高考必刷题之圆锥摆运动题型汇总
高考物理模型101专题讲练：第18讲 水平面内的圆周运动(圆锥摆模型)及其临界问题
第18讲水平面内的圆周运动（圆锥摆模型）及其临界问题1．（江苏高考）如图所示，“旋转秋千”中的两个座椅A、B质量相等，通过相同长度的缆绳悬挂在旋转圆盘上，不考虑空气阻力的影响，当旋转圆盘绕竖直的中心轴匀速转动时，下列说法正确的是（）A．A的速度比B的大B．A与B的向心加速度大小相等C．悬挂A、B的缆绳与竖直方向的夹角相等D．悬挂A的缆绳所受的拉力比悬挂B的小一.知识总结1．圆周运动相关物理量3.匀速圆周运动与变速圆周运动的区别与联系匀速圆周运动变速圆周运动运动特点线速度的大小不变，角速度、周期和频率都不变，向心加速度的大小不变线速度的大小、方向都变，角速度变，向心加速度的大小、方向都变，周期可能变也可能不变受力特点所受到的合力为向心力，大小不变，方向变，其方向时刻指向圆心所受到的合力不总指向圆心，合力产生两个效果：①沿半径方向的分力F n，即向心力，它改变速度的方向；②沿切线方向的分力F t，它改变速度的大小运动性质非匀变速曲线运动(加速度大小不变，方向变化)非匀变速曲线运动(加速度大小、方向都变化)二. 圆锥摆模型及其临界问题1.圆锥摆模型的受力特点受两个力，且两个力的合力沿水平方向，物体在水平面内做匀速圆周运动。
2．运动实例运动模型向心力的来源图示飞机水平转弯火车转弯圆锥摆物体在光滑半圆形碗 内做匀速圆周运动3．解题方法(1)对研究对象进行受力分析，确定向心力来源。
(2)确定圆心和轨道半径。
(3)应用相关力学规律列方程求解。
4．规律总结 (1)圆锥摆的周期如图摆长为L ，摆线与竖直方向夹角为θ。
受力分析，由牛顿第二定律得：mg tan θ＝m 4π2T 2rr ＝L sin θ解得T ＝2πL cos θg ＝2πh g 。
(2)结论①摆高h ＝L cos θ，周期T 越小，圆锥摆转得越快，θ越大。
②摆线拉力F ＝mgcos θ，圆锥摆转得越快，摆线拉力F 越大。
③摆球的加速度a ＝g tan θ。
高考物理平抛运动经典题型汇总与解析
平抛运动专题练习1.（单选）图中给出某一通关游戏的示意图，安装在轨道AB上可上下移动的弹射器，能水平射出速度大小可调节的弹丸，弹丸射出口在B点的正上方，竖直面内的半圆弧BCD的半径为R=2.0m，直径BD水平且与轨道AB处在同一竖直平面内，小孔P和圆心O连线与水平方向夹角为37º，游戏要求弹丸垂直于P点圆弧切线方向射入小孔P就能进入下一关.为了能通关，弹射器离B点的高度和弹丸射出的初速度分别是(不计空气阻力) （）A. B.C. D.2.（多选）如图所示，在高处有小球，速度水平抛出，与此同时，地面上有个小球以速度竖直上抛，两球在空中相遇，则（）A. 从它们抛出到相遇所需的时间是B. 从它们抛出到相遇所需的时间是C. 两球抛出时的水平距离为D. 两球抛出时的水平距离为3.（单选）如图所示，小球甲从A点水平抛出的同时小球乙从B点自由释放，两小球先后经过C点时速度大小相等，方向间夹角为θ=45°，已知BC高h，不计空气的阻力。
由以上条件可知（）A. 甲小球做平抛运动的初速度大小为B. 甲、乙两小球到达C点所用时间之比为1:2C. A、B两点的高度差为D. A、B两点的水平距离为4.（多选）横截面为直角三角形的两个相同斜面如图紧靠在一起，固定在水平面上，它们的竖直边长都是底边长的一半．小球从左边斜面的顶点以不同的初速度向右平抛，最后落在斜面上．其中三个小球的落点分别是a、b、c．图中三小球比较，下列判断正确的是（）A．落在c点的小球飞行时间最长B．落在a点的小球飞行时间最长C．落在c点的小球飞行过程速度变化最快D．落在c点的小球飞行过程速度变化最小5.（单选）如图所示，球网高出桌面H ，网到桌边的距离为L ．某人在乒乓球训练中，从左侧2L处，将球沿垂直于网的方向水平击出，球恰好通过网的上沿落到右侧桌边缘．设乒乓球运动为平抛运动．则（ ） A ．击球点的高度与网高度之比为2：1 B ．乒乓球在网左右两侧运动时间之比为2：1 C ．乒乓球过网时与落到桌边缘时速率之比为1：2 D ．乒乓球在左、右两侧运动速度变化量之比为1：26.（多选）如图所示，一网球运动员将球在边界处正上方正对球网水平向前击出，球刚好过网落在图中位置（不计空气阻力），相关数据如图，下列说法中正确的是（ ） A ．击球点高度h 1与球网高度h 2之间的关系为h 1=1.8h 2 B ．若保持击球高度不变，球的初速度满足21gh hs ＜v 0＜112gh h s ，一定落在对方界内 C ．任意降低击球高度（仍大于h 2），只要击球初速度合适，球一定能落在对方界内 D ．任意增加击球高度，只要击球初速度合适，球一定能落在对方界内7.（多选）如图，在同一竖直面内，小球a 、b 从高度不同的两点，分别以初速度v a 和v b 沿水平方向抛出，经过时间t a 和t b 后落到与两抛出点水平距离相等的P 点．若不计空气阻力，下列关系式正确的是（ ） A ．t a ＞t b B ．t a ＜t b C ．v a ＜v bD ．v a ＞v b8.（多选）如图所示，在水平路面上一运动员驾驶摩擦车跨越壕沟，壕沟两侧的高度差为 0.8m ，水平距离为8m ，则 （取 g=10m/s 2）（ ） A ．运动员跨过壕沟的时间约为 0.4s B ．运动员跨过壕沟的时间约为 0.3s C ．运动员跨过壕沟的初速度至少为 10m/s D ．运动员跨过壕沟的初速度至少为 20m/s9.（单选）如图所示，在光滑的水平面上有小球 A 以初速度 v 0 向左运动，同时刻一个小孩在 A 球正上方以 v 0 的速 度将 B 球平抛出去，最后落于 C 点，则（ ） A ．小球 A 先到达 C 点B ．小球 B 先到达C 点 C ．两球同时到达 C 点D ．不能确定10.（单选）如图所示，从同一条竖直线上两个不同点 P 、Q 分别向右平抛两个小球，平抛的初速度 分别为 v 1、v 2，结果它们同时落到水平面上的 M 点处（不考虑空气阻力）．下列说法中正 确的是（ ） A ．一定是 P 先抛出的，并且 v 1=v 2 B ．一定是 P 先抛出的，并且 v 1＜v 2 C ．一定是 Q 先抛出的，并且 v 1=v 2 D ．一定是 Q 先抛出的，并且 v 1＞v 211.（单选）如图，竖直平面内有一段圆弧MN ，小球从圆心O 处水平抛出，若初速度为v a ，将落在圆弧上的a 点，若初速度为v b ，将落在圆弧上的b 点，已知Oa 、Ob 与竖直方向的夹角分别为α、β，不计空气阻力，则初速度大小之比为（ ） A ．βαsin sin B ．αβcos cos C ．βααβsin sin cos cos D ．αββαcos cos sin sin 12.（多选）如图所示，在某次自由式滑雪比赛中，一运动员从弧形雪坡上沿水平方向飞出后，又落回到斜面雪坡上，若斜面雪坡的倾角为θ，运动员飞出时的速度大小为v 0，不计空气阻力，运动员飞出后在空中的姿势保持不变，重力加速度为g ，则（ ） A ．运动员落到雪坡时的速度大小为θcos 0v B ．运动员在空中飞行的时间是gv θtan 20 C ．如果v 0大小不同，则运动员落到雪坡时的速度于斜面的夹角也就不同 D ．不论v 0多大，该运动员落到雪坡上时的速度与斜面的夹角都是相同的13.（单选）2007年10月13日，日本、美国、法国、英国、澳大利亚和新西兰在日本东京伊豆大岛海域举行联合海上军事演习，如图所示，若在演习中，离地H 高处的飞机以水平速度v 1发射一颗导弹欲轰炸地面目标P ，反应灵敏的地面拦截系统同时以速度v 2竖直向上发射导弹拦截．设拦截系统与飞机的水平距离为x ，若拦截成功，不计空气阻力，则v 1、v 2的关系应满足（ ）A ．v 1=v 2B ．v 1=2v x HC ．v 1=v 2 xHD ．v 1=2v H x14.如图所示，射击枪水平放置，射击枪与目标靶中心位于离地面足够高的同一水平线上，枪口与目标靶之间的距离s=36m，子弹射出的水平速度v0=40m/s，子弹从枪口射出的瞬间目标靶由静止开始释放，不计空气阻力，取重力加速度g为10m/s2，求：（1）从子弹由枪口射出开始计时，经多长时间子弹击中目标靶？（2）目标靶由静止开始释放到被子弹击中，下落的距离h为多少？（3）子弹击中目标靶时的速度的大小？15.如图所示，一小球从平台上抛出，恰好落在临近平台的一倾角为α=53°的光滑斜面顶端并沿斜面下滑，已知斜面顶端与平台的高度差h=0.8m，重力加速度g=10m/s2，（sin53°=0.8，cos53°=0.6）求：（1）小球水平抛出的初速度v0是多少；（2）若斜面顶端高H=20.8m，则小球离开平台后经多长时间到达斜面底端．16.如图所示，参加某电视台娱乐节目的选手从较高的平台上以水平速度跃出后，落在水平传送带上．已知平台与传送带的高度差H=1.8m，水池宽度s0=1.2m，传送带AB间的距离L0=9.6m．由于传送带足够粗糙，假设选手落到传送带上后瞬间相对传送带静止，经过△t=1.0s反应时间后，立刻以a=2m/s2恒定向右的加速度跑至传送带最右端。
圆锥摆升级版(答案)
圆锥摆升级版（参考答案）金属块Q保持在桌面上静止2．【答案】 B【解析】小球做匀速圆周运动，对其受力分析如图所示，则有mg tan θ＝mω2L sin θ，整理得：L cos θ＝gω2，则两球处于同一高度，故B正确。
3．【答案】C【解析】当ω较小时，小球没有脱离圆锥，小球受到重力G、拉力T和垂直于光滑圆锥的支持力N的作用，它们在水平方向的合力提供向心力，设圆锥底角为θ，则T sinθ＋N cosθ＝G，T cosθ－N sinθ＝mω2l cosθ，可求得，T＝G sinθ＋mω2l cos2θ，此时T—ω2图象是纵轴截距不为零的倾斜直线，斜率k＝ml cos2θ；当ω较大时，小球脱离圆锥，小球的重力G和拉力T的合力提供向心力，设细绳与水平方向的夹角为α，则T cosα＝mω2l cosα，可求得T＝mω2l，此时T－ω2图象是斜率k′＝ml>k的倾斜直线．综上分析，选项C正确．4．【答案】C【解析】解：座椅在水平面内做匀速圆周运动，由重力和绳的拉力的合力提供向心力，如图，则有：mgtanθ=mω2r由几何关系有：r=htanθ整理得：ω2h=g，不变，则当ω增大时，h减小，θ增大，故ABD错误，C正确。
5．【答案】A6． 【答案】 D【解析】 A 、B 绕竖直轴匀速转动的角速度相等，即ωA ＝ωB ，同高同角速度，所以等效圆锥摆的高相等，但r A <r B ，根据v ＝ωr 得，A 的速度比B 的小，选项A 错误；根据a ＝ω2r 得，A 的向心加速度比B 的小，选项B 错误；A 、B 做圆周运动时的受力情况如图所示，根据F 向＝mω2r 及tan θ＝F 向mg ＝ω2rg知，悬挂A 的缆绳与竖直方向的夹角小，选项C 错误；由图知F T ＝mgcos θ，所以悬挂A 的缆绳受到的拉力小，选项D 正确。
7． 【答案】 ABC【解析】 设线BM 与竖直方向的夹角为θ，线AM 与竖直方向的夹角为α，对物体M 进行受力分析，如右图所示，根据向心力公式，有T BM cos θ＝mg ＋T AM cos α①，T BM sin θ＋T AM sin α＝mω2r ②.当ω较小时，线BM 的张力在水平方向的分量可以提供向心力，此时线AM 没有力，当ω增大到某值时，线BM 的张力在水平方向的分量不足以提供向心力，此时线AM 才有张力的作用，故A 正确；ω增大，物体所需的向心力增大，线BM 和AM 的张力都增大，故B 正确；当线AM 没有拉直时，线AM 的张力等于零，线BM 肯定有张力，当线AM 拉直时，θ＝α，由①式，可知线BM 的张力一定大于线AM 的张力，故C 正确，D 错误．8． 【答案】 B 反思总结解决临界问题的一般思路首先要考虑达到临界条件时物体所处的状态，其次分析该状态下物体的受力特点，最后结合圆周运动知识，列出相应的动力学方程综合分析。
圆锥摆问题
• 高卡
总结：
本题以圆周运动为情景，要求考生熟练掌握并灵活应用匀速圆周运 动的规律，不急考查考生对牛顿第二定律的应用，同时考查考生应 用多种方法解决问题的能力。比如正交分解法/临界分析法等。综 合性强，能考查考生多方面的能力，能真正考查考生对知识的掌握 程度。体现了对考生分析综合能力和应用数学知识解决物理问题能 力的考查。解决本题的关键，一是利用几何关系确定小球圆周运动 的半径；二是对小球进行受力分析时，先假定其中一条绳上恰无拉 力，通过受力分析由牛顿第二定律求出角速度的一个取值，再假定 另一条绳上恰无拉力，求出角速度的另一个取值，则角速度的范围 介于这两个值之间时两绳始终有张力。
解：设转盘转动的角速度为ω时，钢绳与竖直方 向的夹角为θ
座椅到中性轴的距离为：R=r+Lsinθ
对座椅分析有：F向=mgtanθ=mRω2 联力两式，解得：
g tan r L sin
F向
ma向
mg
tan
m
l
v2 sin
m2l sin
m 2 T
2l sin
m2f
2l sin
向心加速度可表示为：
a向
F向 m
g tan
v2
l sin
2l sin
2
T
2 l sin
2f
2l sin
3、摆线拉力的计算
摆线的拉力，有两种基本思路：
① 当θ角已知时：F拉=mg/cosθ；
θ
② 当θ角未知时：
动的平面离漏斗尖端距离为h）
由：
Fn
mg
tan
m( 2 )2 h tan
T
m 2h tan
mv 2
h tan
得： T 2 tan h
2024年高一物理考点大串讲(人教版2019必修第二册)常见的圆周运动模型及其临界问题(解析版)
试题猜想03常见的圆周运动模型及其临界问题【必备知识】一、圆锥摆模型及水平面内圆周运动的临界问题1.圆锥摆模型(1)常见的圆锥摆模型物体受重力、斜向上的拉力或支持力等(也可能受斜面的摩擦力)在水平面内做匀速圆周运动，称为圆锥摆模型。
(2)圆锥摆问题的分析思路①对研究对象进行受力分析，确定向心力来源。
②确定圆心和半径。
③应用相关规律列方程求解。
在竖直方向根据平衡条件列式，在水平方向根据向心力公式和牛顿第二定律列式。
2.两类常见模型的临界情况分析(1)水平转盘模型①如果只有摩擦力提供向心力，物体间恰好不发生相对滑动的临界条件是物体间恰好达到，方向指向圆心。
最大静摩擦力，则最大静摩擦力f m＝mv2r②如果除摩擦力以外还有其他力，如绳两端连接物体随水平面转动，其临界情况要根据题设条件进行判断，如判断某个力是否存在以及这个力存在时的方向(特别是一些接触力，如静摩擦力、绳的拉力等)。
(2)圆锥摆模型①绳上拉力的临界条件是：绳恰好拉直且没有弹力或绳上的拉力恰好达到最大值。
②接触或脱离的临界条件是：物体与物体间的弹力恰好为零。
③对于半球形碗内的水平圆周运动有两类临界情况：摩擦力的方向发生改变；恰好发生相对滑动。
二、竖直面内的圆周运动模型及其临界问题1．竖直平面内的圆周运动模型在竖直平面内做圆周运动的物体，运动至轨道最高点时的受力情况(除重力外)，可分为三种模型：一是只有拉(压)力，如球与绳连接、沿内轨道的“过山车”等，称为“轻绳模型”；二是只有推(支撑)力，称为“拱桥模型”；三是可拉(压)可推(支撑)，如球与杆连接、小球在弯管内运动等，称为“轻杆模型”。
【实战通关】A．所受的合力可能为零B．只受重力和地面的支持力作用C．所需的向心力由重力和支持力的合力提供D．最大速度不能超过10m/s在学校运动会中，A ．0.2倍B 【答案】D【详解】做圆周运动所需的向心力约为A ．tan g RθB ．R 【答案】C【详解】对小物块受力分析，由题意可知，小物块受重力，和罐壁的支持力，由牛顿第二定律可得米混合接力冠军，为中国体育代表团收获了北京冬奥会的首枚金牌。
高中物理必修二-第二章-专题强化4-圆周运动的动力学问题-圆锥摆模型可编辑全文
7.如图所示，M能在水平光滑杆上自由滑动，滑杆连架装在转盘上.M用 绳跨过在圆心处的光滑滑轮与另一质量为m的物体相连.当转盘以角速度 ω转动时，M离轴距离为r，且恰能保持稳定转动.当转盘转速增至原来的 2倍，调整r使之达到新的稳定状态，则滑块M A.所需要的向心力变为原来的 4 倍
√D.受到的摩擦力大小为 μm(g＋vr2)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
由题可知，物体在最低点时的速度大小为 v，则物 体的向心力 F＝mvr2，A 错误； 物体在最低点时，合力提供向心力，即 FN－mg＝mvr2，则球壳对物体 的支持力 FN＝mg＋mvr2，结合牛顿第三定律可知，物体在最低点时对 球壳的压力大小为 mg＋mvr2，B 错误； 物块受到的摩擦力 f＝μFN＝μm(g＋vr2)，C 错误，D 正确.
3.动力学方程及线速度、角速度与绳长的关系
如图所示，设小球的质量为m，绳与竖直方向的夹角为θ，绳长为l，则
小球做圆周运动的半径为r＝lsin θ，重力加速度为g.由牛顿第二定律得 mgtan θ＝m v2 或mgtan θ＝mω2r.
r 所以 v＝ grtan θ＝ glsin θ·tan θ.
ω＝
(2)小球运动的线速度的大小； 答案 gLtan αsin α
由牛顿第二定律得 mgtan α＝mrv2，由几何关系得 r＝Lsin α， 所以，小球做匀速圆周运动线速度的大小为 v＝ gLtan αsin α.
(3)小球运动的角速度及周期各是多少.
答案
g Lcos α
2π
Lcos α g
小球运动的角速度 ω＝vr＝
总
结
提
2021届高三物理一轮复习 专题10 圆周运动题型分类(原稿版)
圆周运动题型分类题型一、圆锥摆问题（秋千问题）1．如图所示，两根长度不同的细线上端固定在天花板上的同一点，下端分别系着完全相同的小钢球1、2.现使两个小钢球在同一水平面内做匀速圆周运动。
下列说法中正确的是（）A．球1受到的拉力比球2受到的拉力小B．球1的向心力比球2的向心力小C．球1的运动周期比球2的运动周期大D．球1的线速度比球2的线速度大2．如图所示，长为L的细绳一端固定，另一端系一质量为m的小球．给小球一个合适的初速度，小球便可在水平面内做匀速圆周运动，这样就构成了一个圆锥摆，设细绳与竖直方向的夹角为θ．下列说法中正确的是（）A．小球受重力、绳的拉力和向心力作用B．小球做圆周运动的半径为LC．θ越大，小球运动的速度越大D．θ越大，小球运动的周期越大3．如图所示，一段不可伸长的轻绳长度为L，上端固定，下端拴着一个小球，现让小球在水平面内做匀速圆周运动，由于轻绳旋转而“绘制”出一个圆锥面．已知这个圆锥体的高为h，重力加速度为g，小球的直径可忽略不计．则小球做匀速圆周运动的周期为()A．B．C．D．4．如图所示，质量相等的两个小球A和B紧贴倒圆锥筒的光滑内壁各自做水平面内的匀速圆周运动，则（）A．A球受到的支持力较大B．B球受到的支持力较大C．A球运动的线速度较大D．B球运动的线速度较大5．如图所示，细线的一端系于天花板上，另一端系一质量为m的小球。
甲图让小球在水平面内做匀速圆周运动，此时细线与竖直方向的夹角为θ，细线中的张力为F1，小球的加速度大小为a1；乙图中让细线与竖直方向成θ角时将小球由静止释放，小球在竖直面内摆动。
刚释放瞬间细线中的张力为F2，小球的加速度大小为a2，则下列关系正确的是（）F1= F2B．F1> F2C．a1= a2D．a1＜a2A．6．一小球在一倒立的圆锥筒的内壁做匀速圆周运动，其中球与筒内壁的摩擦可忽略，此时小球距离地面的高度为H，球的线速度为v，筒侧壁倾斜角度α不变，则下列说法中正确的是()A．小球做圆周运动的H越高，向心力越大B．小球做圆周运动的H越高，线速度越大C．小球做圆周运动的H越高，角速度越大D．小球对侧壁的压力随高度H变大而减小7．如图所示，两根长度相同的细线分别系有两个完全相同的小球，细线的上端系于O点；设法让两个小球均在水平面上做匀速圆周运动，已知1L跟竖直方向的夹角为60，2L跟竖直方向的夹角为30，下列说法正确的是。
圆锥摆模型——精选推荐
圆锥摆模型⼀、经典例题1．将⼀个半径为的内壁光滑的半球形碗固定在⽔平地⾯上，若使质量为的⼩球贴着碗的内壁在⽔平⾯内以⾓速度做匀速圆周运动，如图所⽰，求圆周平⾯距碗底的⾼度。
若⾓速度增⼤，则⾼度、回旋半径、向⼼⼒如何变化？点评：实质是圆锥摆模型：球⾯的弹⼒类⽐于绳的拉⼒，球⾯半径类⽐于绳长2．⼀光滑的圆锥体固定在⽔平桌⾯上，其轴线沿竖直⽅向，其顶⾓为60o，如图所⽰，⼀条长为的轻绳，⼀端固定在锥顶点，另⼀端拴⼀质量为的⼩球，⼩球以速率绕圆锥的轴线做⽔平⾯内的匀速圆周运动，求：（1）当时，绳上的拉⼒多⼤？（2）当时，绳上的拉⼒多⼤？13．圆锥摆模型的特点：结构特点：⼀根质量和形变量可以不计的细绳，⼀端系⼀个可以视为质点的摆球，使⼩球在⽔平⾯内做匀速圆周运动。
受⼒特点：只受两个⼒即竖直向下的重⼒以及沿摆线⽅向的拉⼒。
两个⼒的合⼒就是摆球做匀速圆周运动的向⼼⼒4．关键求出临界时的速度，判断物体对圆锥体是否有压⼒。
5．（1）了解圆锥摆及其拓展模型受⼒特点，合⼒提供向⼼⼒（2）圆锥摆中弹⼒与竖直⽅向成的⾓可起“桥梁”作⽤⼆、相关练习题1．如图所⽰，长为L的细绳⼀端固定，另⼀端系⼀质量为m的⼩球。
给⼩球⼀个合适的初速度，⼩球便可在⽔平⾯内做匀速圆周运动，这样就构成了⼀个圆锥摆，设细绳与竖直⽅向的夹⾓为θ。
下列说法中正确的是23A ．⼩球受重⼒、细绳的拉⼒和向⼼⼒作⽤B ．细绳拉⼒在⽔平⽅向的分⼒提供了向⼼⼒C ．θ越⼤，⼩球运动的周期越⼤D ．θ越⼤，⼩球运动的线速度越⼤2．如图所⽰，两个质量不同的⼩球⽤长度不等的细线拴在同⼀点并在同⼀⽔平⾯内做匀速圆周运动，则它们的()A ．运动周期相同B ．运动的线速度相同C ．运动的⾓速度相同D ．向⼼加速度相同3．如图所⽰，两段长均为L 的轻质线共同系住⼀个质量为m 的⼩球，另⼀端分别固定在等⾼的A 、B 两点，A 、B 两点间距也为L .现使⼩球在竖直平⾯内做圆周运动，当⼩球到达最⾼点的速率为v 时，两段线中张⼒恰好均为零，若⼩球到达最⾼点速率为2v ，则此时每段线中张⼒为多⼤？(重⼒加速度为g )4．（物理卷·2015届湖北省百所重点中学⾼三⼗⽉联合考试（2014.10））17.（12分）如图所⽰，长为L的绳⼦下端连着质量为m的⼩球，上端悬于天花板上，当把绳⼦拉直时，绳⼦与竖直线的夹⾓=60θ?，此时⼩球静⽌于光滑的⽔平桌⾯上。
2025高考数学必刷题 第81讲、圆锥曲线拓展题型一(教师版)
第81讲圆锥曲线拓展题型一必考题型全归纳题型一：定比点差法例1．已知椭圆2222:1x y C a b+=（0a b >>）的离心率为2，过右焦点F 且斜率为k （0k >）的直线与C 相交于A ，B 两点，若3AF FB =，求k【解析】由e =，可设椭圆为2224x y m +=（0m >），设11(,)A x y ，22(,)B x y，,0)F ，由3AF FB =，所以12123133013x x y y +=+⎨+⎪=⎪+⎩，1212330x x y y ⎧+=⎪⇒⎨+=⎪⎩．又2221122222(1)4(2)4x y m x y m ⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩2221122222(1)4(2)9999(3)4x y m x y m λ⎧+=⎪⎪⨯⎨⎪+=⎪⎩ 按配型由（1）-（3）得212121212(3)(3)(3)(3)84x x x x y y y y m +-++-=-128333x x ⇒-=-，又123x x +=1233x m ⇒=236(,33A ⇒±．又,0)Fk ⇒=．例2．已知22194x y +=，过点(0,3)P 的直线交椭圆于A ，B （可以重合），求PA PB 取值范围．【解析】设11(,)A x y ，22(,)B x y ，(0,3)P ，由AP PB λ=，所以12120131x x y y λλλλ+⎧=⎪⎪+⎨+⎪=⎪+⎩121203(1)x x y y λλλ+=⎧⇒⎨+=+⎩．由221122224936(1)4936(2)x y x y ⎧+=⎪⎨+=⎪⎩221122222224936(1)4)936()2(3x y x y λλλ⎧+=⎪⎨+=⎪⨯⎩配比由（1）-（3）得：()()()()()21212121249361x x x x y y y y λλλλλ⇒+-++-=-()()12413y y λλ-⇒-=，又()1231y y λλ+=+11356y λ+⇒=，又[]12,2y ∈-15,5λ⎡⎤⇒∈--⎢⎣⎦，从而1,55PA PB λ⎡⎤=∈⎢⎥⎣⎦．例3．已知椭圆22162x y +=的左右焦点分别为1F ，2F ，A ，B ，P 是椭圆上的三个动点，且11PF F A λ= ，22PF F B μ=若2λ=，求μ的值．【解析】设()00,P x y ，11(,)A x y ，22(,)B x y ，，由11PF F A λ= ，22PF F B μ=得①()1,0F c -满足()0101010111001x x c x x c y y y y λλλλλλλ+⎧-=⎪⎧+=-+⎪⎪+⇒⎨⎨++=⎪⎩⎪=⎪+⎩()2,0F c 满足()0202020211001x x c x x c y y y y μμμμμμμ+⎧=⎪⎧+=-++⎪⎪⇒⎨⎨++=⎪⎩⎪=⎪+⎩②由2200222211221(1)1(2)x y a b x y a b ⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩⇒2200222222211221(1)(3)x y a b x y a b λλλ⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩③由（1）-（3）得：()()()()010101012221x x x x y y y yx a b λλλλ-+-++=-()()()()()()2010*******x x x x a a x x c λλλλλλ-+⇒=⇒-=---+，又()()011x x c λλ+=-+222202a c a c x c c λ-+⇒=-，同理可得222202a c a c x c c μ-+=-+()()2222222222108a c a c a c c c a c λμλμμ-++⇒+=⋅⇒+=⋅=⇒=-．变式1．设1F ，2F 分别为椭圆2213x y +=的左、右焦点，点A ，B 在椭圆上，若125F A F B = ，求点A 的坐标【解析】记直线1F A 反向延长交椭圆于1B ，由125F A F B = 及椭圆对称性得1115AF F B =，设11(,)A x y ，22(,)B x y，(F ．①由定比分点公式得12125155015x x y y +⎧=⎪⎪+⎨+⎪=⎪+⎩1212550x x y y ⎧+=-⎪⇒⎨+=⎪⎩②又221122221(1)31(2)3x y x y ⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩221122221(1)4(2)25252525(3)3x y x y λ⎧+=⎪⎪⨯⎨⎪+=⎪⎩ 按配型③由（1）-（3）得12121212(5)(5)(5)(5)243x x x x y y y y +-++-=-125x x ⇒-=，又125x x +=-10x ⇒=(0,1)A ⇒±．变式2．已知椭圆22:12C x y +=，设过点()2,2P 的直线l 与椭圆C 交于A ，B ，点Q 是线段AB 上的点，且112PA PB PQ+=，求点Q的轨迹方程．【解析】设11(,)A x y ，22(,)B x y ，()00,Q x y 由112PA PB PQ +=22PQ PQ PA AQ PB QB PA PB PA PB-+⇒+=⇒+=0AQ QB PA AQPA PB PB QB -⇒+=⇒=，记()0AP AQ PB QBλλ==> ，即AP PB λ=- ，AQ QB λ=．①AP PB λ=- ，由定比分点得：()()1212121222112121x x x x y y y y λλλλλλλλ-⎧=⎪⎧-=-⎪⎪-⇒⎨⎨--=-⎪⎪⎩=⎪-⎩AQ QB λ= ，由定比分点得()()121201212001111x x x x x x y y y y y y λλλλλλλλ+⎧=⎪⎧+=+⎪⎪+⇒⎨⎨++=+⎪⎪⎩=⎪+⎩②又2211222222(1)22(2)x y x y ⎧+=⎪⎨⎪+=⎩22112222222222(1)22(23())x y x y λλλλ⎧+=⎪⎨⎪⨯+=⎩配比③由（1）-（3）得：()()()()()212121212221x x x x y y y y λλλλλ+⋅-+⋅+⋅-=-()()()()()20021141121x y λλλλλ⇒+⋅-+⋅+⋅-=-00242x y ⇒+=，即()2200002122x y x y +=+<．题型二：齐次化例4．已知抛物线2:4C y x =，过点(4,0)的直线与抛物线C 交于P ，Q 两点，O 为坐标原点．证明：90POQ ︒∠=．【解析】直线()()1122:4,,,,PQ x my P x y Q x y =+由4x my =+，得14x my-=则由244x my y x =+⎧⎨=⎩，得：244x my y x -=⋅，整理得：210y y m x x ⎛⎫+-= ⎪⎝⎭，即：12121y y x x ⋅=-．所以12121OP OQ y y k k x x ⋅==-，则OP OQ ⊥，即：90POQ ︒∠=．例5．如图，椭圆22:12x E y +=，经过点(1,1)M ，且斜率为k 的直线与椭圆E 交于不同的两点P ，Q （均异于点(0,1)A -，证明：直线AP 与AQ 的斜率之和为2．【解析】设直线()()1122:(1)1,,,,PQ mx n y P x y Q x y ++=则21m n +=．由22(1)112mx n y x y ++=⎧⎪⎨+=⎪⎩，得：22[(1)1]12x y ++-=．则22(1)2(1)[(1)]02x y y mx n y ++-+++=，故2111(12)202y y n m x x ++⎛⎫⎛⎫--+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭．所以1212112221y y m x x n +++==-．即1212112AP AQ y y k k x x +++=+=．例6．已知椭圆22:14x C y +=，设直线l 不经过点2(0,1)P 且与C 相交于A ，B 两点．若直线2P A 与直线2P B 的斜率的和为1-，证明：直线l 过定点．【解析】设直线:(1)1l mx n y +-=．．．．．．（1）由22:14x C y +=，得22[(1)1]14x y +-+=即：22(1)2(1)04x y y +-+-=．．．．．．（2）由（1）（2）得：22(1)2(1)[(1)]04x y y mx n y +-+-+-=整理得：2111(12)204y y n m x x --⎛⎫++⋅+= ⎪⎝⎭则221212112112P A P B y y mk k x x n--+=+=-=-+，则221m n =+，代入直线:(1)1l mx n y +-=，得：:(21)2(1)2l n x n y ++-=显然，直线过定点(2,1)-．变式3．已知椭圆22:13x C y +=，()0,1B ，P ，Q 为上的两个不同的动点，23BP BQ k k =，求证：直线PQ过定点．【解析】设直线PQ 方程为：y kx b =+则()2222213163303x y k x kbx b y kx b ⎧+=⎪⇒+++-=⎨⎪=+⎩即12221226133313kb x x k b x x k -⎧+=⎪⎪+⎨-⎪=⎪+⎩，又因为()()()21212121212121211111123BP BQkx x k b x x b y y kx b kx b k k x x x x x x +-++---+-+-=⋅===化简得()221223b b b -=-⇒=-或1b =（舍去）．即PQ 直线为3y kx =-，即直线PQ 过定点()0,3-．题型三：极点极线问题例7．（2024·全国·高三专题练习）椭圆方程2222:1(0)x y a b a b Γ+=>>，平面上有一点00(,)P x y ．定义直线方程0022:1x x y y l a b +=是椭圆Γ在点00(,)P x y 处的极线．已知椭圆方程22:143x y C +=．(1)若0(1,)P y 在椭圆C 上，求椭圆C 在点P 处的极线方程；(2)若00(,)P x y 在椭圆C 上，证明：椭圆C 在点P 处的极线就是过点P 的切线；(3)若过点(4,0)P -分别作椭圆C 的两条切线和一条割线，切点为X ，Y ，割线交椭圆C 于M ，N 两点，过点M ，N 分别作椭圆C 的两条切线，且相交于点Q ．证明：Q ，X ，Y 三点共线．【解析】（1）由题意知，当01x =时，032y =±，所以3(1,2P 或3(1,2P -．由定义可知椭圆C 在点00(,)P x y 处的极线方程为00143x x y y+=，所以椭圆C 在点3(1,)2P 处的极线方程为142x y+=，即240x y +-=点3(1,2P -处的极线方程为142x y -=，即240x y --=（2）因为00(,)P x y 在椭圆C 上，所以2222000013434120x y x y ++=⇒-=，由定义可知椭圆C 在点00(,)P x y 处的极线方程为00143x x y y+=，当00y =时，02x =±，此时极线方程为2x =±，所以P 处的极线就是过点P 的切线．当00y ≠时，极线方程为00000331434+=⇒=-+x x y y x y x y y ．联立00022334143x y x y y x y ⎧=-+⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩，得20220002021836312094x x x y y x y ⎛⎫-++-= ⎪⎝⎭．()222002002222000036318936()4(3)(12)04142x y x x y y y y ∴⋅--+-=-∆==+．综上所述，椭圆C 在点P 处的极线就是过点P 的切线；（3）设点00(,)Q x y ，11(,)M x y ，22(,)N x y ，由（2）可知，过点M 的切线方程为111:143x x y yl +=，过点N 的切线方程为222:143x x y yl +=．因为1l ，2l 都过点00(,)Q x y ，所以有10102020143143x x y y x x y y ⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩，则割线MN 的方程为000:143x x y yl +=；同理可得过点(4,0)P -的两条切线的切点弦XY 的方程为34:114xl x -=⇒=-．又因为割线MN 过点(4,0)P -，代入割线方程得04114x x -=⇒=-．所以Q ，X ，Y 三点共线，都在直线1x =-上．例8．（2024·全国·高三专题练习）阅读材料：（一）极点与极线的代数定义；已知圆锥曲线G ：22220Ax Cy Dx Ey F ++++=，则称点P (0x ，0y )和直线l ：()()00000Ax x Cy y D x x E y y F ++++++=是圆锥曲线G 的一对极点和极线.事实上，在圆锥曲线方程中，以0x x 替换2x ，以02x x+替换x (另一变量y 也是如此)，即可得到点P (0x ，0y )对应的极线方程.特别地，对于椭圆22221x y a b+=，与点P (0x ，0y )对应的极线方程为00221x x y y a b +=；对于双曲线22221x y b b-=，与点P (0x ，0y )对应的极线方程为00221x x y y a b -=；对于抛物线22y px =，与点P (0x ，0y )对应的极线方程为()00y y p x x =+.即对于确定的圆锥曲线，每一对极点与极线是一一对应的关系.（二）极点与极线的基本性质､定理①当P 在圆锥曲线G 上时，其极线l 是曲线G 在点P 处的切线；②当P 在G 外时，其极线l 是曲线G 从点P 所引两条切线的切点所确定的直线（即切点弦所在直线）；③当P 在G 内时，其极线l 是曲线G 过点P 的割线两端点处的切线交点的轨迹.结合阅读材料回答下面的问题：(1)已知椭圆C ：22221(0)x y a b a b +=>>经过点P (4，0)C 的方程并写出与点P 对应的极线方程；(2)已知Q 是直线l ：142y x =-+上的一个动点，过点Q 向（1）中椭圆C 引两条切线，切点分别为M ，N ，是否存在定点T 恒在直线MN 上，若存在，当MT TN =时，求直线MN 的方程；若不存在，请说明理由.【解析】（1）因为椭圆22221(0)x y a b a b +=>>过点P (4,0)，则2222140a b +=，得4a =，又2c e a ==，所以c =，所以2224b a c =-=，所以椭圆C 的方程为221164x y +=.根据阅读材料，与点P 对应的极线方程为401164x y ⨯+=，即40x -=；（2）由题意，设点Q 的坐标为(0x ,0y )，因为点Q 在直线142y x =-+上运动，所以00142y x =-+，联立221164142x y y x ⎧+=⎪⎪⎨⎪=-+⎪⎩，得28240x x -+=，Δ64424320=-⨯=-<，该方程无实数根，所以直线142y x =-+与椭圆C 相离，即点Q 在椭圆C 外，又QM ，QN 都与椭圆C 相切，所以点Q 和直线MN 是椭圆C 的一对极点和极线.对于椭圆221164x y +=，与点Q (0x ,0y )对应的极线方程为001164x x y y +=，将00142y x =-+代入001164x x y y +=，整理得()0216160x x y y -+-=，又因为定点T 的坐标与0x 的取值无关，所以2016160x y y -=⎧⎨-=⎩，解得21x y =⎧⎨=⎩，所以存在定点T (2,1)恒在直线MN 上.当MT TN =时，T 是线段MN 的中点，设()()1122,,M x y N x y ，，直线MN 的斜率为k ，则2211222211641164x y x y ⎧+=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩，两式相减，整理得21122112442211616212y y x x x x y y -+⨯=-⋅=-⋅=--+⨯，即12k =-，所以当MT TN = 时，直线MN 的方程为()1122y x -=--，即240x y +-=.例9．（2024秋·北京·高三中关村中学校考开学考试）已知椭圆M ：22221x y a b+=（a ＞b ＞0）过A （－2，0），B （0，1）两点．（1）求椭圆M 的离心率；（2）设椭圆M 的右顶点为C ，点P 在椭圆M 上（P 不与椭圆M 的顶点重合），直线AB 与直线CP 交于点Q ，直线BP 交x 轴于点S ，求证：直线SQ 过定点．【解析】（1）因为点(2,0)A -，(0,1)B 都在椭圆M 上，所以2a =，1b =．所以c ==所以椭圆M的离心率2c e a ==．（2）由（1）知椭圆M 的方程为2214x y +=，(2,0)C ．由题意知：直线AB 的方程为22x y =-．设00(,)P x y （00y ≠，01y ≠±），(22,)Q Q Q y y -，(,0)S S x ．因为,,C P Q 三点共线，所以有//CP CQ ，00(2,),(222,)Q Q CP x y CQ y y =-=--，所以00(2)(24)Q Q x y y y -=-．所以000422Q y y y x =-+．所以00000004244(,2222y x y Q y x y x +--+-+．因为,,B S P 三点共线，所以0011s y x x -=-，即001s x x y =-．所以0(,0)1x S y -．所以直线QS 的方程为000000000004242214122y x xy x y xx y y y y x +---+-=+--+，即2200000000044844(1)1x y x y y xx y y y --+-=+--．又因为点P 在椭圆M 上，所以220044x y =-．所以直线QS 的方程为0022(1)21y x x y y --=-+-．所以直线QS 过定点(2,1)．变式4．（2024·全国·高三专题练习）若双曲线229x y -=与椭圆2222:1(0)x y C a b a b+=>>共顶点，且它们的离心率之积为43．（1）求椭圆C 的标准方程；（2）若椭圆C 的左、右顶点分别为1A ，2A ，直线l 与椭圆C 交于P 、Q 两点，设直线1A P 与2A Q 的斜率分别为1k ，2k ，且12105k k -=．试问，直线l 是否过定点？若是，求出定点的坐标；若不是，请说明理由．【解析】（1，又两曲线离心率之积为43，所以椭圆的离心；由题意知3a =，所以c =1b =．所以椭圆的标准万程为2219x y +=．（2）当直线l 的斜率为零时，由对称性可知：120k k =-≠，不满足12105k k -=，故直线l 的斜率不为零．设直线l 的方程为x ty n =+，由2219x ty n x y =+⎧⎪⎨+=⎪⎩，得：()2229290t y tny n +++-=，因为直线l 与椭圆C 交于P 、Q 两点，所以()()222244990t n t n ∆=-+->，整理得：2290t n -+>，设()11,P x y 、()22,Q x y ，则12229tn y y t +=-+，212299n y y t -=+，1113y k x =+，2223y k x =-．因为12105k k -=，所以()()()()1121211222121233315333y y x y ty n k x y k y x y ty n x -+-+====+++-，整理得：121245(3)(3)0ty y n y n y +--+=，()1212245(3)(612)ty y n y y n y +-+=-，将12229tn y y t +=-+，212299n y y t -=+代入整理得：()22(2)(3)(2)9t n n n t y --=-+要使上式恒成立，只需2n =，此时满足2290t n -+>，因此，直线l 恒过定点()2,0．变式5．（2024·全国·高三专题练习）已知椭圆2222:1(0)x y E a b a b +=>>且过点⎛ ⎝⎭，A ，B 分别为椭圆E 的左，右顶点，P 为直线3x =上的动点（不在x 轴上），PA 与椭圆E 的另一交点为C ，PB 与椭圆E 的另一交点为D ，记直线PA 与PB 的斜率分别为1k ，2k．（Ⅰ）求椭圆E 的方程；（Ⅱ）求12k k 的值；（Ⅲ）证明：直线CD 过一个定点，并求出此定点的坐标．【解析】（1）由条件可知：221314c e a a b ⎧==⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩且222a b c =+，解得2241a b ⎧=⎨=⎩，所以椭圆E 的方程为2214x y +=；（2）因为()()2,0,2,0A B -，设()()3,0P t t ≠，所以()12,32532tt t k k t ====---，所以12155tk k t ==；（3）设()()3,0P t t ≠，所以()():2,:25tPB y t x PA y x =-=+，因为()222544t y x x y ⎧=+⎪⎨⎪+=⎩，所以()222242516161000t x t x t +++-=，所以22164+25C A t x x t +=-，所以22221650824+254+25C t t x t t -=-+=，所以()22025425C C t t y x t =+=+，所以22250820,4+25425t t C t t ⎛⎫- ⎪+⎝⎭，又因为()22244y t x x y ⎧=-⎨+=⎩，所以()2222214161640t x t x t +-+-=，所以221614B D t x x t +=+，所以2222168221414D t t x t t-=-=++，所以()24214D D t y t x t =-=-+，所以222824,1414t t D tt ⎛⎫-- ⎪++⎝⎭，所以222222222508828244+2514:204141442514t t t t t t CD x y t t t t t t ----⎛⎫+-=+ ⎪++⎛⎫⎝⎭--⎪++⎝⎭，所以222282544:14614t t t CD x y t t t --⎛⎫-=+ ⎪++⎝⎭，所以222225454482:661414t t t t CD x y t t t t ---=+⋅+++，所以2544:63t CD x y t -=+，所以直线CD 过定点4,03⎛⎫⎪⎝⎭.题型四：蝴蝶问题例10．（2003·全国·高考真题）如图，椭圆的长轴12A A 与x 轴平行，短轴12B B 在y 轴上，中心为(0,)(0)M r b r >>．(1)写出椭圆的方程，求椭圆的焦点坐标及离心率；(2)直线1y k x =交椭圆于两点()()()11222,,,0C x y D x y y >；直线2y k x =交椭圆于两点()33,G x y ，()()444,0H x y y >．求证：1122341234k x x k x x x x x x =++；(3)对于（2）中的中的在C ，D ，G ，H ，设CH 交x 轴于P 点，GD 交x 轴于Q 点，求证：||||OP OQ =（证明过程不考虑CH 或GD 垂直于x 轴的情形）【解析】（1） 椭圆的长轴12A A 与x 轴平行，短轴12B B 在y 轴上，中心(0,)M r ，∴椭圆方程为2222()1x y r a b -+=焦点坐标为1()F r，2)F r离心率e =（2）证明：将直线CD 的方程1y k x =代入椭圆方程2222()1x y r ab-+=，得2222221()b x a k x r a b +-=整理得22222222211()2()0b a k x k a rx a r a b +-+-=根据韦达定理，得211222212k a r x x b a k +=+，2222122221a r a b x x b a k -=+，所以22121212x x r b x x k r-=+①将直线GH 的方程2y k x =代入椭圆方程2222()1x y r a b -+=，同理可得22343422x x r b x x k r -=+②由①、②得2223411212342k x x k x x r b x x r x x -==++所以结论成立.（3）证明：设点(,0)P p ，点(,0)Q q 由C 、P 、H 共线，得111424x p k x x p k x -=-解得12141124()k k x x p k x k x -=-由D 、Q 、G 共线，同理可得212323x p k x x p k x -=-∴12231223()k k x x q k x k x -=-由1122341234k x x k x x x x x x =++变形得1223121411241223()()k k x x k k x x k x k x k x k x ---=--所以p q =即||||OP OQ =例11．（2024·全国·高三专题练习）已知椭圆2222:1x y C a b +=（0a b >>），四点()11,1P ，()20,1P，31,2P ⎛- ⎝⎭，31,2P ⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭，41,2P ⎛ ⎝⎭中恰有三点在椭圆C 上.（1）求椭圆C 的方程；（2）蝴蝶定理：如图1，AB 为圆O 的一条弦，M 是AB 的中点，过M 作圆O 的两条弦CD ，EF .若CF ，ED 分别与直线AB 交于点P ，Q ，则MP MQ =.该结论可推广到椭圆.如图2所示，假定在椭圆C 中，弦AB 的中点M 的坐标为10,2⎛⎫⎪⎝⎭，且两条弦CD ，EF 所在直线斜率存在，证明：MP MQ =.【解析】（1）由于3P ，4P 两点关于y 轴对称，故由题设知C 经过3P ，4P 两点，又由222211134a b a b +>+知，C 不过点1P ，所以点2P 在C 上，因此222111314b a b⎧=⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩，解得2241a b ⎧=⎨=⎩，故椭圆C 的方程为2214x y +=；（2）因点M 的坐标10,2⎛⎫⎪⎝⎭在y 轴上，且M 为AB 的中点，所以直线AB 平行于x 轴，设()11,C x y ，()22,D x y ，()33,E x y ，()44,F x y ，设直线CD 的方程为112y k x =+，代入椭圆22:14x C y +=，得：221113044k x k x ⎛⎫++-= ⎪⎝⎭，根据韦达定理得：11221441k x x k +=-+，1221341x x k =-+，①同理，设直线EF 的方程为212y k x =+，代入椭圆22:14x C y +=，得：222213044k x k x ⎛⎫++-= ⎪⎝⎭，根据韦达定理得：23422441k x x k +=-+，3422341x x k =-+，②由于C 、P 、F 三点共线，得111142441212P P y x x k x x x k x y --==--，()12141124P k k x x x k x k x -=-，同理，由于E 、Q 、D 三点共线，得：()12231223Q k k x x x k x k x -=-，结合①和②可得：()()1214122311241223P Q k k x x k k x x x x k x k x k x k x --+=--()()()()()()121412231223112411241223k k x x k x k x k k x x k x k x k x k x k x k x --+--=--()()()()12112421341123223411241223k k k x x x k x x x k x x x k x x x k x k x k x k x --+-=--()()()()()12112342341211241223k k k x x x x k x x x x k x k x k x k x -+-+⎡⎤⎣⎦=--()()()1221122222122111241223343441414141k k k k k k k k k k k x k x k x k x ⎛⎫-----⋅-⋅⎪++++⎝⎭=--()()()()()()()12121222221212112412231212414141410k k k k k k k k k k k x k x k x k x ⎛⎫ ⎪-- ⎪++++⎝⎭==--即P Q x x =-，所以P Q x x =，即MP MQ =.例12．（2021·全国·高三专题练习）（蝴蝶定理）过圆AB 弦的中点M ，任意作两弦CD 和EF ，CF 与ED 交弦AB 于P 、Q ，求证：PM QM =.【解析】如图所示，以M 为原点，AB 所在直线为x 轴建立直角坐标系，设圆方程为222()(||)x y b r b r +-=<设直线CD 、EF 的方程分别为1y k x =，2y k x =.将它们合并为()()120y k x y k x --=，于是过点C 、D 、E 、F 的曲线系方程为()()22212()0x y b r y k x y k x λ+--+--=.令0y =，得()2221210k k x b r λ++-=，即过点C 、D 、E 、F 的曲线系与AB 交于点P 、Q 的横坐标是方程()2221210k k x b r λ++-=的两根.由韦达定理得0P Q x x +=，即M 是PQ 的中点，故PM QM =.变式6．（2024·全国·高三专题练习）蝴蝶定理因其美妙的构图，像是一只翩翩起舞的蝴蝶，一代代数学名家蜂拥而证，正所谓花若芬芳蜂蝶自来.如图，已知圆M 的方程为()222x y b r +-=，直线x my =与圆M 交于()11,C x y ，()22,D x y ，直线x ny =与圆M 交于()33,E x y ，()44,F x y .原点O 在圆M 内.（1）求证：34121234y y y y y y y y ++=.（2）设CF 交x 轴于点P ，ED 交x 轴于点Q .求证：OP OQ =.【解析】（1）已知圆M 的方程为()222x y b r +-=，直线x my =与圆M 交于()11,C x y ，()22,D x y ，联立()222x y b r x my ⎧+-=⎪⎨=⎪⎩，化简得2222(1)20m y by b r +-+-=，则12221b y y m +=+，221221b r y y m -=+，所以1222122y y b y y b r +=-，同理线x ny =与圆M 交于()33,E x y ，()44,F x y ，联立()222x y b r x ny⎧+-=⎪⎨=⎪⎩化简得2222(1)20n y by b r +-+-=，则12221b y y n +=+，221221b r y y n -=+，所以3422342y y b y y b r +=-，故有34122212342y y y y b y y b r y y ++==-，所以34121234y y y y y y y y ++=成立；（2）不妨设点(,0)P p ，点(,0)Q q ，因为C 、P 、F 三点共线，所以414100y y x p x p --=--，化简得411414x y x y p y y -=-，因为点C 在直线x my =上，所以11x my =，点F 在直线x ny =上，所以44x ny =，则4114141414()ny y my y y y n m p y y y y --==--，同理因为E 、Q 、D 三点共线，所以322300y y x q x q --=--，化简得233232x y x y q y y -=-，因为点D 在直线x my =上，所以22x my =，点E 在直线x ny =上，所以33x ny =，则2332233232()my y ny y y y m n q y y y y --==--，又由34121234y y y y y y y y ++=，可得12341111y y y y +=+，41231111y y y y ∴-=-，即32141423y y y y y y y y --=，所以23141432y y y y y y y y =--，则23141432()()y y m n y y n m y y y y --=---，所以p q =-，所以OP OQ =成立.变式7．（2024·陕西西安·陕西师大附中校考模拟预测）已知椭圆()2222:10x y C a b a b+=>>的左､右顶点分别为点A ，B ，且AB 4=，椭圆C 离心率为12.（1）求椭圆C 的方程；（2）过椭圆C 的右焦点，且斜率不为0的直线l 交椭圆C 于M ，N 两点，直线AM ，BN 的交于点Q ，求证：点Q 在直线4x =上.【解析】（1）因为AB 4=，椭圆C 离心率为12，所以2222412a c a a b c =⎧⎪⎪=⎨⎪=+⎪⎩，解得24a =，23b =.所以椭圆C 的方程是22143x y +=.（2）①若直线l的斜率不存在时，如图，因为椭圆C 的右焦点为()1,0，所以直线l 的方程是1x =.所以点M 的坐标是31,2⎛⎫⎪⎝⎭，点N 的坐标是31,2⎛⎫- ⎪⎝⎭.所以直线AM 的方程是()122y x =+，直线BN 的方程是()322y x =-.所以直线AM ，BN 的交点Q 的坐标是()4,3.所以点Q 在直线4x =上.②若直线l 的斜率存在时，如图.设斜率为k .所以直线l 的方程为()1y k x =-.联立方程组()221143y k x x y ⎧=-⎪⎨+=⎪⎩消去y ，整理得()2223484120k x k x k +-+-=.显然0∆>.不妨设()11,M x y ，()22,N x y ，所以2122834k x x k +=+，212241234k x x k-⋅=+.所以直线AM 的方程是()1122y y x x =++.令4x =，得1162=+y y x .直线BN 的方程是()2222y y x x =--.令4x =，得2222y y x =-.所以()()121212126121622222k x k x y y x x x x ---=-+-+-()()()()()()12121261222122k x x k x x x x ---+-=+-分子()()()()1212612221k x x k x x =---+-()()12211212232222k x x x x x x x x =--+--+-⎡⎤⎣⎦.()12122258k x x x x =-++⎡⎤⎣⎦()2222241258283434k k k k k ⎡⎤-⨯⎢⎥=-+++⎢⎥⎣⎦22228244024322034k k k k k ⎛⎫--++== ⎪+⎝⎭.所以点Q 在直线4x =上.变式8．（2024·全国·高三专题练习）已知椭圆C ：22x a ＋22y b＝1(a >b >0)的左、右顶点分别为A ，B ，离心率为12，点P 31,2⎛⎫⎪⎝⎭为椭圆上一点．（1）求椭圆C 的标准方程；（2）如图，过点C (0，1)且斜率大于1的直线l 与椭圆交于M ，N 两点，记直线AM 的斜率为k 1，直线BN 的斜率为k 2，若k 1＝2k 2，求直线l 斜率的值．【解析】(1)因为椭圆的离心率为12，所以a ＝2c .又因为a 2＝b 2＋c 2，所以b.所以椭圆的标准方程为224x c ＋223y c＝1.又因为点P 31,2⎛⎫ ⎪⎝⎭为椭圆上一点，所以214c ＋2943c＝1，解得c ＝1.所以椭圆的标准方程为24x ＋23y ＝1.(2)由椭圆的对称性可知直线l 的斜率一定存在，设其方程为y ＝kx ＋1.设M (x 1，y 1)，N (x 2，y 2)．联立方程组消去y 可得(3＋4k 2)x 2＋8kx －8＝0.所以由根与系数关系可知x 1＋x 2＝－2834k k +，x 1x 2＝－2834k +.因为k 1＝112y x +，k 2＝222y x -，且k 1＝2k 2，所以112y x +＝2222y x -.即()21212y x +＝()222242y x -.①又因为M (x 1，y 1)，N (x 2，y 2)在椭圆上，所以21y ＝34(4－21x )，22y ＝34(4－22x )．②将②代入①可得：1122x x -+＝()22422x x +-，即3x 1x 2＋10(x 1＋x 2)＋12＝0.所以32834k ⎛⎫- ⎪+⎝⎭＋102834k k ⎛⎫- ⎪+⎝⎭＋12＝0，即12k 2－20k ＋3＝0.解得k ＝16或k ＝32，又因为k >1，所以k ＝32.变式9．（2021秋·广东深圳·高二校考期中）已知椭圆()222210x y C a b a b+=>>：的右焦点是()0F ，过点F 的直线交椭圆C 于A ，B 两点，若线段AB 中点Q的坐标为67⎫-⎪⎪⎝⎭．(1)求椭圆C 的方程；(2)已知()0,P b -是椭圆C 的下顶点，如果直线y =kx +1（k ≠0）交椭圆C 于不同的两点M ，N ，且M ，N 都在以P 为圆心的圆上，求k 的值；(3)过点02a D ⎛⎫ ⎪⎝⎭，作一条非水平直线交椭圆C 于R 、S 两点，若A ，B 为椭圆的左右顶点，记直线AR 、BS 的斜率分别为k 1、k 2，则12k k 是否为定值，若是，求出该定值，若不是，请说明理由．【解析】（1）设11(,)A x y ，22(,)B x y ，直线AB 的斜率显然存在，则12x x ≠，因为线段AB 中点Q的坐标为677⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭，所以12x x +=，12127y y +=-，直线AB的斜率12126073AB QF y y k k x x ---===-，A ，B 两点在椭圆椭圆C 上，所以2211221x y a b +=，2222221x y a b +=，两式相减得22221212121212122222()()()()0x x y y x x x x y y y y a b a b --+-+-+=+=，即1212122212()0x x y y y y a b x x ++-+⋅=-，21207b =，整理得224a b =，①又c =且222a b c =+，②由①②可解得4a =，2b =，所以椭圆C 的方程为221164x y +=.（2）由2211164y kx x y =+⎧⎪⎨+=⎪⎩得22(14)8120k x kx ++-=，则2814M N k x x k +=-+，21214M N x x k=-+，226448(14)0k k ∆=++>，设M ，N 中点为00(,)E x y ，则024214E F x x k x k +==-+，0021114y kx k =+=+，因为M ，N 都在以P 为圆心的圆上，所以PM PN =，则点P 在线段MN 的垂直平分线上，依题意(0,2)P -，所以线段MN 的垂直平分线方程为12y x k=--，M ，N 中点为00(,)E x y 在此直线上，所以有0012y x k =--，即2211421414k k k k =⋅-++，解得4k =±.所以k的值为4±.（3）依题意有()20D ，，(4,0)A -，(4,0)B ，设直线RS 的方程为2(0)x ty t =+≠，由2221164x ty x y =+⎧⎪⎨+=⎪⎩得22(4)4120t y ty ++-=，则244R S t y y t +=-+，2124R S y y t =-+，124(2)22()24(6)66S R S R S R R S R S S R R S S R R S S R S Sx y ty ty y y ty y y y y k y k x y y ty ty y y ty y y ----++=⋅==++++22222124()2242(4)14412126(4)3()64S S S S t t y t y t t t t y t t y t⋅-+⋅+-+⋅+++===-+⋅+⋅-++，所以12k k 为定值13.变式10．（2024·全国·高三专题练习）如图，已知椭圆2222:1(0)x y C a b a b +=>>的离心率为12，A ，B 分别是椭圆C 的左、右顶点，右焦点F ，1BF =，过F 且斜率为(0)k k >的直线l 与椭圆C 相交于M ，N 两点，M 在x轴上方．(1)求椭圆C 的标准方程；(2)记AFM △，BFN 的面积分别为1S ，2S ，若1232S S =，求k 的值；(3)设线段MN 的中点为D ，直线OD 与直线4x =相交于点E ，记直线AM ，BN ，FE 的斜率分别为1k ，2k ，3k ，求213()k k k ⋅-的值．【解析】（1）设椭圆的焦距为2(0)c c >．依题意可得12c e a ==，1a c -=，解得2a =，1c =．故2223b a c =-=．所以椭圆C 的标准方程为22143x y +=．（2）设点1(M x ，1)y ，2(N x ，2)y ．若1232S S =，则121||||3212||||2AF y BF y = ，即有212y y =-，①设直线MN 的方程为1(0)x my m =+>，与椭圆方程223412x y +=，可得22(43)690m y my ++-=，则122643m y y m +=-+，122943y y m =-+，②将①代入②可得22843m m =+，解得m =则k =；（3）由（2）得1223243D y y m y m +==-+，24143D D x my m =+=+，所以直线OD 的方程为34m y x =-，令4x =，得3E y m =-，即(4,3)E m -．所以3341m k m -==--．所以2121321211()()()22y y k k k k k m k x x ⋅-=⋅+=⋅+-+，122112211212(2)(3)(2)(2)(3)(1)y y my x y y my my x x my my ++++==+-+-，212221212(1)333m y y my m y y my my ++=-+-2122212122(1)3()34m y y my m y y m y y my ++=-+-+，222222222222229(1)9(1)33343439612(1)4344434343m m my my m m m m m my my m m m++-+-+++===+-+-+-++++.变式11．（2024秋·福建莆田·高二莆田华侨中学校考期末）已知点(1,2-A 在椭圆C ：22221(0)x y a b a b +=>>上，O 为坐标原点，直线l：21x a =的斜率与直线OA 的斜率乘积为14-（1）求椭圆C 的方程；（2）不经过点A 的直线l：y x t +（0t ≠且t R ∈）与椭圆C 交于P ，Q 两点，P 关于原点的对称点为R （与点A 不重合），直线AQ ，AR 与y 轴分别交于两点M ，N ，求证：AM AN =.【解析】（Ⅰ）由题意，2212124OA b k k a ⋅=-=-=-，即224a b =①又221314a b+=②联立①①解得21a b =⎧⎨=⎩所以，椭圆C 的方程为：2214x y +=.（Ⅱ）设()11,P x y ，()22,Q x y ，()11,R x y --，由22214y x t x y ⎧=+⎪⎪⎨⎪+=⎪⎩，得2210x t +-=，所以240t ∆=->，即22t -<<，又因为0t ≠，所以，()()2,00,2t ∈-⋃，12x x +=，2121x x t ⋅=-，解法一：要证明AM AN =，可转化为证明直线AQ ，AR 的斜率互为相反数，只需证明0AM AN k k +=，即证明0AQ AR k k +=.12122211AQ ARy y k k x x -++=++-()()()()1221121111y x y x x x ⎛⎛-+++ ⎝⎭⎝⎭=+-∴()()()()1221121111x t x x t x x x +-+++⎝⎭⎝⎭=+-()()()12121211x t x x x x +++=+-)()()()2121011t t x x -+==+-∴0AM AN k k +=，∴AM AN =.解法二：要证明AM AN =，可转化为证明直线AQ ，AR 与y 轴交点M 、N 连线中点S 的纵坐标为2-，即AS 垂直平分MN 即可.直线AQ 与AR 的方程分别为：()222:121AQ y l y x x ++=--，()112:121AR y l y x x -+=---，分别令0x =，得2221M y y x -=-1121N y y x -+=-+而21212211M Ny y y y x x --+=+-+，同解法一，可得M N y y +=2M N S y y y +==，即AS 垂直平分MN .所以，AM AN =.变式12．（2022·全国·高三专题练习）极线是高等几何中的重要概念，它是圆锥曲线的一种基本特征.对于圆222x y r +=，与点()00,x y 对应的极线方程为200x x y y r +=，我们还知道如果点()00,x y 在圆上，极线方程即为切线方程；如果点()00,x y 在圆外，极线方程即为切点弦所在直线方程.同样，对于椭圆22221x y a b+=，与点()00,x y 对应的极线方程为00221x x y y a b +=.如上图，已知椭圆C ：22143x y +=，()4,P t -，过点P 作椭圆C 的两条切线PA ，PB ，切点分别为A ，B ，则直线AB 的方程为；直线AB 与OP 交于点M ，则sin PMB ∠的最小值是.【答案】103ty x -+-=（或330x ty -+=）；7.【解析】（1）由题得AB ：4143x ty -+=，即103ty x -+-=，（2）()4,OP t →=-，3k AB t →=，∴AB →的方向向量(),3n t = ，所以cos ,OP nOP n OP n→→→→→→⋅〈〉=sin PMB∠==47=，即()minsin PMB∠故答案为：103tyx-+-=；7。
圆锥摆模型解析版
圆锥摆模型一、模型建构1、圆锥摆问题：小球以一定的大小的速度在水平面内做匀速圆周运动，连接小球的细线在空中划出一个圆锥面，这样的装置叫做“圆锥摆”， “圆锥摆”是匀速圆周运动中一个典型的实例，搞清了圆锥摆的有关问题，那么匀速圆周运动中不少常用的分析和处理方法也就基本掌握了。
2、两类问题第一类：有绳圆锥摆小球受到重力G 和悬线上拉力T水平面内做匀速圆周运动，轨道圆心O ，半径r ＝l sin α 沿半径和垂直半径方向建立坐标系 垂直半径方向：T cos α=mg沿半径方向：T sin α=mg tan α=mv 2/r ＝m ω2r解得：ω＝αcos l g讨论：①当悬线长度l 一定时，ω∝αcos 1，当小球角速度ω的增大时，悬线与竖直方向的夹角α增大。
悬绳拉力T =mg/ cos α增大一、解题思路：1、确定研究对象进行受力分析2、找圆心，定半径3、沿半径和垂直半径建立坐标系4、沿两轴方向列方程求解 二、解题方法：牛顿运动定律 三、解题关键点： 1、向心力来源2、各物理量与夹角的关心 四、解题易错点 1、各物理量变化关系半径r＝l sinα增大线速度v=ωr增大②若悬线的长度l和夹角α均不相同，l cosα=h，则ω＝√gh⁄，角速度ω相同，小球到悬点在竖直方向上的距离h就相同。
第二类：无绳圆锥摆小球沿一个倒置的光滑圆锥面的内壁在水平面内做匀速圆周运动，如图所示。
小球在重力G和圆锥面对它的支持力N（相当于圆锥摆中悬线的拉力T）水平面内做匀速圆周运动，轨道圆心O，半径r＝htanθ沿半径和垂直半径方向建立坐标系垂直半径方向：N sinθ=mg沿半径方向：N cosθ=mg /tanα=mv2/r＝mω2r解得：v=√gℎω=tanθ√g h⁄当v增大时，小球所处的高度h就增大半径r＝htanθ增大角速度ω=1tanθ√g h⁄减小弹力N=mg/sinθ不变可得：轨道越高，线速度v越大，角速度ω越小。
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圆锥摆运动必刷题型
圆锥摆是高中物理匀速圆周运动中的一类必须掌握的题型，其有很多变形，特整理如下：
1.如图所示的圆锥摆中，摆球A 在水平面上作匀速圆周运动，关于A 的受力情况，下列说法中正确的是（ ）
A ．摆球A 受重力、拉力和向心力的作用；
B ．摆球A 受拉力和向心力的作用；
C ．摆球A 受拉力和重力的作用；
D ．摆球A 受重力和向心力的作用。
2、如图所示，长为L 的细绳一端固定，另一端系一质量为m 的小球．给小球一个合适的初速度，小球便可在水平面内做匀速圆周运动，这样就构成了一个圆锥摆，设细绳与竖直方向的夹角为θ．下列说法中正确的是（ ）
A ．小球受重力、细绳的拉力和向心力作用
B ．细绳的拉力提供了向心力
C ．θ越大，小球运动的线速度越大
D ．θ越大，小球运动的周期越大
3.如图所示，两个质量不同的小球用长度不等的细线拴在同一点，并在同一水平面内作匀速圆周运动，则它们的( ).
(A)运动周期相同 (B)运动线速度一样
(C)运动角速度相同 (D)向心加速度相同
4.如图所示，一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相同的小球A 和B 紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动。
则下列说法正确的是（ ）
A ．球A 的线速度必定大于球
B 的线速度
B ．球A 的角速度必定小于球B 的角速度
C ．球A 的运动周期必定小于球B 的运动周期
D ．球A 对筒壁的压力必定大于球B 对筒壁的压力
5．长为L 的细线，拴一质量为m 的小球，一端固定于O 点。
让其在水平面内做匀速圆周运动(这种运动通常称为圆锥摆运动)，如图所示。
当摆线L 与竖直方向的夹角是 时，求：
（1）线的拉力F ；
（2）小球运动的线速度的大小；
（3）小球运动的角速度及周期。
6.如图所示，长为l 的绳子下端连着质量为m 的小球，上端悬于天花板上，把绳子拉直，绳子与竖直线夹角为60°，此时小球静止于光滑的水平桌面上.问:
(1)当球以l g
=ω作圆锥摆运动时，绳子张力T 为多
大?桌面受到压力N 为多大?
(2)当球以l 4g
=ω作圆锥摆运动时，绳子张力及桌面受到压力各为多大?
7、如图所示，在光滑的圆锥顶用长为L 的细线悬挂一质量为m 的小球，圆锥顶角为2θ，当圆锥和球一起以角速度ω匀速转动时，球压紧锥面．此时绳的张力是多少？若要小球离开锥面，则小球的角速度至少为多少？
8、如图所示，在半径为R 的转盘边缘固定有一竖直杆，在杆的端点用长为l 的细线挂一小球，当转盘转速稳定后，细线与竖直方向的夹角为θ，则小球的线速度大小v 及转动周期T 是多少？
牢记结论：
1、圆锥摆运动，只要摆线与竖直方向夹角θ相等，摆球的加速度a=gtg θ，与摆球质量，摆线长短无关；
2、摆线长度为L ，摆线与竖直方向夹角为θ的圆锥摆运动，其ω=。
只要摆线长在竖直方向的（投影）高度相等，摆球的角速度ω就相等，周期T 也相等；摆线在竖直方向的（投影）高度越大，角速度ω越小，周期T 越大；
3、不同的圆锥摆，只要摆线在竖直方向的（投影）高度相等，匀速圆周运动半径越大的线速度V 也越大；
4、轴线垂直于水平面的内壁光滑的圆锥筒内不同高度做匀速圆周运动的等质量小球，小球间的加速度a 、向心力F 、内壁对小球的支持力N 均相等；半径越大的小球，线速度V 越大，角速度ω越小。