内容正文:
第四章 曲线运动与圆周运动
[考情分析及命题规律解读]
第1讲 曲线运动 运动的合成与分解
[学习目标] 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。
课时作业 巩固提高训练
考点一 曲线运动的条件和特点
考点二 运动的合成与分解
考点三 小船渡河问题
内容索引
考点四 关联速度模型
考点一 曲线运动的条件和特点
一
7
盘点 核心知识
1.曲线运动的速度方向: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,由于速度的方向时刻改变,所以曲线运动一定是 运动。
(1)a恒定: 运动。
(2)a变化:变加速曲线运动。
切线方向
变速
匀变速曲线
3.曲线运动的条件及特点
条件 特点 情景
质点所受合力的方向跟它的速度方向不在同一直线上(v0≠0,F≠0) (1)轨迹是一条曲线
(2)某点的瞬时速度的方向,就是通过这一点的切线的方向
(3)曲线运动的速度方向时刻在改变,所以是变速运动,一定有加速度
(4)合外力F始终指向运动轨迹的凹侧
[判断正误]
1.速度发生变化的运动,一定是曲线运动。 ( )
2.曲线运动的速度一定发生变化。 ( )
3.做曲线运动的物体受到的合力一定是变力。( )
4.做曲线运动的物体所受合力的方向一定指向轨迹的凹侧。
( )
×
√
×
√
考向1 曲线运动的条件及特点
[典例1] 如图所示,乒乓球从斜面滚下后,以某一速度在水平的桌面上做直线运动。在与乒乓球路径垂直的方向上放一个直径略大于乒乓球的纸筒。当乒乓球经过纸筒正前方时,用吸管对着球横向吹气。下列说法正确的是( )
A.乒乓球仍沿着直线运动
B.乒乓球将偏离原来的运动路径,但不进入纸筒
C.乒乓球一定能进入纸筒
D.只有用力吹气,乒乓球才能进入纸筒
提升 关键能力
B
[解析] 当乒乓球经过纸筒正前方时,对着乒乓球横向吹气,乒乓球所受合力的方向与速度方向不在同一条直线上,乒乓球做曲线运动,故乒乓球会偏离原有的运动路径;而乒乓球会获得一个横向的速度,此速度与乒乓球原有的速度合成一个指向纸筒左侧的合速度,因此乒乓球将向纸筒左侧运动,不进入纸筒,故A、C、D错误,B正确。
考向2 合力方向与速率变化的关系
[典例2] (多选)如图,光滑水平面上的物体受五个沿水平面的恒力F1、F2、F3、F4、F5作用,以速率v0沿水平面做匀速直线运动,速度方向与恒力F5的方向相反,与F1的方向垂直。若撤去其中某个力(其他力不变),则在以后的运动中,下列说法正确的是( )
A.若撤去的是F1,则物体可能做匀速圆周运动
B.若撤去的是F2,则经过一段时间后物体的速
率可能再次变为v0
C.若撤去的是F4,则经过一段时间后物体的速率可能再次变为v0
D.无论撤去这五个力中的哪一个,物体都做匀变速运动
BD
[解析] 撤去F1后,合力与F1等大反向,因为合力为恒力,所以物体做类平抛运动,故A错误;撤去F2后,合力与F2等大反向,合力对物体先做负功后做正功,当合力做功为零时,速率再次为v0,故B正确;撤去F4后,合力与F4等大反向,合力一直做正功,故速率不可能再次变为v0,故C错误;无论撤去这五个力中的哪一个,物体的合力均为恒力,故物体做匀变速运动,故D正确。
合力方向与速率变化的关系
总结提升
二
考点二 运动的合成与分解
16
盘点 核心知识
1.基本概念
(1)运动的合成:由 求合运动的过程。
(2)运动的分解:由 求分运动的过程。
2.遵循的规律:位移、速度、加速度都是矢量,故它们的合成与分解都遵从 定则。
分运动
合运动
平行四边形
3.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
4.运动性质的判断
非匀变速
匀变速
直线
曲线
[判断正误]
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.分运动的位移、速度、加速度与合运动的位移、速度、加速度间满足平行四边形定则。( )
4.曲线运动一定不是匀变速运动。 ( )
×
×
√
×
考向1 合运动与分运动的关系
[典例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
提升 关键能力
C
[解析] 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,即落地时间和着地时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。
考向2 合运动性质的判断
[典例4] (2025·安徽淮北模拟)无人机灯光表演给喜庆的节日氛围增添了几许惊艳。在一次无人机表演中,若分别以水平向右、竖直向上为x轴、y轴的正方向,某架参演的无人机在x、y方向的v-t图像分别如图甲、乙所示,则在0~t2时间内,该无人机的运动轨迹为( )
A
[解析] 由题图可知,在0~t1时间内无人机在竖直方向做匀速直线运动,在水平方向向右做匀减速直线运动,则在0~t1时间内无人机受到的合外力方向水平向左,根据合外力指向轨迹凹侧可知,0~t1时间内无人机运动的轨迹向左弯曲;在t1~t2时间内无人机在竖直方向向上做匀减速直线运动,在水平方向向右做匀速直线运动,则在t1~t2时间内无人机的合外力竖直向下,根据合外力指向轨迹凹侧可知,在t1~t2时间内无人机运动的轨迹向下弯曲。故选A。
三
考点三 小船渡河问题
25
1.船的实际运动: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。
3.两类问题、三种情景
盘点 核心知识
情况 图示 说明
渡河时
间最短 当船头方向垂直于河岸时,渡河时间最短,最短时间tmin=
情况 图示 说明
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
考向1 渡河时间问题
[典例5] 洪涝灾害常常给我们国家带来巨大的经济损失。如图所示,某救援队利用摩托艇将人员进行转移,已知水的流速恒为v1,水流的方向平行于河岸,摩托艇的速度恒为v2,河宽为d。该救援队由河岸的P点出发,将被困人员转移到河对岸,PQ连线与河岸垂直,则下列说法正确的是( )
A.如果v1>v2,摩托艇可能到达Q
B.摩托艇运动到河对岸时的速度一定大于v2
C.摩托艇渡河的最短时间为
D.若摩托艇能到达Q,则渡河时间为
提升 关键能力
C
[解析] 如果v1>v2,摩托艇的合速度方向不可能垂
直于河岸,所以摩托艇不可能到达Q,故A错误;若满
足v2>v1,则摩托艇的合速度方向可以垂直于河岸,当
摩托艇以垂直河岸的合速度到达对岸时,摩托艇的合速度大小为
v合=<v2,故B错误;当摩托艇的速度v2垂直于河岸时,渡河时间最短,则有tmin=,故C正确;若摩托艇能到达Q,则摩托艇的合速度方向垂直于河岸,此时合速度大小为v合=,渡河时间为 t==>,故D错误。
考向2 最短位移渡河问题
[典例6] 在某次抗洪救援演练中,一条可视为质点的救灾冲锋舟要渡过一条两岸平行的河流。已知冲锋舟在静水中的速度大小为v1=5 m/s,河水的流速大小为v2=4 m/s,冲锋舟渡河的最短时间为t=40 s。若冲锋舟在静水中的速度大小为v2,河水的流速大小为v1,河宽不变,则冲锋舟渡河的最短距离为( )
A.225 m B.238 m
C.242 m D.250 m
D
[解析] 当船头方向垂直于河岸时,渡河时间最短,由题意可知,冲锋舟渡河的最短时间为t=40 s,由运动学公式有河宽d=v1t=200 m。若冲锋舟在静水中的速度大小为v2,河水的流速大小为v1,则冲锋舟在静水中的速度小于水速,设合速度方向与河岸夹角为θ,由几何关系可知,当船头方向垂直于合速度时,小船渡河位移最短,sin θ=,则渡河的最短距离s===250 m,D正确。
四
考点四 关联速度模型
32
1.模型分析
把物体的实际速度分解为垂直于绳(杆)和平行于绳(杆)的两个分量,根据沿绳(杆)方向的分速度大小相等求解。
(1)合速度:绳(杆)拉物体的实际运动速度v。
(2)分速度
(3)方法:v∥与v⊥的合成遵从平行四边形定则。
盘点 核心知识
2.常见的模型(如表所示)
情景图示 分解图示 定量结论
vB=vAcos θ
vAcos θ=v0
情景图示 分解图示 定量结论
vAcos α=
vBcos β
(注:A沿斜面下滑) vBsin α=
vAcos α
[典例7] (多选)如图所示,物体P套在光滑的细杆上,P和Q通过轻质细绳连接并跨过定滑轮,一水平力F拉着水平面上的物体Q向左运动。在某一小段时间内,P沿细杆匀速向上运动通过AB段的过程中,下列说法正确的是( )
A.Q做加速直线运动
B.Q做减速直线运动
C.细绳对P的拉力在增大
D.杆对P的弹力在减小
提升 关键能力
BC
[解析] 设绳与竖直方向夹角为θ,则vPcos θ=vQ,当P匀速运动,θ增大时,vQ减小,Q做减速运动,故A错误,B正确;对P有mg=Tcos θ,θ角增大时绳子拉力T在增大,杆对P的弹力FN=Tsin θ在增大,故C正确,D错误。
[典例8] 甲、乙两光滑小球(均可视为质点)用铰链与轻直杆连接,乙球处于光滑水平地面上,甲球套在光滑的竖直杆上,初始时轻杆竖直,杆长为4 m。施加微小扰动,使得乙球沿水平地面向右滑动,当乙球距离起点3 m时,甲球的速度为v1,乙球的速度为v2,如图所示。下列说法正确的是( )
A.v1∶v2=∶3
B.v1∶v2=3∶7
C.甲球即将落地时,乙球的速度与甲球的速度大小相等
D.甲球即将落地时,乙球的速度达到最大
B
[解析] 设乙球距离起点3 m时,轻杆与竖直方向的夹角为θ,
则v1在沿杆方向的分量为v1杆=v1cos θ,
v2在沿杆方向的分量为v2杆=v2sin θ,
而v1杆=v2杆,由题意有cos θ=,sin θ=,
解得此时甲、乙两球的速度大小之比为=,选项A错误,B正确;当甲球即将落地时,有θ=90°,此时甲球的速度达到最大,而乙球的速度为零,选项C、D错误。
五
课时作业 巩固提高训练
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1.(2023·全国乙卷)小车在水平地面上沿轨道从左向右运动,动能一直增加。如果用带箭头的线段表示小车在轨道上相应位置处所受合力,下列四幅图可能正确的是( )
D
A 夯实基础
解析:做曲线运动的小车所受合力指向轨迹的凹侧,A、B错;
→F与v的夹角为钝角,减速,动能减小→C错;
→F与v的夹角为锐角,加速,动能增大→D对。
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2.如图所示,这是质点只在重力作用下所做的曲线运动轨迹的示意图,已知B为轨迹的最高点,则下列说法正确的是( )
A.质点在B点时的加速度方向与速度方向不垂直
B.质点在A点时的加速度比在B点时的加速度小
C.质点在C点时的速率大于在B点时的速率
D.质点从A点到C点,加速度方向与速度方向的夹角先减小后增大,速度先增大后减小
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C
解析:质点只受重力作用做匀变速曲线运动,在最高点
B时,速度方向水平向右,与重力加速度的方向垂直,整
个过程中重力加速度保持不变,A、B错误;质点从B点
运动到C点,加速度方向与速度方向夹角小于90°,因此
该过程质点的速度增大,所以质点在C点时的速率大于
在B点时的速率,C正确;质点只受重力作用,加速度方向始终竖直向下,质点的速度方向沿运动轨迹的切线方向,质点从A点到C点,加速度方向与速度方向的夹角一直减小,从A点到B点的过程中,加速度与速度方向的夹角大于90°,质点做减速运动,从B点到C点的过程中,加速度与速度方向的夹角小于90°,质点做加速运动,速度增大,因此质点从A点到C点的过程中,速度先减小后增大,D错误。
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3.(2025·陕西西安高三检测)某建筑工地上,工人用起重机吊着货物水平向右匀速行驶,同时启动起吊电动机,让货物竖直向上做匀加速直线运动。若以货物刚开始向上运动的位置为坐标原点,则货物的运动轨迹为( )
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D
解析:设货物的水平速度为v0,运动时间为t,加速度为a,起重机吊着货物水平向右匀速行驶,有 x=v0t,货物竖直向上做匀加速直线运动,有 y=at2=a()2=,由此可知y-x图像为开口向y轴正方向的抛物线,故图D符合要求。
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4.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(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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B
解析: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,则有tan θ=,解得θ=37°,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。
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5.(多选)(2025·陕西咸阳模拟)一质量为0.2 kg的物体在水平面上运动,它的两个正交分速度与时间的关系图像分别如图所示。由图可知( )
A.开始4 s内物体的位移为8 m
B.开始4 s内物体的平均速度为2 m/s
C.从开始至6 s末物体一直做曲线运动
D.开始4 s内物体做直线运动,接着2 s内物体做曲线运动
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AB
解析:根据v-t图像中图线与坐标轴所围面积表示位移可知,开始4 s内物体的分位移分别为x=2×4 m=8 m,y= m=8 m,则开始4 s内物体的位移为x合==8 m,故A正确;开始4 s内物体的平均速度为==2 m/s,故B正确;开始时物体初速度方向沿x方向,加速度方向沿y方向,两者不在一条直线上,所以物体做曲线运动,4 s末物体的速度方向与x方向夹角的正切值为tan α==2,后2 s内加速度方向与x方向夹角的正切值为tan β===2,由此可知速度方向与加速度方向在同一条直线上,所以物体后2 s内做直线运动,故C、D错误。
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6.某部队在某次登岛演习过程中,要渡过一条宽度为d的小河。现有甲、乙两个战斗小组分别乘两只小船渡河,船头朝向如图所示,渡河时两小船船头与河岸夹角都是θ角,两船在静水中的速率都为v,水流速率为v0,此时甲船恰好能到小河正对岸的A点,则( )
A.甲船渡河时间为
B.乙船比甲船更早到达对岸
C.靠岸时两船间距增大了(vcos θ+v0)
D.如果河水流速增大,甲船不改变船头方向也能到达A点
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C
解析:将小船的运动沿平行于河岸和垂直于河岸两个方向分解,根据分运动和合运动具有等时性可知,甲、乙两船到达对岸的时间均为t=,故两船同时到达对岸,故A、B错误;靠岸时两船间距增大了x=v相对t=(v0+
vcos θ),故C正确;水流速率为v0,此时甲船恰好能到小河正对岸的A点,则vcos θ=v0,故如果河水流速增大,要使甲船到达A点,小船船头与河岸夹角应减小,故D错误。
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7.一轻杆两端分别固定质量为mA和mB的两个小球A和B(可视为质点)。将其放在一个光滑球形容器中从位置1开始下滑,如图所示。当轻杆到达位置2时球A与球形容器球心等高,其速度大小为v1。已知此时轻杆与水平方向夹角θ=30°,球B的速度大小为v2,则( )
A.v2=v1 B.v2=2v1
C.v2=v1 D.v2=v1
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C
解析:球A与球形容器球心等高,则速度v1方向竖直向下,将速度分解如图所示,有v11=v1sin 30°=v1,球B此时速度方向与杆的夹角为α=60°,因此v21=v2cos 60°=v2,沿杆方向两球速度相等,即v21=v11,解得v2=v1,C项正确。
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8.(2025·贵州遵义高三开学考试)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。已知重力加速度为g。当小车和滑轮间的细绳与水平方向成θ2夹角时(如图所示),下列判断正确的是( )
A.P的速率为vcos θ1
B.P的速率为vsin θ1
C.运动过程中P处于超重状态
D.绳的拉力始终等于mgsin θ1
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C
解析:将小车的速度沿细绳和垂直细绳方向分解,可知当小车和滑轮间的细绳与水平方向成θ2夹角时,沿细绳方向分速度为vcos θ2,由于细绳不可伸长,P的速率等于小车速度沿绳方向分速度的大小,则有vP=vcos θ2,故A、B错误;小车向右匀速运动过程,P的速率表达式为vP=vcos θ2,由于v不变,小车和滑轮间的细绳与水平方向的夹角θ2逐渐减小,则P的速度变大,P沿斜面向上做加速运动,P的加速度方向沿斜面向上,由牛顿第二定律得T-mgsin θ1=ma,可知绳的拉力大于mgsin θ1,P在竖直方向上有向上的加速度分量,处于超重状态,故C正确,D错误。
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9.(2025·四川乐山高三检测)如图所示,小明将玩具电动车放在跑步机上做游戏,跑步机履带外侧机身上有正对的A、B两点,在慢跑模式下履带以v0=3 m/s的速度运行。已知电动小车能以v=5 m/s的速度匀速运动,履带宽度为50 cm,小车每次都从A点出发。下列说法正确的是( )
A.无论玩具小车的车头指向何方,小车运动的合速度始终大于5 m/s
B.玩具小车到达对面的最短时间为0.125 s
C.玩具小车从A点出发到达正对面的B点,
车头需与A点左侧履带边缘成53°夹角
D.玩具小车从A点出发到达正对面的B点用时0.1 s
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C
B 能力提升
解析:合速度可能等于分速度,可能大于分速度,也可能小于分速度,故A错误;当玩具小车的车头垂直于履带运动时,小车到达对面的时间最短,此时tmin== s=0.1 s,故B错误;若玩具小车从A点出发到达正对面的B点,则车头与A点左侧履带边缘所成夹角的余弦值cos θ==,所以θ=53°,即车头需与A点左侧履带边缘成53°夹角,故C正确;玩具小车从A点出发到达正对面的B点所用时间为t== s=0.125 s,故D错误。
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10.(多选)(2025·河南许昌模拟)如图所示为某内燃机的活塞——曲轴结构,该结构由活塞滑块和连杆PQ、OQ组成。其中活塞滑块穿在固定杆上,Q点可绕着O点顺时针转动,工作时汽缸推动活塞滑块沿着固定杆上下运动,带动Q点转动。已知连杆OQ长为R,某时刻活塞滑块在竖直杆上向下滑动的速度为v,连杆PQ与固定杆的夹角为θ,PQ杆与OQ杆的夹角为φ(此时φ为钝角)。下列说法正确的是( )
A.此时Q点的线速度为v'=
B.此时Q点的角速度为ω=
C.若Q点匀速转动,则此时活塞滑块向下加速
D.活塞滑块的速度大小始终小于Q点的线速度大小
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BC
解析:活塞滑块的速度为v,方向沿竖直方向,将活塞滑块的速度
分解,根据运动的合成与分解可知,沿杆方向的分速度为vcos θ,
Q点做圆周运动,实际速度是圆周运动的线速度,可以分解为沿
杆方向的分速度和垂直于杆方向的分速度,设Q的线速度为v',
则其沿杆方向的分速度为v'cos(φ-90°)=v'sin φ,且v'=ωR,又二者
沿杆方向的分速度是相等的,即联立可得v'=,ω=,A错误,B正确;若Q匀速转动,θ增大、φ减小,则此时活塞滑块向下加速,当φ=90°时,v'=vcos θ<v,即此时活塞滑块的速度大于Q点的线速度大小,C正确,D错误。
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11.如图所示,长为l的轻杆,一端固定一个质量为m的小球,另一端有固定转动轴O,杆可在竖直面内绕转动轴O无摩擦转动;质量为m的物块放置在光滑水平面上,开始时,使小球靠在物块的光滑侧面上,轻杆与水平面夹角为45°,用手控制物块静止,然后释放物块,在之后球与物块运动的过程中,下列说法正确的是( )
A.球与物块分离前,杆上的弹力逐渐增大
B.球与物块分离前,球与物块的速度相等
C.球与物块分离前,物块的速度先增大后减小
D.球与物块分离时,球的加速度等于重力加速度
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解析:球与物块分离前,小球水平方向的分加速度与物块的加速度相等,当两者恰好分离时,物块此时的加速度为零,所以球的水平加速度为零,故杆对球的弹力为零,分离前杆的弹力必有减小的过程,此时球只受重力,加速度等于重力加速度g,故A错误,D正确;设球的速度为v球,球与物块分离前,物块速度与球的水平速度相等,球的速度与杆垂直向下,如图所示,
将球的速度分解为水平方向和竖直方向两个分速度,由图可知,球的速度大于物块的速度,故B错误;由于地面光滑,杆对物块的弹力始终向左,物块的加速度始终向左,所以物块一直加速,故C错误。
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