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高中三年级物理

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    如图装置叫做离心节速器,它的工作原理和下述力学模型类似:在一根竖直硬质细杆的顶端O用铰链连接两根轻杆,轻杆的下端分别固定两个金属小球。当发动机带动竖直硬质细杆转动时,两个金属球可在水平面上做匀速圆周运动,如图所示。设与金属球连接的两轻杆的长度均为l,两金属球的质量均为m,各杆的质量均可忽略不计。当发动机加速运转时,轻杆与竖直杆的夹角从30°增加到60°,忽略各处的摩擦和阻力。求:
    (1)当轻杆与竖直杆的夹角为30°时金属球做圆周运动的线速度的大小v1
    (2)轻杆与竖直杆的夹角从30°增加到60°的过程中机器对两小球所做的功。

    本题信息:2011年模拟题物理计算题难度极难 来源:马凤霞
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本试题 “如图装置叫做离心节速器,它的工作原理和下述力学模型类似:在一根竖直硬质细杆的顶端O用铰链连接两根轻杆,轻杆的下端分别固定两个金属小球。当发动机带动竖...” 主要考查您对

圆锥摆

动能定理

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圆锥摆的知识:

圆锥摆模型的结构特点——一根质量和伸长可以不计的线,系一个可以视为质点的摆球,在水平面内做匀速圆周运动,且在摆线沿顶点位置不变的圆锥面上运动。


圆锥摆的特点:

1、圆锥摆模型的受力特点——只受两个力:竖直向下的重力(mg)和沿摆线方向的拉力(F),二力的合力就是摆球做圆周运动的向心力(Fn),如图所示。

2、向心力和向心加速度的计算
设摆球的质量为m,摆长为l,与竖直方向的夹角为θ,摆球的线速度、角速度、周期和频率依次为v、ω、T和f。如图所示,根据不同的条件
向心力可以表示为:
向心加速度可表示为:
3、摆线拉力的计算计算
摆线的拉力,有两种基本思路:
①当θ角已知时,
②当θ角未知时,
4、周期T、频率f和角速度ω的计算
根据向心加速度公式,有。式中为摆球的轨道平面到悬点的距离,即圆锥摆的高度。由这些公式可知,高度相同的圆锥摆,即等高圆锥摆的T、f和ω相等,与m、l和θ无关。
5、漏斗摆:物体在光滑的漏斗形容器内壁的某水平面上做匀速圆周运动。漏斗摆的力学特点:物体只受两个力,竖直向下的重力mg,垂直于漏斗壁的弹力,两个力的合力水平指向转轴,其向心力。如图所示。

①向心加速度的计算
,θ角一定,故an恒定。
②周期T、角速度ω、线速度v的计算(设匀速圆周运动的平面离漏斗尖端距离为h)
,得
,得
,得
可见,h增大,线速度增大,角速度减小,周期增大。


结构特点:
一根质量和伸长可以不计的线,系一个可以视为质点的摆球,在水平面内作匀速圆周运动。

受力特点:
只受两个力:竖直向下的重力 mg 和沿摆线方向的拉力 F 。两个力的合力,就是摆球作圆周运动的向心力 F n


动能定理:


动能定理的应用方法技巧:

 1.应用动能定理解题的基本思路
(1)选取研究对象,明确并分析运动过程。
(2)分析受力及各力做功的情况,求出总功:
 
(3)明确过程始、末状态的动能
(4)列方程,必要时注意分析题目潜在的条件,列辅助方程进行求解。
2.应用动能定理应注意的几个问题
(1)明确研究对象和研究过程,找出始末状态的速度。
(2)要对物体正确地进行受力分析,明确各力做功的大小及正负情况(待求的功除外)。
(3)有些力在物体运动过程中不是始终存在的。若物体运动过程中包括几个阶段,物体在不同阶段内的受力情况不同,在考虑外力做功时需根据情况区分对待。
3.几种应用动能定理的典型情景
(1)应用动能定理求路程在多阶段或往返运动中,如果摩擦力或介质阻力大小不变,方向与速度方向关系恒相反,则在整个过程中克服摩擦力或介质阻力所做的功等于力与路程的乘积,从而可将物体在摩擦力或介质阻力作用下通过的路程与动能定理联系起来。
(2)应用动能定理求解多过程问题物体在某个运动过程中包含几个运动性质不同的小过程(如加速、减速的过程),此时可以分段考虑,也可以对全过程考虑,但如能对整个过程根据动能定理列式求解,则可以使问题简化。根据题意灵活地选取研究过程,可以使问题变得简单。有时取全过程简单,有时取某一阶段简单。原则是尽量使做功的力减少,各个力的功计算方便,或使初、未动能等于零。
(3)用动能定理求变力的功变力的功无法用公式直接求解,有时该力也不是均匀变化的,无法用高中知识表达平均力,此时可以考虑用动能定理间接求解。涉及功、能的极值问题在涉及功、能的极值问题中,有些极值的形成是南运动形式的临界状态造成的。如竖直平面内圆周运动的最高点、平抛运动等。有些极值的形成是由题设条件造成的。在解决涉及功、能的极值问题时,一种思路是分析运动形式的临界状态,将临界条件转化为物理方程来求解;另一种思路是将运动过程的方程解析式化,利用数学方法求极值。


知识拓展:

 1.总功的计算物体受到多个外力作用时,计算合外力的功,一般有如下三种方法:
(1)先由力的合成与分解法或根据牛顿第二定律求出合力,然后由计算。采用此法计算合力的总功时,一是要求各力同时作用在物体上。二是要求合外力是恒力。
(2)由计算各个力对物体做的功,然后将各个外力所做的功求代数和。当多阶段运动过程中不同阶段物体所受外力不同,即外力分阶段作用在物体上时常用此法求外力的总功。
(3)外力做的总功等于物体动能的变化量,在物体初、末状态已知的情况下可考虑从动能变化量来确定合外力做的功。
2.系统动能定理
动能定理实质上是一个质点的功能关系,是针对单体或可看做单个物体的物体系而言的。所谓能看成单个物体的物体系,简单来说就是物体系内各物体之间的相对位置不变,从而物体系的各内力做功之和为零.物体系的动能变化就取决于所有外力做的总功了。
但是对于不能看成单个物体的物体系或不能看成质点的物体,可将其看成是由大量质点组成的质点系,对质点系组成的系统应用动能定理时,就不能仅考虑外力的作用,还需考虑内力所做的功。即:

如人在从地面上竖直跳起的过程中,只受到了重力、地面支持力两个力的作用,而人从下蹲状态到离开地面的过程中,支持力不对人做功,重力对人做负功,但人的动能增加了,原因就在于此过程中人不能被看成单一的质点,人体内肌肉、骨骼之间的内力对人也做功。再如光滑水平面上由静止释放两带异种电荷的小球,对两小球组成的系统来说,没有外力对它们做功,但它们的动能却增加了,原因也在于它们的内力对它们做了功。
3.动能、动能的变化与动能定理的比较:


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