文档介绍：第三单元:圆周运动
[内容和方法]
本单元内容包括圆周运动的动力学部分和物体做圆周运动的能量问题,其核心内容是牛顿第二定律、机械能守恒定律等知识在圆周运动中的具体应用。
本单元中所涉及到的基本方法与第二单元牛顿定律的方法基本相同,只是在具体应用知识的过程中要注意结合圆周运动的特点:物体所受外力在沿半径指向圆心的合力才是物体做圆周运动的向心力,因此利用矢量合成的方法分析物体的受力情况同样也是本单元的基本方法;只有物体所受的合外力的方向沿半径指向圆心,物体才做匀速圆周运动。根据牛顿第二定律合外力与加速度的瞬时关系可知,当物体在圆周上运动的某一瞬间的合外力指向圆心,我们仍可以用牛顿第二定律对这一时刻列出相应的牛顿定律的方程,如竖直圆周运动的最高点和最低点的问题。另外,由于在具体的圆周运动中,物体所受除重力以外的合外力总指向圆心,与物体的运动方向垂直,因此向心力对物体不做功,所以物体的机械能守恒。
[例题分析]
在本单元知识应用的过程中,初学者常犯的错误主要表现在:对物体做圆周运动时的受力情况不能做出正确的分析,特别是物体在水平面内做圆周运动,静摩擦力参与提供向心力的情况;对牛顿运动定律、圆周运动的规律及机械能守恒定律等知识内容不能综合地灵活应用,如对于被绳(或杆、轨道)束缚的物体在竖直面的圆周运动问题,由于涉及到多方面知识的综合,表现出解答问题时顾此失彼。
例1、一内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管的半径大得多),圆管中有两个直径与细管内径相同的小球(可视为质点)。A球的质量为m1,B球的质量为m2。它们沿环形圆管顺时针运动,经过最低点时的速度都为v0。设A球运动到最低点时,球恰好运动到最高点,若要此时两球作用于圆管的合力为零,那么m1,m2,R与v0应满足关系式是。
【错解分析】错解:依题意可知在A球通过最低点时,圆管给A球向上的弹力N1为向心力,则有
B球在最高点时,圆管对它的作用力N2为m2的向心力,方向向下,则有
因为m2由最高点到最低点机械能守恒,则有
错解形成的主要原因是向心力的分析中缺乏规范的解题过程。没有做受力分析,导致漏掉重力,表面上看分析出了N1=N2,但实际并没有真正明白为什么圆管给m2向下的力。总之从根本上看还是解决力学问题的基本功受力分析不过关。
【正确解答】首先画出小球运动达到最高点和最低点的受力图,如图4-1所示。A球在圆管最低点必受向上弹力N1,此时两球对圆管的合力为零,m2必受圆管向下的弹力N2,且N1=N2。
据牛顿第二定律A球在圆管的最低点有
同理m2在最高点有
m2球由最高点到最低点机械能守恒
【小结】比较复杂的物理过程,如能依照题意画出草图,确定好研究对象,逐一分析就会变为简单问题。找出其中的联系就能很好地解决问题。
例2、使一小球沿半径为R的圆形轨道从最低点上升,那么需给它最小速度为多大时,才能使它达到轨道的最高点?
【错解分析】错解:如图4-2所示,根据机械能守恒,小球在圆形轨道最高点A时的势能等于它在圆形轨道最低点B时的动能(以B点作为零势能位置),所以为
从而得
小球到达最高点A时的速度vA不能为零,否则小球早在到达A点之前就离开了圆形轨道。要使小球到达A点(自然不脱离圆形轨道),则小球在A点的速度必须满足