第1节 匀速圆周运动快慢的描述
(强基课—逐点理清物理观念)
课标要求 层级达标
会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动。 学考层级 1.了解描述圆周运动的线速度、角速度等物理量,解决简单的实际问题。2.能够将实际情境中的圆周运动转化为圆周运动模型进行分析、解决问题。3.能够根据实际情况提出可探究的问题,设计方案验证规律,得出关系。
选考层级 1.理解圆周运动的线速度、角速度等物理量的关系,综合应用规律解决问题。2.借助圆周运动的规律对综合性物理问题进行分析和推理。3.有学习和研究圆周运动规律的内在动机,在实际问题中坚持实事求是的态度。
逐点清(一) 描述圆周运动的物理量及其关系
[多维度理解]
1.匀速圆周运动:在任意相等时间内通过的________都相等的圆周运动。
2.线速度
(1)定义:做匀速圆周运动的物体通过的______与所用________之比。
(2)大小:v=,国际单位为________。
(3)方向:圆周运动线速度的方向总是沿圆周的________方向,与半径方向垂直。
(4)物理意义:描述质点沿圆周运动的快慢。
3.角速度
(1)定义:做匀速圆周运动的物体,连接物体和圆心的半径转过的______和所用时间t之比。
(2)公式:ω=,国际单位是__________,符号________。
(3)物理意义:描述质点绕圆心转动快慢的物理量。
4.周期、频率和转速
(1)周期:周期性运动每重复______所需要的时间,用符号T表示,国际单位是s。
(2)频率:在一段时间内,运动重复的________与这段时间之比,f=,单位是Hz。
(3)转速:物体一段时间内转过的______与这段时间之比,常用符号n表示,单位r/min或r/s。
5.线速度、角速度和周期的关系
(1)线速度和角速度关系:v=______。
(2)线速度和周期的关系:v=______。
(3)角速度和周期的关系:ω=______。
[微点拨]
1.描述圆周运动的各物理量间的关系
2.v、ω及r间的关系
(1)由v=rω知,r一定时,v∝ω;ω一定时,v∝r。v与ω、r间的关系如图甲、乙所示。
(2)由ω=知,v一定时,ω∝,ω与、r间的关系如图丙、丁所示。
[全方位练明]
1.判断下列说法是否正确。
(1)做圆周运动的物体,其速度一定是变化的。( )
(2)物体做匀速圆周运动时,则该物体的角速度是不变的。( )
(3)圆周运动线速度公式v=中的Δs表示位移。( )
(4)做匀速圆周运动的物体相等时间内通过的弧长相等。( )
(5)角速度大时,线速度一定大。( )
2.质点做匀速圆周运动时,下列说法正确的是( )
A.线速度越大,周期一定越小
B.角速度越大,周期一定越小
C.转速越小,周期一定越小
D.圆周半径越小,周期一定越小
3.一质点做匀速圆周运动,其线速度大小为4 m/s,转动周期为2 s,下列说法中不正确的是( )
A.角速度为0.5 rad/s
B.转速为0.5 r/s
C.运动轨迹的半径约为1.27 m
D.频率为0.5 Hz
逐点清(二) 三种常见的传动装置
[多维度理解]
1.同轴转动
同轴转动:各点绕同一轴转动 图示
相同量 角速度ωA=ωB
周期TA=TB
不同量 线速度=
2.皮带传动
皮带传动:两轮用皮带连接 图示
相同量 边缘点线速度的大小vA=vB
不同量 角速度=周期=
3.齿轮传动
齿轮传动:两齿轮啮合传动 图示
相同量 边缘点线速度的大小vA=vB
不同量 角速度=周期=
[典例] (2023·广东1月学考)如图所示,P、Q为固定在自行车后轮上的两个转动齿轮,与车后轮同角速度转动,通过链条与脚踏轮M连接,P轮的半径比Q轮的大。保持M以恒定角速度转动,将链条由Q轮换到P轮,则车后轮转动的( )
A.角速度不变 B.角速度变小
C.周期不变 D.周期变小
听课记录:
[思维建模]
传动装置的特点
(1)绕同轴转动的点具有共同的角速度、转速、周期,各点线速度v=rω,即v∝r。
(2)皮带传动,边缘各点具有大小相等的线速度,而角速度ω=,即ω∝。
(3)齿轮传动与皮带传动具有共同的特点。
[全方位练明]
1.如图所示是一个玩具陀螺,a、b、c是陀螺上的三个点。当陀螺绕垂直于地面的轴线以角速度ω稳定旋转时,下列表述正确的是 ( )
A.a、b、c三点的线速度大小相等
B.a、b、c三点的角速度相等
C.a、b的角速度比c的角速度大
D.c的线速度比a、b的线速度大
2.闹钟是带有闹时装置的钟,既能指示时间,又能按人们预定的时刻发出音响信号或其他信号。如图所示,机械式闹钟中的三个齿轮的半径之比为1∶3∶5,当齿轮转动的时候,小齿轮边缘的M点和大齿轮边缘的N点的线速度大小之比和角速度之比分别为( )
A.1∶1 1∶5 B.1∶1 5∶1
C.5∶1 1∶5 D.5∶1 5∶1
逐点清(三) 匀速圆周运动的多解问题
[多维度理解]
1.多解性分析
(1)研究对象:匀速圆周运动的多解问题含有两个做不同运动的物体。
(2)运动特点:一个物体做匀速圆周运动,另一个物体做其他形式的运动(如平抛运动、匀速直线运动等)。
(3)运动的关系:根据两物体运动的时间相等建立等式,求解待求物理量。
2.处理技巧分析
(1)抓住联系点:明确题中两个物体的运动性质,抓住两个运动的联系点——时间相等。
(2)先特殊后一般:先考虑第一个周期的情况,再根据运动的周期性,考虑多个周期时的规律。
(3)分析时注意两个运动是独立的,互不影响。
[典例] 如图所示,半径为R的圆板做匀速转动,当半径OB转到某一方向时,在圆板中心正上方高h处,以平行于OB方向水平抛出一小球。要使小球与圆板只碰撞一次,且落点为B,求小球水平抛出时的速度大小v0及圆板转动的角速度ω。
尝试解答:
[变式拓展] 对应[典例]中的情境,如果要求小球刚好落在半径OB的中点,求小球水平抛出时的速度大小v0及圆板转动的最大周期。
[思维建模]
解答有关圆周运动的问题时,常出现的错误是没有考虑到圆周运动的周期性而漏解。因此,在解答此类问题时,要特别注意可能会出现的符合题意的多种情况。
[全方位练明]
1.如图所示,一位同学玩飞镖游戏。圆盘最上端有一P点,飞镖抛出时与P点等高,且距离P点的距离为L。当飞镖以初速度v0垂直盘面瞄准P点抛出的同时,圆盘绕经过盘心O点的水平轴在竖直平面内匀速转动,角速度大小为ω。忽略空气阻力,若飞镖恰好击中P点,则v0可能为( )
A. B.
C. D.
2.如图所示,某机器内有两个围绕各自的固定轴匀速转动的铝盘A、B,A盘上固定一个信号发射装置P,能持续沿半径向外发射红外线,P到圆心的距离为28 cm。B盘上固定一个带窗口的红外线信号接收装置Q,Q到圆心的距离为16 cm。P、Q转动的线速度大小相同,都是4π m/s。当P、Q正对时,P发出的红外线恰好进入Q的接收窗口,则Q每隔一定时间就能接收到红外线信号,这个时间的最小值应为( )
A.0.56 s B.0.28 s
C.0.16 s D.0.07 s
3.如图所示,用薄纸做成的圆筒,直径为D,竖直放置,绕圆筒轴线OO′以角速度ω0逆时针匀速运动。一玩具手枪发出的子弹,沿水平方向匀速飞来(不计子弹重力影响),沿圆筒的直径方向击穿圆筒后飞出(设薄纸对子弹的运动速度无影响且认为纸筒没有发生形变),结果在圆筒上只留下子弹的一个洞痕,求子弹的速度。
第1节 匀速圆周运动快慢的描述
逐点清(一)
[多维度理解]
1.弧长 2.(1)弧长s 时间t (2)m/s (3)切线
3.(1)角度φ (2)弧度每秒 rad/s 4.(1)一次 (2)次数 (3)圈数 5.(1)rω (2) (3)
[全方位练明]
1.(1)√ (2)√ (3)× (4)√ (5)×
2.选B 匀速圆周运动的周期T=,可知线速度大,周期不一定小,周期的大小还与半径有关,A错误;周期T=,可知角速度越大,周期越小,B正确;转速n越小,质点做匀速圆周运动的频率f越小,由T=可知周期越大,C错误;由周期T=,可知半径小,周期不一定小,周期的大小还与线速度有关,D错误。
3.选A 由题意知v=4 m/s,T=2 s,根据角速度与周期的关系可知ω==π rad/s≈3.14 rad/s,故A项错误;由线速度与角速度的关系v=ωr得r== m≈1.27 m,故C项正确;由v=2πnr得转速n== r/s=0.5 r/s,故B项正确;又由频率与周期的关系得f==0.5 Hz,故D项正确。
逐点清(二)
[典例] 选B 根据题意可知,保持脚踏轮M以恒定角速度转动,则脚踏轮M边缘的线速度大小不变,开始时,通过链条使Q轮与脚踏轮M连接,则Q轮边缘的线速度大小等于脚踏轮M边缘的线速度大小,设脚踏轮M边缘的线速度大小为v,由公式v=ωr可得,后轮的角速度为ω=,同理可知,改为通过链条使P轮与脚踏轮M连接,后轮的角速度为ω′=,由于rQ