向心力(学案)

5.7向心力（学案）一、学习目标1.知道什么是向心力，理解它是一种效果力2.知道向心力大小与哪些因素有关。理解公式的确切含义，并能用来进行计算3.结合向心力理解向心加速度4.理解变速圆周运动中合外力与向心力的关系二、课前预习1、本节主要学习向心力概念、向心力的大小和方向，以及变速圆周运动特点、一般曲线运动及其研究方法等。其中，向心力概念，向心力的大小和方向是本节重点，变速圆周运动特点及研究方法则是本节难点。2、向心力，向心力是产生的原因，它使物体速度的不断改变，但不能改变速度的。向心力是按命名的力，它可由重力、弹力、摩擦力等提供，也可以是这些力的合力或它们的分力来提供。向心力大小的计算公式。3、力与运动的关系①力与速度同一直线，力只改变速度，不改变速度。②力与速度垂直，力只改变速度，不改变速度。③力与速度成其它任意角度，。4、用圆锥摆粗略验证向心力的表达式①、实验器材有哪些？②、简述实验原理（怎样达到验证的目的）③、实验过程中要注意什么？测量那些物理量（记录哪些数据）？④、实验过程中差生误差的原因主要有哪些？5、当物体沿圆周运动，不仅速度方向不断变化，其大小也在不断变化，这样的圆周运动称为变速圆周运动。物体做变速圆周运动的原因是所受合外力的方向不是始终指向圆心，这时合外力的作用效果是：使物体产生向心加速度的同时，产生切向加速度。匀速圆周运动可看作变速圆周运动的一个特例。6、一般曲线运动及研究方法：运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动，可称为一般曲线运动。研究时，可将曲线分割为许多极短的小段，每一段均可看作圆弧，这样即可采用圆周运动的分析方法进行处理了。三、经典例题例1、分析下面各种匀速圆周运动中向心力是由哪些力提供？①玻璃球沿碗（透明）的内壁在水平面内运动；或者漏斗里的运动，如图。（不计摩擦）②圆锥摆运动：细线下面悬挂一钢球，细线上端固定，设法使小球在水平面面上做圆周运动。例2如图所示，小物体A与圆盘保持相对静止，跟着圆盘一起作匀速圆周运动，则A的受力情况是（）A、受重力、支持力B、受重力、支持力和指向圆心的摩擦力C、重力、支持力、向心力、摩擦力D、以上均不正确例3、一辆汽车在水平公路上转弯，沿曲线由M向N行驶，速度逐渐减小。图甲、乙、丙、丁分别画出了汽车转弯时所受合力F的四种方向，你认为正确的是哪一个？例4、如图所示，长0.40m的细绳，一端拴一质量为0.2kg的小球，在光滑水平面上绕绳的N。N。M乙FMN。丙FMN。丁F另一端做匀速圆周运动，若运动的角速度为5.0rad/s，求绳对小球需施多大拉力？例5、如图，小球在关于O点对称的AB两点间摆动，最高点时与竖直方向夹角为30°，则（1）小球做圆周运动的向心力由哪些力提供？（2）若摆线的长度L=32m，小球质量为m，小球在最低点O的速度为smg/,求小球在O点时绳子拉力多大？小球在B点时绳子拉力多大、例6、质量分别为M和m的两个小球，分别用长2l和l的轻绳拴在同一转轴上，当转轴稳定转动时，拴M和m的悬线与竖直方向夹角分别为和，如图所示，则（）A．2coscosB．cos2cosC．2tantanD．tantan例7、如图所示，半径为R的圆筒绕轴以角速度ω匀速转动，物体m与圆筒壁的动摩擦因数ABOmMαβ２ll为μ，设滑MAXff，为使m不下滑，ω至少为多大？四、巩固练习1、如图所示，将一质量为m的摆球用长为L的细绳吊起，上端固定，使摆球在水平面内做匀速圆周运动，细绳就会沿圆锥面旋转，这样就构成了一个圆锥摆，则关于摆球A的受力情况，下列说法中正确的是（）A．摆球受重力、拉力和向心力的作用B．摆球受拉力和向心力的作用C．摆球受重力和拉力的作用D．摆球受重力和向心力的作用2、如图所示，一个内壁光滑的圆锥形筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相等的小球A和B紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动，则以下说法中正确的是（）A．A球的线速度必定大于B球的线速度B．A球的角速度必定小于B球的线速度C．A球的运动周期必定小于B球的运动周期D．A球对筒壁的压力必定大于B球对筒壁的压力3、如图所示，细绳的一端固定于O点，另一端系一个小球，在O点的正下方钉一个钉子A。让小球从一定高度摆下，经验告诉我们，当细绳与钉子相碰时，如果钉子的位置越靠近ωＲLmθABθ小球，绳就越容易断。请用圆周运动的知识加以论证。4、如图，已知绳长a＝0.2m，水平杆长b＝0.1m，小球质量m＝0.3kg，整个装置可绕竖直轴转动。（1）要使绳子与竖直方向成450角，试求该装置必须以多大的角速度旋转？（2）此时绳子对小球的拉力为多大？5、如图所示，被长为L的细线OB系住的小球处于静止状态，把水平线OA剪断的瞬间小球的加速度大小。。6、如图所示，半径为R的半球形碗内，有一个具有一定质量的物体A，A与碗壁间的动摩擦因数为，当碗绕竖直轴匀速转动时，物体A刚好能紧贴在碗口附近随碗一起匀速转动而不发生相对滑动，求碗转动的角速度．AO。ABOαθωrab7、如图所示，在光滑的水平面上钉两个钉子A和B，相距20cm.用一根长1m的细绳，一端系一个质量为0.5kg的小球，另一端固定在钉子A上.开始时球与钉子A、B在一直线上，然后使小球以2m/s的速率开始在水平面内做匀速圆周运动.若绳子能承受的最大拉力为4N，那么从开始到绳断所经历的时间是多少?8、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.参考答案1、【答案】:C【解析】：我们在进行受力分析时，“物体受到哪几个力的作用”中的力是指按照性质命名的力，显然，物体只受重力G和拉力FT的作用，而向心力F是重力和拉力的合力，如图所示。也可以认为向心力就是FT沿水平方向的分力FT2，显然，FT沿竖直方向的分力FT1与重力G平衡。所以，本题正确选项为C。2、【答案】:AB【解析】：小球A和B的受力情况如图所示，由图可知，两球的向心力都来源于重力G和支持力FN的合力，建立如图所示的坐标系，则有：FN1＝FNsinθ＝mgFN2＝FNcosθ＝F所以F＝mgcotθ。也就是说FN在指向圆心方向的分力即合力F＝mgcotθ提供小球做圆周运动所需的向心力，可见A、B两球受力情况完全一样，当然向心力肯定也大小相等。由于前提是两球的向心力一样，所以比较时就好比较了比较两者线速度大小时，由F＝mv2r可知：r越大，v一定较大，因此选项A正确。比较两者角速度大小时，由F＝mrω2可知：r越大，ω一定较小，因此选项B正确。比较两者的运动周期时，由F＝mr（2πT）2可知：r越大，T一定较大，因此选项C不正确。由受力分析图可知，小球A和B受到的支持力FN都等于mgsinθ，因此选项D不正确。3、【解析】：在绳子与钉子相碰的瞬间，速度大小不变，但小球从大半径的圆周运动突变到小半径的圆周运动，所以由于v不变，根据公式mgrmvFrVmmgF22-＝知：r越小，F越大，故绳越易断。4、【答案】:ω＝6.4（rad/s），F=2.77N【解析】：以小球为研究对象，其圆周运动的圆心在竖直轴上。mθGOFFTFT1FT21ABθmgFNFN1FN2x半径r=b+acos450=0.24(m)小球受重力和绳子拉力F，以竖直方向和指向圆心方向建立直角坐标系，则有：Fcos450–mg＝0（1）Fsin450＝mω2r（2）由（1）（2）解得：ω＝6.4（rad/s），F=2.77N5、【答案】:sing【解析】：剪断的瞬间，OA绳子的拉力瞬间消失，小球将开始由静止做圆周运动，由于开始速度为0，所以向心力为0，即绳子拉力等于cosmg,合加速度为切向加速度sing6、【答案】:【解析】：物体A随碗一起转动而不发生相对滑动，放物体做匀速圆周运动的角速度就等于碗转动的角速度。因为物体A在碗口附近，所以可以认为物体在水平面内做圆周运动，则物体A做匀速圆周运动所需的向心力是由碗壁对物体的弹力提供，此时物体所受的摩擦力与重力平衡。解：物体A做匀速圆周运动，向心力：而摩擦力与重力平衡，则有：即：由以上两式可得：即碗匀速转动的角速度为：7、【答案】:3.768s【解析】：球每转半圈，绳子就碰到不作为圆心的另一颗钉子，然后再以这颗钉子为圆心做匀速圆周运动，运动的半径就减少0.2m，但速度大小不变（因为绳对球的拉力只改变球的速度方向）.根据F＝mv2／r知，绳每一次碰钉子后，绳的拉力（向心力）都要增大，当绳的拉力增大到Fmax＝4N时，球做匀速圆周运动的半径为rmin，则有Fmax＝mv2／rminrmin＝mv2／Fmax＝（0.5×22／4）m＝0.5m.绳第二次碰钉子后半径减为0.6m，第三次碰钉子后半径减为0.4m.所以绳子在第三次碰到钉子后被拉断，在这之前球运动的时间为：t＝t1＋t2＋t3＝πl／v＋π（l－0.2）／v＋π（l－0.4）／v＝（3l－0.6）·π／v＝（3×1－0.6）×3.14／2s＝3.768s答案3.768s说明需注意绳碰钉子的瞬间，绳的拉力和速度方向仍然垂直，球的速度大小不变，而绳的拉力随半径的突然减小而突然增大.8、【答案】:rg/)1(≤ω≤rg/)1(【解析】：若要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＋Fm′＝mω12r①由于B静止，故F＝mg②由于最大静摩擦力是压力的μ倍，即Fm′＝μFN＝μmg③由①、②、③解得ω1＝rg/)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：F－Fm′＝mω22r④由②、③、④得ω2＝rg/)1(.要使A随盘一起转动，其角速度ω应满足rg/)1(≤ω≤rg/)1(