一、常見繩桿模型特點:
(一)繩(軌道內(nèi)側(cè))類豎直面內(nèi)圓周運動
【例1】如圖所示,用長為L的輕繩把一個小鐵球懸掛在高2L的O點處,小鐵球以O(shè)為圓心在豎直平面內(nèi)做圓周運動且恰能到達最高點B處,則有( )
A.小鐵球在運動過程中輕繩的拉力最大為6mg
B.小鐵球在運動過程中輕繩的拉力最小為mg
C.若運動中輕繩斷開,則小鐵球落到地面時的速度大小為 SKIPIF 1 < 0
D.若小鐵球運動到最低點時輕繩斷開,則小鐵球落到地面時的水平位移為2L
【答案】AC
【詳解】AB.小鐵球以O(shè)為圓心在豎直平面內(nèi)做圓周運動且恰能到達最高點B處,說明小鐵球在最高點B處時,輕繩的拉力最小,為零 SKIPIF 1 < 0 對小球由B點運動到最低點的過程應(yīng)用動能定理 SKIPIF 1 < 0 在最低點時輕繩的拉力最大,由牛頓第二定律 SKIPIF 1 < 0 聯(lián)立解得輕繩的拉力最大為F=6mg,A正確,B錯誤;
C.以地面為重力勢能參考平面,小鐵球在B點處的總機械能為 SKIPIF 1 < 0 無論輕繩是在何處斷開,小鐵球的機械能總是守恒的,因此到達地面時的動能 SKIPIF 1 < 0 落到地面時的速度大小 SKIPIF 1 < 0
C正確;
D.小鐵球運動到最低點時速度 SKIPIF 1 < 0 由平拋運動規(guī)律 SKIPIF 1 < 0 ; SKIPIF 1 < 0 聯(lián)立解得小鐵球落到地面時的水平位移 SKIPIF 1 < 0 ,D錯誤。故選AC。
【例2】如圖所示,半徑為 SKIPIF 1 < 0 的豎直光滑圓軌道內(nèi)側(cè)底部靜止著一個光滑小球,現(xiàn)給小球一個沖擊使其在瞬間得到一個水平初速 SKIPIF 1 < 0 ,若 SKIPIF 1 < 0 大小不同,則小球能夠上升到的最大高度(距離底部)也不同。下列說法中不正確的是( )
A.如果 SKIPIF 1 < 0 ,則小球能夠上升的最大高度等于 SKIPIF 1 < 0
B.如果 SKIPIF 1 < 0 ,則小球能夠上升的最大高度等于 SKIPIF 1 < 0
C.如果 SKIPIF 1 < 0 ,則小球能夠上升的最大高度小于 SKIPIF 1 < 0
D.如果 SKIPIF 1 < 0 ,則小球能夠上升的最大高度等于 SKIPIF 1 < 0
【答案】B
【詳解】A.如果 SKIPIF 1 < 0 ,則有 SKIPIF 1 < 0 小球始終在軌道下半部分運動,不會脫離軌道,能夠上升的最大高度為 SKIPIF 1 < 0 ,故A正確;
BD.假設(shè)小球能夠以速度v恰好通過軌道最高點,則在最高點,根據(jù)牛頓第二定律有 SKIPIF 1 < 0
對小球從最低點到最高點的過程,根據(jù)動能定理有 SKIPIF 1 < 0 聯(lián)立解得 SKIPIF 1 < 0 所以 SKIPIF 1 < 0 是小球為了能夠通過最高點而在最低點獲得的最小速度,由此可知B錯誤,D正確;
C.如果 SKIPIF 1 < 0 ,設(shè)其能夠上升的最大高度為h,由于小球做圓周運動,所以在最大高度處速度不能為零,設(shè)為 SKIPIF 1 < 0 ,根據(jù)動能定理有 SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0 故C正確。故選B。
(二)桿(管)類豎直面內(nèi)圓周運動
【例3】如圖甲所示,輕桿一端固定在O點,另一端固定一小球,現(xiàn)讓小球在豎直平面內(nèi)做半徑為R的圓周運動。小球運動到最高點時,桿與小球間彈力大小為F,小球在最高點的速度大小為v,其 SKIPIF 1 < 0 圖象如,乙圖所示。則( )
A.小球的質(zhì)量為 SKIPIF 1 < 0
B.當?shù)氐闹亓铀俣刃?SKIPIF 1 < 0
C. SKIPIF 1 < 0 時,小球?qū)U彈力方向向下
D. SKIPIF 1 < 0 時,桿對小球彈力大小為2mg
【答案】A
【詳解】AB.在最高點,當 SKIPIF 1 < 0 時,有 SKIPIF 1 < 0 當 SKIPIF 1 < 0 時,有 SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 故A正確;B錯誤;
C.由圖可知,當 SKIPIF 1 < 0 時,桿對小球彈力方向向上,當 SKIPIF 1 < 0 時,桿對小球彈力方向向下,所以當 SKIPIF 1 < 0 時,桿對小球彈力方向向下,故C錯誤;
D.若 SKIPIF 1 < 0 ,由圖可知,桿與小球間的彈力為0,故D錯誤。故選A。
【例4】如圖甲所示,小球在豎直放置的光滑圓形管道內(nèi)做圓周運動。當小球運動到圓形管道的最高點時,管道對小球的彈力與最高點時的速度平方的關(guān)系如圖乙所示(取豎直向下為正方向)。MN為通過圓心的一條水平線。不計小球半徑、管道的粗細,重力加速度為g。則下列說法中正確的是( )
A.管道的半徑為 SKIPIF 1 < 0
B.小球的質(zhì)量為 SKIPIF 1 < 0
C.小球在MN以下的管道中運動時,內(nèi)側(cè)管壁對小球一定沒有有作用力
D.小球在MN以上的管道中運動時,外側(cè)管壁對小球一定有作用力
【答案】BC
【詳解】A.由圖可知:當 SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 ,此時 SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0 故A錯誤;
B.當 SKIPIF 1 < 0 時,此時 SKIPIF 1 < 0 所以 SKIPIF 1 < 0 故B正確;
C.小球在 SKIPIF 1 < 0 下方的管道中運動時,由于向心力的方向要指向圓心,則管壁必然要提供指向圓心的支持力,只有外壁才可以提供這個力,所以內(nèi)側(cè)管壁對小球沒有力,故C正確;
D.小球在 SKIPIF 1 < 0 上方的管道中運動時,重力沿徑向的分量必然參與提供向心力,故可能是外側(cè)管壁受力,也可能是內(nèi)側(cè)管壁對小球有作用力,還可能均無作用力,故D錯誤。故選BC。
二、拱形橋和凹形橋模型特點
(三)拱形橋和凹形橋類豎直面內(nèi)圓周運動
【例5】城市中為了解決交通問題,修建了許多立交橋。如圖所示,橋面是半徑為R的圓弧形的立交橋AB橫跨在水平路面上,一輛質(zhì)量為m的小汽車,從A端沖上該立交橋,小汽車到達橋頂時的速度大小為v1,若小汽車在上橋過程中保持速率不變,則( )
A.小汽車通過橋頂時處于失重狀態(tài)
B.小汽車通過橋頂時處于超重狀態(tài)
C.小汽車在上橋過程中受到橋面的支持力大小為FN=mg-m SKIPIF 1 < 0
D.小汽車到達橋頂時的速度必須大于 SKIPIF 1 < 0
【答案】A
【詳解】AB.由圓周運動知識知,小汽車通過橋頂時,其加速度方向向下,由牛頓第二定律得
mg-FN=m SKIPIF 1 < 0 解得FN=mg-m SKIPIF 1 < 0 <mg故其處于失重狀態(tài),A正確,B錯誤;
C.FN=mg-m SKIPIF 1 < 0 只在小汽車通過橋頂時成立,而在其上橋過程中不成立,C錯誤;
D.由mg-FN=m SKIPIF 1 < 0 ,F(xiàn)N≥0,解得v1≤ SKIPIF 1 < 0 ,D錯誤。故選A。
【例6】如圖所示,質(zhì)量為m的物塊,沿著半徑為R的半球形金屬殼內(nèi)壁滑下,半球形金屬殼豎直固定放置,開口向上,滑到最低點時速度大小為v,若物體與球殼之間的動摩擦因數(shù)為 SKIPIF 1 < 0 ,則物體在最低點時,下列說法正確的是( )
A.受到的摩擦力為 SKIPIF 1 < 0
B.受到的摩擦力為 SKIPIF 1 < 0
C.受到向心力為 SKIPIF 1 < 0
D.受到的合力方向豎直向上
【答案】A
【詳解】AB.根據(jù)牛頓第二定律得 SKIPIF 1 < 0 則 SKIPIF 1 < 0 所以滑動摩擦力 SKIPIF 1 < 0
故A正確B錯誤;
C.向心力的大小 SKIPIF 1 < 0 故C錯誤;
D.由于重力支持力的合力方向豎直向上,滑動摩擦力方向水平向左,則物體合力的方向斜向左上方,D錯誤。故選A。
【多維度分層專練】
1.如圖所示,在同一豎直平面內(nèi)有兩個正對著的半圓形光滑軌道,軌道的半徑都是R。軌道端點所在的水平線相隔一定的距離x。一質(zhì)量為m的小球能在其間運動而不脫離軌道,經(jīng)過最低點B時的速度為v。小球在最低點B與最高點A對軌道的壓力之差為ΔF(ΔF>0)。不計空氣阻力。則( )
A.m、x一定時,R越大,ΔF一定越大
B.m、x一定時,v越大,ΔF一定越大
C.m、R一定時,x越大,ΔF一定越大
D.m、R一定時,v越大,ΔF一定越大
【答案】C
【詳解】設(shè)m在A點時的速度為vA,在B點時速度為v=vB;對m從A到B點時,根據(jù)動能定理有:
SKIPIF 1 < 0 對m在B點時,受重力和支持力NB的作用,根據(jù)牛頓第二定律: SKIPIF 1 < 0
所以 SKIPIF 1 < 0 ;對m在A點,受重力和支持力NA,根據(jù)牛頓第二定律: SKIPIF 1 < 0
所以 SKIPIF 1 < 0 小球在最低點B與最高點A對軌道的壓力之差 SKIPIF 1 < 0
A.m、x一定時,R越大,ΔF一定越小,選項A錯誤;
B.m、x一定時,ΔF與v無關(guān),選項B錯誤;
C.m、R一定時,x越大,ΔF一定越大,選項C正確;
D.m、R一定時,ΔF與v無關(guān),選項D錯誤;故選C。
2.在離心澆鑄裝置中,電動機帶動兩個支承輪同向轉(zhuǎn)動,管狀模型放在這兩個輪上靠摩擦轉(zhuǎn)動,接觸處不打滑,如圖所示。鐵水注入后,由于離心作用,鐵水緊緊靠在模型的內(nèi)壁上,從而可得到密實的鑄件,澆鑄時轉(zhuǎn)速不能過小,否則鐵水會脫離模型內(nèi)壁,產(chǎn)生次品。已知管狀模型內(nèi)壁的半徑為R,鐵水與模型轉(zhuǎn)動的角速度相同,鐵水的厚度可忽略。則( )
A.管狀模型轉(zhuǎn)動的最小角速度 SKIPIF 1 < 0
B.管狀模型轉(zhuǎn)動的最小角速度 SKIPIF 1 < 0
C.若發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生次品,應(yīng)增大澆鑄時轉(zhuǎn)動的周期
D.支承輪邊緣轉(zhuǎn)動的線速度大于模型外邊緣轉(zhuǎn)動的線速度
【答案】A
【詳解】AB.要使經(jīng)過最高點的鐵水緊壓模型內(nèi)壁,臨界情況是鐵水的重力恰好提供向心力,根據(jù)牛頓第二定律,有 SKIPIF 1 < 0 則 SKIPIF 1 < 0 管狀模型轉(zhuǎn)動的最小角速度 SKIPIF 1 < 0 故A正確,B錯誤;
C.若發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生次品,應(yīng)提高轉(zhuǎn)速,減小轉(zhuǎn)動的周期,故C錯誤;
D.支承輪邊緣和模型外邊緣相切,線速度大小相等,故D錯誤。故選A。
3.如圖(a)所示,小球的初速度為v0,沿光滑斜面上滑,能上滑的最大高度為h,在圖(b)中,四個物體的初速度均為v0。在A圖中,小球沿一光滑內(nèi)軌向上運動,內(nèi)軌半徑大于h;在B圖中,小球沿一光滑內(nèi)軌向上運動,內(nèi)軌半徑小于h;在圖C中,小球固定在輕繩的下端,輕繩的長度為h的一半,小球隨輕繩繞O點向上轉(zhuǎn)動。在D圖中,小球以與水平方向成30°斜拋。則小球上升的高度能達到h的有( )
A.AB.BC.CD.D
【答案】A
【詳解】對圖(a)中的小球應(yīng)用機械能守恒定律有 SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0 所以,小球上升高度h時的末速度一定等于零;
A.根據(jù)機械能守恒定律得 SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0 ,A能上升到h處,A正確;
BC.兩個小球上升到h前已經(jīng)離開軌道,最高點速度不為零,所以B、C兩個小球無法上升到h處,BC錯誤;
D.D球無法到達h處,因為最高點速度不為零,D錯誤。故選A。
4.如圖,在豎直平面內(nèi),滑道ABC關(guān)于B點對稱,且A、B、C三點在同一水平線上。若小滑塊第一次由A滑到C,所用的時間為t1,平均摩擦力f1,到C點的速率v1。第二次由C滑到A,所用時間為t2,平均摩擦力f2,到A點的速率v2,小滑塊兩次的初速度大小相同且運動過程始終沿著滑道滑行,小滑塊與滑道的動摩擦因數(shù)恒定,則( )
A.f1 > f2B.t1 = t2C.t1 > t2D.v1 > v2
【答案】D
【詳解】ABCD.在AB段,由牛頓第二定律得 SKIPIF 1 < 0 滑塊受到的支持力 SKIPIF 1 < 0 則速度v越大,滑塊受支持力F越小,摩擦力f = μF就越小。在BC段,由牛頓第二定律得 SKIPIF 1 < 0 滑塊受到的支持力 SKIPIF 1 < 0 則速度v越大,滑塊受支持力F越大,摩擦力f = μF就越大。由題意知從A運動到C相比從C到A,在AB段速度較大,在BC段速度較小,所以從A到C運動過程受摩擦力較小(f1 < f2),用時短(t1 < t2),克服摩擦力做功較小,根據(jù)動能定理可得v1 > v2,故D正確,ABC錯誤。故選D。
5.2018 年國際雪聯(lián)單板滑雪U形池世錦賽決賽在西班牙內(nèi)華達山收官,女子決賽中,中國選手蔡雪桐以 90.75 分高居第一,成功衛(wèi)冕.如圖所示,單板滑雪 U形池場地可簡化為固定在豎直面內(nèi)的半圓形軌道場地,雪面不同曲面處的動摩擦因數(shù)不同.因摩擦作用, 滑雪運動員從半圓形場地的坡頂下滑到坡底的過程中速率不變,則( )
A.運動員下滑的過程中加速度不變
B.運動員下滑的過程所受摩擦力先增大后減小
C.運動員下滑過程中與雪面的動摩擦因數(shù)變小
D.運動員滑到最低點時對軌道的壓力等于物體的重力
【答案】C
【詳解】A.運動員在下滑過程中速率不變,故可看做勻速圓周運動,根據(jù): SKIPIF 1 < 0 可知加速度大小不變,方向始終指向圓心,方向時刻在變,故加速度時刻在變;故A錯誤
B.設(shè)支持力 SKIPIF 1 < 0 與豎直方向的夾角為θ,則摩擦力 SKIPIF 1 < 0 : SKIPIF 1 < 0 在下滑過程中,由于角度變小,故 SKIPIF 1 < 0 變小,則 SKIPIF 1 < 0 變??;故B錯誤。
C.設(shè)支持力 SKIPIF 1 < 0 與豎直方向的夾角為θ,則 SKIPIF 1 < 0 ; SKIPIF 1 < 0 由于合力大小不變,故在下滑過程中,由于角度變小,故 SKIPIF 1 < 0 變大, SKIPIF 1 < 0 變小,故 SKIPIF 1 < 0 變大, SKIPIF 1 < 0 變小,根據(jù): SKIPIF 1 < 0 可知,摩擦因數(shù)減??;故C正確
D.在最低點時: SKIPIF 1 < 0 依題意,有速度,則支持力不等于重力,根據(jù)牛頓第三定律,壓力等于支持力,所以壓力不等于重力;故D錯誤。
6.現(xiàn)有一根長0.4m的剛性輕繩,其一端固定于O點,另一端系著一個可視為質(zhì)點且質(zhì)量為1kg的小球,將小球提至O點正上方的A點處,此時繩剛好伸直且無張力,如圖所示。不計空氣阻力,g=10m/s2,則( )
A.小球以1m/s的速度水平拋出到繩子再次伸直時的位置在過O點的水平線之上
B.小球以1m/s的速度水平拋出到繩子再次伸直時的位置在過O點的水平線之下
C.小球以2m/s的速度水平拋出的瞬間,繩子的張力大小為10 N
D.小球以4m/s的速度水平拋出的瞬間,繩中的張力大小為30N
【答案】BD
【詳解】AB.若要想使得細繩恰在與O點水平線時細繩伸直,則需滿足 SKIPIF 1 < 0 ; SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0
則若小球以1m/s的速度水平拋出,則到繩子再次伸直時的位置在過O點的水平線之下,選項A錯誤,B正確;
CD.要使小球在豎直面內(nèi)能夠做完整的圓周運動,在最高點時重力恰好提供的向心力,根據(jù)牛頓第二定律可得mg=m SKIPIF 1 < 0 解得v= SKIPIF 1 < 0 =2m/s小球以2m/s的速度水平拋出的瞬間,輕繩剛好有拉力,張力為0;小球以4m/s的速度水平拋出的瞬間,對小球受力分析,由牛頓第二定律得T+mg=m SKIPIF 1 < 0
解得T=30N故D正確,C錯誤;故選BD。
7.如圖所示,輕質(zhì)的細桿一端連接有質(zhì)量為m的小球,輕桿可繞另一端在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動,桿的長度為l,小球可以當作質(zhì)點,當桿轉(zhuǎn)動到豎直平面的最高點時,小球的速度為 SKIPIF 1 < 0 ,忽略小球受到的阻力,g為重力加速度。下列說法中正確的是
A.小球在最高點時小球?qū)p桿的彈力方向向上
B.小球在最高點時輕桿對小球的彈力大小為 SKIPIF 1 < 0 mg
C.小球轉(zhuǎn)動到最低點時,桿對小球的彈力大小為 SKIPIF 1 < 0 mg
D.若小球在最高點受到桿的彈力大小為 SKIPIF 1 < 0 mg,小球在最高點的速度一定為 SKIPIF 1 < 0
【答案】BC
【詳解】AB.對位于最高點的小球分析受力,設(shè)輕桿對小球的彈力F方向向下,由牛頓第二定律有
SKIPIF 1 < 0 ,代入速度值,解得 SKIPIF 1 < 0 ,負號表示方向向上,輕桿對小球的彈力方向向上,小球?qū)p桿的彈力方向向下,選項A錯誤、B正確;
C.設(shè)輕桿在最低點對球的彈力為F1,由牛頓第二定律有 SKIPIF 1 < 0 ,根據(jù)動能定理可求小球的速度
SKIPIF 1 < 0 ,則 SKIPIF 1 < 0 ,選項C正確;
D.若小球在最高點受到桿的彈力大小為 SKIPIF 1 < 0 ,小球受到桿的力可能是拉力也可能是支持力,
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0 或 SKIPIF 1 < 0 ,選項 D 錯誤;故選擇:BC;
8.如圖所示,一個內(nèi)部光滑的螺旋狀管道固定在豎直平面內(nèi),外、中、內(nèi)三段圓周的直徑之比為5∶4∶3,最外側(cè)管道的直徑d。某時刻,小球以大小為v0的初速度從水平管道的左端O處射入管道,小球恰好能夠在管道內(nèi)自由移動。管道的粗細遠小于其螺旋半徑,重力加速度為g,下列說法正確的是( )
A.當小球的初速度 SKIPIF 1 < 0 時,小球能夠運動到M點,且對管道的壓力等于mg
B.當小球的初速度 SKIPIF 1 < 0 時,小球能夠運動到N點,且對管道的壓力等于零
C.當小球的初速度 SKIPIF 1 < 0 時,小球恰好運動到N點,且對管道的壓力等于mg
D.當小球的初速度 SKIPIF 1 < 0 時,小球能夠運動到M點,且對管道的壓力等于零
【答案】AB
【詳解】A.從O點到M點根據(jù)機械能守恒定律有 SKIPIF 1 < 0 設(shè)在M點,管道對小球的作用力為F,根據(jù)牛頓第二定律有mg+FM= SKIPIF 1 < 0 當 SKIPIF 1 < 0 時,解得小球到M點的速度vM=0;FM=mg所以小球?qū)艿赖膲毫Φ扔趍g,A正確。
B.同理當 SKIPIF 1 < 0 時,根據(jù)機械能守恒定律有 SKIPIF 1 < 0 小球運動到N點時速度大小為
SKIPIF 1 < 0 根據(jù) SKIPIF 1 < 0 對軌道的壓力大小為0,B正確。
CD.當 SKIPIF 1 < 0 時,設(shè)小球能夠到達的最大高度為h,根據(jù)機械能守恒有 SKIPIF 1 < 0 解得 SKIPIF 1 < 0
可見,小球在最外側(cè)軌道運動到與N點等高的位置時,速度變?yōu)榱?,不會運動到N點,更不會運動到M點,則CD錯誤。故選AB。
導(dǎo)練目標
導(dǎo)練內(nèi)容
目標1
繩(軌道內(nèi)側(cè))類豎直面內(nèi)圓周運動
目標2
桿(管)類豎直面內(nèi)圓周運動
目標3
拱形橋和凹形橋類豎直面內(nèi)圓周運動
輕繩模型
輕桿模型
情景圖示
彈力特征
彈力可能向下,也可能等于零
彈力可能向下,可能向上,也可能等于零
受力示意圖
力學(xué)方程
mg+FT=meq \f(v2,r)
mg±FN=meq \f(v2,r)
臨界特征
FT=0,即mg=meq \f(v2,r),得v=eq \r(gr)
v=0,即F向=0,
此時FN=mg
模型關(guān)鍵
(1)“繩”只能對小球施加向下的力
(2)小球通過最高點的速度至少為eq \r(gr)
(1)“桿”對小球的作用力可以是拉力,也可以是支持力
(2)小球通過最高點的速度最小可以為0
拱形橋模型
凹形橋模型
情景圖示
彈力特征
彈力可能向上,也可能等于零
彈力向上
受力示意圖
力學(xué)方程
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
臨界特征
FN=0,即mg=meq \f(v2,r),得v=eq \r(gr)
模型關(guān)鍵
①最高點: SKIPIF 1 < 0 ,失重;
② SKIPIF 1 < 0 ,汽車脫離,做平拋運動。
①最低點: SKIPIF 1 < 0 ,超重;
② SKIPIF 1 < 0 ,v越大,F(xiàn)N越大。

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