高中物理 問題原型與延伸 專題4.3 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的“等時(shí)圓”模型學(xué)案 新人教版必修1

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1、高中物理 問題原型與延伸 專題4.3 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的“等時(shí)圓”模型學(xué)案 新人教版必修1 ?知識(shí)點(diǎn)撥 1、 等時(shí)圓模型(如圖所示) 2、 等時(shí)圓規(guī)律: (1)、小球從圓的頂端沿光滑弦軌道靜止滑下,滑到弦軌道與圓的交點(diǎn)的時(shí)間相等。(如圖a) (2)、小球從圓上的各個(gè)位置沿光滑弦軌道靜止滑下,滑到圓的底端的時(shí)間相等。(如圖b) (3)、沿不同的弦軌道運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等,都等于小球沿豎直直徑()自由落體的時(shí)間,即 (式中R為圓的半徑。) 3、等時(shí)性的證明 設(shè)某一條弦與水平方向的夾角為,圓的直徑為(如右圖)。根據(jù)物體沿光滑弦作初速度為零的勻加速直線

2、運(yùn)動(dòng),加速度為,位移為,所以運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 即沿各條弦運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性,運(yùn)動(dòng)時(shí)間與弦的傾角、長短無關(guān)。 規(guī)律AB、AC、AD是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿,A、B、C、D位于同一圓周上,A點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn),D點(diǎn)為最低點(diǎn).每根桿上都套著一個(gè)光滑的小滑環(huán)(圖中未畫出),三個(gè)滑環(huán)分別從A處由靜止開始釋放,到達(dá)圓周上所用的時(shí)間是相等的,與桿的長度和傾角大小都無關(guān). 【原型】“等時(shí)圓”模型 如圖所示,AC、BC為位于豎直平面內(nèi)的兩根光滑細(xì)桿,A、B、C三點(diǎn)恰位于同一圓周上,C為該圓周的最低點(diǎn),a、b為套在細(xì)桿上的兩個(gè)小環(huán),當(dāng)兩環(huán)同時(shí)從A、B點(diǎn)自靜止開始下滑,則 ( ) A

3、.a(chǎn)環(huán)將先到達(dá)C點(diǎn) B.b環(huán)將先到達(dá)C點(diǎn) C.a(chǎn)、b環(huán)同時(shí)到達(dá)C點(diǎn) D.由于兩桿的傾角不知道,無法判斷兩環(huán)到達(dá)c點(diǎn)的先后 小環(huán)在AC上下滑的加速度a=gcosθ,因?yàn)樾…h(huán)做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng),根據(jù)位移時(shí)間關(guān)系有: AC=at2 即2Rcosθ=gcosθt2, 解得:t= 與桿的傾角θ無關(guān),故C正確,ABD錯(cuò)誤. 故選:C。 ★點(diǎn)評:對圓環(huán)的受力分析是關(guān)鍵,然后根據(jù)牛頓第二定律求得加速度。 變型1、“等時(shí)圓”模型的一般情況 【延伸1】如圖所示,通過空間任一點(diǎn)A可作無限多個(gè)斜面,若將若干個(gè)小物體從點(diǎn)A分別沿這些傾角各不相同的光滑斜面同時(shí)滑下,那么

4、在同一時(shí)刻這些小物體所在位置所構(gòu)成的面是() A.球面 B.拋物面 C.水平面 D.無法確定 解析:從等時(shí)圓的特殊情況推廣到一般情況要求熟練掌握等時(shí)圓的特征。 ★點(diǎn)評:滑塊是否傳送帶共速是臨界條件。 變型2、從圓周外某點(diǎn)下滑模型 【延伸2】如圖,位于豎直平面內(nèi)的固定光滑圓軌道與水平面相切于M點(diǎn),與豎直墻相切于點(diǎn)A,豎直墻上另一點(diǎn)B與M的連線和水平面的夾角為600,C是圓環(huán)軌道的圓心,D是圓環(huán)上與M靠得很近的一點(diǎn)(DM遠(yuǎn)小于CM)。已知在同一時(shí)刻:a、b兩球分別由A、B兩點(diǎn)從靜止開始沿光滑傾斜直軌道運(yùn)動(dòng)到M點(diǎn);c球由C點(diǎn)自由下落到M點(diǎn)

5、;d球從D點(diǎn)靜止出發(fā)沿圓環(huán)運(yùn)動(dòng)到M點(diǎn)。則:( ) A、a球最先到達(dá)M點(diǎn) B、b球最先到達(dá)M點(diǎn) C、c球最先到達(dá)M點(diǎn) D、d球最先到達(dá)M點(diǎn) 【延伸3】如圖所示,AB和CD是兩條光滑斜槽,它們各自的兩端分別位于半徑為R和r的兩個(gè)相切的豎直圓上,并且斜槽都通過切點(diǎn)P,有一個(gè)小球由靜止分別從A滑到B和從C滑到D,所用的時(shí)間分別為t1和t2,則t1和t2之比為( ) A.1:1 B.1:2 C.:1 D.1: 解析:對物體受力分析可知: 當(dāng)重物從A點(diǎn)下落時(shí),重物受重力m

6、g,支持力F, 在沿斜面方向上加速度是a1,重力分 mgcos30°=ma1 ★點(diǎn)評:學(xué)會(huì)在模型的啟發(fā)下找到解決問題的思路和方法。 ?跟蹤練習(xí): 1.如圖所示,ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿,a、b、c、d位于同一圓周上,a點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn),d點(diǎn)為最低點(diǎn)。每根桿上都套有一個(gè)小滑環(huán)(圖中未畫出),三個(gè)滑環(huán)分別從a、b、c處釋放(初速為0),用t1、t2、t3依次表示各滑環(huán)到達(dá)d所用的時(shí)間,則() A.t1t2>t3 C.t3>t1>t2 D.t1=t2=t3 2.傾角為30°的長斜坡上有C、O、B三點(diǎn),CO =

7、OB = 10m,在C點(diǎn)豎直地固定一長10 m的直桿AO。A端與C點(diǎn)間和坡底B點(diǎn)間各連有一光滑的鋼繩,且各穿有一鋼球(視為質(zhì)點(diǎn)),將兩球從A點(diǎn)由靜止開始、同時(shí)分別沿兩鋼繩滑到鋼繩末端,如圖1所示,則小球在鋼繩上tAC和tAB分別為(取g = 10m/s2) A.2s和2s B. 和 2s C.和4s D.4s 和 3.在一豎直墻面上固定一光滑的桿AB,如圖所示,BD為水平地面,ABD三點(diǎn)在同一豎直平面內(nèi),且連線AC=BC=0.1m 一小球套在桿上自A端滑到B端的時(shí)間為:( ) 4.如圖所示,在傾角為的傳送帶的正上方,有一發(fā)貨口

8、A。為了使貨物從靜止開始,由A點(diǎn)沿光滑斜槽以最短的時(shí)間到達(dá)傳送帶,則斜槽與豎直方向的夾角應(yīng)為多少? 答案與解析: 解得:, 鋼球滑到斜坡時(shí)間t跟鋼繩與豎直方向夾角α無關(guān),且都等于由A到D的自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)間。代入數(shù)值得t=2s,選項(xiàng)A正確。 3.以C為圓心作一個(gè)參考園。由結(jié)論知,小球自A到B運(yùn)動(dòng) 的時(shí)間與自A到B自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等。即AE=2R=0.2m AE=gt t=0.2s 4.如圖所示,首先以發(fā)貨口A點(diǎn)為最高點(diǎn)作一個(gè)圓O與傳送帶相切,切點(diǎn)為B,然后過圓心O畫一條豎直線,而連接A、B的直線,就是既過發(fā)貨口A,又過切點(diǎn)B的惟一的弦。 根據(jù)“等時(shí)圓”的規(guī)律,貨物沿AB弦到達(dá)傳送帶的時(shí)間最短。因此,斜槽應(yīng)沿AB方向安裝。AB所對的圓周角β為圓心角的一半,而圓心角又等于α,所以。

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