绳模型”；二是只有推(支撑)力的，称为“拱桥模型”；三是可拉(压)可推(支撑)，如球与杆连接、小球在弯管内运动等，称为“轻杆模型”。

(2)三种模型对比2．水平面内的圆周运动的临界问题水平面内圆周运动的临界问题，其实就是要分析物体所处的状态的受力特点，然后结合圆周运动的知识，列方程求解，一般会涉及临界速度、临界角速度等。

通常有下面两种情况：(1)与绳(或面等)的弹力有关的临界问题：此类问题要分析出恰好无弹力或弹力达到最大这一临界状态下的角速度(或线速度)。

(2)因静摩擦力而产生的临界问题：此类问题要分析出静摩擦力达到最大时这一临界状态下的角速度(或线速度)。

典型考点一 竖直(倾斜)平面内的圆周运动及其临界问题1．(多选)轻绳一端固定在光滑水平轴O 上，另一端系一质量为m 的小球，在最低点给小球一初速度，使其在竖直平面内做圆周运动，且刚好能通过最高点P 。

下列说法正确的是( )A ．小球在最高点时对绳的拉力为零B ．小球在最高点时对绳的拉力大小为mgC ．若增大小球的初速度，则过最高点时球对绳的力一定增大D ．若增大小球的初速度，则在最低点时球对绳的力一定增大 答案 ACD解析 在最高点小球可能受重力和绳的拉力作用，合力提供圆周运动的向心力，由T ＋mg ＝m v 2R知，速度越大绳的拉力越大，速度越小绳的拉力越小，绳的拉力有最小值0，故速度有最小值gR ，因为小球恰好能通过最高点，故在最高点时的速度为gR ，此时绳的拉力为0，所以A 正确，B 错误；根据牛顿第二定律，在最高点时有T ＋mg ＝m v 2R，小球初速度增大，则在最高点速度增大，则绳的拉力增大，所以C 正确；小球在最低点时，合力提供圆周运动的向心力，有T －mg ＝m v 2R，增大小球的初速度时，小球所受绳的拉力增大，所以D 正确。