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多选题

(多选)随着地球资源的日益匮乏和环境的日益恶劣,人类设想在地球远地轨道上建立一个未来的圆环形太空城.远远看去,好像一个巨大的车轮,圆环形的直径为D,“轮胎”是一个空心的大圆环,其内部直径为d(D>>d),是太空城的生活区. 同时,太空城还绕着自己的中心轴慢慢旋转,利用旋转时产生的离心效应而制造出人造重力,生活在其中的人类就有脚踏实地的感觉.已知地球半径R,表面重力加速度为g,地球自转周期为T,空间站轨道半径r.下列说法中正确的

是(  )

A
太空城中的“地面”在图示的下表面
B
当太空城稳定地转动时,若在“生活区”上空某处静止释放一个物体,让太空城里的你来观察,你会观察到物体沿径向垂直太空城外边缘加速下落
C
若太空城的转速刚能提供和地球表面的实际重力加速度效果相同的人造“重力”,那么太空城自转的角速度为$\sqrt {}$
D
若忽略太空城的自转,则太空城的绕地球转动的周期为$\sqrt {}$

题目答案

BC

答案解析

分析:

太空城还绕着自己的中心轴慢慢旋转,向心力指向圆心,在“生活区”上空某处静止释放一个物体,运动情况类似于地球上的自由落体运动,根据太空城表面重力提供向心力求解角速度,根据开普勒第三定律求解太空城的绕地球转动的周期.

解答:

解:A、太空城还绕着自己的中心轴慢慢旋转,向心力指向圆心,生活在其中的人类就有脚踏实地的感觉,所以太空城中的“地面”在图示的侧表面,故A错误;

B、在“生活区”上空某处静止释放一个物体,运动情况类似于地球上的自由落体运动,故B正确;

C、根据太空城表面重力提供向心力得:

mω_$\frac {D}{2}$=mg,

解得:ω=$\sqrt {}$,故C正确;

D、根据题目中的条件无法求解太空城的绕地球转动的周期,故D错误.

故选:BC

点评:

本题是一道科学探索题,题目新颖,要求同学们能根据题目得出有用信息,能把太空城与地球联系起来,类比研究,难度适中.

举一反三
多选题

(多选)如图所示,质量为m的小球在竖直平面内的光滑圆环轨道上做圆周运动.圆环半径为R,小球经过圆环最高点时刚好不脱离圆环,则其通过最高点时(  )

A
小球对圆环的压力大小等于mg
B
小球受到的向心力等于0
C
小球的线速度大小等于$\sqrt {gR}$
D
小球的向心加速度大小等于g

题目答案

CD

答案解析

分析:

小球经过圆环最高点时刚好不脱离圆环,知轨道对小球的弹力为零,靠重力提供向心力,根据牛顿第二定律求出小球的速度.

解答:

解:A、因为小球刚好在最高点不脱离圆环,则轨道对球的弹力为零,所以小球对圆环的压力为零.故A错误.

B、根据牛顿第二定律得,mg=m$\frac {v}{R}$=ma,知向心力不为零,线速度v=$\sqrt {gR}$,向心加速度a=g.故B错误,C、D正确.

故选CD.

点评:

解决本题的关键知道在最高点的临界情况,运用牛顿第二定律进行求解.

多选题

(多选)如图所示,用长为l的细绳拴着质量为m的小球在竖直平面内做圆周运动,则下列说法中正确的是(  )

A
小球在圆周最高点时所受的向心力一定为重力
B
小球在最高点时绳子的拉力不可能为零
C
若小球刚好能在竖直平面内做圆周运动,则其在最高点的速率为$\sqrt {gl}$
D
小球过最低点时绳子的拉力一定大于小球重力

题目答案

CD

答案解析

分析:

对小球在不同位置时分析向心力的来源,利用牛顿第二定律列方程即可解答

解答:

解:A、小球在圆周最高点时,向心力可能等于重力也可能等于重力与绳子的拉力之和,取决于小球的瞬时速度的大小,故A错误;

B、小球在圆周最高点时,满足一定的条件可以使绳子的拉力为零,故B错误;

C、小球刚好能在竖直面内做圆周运动,则在最高点,重力提供向心力,v=$\sqrt {gl}$,故C正确;

D、小球在圆周最低点时,具有竖直向上的向心加速度,处于超重状态,拉力一定大于重力,故D正确.

故选CD

点评:

圆周运动问题重在分析向心力的来源,利用牛顿第二定律列方程

多选题

(多选)如图所示,轻绳一端固定在O点,另一端固定一质量为m的小球,现在圆周的最低点A点给小球一水平向右的初速度使小球在竖直平面内做半径为R的圆周运动.小球在运动过程中始终受到一竖直向上的恒力F作用,不计一切阻力.下列说法正确的是(  )

A
若F=mg,则小球做的是匀速圆周运动
B
若F<mg,则小球在最高点B点的最小速度为$\sqrt {}$
C
若F<mg,则小球在最高点B点的最小速度为$\sqrt {}$
D
若F>mg,则小球在最高点B点的最小速度为$\sqrt {}$

题目答案

AC

答案解析

分析:

当合外力完全提供圆周运动向心力时小球可以做匀速圆周运动,当F与重力不平衡时,可以将F和重力的合力等效成重力进行分析求解.

解答:

解:A、当F=mg时,即F和重力平衡,杆对球的作用力提供小球圆周运动向心力,故小球在杆的作用力下做匀速圆周运动,故A正确;

BC、若F<mg时,F和mg的合力为mg-F,等效重力加速度a=g-$\frac {F}{m}$,分析此时球能过最高点时的临界速度v=$\sqrt {aR}$=$\sqrt {}$,由此可得B错误,C正确;

D、当F>mg时,小球的等效重力为F-mg,注意此时等效重力方向竖直向上,故小球在最高点B时,在等效重力方向为等效最低点,所以小球在B点的最小速度为0,故D错误.

故选:AC

点评:

本题抓住F与重力的合力看成等效重力进行处理,利用最高点和最低点时合外力提供圆周运动向心力进行分析,当合外力向上时,等效重力向上,则最高点B为等效圆周运动的最低点.这是思维上的一难点.

多选题

(多选)如图所示,细杆的一端与一小球相连,可绕过O点的水平轴自由转动.现给小球一初速度,使它做圆周运动,图中a、b分别表示小球轨道的最低点和最高点,则杆对小球的作用力可能是(  )

A
a处为拉力,b处为拉力
B
a处为拉力,b处为推力
C
a处为推力,b处为拉力
D
a处为推力,b处为推力

题目答案

AB

答案解析

分析:

小球做匀速匀速圆周运动,在最高点速度可以为零,在最高点和最低点重力和弹力的合力提供向心力,指向圆心,可以判断杆的弹力的方向.

解答:

解:小球做圆周运动,合力提供向心力;

在最高点受重力和杆的弹力,假设弹力向下,如图



根据牛顿第二定律得到,F$_1$+mg=m$\frac {$_1$}{r}$;

当F$_1$<0,为支持力,向上;

当F$_1$>0,为拉力,向下;

当F$_1$=0,无弹力;

球经过最低点时,受重力和杆的弹力,如图



由于合力提供向心力,即合力向上,故杆只能为向上的拉力;

故选A、B.

点评:

要注意杆与绳子的区别,杆可以是支持力,可以是拉力,而绳子只能为拉力!

多选题

(多选)如图所示,长为l的轻杆,一端固定一个小球,另一端固定在光滑的水平轴上,使小球在竖直平面内做圆周运动,关于小球在过最高点时的速度v,下列叙述正确的是(  )

A
v的最小值为$\sqrt {gl}$
B
v由零逐渐增大,向心力也逐渐增大
C
v由$\sqrt {gl}$值逐渐增大,杆对小球的弹力也逐渐增大
D
v由$\sqrt {gl}$值逐渐减小,杆对小球的弹力也逐渐减小

题目答案

BC

答案解析

分析:

细杆拉着小球在竖直平面内做圆周运动,在最高点的最小速度为零,靠径向的合力提供向心力,杆子可以表现为支持力,也可以表现为拉力,根据牛顿第二定律判断杆子的作用力和速度的关系.

解答:

解:A、细杆拉着小球在竖直平面内做圆周运动,在最高点的最小速度为零.故A错误.

B、根据F_向=m$\frac {v}{R}$知,速度增大,向心力增大.故B正确.

C、当v=$\sqrt {gl}$时,杆子的作用力为零,当v>$\sqrt {gl}$时,杆子表现为拉力,速度增大,拉力增大.故C正确.

D、当v<$\sqrt {gl}$时,杆子表现为支持力,速度减小,支持力增大.故D错误.

故选BC.

点评:

解决本题的关键知道小球在最高点的临界情况,知道向心力的来源,运用牛顿第二定律进行求解.

多选题

(多选)如图所示,长为L的轻杆,一端固定一个小球,另一端固定在光滑的水平轴上,使小球在竖直平面内做圆周运动,关于小球在最高点的速度v_0下列说法中正确的是(  )

A
v_0的最小值为 $\sqrt {gR}$
B
v_0的最小值为0
C
当v_0由$\sqrt {gR}$值逐渐增大时,杆对小球的弹力逐渐增大
D
当v_0由$\sqrt {gR}$值逐渐减小时,杆对小球的弹力逐渐减小

题目答案

BC

答案解析

分析:

由于杆子能支撑小球,小球到达最高点的临界速度为零.杆子在最高点可以表现为拉力,也可以表现为支持力,根据牛顿第二定律判断杆子对小球的弹力随速度变化的关系.

解答:

解:A、由于杆子能支撑小球,小球在最高点的最小速度为零.故A错误,B正确.

C、在最高点,若速度v_0=$\sqrt {gR}$,杆子的作用力为零.当v_0>$\sqrt {gR}$时,杆子表现为拉力,设拉力大小为F.根据牛顿第二定律得:mg+F=m$\frac {}{R}$,得:F=m$\frac {}{R}$-mg

可知,速度逐渐增大时,向心力增大,杆子对小球的拉力增大.故C正确.

D、当v_0>$\sqrt {gR}$时,杆子表现为支持力,根据牛顿第二定律得:mg-F=m$\frac {}{R}$,得:F=mg-m$\frac {}{R}$

可知,速度逐渐减小时,向心力减小,则杆子对小球的支持力增大.故D错误.

故选:BC.

点评:

解决本题的关键搞清小球向心力的来源,运用牛顿第二定律进行求解,以及知道杆子可以表现为拉力,也可以表现为支持力.要注意杆子模型与绳子模型最高点的临界速度不同.

多选题

(多选)如图所示,轻杆长为3L,在杆的A、B两端分别固定质量均为m的球A和球B,杆上距球A为L处的点O装在光滑水平转动轴上,杆和球在竖直面内做匀速圆周运动,且杆对球A、B的最大约束力相同,则(  )

A
B球在最低点较A球在最低点更易脱离轨道
B
若B球在最低点和杆作用力为3mg,则A球在最高点受杆的拉力
C
若某一周A球在最高点和B球在最高点受杆的力大小相等,则A球受杆的支持力、B球受杆的拉力
D
若每一周做匀速圆周运动的角速度都增大、则同一周B球在最高点受杆的力一定大于A球在最高点受杆的力

题目答案

AC

答案解析

分析:

当物体所受的外力相等时,所需要的向心力越大,越容易产生离心现象;两球做圆周运动,由重力和杆的作用力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律列式分析.在最高点,杆对球可能是支持力,也可能是拉力.

解答:

解:

A、两球的角速度相同,由向心力公式F_n=mω_r,由于B的半径较大,所需要的向心力较大,而由题意:两球的重力相等,杆对两球的最大拉力相等时,在最低点时,两球的最大合外力相等,所以B球更容易做离心运动,更容易脱离轨道.故A正确.

B、若B球在最低点和杆作用力为3mg,设B球的速度为v_B.

则根据牛顿第二定律得:N_B-mg=m$\frac {_B}{2L}$,且N_B=3mg,得:v_B=2$\sqrt {gL}$;

由v=ωr,ω相等,A的半径是B的一半,则得此时A的速度为 v_A=$\frac {1}{2}$v_B=$\sqrt {gL}$

对A球:设杆的作用力大小为N_A,方向向下,则有:mg+N_A=m$\frac {_A}{L}$,解得N_A=0,说明杆对A球没有作用力,故B错误.

C、若某一周A球在最高点和B球在最高点受杆的力大小相等,设为F.

假设在最高点杆对A、B球产生的都是支持力,有:

对B球:mg-F=mω_•2L,;

对A球:mg-F=mω_L;

很显然上述两个方程不可能同时成立,说明假设不成立,则知两球所受的杆的作用力不可能同时是支持力.

对B球,若杆对B球产生的是拉力,有:mg+F=mω_•2L,;

对A球,若杆对A球产生的是拉力,有:F+mg=mω_L;

两个方程不可能同时成立,所以不可能两球同时受杆的是拉力;

对B球,若杆对B球产生的是拉力,有:mg+F=mω_•2L,;

对A球,若杆对A球产生的是支持力,有:F-mg=mω_L;

两个方程能同时成立,所以可能A球受杆的是支持力、B球受杆的是拉力;

对B球,若杆对B球产生的是支持力,有:mg-F=mω_•2L,;

对A球,若杆对A球产生的是拉力,有:F+mg=mω_L;

两个方程不能同时成立,所以不可能A球受杆的是拉力,而B球受杆的是支持力;

综上,A球在最高点和B球在最高点受杆的力大小相等时,A球受杆的是支持力、B球受杆的是拉力.故C正确.

D、若两球最高点所受的杆的作用力都是支持力,

则对B球,若杆对B球产生的是支持力,有:mg-F_B=mω_•2L,得F_B=mg-2mω_L;

对A球,若杆对A球产生的是支持力,有:mg-F_A=mω_L,得F_A=mg-mω_L

由上两式得:每一周做匀速圆周运动的角速度都增大,F_A>F_B,故D错误.

故选:AC

点评:

解答竖直平面内的圆周运动问题,关键分析向心力的来源,把握住的临界条件,有时要结合机械能守恒定律研究.

多选题

(多选)如图所示,A是用轻绳连接的小球,B是用轻杆连接的小球,都在竖直平面内作圆周运动,且绳、杆长度L相等.忽略空气阻力,下面说法中正确的是(  )

A
A球可能作匀速圆周运动
B
A球通过圆周最高点最小速度是$\sqrt {gL}$,而B球过圆周最高点的速度最小可为零
C
对B球来说,到最低点时处于超重状态,杆对球的作用力最大
D
A球在运动过程中所受的合外力的方向处处指向圆心

题目答案

BC

答案解析

分析:

本题中绳系小球A的机械能守恒,做变速圆周运动,合外力方向不一定指向圆心,到最高点时绳子拉力恰好为零时,速度最小,根据牛顿第二定律求解最小速度.B球到达最高点时最小速度为零.根据加速度方向判断B球的状态,确定杆的作用力方向.

解答:

解:

A、A球运动过程中,绳子的拉力不做功,机械能守恒,小球的重力势能不断变化,动能就不断变化,速率不断变化,一定做变速圆周运动,故A错误.

B、当A球恰好通过最高点时,绳子的拉力为零,由重力提供向心力,此时速度最小,设为v_min.根据牛顿第二定律得:mg=m$\frac {_min}{L}$,得;v_min=$\sqrt {gL}$;

对于B球,由于杆子对小球能有支撑作用,所以B球过圆周最高点的速度最小可为零,故B正确.

C、对B球来说,到最低点时加速度方向向上,根据牛顿运动定律得知,杆对球的作用力大于重力,B球处于超重状态.

根据牛顿第二定律得:T-mg=m$\frac {v}{L}$,T=mg+m$\frac {v}{L}$,v最大,T最大,故C正确.

D、A球在运动过程中受到重力和绳子拉力两个作用,根据平行四边形定则可知,A所受的合外力的方向不是处处指向圆心,只有在最高点和最低点两个位置指向圆心,故D错误.

故选:BC

点评:

解决本题的关键知道向心力靠指向圆心的合力来提供,明确绳系模型和轻杆模型最高点的临界条件,根据牛顿第二定律能得到最小速度.

多选题

(多选)如图,一长为l的轻质细杆一端与质量为m的小球(可视为质点)相连,另一端可绕O点转动,现使轻杆在同一竖直面内做匀速转动,测得小球的向心加速度大小为g(g为当地的重力加速度),下列说法正确的是(  )

A
小球的线速度大小为$\sqrt {gl}$
B
小球运动到最高点时处于完全失重状态
C
当轻杆转到水平位置时,轻杆对小球作用力方向不可能指向圆心O
D
轻杆在匀速转动过程中,轻杆对小球作用力的最大值为mg

题目答案

ABC

答案解析

分析:

根据a=$\frac {v}{r}$求解线速度,小球在最高点的加速度为g,处于完全失重状态,匀速圆周运动合外力提供向心力,在最低点对小球的作用力最大,根据向心力公式列式即可求解最大值,

解答:

解:A、根据a=$\frac {v}{r}$=g得:v=$\sqrt {gl}$,故A正确;

B、小球做匀速圆周运动,加速度为g,所以小球在最高点的加速度为g,处于完全失重状态,故B正确;

C、当轻杆转到水平位置(图中虚线bob′)时,杆子和重力的合力指向圆心,重力方向竖直向下,若轻杆对小球的作用力方向指向圆心O,则合力不能指向圆心,故C正确;

D、在最低点杆子对小球的作用力最大,即F-mg=ma,解得F=2mg,故D错误.

故选:ABC.

点评:

本题主要考查了向心力公式的直接应用,知道匀速圆周运动合外力提供向心力,物体的加速度为g时处于完全失重状态,难度不大,属于基础题.

多选题

(多选)下列哪些现象是为了防止物体产生离心运动(  )

A
汽车转弯时要限制速度
B
转速很高的砂轮半径不能做得太大
C
在修筑铁路地,转弯处轨道的内轨要低于外轨
D
用洗衣机脱去湿衣服中的水

题目答案

ABC

答案解析

分析:

做圆周运动的物体,在受到指向圆心的合外力突然消失时或者不足以提供向心力时,物体将会做离心运动.

解答:

解:A、由F=m$\frac {V}{r}$可知,速度越快则所需的向心力越大,汽车转弯时一定要限制速度,从而来减小需要的向心力;防止离心现象的发生;故A正确;

B、由向心力公式可知,转速很高的吵轮所需向心力很大,转速很高的吵轮若半径大,则可以出现断裂现象,从而出现离心现象;故为了防止离心现象,应将砂轮做的小一点;故B正确;

C、在修筑铁路时,转弯处轨道的内轨要低于外轨,这样可以提供更多的向心力,防止火车出现离心现象;故C正确;

D、洗衣机脱水是应用了离心现象;不是防止;

本题选防止离心现象的,故选:ABC.

点评:

离心现象在生活中有很多应用,但同时也要注意在生产生活中如何避免离心现象所带来的伤害.