水平面的圆盘模型史上最全版

-1-水平面的圆盘模型史上最全版模型概述：水平方向上的“圆盘”模型大多围绕着物体与圆盘间的最大静摩擦力为中心展开的，因此最大静摩擦力的判断对物体临界状态起着关键性的作用。静摩擦力通常属于被动力，应根据物体所受主动力的情况以及其运动状态判断物体的静摩擦力的大小，如果物体受到的静摩擦力已经达到最大静摩擦力，则应考虑物体是否还受到其他力的作用。模型讲解：1.单个物体置于水平圆盘上如图所示，水平圆盘上放有质量为m的物块A（可视为质点），物块A到转轴的距离为r。物块A和圆盘间最大静摩擦力fm等于滑动摩擦力，动摩擦因数为μ。当圆盘以角速度ω转动时：(1)若物体与圆盘无相对滑动，则物体随圆盘一起做匀速圆周运动的向心力全部由静摩擦力提供，所以有mgfrmfm2，解得rg。(2)当rg时，mgfrmFmn2，物体所受静摩擦力不足以提供其做圆周运动的向心力，物体将从圆周与切线的夹角范围内飞出。(3)若在物体A与转轴间有一不可伸长的细线相连，一开始绳子只是拉直，没有张力。设线对物体的拉力为T，当rg时，静摩擦力提供向心力，0T；当rg时，必有rmTmg2，所以必有0T，物体必受到指向圆心O点的细线的拉力，而且当ω增大时，T也随之增大。若此时剪断细线，物体将从圆周与切线的夹角范围内飞出。-2-2.两个物体叠放在水平圆盘上如图所示，质量为m1的物体A叠放在质量为m2的物体B上，A与B、B与圆盘的动摩擦因数分别为μ1和μ2。最大静摩擦力等于滑动摩擦力。当圆盘以角速度ω转动时，分别对B和A受力分析可知：（1）若21，当rg1时，A与B、B与圆盘无相对滑动；当rg1时，物体A将从圆周与切线的夹角范围内飞出，此时B受到圆盘的静摩擦力由rmmfB221突变为rmfB22；当rg2时，B也将从圆周与切线的夹角范围内飞出；若将B与转轴用细线连接，当rg2时，细线将对B产生拉力T，且当ω增大时，T也增大；若将A与转轴用细线连接，当rg1时，细线将对A产生拉力T，然后，对A有：rmgmT2111，对B有：rmgmfB2211，所以当ω增大时，T和Bf也增大，当Bf达到最大时，A受到B的摩擦力Af将逐渐减小到0，然后反向增大，当Af再次达到最大时，B将飞出。（2）若21，当rg2，A与B、B与圆盘无相对滑动；当rg2时，B、A将一起从圆周与切线的夹角范围内飞出；若将B与转轴用细线连接，当rg2时，细线将对B产生拉力T；当rg1时，A将从圆周与切线的夹角范围内飞出，此时B受到圆盘的静摩擦力由gmmfB212突变为gmfB22，细线对B的拉力将由-3-gmmT2121突变为gmT221，然后再随ω的增大而增大；若将A与转轴用细线连接，当rg2时，细线将对A产生拉力T，然后，对A有：rmfTA21，对B有：rmfgmmA22212，所以当ω增大时，T也增大，而Af将逐渐减小到0，然后反向增大，当Af达到最大时，B将飞出。总结：当有细绳与A相连时，在ω增大的过程中，当某个物体受到的摩擦力达到最大时，细绳将产生拉力T。当B受到圆盘的摩擦力Bf达到最大时，A、B间的摩擦力Af将逐渐减小到0，然后反向增大，此过程中Bf将保持最大保不变。当Af反向增加到最大时，B将从A与圆盘中间飞出。阶段12321Af从0增大到最大值保持最大值不变开始逐渐减小到0，然后反向增加到最大值Bf从0增大到某个值继续增大到最大值保持最大值不变，直到B飞出T0从0开始增大21Af从0增大到某个值开始逐渐减小到0，然后反向增加到最大值Bf从0增大到最大值保持最大值不变，直到B飞出T0从0开始增大当两个物体分别放置在圆盘上，或再在物体上叠放一个物体，可以综合利用上述两种模型进行分析。3.两个物体分别放在圆盘转轴的两侧，且用细线相连如图所示，质量为m1的物体A和质量为m2的物体B分别放置在圆盘转轴的两侧，并用细线连接，细线正好经过转轴且刚好被拉直,物体A和物体B与圆盘的动摩擦因数都为μ,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。当圆盘以角速度ω转动时:-4-对A，有121rmTfA,gmfA1；对B，有222rmTfB，gmfB2。（1）若rrr21，当rg时，0T，Af和Bf随ω增大而同时增大到最大值。当rg时，对A有：rmTfA21，对B有：rmTfB22，两式相减可得：rmmffBA221，所以：①若21mm，Af和Bf将保持最大值不变，T将随ω增大而增大，物体A、B将与圆盘保持相对静止直到绳断为止。②若21mm，此时Af已经达到最大值，所以Bf将逐渐减小到0，然后反向增加到最大值，然后物体A、B将一起从A侧飞出。整个过程中，T从0一直增大。（2）若21rr，Af先达到最大值。当1rg时，0T。当1rg时，对A有：121rmTfA；对B有：222rmTfB，两式相减可得22211rmrmffBA，此时可得以下几种情况：①2211rmrm：Af和Bf将保持不变，而T随ω增大而增大，直到绳断为止。②2211rmrm：因为此时Af已经达到最大值，所以Af将保持不变，Bf将随ω增大而逐渐减小到0，然后反向增加到最大值，然后物体A、B将一起从A侧飞出。整个过程中，T从0一直增大。③当2211rmrm：因为此时Af已经达到最大值，所以Af将保持不变，Bf将继续增加到最大值，然后Af开始从最大值逐渐减小到0，然后反向增加到最大值，然后物体A、B将一起从B侧飞出。整个过程中，Bf达到最大值后将一直保持不变直到飞出，T从0一直增大。总结：①物体受到的摩擦力随ω增加而增大，具距离转轴较大一侧的物体摩擦力先达到-5-最大，若距离相等，则同时达到最大。②如果2211rmrm，则整个过程中两物体将一直与圆盘保持相对静止直到绳被拉断。③如果2211rmrm，则较小一侧摩擦力将会增大到一定值，等到较大侧达到最大时开始逐渐减小到0，然后反向增加到最大值，然后整体从较大侧飞出。较大一侧受到的摩擦力将一直增大到最大值然后保持不变，直到飞出。阶段12321rr21mmAf同时从0增大到最大值保持最大值不变绳断后两物体同时从两侧飞出BfT0从0开始增大21mmAf同时从0增大到最大值保持最大值不变从A侧飞出Bf开始逐渐减小到0，然后反向增加到最大值T0从0开始增大21rr2211rmrmAf从0增大到最大值保持不变绳断后两物体同时从两侧飞出Bf从0增大到某个值T0从0开始增大2211rmrmAf从0增大到最大值保持不变从A侧飞出Bf从0增大到某个值开始逐渐减小到0，然后反向增加到最大值T0从0开始增大2211rmrmAf从0增大到最大值保持不变开始逐渐减小到0，然后反向增加到最大值从B侧飞出Bf从0增大到某个值继续增加到量大值保持不变T0从0开始增大应用推广：（1）在如下图情形中，将第三个物体C叠放在物体A或B上时，无非两种情况：①物体C先飞出，然后A和B按上述过程分析；②物体C和物体A、B一起飞出，此时可以把叠放在一起的两个物体看作一个整体，然后按上述过程分析。-6-（2）在如下图情形中，在物体A或B下方垫上另一个物体C时，无非也是两种情况：①物体C先从物体A底下飞出，此时物体A和B也会同时飞出，此过程可以参考两个物体叠放在水平圆盘上的情形；②物体A和B先飞出，物体C后飞出，此过程中可先将C视作圆盘的一部分，然后按上述过程分析即可。