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物理人教版 (2019)1 圆周运动同步达标检测题
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这是一份物理人教版 (2019)1 圆周运动同步达标检测题，共6页。
(1)A的速率为1 m/s。
(2)A的速率为4 m/s。
【解析】 设轻杆转到最高点，轻杆对A的作用力恰好为0时，A的速度为v0，由mg＝meq \f(v02,L)，
得v0＝eq \r(gL)＝eq \r(5) m/s。
(1)当A的速率v1＝1 m/s＜v0时，
轻杆对A有支持力，由牛顿第二定律得
mg－F1＝meq \f(v12,L)
解得F1＝mg－meq \f(v12,L)＝16 N，
由牛顿第三定律得
A对轻杆的压力F1′＝F1＝16 N，方向竖直向下。
(2)当A的速率v2＝4 m/s＞v0时，
轻杆对A有拉力，由牛顿第二定律得mg＋F2＝meq \f(v22,L)，解得F2＝meq \f(v22,L)－mg＝44 N，由牛顿第三定律得
A对轻杆的拉力F2′＝F2＝44 N，方向向上。
考点2：圆周运动的临界问题
如图所示，用一根长为l＝1 m的细线，一端系一质量为m＝1 kg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FT。(g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8，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？
【解析】(1)若要小球刚好离开锥面，则小球只受到重力
和细线的拉力，受力分析如图所示。小球做匀速圆周运动的轨迹圆在水平面上，故向心力水平，在水平方向运用牛顿第二定律及向心力公式得
mgtan θ＝mω02lsin θ
解得ω02＝eq \f(g,lcs θ)
即ω0＝eq \r(\f(g,lcs θ))＝eq \f(5,2)eq \r(2) rad/s。
(2)同理，当细线与竖直方向成60°角时，由牛顿第二定律及向心力公式得
mgtan α＝mω′2lsin α
解得ω′2＝eq \f(g,lcs α)
即ω′＝eq \r(\f(g,lcs α))＝2eq \r(5) rad/s。
考点针对训练
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.eq \r(2) rad/s
C.eq \r(3) rad/s D．3 rad/s
【解析】选B 对A有μ1mAg≥mAω2r，对A、B整体有(mA＋mB)ω2r≤μ2(mA＋mB)g，代入数据解得ω≤eq \r(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eq \r(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＝eq \r(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。
4.如图所示，小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动，内侧管壁半径为R，管的内径略大于小球的半径r，则下列说法正确的是( )
A．小球通过最高点时的最小速度vmin＝eq \r(gR＋r)
B．小球通过最高点时的最小速度vmin＝eq \r(gR)
C．小球在水平线ab以下的管道中运动时，内侧管壁对小球一定无作用力
D．小球在水平线ab以上的管道中运动时，外侧管壁对小球一定有作用力
【解析】选C 小球通过最高点时，由于外侧管壁和内侧管壁都可以对小球产生弹力作用，当小球的速度等于零时，内侧管壁对小球产生弹力，大小为mg，故最小速度为零，故A、B错误。小球在水平线ab以下管道中运动时，由于沿半径方向的合力提供小球做圆周运动的向心力，所以外侧管壁对小球一定有作用力，而内侧管壁对小球一定无作用力，故C正确。小球在水平线ab以上管道中运动时，由于沿半径方向的合力提供小球做圆周运动的向心力，当速度较大时，内侧管壁对小球没有作用力，此时外侧管壁对小球有作用力；当速度较小时，内侧管壁对小球有作用力，故D错误。
5.长为L的轻杆，一端固定一个小球A，另一端固定在光滑的水平轴上，轻杆绕水平轴转动，使小球A在竖直面内做圆周运动，小球A在最高点的速度为v，下列叙述中正确的是( )
A．v的最小值为eq \r(gL)
B．v由零逐渐增大时，向心力也逐渐增大
C．当v由零逐渐增大时，杆对小球的弹力逐渐增大
D．当v由eq \r(gL)逐渐减小时，杆对小球的弹力逐渐减小
【解析】选B 小球在最高点的最小速度为零，此时重力大小等于杆的支持力，故A错误。在最高点，根据F向＝meq \f(v2,L)得，当v由零逐渐增大时，向心力也逐渐增大，故B正确。在最高点，当杆的作用力为零时，v＝eq \r(gL)，当v＞eq \r(gL)，杆提供拉力，有mg＋F＝meq \f(v2,L)，当v由eq \r(gL)逐渐增大时，杆对小球的弹力也逐渐增大，当0≤v＜eq \r(gL)时，杆提供支持力，有mg－F＝meq \f(v2,L)，当v由零逐渐增大到eq \r(gL)时，杆的弹力逐渐减小，反之当v由eq \r(gL)逐渐减小时，杆对小球的弹力逐渐增大，故C、D均错误。
6.如图所示，在水平转台上放一个质量M＝2.0 kg的木块，它与台面间的最大静摩擦力fm＝6.0 N，绳的一端系住木块，另一端穿过转台的中心孔O(孔光滑)悬吊一质量m＝1.0 kg的小球，当转台以ω＝5.0 rad/s的角速度匀速转动时，欲使木块相对转台静止，则木块到O孔的距离可能是(重力加速度g＝10 m/s2，木块、小球均视为质点)( )
A．16 cm B．5 cm
C．60 cm D．36 cm
【解析】选A 木块在水平面内转动时，水平转台对木块的支持力与木块自身重力相平衡，拉力与水平转台对木块的静摩擦力的合力提供木块做圆周运动的向心力。设木块到转台中心的距离为R，木块以角速度ω转动所需向心力为Mω2R，若Mω2R＝T＝mg，此时转台对木块的摩擦力为零。若R1>R，Mω2R1>mg，转台对木块的摩擦力方向沿转台半径指向中心，由牛顿第二定律得f1＋mg＝Mω2R1，当f1＝fm时，R1最大。所以，木块到转台中心的最大距离为R1＝eq \f(fm＋mg,Mω2)＝eq \f(6＋10,2×52) m＝0.32 m；若R27.如图所示，长度均为L的两根轻绳，一端共同系住质量为m的小球，另一端分别固定在等高的A、B两点，A、B两点间的距离也为L。重力加速度大小为g。今使小球在竖直面内以AB为轴做圆周运动，若小球在最高点的速率为v时，两根绳的拉力恰好均为零，则小球在最高点的速率为2v时，每根绳的拉力大小为( )
A.eq \r(3)mg B.eq \f(4,3)eq \r(3)mg
C．3mg D．2eq \r(3)mg
【解析】选A 当小球在最高点的速率为v时，有mg＝meq \f(v2,R)，其中R＝eq \f(\r(3),2)L；当小球在最高点的速率为2v时，有F＋mg＝meq \f(2v2,R)，解得两绳拉力的合力F＝3mg，由几何知识得FT＝eq \r(3)mg，故A正确。
8.如图所示，在匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向放着用细线相连的质量相等的两个物体A和B，它们与圆盘间的动摩擦因数相同，当圆盘转速加快到两个物体刚要发生滑动时，烧断细线，两个物体的运动情况是( )
A．两物体沿切线方向滑动
B．两物体沿半径方向滑动，离圆盘圆心越来越远
C．两物体仍随圆盘一起做圆周运动，不发生滑动
D．物体A仍随圆盘一起做匀速圆周运动，物体B发生滑动，离圆盘圆心越来越远
【解析】选D 当圆盘转速加快到两物体刚要发生滑动时，物体B所受细线指向圆心的拉力与圆盘指向圆心的最大静摩擦力的合力提供其做匀速圆周运动的向心力，烧断细线后，B所受最大静摩擦力不足以提供其做圆周运动所需要的向心力，B将做离心运动。烧断细线前，物体A所受细线背离圆心方向的拉力和圆盘指向圆心方向的最大静摩擦力的合力提供其做匀速圆周运动的向心力，则烧断细线后，可知A所需要的向心力小于A受到的最大静摩擦力，所以A仍保持相对圆盘静止状态，随圆盘一起做匀速圆周运动，故A、B、C错误，D正确。
9.某人将一个蒸笼屉握在手中，并在内侧边缘放置一个装有水的杯子，抡起手臂让蒸笼屉连同水杯在竖直面内一起转动起来，水却没有洒出来。如图所示，已知蒸笼屉的半径为15 cm，人手臂的长度为60 cm，杯子的质量m1＝0.3 kg，杯中水的质量m2＝0.2 kg，转动时可认为圆心在人的肩膀处，不考虑水杯的大小，g取10 m/s2。
(1)若要保证在最高点水不流出来，求水杯通过最高点的最小速率v0；
(2)若在最高点水杯的速率为v1＝4 m/s，求此时水对杯底的压力。
【解析】(1)水杯和水的转动半径R＝0.9 m，在最高点，取水和水杯作为研究对象，速率最小时有mg＝meq \f(v02,R)，
解得v0＝3 m/s。
(2)取水为研究对象，有m2g＋FN＝m2eq \f(v12,R)，
解得FN≈1.56 N，方向向下，
由牛顿第三定律知，水对杯底的压力为1.56 N，方向向上。
10.如图所示，置于圆形水平转台边缘的小物块随转台加速转动，当转速达到某一数值时，物块恰好滑离转台开始做平抛运动。现测得转台半径R＝0.5 m，离水平地面的高度H＝0.8 m，物块平抛落地过程水平位移的大小s＝0.4 m。设物块所受的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取重力加速度g＝10 m/s2。求：
(1)物块做平抛运动的初速度大小v0；
(2)物块与转台间的动摩擦因数μ。
【解析】(1)物块做平抛运动，在竖直方向上有
H＝eq \f(1,2)gt2①
在水平方向上有
s＝v0t②
由①②式解得v0＝seq \r(\f(g,2H))
代入数据得v0＝1 m/s。
(2)物块离开转台时，最大静摩擦力提供向心力，有
fmax＝meq \f(v02,R)④
fmax＝μFN＝μmg⑤
由④⑤式得μ＝eq \f(v02,gR)，
代入数据得μ＝0.2。
(1)A的速率为1 m/s。
(2)A的速率为4 m/s。
【解析】 设轻杆转到最高点，轻杆对A的作用力恰好为0时，A的速度为v0，由mg＝meq \f(v02,L)，
得v0＝eq \r(gL)＝eq \r(5) m/s。
(1)当A的速率v1＝1 m/s＜v0时，
轻杆对A有支持力，由牛顿第二定律得
mg－F1＝meq \f(v12,L)
解得F1＝mg－meq \f(v12,L)＝16 N，
由牛顿第三定律得
A对轻杆的压力F1′＝F1＝16 N，方向竖直向下。
(2)当A的速率v2＝4 m/s＞v0时，
轻杆对A有拉力，由牛顿第二定律得mg＋F2＝meq \f(v22,L)，解得F2＝meq \f(v22,L)－mg＝44 N，由牛顿第三定律得
A对轻杆的拉力F2′＝F2＝44 N，方向向上。
考点2：圆周运动的临界问题
如图所示，用一根长为l＝1 m的细线，一端系一质量为m＝1 kg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FT。(g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8，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？
【解析】(1)若要小球刚好离开锥面，则小球只受到重力
和细线的拉力，受力分析如图所示。小球做匀速圆周运动的轨迹圆在水平面上，故向心力水平，在水平方向运用牛顿第二定律及向心力公式得
mgtan θ＝mω02lsin θ
解得ω02＝eq \f(g,lcs θ)
即ω0＝eq \r(\f(g,lcs θ))＝eq \f(5,2)eq \r(2) rad/s。
(2)同理，当细线与竖直方向成60°角时，由牛顿第二定律及向心力公式得
mgtan α＝mω′2lsin α
解得ω′2＝eq \f(g,lcs α)
即ω′＝eq \r(\f(g,lcs α))＝2eq \r(5) rad/s。
考点针对训练
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.eq \r(2) rad/s
C.eq \r(3) rad/s D．3 rad/s
【解析】选B 对A有μ1mAg≥mAω2r，对A、B整体有(mA＋mB)ω2r≤μ2(mA＋mB)g，代入数据解得ω≤eq \r(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eq \r(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＝eq \r(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。
4.如图所示，小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动，内侧管壁半径为R，管的内径略大于小球的半径r，则下列说法正确的是( )
A．小球通过最高点时的最小速度vmin＝eq \r(gR＋r)
B．小球通过最高点时的最小速度vmin＝eq \r(gR)
C．小球在水平线ab以下的管道中运动时，内侧管壁对小球一定无作用力
D．小球在水平线ab以上的管道中运动时，外侧管壁对小球一定有作用力
【解析】选C 小球通过最高点时，由于外侧管壁和内侧管壁都可以对小球产生弹力作用，当小球的速度等于零时，内侧管壁对小球产生弹力，大小为mg，故最小速度为零，故A、B错误。小球在水平线ab以下管道中运动时，由于沿半径方向的合力提供小球做圆周运动的向心力，所以外侧管壁对小球一定有作用力，而内侧管壁对小球一定无作用力，故C正确。小球在水平线ab以上管道中运动时，由于沿半径方向的合力提供小球做圆周运动的向心力，当速度较大时，内侧管壁对小球没有作用力，此时外侧管壁对小球有作用力；当速度较小时，内侧管壁对小球有作用力，故D错误。
5.长为L的轻杆，一端固定一个小球A，另一端固定在光滑的水平轴上，轻杆绕水平轴转动，使小球A在竖直面内做圆周运动，小球A在最高点的速度为v，下列叙述中正确的是( )
A．v的最小值为eq \r(gL)
B．v由零逐渐增大时，向心力也逐渐增大
C．当v由零逐渐增大时，杆对小球的弹力逐渐增大
D．当v由eq \r(gL)逐渐减小时，杆对小球的弹力逐渐减小
【解析】选B 小球在最高点的最小速度为零，此时重力大小等于杆的支持力，故A错误。在最高点，根据F向＝meq \f(v2,L)得，当v由零逐渐增大时，向心力也逐渐增大，故B正确。在最高点，当杆的作用力为零时，v＝eq \r(gL)，当v＞eq \r(gL)，杆提供拉力，有mg＋F＝meq \f(v2,L)，当v由eq \r(gL)逐渐增大时，杆对小球的弹力也逐渐增大，当0≤v＜eq \r(gL)时，杆提供支持力，有mg－F＝meq \f(v2,L)，当v由零逐渐增大到eq \r(gL)时，杆的弹力逐渐减小，反之当v由eq \r(gL)逐渐减小时，杆对小球的弹力逐渐增大，故C、D均错误。
6.如图所示，在水平转台上放一个质量M＝2.0 kg的木块，它与台面间的最大静摩擦力fm＝6.0 N，绳的一端系住木块，另一端穿过转台的中心孔O(孔光滑)悬吊一质量m＝1.0 kg的小球，当转台以ω＝5.0 rad/s的角速度匀速转动时，欲使木块相对转台静止，则木块到O孔的距离可能是(重力加速度g＝10 m/s2，木块、小球均视为质点)( )
A．16 cm B．5 cm
C．60 cm D．36 cm
【解析】选A 木块在水平面内转动时，水平转台对木块的支持力与木块自身重力相平衡，拉力与水平转台对木块的静摩擦力的合力提供木块做圆周运动的向心力。设木块到转台中心的距离为R，木块以角速度ω转动所需向心力为Mω2R，若Mω2R＝T＝mg，此时转台对木块的摩擦力为零。若R1>R，Mω2R1>mg，转台对木块的摩擦力方向沿转台半径指向中心，由牛顿第二定律得f1＋mg＝Mω2R1，当f1＝fm时，R1最大。所以，木块到转台中心的最大距离为R1＝eq \f(fm＋mg,Mω2)＝eq \f(6＋10,2×52) m＝0.32 m；若R2
A.eq \r(3)mg B.eq \f(4,3)eq \r(3)mg
C．3mg D．2eq \r(3)mg
【解析】选A 当小球在最高点的速率为v时，有mg＝meq \f(v2,R)，其中R＝eq \f(\r(3),2)L；当小球在最高点的速率为2v时，有F＋mg＝meq \f(2v2,R)，解得两绳拉力的合力F＝3mg，由几何知识得FT＝eq \r(3)mg，故A正确。
8.如图所示，在匀速转动的水平圆盘上，沿半径方向放着用细线相连的质量相等的两个物体A和B，它们与圆盘间的动摩擦因数相同，当圆盘转速加快到两个物体刚要发生滑动时，烧断细线，两个物体的运动情况是( )
A．两物体沿切线方向滑动
B．两物体沿半径方向滑动，离圆盘圆心越来越远
C．两物体仍随圆盘一起做圆周运动，不发生滑动
D．物体A仍随圆盘一起做匀速圆周运动，物体B发生滑动，离圆盘圆心越来越远
【解析】选D 当圆盘转速加快到两物体刚要发生滑动时，物体B所受细线指向圆心的拉力与圆盘指向圆心的最大静摩擦力的合力提供其做匀速圆周运动的向心力，烧断细线后，B所受最大静摩擦力不足以提供其做圆周运动所需要的向心力，B将做离心运动。烧断细线前，物体A所受细线背离圆心方向的拉力和圆盘指向圆心方向的最大静摩擦力的合力提供其做匀速圆周运动的向心力，则烧断细线后，可知A所需要的向心力小于A受到的最大静摩擦力，所以A仍保持相对圆盘静止状态，随圆盘一起做匀速圆周运动，故A、B、C错误，D正确。
9.某人将一个蒸笼屉握在手中，并在内侧边缘放置一个装有水的杯子，抡起手臂让蒸笼屉连同水杯在竖直面内一起转动起来，水却没有洒出来。如图所示，已知蒸笼屉的半径为15 cm，人手臂的长度为60 cm，杯子的质量m1＝0.3 kg，杯中水的质量m2＝0.2 kg，转动时可认为圆心在人的肩膀处，不考虑水杯的大小，g取10 m/s2。
(1)若要保证在最高点水不流出来，求水杯通过最高点的最小速率v0；
(2)若在最高点水杯的速率为v1＝4 m/s，求此时水对杯底的压力。
【解析】(1)水杯和水的转动半径R＝0.9 m，在最高点，取水和水杯作为研究对象，速率最小时有mg＝meq \f(v02,R)，
解得v0＝3 m/s。
(2)取水为研究对象，有m2g＋FN＝m2eq \f(v12,R)，
解得FN≈1.56 N，方向向下，
由牛顿第三定律知，水对杯底的压力为1.56 N，方向向上。
10.如图所示，置于圆形水平转台边缘的小物块随转台加速转动，当转速达到某一数值时，物块恰好滑离转台开始做平抛运动。现测得转台半径R＝0.5 m，离水平地面的高度H＝0.8 m，物块平抛落地过程水平位移的大小s＝0.4 m。设物块所受的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取重力加速度g＝10 m/s2。求：
(1)物块做平抛运动的初速度大小v0；
(2)物块与转台间的动摩擦因数μ。
【解析】(1)物块做平抛运动，在竖直方向上有
H＝eq \f(1,2)gt2①
在水平方向上有
s＝v0t②
由①②式解得v0＝seq \r(\f(g,2H))
代入数据得v0＝1 m/s。
(2)物块离开转台时，最大静摩擦力提供向心力，有
fmax＝meq \f(v02,R)④
fmax＝μFN＝μmg⑤
由④⑤式得μ＝eq \f(v02,gR)，
代入数据得μ＝0.2。
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