内容正文:
DISIZHANG
第四章
抛体运动与圆周运动
大一轮复习讲义
考情分析 运动的合成与分解 2019·全国卷Ⅱ·T19
平抛运动 2022·广东卷·T6 2022·北京卷·T17 2021·山东卷·T11 2021·山东卷·
T16
2020·江苏卷·T8 2020·浙江1月选考·T5
斜抛运动 2022·山东卷·T11 2021·浙江1月选考·T9 2020·山东卷·T16
圆周运动 2022·河北卷·T10 2022·辽宁卷·T13 2022·北京卷·T8
2021·浙江6月选考·T7 2020·浙江7月选考·T2
实验:探究平抛运动的特点 2019·浙江4月选考·T17
试题情境 生活实践类 生活中的抛体运动,自行车、汽车、火车转弯等动力学及临界问题,水流星,体育运动中的圆周运动问题
学习探究类 小船渡河模型,绳、杆速度分解模型,与斜面或圆弧面有关的平抛运动,圆周运动的传动问题,圆锥摆模型,水平面内、竖直面内圆周运动的临界问题,圆周运动中的轻绳、轻杆模型
曲线运动 运动的合成与分解
第
1
讲
目标
要求
1.理解物体做曲线运动的条件,掌握曲线运动的特点.2.会用运动的合成与分解处理小船渡河、关联速度等问题.3.理解运动的合成与分解是处理曲线运动的一种重要思想方法.
考点一 曲线运动的条件和特征
考点二 运动的合成与分解
课时精练
考点三 小船渡河模型
内容索引
考点四 关联速度问题
4
考点一
曲线运动的条件和特征
5
1.速度的方向:质点在某一点的速度方向,沿曲线在这一点的_______
_____.
2.曲线运动的性质:做曲线运动的物体,速度的方向时刻在改变,所以曲线运动一定是 运动.
a恒定: 运动;a变化:非匀变速曲线运动.
3.做曲线运动的条件:
切线
方向
梳理
必备知识
变速
匀变速曲线
1.速度发生变化的运动,一定是曲线运动.( )
2.做曲线运动的物体受到的合力一定是变力.( )
3.做曲线运动的物体所受合外力的方向一定指向轨迹的凹侧.
( )
√
×
×
判断正误
1.运动轨迹的判断
(1)若物体所受合力方向与速度方向在同一直线上,则物体做直线运动.
(2)若物体所受合力方向与速度方向不在同一直线上,则物体做曲线运动.
2.曲线运动中速度方向、合力方向与运动轨迹之间的关系
(1)速度方向与运动轨迹相切;
(2)合力方向指向曲线的“凹”侧;
(3)运动轨迹一定夹在速度方向和合力方向之间.
提升
关键能力
3.速率变化的判断
例1 如图,水平桌面上乒乓球沿直线AB匀速运动,一同学在桌边用吹管欲将球吹进桌面上的球门(吹管对准球门中心),AB垂直于BC.在B处对准C吹气,未成功,下列情形可能成功的是
A.仅增大吹气力度
B.将球门沿直线CB向B靠近
C.将吹管向A平移适当距离,垂直AB方向吹气
D.将吹管绕B点顺时针转动90°,正对着A吹气
√
将球门C沿直线CB向B移动一小段距离,与原方案一样,不能落入球门,故B错误;
将吹管向A平移适当距离,垂直AB方向吹气,到达BC所在直线位置时乒乓球已经沿垂直AB方向运动了一段距离,可知球可能落入球门中,故C正确;
将吹管绕B点顺时针转动90°,正对着A吹气,乒乓球只能做直线运动,不会进入球门,故D错误.
原方案中,吹管吹气只改变了球沿BC方向的速度,而沿AB方向的速度不变,所以单纯地沿BC方向吹气来施加力的作用不能使球落入球门中,仅增大吹气力度,只能加快BC方向速度变化,不能使球进入球门,故A错误;
例2 (2023·浙江湖州市天略外国语学校模拟)2021年8月21日,中国人民解放军火箭军成功发射两枚新型导弹.导弹轨迹通常都十分复杂,如图是分析导弹工作时的轨迹示意图,其
中弹头的速度v与所受合外力F关系
正确的是
A.图中A点 B.图中B点
C.图中C点 D.图中D点
√
弹头的运动轨迹是曲线,因此合外力与速度关系应满足曲线运动条件,合外力指向轨迹的凹侧,速度方向沿轨迹的切线方向,故选D.
考点二
运动的合成与分解
14
1.基本概念
(1)运动的合成:已知 求合运动.
(2)运动的分解:已知 求分运动.
2.遵循的法则
位移、速度、加速度都是矢量,故它们的合成与分解都遵循__________
______.
3.运动分解的原则
根据运动的 分解,也可采用正交分解法.
分运动
合运动
梳理
必备知识
平行四边形
定则
实际效果
4.合运动与分运动的关系
(1)等时性:合运动和分运动经历的 相等,即同时开始、同时进行、同时停止.
(2)独立性:一个物体同时参与几个分运动,各分运动 ,不受其他分运动的影响.
(3)等效性:各分运动的规律叠加起来与合运动的规律有完全相同的 .
时间
独立进行
效果
1.合运动的速度一定比分运动的速度大.( )
2.只要两个分运动为直线运动,合运动一定是直线运动.( )
3.曲线运动一定不是匀变速运动.( )
×
×
×
判断正误
1.运动性质的判断
提升
关键能力
2.判断两个直线运动的合运动性质,关键看合初速度方向与合加速度方向是否共线.
两个互成角度的分运动 合运动的性质
两个匀速直线运动 匀速直线运动
一个匀速直线运动、一个匀变速直线运动 匀变速曲线运动
两个初速度为零的匀加速直线运动 匀加速直线运动
两个初速度不为零的匀变速直线运动 如果v合与a合共线,为匀变速直线运动
如果v合与a合不共线,为匀变速曲线运动
例3 跳伞表演是人们普遍喜欢的观赏性体育项目,如图所示,当运动员从直升机上由静止跳下后,在下落过程中将会受到水平风力的影响,下列说法中正确的是
A.风力越大,运动员下落时间越长,运动员可完
成的动作越多
B.风力越大,运动员着地时的竖直速度越大,有
可能对运动员造成伤害
C.运动员下落时间与风力无关
D.运动员着地速度与风力无关
考向1 合运动与分运动的关系
√
运动员同时参与了两个分运动,竖直方向向下落的运动和水平方向随风飘的运动,两个分运动同时发生,相互独立,水平方向的风力大小不影响竖直方向的运动,即落地时间和竖直方向的速度不变,故A、B错误,C正确;
水平风力越大,水平方向的速度越大,则落地时的合速度越大,故D错误.
例4 (2023·河南新乡市高三测试)快递公司推出了用无人机配送快递的方法.某次配送快递无人机在飞行过程中,水平方向速度vx及竖直方向速度vy与飞行时间t的关系图像如图甲、乙所示.下列关于无人机运动的说法正确的是
A.0~t1时间内,无人机做曲线运动
B.t2时刻,无人机运动到最高点
C.t3~t4时间内,无人机做匀变速直线运动
考向2 两互成角度运动的合运动性质的判断
√
在0~t4时间内,无人机竖直方向速度一直为正,即一直向上运动,则在t2时刻,无人机还没有运动到最高点,选项B错误;
在t3~t4时间内,无人机水平方向做速度为v0的匀速运动,竖直方向做匀减速运动,则合运动为匀变速曲线运动,选项C错误;
在0~t1时间内,无人机在水平方向做初速度为零的匀加速直线运动,在竖直方向也做初速度为零的匀加
速直线运动,则合运动为匀加速直线运动,选项A错误;
考点三
小船渡河模型
两类问题,三种情景
渡河时间 (1)渡河时间只与船垂直于河岸方向的分速度有关,与水流速度无关;
(2)船头正对河岸时,渡河时间最短,tmin= (d为河宽)
渡河位移 若v船>v水,当船头方向与上游河岸夹角θ满足v船cos θ=v水时,合速度垂直河岸,渡河位移最短,且xmin=d
渡河位移 若v船<v水,合速度不可能垂直于河岸,无法垂直渡河.当船头方向(即v船方向)与合速度方向垂直时,渡河位移最短,且xmin=
考向1 渡河时间问题
例5 有一条两岸平直且平行的河流,河水流速恒定,大小为v1.一条小船在河上横渡,已知船在静水中的速度大小为v2,第一次过河时船头始终指向与河岸垂直的方向,第二次过河时行驶路线与河岸垂直.若v1、v2均不变,试求第一次过河与第二次过河所用时间的比值为
√
根据题意,设河宽为d,第一次过河时船头始终指向与河岸垂直的方向,
第二次过河时行驶路线与河岸垂直,
例6 假设一只小船匀速横渡一条河流,当船头垂直对岸方向航行时,在出发后10 min到达对岸下游120 m处;若船头保持与上游河岸成α角向上游航行,出发后12.5 min到达正对岸,两次渡河时小船相对于静水的速度大小相等.以下说法正确的是
A.船头与河岸间的夹角α为37°
B.船头与河岸间的夹角α为60°
C.小船在静水中的速度大小为0.6 m/s
D.河的宽度为200 m
√
考向2 最短位移渡河问题
当船头垂直对岸方向航行时,如图甲所示,
有x=v2t1,解得水流的速度大小为
当船头保持与上游河岸成α角向上游航行时,如图乙所示,有v2=v1cos α,d=v1sin α·t2,
故船头与上游河岸间的夹角是53°,选项A、B、C错误,D正确.
例7 如图所示,水速为v,消防武警驾驶冲锋舟,若采取冲锋舟最小速度和最短时间两种方案,沿与平直河岸成30°角的线路把被困群众从A处送到对岸安全地B处,则两种方案中冲锋舟最小速
度v1和最短时间的冲锋舟速度v2之比为
考向3 渡河中最小速度问题
√
考点四
关联速度问题
例8 如图所示,在不计滑轮摩擦和绳子质量的条件下,当汽车匀速向左运动时,物体M的受力和运动情况是
A.绳的拉力等于M所受的重力
B.绳的拉力大于M所受的重力
C.物体M向上做匀速运动
D.物体M向上做匀加速运动
√
汽车匀速向左运动,其速度可分解为沿绳子方向的分速度和垂直于绳子方向的分速度,沿绳子方向的分速度v′=vcos θ,汽车在匀速向左运动的过程中,绳子与水平方向的夹角θ减小,所以v′增大,即物体M向上做加速
运动,又因为v′变化不均匀,所以不是匀加速运动,故选项C、D错误;
由于物体M向上做加速运动,由F-mg=ma可知,绳子的拉力大于物体M所受的重力,故选项A错误,B正确.
例9 曲柄连杆结构是发动机实现工作循环、完成能量转换的主要运动零件,如图所示,连杆下端连接活塞Q,上端连接曲轴P.在工作过程中,活塞Q在汽缸内上下做直线运动,带动曲轴绕圆心O旋转,若P做线速度大小为v0的匀速圆周运动,则下列说法正确的是
A.当OP与OQ垂直时,活塞运动的速度等于v0
B.当OP与OQ垂直时,活塞运动的速度大于v0
C.当O、P、Q在同一直线时,活塞运动的速度等于v0
D.当O、P、Q在同一直线时,活塞运动的速度大于v0
√
当OP与OQ垂直时,设∠PQO=θ,此时活塞的速度为v,将P的速度分解为沿连杆方向和垂直于连杆方向的速度;将活塞的速度v分解为沿连杆方向和垂直于连杆方向的速度,则此时v0cos θ=vcos θ,即v=v0,选项A正确,B错误;
当O、P、Q在同一直线时,P沿连杆方向的速度为零,则活塞运动的速度等于0,选项C、D错误.
1.题型特点
与绳(杆)相连的物体运动方向与绳(杆)不在一条直线上.
2.明确合速度与分速度
合速度→绳(杆)拉物体的实际运动速度v→平行四边形对角线
规律总结
3.解题原则
把物体的实际速度分解为垂直于绳(杆)和平行于绳(杆)两个分速度,根据沿绳(杆)方向的分速度大小相等求解.常见的模型如图所示.
规律总结
五
课时精练
1.关于曲线运动,下列叙述不正确的是
A.做曲线运动的物体一定是变速运动
B.做曲线运动的物体所受的合外力一定不为零
C.如果物体不受外力,由于惯性而持续的运动不可能是曲线运动
D.因曲线运动的速度在不断变化,所以不可能是匀变速运动
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√
基础落实练
做曲线运动的物体,方向时刻在改变,则一定是变速运动,有可能是匀变速运动,故A正确,D错误;
做曲线运动的物体,运动状态时刻在改变,物体所受合外力一定不为零,故B正确;
如果物体不受外力,根据牛顿第一定律可知,物体将保持静止或做匀速直线运动,故C正确.
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2.一辆汽车在水平公路上转弯,沿曲线由M向N行驶,速度逐渐增大.图中分别画出了汽车转弯时受到的合力F的四种方向,可能正确的是
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由题意可得,合力F指向曲线的凹侧,由M向N行驶,速度逐渐增大,合力F需与速度成锐角,综合来看,B可能正确.
√
3.(2023·江苏省泰州中学高三开学考试)如图所示,在一个足够大、表面平坦的雪坡顶端,有一个小孩坐在滑雪板上.给他一个大小为v0的水平初速度使其运动.设雪坡与滑雪板之间的动摩擦因数μ<tan θ,不计空气阻力,则小孩
A.一直做曲线运动
B.时间足够长,速度方向会与初速度方向垂直
C.若μ值合适可以沿初速度方向做匀速直线运动
D.做与初速度方向保持小于90°角的加速直线运动
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因为雪坡与滑雪板之间的动摩擦因数μ<tan θ,
所以μmgcos θ<mgsin θ,故阻力小于重力沿斜
面向下的分力,小孩不会停在斜面上.在垂直
于初速度并沿斜面向下的方向上,小孩做初速度为零的加速直线运动;因为摩擦力方向始终与运动方向相反,故小孩在水平方向做减速直线运动,当水平方向速度减为零时,小孩合速度方向与初速度方向垂直并沿斜面向下,合力方向也与初速度方向垂直并沿斜面向下,此后将沿斜面向下做匀加速直线运动,故选B.
4.(2023·北京市育才学校月考)某质点在Oxy平面内运动的轨迹如图所示,则该质点在x、y两个正方向上的运动状况可能是
A.质点在x、y两方向上都匀速运动
B.质点在x方向上匀速运动,在y方向上先加速后减速
C.质点在y方向上匀速运动,在x方向上先加速后减速
D.质点在y方向上匀速运动,在x方向上先减速后加速
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若质点在y方向上始终匀速运动,合力沿着x方向,根据合力方向指向运动轨迹的凹侧可知,合力先沿着x轴正方向后沿着x轴负方向,则在x方向上先加速后减速,故C正确,D错误.
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若质点在x方向上始终匀速运动,合力沿着y方向,根据合力方向指向运动轨迹的凹侧可知,合力先沿着y轴负方向后沿着y轴正方向,则质点在y方向上先减速后加速,故A、B错误;
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设此时绳子的速率为v绳,将A、B的速度分别沿绳的方向和垂直于绳的方向分解,
可得v绳=vAsin 37°=vBcos 53°,
6.(2023·湖北省模拟)有一个质量为4 kg的质点在xOy平面内运动,在x方向的速度图像和y方向的位移图像分别如图甲、乙所示.下列说法正确的是
A.质点做匀变速直线运动
B.质点所受的合外力为22 N
C.2 s时质点的速度大小为6 m/s
D.零时刻质点的速度大小为5 m/s
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由题图可知,质点在x轴方向上做匀加速直线运动,在y轴方向上做匀速直线运动,合力的方向沿x轴方向.
在x轴方向上的初速度大小为3 m/s,在y轴方向上的速度大小为4 m/s,
质点在x轴方向上的加速度为ax=1.5 m/s2,y轴方向上的加速度为零,则合加速度为a=1.5 m/s2,所以合外力为F=ma=4×1.5 N=6 N,故B错误;
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7.(2023·广东茂名市高三检测)如图所示,小船从河岸的O点沿虚线运动,匀速运动到河对岸的P点,河水的流速v水、船在静水中的速度v静与虚线的夹角分别为α、θ,河宽为L,且v静、v水的大小不变,下列说法正确的是
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C.v水越小,渡河时间越短
D.当α+θ=90°时,渡河的时间最短
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8.(2023·江苏淮南市模拟)雨滴在空中以4 m/s的速度匀速竖直下落,某同学打伞以3 m/s的速度匀速向西急行,如果希望雨滴垂直打向伞的截面,则伞柄应指的方向为(已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)
A.向西倾斜,与竖直方向成53°角
B.向西倾斜,与竖直方向成37°角
C.向东倾斜,与竖直方向成37°角
D.向东倾斜,与竖直方向成53°角
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能力综合练
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如图所示,以伞面为参考系,雨滴同时有水平向东和竖直向下的分速度,
可知伞柄应指的方向为向西倾斜,与竖直方向成37°角,B正确,A、C、D错误.
9.(2023·福建龙岩市才溪中学月考)如图所示,河的宽度为L,河水流速为u,甲、乙两船均以在静水中的速度v同时渡河.出发时两船相距2L,甲、乙两船头均与岸边成60°角,且乙船恰好能直达正对岸的A点.则下列判断正确的是
A.甲船在A点右侧靠岸
B.甲船在A点靠岸
C.甲、乙两船到达对岸的时间相等
D.甲、乙两船可能在未到达对岸前相遇
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依题意,乙船恰好能直达正对岸的A点,根据速度合成与分解可知v=2u,
将甲、乙两船的运动分解为平行于河岸和垂直于河岸两个方向,
根据分运动和合运动具有等时性,知甲、乙两船到达对岸的时间相等,
即甲船在A点左侧靠岸,显然甲、乙两船不可能在未到达对岸前相遇,A、B、D错误,C正确.
10.如图所示,一根长直轻杆AB在墙角沿竖直墙面和水平地面滑动.当AB杆和墙面的夹角为θ时,杆的A端沿墙面下滑的速度大小为v1,B端沿地面滑动的速度大小为v2.v1、v2的关系是
A.v1=v2 B.v1=v2cos θ
C.v1=v2tan θ D.v1=v2sin θ
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将A端的速度分解为沿杆方向和垂直于杆方向的速度,沿杆方向上的分速度v1∥=v1cos θ,
将B端的速度分解为沿杆方向和垂直于杆方向的速度,沿杆方向上的分速度v2∥=v2sin θ,
由于v1∥=v2 ∥,所以v1=v2tan θ,故选C.
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11.(2019·全国卷Ⅱ·19改编)如图(a),在跳台滑雪比赛中,运动员在空中滑翔时身体的姿态会影响其下落的速度和滑翔的距离.某运动员先后两次从同一跳台起跳,每次都从离开跳台开始计时,用v表示他在竖直方向的速度,其v-t图像如图(b)所示,t1和t2是他落在倾斜雪道上的时刻.则
A.第二次滑翔过程中在竖直方
向上的位移比第一次的小
B.第二次滑翔过程中在水平方
向上的位移比第一次的大
C.第二次滑翔过程中在竖直方向上的平均加速度比第一次的大
D.竖直方向速度大小为v1时,第二次滑翔在竖直方向上所受阻力比第一次的小
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根据v-t图线与t轴所围图形的面积表示位移,可知第二次滑翔过程中在竖直方向上的位移比第一次的大,选项A错误;
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第二次滑翔过程中在竖直方向的位移比第一次的大,又运动员每次滑翔过程中竖直位移与水平位移的比值相同(等于倾斜雪道与水平面夹角的正切值),故第二次滑翔过程中在水平方向上的位移比第一次的大,选项B正确;
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竖直方向上的速度大小为v1时,根据v-t图线的斜率表示加速度可知,第二次滑翔过程中在竖直方向上的加速度比第一次的小,由牛顿第二定律有mg-Ff=ma,可知竖直方向速度大小为v1时,第二次滑翔在竖直方向上所受阻力比第一次的大,选项D错误.
12.(2023·山西大同市模拟)如图所示,在风洞实验室中,从A点以水平速度v0向左抛出一个质量为m的小球(可视为质点),小球抛出后所受空气作用力沿水平方向,其大小为F,经过一段时间小球运动到A点正下方的B点处,重力加速度为g,在此过程中,求:
(1)小球离A、B所在直线的最远距离;
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素养提升练
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将小球的运动沿水平方向和竖直方向分解,水平方向有F=max,v02=2axxmax,
(2)A、B两点间的距离;
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由对称性知小球从A运动到B的总时间t=2t1
(3)小球的最大速率vmax.
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小球运动到B点时速率最大,此时有vx=v0
加速度(或合外力)
加速度或合外力方向与速度方向
D.t2时刻,无人机的速度大小为
在t2时刻,无人机的水平速度为v0、竖直速度为v2,则合速度大小为,选项D正确.
=
A. B.
C. D.
则渡河时间为t1=,
此时船的合速度为v=,渡河时间为t2=,
则第一次过河与第二次过河所用时间的比值为=,故A、B、D错误,C正确.
v2== m/s=0.2 m/s,
由图甲可得d=v1t1,联立解得sin α=,v1≈0.33 m/s,d=200 m,
A.1∶2 B.1∶ C.2∶ D.∶2
设冲锋舟以最小速度v1和最短时间的冲锋舟速度v2分别从A运动到B,冲锋舟最小速度v1垂直于AB连线,且v1=vsin 30° ,最短时间的冲锋舟速度v2垂直于平直河岸,且v2=vtan 30°,可知=cos 30°=,故选项D正确.
5.如图所示,绳子通过固定在天花板上的定滑轮,左端与套在固定竖直杆上的物体A连接,右端与放在水平面上的物体B相连,到达如图所示位置时,两段绳与水平面的夹角分别为37°、53°,两物体的速率分别为vA、vB,且此时vA+vB= m/s,sin 37°=,cos 37°=,则vA的大小为
A. m/s B. m/s
C.2 m/s D.4 m/s
结合vA+vB= m/s,联立解得vA= m/s,故选A.
则初速度大小v0= m/s=5 m/s,初速度方向不沿x轴方向,所以质点做匀变速曲线运动,故A错误,D正确;
2 s末质点在x轴方向上的速度大小为vx=6 m/s,在y轴方向上的速度大小为vy=4 m/s,则合速度大小为v= m/s>6 m/s,故C错误.
A.渡河时间t=
B.渡河时间t=
根据速度的合成与分解及数学知识可知,渡河时间t=,与v水无关,选项A、B、C错误;
当α+θ=90°时,渡河时间最短,为tmin=,选项D正确.
则有tan θ=,解得θ=37°,
渡河的时间均为t=,可得甲船沿河岸方向上的位移为x=(u+vcos 60°)t=L<2L,
从起跳到落到雪道上,第二次速度变化小,时间长,由a=可知,第二次滑翔过程中在竖直方向上的平均加速度比第一次的小,选项C错误;
答案
解得xmax=.
答案
水平方向速度减小为零所需时间t1=
竖直方向上有y=gt2=.
答案
vy=gt,则vmax==.
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