小题精练08 圆周运动问题——2024年高考物理题型突破限时精练

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公式、知识点回顾（时间：5分钟）
一、圆周运动基本量
圆周运动各物理量间的关系
二、水平面的圆周运动
(1)圆锥摆的周期
如图摆长为L，摆线与竖直方向夹角为θ。
受力分析，由牛顿第二定律得：mgtanθ＝meq \f(4π2, T2)r r＝Lsinθ
解得T＝2πeq \r(\f(Lcsθ,g))＝2πeq \r(\f(h,g))。
(2)结论
①摆高h＝Lcsθ，周期T越小，圆锥摆转得越快，θ越大。
②摆线拉力F＝eq \f(mg,csθ)，圆锥摆转得越快，摆线拉力F越大。
③摆球的加速度a＝gtanθ。
（3）圆锥摆的两种变形
变形1：具有相同锥度角的圆锥摆(摆长不同)，如图甲所示。
由a＝gtanθ知A、B的向心加速度大小相等。由a＝ω2r知ωA<ωB，由a＝eq \f(v2,r)知vA>vB。

变形2：具有相同摆高、不同摆长和摆角的圆锥摆，如图乙所示。
由T＝2πeq \r(\f(h,g))知摆高h相同，则TA＝TB，ωA＝ωB，由v＝ωr知vA>vB，由a＝ω2r知aA>aB。
三、竖直面的圆周运动
1.在竖直平面内做圆周运动的物体，按运动到轨道最高点时的受力情况可分为两类：
一是无支撑(如球与绳连接、沿内轨道运动的物体等)，称为“绳(环)约束模型”；
二是有支撑(如球与杆连接、在弯管内的运动等)，称为“杆(管)约束模型”。
2．绳、杆模型涉及的临界问题
难度：★★★☆ 建议时间：30分钟 正确率： /15
（2023•浙江二模）如图所示是从高空拍摄的一张地形照片，河水沿着弯弯曲曲的河床做曲线运动。若在标注位置处的河水速度近似相等，则河床受力最大的是（ ）
A．A点B．B点C．C点D．D点
（2023•盐山县校级模拟）中国空间站的问天实验舱中配置了变重力科学实验柜，它为科学实验提供了0.01G～2G范围内的高精度模拟重力环境。变重力实验柜的主要装置是两套离心机（如图甲所示），离心机示意图如图乙所示，离心机旋转的过程中，实验载荷会对容器壁产生压力，这个压力的大小可以体现“模拟重力”的大小。根据上面资料结合所学知识，判断下列说法正确的是（ ）
A．实验样品的质量越大“模拟重力加速度”越大
B．离心机的转速变为原来的2倍，同一位置的“模拟重力加速度”也变为原来的2倍
C．实验样品所受“模拟重力”的方向指向离心机转轴中心
D．为防止两台离心机转速增加时对空间站的影响，两台离心机应按相反方向转动
（2023•沧州一模）如图甲所示为杂技演员正在表演“巧蹬方桌”。某一小段时间内，表演者让方桌在脚上飞速旋转，同时完成“抛”“接”“腾空”等动作技巧。演员所用方桌（如图乙所示）桌面abcd是边长为1m的正方形，桌子绕垂直于桌面的中心轴线OO'做匀速圆周运动，转速约为2r/s，某时刻演员用力将桌子竖直向上蹬出，桌子边水平旋转边向上运动，上升的最大高度约为0.8m。已知重力加速度g取10m/s2，则桌子离开演员脚的瞬间，桌角a点的速度大小约为（ ）
A．4m/sB．4πm/s
C．16+8π2m/sD．16+16π2m/s
（2023•阆中市校级模拟）如图为自行车气嘴灯及其结构图，弹簧一端固定在A端，另一端拴接重物，当车轮高速旋转时，重物由于离心运动拉伸弹簧后才使触点M、N接触，从而接通电路，LED灯就会发光。下列说法正确的是（ ）
A．气嘴灯做圆周运动时，重物受到重力、弹簧弹力和向心力
B．气嘴灯运动至最高点时处于超重状态
C．以相同转速匀速行驶时，重物质量越小，在最低点时LED灯越容易发光
D．以相同转速匀速行驶时，若LED灯转到最高点时能发光，则在最低点时也一定能发光
（2023•崇明区二模）如图为车库出入口采用的曲杆道闸，道闸由转动杆OP与横杆PQ链接而成，P、Q为横杆的两个端点。在道闸抬起过程中，杆PQ始终保持水平，则在抬起过程中P和Q两点（ ）
A．线速度相同，角速度相同
B．线速度相同，角速度不同
C．线速度不同，角速度相同
D．线速度不同，角速度不同
（2022•海淀区模拟）雨天在野外骑车时，在自行车的后轮轮胎上常会粘附一些泥巴，行驶时感觉很“沉重”。如果将自行车后轮撑起，使后轮离开地面而悬空，然后用手匀速摇脚踏板，使后轮飞速转动，泥巴就会被甩下来。如图所示，图中a、b、c、d为后轮轮胎边缘上的四个特殊位置，则（ ）
A．泥巴在图中a、c位置的向心加速度大于b、d位置的向心加速度
B．泥巴在图中的b、d位置时最容易被甩下来
C．泥巴在图中的c位置时最容易被甩下来
D．泥巴在图中的a位置时最容易被甩下来
（2024•安徽二模）如图所示，某同学设计了如下实验装置研究向心力，轻质套筒A和质量为1kg的小球B通过长度为L的轻杆及铰链连接，套筒A套在竖直杆OP上与原长为L的轻质弹簧连接，小球B可以沿水平槽滑动，让系统以某一角速度绕OP匀速转动，球B对水平槽恰好无压力，此时轻杆与竖直方向夹角θ＝37°。已知弹簧的劲度系数为100N/m，弹簧始终在弹性限度内，不计一切摩擦，sin37°＝0.6，则系统转动的角速度ω为（ ）
A．2rad/sB．2.5rad/sC．4rad/sD．5rad/s
（2023•绵阳模拟）如图，带车牌自动识别系统的直杆道闸，离地面高为1m的细直杆可绕O在竖直面内匀速转动。汽车从自动识别线ab处到达直杆处的时间为2.3s，自动识别系统的反应时间为0.3s；汽车可看成高1.6m的长方体，其左侧面底边在aa′直线上，且O到汽车左侧面的距离为0.6m，要使汽车安全通过道闸，直杆转动的角速度至少为（ ）
A．π6rad/sB．3π8rad/sC．π8rad/sD．π12rad/s
（2023•浙江模拟）高速离心机用于快速沉淀或分离物质。如图所示，水平试管固定在高速离心机上，离心机的转速为n，在水平试管中有质量为m的某固体颗粒，某时刻颗粒离转轴的距离为r。已知试管中充满液体，颗粒与试管内壁不接触。下列说法正确的是（ ）
A．颗粒运动的角速度为2πn
B．颗粒此时受到的合外力大小必为4π2mrn2
C．离转轴越远，分离沉淀效果越好
D．此款高速离心沉淀机，适用于任何颗粒，颗粒都会到试管底部沉淀
（2022秋•黄浦区期末）如图变速自行车有3个链轮和6个飞轮，链轮和飞轮的齿数如表所示。假设踏板的转速不变，通过选择不同的链轮和飞轮，该自行车行驶的最大速度与最小速度之比为（ ）
A．12：7B．2：1C．24：7D．16：5
（2023•湖北模拟）明朝的《天工开物》记载了我国古代劳动人民的智慧。如图所示，可转动的把手上a点到转轴的距离为2R，辘轳边缘b点到转轴的距离为R。甲转动把手，把井底的乙加速拉起来，则此过程中（ ）
A．绳对乙的拉力大于乙对绳的拉力
B．绳对乙的拉力做功大于乙克服重力做功
C．a点的角速度大于b点的角速度
D．a点的线速度小于b点的线速度
（2023•铁东区校级二模）如图所示，两根长度不同的细线分别系有1、2两个质量相同的小球，细线的上端都系于O点，细线长L1大于L2现使两个小球在同一水平面上做匀速圆周运动，下列说法中正确的有（ ）
A．球2运动的角速度大于球1的角速度
B．球1运动的线速度比球2大
C．球2所受的拉力比球1大
D．球2运动的加速度比球1大
（2023•青岛二模）如图，高速公路上一辆速度为90km/h的汽车紧贴超车道超车道的路基行驶。驾驶员在A点发现刹车失灵，短暂反应后，控制汽车通过图中两段弧长相等的圆弧从B点紧贴避险车道左侧驶入。已知汽车速率不变，A、B两点沿道路方向距离为105m，超车道和行车道宽度均为3.75m，应急车道宽度为2.5m，路面提供的最大静摩擦力是车重的0.5倍，汽车转弯时恰好不与路面发生相对滑动，重力加速度g＝10m/s2，估算驾驶员反应时间为（ ）
A．1.6sB．1.4sC．1.2sD．1.0s
（2023•东城区模拟）如图所示，两根长度相同的细线悬挂两个相同的小球，小球在水平面上做角速度相同的匀速圆周运动，已知两细线与竖直方向的夹角分别为α和β，设上下两根细线的拉力分别为T1、T2，则T1T2为（ ）
A．2csβcsαB．2csαcsβC．2sinαsinβD．2sinβsinα
（2023•锦州模拟）如图所示，物体A、B用细线连接，在同一高度做匀速圆周运动，圆心均为点O。在某时刻，细线同时断裂，两物体做平抛运动，同时落在水平面上的同一点。连接A、B的细线长度分别为10l、5l，A、B圆周运动的半径分别为6l、4l，则O点到水平面的高度为（忽略物体的大小和细线质量）（ ）
A．6lB．10lC．12lD．15l
绳模型
杆模型
常见
类型

均是没有支撑的小球

均是有支撑的小球
受力
特征
除重力外，物体受到的弹力向下或等于零
除重力外，物体受到的弹力向下、等于零或向上
受力
示意图


过最高
点的临
界条件
由mg＝meq \f(v2,r)得v临＝eq \r(gr)
由小球恰能做圆周运动得v临＝0
讨论
分析
(1)过最高点时，v≥eq \r(gr)，FN＋mg＝meq \f(v2,r)，绳、圆轨道对球产生弹力FN
(2)不能过最高点时，v(1)当v＝0时，FN＝mg，FN为支持力，沿半径背离圆心
(2)当0(3)当v＝eq \r(gr)时，FN＝0
(4)当v>eq \r(gr)时，FN＋mg＝meq \f(v2,r)，FN指向圆心，并随v的增大而增大
【例题】（2023春•广安区校级期中）如图甲所示，轻杆的一端固定一小球（视为质点），另一端套在光滑的水平轴O上，O轴的正上方有一速度传感器，可以测量小球通过最高点时的速度大小v；O轴处有力传感器，可以测量小球通过最高点时O轴受到杆的作用力F，若竖直向下为力的正方向，小球在最低点时给不同的初速度，得到F﹣v2图象如图乙所示，取g＝10m/s2，则（ ）
A．O轴到球心间的距离为0.5m
B．小球的质量为3kg
C．小球恰好通过最高点时的速度大小为5m/s
D．小球在最低点的初速度大小为15m/s时通过最高点时杆不受球的作用力
名称
链轮
飞轮
齿数
48
38
28
14
16
18
22
24
28