等时圆模型(最全)

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` “等时圆”模型的规律及应用
一、 等时圆模型(如图所示)

a b 二、 等时圆规律:
1、小球从圆的顶端沿光滑弦轨道静止滑下,滑到弦轨道与圆的交点的时间相等。(如图a
2、小球从圆上的各个位置沿光滑弦轨道静止滑下,滑到圆的底端的时间相等。(如图b
3、沿不同的弦轨道运动的时间相等,都等于小球沿竖直直径(d)自由落体的时间,即
t02d4RR (式中R为圆的半径。) 2ggg三、等时性的证明
设某一条弦与水平方向的夹角为,圆的直径为d(如右图)。根据物体沿光滑弦作初速度为零的匀加速直线运动,加速度为agsin,位移为sdsin,所以运动时间为
t02sa2dsingsin2d
g 即沿各条弦运动具有等时性,运动时间与弦的倾角、长短无关。
四、应用等时圆模型解典型例题
1如图1,通过空间任一点A可作无限多个斜面,若将若干个小物体从点A分别沿这些倾角各不相同的光滑斜面同时滑下,那么在同一时刻这些小物体所在位置所构成的面是(
A.球面 B.抛物面 C.水平面 D.无法确定
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` 【解析】“等时圆”可知,同一时刻这些小物体应在同一“等时圆”上,所以A正确。

2如图2在斜坡上有一根旗杆长为L,现有一个小环从旗杆顶部沿一根光滑钢丝AB滑至斜坡底部,又OB=L。求小环从A滑到B的时间。
【解析】:可以以O为圆心,以 L为半径画一个圆。根据“等时圆”的规律可知,从A滑到B的时间等于从A点沿直径到底端D的时间,所以有B L
D 2 A L O tABtAD2dg4LL 2gg3如图5所示,在同一竖直线上有AB两点,相距为hB点离地高度为H,现在要在地面上寻找一点P,使得从AB两点分别向点P安放的光滑木板,满足物体从静止开始分别由AB沿木板下滑到P点的时间相等,求OP两点之间的距离OP
解析:由“等时圆”特征可知,当AB处于等时圆周上,且P点处于等时圆的最低点时,即能满足题设要求。
如图6所示,此时等时圆的半径为: RO1PH所以 OPA h B H A h B H O1 h
2
hR2(2H(Hh
2
O
P
O
P 5 6 4如图7 AB是一倾角为θ的输送带,P处为原料输入口,为避免粉尘飞扬,在PAB输送带间建立一管道(假使光滑),使原料从P处以最短的时间到达输送带上,则管道与竖直方向的夹角应为多大? P P
B B
O

C A A
θ
θ
7 8
解析:借助“等时圆”,可以过P点的竖直线为半径作圆,要求该圆与输送带AB相切,如图所示,C为切点,O为圆心。显然,沿着PC弦建立管道,原料从P处到达C点处的时间与沿其他弦到达“等时圆”的圆周上所用时间相等。因而,要使原料从P处到达输送带上所Word文档


` 用时间最短,需沿着PC建立管道。由几何关系可得:PC与竖直方向间的夹角等于θ/ 2

三、“形似质异”问题的区分
1、还是如图1的圆周,如果各条轨道不光滑,它们的摩擦因数均为μ,小滑环分别从abc处释放(初速为0)到达圆环底部的时间还等不等?
解析:bd的长为2Rcosθ,bd面上物体下滑的加速度为a=gcosθ-μgsinθ,tbd=4RcosR=2。可见t与θ有关。
ggtangcosgsin2、如图9,圆柱体的仓库有三块长度不同的滑板aObOcO,其下端都固定于底部圆000O,而上端则搁在仓库侧壁,三块滑块与水平面的夹角依次为304560。若有三个小孩同时从abc处开始下滑(忽略阻力),则 Aa处小孩最先到O Bb处小孩最先到O
c Cc处小孩最先到O Dac处小孩同时到O
解析:三块滑块虽然都从同一圆柱面上下滑,但abc三点不b a 可能在同一竖直圆周上,所以下滑时间不一定相等。设圆柱底面半径4RR1220R,则=gsinθtt=,当θ=45时,t最小,当gsin2cos2θ=3060时,sin2θ的值相等。

0
0
O θ
3如图3,在设计三角形的屋顶时,为了使雨水能尽快地从屋顶流下,并认为雨水是从静止开始由屋顶无摩擦地流动。试分析和解:在屋顶宽度(2L)一定的条件下,屋顶的倾角应该多大?雨水流下的最短时间是多少?
【解析】:4LL12 20=gsinθt t=,当θ=45时,t最小
gsin2cos23 训练
1、如图所示,oaoboc是竖直面三根固定的光滑细杆,Oabcd位于同一圆周上,d点为圆周的最高点,c点为最低点.每根杆上都套着一个小滑环(图中未画出,三个滑环都从o点无初速释放,到达abc所用的时间,(

依次表示滑环Word文档


`
A.

B. C. D.
答案详解D:O点为最高点,取合适的竖直直径oe作等时圆,obb,图所示,显然ofbge才是等时的,比较图示位移故推得
,,,选项ABC错误,D正确.

2、身体素质拓展训练中,人从竖直墙壁的顶点A沿光滑杆自由下滑倾斜的木板上(人可看做质点),若木板的倾斜角不同,人沿着三条不同路径ABACAD滑到木板上的时间分别为t1t2t3若已知ABACAD与板的夹角分别为70°、90°和105°,则

A. t1>t2>t3 B. t123 C. t1=t2=t3 D. 不能确定t1t2t3之间的关系
解析:若以OA为直径画圆,如图,则AB交圆周与E点,C点正好在圆周上,D点在圆周之,AD的延长线交圆周与F点,设ACAO的夹角为α,
根据牛顿第二定律得人做初速为零的匀加速直线运动的加速度为:a=gcosα
由图中的直角三角形可知,人的位移为:S=AOcosα

则可知人从AC得时间为:
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` ,可知与斜面的倾角无关,即人从A带你滑到ECF的时间是相等的,则可知人从A点滑到BCD的时间关系t1>t2>t3,故A正确;故选:A
3、竖直正方形框有三条光滑轨道OBOCOD,三轨道交于O点,且与水平方向的夹角分别为304560。现将甲、乙、丙三个可视为质点的小球同时从O点静止释放,分别沿OBOCOD运动到达斜面底端。则三小球到达斜面底端的先后次序
o
o
o

A. 甲、乙、丙 B. 丙、乙、甲 C. 甲、丙同时到达,乙后到达 D. 不能确定三者到达的顺序


4、如图所示,地面上有一固定的球面,球半径为R,球面的斜上方P处有一质(P与球心O在同一竖直平面.已知P到球心O的距离为L,P到地面的垂直距离为H,现要使此质点从静止开始沿一光滑斜直轨道在最短时间滑到球面上,求所需的最短时间.
:(1求证:如图所示小球从竖直平面的半径为R'的圆的顶点,沿光滑轨道运动到任何方向圆外边缘, Word文档


`

PQ,PQ
, Word文档


` 由三角关系得PQ的长度为:
,沿:
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` 由位移时间公式得,运动时间:即运动时间与角度无关,故对应任何轨道的时间均相同.
(2作图:P为顶点作一半径为r的球面,使其与所给球面相切与Q,如图所:
(1P,Word文档


`
用时均长于PQ用时,则线段PQ即为所求的用时最短的轨道. (3解题:把上图转化如下: Word文档


`


, Word文档


` 由三角关系得:

联立以上两式计算得出:
Word文档


` (1,运动时间:
:所需的最短时间为
. Word文档

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/a666513c988fcc22bcd126fff705cc1754275f4a.html

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