圆周运动中的临界问题专题

课题28圆周运动中的临界问题

一、竖直面内圆周运动的临界问题

(1)如图所示，没有物体支撑的小球，在竖直平面做圆周运动过最高点的情况： 特点：绳对小球，轨道对小球只能产生指向圆心的弹力 ① 临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用：

mg=mv 2/R →v 临界=Rg （可理解为恰好转过或

恰好转不过的速度）

即此时小球所受重力全部提供向心力

注意：如果小球带电，且空间存在电、磁场时，临界条件应是小球重力、电场力和洛伦兹力的合力提供向心力，此时临界速度V 临≠

Rg

②能过最高点的条件：v ≥Rg ，当v ＞Rg 时，绳对球产生拉力，轨道对球产生压力． ③不能过最高点的条件：v ＜V 临界（实际上球还没到最高点时就脱离了轨道做斜抛运动） 【例题1】如图所示，半径为R 的竖直光滑圆轨道内侧底部静止着一个光滑小球，现给小球一个冲击使其在瞬时得到一个水平初速v 0，若v 0≤gR 3

10，则有关小球能够上升到最大高

度（距离底部）的说法中正确的是（ ） A 、一定可以表示为g

v 220

B 、可能为3

R

C 、可能为R

D 、可能为

3

5R

【延展】汽车过拱形桥时会有限速，也是因为当汽车通过半圆弧顶部时的速度

gr v 时，汽车对弧顶的压力F N =0，此时汽车将脱离桥面做平抛运动，因为

桥面不能对汽车产生拉力．

（2）如右图所示，小球过最高点时，轻质杆（管）对球产生的弹力情况： 特点：杆与绳不同，杆对球既能产生拉力，也能对球产生支持力． ①当v ＝0时，F N ＝mg （N 为支持力）

②当 0＜v ＜Rg 时， F N 随v 增大而减小，且mg ＞F N ＞0，F N 为支持力． ③当v =Rg 时，F N ＝0

④当v ＞Rg 时，F N 为拉力，F N 随v 的增大而增大（此时F N 为拉力，方向指向圆心） 典例讨论

1.圃周运动中临界问题分析，应首先考虑达到临界条件时物体所处的状态，然后分析该状态下物体的受力特点．结合圆周运动的知识，列出相应的动力学方程

【例题2】在图中，一粗糙水平圆盘可绕过中心轴OO /

旋转，现将轻质弹簧的一端固定

O O

R

R

在圆盘中心，另一端系住一个质量为m 的物块A ，设弹簧劲度系数为k ，弹簧原长为L 。将物块置于离圆心R 处，R ＞L ，圆盘不动，物块保持静止。现使圆盘从静止开始转动，并使转速ω逐渐增大，物块A 相对圆盘始终未惰动。当ω增大到()54k R l mR

ω-=

A 是否受

到圆盘的静摩擦力，如果受到静摩擦力，试确定其方向。

【解析］对物块A ，设其所受静摩擦力为零时的临界角度为ω0，此时向心力仅为弹簧弹力；若ω＞ω0，则需要较大的向心力，故需添加指向圆心的静摩擦力；若ω＜ω0，则需要较小的向心力，物体受到的静摩擦力必背离圆心。 依向心力公式有m ω02

R=k(R －L)，所以()0

k R l mR

ω-=

，故()54k R l mR

ω-=

,得ω＞ω0。

可见物块所受静摩擦力指向圆心。

【例3】如图所示，细绳长为L ，一端固定在O 点，另一端系一质量为m 、电荷量为+q 的小球，置于电场强度为E 的匀强电场中，欲使小球在竖直平面内做圆周运动，小球至最高点时速度应该是多大？

解析：小球至最高点时能以L 为半径做圆周运动，所需向心力最小时绳子无拉力，则Mg ＋Eq=mv 02

/L ，得()m L Eq mg v /0+=

，故小球在竖直平面内能

够做圆周运动时，小球至最高点的速度 ()m L Eq mg v /+≥

拓展：该题中物理最高点与几何最高点是重合的，物理最高点是在竖直平面

内做圆周运动的物体在该点势能最大，动能最小，若把该题中的电场变为水平向右．如图，当金属球在环内做圆周运动时，则物理最高点为A 点，物理最低点为B 点，而几何最高点为C 点，几何最低点为D 点（这种情况下，两个最高点已不再重合，两个最低点也不再重合）． A 处速度的最小值（临界速度）应满足：()()222

/Eq mg F R mv A +=

=合

思考：物体恰能到达几何最高点时，绳的拉力为多少？

【例4】一内壁光滑的环形细圆管，位于竖直平面内，环的半径为R （比细管的半径大得多），圆管中有两个直径与细管内径相同的小球（可视为质点）。A 球的质量为m 1，B 球的质量为m 2。它们沿环形圆管顺时针运动，经过最低点时的速度都为v 0。设A 球运动到最低点时，球恰好运动到最高点，若要此时两球作用于圆管的合力为零，那么m 1，m 2，R 与v 0应满足怎样的关系式?

解析：首先画出小球运动达到最高点和最低点的受力图，如图所示。A 球在圆管最低点必受向上弹力N 1，此时两球对圆管的合力为零，m 2必受圆管向下的弹力N 2，且N 1=N 2。

据牛顿第二定律A 球在圆管的最低点有ΛΛR

v m g m N 20

111=-① E

m ，q L ·O

同理m 2在最高点有ΛΛR

v m N g m 2

1222=+② m 2球由最高点到最低点机械能守恒Λ20221222

1212v m v m R g m =+

③又N 1=N 2……④

【小结】 比较复杂的物理过程，如能依照题意画出草图，确定好研究对象，逐一分析就会

变为简单问题。找出其中的联系就能很好地解决问题。

【例5】如图所示，赛车在水平赛道上作900转弯，其内、外车道转弯处的半径分别为r 1和r 2，车与路面间的动摩擦因数和静摩擦因数都是μ．试问：竞赛中车手应选图中的内道转弯还是外道转弯？在上述两条弯转路径中，车手做正确选择较错误选择所赢得的时间是多少？ 分析:赛车在平直道路上行驶时，其速度值为其所能达到的最大值，设为v m 。转弯时，车做圆周运动，其向心力由地面的静摩擦力提供，则车速受到轨道半径和向心加速度的限制，只能达到一定的大小．为此，车在进入弯道前必须有一段减速过程，以使其速度大小减小到车在弯道上运行时所允许的速度的最大值，走完弯路后，又要加速直至达到v m 。车道的选择，正是要根据内外道上的这些对应过程所历时间的比较来确定． 对于外车道，设其走弯路时所允许的最大车速为v 2，则应有mv 22

/r 2=μmg 解得v 2=2r g μ

如图所示，设车自M 点开始减速，至N 点其速度减为v 2，且刚好由此点进入弯道，此减速过程中加速度的大小为a=μmg/m=μg

此减速过程中行驶的路径长度（即MN 的长度）为x 2=a

v v m 22

22-=g v m μ22－22r

车沿弯道到达A 点后，由对称关系不难看出，它又要在一段长为x 2的路程上加速，才能达

到速度v m 。上述过程所用的总时间为

t 2=t 减速＋t 圆弧＋t 加速=

a v v m 2-＋222v r π＋a

v v m 2-=g v m μ2－（2－2π

）g r μ2

同样的道理可以推得车走内车道所用的总时间为t 1=

g

v m μ2－（2－2π

）g r μ1

另一方面，对内车道和外车道所历路程的直线部分进行比较，由图可见，车往内车道多

走了长度 ΔL ＝ r 2－ r l

同时，在直线道上车用于加速和减速的行程中，车往内道也多走了长度 Δx=2x 1－2x 2= r 2－ r l

由于上述的ΔL 和Δx 刚好相等，可见车在直道上以v m 匀速行驶的路程长度对于内外两道来说是相等的．这样，为决定对内外道的选择，只需比较上述的t 1和t 2即可由于 t 2＜t 1，显然，车手应选择走外道，由此赢得的时间为 Δt=t 1一t 2=21

(2)2r r g

πμ--

2.求解范围类极值问题，应注意分析两个极端状态，以确定变化范围

【例6】如图，直杆上0102两点间距为L ，细线O 1A 长为3L ，O 2A 长为L,A 端小球质量为m ，要使两根细线均被拉直，杆应以多大的角速度ω转动？

解析:当ω较小时线O 1A 拉直，O 2A 松弛，而当ω太大时O 2A 拉直, O 1A 将松弛．

设O 2A 刚好拉直,但F O2A 仍为零时角速度为ω1，此时∠O 2O 1A =300

,对小球：

在竖直方向F O1A ·cos300

＝mg ……①

在水平方向：F O1A ·sin300

＝2

1

3sin 30m L ω?……②

由①②得1

23g L ω=

设O 1A 由拉紧转到刚被拉直,F O1A 变为零时角速度为ω2

对小球：F O2A ·cos600

=mg ……③

F O2A ·sin600=m ω22L ·sin600

………④ 由③④得2

2g L ω=,故223g g L L ω??

【例7】一根长约为L 的均匀细杆可以绕通过其一端的水平轴在竖直平面

内转动，杆最初在水平位置。杆上距O 为a 处放有一个小物体B （可视为

质点）。杆与其上小物体最初均处于静止状态，若此杆突然以匀角速度ω绕O 轴转动，问当ω取什么值时，小物体与杆可能相碰。

【解析】杆开始转动后，两物体的运动状态分别为：A 做匀速转动，B 做自由落体运动。若B 能与杆相碰，只可能在B 下落的竖直线上，那么，杆转动的高度范围就被确定了，即如图所示的转角范围。 我们分两种情况进行讨论：

（1）当杆的转速ω较小时，物体B 有可能追上细杆与细杆相碰。设物体B 下落

到C 作用的时间为t 1，杆转过Φ角所用时间为t 2，两物要能相碰，t 1和t 2就满足下列条件：t 1≤t 2…①

又因为L BC ＝?gt 12

，Φ=ωt 2，由几何关系L BC =22a L -，Lcos Φ=a ，所以L BC ＝?

gt 12

=2

2a L -解得t 1=g

a L 2

22-

由Φ=ωt 2=arccos α/L 解得t 2=

ω

1

arccos （a/L ） 将t l 、t 2代入①式，得g

a L 2

22- ≤

ω1arccos （a/L ）解得ω≤2

g

arccos （a/L ）/422a L - （2）当杆的转速ω较大时，杆转过一周后有可能追上B 而与物体B 相碰，设杆转过中角所

用的时间为t 2/，杆要与B 相碰，t 2/和t l 必须满足下列条件：t l ≥t 2/

由2π+Φ=ωt 2/

，所以t 2

/=（2π+Φ）=（2π+arccos （a/L ））/ω代入得g

a L 2

22-≥（2

π+arccos （a/L ））/ω，解得ω≥

2

g

arccos （a/L ）/422a L - O

A a

L

ω

B

由以上分析可知，当杆转动的角速度满足：ω≤

2

g

arccos （a/L ）/422a L -或ω≥2

g

arccos （a/L ）/422a L -时，物体B 均有可能和细杆相碰。

典例分析

杆长为L ，球的质量为m ，杆连球在竖直平面内绕轴O 自由转动，已知在最高点处，杆对球的弹力大小为F =1/2mg ，求这时小球的即时速度大小。 解：小球所需向心力向下，本题中F =1/2mg ＜mg ，所以弹力的方向可能向上

也可能向下。⑴若F 向上，则2

,2gL v L

mv F mg ==- ⑵若F 向下，则2

3,2gL v L mv F mg =

=+

如图所示的装置是在竖直平面内放置光滑的绝缘轨道，处于水平向右的匀强电场中，以带负电荷的小球从高h 的A 处静止开始下滑，沿轨道ABC 运动后进入圆环内作圆周运动。已知小球所受到电场力是其重力的3／4，圆滑半径为R ，斜面倾角为θ，s BC =2R 。若使小球在圆环内能作完整的圆周运动，h 至少为多少？

解析：小球所受的重力和电场力都为恒力，故可两力等效为一个力F ，如图所示。可知F ＝1.25mg ，方向与竖直方向左偏下37o，从图6中可知，能否作完整的圆周运动的临界点是能否通过D 点，若恰好能通过D 点，即达到D 点时球与环的弹力恰好为零。

由圆周运动知识得：R

v m F D

2

=

即：R

v m mg D

225.1=

由动能定理有：22

1)37sin 2cot (43)37cos (D mv R R h mg R R h mg =?++?-?--θ 联立①、②可求出此时的高度h 。

【例6】如图所示，用细绳一端系着的质量为M =0.6kg 的物体A 静止在水平转盘上，细绳另一端通过转盘中心的光滑小孔O 吊着质量为m =0.3kg 的小球B ，A 的重心到O 点的距离为0.2m ．若A 与转盘间的最大静摩擦力为f =2N ，为使小球B 保持静止，求转盘绕中心O

旋转的角速度ω的取值范围．（取g =10m/s 2）

解析：要使B 静止，A 必须相对于转盘静止——具有与转盘相同的角速度．A 需要的向心力由绳拉力和静摩擦力合成．角速度取最大值时，A 有离心趋势，静摩擦力指向圆心O ；角速度取最小值时，A 有向心运动的趋势，静摩擦力背离圆心O ．

对于B ，T =mg

对于A ，2

1ωMr f T =+

2

2ωMr f T =-

5.61=ωrad/s 9.22=ωrad/s

所以 2.9 rad/s 5.6≤≤ωrad/s

【例7】一内壁光滑的环形细圆管，位于竖直平面内，环的半径为R （比细管的半径大得多）．在圆管中有两个直径与细管内径相同的小球（可视为质点）．A 球的质量为m 1，B 球的质量为m 2．它们沿环形圆管顺时针运动，经过最低点时的速度都为v 0．设A 球运动到最低点时，B 球恰好运动到最高点，若要此时两球作用于圆管的合力为零，那么m 1、m 2、R 与v 0应满足的关系式是______．

解析：这是一道综合运用牛顿运动定律、圆周运动、机械能守恒定律的高考题． A 球通过圆管最低点时，圆管对球的压力竖直向上，所以球对圆管的压力竖直向下．若要此时两球作用于圆管的合力为零，B 球对圆管的压力一定是竖直向上的，所以圆管对B 球的压力一定是竖直向下的．

由机械能守恒定律，B 球通过圆管最高点时的速度v 满足方程

2

022222

1221v m R g m v m =?+ 根据牛顿运动定律

对于A 球，R

v m g m N 2

111=-

对于B 球，R

v m g m N 22

22=+

又 N 1=N 2

解得 0)5()(2120

21=++-g m m R

v m m

针对练习：

1．如图所示，长为L 的细线，一端固定在O 点，另一端系一个球.把小球拉到与悬点O 处于同一水平面的A 点，并给小球竖直向下的初速度，使小球绕O 点在竖直平面内做圆周运动。要使小球能够在竖直平面内做圆周运动，在A 处小球竖直向下的最小初速度应为

A.gL 7

B.gL 5

C.gL 3

D.

gL 2

2．由上海飞往美国洛杉矶的飞机与洛杉矶返航飞往上海的飞机，若往返飞行时间相同，且飞经太平洋上空等高匀速飞行，飞行中两种情况相比较，飞机上的乘客对座椅的压力

A.相等

B.前者一定稍大于后者

C.前者一定稍小于后者

D.均可能为零

3．用一根细线一端系一小球（可视为质点），另一端固定在一光滑锥顶上，如图（1）所示，设小球在水平面内作匀速圆周运动的角速度为ω，线的张力为T ，则T 随ω2变化的图象是图（2）中的

4．在质量为M 的电动机飞轮上，固定着一个质量为m 的重物，重物到轴的距离为R ，如图所示，为了使电动机不从地面上跳起，电动机飞轮转动的最大角速度不能超过

A ．

g mR

m

M ?

+ B ．

g mR m M ?+ C ．

g mR m M ?- D ．mR

Mg

5．如图所示，具有圆锥形状的回转器（陀螺），半径为R ，绕它的轴在光滑的桌面上以角速度ω快速旋转，同时以速度v 向左运动，若回转器的轴一直保持竖直，为使回转器从左侧桌子边缘滑出时不会与桌子边缘发生碰撞，v 至少应等于

A ．ωR

B ．ωH

C ．R

H

g

2 D ．R H g 2

6．如图，细杆的一端与一小球相连，可绕过O 点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，则杆对球的作用力可能是

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

7．如图所示在方向竖直向下的匀强电场中，一个带负电q ，质量为

m 且重力大于所受电场力的小球，从光滑的斜面轨道的点A 由静止下滑，若小球恰能通过半径为R 的竖直圆形轨道的最高点B 而作圆周运动，问点A 的高度h 至少应为多少？

如图所示，圆管构成的半圆形竖直轨道固定在水平地面上，轨

道半径为R ，MN 为直径且与水平面垂直，直径略小于圆管内径的小球A 以某一初速度冲进轨道，到达半圆轨道最高点M 时与静止于该处的质量与A 相同的小球B 发生碰撞，碰后两球粘在

一起飞出轨道，落地点距N 为2R 。重力加速度为g ，忽略圆管内径，空气阻力及各处摩擦均不计，求：

（1）粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t ； （2）小球A 冲进轨道时速度v 的大小。

解析：（1）粘合后的两球飞出轨道后做平抛运动，竖直方向分运动为自由落体运动，有

21

22

R gt =

①

解得

2

R t g

= ②

（2）设球A 的质量为m ，碰撞前速度大小为v 1，把球A 冲进轨道最低点时的重力势能定为

0，由机械能守恒定律知

22

111222

mv mv mgR =+ ③ 设碰撞后粘合在一起的两球速度大小为v 2，由动量守恒定律知 122mv mv = ④ 飞出轨道后做平抛运动，水平方向分运动为匀速直线运动，有 22R v t = ⑤

综合②③④⑤式得 222v gR =

某兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道，其中“2008”四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成，固定在竖直平面内（所有数字均由圆或半圆组成，圆半径比细管的内径大得多），底端与水平地面相切。弹射装置将一个小物体（可视为质点）以v a =5m/s 的水平初速度由a 点弹出，从b 点进入轨道，依次经过“8002”后从p 点水平抛出。小物体与地面ab 段间的动摩擦因数u =0.3,不计其它机械能损失。已知ab 段长L ＝1. 5m ，数字“0”的半径R ＝0.2m ，小物体质量m =0.01kg,g =10m/s 2。求：（1）小物体从p 点抛出后的水平射程。（2）小物体经过数这“0”的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向。

解析：（1）设小物体运动到p 点时的速度大小为v ，对小物体由a 运动到p 过程应用动能定理得： 22

11222

a mgL Rmg mv mv -μ-=

- ①

2

122

R gt =

② s =vt

③ 由①②③式联立代入数据解得：s =0.8m

④

（2）设在数字“0”的最高点时管道对小物体的作用力大小为F ，由牛顿第二定律得：

2

mv F mg R

+=

⑤

由①⑤两式联立代入数据解得：F ＝0.3N ，方向竖直向下。 答案：⑴ 0.8m ⑵ 0.3N 方向竖直向下

如图所示，质量M =2kg 的滑块套在光滑的水平轨道上，质量m =1kg 的小球通过长L =0.5m 的轻质细杆与滑块上的光滑轴O 连接，小球和轻杆可在竖直平面内绕O 轴自由转动，开始轻杆处于水平状态，现给小球一个竖直向上的初速度v 0=4 m/s ，g 取10m/s 2。

（1）若锁定滑块，试求小球通过最高点P 时对轻杆的作用力大小和方向。

（2）若解除对滑块的锁定，试求小球通过最高点时的速

度大小。

（3）在满足（2）的条件下，试求小球击中滑块右侧轨道位置点与小球起始位置点间的距离。

解析：（1）设小球能通过最高点，且此时的速度为v 1。在

上升过程中，因只有重力做功，小球的机械能守恒。则

22

10

1122

mv mgL mv += ① 16/v m s = ② 设小球到达最高点时，轻杆对小球的作用力为F ，方向向下，则

2

1v F mg m L

+= ③

由②③式，得 F =2N ④

由牛顿第三定律可知，小球对轻杆的作用力大小为2N ，方向竖直向上。

（2）解除锁定后，设小球通过最高点时的速度为v 2，此时滑块的速度为V 。在上升过

程中，因系统在水平方向上不受外力作用，水平方向的动量守恒。以水平向右的方向为正方向，有 20mv MV += ⑤

M v 0

O P L

在上升过程中，因只有重力做功，系统的机械能守恒，则

222

20

111222

mv MV mgL mv ++= ⑥ 由⑤⑥式，得 v 2=2m /s ⑦

（3）设小球击中滑块右侧轨道的位置点与小球起始点的距离为s 1，滑块向左移动的距

离为s 2，任意时刻小球的水平速度大小为v 3，滑块的速度大小为V /。由系统水平方向的动量守恒，得 30mv MV '-= ⑦ 将⑧式两边同乘以t ?，得

30mv t MV t '?-?= ⑨

因⑨式对任意时刻附近的微小间隔t ?都成立，累积相加后，有 120ms Ms -= ○10 又 122s s L += ○11 由○10○11式得 12

3

s m =

○

12 如图为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图，其下半 部AB 是一长为2R 的竖直细管，上半部BC 是半径为R 的四分之一圆弧弯管，管口沿水平方向，AB 管内有一原长为R 、下端固定的轻质弹簧。投饵时，每次总将弹簧长度压缩到0.5R 后锁定，在弹簧上段放置一粒鱼饵，解除锁定，弹簧可将鱼饵弹射出去。设质量为m 的鱼饵到达管口C 时，对管壁的作用力恰好为零。不计鱼饵在运动过程中的机械能损失，且锁定和解除锁定时，均不改变弹簧的弹性势能。已知重力加速度为g 。求： (1)质量为m 的鱼饵到达管口C 时的速度大小v 1; (2)弹簧压缩到0.5R 时的弹性势能E p ;

（3） 已知地面欲睡面相距1.5R ，若使该投饵管绕AB 管的中轴

线OO-。在角的范围内来回缓慢转动，每次弹射时只放置一粒鱼饵，鱼饵的质量在

到m 之间变化，且均能落到水面。持续投放足够长时间后，鱼饵能够落到水面的最大面积S 是多少？

解析：此题考查平抛运动规律、牛顿运动定律、竖直面内的圆周运动、机械能守恒定律等知

识点

（1）质量为m 的鱼饵到达管口C 时做圆周运动的向心力完全由重力提供，则

(1)

解得

(2)

(2)弹簧的弹性势能全部转化为鱼饵的机械能，由机械能守恒定律有

(3)

由（2）（3）得

(4)

(3)不考虑因缓慢转动装置对鱼饵速度大小的影响，质量为m的鱼饵离开管口C后做平抛运

动，设经过t时间落到水面上，离OO’的水平距离为x1，由平抛规律有

(5)

(6)

由（5）（6）两式得 (7)

当鱼饵的质量为时，设其到达管口C时速度大小为V2，由机械能守恒定律有

(8)

由（4）（8）两式解得 (9)

质量为的鱼饵落到水面时上时，设离OO’的水平距离为x2则

(10)

由（5）（9）（10）解得：

鱼饵能够落到水面的最大面积S，S=(πx22-πx12)= πR2（或8.25πR2）。

参考答案：

1．C

2．C

3．C

4．B

5．D

6．AB 7．5R/2

圆周运动中的临界问题和周期性问题

圆周运动中的临界问题和周期性问题 一、圆周运动问题的解题步骤： 1、确定研究对象 2、画出运动轨迹、找出圆心、求半径 3、分析研究对象的受力情况，画受力图 4、确定向心力的来源 5、由牛顿第二定律r T m r m r v m ma F n n 222)2(π ω====……列方程求解 二、临界问题常见类型： 1、按力的种类分类： （1）、与弹力有关的临界问题：接触面间的弹力：从有到无,或从无到有 绳子的拉力：从无到有，从有到最大，或从有到无 （2）、与摩擦力有关的弹力问题：从静到动，从动到静，临界状态下静摩擦力达到最大静摩擦 2、按轨道所在平面分类： （1）、竖直面内的圆周运动 （2）、水平面内的圆周运动 三、竖直面内的圆周运动的临界问题 1、单向约束之绳、外轨道约束下的竖直面内圆周运动临界问题： 特点：绳对小球，轨道对小球只能产生指向圆心的弹力 ① 临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用： mg=mv 2/R →v 临界=Rg （可理解为恰好转过或恰好转不过的速度） 即此时小球所受重力全部提供向心力 ②能过最高点的条件：v ≥Rg ，当v ＞Rg 时，绳对球产生拉力，轨道对球产生压力． ③不能过最高点的条件：v ＜V 临界（实际上球还没到最高点时就脱离了轨道做斜抛运动） 例1、绳子系着装有水的木桶，在竖直面内做圆周运动，水的质量m=0.5kg ，绳子长度为l=60cm ，求：（g 取10m/s 2） A 、最高点水不留出的最小速度？ B 、设水在最高点速度为V=3m/s ，求水对桶底的压力？ 答案：（1）s m /6 （2）2.5N

变式1、如图所示，一质量为m 的小球，用长为L 细绳系住，使其在竖直面内作圆周运动.(1)若过小球恰好能通过最高点，则小球在最高点和最低点的速度分别是多少？小球的受力情况分别如何？(2)若小球在最低点受到绳子的拉力为10mg ，则小球在最高点的速度及受到绳子的拉力是多少？ 2、单向约束之内轨道约束下（拱桥模型）的竖直面内圆周运动的临界问题： 汽车过拱形桥时会有限速，是因为当汽车通过半圆弧顶部时的速度 gr v =时，汽车对弧顶的压力FN=0，此时汽车将脱离桥面做平抛运动， 因为桥面不能对汽车产生拉力． 例2、半径为 R 的光滑半圆球固定在水平面上，顶部有一小物体， 如图所示。今给小物体一个水平初速度0v = ） A.沿球面下滑至 M 点 B.先沿球面下滑至某点Ｎ，然后便离开斜面做斜下抛运动 Ｃ.按半径大于 R 的新的圆弧轨道做圆周运动 D.立即离开半圆球做平抛运动 3、双向约束之轻杆、管道约束下的竖直面内圆周运动的临界问题 物体(如小球)在轻杆作用下的运动，或在管道中运动时，随着速度的变化，杆或管道对其弹力发生变化．这里的弹力可以是支持力，也可以是压力，即物体所受的弹力可以是双向的，与轻绳的模型不同．因为绳子只能提供拉力，不能提供支持力；而杆、管道既可以提供拉力，又可以提供支持力；在管道中运动，物体速度较大时可对上壁产生压力，而速度较小时可对下壁产生压力．在弹力为零时即出现临界状态． （一）轻杆模型 如图所示，轻杆一端连一小球，在竖直面内作圆周运动． (1)能过最高点的临界条件是：0v =．这可理解为恰好转过或恰好不能转过最高点的临界条件，此时支持力mg N =． (2) 当0v << mg N <<0，N 仍为支持力，且N 随v 的增大而减小，

圆周运动的实例及临界问题

圆周运动的实例及临界问题 一、汽车过拱形桥 1．汽车在拱形桥最高点时，向心力：F 合＝ mg －N ＝m v 2 R . 支持力：N ＝mg －mv 2 R ＜mg ，汽车处于失重状 态． 2．汽车对桥的压力N ′与桥对汽车的支持N 是一对相互作用力，大小相等，所以汽车通过最高点时的速度越大，汽车对桥面的压力就越小． 例1 一辆质量m ＝2 t 的轿车，驶过半径R ＝90 m 的一段凸形桥面，g ＝10 m/s 2 ，求： (1)轿车以10 m/s 的速度通过桥面最高点时，对桥面的压力是多大？ (2)在最高点对桥面的压力等于轿车重力的一半时，车的速度大小是多少？ 解析 (1)轿车通过凸形桥面最高点时，受力分析如图所示： 合力F ＝mg －N ，由向心力公式得mg －N ＝m v 2 R ，故 桥面的支持力大小N ＝mg －m v 2R ＝(2 000×10－2 000×102 90) N ≈×104 N 根据牛顿第三定律，轿车在桥面最高点时对桥面压力的大小为×104 N. (2)对桥面的压力等于轿车重力的一半时，向心力F ′＝mg －N ′＝，而F ′＝m v ′2R ，所以此时轿 车的速度大小v ′＝错误!＝错误! m/s ≈21.2 m/s 答案 (1)×104 N (2)21.2 m/s 二、圆锥摆模型 1．运动特点：人及其座椅在水平面内做匀速圆周运动，悬线旋转形成一个圆锥面． 图1 2．运动分析：将“旋转秋千”简化为圆锥 摆模型(如图1所示) (1)向心力：F 合＝mg tan_α (2)运动分析：F 合＝mω2r ＝mω2 l sin α (3)缆绳与中心轴的夹角α满足cos α＝ g ω2l . 图6 例2 如图6所示，固定的锥形漏斗内壁是光滑的，内壁上有两个质量相等的小球A 和B ，在各自不同的水平面做匀速圆周运动，以下物理量大小关系正确的是( ) A ．速度v A ＞v B B ．角速度ωA ＞ωB C ．向心力F A ＞F B D ．向心加速度a A ＞a B 解析 设漏斗的顶角为2θ，则小球的合力为F 合 ＝mg tan θ，由F ＝F 合＝mg tan θ＝mω2 r ＝m v 2 r ＝ma ，知向心力F A ＝F B ，向心加速度a A ＝a B ，选项C 、D 错误；因r A ＞r B ，又由v ＝ gr tan θ 和ω＝ g r tan θ 知v A ＞v B 、ωA ＜ωB ，故A 对，B 错． 答案 A 三、火车转弯 1．运动特点：火车转弯时做圆周运动，具有向心加速度，需要向心力． 2．铁路弯道的特点：转弯处外轨略高于内轨，铁轨对火车的支持力斜向弯道的内侧，此支 持力与火车所受重力的合力指向圆心，为火车转弯提供了一部分向心力． 例3 铁路在弯道处的内、外轨道高度是不 同的，已知内、外轨道平面与水平面的夹角为θ， 如图7所示，弯道处的圆弧半径为R ，若质量为m 的火车转弯时速度等于gR tan θ，则( ) A ．内轨对内侧车轮轮缘有挤压 B ．外轨对外侧车轮轮缘有挤压 C ．这时铁轨对火车的支持力等于mg cos θ D ．这时铁轨对火车的支持力大于mg cos θ

高中物理圆周运动的临界问题(含答案)

1 圆周运动的临界问题 一 ．与摩擦力有关的临界极值问题 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 m ＝m r v 2 ，静摩 擦力的方向一定指向圆心；如果除摩擦力以外还有其他力，如绳两端连物体，其中一个在水平面上做圆周运动时，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，分别为静摩擦力达到最大且静摩擦力的方向沿半径背离圆心和沿半径指向圆心。 二 与弹力有关的临界极值问题 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。 【典例1】 (多选)(2014·新课标全国卷Ⅰ，20) 如图1，两个质量均为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转动，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 ．ω＝ l kg 2是b 开始滑动的临界角速度 D ．当ω＝l kg 32 时，a 所受摩擦力的大小为kmg 答案 AC 解析 木块a 、b 的质量相同，外界对它们做圆周运动提供的最大向心力，即最大静摩擦力F f m ＝km g 相同。 它们所需的向心力由F 向＝mω2r 知，F a < F b ，所以b 一定比a 先开始滑动，A 项正确；a 、b 一起

2 绕转轴缓慢地转动时，F 摩＝mω2r ，r 不同，所受的摩擦力不同，B 项错；b 开始滑动时有kmg ＝mω2·2l ，其临界角速度为ωb ＝ l kg 2 ，选项C 正确；当ω ＝l kg 32时，a 所受摩擦力大小为F f ＝mω2 r ＝3 2 kmg ，选项D 错误 【典例2】 如图所示，水平杆固定在竖直杆上，两者互相垂直，水平杆上O 、A 两点连接有两轻绳，两绳的另一端都系在质量为m 的小球上，OA ＝OB ＝AB ，现通过转动竖直杆，使水平杆在水平面内做匀速圆周运动，三角形OAB 始终在竖直平面内，若转动过程OB 、AB 两绳始终处于拉直状态，则下列说法正确的是( ) A ．O B 绳的拉力范围为 0～3 3 mg B ．OB 绳的拉力范围为 33mg ～3 32mg C ．AB 绳的拉力范围为 33mg ～3 32mg D ．AB 绳的拉力范围为0～3 3 2mg 答案 B 解析 当转动的角速度为零时，OB 绳的拉力最小，AB 绳的拉力最大，这时两者的值相同，设为F 1，则2F 1cos 30°＝mg ， F 1＝ 3 3 mg ，增大转动的角速度，当AB 绳的拉力刚好等于零时，OB 绳的拉力最大，设这时OB 绳的拉力为F 2，则F 2cos 30°＝mg ，F 2 ＝ 332mg ，因此OB 绳的拉力范围为33mg ～3 3 2mg ，AB 绳

圆周运动的临界问题

圆周运动的临界问题 1.圆周运动中的临界问题的分析方法 首先明确物理过程，对研究对象进行正确的受力分析，然后确定向心力，根据向心力公式列出方程，由方程中的某个力的变化与速度变化的对应关系，从而分析找到临界值． 2.竖直平面内作圆周运动的临界问题 竖直平面内的圆周运动是典型的变速圆周运动。一般情况下，只讨论最高点和最低点的情况，常涉及过最高点时的临界问题。 １．“绳模型”如图6-11-1所示，小球在竖直平面内做圆周运动过最高点情况。 （注意：绳对小球只能产生拉力） （1）小球能过最高点的临界条件：绳子和轨道对小球刚好没有力的作用 mg =2 v m R v 临界 （2）小球能过最高点条件：v （当v （3）不能过最高点条件：v （实际上球还没有到最高点时，就脱离了轨道） ２．“杆模型”如图6-11-2所示，小球在竖直平面内做圆周运动过最高点情况 （注意：轻杆和细线不同，轻杆对小球既能产生拉力，又能产生推力。） （1）小球能最高点的临界条件：v = 0，F = mg （F 为支持力） （2）当0< v F 随v 增大而减小，且mg > F > 0（F 为支持力） （3）当v 时，F =0 （4）当v F 随v 增大而增大，且F >0（F 为拉力） 注意：管壁支撑情况与杆一样。杆与绳不同，杆对球既能产生拉力，也能对球产生支持力． 由于两种模型过最高点的临界条件不同，所以在分析问题时首先明确是哪种模型，然后再利用条件讨论． （3）拱桥模型 如图所示，此模型与杆模型类似，但因可以离开支持面，在最高点当物体速度达v =rg 时，F N =0，物体将飞离最高点做平抛运动。若是从半圆顶点飞出，则水平位移为s = 2R 。 a b 图6-11-2 b

高中物理圆周运动中的临界问题分析教案教学设计

《圆周运动中的临界问题》教学设计 一、教材分析 圆周运动的临界问题继是人教版高中《物理》必修2第五章的内容。在此之前，学生已经学习了直线运动的相关内容，和曲线运动的基本知识，自然界和日常生活中运动轨迹为圆周的许多事物也为学生的认知奠定了感性基础，本节课主要是帮助学生在原有的感性基础上进一步认识圆周运动，为今后学习万有引力等知识打下基础。 二、学情分析 高一（14）班是二层次班级，学生基础、领会能力相对较弱。不过学生已经学习了圆周运动、向心加速度、向心力等圆周运动的相关知识，已基本了解和掌握了圆周运动的特点和规律，对圆周运动的临界问题的学习已打下了基础。 三、学习目标 1.通过学生讨论，小组合作，老师引导，让学生进一步熟练圆周运动问 题的解题步骤； 2.通过学生讨论，小组合作，老师讲解，达到知道临界状态的目标； 3.通过学生讨论，小组合作，老师讲解，达到知道圆周运动中的临界问 题，并能正确解题的目标。 四、教学重难点 1.重点 a圆周运动问题的解题步骤 b 竖直水平圆周运动的临界状态 c 运用所学知识解决圆周运动中的临界问题 2.难点 a 竖直水平圆周运动的临界状态 b 运用所学知识解决圆周运动中的临界问题 五、导入 播放视频—电唱机做匀速圆周运动，创设情境，导入新课 六、教学设计 (一)预习案 1.公式默写 角速度： 2v t T r θπ ω===

线速度： 运行周期： 向心加速度： 向心力： 复习巩固 (二) 探究案 1. 圆周运动问题的解题步骤 例、例. 如图所示，半径为R 的圆筒绕竖直中心轴 OO ′转动， 小物块A 靠在圆筒的内壁上，它与圆筒的动摩擦因数为μ，现要 使A 不下落，则圆筒转动的角速度ω至少为（ D ） 2s r v r t T πω===22r T v ππω==22222222444n v r a r v n r f r r T πωωππ======22 222222444n n v F ma m m r m v mr n mr f mr r T πωωππ====== =

圆周运动脱轨和临界问题(教案)

竖直平面内的圆周运动 竖直平面内的圆周运动是典型的变速运动，高中阶段只分析通过最高点和最低点的情况，经常考查临界状态，其问题可分为以下两种模型. 一、两种模型 模型1：“轻绳类” 绳对小球只能产生沿绳收缩方向的拉力(圆圈轨道问题可归结为轻绳类)，即只能沿某一个方向给物体力的作用，如图1、图2所示，没有物体支撑的小球，在竖直平面做圆周运动过最高点的情况： (1)临界条件：在最高点，绳子(或圆圈轨道) 对小球没有力的作用，v gR = (2)小球能通过最高点的条件：v gR ≥，当v gR >时绳对球产生拉力，圆圈轨道对球产生向下的压力. (3)小球不能过最高点的条件：v gR <，实际上球还没到最高点就脱离了圆圈轨道，而做斜抛运动. 模型2：“轻杆类” 有物体支撑的小球在竖直平面内做圆周运动过最高点的情况，如图3所示，(小球在圆环轨道内做圆周运动的情况类似“轻杆类”，如图4所示，)： (1)临界条件：由于硬杆和管壁的支撑作用，小球恰能到达最高点的临界速度0 v= (2)小球过最高点时，轻杆对小球的弹力情况： ①当0 v=时，轻杆对小球有竖直向上的支持力N，其大小等于小球的重力，即N mg =； ②当0v gR << 2 v mg N m R -=,则 2 v N mg m R =-. 轻杆对小球的支持力N竖直向上，其大小随速度的增大而减小，其取值范围是0 mg N >>．③当v gR0 N=； ④当v gR 2 v mg N m R +=，即 2 v N m mg R =-， 杆对小球有指向圆心的拉力，其大小随速度的增大而增大，注意杆与绳不同，在最高点，杆对球既能产生拉力，也能对球产生支持力，还可对球的作用力为零. 小结如果小球带电，且空间存在电磁场时，临界条件应是小球重力、电场力和洛伦兹力的合力作为向心力，此时临界速度v gR应根据具体情况具体分析)．另外，若在月球上做 圆周运动则可将上述的g换成g 月，若在其他天体上则把g换成g 天体 . 图1 图2 图3 图4

圆周运动的临界问题

圆周运动的临界问题 【例1】如图所示，质量为0.1kg 的木桶内盛水0.4kg ，用50cm 的绳子系桶，使它在竖直面内做圆周运动。如图通过最高点为9m/s ，求绳子的拉力和水对桶底的 压力。（g 取10N/kg ） 【答案】拉力105N 方向向下 压力84N ，方向向下 【练习1】如图甲所示，一长为l 的轻绳，一端穿在过O 点的水平转轴上，另一端固定一质量未知的小球，整个装置绕O 点在竖直面内转动．小球通过最高点时，绳对小球的拉力F 与其速度平方v 2的关系如图乙所示，重力加速度为g ，下列判断正确的是 A ．图象函数表达式为mg l v m F +=2 B ．重力加速度l b g = C ．绳长不变，用质量较小的球做实验，得到的图线斜率更大 D ．绳长不变，用质量较小的球做实验，图线B 点的位置不变 答案:BD 【例2】如图所示，水平转盘的中心有个竖直小圆筒，质量为m 的物体A 放在 转盘上，A 到竖直筒中心的距离为r .物体A 通过轻绳、无摩擦的滑轮与物体B 相连，B 与A 质量相同.物体A 与转盘间的最大静摩擦力是正压力的μ倍，则转盘转动的角速度在什么范围内，物体A 才能随盘转动. 【正解】由于A 在圆盘上随盘做匀速圆周运动，所以它所受的合外力必然指向圆心，而其中重力、支持力平衡，绳的拉力指向圆心，所以A 所受的摩擦力的方向一定沿着半径或指向圆心，或背离圆心.

当A将要沿盘向外滑时，A所受的最大静摩擦力指向圆心，A的向心力为绳的拉力与最大静摩擦力的合力.即 F＋F m′＝m21ωr ① 由于B静止，故 F＝mg ② 由于最大静摩擦力是压力的μ倍，即 F m′＝μF N＝μmg ③ 由①②③式解得ω1＝r （μ+ g/） 1 当A将要沿盘向圆心滑时，A所受的最大静摩擦力沿半径向外，这时向心力为 ωr ④ F－F m′＝m2 2 由②③④式解得ω2＝r （μ-要使A随盘一起转动，其角速度ω应满足 1 g/） -≤ω≤r 1 （μ + g/） r （μ g/） 1 【思维提升】根据向心力公式解题的关键是分析做匀速圆周运动物体的受力情况，明确哪些力提供了它所需要的向心力. 【例3】如图所示，在匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向放置用长L=0.1m 的细线相连接的A、B两小物块．已知A距轴心O的距离r l =0.2m，A、B的质量均为m =1kg，它们与盘面间相互作用的摩擦力最大值为其重力的0.3倍（g 取10m/s2)．试求： ω为多大？ （1）当细线刚要出现拉力时，圆盘转动的角速度 （2）当A、B与盘面间刚要发生相对滑动时，细线受到的拉力为多大？ 【练习2】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A到OO'轴的距离为物块B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，在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．B受到的静摩擦力一直增大 B．B受到的静摩擦力是先增大后减小 C．A受到的静摩擦力是先增大后减小 D．A受到的合外力一直在增大 答案：D

圆周运动中的临界问题分析+教案+教学设计

《圆周运动中的临界问题》教学设计 高一物理组龙 一、教材分析 圆周运动的临界问题继是人教版高中《物理》必修2第五章的内容。在此之前，学生已经学习了直线运动的相关内容，和曲线运动的基本知识，自然界和日常生活中运动轨迹为圆周的许多事物也为学生的认知奠定了感性基础，本节课主要是帮助学生在原有的感性基础上进一步认识圆周运动，为今后学习万有引力等知识打下基础。 二、学情分析 高一（14）班是二层次班级，学生基础、领会能力相对较弱。不过学生已经学习了圆周运动、向心加速度、向心力等圆周运动的相关知识，已基本了解和掌握了圆周运动的特点和规律，对圆周运动的临界问题的学习已打下了基础。 三、学习目标 1. 通过学生讨论，小组合作，老师引导，让学生进一步熟练圆周运动问题的解题步骤； 2. 通过学生讨论，小组合作，老师讲解，达到知道临界状态的目标； 3. 通过学生讨论，小组合作，老师讲解，达到知道圆周运动中的临界问题，并能正确解题的目标。 四、教学重难点 1. 重点

a圆周运动问题的解题步骤 b 竖直水平圆周运动的临界状态 c 运用所学知识解决圆周运动中的临界问题 2. 难点 a竖直水平圆周运动的临界状态 b 运用所学知识解决圆周运动中的临界问题 五、导入 播放视频—电唱机做匀速圆周运动，创设情境，导入新课六、教学设计 (一) 预习案 1.公式默写 角速度： 线速度： 运行周期：

向心加速度： 向心力： 复习巩固 (二) 探究案 1.圆周运动问题的解题步骤

例、例. 如图所示，半径为R的圆筒绕竖直中心轴OO′转动，小物块A靠在圆筒的内壁上，它与圆筒的动摩擦因数为μ，现要使A不下落，则圆筒转动的角速度ω至少为（ D ） 小组讨论，得出结果，并归纳总结出圆周运动解题步骤。 解：A物体不下落，说明静摩擦力等于重力，A随着转动过程中，支持力提供向心力 即 且 联立解得

圆周运动的实例及临界问题

v1.0 可编辑可修改 圆周运动的实例及临界问题 一、汽车过拱形桥 1．汽车在拱形桥最高点时，向心力：F 合＝ mg －N ＝m v 2 R . 支持力：N ＝mg －mv 2 R ＜mg ，汽车处于失重状 态． 2．汽车对桥的压力N ′与桥对汽车的支持N 是一对相互作用力，大小相等，所以汽车通过最高点时的速度越大，汽车对桥面的压力就越小． 例1 一辆质量m ＝2 t 的轿车，驶过半径R ＝90 m 的一段凸形桥面，g ＝10 m/s 2 ，求： (1)轿车以10 m/s 的速度通过桥面最高点时，对桥面的压力是多大 (2)在最高点对桥面的压力等于轿车重力的一半时，车的速度大小是多少 解析 (1)轿车通过凸形桥面最高点时，受力分析如图所示： 合力F ＝mg －N ，由向心力公式得mg －N ＝m v 2 R ，故 桥面的支持力大小N ＝mg －m v 2 R ＝(2 000×10－2 000×102 90 ) N ≈×104 N 根据牛顿第三定律，轿车在桥面最高点时对 桥面压力的大小为×104 N. (2)对桥面的压力等于轿车重力的一半时，向心 力F ′＝mg －N ′＝，而F ′＝m v ′2 R ，所以此时轿 车的速度大小v ′＝错误!＝错误! m/s ≈21.2 m/s 答案 (1)×104 N (2)21.2 m/s 二、圆锥摆模型 1．运动特点：人及其座椅在水平面内做匀速圆周运动，悬线旋转形成一个圆锥面． 图1 2．运动分析：将“旋转秋千”简化为圆锥摆模型(如图1所示) (1)向心力：F 合＝mg tan_α (2)运动分析：F 合＝mω2r ＝mω2 l sin α (3)缆绳与中心轴的夹角α满足cos α＝ g ω2l . 图6 例2 如图6所示，固定的锥形漏斗内壁是光滑的，内壁上有两个质量相等的小球A 和B ，在各自不同的水平面做匀速圆周运动，以下物理量大小关系正确的是( ) A ．速度v A ＞v B

专项：圆周运动中的临界问题探究1水平面内的匀速圆周运动中的临界问题剖析(讲义)

【二】重难点提示： 重点： 1. 掌握水平面内圆周运动向心力的来源； 2. 会用极限法分析临界条件。 难点：会根据状态的变化判断弹力和静摩擦力的大小及方向变化。 【一】水平面内圆周运动临界产生原因 1. 从运动学角度：物体做圆周运动的角速度过大，所需要的向心力过大，物体所受合外力的径向分力不足会出现临界。 2. 从动力学角度：外界提供的最大的径向合外力存在最大值或最小值，这就决定了物体做圆周运动的速度就有最大值或最小值，因此出现临界。 【二】水平面内圆周运动的两种模型 1. 圆台转动类 小物块放在旋转圆台上，与圆台保持相对静止，如下图，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滑动摩擦力〕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〞。 g ，当ω<ωmax时， 临界条件：圆台转动的最大角速度ωmax＝ R 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。 以下图均为平台转动类 甲乙丙 2. 火车拐弯类 如下图，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〞。

临界条件：假设v ＝θtan gr ，火车拐弯时，既不挤压内轨也不挤压外轨； 假设v>θtan gr ，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；假设v ＜θtan gr ，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。 火车转弯问题类变形： 1 2 3 4 5 【方法指导】临界问题解题思路 1. 确定做圆周运动的物体作为研究对象。 2. 确定做圆周运动的轨道平面、圆心位置和半径。 3. 对研究对象进行受力分析。哪些力存在临界？〔摩擦力、弹力〕 4. 运用平行四边形定那么或正交分解法〔取向心加速度方向为正方向〕求出向心力F 。 5. 根据向心力公式，选择一种形式列方程求解。 例题1 如下图，半径为4 l 、质量为m 的小球用两根不可伸长的轻绳a 、b 连接，两轻绳的另一端系在一根竖直杆的A 、B 两点上，A 、B 两点相距为l ，当两轻绳伸直后，A 、B 两点到球心的距离均为l 。当竖直杆以自己为轴转动并达到稳定时〔细绳a 、b 与杆在同一竖直平面内〕。求： 〔1〕竖直杆角速度ω为多大时，小球恰离开竖直杆。 〔2〕小球离开竖直杆轻绳a 的张力Fa 与竖直杆转动的角速度ω之间的关系。 思路分析：〔1〕小球恰离开竖直杆时，小球与竖直杆间的作用力为零，此时轻绳a 与竖直杆间的夹角为α，由题意可知sin α＝41，r ＝ 4 l 沿半径：Fasin α＝m ω2r 垂直半径：Facos α＝mg 联立解得ω＝2 l g 15 1 〔2〕由〔1〕可知小球恰离开竖直杆时，Fa ＝ 15 4mg

圆周运动中的临界问题专题

课题28圆周运动中的临界问题 一、竖直面内圆周运动的临界问题 (1)如图所示，没有物体支撑的小球，在竖直平面做圆周运动过最高点的情况： 特点：绳对小球，轨道对小球只能产生指向圆心的弹力 ① 临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用： mg=mv 2/R →v 临界=Rg （可理解为恰好转过或 恰好转不过的速度） 即此时小球所受重力全部提供向心力 注意：如果小球带电，且空间存在电、磁场时，临界条件应是小球重力、电场力和洛伦兹力的合力提供向心力，此时临界速度V 临≠ Rg ②能过最高点的条件：v ≥Rg ，当v ＞Rg 时，绳对球产生拉力，轨道对球产生压力． ③不能过最高点的条件：v ＜V 临界（实际上球还没到最高点时就脱离了轨道做斜抛运动） 【例题1】如图所示，半径为R 的竖直光滑圆轨道内侧底部静止着一个光滑小球，现给小球一个冲击使其在瞬时得到一个水平初速v 0，若v 0≤gR 3 10，则有关小球能够上升到最大高 度（距离底部）的说法中正确的是（ ） A 、一定可以表示为g v 220 B 、可能为3 R C 、可能为R D 、可能为 3 5R 【延展】汽车过拱形桥时会有限速，也是因为当汽车通过半圆弧顶部时的速度 gr v 时，汽车对弧顶的压力F N =0，此时汽车将脱离桥面做平抛运动，因为 桥面不能对汽车产生拉力． （2）如右图所示，小球过最高点时，轻质杆（管）对球产生的弹力情况： 特点：杆与绳不同，杆对球既能产生拉力，也能对球产生支持力． ①当v ＝0时，F N ＝mg （N 为支持力） ②当 0＜v ＜Rg 时， F N 随v 增大而减小，且mg ＞F N ＞0，F N 为支持力． ③当v =Rg 时，F N ＝0 ④当v ＞Rg 时，F N 为拉力，F N 随v 的增大而增大（此时F N 为拉力，方向指向圆心） 典例讨论 1.圃周运动中临界问题分析，应首先考虑达到临界条件时物体所处的状态，然后分析该状态下物体的受力特点．结合圆周运动的知识，列出相应的动力学方程 【例题2】在图中，一粗糙水平圆盘可绕过中心轴OO / 旋转，现将轻质弹簧的一端固定 O O R R

圆周运动中的临界问题

圆周运动中的临界问题 一、水平面圆周运动的临界问题 关于水平面匀速圆周运动的临界问题，涉及的是临界速度与临界力的问题，具体来说，主要是与绳的拉力、弹簧的弹力、接触面的弹力和摩擦力有关。 1、与绳的拉力有关的临界问题 例1 如图1示，两绳系一质量为kg m 1.0=的小球， 上面绳长m l 2=，两端都拉直时与轴的夹角分别为 o 30与o 45，问球的角速度在什么围，两绳始终紧， 当角速度为s rad /3时，上、下两绳拉力分别为多大？ 2、因静摩擦力存在最值而产生的临界问题 例2 如图2所示，细绳一端系着质量为kg M 6.0= 的物体，静止在水平面上，另一端通过光滑小孔吊着 质量为kg m 3.0=的物体，M 的中心与圆孔距离为m 2.0 并知M 与水平面间的最大静摩擦力为N 2，现让此平面 绕中心轴匀速转动，问转动的角速度ω满足什么条件 可让m 处于静止状态。（2/10s m g =） 3、因接触面弹力的有无而产生的临界问题 C 图1 图2

二、竖直平面圆周运动的临界问题 对于物体在竖直平面做变速圆周运动，中学物理中只研究物体通过最高点和最低点的情况，并且也经常会出现临界状态。 1、轻绳模型过最高点 如图所示，用轻绳系一小球在竖直平面做圆周运动过最高点的情况，与小球在竖直平面光滑轨道侧做圆周运动过最到点的情况相似，都属于无支撑的类型。 临界条件：假设小球到达最高点时速度为0v ，此时绳子的拉力（轨道的弹力） 刚好等于零，小球的重力单独提供其做圆周运动的向心力，即r v m mg 2 0=， gr v =0，式中的0v 是小球过最高点的最小速度，即过最高点的临界速度。 （1）0v v = （刚好到最高点，轻绳无拉力） （2）0v v > （能过最高点，且轻绳产生拉力的作用） （3）0v v < （实际上小球还没有到最高点就已经脱离了轨道） 例4、如图4所示，一根轻绳末端系一个质量为kg m 1=的小球， 绳的长度m l 4.0=， 轻绳能够承受的最大拉力为N F 100max =， 现在最低点给小球一个水平初速度，让小球以轻绳的一端O 为 圆心在竖直平面做圆周运动，要让小球在竖直平面做完整 的圆周运动且轻绳不断，小球的初速度应满足什么条件？（2/10s m g =） 2、轻杆模型过最高点 如图所示，轻杆末端固定一小球在竖直平面做圆周运动过最高点的情况，与小球在竖直放置的圆形管道过最到点的情况相似，都属于有支撑的类型。

圆周运动中的临界问题

圆周运动中的临界问题 1、在竖直平面内作圆周运动的临界问题 ⑴如图1、图2所示，没有物体支承的小球，在竖直平面作圆周运动过最高点的情况 ①临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用 v 临界＝Rg ②能过最高点的条件：v ≥Rg ，当v ＞Rg 时，绳对球产生拉力，轨道对球产生压力。 ③不能过最高点的条件：v ＜v 临界（实际上球没到最高点时就脱离了轨道）。 ⑵如图3所示情形，小球与轻质杆相连。杆与绳不同，它既能产生拉力，也能产生压力 ①能过最高点v 临界＝0，此时支持力N ＝mg ②当0＜v ＜Rg 时，N 为支持力，有0＜N ＜mg ，且N 随v 的增大而减小 ③当v ＝Rg 时，N ＝0 ④当v ＞Rg ，N 为拉力，有N ＞0，N 随v 的增大而增大 例1 （99年高考题）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 图 1 v 0 图 2 图 3

例2 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 例3 长L ＝0.5m ，质量可以忽略的的杆，其下端固定于O 点，上端连接着一个质量m ＝2kg 的小球A ，A 绕O 点做圆周运动（同图5），在A 通过最高点，试讨论在下列两种情况下杆的受力： ①当A 的速率v 1＝1m ／s 时 ②当A 的速率v 2＝4m ／s 时 2、在水平面内作圆周运动的临界问题 在水平面上做圆周运动的物体，当角速度ω变化时，物体有远离或向着圆心运动的（半径有变化）趋势。这时，要根据物体的受力情况，判断物体受某个力是否存在以及这个力存在时方向朝哪（特别是一些接触力，如静摩擦力、绳的拉力等）。 例4 如图6所示，两绳系一质量为m ＝0.1kg 的小球，上面绳长L ＝2m ，两端都拉直时与轴的夹角分别为30°与45°，问球的角速度在什么范围内，两绳始终张紧，当角速度为3 rad ／s 时，上、下两绳拉力分别为多大？ 图 5 C 图 6

圆周运动中的临界问题

圆周运动中的临界问题 一、水平面内圆周运动的临界问题 关于水平面内匀速圆周运动的临界问题,涉及的就是临界速度与临界力的问题,具体来说,主要就是与绳的拉力、弹簧的弹力、接触面的弹力与摩擦力有关。 1、与绳的拉力有关的临界问题 例1 如图1示,两绳系一质量为kg m 1.0=的小球, 上面绳长m l 2=,两端都拉直时与轴的夹角分别为 o 30与o 45,问球的角速度在什么范围内,两绳始终张紧, 当角速度为s rad /3时,上、下两绳拉力分别为多大？ 2、因静摩擦力存在最值而产生的临界问题 例2 如图2所示,细绳一端系着质量为kg M 6.0= 的物体,静止在水平面上,另一端通过光滑小孔吊着 质量为kg m 3.0=的物体,M 的中心与圆孔距离为m 2.0, 并知M 与水平面间的最大静摩擦力为N 2,现让此平面 绕中心轴匀速转动,问转动的角速度ω满足什么条件 可让m 处于静止状态。(2/10s m g =) 3、因接触面弹力的有无而产生的临界问题 二、竖直平面内圆周运动的临界问题 对于物体在竖直平面内做变速圆周运动,中学物理中只研究物体通过最高点与最低点的情况,并且也经常会出现临界状态。 1、轻绳模型过最高点 如图所示,用轻绳系一小球在竖直平面内做圆周运动过最高点的情况,与小球在竖直平面内光滑轨道内侧做圆周运动过最到点的情况相似,都属于无支撑的类型。 临界条件:假设小球到达最高点时速度为0v ,此时绳子的拉力(轨道的弹力)刚好等于零,小球的重力单独提供其做圆周运动的向心力,即 r v m mg 2 0=,gr v =0,式中的0v 就是小球过最高点的最小速度,即过最高点的临界速度。 (1)0v v = (刚好到最高点,轻绳无拉力) C 图1 图2

圆周运动中临界问题

圆周运动中的临界问题 教学目的:会运用受力分析及向心力公式解决圆周运动的临界问题 教学重点:掌握解决圆周运动的两种典型的临界问题 教学难点:会分析判断临界时的速度或受力特征 教学内容 一、 有关概念 1、向心加速度的概念 2、向心力的意义 （由一个力或几个力提供的效果力） 二、内容 1、在竖直平面内作圆周运动的临界问题 （1）如图4－2－2和图4－2－3所示，没有物体支撑的小球，在竖直平面内做圆周运动过最高点的情况： v 0 图4－2－2 图4－2－3 ①临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用：mg =m R v 2 v 临界=Rg ②能过最高点的条件：v ≥Rg ，当v ＞Rg 时，绳对球产生拉力，轨道对球产生压力； ③不能过最高点的条件：v ＜v 临界（实际上球还没到最高点时就脱离了轨道）. （2）如图4－2－4的球过最高点时，轻质杆对球产生的弹力情况： ①当v =0时，F N =mg （F N 为支持力）； ②当0＜v ＜Rg 时，F N 随v 增大而减小，且mg ＞F N ＞0，F N 为支持力； ③当v =Rg 时，F N =0； ④当v ＞Rg 时，F N 为拉力，F N 随v 的增大而增大. v 杆 图42 4 图4－2－5 若是图4－2－5的小球在轨道的最高点时，如果v ≥Rg ，此时将脱离轨道做平抛运动，因为轨道对小球不能产生拉力. 例1 长L ＝0.5m ，质量可以忽略的的杆，其下端固定于O 点，上端连接着一个质量m ＝2kg 的小球A ，A 绕O 点做圆周运动（同图5），在A 通过最高点，试讨论在下列两种情况 下杆的受力： ①当A 的速率v 1＝1m ／s 时 ②当A 的速率v 2＝4m ／s 时 解析： V 0=gL ＝10×0.5 m ／s ＝ 5 m ／s 小球的速度大于 5 m ／s 时受拉力， 小于 5 m ／s 时受压力。 解法一：①当v 1＝1m ／s ＜ 5 m ／s 时，小球受向下的重力mg 和 向上的支持力N a 图 4

高考研究(二) 圆周运动及其临界问题

3.23物理一轮复习：高考研究（二）圆周运动及其临界问题 高考研究(二 )圆周运动及其临界问题 圆周运动的临界问题，一般有两类：一类是做圆周运动的物体，在某些特殊位置上，存在着某一速度值，小于(或大于)这个速度，物体就不能再继续做圆周运动，此速度即为临界速度；另一类是因为某种原因导致物体的受力发生变化，其运动状态随之变化，对应物 体出现相应的临界状态。 竖直平面内的圆周运动——轻绳模型及其临界问题 题型简述 如图所示，轻绳拉着小球在竖直平面内做圆周运动，或者小球在竖直放置的 光滑圆弧形轨道内侧运动。该题型的特点是小球到达最高点时没有物体支撑 小球，而轻绳或轨道对小球只能有向下的拉力或弹力。 方法突破小球做圆周运动，只要所受合外力恰好提供其做圆周运动的向心力，它便能 沿着原轨道继续运动，而绳或轨道内侧对小球只能有向着圆心的拉力或弹力， 最小拉力为零。 (1)恰能过最高点的临界条件：绳子或轨道对小球没有力的作用，mg ＝m v 临界2R 得v 临界＝Rg 。 (2)能过最高点的条件：v ≥v 临界，当v >Rg 时，绳对小球产生拉力，轨道对球 产生压力。 (3)不能过最高点的条件：v

圆周运动中的临界问题讲义

竖直平面内的圆周运动及临界问题 【夯实基础】 1．如图所示圆轨道AB是竖直平面内的四分之一圆周， 在B点的轨道切线是水平的，一质点自A点从静止开始下滑， 不计摩擦和空气阻力，则质点刚要到达B点时的加速度大小 是多大？滑过B点的加速度是多大？ 2．(多选)长为L的轻杆,一端固定一个小球,另一端固定在光滑的水平轴上,使小球在竖直平面内做圆周运动,关于小球在最高点的速度v,下列说法中正确的是() A.当v的值为gL时,杆对小球的弹力为零 B.若v由gL逐渐增大,则杆对小球的拉力逐渐增大 C.若v由gL逐渐减小,则杆对小球的支持力逐渐减小 D.当v由零逐渐增大时,向心力也逐渐增大 3．如图所示，小物块位于半径为R的半球顶端，若给小物块以水平初速度v0时，物块对球恰无压力，则下列说法不正确的是( ) A．物块立即离开球面做平抛运动 B．物块落地时水平位移为 2 R C．初速度v0＝gR D．物块落地速度方向与地面成45°角 【考点突破】 【例1】(多选)如图所示，竖直放置的光滑圆轨道被固定在水 平地面上，半径r＝0.4 m，最低点处有一小球(半径比r小很多)， 现给小球一水平向右的初速度v0，则要使小球不脱离圆轨道运动， v0应当满足(取g＝10 m/s2)() A．v0≥0 B．v0≥4 m/s C．v0≥2 5 m/s D．v0≤2 2 m/s 【练习】(多选)“水流星”是一种常见的杂技项目，该运动可 以简化为轻绳一端系着小球在竖直平面内的圆周运动模型，如 图所示，已知绳长为l，重力加速度为g，则() A．小球运动到最低点Q时，处于失重状态 B．小球初速度v0越大，则在P、Q两点绳对小球的拉力 差越大 C．当v0>6gl时，小球一定能通过最高点P D．当v0

高三-平抛运动、圆周运动的临界问题(学)

学科教师辅导讲义 前情回顾 体系搭建 突破一平抛运动中的临界问题 1.有些题目中有“刚好”、“恰好”、“正好”等字眼，明显表明题述的过程中存在着临界点。

2.若题目中有“取值范围”、“多长时间”、“多大距离”等词语，表明题述的过程中存在着“起止点”，而这些起止点往往就是临界点。 3.若题目中有“最大”、“最小”、“至多”、“至少”等字眼，表明题述的过程中存在着极值，这些极值点也往往是临界点。 【例1】 (2015·新课标全国卷Ⅰ，18)一带有乒乓球发射机的乒乓球台如图所示。水平台面的长和宽分别为L 1和L 2，中间球网高度为h 。发射机安装于台面左侧边缘的中点，能以不同速率向右侧不同方向水平发射乒乓球，发射点距台面高度为3h 。不计空气的作用，重力加速度大小为g 。若乒乓球的发射速率v 在某范围内，通过选择合适的方向，就能使乒乓球落到球网右侧台面上，则v 的最大取值范围是( ) A. L 1 2g 6h ＜v ＜L 1g 6h B. L 1 4 g h ＜v ＜（4L 2 1＋L 2 2）g 6h C. L 1 2 g 6h ＜v ＜12（4L 2 1＋L 2 2）g 6h D. L 1 4 g h ＜v ＜12 （4L 2 1＋L 22）g 6h 规律总结 处理平抛运动中的临界问题要抓住两点 (1)找出临界状态对应的临界条件。 (2)要用分解速度或者分解位移的思想分析平抛运动的临界问题。 【变式训练】 1.(多选)如图所示，水平屋顶高H ＝5 m ，围墙高h ＝3.2 m ，围墙到房子的水平距离L ＝3 m ，围墙外马路宽x ＝10 m ，为使小球从屋顶水平飞出落在围墙外的马路上，小球 离开屋顶时的速度v 0的大小的可能值为(g 取10 m/s 2 )( )

新教材高中物理 课时跟踪训练(十)圆周运动的两种模型和临界问题 新人教版必修第二册

课时跟踪训练（十）圆周运动的两种模型和临界问题 A级—学考达标 1.如图所示，物块(质量为m)随转筒一起以角速度ω做匀速圆周运动， 下列说法正确的是( ) A．物块受到重力、弹力、摩擦力和向心力的作用 B．若角速度增大而且物块仍然随转筒一起做匀速圆周运动，那么物块所 受摩擦力增大 C．若角速度增大而且物块仍然随转筒一起做匀速圆周运动，物块所受摩擦力减小 D．若角速度增大而且物块仍然随转筒一起做匀速圆周运动，物块所受摩擦力不变 解析：选 D 因为物块始终随转筒做匀速圆周运动，所以物块受重力、摩擦 力和筒壁的支持力。向心力为效果力，物块不受向心力，故A错误。因为物块在 竖直方向上处于平衡状态，所以f＝G，N＝mrω2，当ω增大时，N增大，f不变， 故B、C错误，D正确。 2.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/s C. 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。 3.如图所示，用长为L的细绳拴着质量为m的小球在竖直面内做圆周运 动，则下列说法中正确的是( ) A．小球在最高点时的向心力一定等于重力 B．小球在最高点时绳子的拉力不可能为零 C．若小球刚好能在竖直面内做圆周运动，则其在最高点的速率为gL D．小球过最低点时绳子的拉力可能小于小球的重力 解析：选C 小球在圆周最高点时，向心力可能等于重力，也可能等于重力与绳子的拉力之和，取决于小球在最高点的瞬时速度的大小，故A错误；小球在圆周最高点时，满足一定的条件时绳子的拉力可以为零，故B错误；小球刚好能在竖直面内做圆周运动，则在最高点，重力提供向心力，v＝gL，故C正确；小球在圆周最低点时，具有竖直向上的向心加速度，处于超重状态，绳子的拉力一定大于小球的重力，故D错误。