新高考物理一轮复习考点培优讲与练第4章第21课时　专题强化：圆周运动的临界问题（2份，原卷版+解析版）

这是一份新高考物理一轮复习考点培优讲与练第4章第21课时　专题强化：圆周运动的临界问题（2份，原卷版+解析版），共16页。
【考情分析·探规律】
【知识梳理】
考点一 水平面内圆周运动的临界问题
1.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。
(1)如果只是摩擦力提供向心力，则最大静摩擦力Ffm＝mv2r，静摩擦力的方向一定指向圆心。
(2)如果除摩擦力以外还有其他力，如绳两端连接物体随水平面转动，其中一个物体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。
2.与弹力有关的临界极值问题
(1)两个接触物体分离的临界条件是物体间的弹力恰好为零。
(2)绳上拉力的临界条件是绳恰好拉直且无弹力或绳上拉力恰好为最大承受力。
【小试牛刀】
【典例】1.(2024·江苏卷·8)生产陶瓷的工作台匀速转动，台面上掉有陶屑，陶屑与台面间的动摩擦因数处处相同(台面足够大)，则( )
A.越靠近台面边缘的陶屑质量越大
B.越靠近台面边缘的陶屑质量越小
C.陶屑只能分布在圆台边缘
D.陶屑只能分布在某一半径的圆内
【典例】2.(多选)如图所示，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。木块与圆盘间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，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，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＝kg2l是b开始滑动的临界角速度
D.当ω＝2kg3l时，a所受摩擦力的大小为kmg
【典例】3.(多选)(2024·山东临沂市质检)质量为m的小球(视为质点)由轻绳a和b分别系于一轻质细杆的A点和B点，如图所示，当轻杆绕轴以角速度ω匀速转动时，a绳与水平方向成θ角，b绳在水平方向上且长为l。重力加速度为g，下列说法正确的是( )
A.a绳的弹力随角速度的增大而增大
B.当角速度ω>gltanθ时，b绳中产生弹力
C.当b绳中产生弹力后，角速度再增大时a绳的弹力不变
D.当b绳突然被剪断时，a绳的弹力一定发生变化
考点二 竖直面内圆周运动的临界问题
1.竖直面内圆周运动一般为变速圆周运动，故除最高点和最低点(或等效最高点和等效最低点)合外力指向圆心，其他位置合外力不指向圆心。
2.在变速圆周运动中，只需要把合外力沿圆心方向和速度方向正交分解，指向圆心的分力提供向心力，只改变速度的方向，沿切线方向的合力改变速度的大小。
3.只有重力做功的竖直面内的变速圆周运动机械能守恒，有其他力参与做功的可用动能定理或能量守恒解题。
4.竖直面内圆周运动的两类模型
【小试牛刀】
【典例】1.(多选)(2025·山东德州市校考)如图所示，一质量为m＝0.5 kg的小球(可视为质点)，用长为0.4 m的轻绳拴着在竖直平面内做圆周运动，重力加速度g取10 m/s2，下列说法正确的是( )
A.小球要做完整的圆周运动，在最高点的速度至少为2 m/s
B.当小球在最高点的速度为4 m/s时，轻绳拉力大小为15 N
C.若轻绳能承受的最大张力为45 N，小球的最大速度不能超过42 m/s
D.若轻绳能承受的最大张力为45 N，小球的最大速度不能超过4 m/s
【典例】2.(多选)(2025·山东烟台市校考)如图所示，小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动，小球直径略小于管道的尺寸，内侧壁半径为R，小球半径为r，重力加速度为g，则下列说法正确的是( )
A.小球通过最高点时的最小速度vmin＝g(R＋r)
B.小球通过最高点时的最小速度vmin＝0
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
考点三 斜面上圆周运动的临界问题
物体在斜面上做圆周运动时，设斜面的倾角为θ，重力垂直斜面的分力与物体受到的支持力大小相等。
物体在转动过程中，最容易滑动的位置是最低点，恰好滑动时：μmgcs θ－mgsin θ＝mω2R。
【小试牛刀】
【典例】1.(2024·山东青岛市期中)如图所示，一倾斜圆盘可绕通过圆心、垂直于盘面的固定轴以不同的角速度匀速转动，盘面上距离转轴l＝5 cm处有一可视为质点的物块在圆盘上且始终与圆盘保持相对静止。已知物块与盘面间的动摩擦因数为32，盘面与水平面间的夹角θ＝30°，重力加速度大小g取10 m/s2，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，下列说法正确的是( )
A.若圆盘角速度逐渐增大，物块会在最高点发生相对滑动
B.圆盘转动时角速度可能为53 rad/s
C.物块运动到最高点时所受摩擦力方向一定背离圆心
D.物块运动到与圆盘圆心等高点时，摩擦力的方向垂直于物体和圆盘圆心的连线
【限时训练】（限时：60分钟）
【基础必刷题】1~7题每小题5分，共35分
1.(2024·山东临沂市质检)如图甲，滚筒洗衣机脱水时，滚筒上有很多漏水孔，滚筒转动时，附着在潮湿衣服上的水从漏水孔中被甩出，达到脱水的目的，衣服紧贴着滚筒壁在竖直平面内做顺时针的匀速圆周运动。如图乙，一件可视为质点的小衣服，a、b分别为小衣服经过的最高位置和最低位置。下列说法正确的是( )
A.衣服紧贴着滚筒做匀变速曲线运动
B.衣服转到b位置时衣服上水珠的脱水效果比a位置好
C.不论滚筒转速多大，衣服都不会离开滚筒壁
D.衣服在a位置受到滚筒壁的支持力比在b位置的大
2.港珠澳大桥总长约55 km，是世界上总体跨度最长、钢结构桥体最长、海底沉管隧道最长的路海大桥，设计时速100 km/h。如图所示，该路段是港珠澳大桥的一段半径r＝150 m的圆弧形弯道，总质量m＝1 800 kg的汽车通过该圆弧形弯道时以速度v大小为90 km/h做匀速圆周运动(汽车可视为质点，路面视为水平且不考虑车道的宽度)。已知路面与汽车轮胎间的径向最大静摩擦力为汽车所受重力的34，重力加速度g取10 m/s2，则( )
A.汽车过该弯道时受到重力、支持力、摩擦力、牵引力和向心力
B.汽车过该弯道时所受径向静摩擦力大小为4 000 N
C.汽车过该弯道时的向心加速度大小为4 m/s2
D.汽车能安全通过该弯道的最大速度为155 m/s
3.如图所示，当汽车通过拱桥顶点的速度为10 m/s时，汽车对桥顶的压力为车重力的34，如果要使汽车在粗糙的桥面经过桥顶时，恰好不受摩擦力作用，则汽车通过桥顶的速度应为( )
A.15 m/sB.20 m/sC.25 m/sD.30 m/s
4.(来自教材改编)如图所示，半径为R的半球形陶罐，固定在水平转台上，转台竖直转轴与过陶罐球心O的对称轴OO'重合。当转台匀速转动时，观察到陶罐内壁上质量为m的小物块随陶罐一起转动且相对罐壁静止，它和O点的连线与OO'的夹角θ＝60°。重力加速度大小为g。下列判断正确的是( )
A.转台的角速度一定等于2gR
B.物块的线速度大小可能等于3gR2
C.物块所受合力的大小一定等于3mg
D.陶罐壁对物块弹力的大小一定等于2mg
5.(2025·山东青岛市校考)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(均可视为质点)，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，重力加速度为g，则球B在最高点时( )
A.球B的速度为零
B.球A的速度大小为2gL
C.水平转轴对杆的作用力为1.5mg
D.水平转轴对杆的作用力为2.5mg
6.如图所示，叠放在水平转台上的物体A、B及物体C能随转台一起以角速度ω匀速转动，A、B、C的质量分别为3m、2m、m，A与B、B和C与转台间的动摩擦因数都为μ，A和B、C离转台中心的距离分别为r和1.5r。最大静摩擦力等于滑动摩擦力，物体A、B、C均可视为质点，重力加速度为g，下列说法正确的是( )
A.B对A的摩擦力一定为3μmg
B.B对A的摩擦力一定为3mω2r
C.转台的角速度需要满足ω≤μgr
D.若转台的角速度逐渐增大，最先滑动的是A物体
7.(多选)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v2的关系如图乙所示，重力加速度为g，下列判断正确的是( )
A.图像函数表达式为F＝mv2l＋mg
B.重力加速度g＝bl
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，b值不变
【巩固必刷题】8~10题每小题6分，共18分
8.(2025·山东潍坊市模拟)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(可视为质点)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°，重力加速度g取10 m/s2，则ω的最小值是( )
A.1 rad/sB.303 rad/s
C.10 rad/sD.5 rad/s
9.如图所示，在水平圆盘上，沿半径方向放置物体A和B，mA＝4 kg，mB＝1 kg，它们分居在圆心两侧，与圆心距离为rA＝0.1 m，rB＝0.2 m，中间用水平细线相连，A、B与圆盘间的动摩擦因数均为μ＝0.2，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，若圆盘从静止开始绕中心转轴非常缓慢地加速转动，重力加速度g取10 m/s2，以下说法正确的是( )
A.A的摩擦力先达到最大
B.当ω1＝25 rad/s，细线开始出现张力
C.当ω1＝30 rad/s，A、B两物体出现相对圆盘滑动
D.当ω1＝52 rad/s，A、B两物体出现相对圆盘滑动
10.(多选)如图所示，半径R＝3l的光滑圆筒竖直固定，长度为5l的轻绳，一端固定在圆筒轴线上一点，另一端悬挂可视为质点、质量为m的小球。现使小球在水平面内做匀速圆周运动，小球始终在圆筒内，重力加速度为g。下列说法正确的是( )
A.小球角速度越大，轻绳的拉力越大
B.小球角速度ω＝gl时，轻绳的拉力为5mg
C.小球角速度ω＝2g9l时，小球受两个力的作用
D.小球角速度ω＝g2l时，筒壁与小球之间作用力大小为34mg
【尖子拔高题】 (7分)
11.(多选)如图所示，竖直平面内有一半径为R＝0.35 m且内壁光滑的圆形轨道，轨道底端与光滑水平面相切，一小球(可视为质点)以大小为3.5 m/s的初速度v0进入轨道，重力加速度g取10 m/s2，则( )
A.小球不会脱离圆轨道
B.小球会脱离圆轨道
C.小球脱离圆轨道时的速度大小为72 m/s
D.小球脱离圆轨道的位置与圆心的连线和水平方向间的夹角为30°
圆周运动的临界问题
2024·广东卷·T5、2024·甘肃卷·T8、2024·黑吉辽卷·T2、
2023·江苏卷·T13、2023·全国甲卷·T17、2023·北京卷·T10、
2022全国甲卷T14、2022河北卷T10、2022辽宁卷T13、
2022北京卷T8
试
题
情
境
生活实践类
生活中的抛体运动，自行车、汽车、火车转弯等动力学及临界问题，水流星，体育运动中的圆周运动问题
学习探究类
小船渡河模型，绳、杆速度分解模型，与斜面或圆弧面有关的平抛运动，圆周运动的传动问题，圆锥摆模型，水平面内、竖直面内圆周运动的临界问题，圆周运动中的轻绳、轻杆模型
轻绳模型
轻杆模型
常见类型
小球最高点没有支撑
小球最高点有支撑
最高点受力特征
除重力外，物体受到的弹力方向：向下或等于零
除重力外，物体受到的弹力方向：向下、等于零或向上
最高点受力示意图
动力学方程
mg＋F弹＝mv2R
mg±F弹＝mv2R
临界特征
F弹＝0
mg＝mvmin2R
即vmin＝gR
①恰好过最高点，v＝0，F弹＝mg
②恰好无弹力，F弹＝0，v＝gR
过最高点的条件
在最高点的速度
v≥gR
v≥0