内容正文:
DIYIZHANG
第一章
第四节 生活和生产中的抛体运动
1.通过生活中的实例理解竖直上抛运动的规律,会用分段法和整体法研究竖直上抛运动。
2.会通过生活实例分析平抛运动的临界问题,明确其运动规律,能找到临界状态并运用数学知识分析极值(难点)。
3.了解斜抛运动在生产和生活中的应用,能利用运动的合成与分解方法分析一般的抛体运动(重点)。
学习目标
2
学习目标
内容索引
一、抛体运动
二、竖直上抛运动
课时对点练
三、平抛运动的临界问题
四、斜抛运动
3
一
抛体运动
4
1.抛体运动的定义:以 将物体抛出,在空气阻力________的情况下,物体仅在 作用下的运动。
2.抛体运动的分类:
(1)竖直上抛:初速度 ,只受重力;
(2)竖直下抛:初速度竖直向下,只受重力;
(3)平抛:初速度水平,只受重力;
(4)斜抛:初速度斜向上或斜向下,只受重力;
一定的初速度
可以忽略
重力
竖直向上
二
竖直上抛运动
6
1.竖直上抛运动的性质:初速度不为零的匀变速直线运动。
2.竖直上抛运动的特征
(1)具有竖直向上的初速度。
(2)物体只受重力作用,加速度恒为重力加速度g。
3.竖直上抛运动的对称性
(1)速度对称性:上升和下降经过同一位置时,速度等大反向,即v上=v下。
(2)时间对称性:上升和下降经过同一竖直距离所用时间相等,即t上=t下。
(3)过程对称性:从抛出点抛出到回到抛出点,上升阶段为匀减速到速度为零的过程,下降阶段为自由落体运动,上升阶段可看作下降阶段的逆过程。
在离地面15 m的高处,以10 m/s的初速度竖直上抛一小球,求小球落地时的速度大小和小球从抛出到落地所用的时间。试用分段法和整体法分别求解。(忽略空气阻力的影响,取重力加速度g=10 m/s2 )
例1
答案 20 m/s 3 s
解法一 分段法:取初速度方向即竖直向上的方向为正方向。小球从竖直抛出到落地经历两个过程:上升过程和下落过程。
小球落回地面经历的总时间
t=t1+t2=1 s+2 s=3 s
小球落回地面时的速度大小
解法二 整体法:将小球竖直上抛运动的整个过程作为一个整体,取初速度的方向即竖直向上的方向为正方向,加速度为重力加速度,方向竖直向下,所以a=-g。
已知v0=10 m/s,s=-15 m
由于小球落地时的速度方向为竖直向下,
所以取vt=-20 m/s
小球从抛出到落地所用时间
三
平抛运动的临界问题
12
1.与平抛运动相关的临界情况
(1)有些题目中“刚好”“恰好”“正好”等字眼,明显表明题述的过程中存在临界点。
(2)如题目中有“取值范围”“多长时间”“多大距离”等词语,表明题述过程中存在着“起止点”,而这些“起止点”往往就是临界点。
(3)若题目中有“最大”“最小”“至多”“至少”等字眼,表明题述过程中存在着极值,这些极值也往往是临界点。
2.分析平抛运动中的临界情况关键是确定临界轨迹。当受水平位移限制时,其临界轨迹为自抛出点到水平位移端点的一条抛物线;当受下落高度限制时,其临界轨迹为自抛出点到下落高度端点的一条抛物线,确定轨迹后再结合平抛运动的规律即可求解。
(2023·广东广州高一期末)一般飞镖的靶上共标有10环,第10环的半径最小。现有一靶的第10环的半径为1 cm,第9环的半径为2 cm,以此类推,若靶的半径为10 cm,在进行飞镖训练时,当人离靶的距离为5 m,将飞镖对准第10环中心以水平速度v投出,g取10 m/s2,则下列说法正确的是
A.当v>50 m/s时,飞镖将射中第8环线以内
B.当v=50 m/s时,飞镖将射中第6环线
C.若要射在第10环线以内,飞镖的速度v至少为50 m/s
D.若要击中靶子,飞镖的速度v至少为50 m/s
例2
√
如图所示,窗子上、下沿之间的高度H=1.6 m,墙的厚度d=0.4 m,某人在离墙壁距离L=1.4 m、距窗子上沿h=0.2 m处的P点,将可视为质点的小物件以速度v水平抛出,小物件直接穿过窗口并落在水平地面上,取g=10 m/s2,不计空气阻力。则v的取值范围是
A.v>7 m/s
B.v<2.3 m/s
C.3 m/s<v<7 m/s
D.2.3 m/s<v<3 m/s
例3
√
四
斜抛运动
19
如果物体被抛出时的速度v0不沿水平方向,而是斜向上方或斜向下方,且抛出后物体只受重力作用,则这个物体做斜抛运动,如图所示。
答案 采用“化曲为直”的思路,利用运动的分解,用两个直线运动进行等效替代。
1.斜抛运动也是曲线运动,那么我们应该采取什么样的方法来研究斜抛运动呢?
2.试根据所学知识分析斜上抛运动的特点。
初速度 受力情况 加速度 运动情况
水平方向 v0x=_______ _______ ax=__ 运动
竖直方向 v0y=_______ _____ ay=__ 运动
匀速直线
竖直上抛
0
g
重力
不受力
v0cos θ
v0sin θ
1.斜抛运动(以斜上抛运动为例)的速度
水平速度:vx=v0x=v0cos θ。
竖直速度:vy=v0y-gt= 。
2.斜抛运动(以斜上抛运动为例)的位移
水平位移:x=v0xt=v0tcos θ。
竖直位移:y=____________。
梳理与总结
v0sin θ-gt
3.斜抛运动(以斜上抛运动为例)的对称性特点
(1)速度对称:轨迹上关于过轨迹最高点的竖直线对称的两点速度大小 ,水平方向速度相同,竖直方向速度等大反向。如图所示。
(2)时间对称:关于过轨迹最高点的竖直线对称的曲线上升时间 下降时间,这是由竖直上抛运动的对称性决定的。
(3)轨迹对称:其运动轨迹关于过最高点的竖直线对称。
4.由抛出点到最高点的过程可逆向看作 运动来分析。
相等
等于
平抛
1.做斜上抛运动的物体落回同一水平面的时间由什么因素决定?
讨论与交流
2.做斜上抛运动的物体上升的最大高度由什么因素决定?
答案 物体达到最大高度时,它的竖直分速度为零(vy=0),可得:hm=
,则上升的最大高度与竖直分速度有关。
3.做斜上抛运动的物体水平射程由什么因素决定?在初速度v0大小不变的情况下,当初速度与水平方向的夹角θ为多少时,射程x最大?
答案 由x=v0xt总得,做斜上抛运动的物体水平射程为:x= ,
可看出水平射程由抛射角θ和初速度v0共同决定。在初速度v0大小不变的情况下,随抛射角θ的增大,sin 2θ增大,射程也增大。当θ=45°时,sin 2θ=1,射程达到最大值,以后抛射角再增大时,sin 2θ减小,射程也减小。
(多选)(2022·惠州市第五中学期末)草坪洒水器工作的画面如图所示,若水流离开洒水器喷口时与水平面夹角θ不变,速率均为v0,在不计空气的阻力和洒水器喷口离地面的高度的情况下,重力加速度为g,可以判断
A.水落地前瞬间的速率为v1=v0sin θ
B.水到达最高点时的速率为v2=0
例4
√
√
由对称性知水落地前瞬间的速率仍为v0,A错误;
将水的运动分解到水平方向和竖直
方向,由于水平方向做匀速直线运动,在最高点时竖直方向速度为零,可知水到达最高点时的速率为v2=v0cos θ,B错误;
(多选)(2023·广东梅州高一联考)如图所示,一同学分别在同一直线上的A、B、C三个位置投掷篮球,结果都垂直击中篮筐,速度分别为v1、v2、v3。若篮球出手时高度相同,出手速度与水平方向的夹角分别为θ1、θ2、θ3,不计空气阻力,下列说法正确的是
A.v1<v2<v3 B.v1>v2>v3
C.θ1>θ2>θ3 D.θ1<θ2<θ3
例5
√
√
从A点投掷时水平位移s最大,故出手速度v最大,A错误,B正确;
五
课时对点练
考点一 竖直上抛运动
1.钢球自地面做竖直上抛运动后又落回地面,则
A.上升过程中,加速度方向向上,速度方向向上,相对于抛出点的位移
方向向上
B.下落过程中,加速度方向向下,速度方向向下,相对于抛出点的位移
方向向下
C.在最高点,加速度大小为零,速度大小为零
D.到达最高点后,加速度方向不变,速度方向改变
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基础对点练
√
钢球抛出后只受重力作用,加速度方向向下,大小恒定。落地前的位移相对于抛出点方向向上,A、B、C错误,D正确。
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2.将一物体以某一初速度竖直上抛,下图中能反映物体在整个过程中速率v与时间t的关系的是(不计空气阻力)
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做竖直上抛运动的物体在上升过程中做匀减速直线运动,下降过程做自由落体运动,其加速度均为g,只有B符合题意。
考点二 斜抛运动
3.(2023·广东广州高一期中)如图所示为某滑板选手的运动过程,a、c在同一水平线上,b为最高点,不计空气阻力,将选手视为质点,则选手在空中运动过程中
A.做的是变加速曲线运动
B.从a到b与从b到c的过程中速度的变化量相同
C.在最高点时选手处于平衡状态
D.从a到b的过程中,选手处于超重状态
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在空中运动过程中,选手只受重力作用,加速度恒为重力加速度,做的是匀加速曲线运动,故A错误;
从a到b与从b到c的过程中水平分速度相同,设在a、b、c处竖直分速度大小分别为vay、vby、vcy,其中vby=0,根据vt2-v02=2ah,知vay=vcy,所以从a到b与从b到c的过程中速度的变化量相同,故B正确;
在最高点时选手只受重力作用,不是处于平衡状态,故C错误;
从a到b的过程中,选手加速度为重力加速度,方向向下,处于失重状态,故D错误。
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4.(2023·广东肇庆高一期末)两消防员在水平地面A、B两处使用相同口径的喷水枪对高楼着火点进行灭火。出水轨迹简化为如图所示,假设均能垂直击中竖直楼面上的同一位置点P。不计空气阻力,则
A.A处水枪喷出的水在空中运动的时间较长
B.B处水枪喷出的水在空中运动的时间较长
C.A处水枪喷出的水击中墙面的速度较大
D.B处水枪喷出的水击中墙面的速度较大
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利用逆向思维,喷出的水从P点做平抛运动,根据h= gt2,所以在空中运动的时间只与高度有关,则时间相等,A、B错误;
根据x=v0t可知,两球的水平方向位移不同,则在P
点的速度为vAP= 则击中墙面的速率v∝x,所以A处水枪
喷出的水击中墙面的速度较大,C正确,D错误。
5.(多选)(2023·广东广州市第二中学高一校考)有A、B、C、D四个完全相同的小球从地面上同一位置抛出,轨迹分别如图中①②③④所示。由图中轨迹可知A、B到达的最大高度相同,B、C的水平射程相同,A、D的水平射程相同,C、D到达的最大高度相同,不计空气阻力,则下列有关四个小球的运动分析正确的是
A.A、B两球抛出时竖直方向的速度相等
B.A、D两球在最高点时的速度相等
C.B、C在空中运动时间不相同
D.C、D两球落地时速度与地面的夹角一定不相等
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由 可知,A运动的时间比D的要长,又A和D水平射程相等,由x=vxt
可得,A的水平速度比D的小,而最高点时的速度即为水平方向的速度,故两者不相等,故B错误;
B、C的最大高度不同,则运动时间不同,故C正确;
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由对称性可知,落地时速度与水平方向的夹角与抛出时速度与水平方向的夹角相同,对于C和D,由轨迹可知,C到达的最大高度与D的相等,则竖直初速度相等,运动时间相等,结合
水平位移知,C的水平速度要小于D的,设抛出时速度与水平方向的夹角为θ,则tan θ= ,可知,C抛出时速度与水平方向的夹角比D的大,故一定不相等,故D正确。
6.在篮球比赛中,投篮的投出角度太大和太小,都会影响投篮的命中率。在某次投篮表演中,运动员在空中一个漂亮的投篮,篮球以与水平面成45°的倾角准确落入篮筐,这次跳起投篮时,投球点和篮筐正好在同一水平面上,设投球点到篮筐距离为9.8 m,不考虑空气阻力,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)篮球进筐的速度有多大?
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答案 9.8 m/s
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设篮球出手和进筐的速度大小分别为v0和v,由题意可知篮球做斜抛运动,初速度大小等于末速度,即v=v0。设篮球从出手到落入篮筐所用的时间为2t,在竖直方向篮球只受重力,为竖直上抛运动,以竖直向上为正方向,
则有v0sin 45°-gt=0
篮球在水平方向的分运动为匀速运动,
(2)篮球投出后的最高点相对篮筐的竖直高度是多少?
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答案 2.45 m
篮球投出后的最高点相对篮筐的竖直高度
考点三 平抛运动的临界问题
7.(多选)如图所示,一个电影替身演员准备跑过一个屋顶,水平地跳跃并离开屋顶,然后落在下一栋建筑物的屋顶上。如果他在屋顶跑动的最大速度是4.5 m/s,那么下列关于他能否安全跳过去的
说法正确的是(g取10 m/s2)
A.他可能安全跳过去
B.他不可能安全跳过去
C.如果要安全跳过去,他在屋顶水平跳跃速度应大于6.2 m/s
D.如果要安全跳过去,他在屋顶水平跳跃速度应小于4.5 m/s
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由h= gt2,x=v0t,将h=5 m,x=6.2 m代入解得安全跳过去的最小水平速度v0=6.2 m/s,B、C正确,A、D错误。
8.如图所示,M、N是两块挡板,挡板M高h′=10 m,其上边缘与挡板N的下边缘在同一水平面。从高h=15 m的A点以速度v0水平抛出一小球(可视为质点),A点与两挡板的水平距离分别为d1=10 m,d2=20 m。N板的上边缘高于A点,若能使小球直接进入挡板M的右边区域,则小球水平抛出的初速度v0的大小可能是(g取10 m/s2,
空气阻力不计)
A.8 m/s B.4 m/s
C.15 m/s D.21 m/s
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要让小球落到挡板M的右边区域,下落的高度为
Δh=h-h′=5 m,由t= 得t=1 s,由d1=
v01t,d2=v02t,得v0的范围为10 m/s<v0<20 m/s,故C正确,A、B、D错误。
9.(2022·茂名市高一期末)中国面食文化博大精深,“刀削面”的历史最早可以追溯到元朝,其制作方式可用平抛运动的模型来进行分析。如图所示,古人在制作刀削面时面团距离锅的高度h=0.45 m,与锅沿的水平距离L=0.3 m,锅的半径也为L=0.3 m,“刀削面”在空中的运动可看作平抛运动,重力加速度g=10 m/s2。求:
(1)面片在空中运动的时间;
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能力综合练
答案 0.3 s
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(2)面片恰好落在锅中心O点时的速度大小;(结果可带根号)
面片落在锅中心O点时的水平速度大小
竖直方向速度大小vy=gt=3 m/s
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(3)为保证削出的面片都落在锅内,削出的面片初速度v0大小的取值范围。
面片水平位移的范围为L<x<3L
由平抛运动特点,有x=v0t
代入数据得1 m/s<v0<3 m/s。
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答案 1 m/s<v0<3 m/s
10.(多选)(2023·广东广州广雅中学校考期中)如图所示,甲、乙两名滑板运动员在水平“U”形赛道上比赛,甲、乙先后从赛道边缘上的A点滑出,一段时间后再次滑入赛道,观察发现甲的滞空时间比乙长,在空中运动过程中乙的最小速度比甲的最小速度大。不计空气阻力,可将运动员视为质点,则下列说法正确的是
A.甲、乙的最大腾空高度相同
B.甲从A点滑出时的初速度一定大于乙的初速度
C.甲、乙从A点滑出时的初速度方向一定不同
D.甲、乙再次滑入赛道的位置可能相同
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竖直方向做竖直上抛运动,运动时间具有对称性,甲的滞空时间比乙长,根据
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设滑出的速度与水平方向夹角为θ,则
tan θ= ,结合选项B,甲的初速度与
水平方向夹角更大,故C正确;
水平位移为x=vtcos θ,结合B、C选项可知,甲、乙再次滑入赛道的位置可能相同,故D正确。
11.(2023·广东肇庆高一期末)如图所示,A、B两个平台水平距离为7.5 m。某同学先将一个小球从A平台边缘以5 m/s的速度水平抛出,结果小球落在了B平台左侧下方6.25 m处。重力加速度g取10 m/s2,忽略空气阻力,要使小球从A平台边缘水平抛出能落到B平台上,则从A平台边缘水平抛出小球的速度至少为
A.6 m/s B.7.5 m/s
C.9 m/s D.11.25 m/s
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12.(2023·广东广州高一校联考期中)充气弹跳飞人娱乐装置如图甲所示,开始时娱乐者静止躺在气包上,工作人员从站台上蹦到气包上,娱乐者即被弹起并落入厚厚的海洋球中。若娱乐者弹起后做抛体运动,其重心运动轨迹如图乙虚线POB所示。开始娱乐者所处的面可视为斜面AC,与水平方向夹角θ=37°。已知娱乐者从P点抛起的初速度方向与AC垂直,B点到轨迹最高点O的竖直高度h=3.2 m,水平距离l=2.4 m,A、B在同一水平面上,忽略空气阻力,sin 37°=0.6,重力加速度g=10 m/s2,则
A.P点到B点的位移为3.6 m
B.A、B之间的距离为0.4 m
C.娱乐者从P点到B点的时间为1 s
D.娱乐者从P点到B点过程中的最大速度为9 m/s
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vPy=vPcos θ=4 m/s
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而hAP=hBP=h-hOP=2.4 m
娱乐者从P点到B点的时间为t总=t+t′=1.2 s,故C错误;
娱乐者从P点到B点过程中,B点速度最大,到B点时竖直方向速度vBy2=2gh,所以vB= 故D错误。
13.(多选)(2022·山东潍坊高一期中)在某次滑雪大跳台比赛中,将运动员视为质点,图甲是从3 m高跳台斜向上冲出的运动示意图,图乙是运动员在空中运动时离跳台底部所在水平面的高度y随时间t变化的图线,重力加速度g取10 m/s2,不计空气阻力,则运动员
A.在空中相同时间内的位移相等
B.在空中相同时间内的速度变化量相等
C.冲出跳台的速度大小为14 m/s
D.在空中运动的时间为3 s
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尖子生选练
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在空中相同时间内的平均速度不等,则位移不相等,选项A错误;
根据Δv=gΔt可知,在空中相同时间内的速度变化量相等,选项B正确;
因1.4 s末上升到最高点,根据vy=gt1可知,冲出跳台的竖直方向分速度大小为vy=14 m/s,则冲出跳台的速度大于14 m/s,选项C错误;
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BENKEJIESHU
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上升过程的时间t1== s=1 s,上升的高度s1== m=5 m;
下落的总高度s2=15 m+5 m=20 m,自由下落的时间t2== s=2 s
vt== m/s=20 m/s。
小球落地时的速度大小vt=
= m/s=20 m/s
t== s=3 s。
当v=50 m/s时,运动的时间t1== s=0.1 s,则飞镖在竖直方向上的位移y=gt12=×10×0.01 m=0.05 m=5 cm,将射中第6环线,当v>50 m/s时,飞镖将射中第6环线以内,选项A错误,B正确;
射中第10环线内,下降的最大高度为0.01 m,根据h=gt2,得t2= s,则最小初速度v2== m/s=50 m/s,选项C错误;
若要击中靶子,下降的高度不能超过0.1 m,根据h=gt2,得t3= s,则最小速度v3== m/s=25 m/s,选项D错误。
若小物件恰好经窗口上沿,则有h=gt12,L=v1t1,解得v1=7 m/s;若小物件恰好经窗口下沿,则有h+H=gt22,L+d=v2t2,解得v2=3 m/s,所以v的取值范围是3 m/s<v<7 m/s,故C正确。
v0tsin θ-gt2
答案 做斜上抛运动的物体达到最高点的时间:t=,所以物体落回同一水平面的时间为T=,则可知T 与竖直分速度有关。
C.水在空中飞行时间为t=
D.水的水平射程为x=
水离开洒水器喷口时的竖直分速度vy=v0sin θ,因此水在空中飞行时间为t==,C正确;
水的水平射程为x=v2t=v0cos θ·=,D正确。
篮球的运动可反向看成平抛运动,由h=gt2可知,篮球运动时间相同,由vy=gt可知,篮球出手时竖直分速度相同,则篮球出手的速度为v==
由速度偏向角公式可得tan θ==,从A点投掷时水平位移s最大,故θ1最小,C错误,D正确。
,vBP=,
A、B到达的最大高度相同,由h==gt2可知,A、B抛出时的竖直速度相等,在空中运动的时间相等,故A正确;
h==gt2
有v0tcos 45°=。联立解得v=v0=9.8 m/s。
h==2.45 m。
据平抛运动特点,竖直方向上h=gt2
得t==0.3 s
答案 m/s
v01==2 m/s
恰好落在锅中心O点时的速度大小v== m/s
h=g()2可知,甲的最大腾空高度更大,故A错误;
运动员滑出后做斜抛运动,则竖直方向vy=,说明甲初速度的竖直分速度更大。水平分速度vx即最小速度,乙的最小速度比甲的最小速度大,因为v=,则无法确定二者初速度大小关系,故B错误;
由平抛运动的规律可知x=v01t1,y+6.25 m=gt12;当小球恰能落到平台B上时x=v02t2,y=gt22;联立解得v02=7.5 m/s,故B正确。
P点到O点所用时间t′==0.4 s
P点与O点高度差及水平位移分别为hOP==0.8 m,xOP=v0t′=1.2 m
从O点到B点做平抛运动,有h=gt2 ,l=v0t,得O点到B点的时间及O点的速度分别为t=0.8 s,v0=3 m/s,P点的速度vP==5 m/s
所以xBP== m,
故A错误;
A、B之间的距离为sAB=l+xOP-=0.4 m,故B正确;
= m/s,
上升的高度为h=t1=9.8 m,则下降的时间t2== s=1.6 s,在空中运动的时间为t总=t1+t2=3 s,选项D正确。
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