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第六节 匀速圆周运动实例分析例1：一辆质量 2.0m =t 的小轿车，驶过半径90R =m 的一段圆弧形桥面，重力加速度210m/s g =．求：（1）若桥面为凹形，汽车以20 m ／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10 m ／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？解：（1）汽车通过凹形桥面最低点时，在水平方向受到牵引力F 和阻力f ．在竖直方向受到桥面向上的支持力1N 和向下的重力G mg =，如图（甲）所示．圆弧形轨道的圆心在汽车上方，支持力1N 与重力G mg =的合力为1N mg -，这个合力就是汽车通过桥面最低点时的向心力，即1F N mg =-向．由向心力公式有：21v N mg m R-=， 解得桥面的支持力大小为21v N m mg R=+ 2420(2000200010)N 902.8910N=⨯+⨯=⨯ 根据牛顿第三定律，汽车对桥面最低点的压力大小是42.8910⨯N ．（2）汽车通过凸形桥面最高点时，在水平方向受到牵引力F 和阻力f ，在竖直方向受到竖直向下的重力G mg =和桥面向上的支持力2N ，如图（乙）所示．圆弧形轨道的圆心在汽车的下方，重力G mg =与支持力2N 的合力为2mg N -，这个合力就是汽车通过桥面顶点时的向心力，即2F mg N =-向，由向心力公式有22v mg N m R-=， 解得桥面的支持力大小为222410(2000102000)N 901.7810Nv N mg m R =-=⨯-⨯=⨯ 根据牛顿第三定律，汽车在桥的顶点时对桥面压力的大小为41.7810⨯N ．（3）设汽车速度为m v 时，通过凸形桥面顶点时对桥面压力为零．根据牛顿第三定律，这时桥面对汽车的支持力也为零，汽车在竖直方向只受到重力G 作用，重力G mg =就是汽车驶过桥顶点时的向心力，即F mg =向，由向心力公式有2m v mg m R=， 解得：210m/s g = 汽车以30 m ／s 的速度通过桥面顶点时，对桥面刚好没有压力．例2：如图所示，飞机以15/v m s =的恒定速率沿半径10R m =的外切圆轨道，在竖直平面内做特技飞行，求质量为60M kg =的飞行员在A ．B ．C ．D 各点对机座或保险带的作用力？选题目的：考查向心力的实际应用和计算．解析：设机座对飞行员的支持力为N F ，保险带对飞行员的拉力为F（1）在A 点时，0A F =． 根据向心力公式，有2NA v F Mg M R-= （2）在B 点时，N F ．F 均为零的临界速度为010/v Rg m s ==因为0v v >，所以0NB F =，根据向心力公式，有2B g v F M M R+= ∴ 2()750B v F M g N R=-= （3）在C 点时，0NC F =， 同理2C v F Mg M R -= ∴ 2()1950C v F M g N R=+= （4）在D 点时，因为0v v >，所以0D F = 同理2ND v F Mg M R += ∴ 2()750ND v F M g N R=-=例3：一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3F mg =，为了安全行驶，汽车应以多大速度通过桥顶？选题目的：考查向心力的实际应用．解析：如图所示，由向心力公式得244N v mg F m R-= ∴ 244N v F mg m R=- …… ① 为了保证汽车不压坏桥顶，同时又不飞离桥面，根据牛顿第三定律，支持力的取值范围为03N F mg ≤≤ …… ②将①代入②解得 12Rg v Rg ≤≤ 例4：如图所示，用细绳拴着质量为m 的物体，在竖直平面内做圆周运动，圆周半径为R 则下列说法正确的是（ ）A ．小球过最高点时，绳子张力可以为零B ．小球过最高点时的最小速度为零C ．小球刚好过最高点时的速度是RgD ．小球过最高点时，绳子对小球的作用力可以与球所受的重力方向相反选题目的：考查圆周运动的受力分析及速度计算．解析：小球在最高点时，受重力mg ．绳子竖直向下的拉力F （注意：绳子不能产生竖直向上的支持力）．向心力为n F mg F =+根据牛顿第二定律得2v mg F mR+=可见，v越大时，F越大，v越小时，F越小当0F=时，2nvF mg mR==得v Rg=最小讨论：（1）v很小时，可保证小球通过最高点，但F很小．（2）当v很小并趋近于零时，则2vmR很小并趋近于零，由于重力一定，重力大于小球所需向心力，小球偏向圆心方向，不能达到最高点，在到最高点之前已做斜抛运动离开圆轨道．（3）当v Rg=时，0F=，即刚好通过．所以，正确选项为A．C．例5：如图（a）所示，质量为m的物体，沿半径为R的圆形轨道自A点滑下，A点的法线为水平方向，B点的法线为竖直方向，物体与轨道间的动摩擦因数为μ，物体滑至B点时的速度为v，求此时物体所受的摩擦力．选题目的：考查圆周运动的向心力的分析．解析：物体由A滑到B的过程中，受到重力．轨道对其弹力．及轨道对其摩擦力作用，物体一般做变速圆周运动．已知物体滑到B点时的速度大小为v，它在B点时的受力情况如图（b）所示．其中轨道的弹力NF．重力G的合力提供物体做圆周运动的向心力，方向一定指向圆心．故2 Nv F mg mR -=2N vF mg mR =+则滑动摩擦力为2 1()Nv F F mg mR μμ==+注意：解决圆周运动问题关键在于找出向心力的来源．向心力公式．向心加速度公式虽然是从匀速圆周运动这一特例得出，但它同样适用于变速圆周运动．同步练习一．选择题1．若火车按规定速率转弯时，内、外轨对车轮的轮缘皆无侧压力，则火车以较小速率转弯时（）A．仅内轨对车轮的轮缘有侧压力B．仅外轨对车轮的轮缘有侧压力C．内．外轨对车轮的轮缘都有侧压力D．内．外轨对车轮的轮缘均无侧压力2．把盛水的水桶拴在长为l的绳子一端，使这水桶在竖直平面做圆周运动，要使水在水桶转到最高点时不从桶里流出来，这时水桶的线速度至少应该是（）A．2gl B．/2gl C．gl D．2gl3．如图所示，水平圆盘可绕过圆的竖直轴转动，两个小物体M和m之间连一根跨过位于圆心的定滑轮的细线，M与盘间的最大静摩擦力为mF，物体M随圆盘一起以角速度ω匀速转动，下述的ω取值范围已保证物体M 相对圆盘无滑动，则A ．无论取何值，M 所受静摩擦力都指向圆心B ．取不同值时，M 所受静摩擦力有可能指向圆心，也有可能背向圆心C ．无论取何值，细线拉力不变D ．ω取值越大，细线拉力越大4．汽车在倾斜的弯道上拐弯，如图所示，弯道的倾角为θ（半径为r ），则汽车完全不靠摩擦力转弯，速率应是（ ）A ．sin gl θB ．cos gr θC ．tan gr θD ．cot gr θ5．在一段半径为R 的圆弧形水平弯道上，已知地面对汽车轮胎的最大摩擦力等于车重的μ倍（1μ<）则汽车拐弯时的安全速度是（）A ．v Rg ω≤B ．Rgv μ≤C ．2v Rg μ≤D ．v Rg ≤6．质量为m 的小球在竖直平面内的圆形轨道内侧运动，若经最高不脱离轨道的临界速度为v ，则当小球以2v 速度经过最高点时，小球对轨道压力的大小为（）A ．0B ．mgC ．3mgD ．5mg7．如图所示，小球m 在竖直放置的光滑形管道内做圆周运动．下列说法中正确的有（）A ．小球通过最高点的最小速度为v Rg =B ．小球通过最高点的最小速度为0C ．小球在水平线ab 以下管道中运动时，内侧管壁对小球一定有作用力D ．小球在水平线ab 以上管道中运动时，内侧管壁对小球一定有作用力8．长为L 的细绳，一端系一质量为m 的小球，另一端固定于某点，当绳竖直时小球静止，再给小球一水平初速度0v ，使小球在竖直平面内做圆周运动，并且刚好能过最高点，则下列说法中正确的是（）A ．小球过最高点时速度为零B ．小球开始运动时绳对小球的拉力为20v m LC ．小球过最高点时绳对小球的拉力为mgD ．小球过最高点时速度大小为Lg9．一个物块从内壁粗糙的半球形碗边下滑，在下滑过程中由于摩擦力的作用，物块的速率恰好保持不变，如图所示，下列说法正确的是（ ）A ．物块所受合外力为零B ．物块所受合外力越来越大C ．物块所受合外力大小不变，方向时刻改变D ．物块所受摩擦力大小不变10．如图所示，长度0.5m L =的轻质细杆OP ，P 端有一质量 3.0kg m =的小球，小球以O 点为圆心在竖直平面内做匀速圆周运动，其运动速率为2.0m/s ，则小球通过最高点时杆OP 受到（g 取210m/s ）A ．6.0N 的拉力B ．6.0N 有压力C ．24N 的拉力D ．54N 的拉力参考答案：1．A 2．C 3．BC 4．C 5．A 6．C 7．BC 8．D 9．C 10．B二．填空题1．M 为在水平传送带上被传送的物体，A 为终端皮带轮。
