| 生活中的圆周运动 题目答案及解析

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必修2

第五章 曲线运动

5.7 生活中的圆周运动

生活中的圆周运动

如果某品牌汽车的质量为$m$,汽车在水平弯道转弯,弯道部分的半径$r$,汽车轮胎与路面的动摩擦因数为$\mu $,为使汽车转弯时不打滑。求:

汽车行驶的最大速度是多少?

[["

$\\sqrt{\\mu gr}$

"]]

因为汽车在水平弯道拐弯时,由摩擦力提供所需的向心力,所以当汽车速度最大时,由最大静摩擦提供向心力,则有$\mu mg=m\dfrac{{{v}_{\max }}^{2}}{r}$

解得汽车行驶的最大速度为${{v}_{\max }}=\sqrt{\mu gr}$

了防止在公路弯道部分由于行车速度过大而发生侧滑,常将弯道部分设计成外高内低的斜面。若某汽车的质量为$m=1.2\times {{10}^{3}}\;\rm \text{kg}$,弯道部分的半径为$r=10\;\rm \text{m}$,汽车轮胎与路面的动摩擦因数为$\mu =0.5$,路面设计的倾角为$37{}^\circ $,如图所示。($g=10\;\rm \text{m/}{{\text{s}}^{2}}$$\sin 37{}^\circ =0.6$$\cos 37{}^\circ =0.8$)求:汽车行驶的最大速度是多少?(结果保留一位小数)

  

[["

$14.1\\;\\rm \\text{m}/\\text{s}$

"]]

若将弯道部分设计成外高内低的斜面时,对汽车受力分析如图

则当汽车行驶速度最大时,竖直方向满足$F_{\mathrm{N}} \cos \theta=m g+F_{\mathrm{f}} \sin \theta$

水平方向满足${{F}_{\text{N}}}\sin \theta +{{F}_{\text{f}}}\cos \theta =m\dfrac{{{v}^{2}}}{r}$

其中${{F}_{\text{f}}}=\mu {{F}_{\text{N}}}$

联立解得最大速度为$v=\sqrt{\dfrac{gr(\sin \theta +\mu \cos \theta )}{\cos \theta -\mu \sin \theta }}=\sqrt{\dfrac{10\times 10\times (0.6+0.5\times 0.8)}{0.8-0.5\times 0.6}}\ \text{m}/\text{s}\approx 14.1\;\rm \text{m}/\text{s}$

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