内容正文:
专题五 运动的合成与分解及
平抛运动中常见的模型
模型一:绳、杆连接体-关联运动问题
知识总结
1.模型特点
(1)绳或杆质量忽略不计
(2)绳或杆不可伸长
(3)沿绳(杆)方向的速度分量大小相等。
2.思路方法
合运动(实际发生的运动)→合速度→绳(杆)拉物体的实际运动速度v
分运动(对合运动沿某方向分解的运动)→分速度→
方法:v1与v2的合成遵循平行四边形定则。
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)两个分量,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。
典型例题
1.如图所示为某简易升降装置的示意图,物体A可沿光滑竖直杆运动,不可伸长的轻绳跨过光滑的定滑轮B一端与物体A相连,另一端与电动机C相连。半径为r的电动机以恒定角速度ω逆时针匀速转动,轻绳始终处于伸直状态。当A、B间的轻绳与竖直杆的夹角为θ时,物体A的瞬时速度大小为( )
A. B. C. D.ωrcos θ
【答案】B
【解析】根据题意可得vC=ωr,将A的速度分解为沿绳方向和垂直于绳方向,则vAcos θ=vC,所以vA=,故选B。
2.(多选)如图所示,质量为m的物体P置于倾角为θ1的固定光滑斜面上,轻质细绳跨过光滑定滑轮分别连接着P与小车,P与滑轮间的细绳平行于斜面,小车以速率v水平向右做匀速直线运动,重力加速度大小为g,当小车与滑轮间的细绳和水平方向的夹角为θ2时,下列说法中正确的是( )
A.P的速率为 B.P的速率为vcos θ2
C.绳的拉力大于mgsin θ1 D.绳的拉力小于mgsin θ1
【答案】BC
【解析】AB、将小车的速度沿细绳和垂直细绳方向分解,如图,沿细绳方向的分速度与P的速度大小相等,则P的速率为vP=vcos θ2,故A错误,B正确;
CD.小车以速率v水平向右做匀速直线运动时,细绳和水平方向的夹角减小,可知P的速度变大,即P沿斜面做加速运动,根据T-mgsin θ1=ma,可知绳的拉力T>mgsin θ1,故C正确,D错误。
故选:BC。
3.如图是内燃机中一种传动装置,车轮和滑块上分别设置可以绕轴A、B转动的轻杆,O轴固定。工作时高压气体驱动活塞在汽缸中做往复运动,再通过连杆驱动滑块在斜槽中做往复运动,最终驱动车轮做角速度为ω的匀速圆周运动。已知轻杆OA长度为L,运动到图示位置时AB、BC垂直,α=β=60°,那么此时活塞的速度大小为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【解析】A点的线速度为v=ωL
A点的线速度沿AB水平杆的分速度为v′=vsin α=
滑块在斜槽中的速度分解为沿BC向上和沿AB水平向右的分速度,滑块沿AB方向的分速度与A点线速度沿AB方向的分速度相等,即vAB=v′=
结合图可知活塞的速度等于滑块在斜槽中沿竖直向上的分速度,所以滑块在斜槽中竖直向上的分速度为vBC=vABtan β==
故选B。
模型二:小船渡河
知识总结
1.模型分析
(1)船的实际运动是随水流的运动和船相对静水的运动的合运动。
(2)三种速度:船在静水中的速度v船、水的流速v水、船的实际速度v合。
2.实际运动是匀速直线运动的两类问题、三种情景
渡河时间最短
当船头方向垂直河岸时,渡河时间最短,最短时间tmin=
渡河位移最短
如果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,等于河宽d
如果v船<v水,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,等于
3.分析思路
4.解题方法:
小船渡河问题有两类:一是求渡河时间,二是求渡河位移。无论哪类都必须明确以下四点:
(1)解决问题的关键:正确区分分运动和合运动,船的航行方向也就是船头指向,是分运动。船的运动方向也就是船的实际运动方向,是合运动,一般情况下与船头指向不一致。
(2)运动分解的基本方法:按实际效果分解,一般用平行四边形定则沿水流方向和船头指向分解。
(3)渡河时间只与垂直河岸的船的分速度有关,与水流速度无关。求解渡河时间,一般根据运动的独立性,t=。
(4)求最短渡河位移时,当水速小于船速时即为河宽,当水速大于船速时,根据船速v船与水流速度v水的情况用三角形定则求极限的方法处理。
典型例题
1.一小船以相对于静水不变的速度向对岸驶去,船头始终垂直河岸。河水向右流动,并且距离河岸越远水流速度越大,下列描绘小船过河轨迹可能正确的是( )
A. B.
C. D.
【答案】C
【解析】船在垂直河岸的方向上是匀速直线运动,即在相同的时间间隔内,在垂直河岸方向上的位移是相同的;距离河岸越远水流速度越大,则在沿河岸的方向上,在相等的时间间隔内(参照船在垂直河岸方向上的时间),开始时位移较小,后逐渐增大再逐渐减小,所以合速度先向沿河岸方向偏转再向垂直河岸方向偏转。故C正确,ABD错误。
故选:C。
2.在抗险救灾中,需要将救援物资运送至一河流(河岸平直)的对岸。救援船第一次从岸边某处出发,船头偏向上游,救援船相对静水的速度大小为v1,方向与河岸上游的夹角(锐角)为α1,渡河过程中水流速度不变,结果救援船的航线恰好垂直河岸。当救援船第二次运送救援物资时,水流速度(相对第一次渡河)稍有增大,救援船相对静水的速度大小调整为v2,方向与河岸上游的夹角调整为α2(船头仍偏向上游),渡河过程中水流速度不变,结果救援船两次渡河的航线与时间均相同。下列说法正确的是( )
A.v2>v1,α2<α1 B.v2>v1,α2>α1
C.v2<v1,α2>α1 D.v2<v1,α2<α1
【答案】A
【解析】因为救援船两次渡河的航线与时间均不变, 所以救援船两次渡河过程中的合速度v合相同,如图所示,当水流速度v水增大时,救援船相对静水的速度v增大,方向与河岸的夹角减小,即v2>v1,α2<α1。
故选A。
3.游泳是人们很喜爱的运动之一。如图,某游泳运动员在河中的P点发现正下游O处有一半径为r=5 m的漩涡,当时水流速度为3 m/s,P点与O点的距离d=15 m,该运动员为了能避开漩涡沿直线到达安全地带,其在静水中的速度至少为( )
A. m/s B.1 m/s C.2 m/s D. m/s
【答案】B
【解析】当运动员的合速度方向沿漩涡的切线方向,且此时运动员在静水中的速度与合速度垂直时,运动员在静水中的速度最小,则=,解得v船=1 m/s,故B正确,ACD错误。
4.(多选)如图所示,某段河面宽120 m,小船从A点开始渡河,A点下游160 m的B处是一片左侧边界与河岸垂直的险滩,已知水流速度大小恒为5 m/s。小船不进入险滩处可视为安全渡河,下列说法正确的是( )
A.若小船相对静水的速度大小恒为10 m/s,则小船最短渡河时间为10 s
B.若小船相对静水的速度大小恒为8 m/s,则小船最短渡河位移大小为120 m
C.若小船相对静水的速度大小恒为4 m/s,则小船最短渡河位移大小为120 m
D.若要使小船能安全渡河,则小船相对静水的最小速度为3 m/s
【答案】BD
【解析】A.若小船相对静水的速度大小恒为10 m/s,小船船头垂直河岸渡河时,时间最短,则有tmin== s=12 s,故A错误;
B.若小船相对静水的速度大小恒为8 m/s,由于小船相对静水的速度大于水流速度,则小船可以到达正对岸,所以小船最短渡河位移大小为120 m,故B正确;
C.若小船相对静水的速度大小恒为4 m/s,由于小船相对静水的速度小于水流速度,则小船不可以到达正对岸,所以小船最短渡河位移一定大于120 m,故C错误;
D.若要使小船能安全渡河,小船渡河的临界轨迹如图所示
根据几何关系可得
解得小船相对静水的最小速度为
故D正确。故选BD。
模型三:与斜面相关的平抛运动
知识总结
1.从斜面上某点水平抛出,又落到斜面上的平抛运动的五个规律(推论)
(1)位移方向相同,竖直位移与水平位移之比等于斜面倾斜角的正切值。
(2)刚落到侧面时的末速度方向都平行,竖直分速度与水平分速度(初速度)之比等于斜面倾斜角正切值的2倍。
(3)运动的时间与初速度成正比(t=)。
(4)位移与初速度的二次方成正比(s=)。
(5)当速度与斜面平行时,物体到斜面的距离最远,且从抛出到距斜面最远所用的时间为平抛运动时间的一半。
2.常见的模型
模型
方法
分解速度,构建速度三角形,找到斜面倾角θ与速度方向的关系
分解速度,构建速度的矢量三角形
分解位移,构建位移三角形,隐含条件:斜面倾角θ等于位移与水平方向的夹角
基本规律
水平:vx=v0
竖直:vy=gt
合速度:v=
方向:tan θ=
水平:vx=v0
竖直:vy=gt
合速度:v=
方向:tan θ=
水平:x=v0t
竖直:y=
合位移:s=
方向:tan θ=
运动时间
由tan θ==得
t=
由tan θ==得
t=
由tan θ==得
t=
典型例题
1.冬奥会中跳台滑雪项目是勇敢者的运动,运动员踏着专用滑雪板,不带雪杖在助滑区上获得高速后水平飞出,在空中飞行一段距离后着陆。图甲所示是运动员在空中飞行的姿态,图乙是滑道的简略示意图,飞行着陆区斜面倾角为θ,运动员每次都从助滑区的同一点开始下滑,从飞出点水平飞出时的速度大小为v0,各功能区的高度和坡度都是定值,运动员可视为质点和忽略各种阻力,重力加速度为g,以下说法正确的是( )
A.由于运动员质量不同,因此在助滑区飞出点的速度大小不同
B.由于运动员质量不同,因此落在飞行着陆区时的速度方向不同
C.运动员水平飞出后到落回斜面的时间是
D.运动员水平飞出后离斜面最远距离为
【答案】D
【解析】A.设运动员的质量为m,在飞出点的速度为v0,根据动能定理得mgh=,解得v0=,可见在助滑区飞出点的速度与运动员的质量无关,故A错误;
B.根据平抛运动的规律,设水平分速度与速度的夹角为α,则有tan α=2tan θ,θ是定值,因此落在飞行着陆区时的速度方向是相同的,故B错误;
C.运动员做平抛运动tan θ==,可得运动员水平飞出后到落回斜面的时间是t=,故C错误;
D.运动员水平飞出后,将速度和重力加速度沿斜面和垂直于斜面进行分解,当沿垂直斜面的分速度减为0时,离斜面最远距离为dm=,故D正确。
故选D。
2.如图所示,阳光垂直照射到斜面上,在斜面顶端把一小球水平抛出,小球刚好落在木板底端。B点是运动过程中距离斜面的最远处,A点是小球在阳光照射下小球经过B点的投影点。不计空气阻力,则( )
A.小球在斜面上的投影做匀速运动
B.OA与AC长度之比为1∶3
C.若D点在B点的正下方,则OD与DC长度相等
D.减小小球平抛的速度,小球可能垂直落到斜面上
【答案】C
【解析】A.建立沿斜面向下和垂直于斜面向上的平面直角坐标系,
将初速度v0进行分解:vx=v0cos θ,vy=v0sin θ,
将重力加速度g进行分解:gx=gsin θ,gy=gcos θ,
所以小球在斜面上的投影做初速度为v0cos θ,加速度为gsin θ的匀变速直线运动,故A错误;
B.当小球的速度方向与斜面平行时,小球到斜面的距离最大,即在小球距离斜面最远B时,垂直于斜面方向的速度等于0,垂直于斜面向上为:类竖直上抛运动,小球距离斜面的最远时间为:t==,小球距离斜面的最远距离为H==,
沿斜面方向:OA=vxt+,OC=vx·2t+=vx·2t+2gxt2;
则==≠,故B错误;
C.当小球运动到B,水平方向位移:x=v0t=,则OD==;
落在斜面上时所用时间为t0=2t=,小球落在斜面上时,落点距斜面顶端距离OC===;
则OC=2OD,所以DC=OC-OD=OD,即OD与DC长度相等,故C正确;
D.改变初速度的大小,小球位移偏向角不变,则速度偏向角也不变,即小球的速度方向和斜面的夹角不变,不可能垂直撞在斜面上,故D错误。
3.如图甲所示,挡板OA与水平面的夹角为θ,小球从O点的正上方高度为H的P点以水平速度v0水平抛出,落到斜面时,小球的位移与斜面垂直;让挡板绕固定的O点转动,改变挡板的倾角θ,小球平抛运动的初速度v0也改变,每次平抛运动都使小球的位移与斜面垂直,关系图像如图乙所示,重力加速度g=10 m/s2,下列说法正确的是( )
A.图乙的函数关系图像对应的方程式=+1
B.图乙中a的数值-2
C.当图乙中b=1,H的值为0.2 m
D.当θ=45°,图乙中b=1,则平抛运动的时间为 s
【答案】C
【解析】A.设平抛运动的时间为t,如图所示:
把平抛运动的位移分别沿水平和竖直方向分解,由几何关系=tan θ,解得t=,根据几何关系有H-=v0t·tan θ,联立整理=-1,故A错误;
B.结合图乙函数关系图像可得a=-1,故B错误;
C.由图乙可得函数关系图像的斜率k=,又有a=-1,b=1,可得H=0.2 m,故C正确;
D.当θ=45°,H=0.2 m,根据=-1,解得v0= m/s,根据t=,解得t= s,故D错误。
故选C。
4.如图所示,从O点水平抛出的小球,到达斜面顶端P处,其速度方向恰好沿斜面向下,然后沿斜面滑下。已知斜面倾角θ=60°,小球初速度v0=10 m/s,取g=10 m/s2,不计空气阻力,求:
(1)小球从抛出点O到P点的竖直高度h;
(2)抛出点O到P点的水平距离x(计算结果中可以有根号)。
【答案】解:(1)小球到达P点时的竖直分速度为:vy=v0tan θ= m/s,
由速度位移关系公式得:=2gh,解得:h=15 m;
(2)飞行时间:t== s,从O到P点的水平距离x=v0t= m。
答:(1)小球从抛出点O到P点的竖直高度h为15 m;
(2)抛出点O到P点的水平距离x为 m。
模型四:与圆弧面相关的平抛运动
知识总结
利用位移关系
从圆心处水平抛出,落到半径为R的圆弧上,如图所示,已知位移大小等于半径R
从与圆心等高的圆弧上水平抛出,落到半径为R的圆弧上,如图所示,已知水平位移x与R的差的平方与竖直位移的平方之和等于半径的平方
已知速度方向
从圆弧形轨道外平抛,恰好无碰撞地进入圆弧形轨道,如图所示,已知速度方向沿该点圆弧的切线方向
分解速度
tan θ==
典型例题
1.如图所示,半球面半径为R,A点与球心O等高,小球两次从A点以不同的速率沿AO方向抛出,下落相同高度h,分别撞击到球面上B点和C点,速度偏转角分别为α和β,不计空气阻力。则小球( )
A.运动时间tAC>tAB
B.两次运动速度变化ΔvAC>ΔvAB
C.在C点的速度方向可能与球面垂直
D.=
【答案】D
【解析】A.根据平抛运动竖直方向做自由落体运动得h=,解得t=,则运动时间tAC=tAB,故A错误;
B.根据Δv=g·Δt,两次运动速度变化ΔvAC=ΔvAB,故B错误;
C.若在C点的速度方向与球面垂直,则速度方向所在直线经过圆心,速度方向反向延长线一定经过水平位移的中点,显然不符合,故C错误;
D.速度偏转角分别为α和β,位移偏转角分别为α′和β′,水平位移分别为x1、x2,
有tan α=2tan α′,tan β=2tan β′其中tan α′=,tan β′=
可得=
如图
可知△ABD≌△DCA,DF=AE=x1,AF+DF=AF+AE=x2+x1=2R
所以=,故D正确。
故选D。
2.如图所示为固定的半圆形竖直轨道,AB为水平直径,O为圆心,现同时从A、B两点水平相向抛出甲、乙两个小球,其初速度大小分别为v1、v2,且均落在轨道上的C点,已知OC与竖直方向的夹角θ=30°, 忽略空气阻力, 两小球均可视为质点。则下列说法正确的是( )
A.甲、乙两球不会同时落到轨道上
B.两者初速度关系为v1>v2
C.整个下落过程,甲球速度变化量大于乙球速度变化量
D.甲球可沿半径方向垂直打在轨道上C点
【答案】B
【解析】AC.由图可知,两个物体下落的高度是相等的,根据h=,又Δv=gt,可知甲乙两球下落到轨道的时间相等,即甲、乙两球同时落到轨道上,甲乙两球下落到轨道的速度变化量相同,故AC错误。
B.设圆形轨道的半径为R,则甲水平位移为x甲=R+Rsin 30°=1.5R,乙水平位移为x乙=R-Rsin 30°=0.5R,可得x甲=3x乙,小球水平方向做匀速直线运动,则有v1∶v2=3∶1,故B正确。
D.由平抛运动推论,速度反向延长线过水平位移中点,由题图可知若甲球垂直打在轨道上,由几何关系,其速度方向延长线应过O点,与推论矛盾,则甲球不可能沿半径方向垂直打在半圆形竖直轨道上,故D错误。
故选B。
3.如图所示,将半径为R的圆环固定在绝缘的水平面内,O为圆环的圆心,BC为圆的一条直径,在水平面内有沿BC方向的匀强电场,电场强度的大小为E。现将质量为m、电荷量为q(q>0)的小球以初速度v1,从BC直线上距B点处的A点沿垂直BC的方向抛出,小球将运动到圆环上的D点,∠BOD=37°;若将小球以初速度v2从A点沿相同的方向抛出,小球运动到圆环上时,从抛出至落点的位移恰好与圆环相切,已知sin 37°=0.6,sin 53°=0.8,忽略一切阻力,则为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【解析】设小球两次运动的时间分别为t1、t2,由分析可知,当小球初速度为v2时,∠BOD=53°。两次运动的加速度相同均为a
由题意得+R-Rcos 37°= ①
v1t1=Rsin 37° ②
由①②得 ③
同理+R-Rcos 53°= ④
v2t2=Rsin 53° ⑤
由④⑤得 ⑥
由③⑥两式相比得
故选D。
模型五:平抛中的相遇模型
知识总结
平抛与自由落体
x:l=vt;
y:空中相遇
联立得
平抛与竖直上抛
x:s=v1t;
y:+v2t-=H,⇒t=
联立得=
平抛与平抛
球1比球2先抛t1>t2、v1<v2;
球3、4同时抛t1=t2、v3>v4;
平抛与匀速
x:l=(v1-v2)t;
y:t=
典型例题
1.沿水平方向抛出两个小球A、B,两球相遇于空中的P点,其运动轨迹如图所示,不计空气阻力,最终两小球落在水平地面上,关于两个小球的运动,下列说法正确的是( )
A.在空中运动时小球A的速度变化率小于小球B的速度变化率
B.在空中运动时小球A的运动时间小于小球B的运动时间
C.抛出A球的初速度小于抛出B球的初速度
D.小球A、B落地时的速度相同
【答案】C
【解析】A、两小球做平抛运动,速度的变化率为重力加速度g,即在空中运动时小球A的速度变化率等于小球B的速度变化率,故A错误;
B、小球竖直方向的运动为自由落体运动,由运动学公式得:h=,解得:t=,A小球离地面高度更高,下落的高度更大,则在空中运动时小球A的运动时间大于小球B的运动时间,故B错误;
C、两小球从释放到到达P点,水平方向两小球做匀速直线运动,有:x=v0t
解得:v0=
A小球下落的高度更大,则初速度更小,即抛出A球的初速度小于抛出B球的初速度,故C正确;
D、小球落地时竖直分速度vy=
落地时速度为v==
速度与水平方向夹角的正切值tan θ==
A小球下落高度更大,水平位移更小,落地时速度方向不同,大小无法比较,即落地时两小球的速度一定不同,故D错误。
故选:C。
2.如图所示,ABCD为竖直面内边长为L的正方形,AB边水平,从A点和C点分别沿AB和DC延长线方向水平抛出一个小球,结果两球在DC下方离DC高度为L处相碰,不计空气阻力及小球大小,重力加速度为g,则下列判断正确的是( )
A.两球先后抛出的时间间隔为
B.两球先后抛出的时间间隔为
C.两球抛出的初速度之差是一个定值
D.从C点抛出的小球初速度越大,两球抛出的初速度之差可能越小
【答案】D
【解析】AB.A点抛出小球运动时间t1=
C点抛出小球运动时间t2=
故两球抛出时间间隔t1-t2=,故A、B项错误;
CD.设A处小球抛出初速度大小为v1,C处小球抛出的初速度大小为v2,
则=L,则=
由此判断,当v1>v2时,从C点抛出的球初速度越大,两球抛出的初速度之差越小,当v1<v2时,从C点抛出的小球初速度越大,两球抛出的初速度之差越大,故C项错误、D项正确。
故选D。
3.某科研单位进行传感器的通讯测试,他们在相距25 m的两栋楼的同一楼层的阳台将两个带传感器的小球同时抛出,初速度方向如图所示,其中A小球的初速度10 m/s,B小球的初速度5 m/s,不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2。下列说法中正确的是( )
A.小球A相对小球B做匀变速运动
B.两个小球之间的最小距离为 m
C.小球抛出1.5 s时,两个小球之间的距离为25 m
D.仅适当调整两个小球初速度的大小(不能为0),两个小球能够在空中相遇
【答案】B
【解析】A.以向左为x轴正方向,向下为y轴正方向,小球A抛出后做竖直上抛运动,aA=g,小球B做平抛运动,所以aB=g,所以小球A相对小球B做匀速直线运动,故A错误;
B.经过t时间,两个小球间的水平距离dx=L-v2t,竖直距离dy=v1t,所以两个小球之间的距离d==,当t= s=1 s时,两个小球间的距离最小,有dmin= m,故B正确;
C.由前面分析可知d==25 m,解得t=0或t=2 s,故C错误;
D.由前面分析可知,只有小球A相对于小球B的运动沿水平方向时两个小球才能相碰,所以在两个小球初速度不为0的前提下,通过调整两个小球初速度大小不能使两个小球相碰,故D错误。
4.如图所示,在水平地面上固定一倾角α=37°的斜面体,质量m=1 kg的小车A以P=100 W的恒定功率沿斜面底端由静止开始向上运动,同时在小车A的正上方某处,有一物块B以v0=6 m/s的初速度水平抛出。当小车A上滑到斜面上某点时恰好被物块B垂直于斜面击中。小车A、物块B均可看做质点,小车与斜面间的动摩擦因数μ=0.5,不计空气阻力,取重力加速度g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。下列判断正确的是( )
A.物块在空中运动的时间等于0.4 s
B.物块击中小车时小车的速度等于 m/s
C.物块击中小车时的速度等于8 m/s
D.小车从开始运动到被物块击中时的位移等于10 m
【答案】B
【解析】A.当小车A上滑到斜面上某点时恰好被物块B垂直于斜面击中,则tan α==,且vy=gt,解得物块在空中运动的时间为t=0.8 s,故A错误;
B.物块B击中小车时,水平位移为x=v0t=4.8 m,对小车,根据动能定理Pt--mgxtan α=,解得物块击中小车时小车的速度为v= m/s,故B正确;
C.物块击中小车时的速度等于v物块==10 m/s,故C错误;
D.小车从开始运动到被物块击中时的位移x小车== m=6 m,故D错误。
故选B。
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