内容正文:
第一章
运动的描述 匀变速直线运动的研究
第2课时
匀变速直线运动的规律
目标
要求
1.掌握匀变速直线运动的公式,并理解公式中各物理量的含义。2.掌握自由落体运动和竖直上抛运动的特点,知道竖直上抛运动的对称性和多解性。3.能灵活处理多过程问题。
内
容
索
引
考点一 匀变速直线运动的基本规律及应用
考点二 自由落体运动 竖直上抛运动
考点三 匀变速直线运动中的多过程问题
课时精练
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考点一
匀变速直线运动的基本规律及应用
1.匀变速直线运动
沿着一条直线且 不变的运动。如图所示,v-t
图线是一条倾斜的直线。
2.匀变速直线运动的两个基本规律
(1)速度与时间的关系式:v= 。
(2)位移与时间的关系式:x= 。
由以上两式联立可得速度与位移的关系式: 。
加速度
v0+at
v2-v02=2ax
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
3.公式选用原则
以上三个公式共涉及五个物理量,每个公式有四个物理量。选用原则如下:
不涉及位移,选用v=v0+at
不涉及末速度,选用x=v0t+ at2
不涉及时间,选用v2-v02=2ax
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
4.正方向的选定
无论是匀加速直线运动还是匀减速直线运动,通常以初速度v0的方向为正方向;当v0=0时,一般以加速度a的方向为正方向。速度、加速度、位移的方向与正方向相同时取正,相反时取负。
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
5.常用的导出公式
(1)平均速度公式:
(2)位移差公式:Δx=x2-x1=x3-x2=…=xn-xn-1=aT2。
注意:不相邻相等的时间间隔T内的位移差xm-xn=(m-n)aT2,此公式可以求加速度。
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
(3)初速度为零的匀加速直线运动的四个重要比例式
①T末、2T末、3T末、…、nT末的瞬时速度之比为v1∶v2∶v3∶…∶vn=1∶2∶3∶…∶n。
②前T内、前2T内、前3T内、…、前nT内的位移之比为x1∶x2∶x3∶…∶
xn=1∶4∶9∶…∶n2。
③第1个T内、第2个T内、第3个T内、…、第n个T内的位移之比为xⅠ∶
xⅡ∶xⅢ∶…∶xN=1∶3∶5∶…∶(2n-1)。
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
1.匀变速直线运动是加速度均匀变化的直线运动。( )
2.匀加速直线运动的位移是均匀增加的。( )
3.匀变速直线运动中,经过相同的时间,速度变化量相同。( )
×
×
√
判断正误
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
例1 (2022·全国甲卷·15)长为l的高速列车在平直轨道上正常行驶,速率为v0,要通过前方一长为L的隧道,当列车的任一部分处于隧道内时,列车速率都不允许超过v(v<v0)。已知列车加速和减速时加速度的大小分别为a和2a,则列车从减速开始至回到正常行驶速率v0所用时间至少为
√
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
由题知当列车的任一部分处于隧道内时,列车速率都不允许超过v(v<v0),则列车进隧道前必须减速到v,若用时最少,则列车先匀减速到v进入隧道,再在隧道中匀速运动,出了隧道再匀加速到v0。则
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
例2 一辆汽车在平直公路上匀速行驶,遇到紧急情况,突然刹车,从开始刹车起运动过程中的位移(单位:m)与时间(单位:s)的关系式为x=30t-2.5t2 (m),下列分析正确的是
A.刹车过程中最后1 s内的位移大小是5 m
B.刹车过程中在相邻1 s内的位移差的绝对值为10 m
C.从刹车开始计时,8 s内通过的位移大小为80 m
D.从刹车开始计时,第1 s内和第2 s内的位移大小之比为11∶9
√
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
思考 (1)刹车类问题有什么特点,解题时首先应该注意什么?
答案 刹车问题:物体匀减速到速度为零后停止运动。解题时,判断在所求问题的时间内,物体是否已经停止。
(2)双向可逆类匀减速直线运动有什么特点,解题时应该注意什么?
答案 如沿光滑固定斜面上滑的小球,到最高点后仍能以原加速度匀加速下滑,全过程加速度大小、方向均不变,求解时可分过程列式,也可对全过程列式,但必须注意x、v、a等矢量的正负号及物理意义,物体的运动可能出现多解。
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
例3 (2024·浙江杭州市开学考试)一个从静止开始做匀加速直线运动的物体,从开始运动起,连续通过三段位移的时间分别是1 s、2 s、3 s,这三段位移的长度之比和这三段位移上的平均速度之比分别是
A.1∶22∶32 1∶2∶3
B.1∶23∶33 1∶22∶32
C.1∶2∶3 1∶1∶1
D.1∶3∶5 1∶2∶3
√
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
返回
匀变速直线运动的基本规律及应用
考点一
自由落体运动 竖直上抛运动
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考点二
1.自由落体运动
(1)运动特点:初速度为 ,加速度为 的匀加速直线运动。
(2)基本规律
匀变速直线运动 自由落体运动
v=v0+at v=gt
x=v0t+ at2 h= gt2
v2-v02=2ax v2=2gh
0
g
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
2.竖直上抛运动
(1)运动特点:初速度方向竖直向上,加速度为g,上升阶段做匀减速直线运动,下降阶段做 运动。
(2)基本规律
①速度与时间的关系式: ;
②位移与时间的关系式:x=v0t- gt2。
自由落体
v=v0-gt
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
(3)对称性
①时间对称:物体上升过程中从A→C所用时间tAC和下降过程中从C→A所用时间tCA相等(如图),同理tAB=tBA。
②速度对称:物体上升过程经过A点的速度大小与下降过程经过A点的速度大小相等。
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
1.同一地点,轻重不同的物体的g值一样大。( )
2.自由落体加速度的方向垂直地面向下。( )
3.做自由落体运动的物体在1 s内速度增加约9.8 m/s。( )
4.物体做竖直上抛运动,速度为负值时,位移也一定为负值。
( )
5.做竖直上抛运动的物体,在上升过程中,速度变化量方向是竖直向下的。( )
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×
√
×
√
判断正误
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
例4 (2024·浙江台州路桥中学期中)2020年12月1日,嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面风暴洋西北部的预选着陆区。据悉当它靠近月球过程中,缓速下降距离月面3 m至2 m左右后,调整状态,停在月面上方1.8 m处,之后关闭发动机,在月球表面自由下落,则探测器自由下落到月面的时间最接近的是(地球表面的重力加速度g取9.8 m/s2,月球表面的重力加速度约为地球表面的 )
A.0.6 s B.1.5 s C.2.5 s D.6 s
√
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
例5 为测试一物体的耐摔性,在离地25 m高处,将其以20 m/s的速度竖直向上抛出,重力加速度g取10 m/s2,求:
(1)经过多长时间到达最高点;
答案 2 s
运动到最高点时速度为0,
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
(2)抛出后离地的最大高度是多少;
答案 45 m
所以Hmax=hmax+h0=45 m
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
(3)经过多长时间回到抛出点;
答案 4 s
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
法一:分段,由(1)(2)知上升时间t1=2 s,
解得t2=2 s,故t=t1+t2=4 s
法二:由对称性知返回抛出点时速度为20 m/s,方向向下,则由v1=v0-gt,
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
解得t3=0(舍去),t4=4 s
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
(4)经过多长时间落到地面;
答案 5 s
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
法一:分段法
解得t5=3 s,故t总=t1+t5=5 s
法二:全程法
解得t6=-1 s(舍去),t7=5 s
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
(5)经过多长时间离抛出点15 m。
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
当物体在抛出点上方时,h=15 m,
当物体在抛出点下方时,h=-15 m,
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
1.竖直上抛运动的研究方法:
分段法 上升阶段:a=g的匀减速直线运动
下降阶段:自由落体运动
全程法 初速度v0向上,加速度g向下的匀变速直线运动,v=v0-gt,h=v0t- gt2(以竖直向上为正方向)
若v>0,物体上升,若v<0,物体下落
若h>0,物体在抛出点上方,若h<0,物体在抛出点下方
总结提升
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
2.竖直上抛运动的多解性:当物体经过抛出点上方某个位置时,可能处于上升阶段,也可能处于下降阶段,造成多解,在解决问题时要注意这个特性。
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总结提升
自由落体运动 竖直上抛运动
考点二
匀变速直线运动中的多过程问题
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考点三
例6 无人机在生产生活中有广泛应用。我国林业部门
将无人机运用于森林防火工作中,如图所示,某架无
人机执行火情察看任务,悬停在目标正上方且距目标
高度为H1=205 m处,t=0时刻,它以加速度a1=6 m/s2竖直向下匀加速运动距离h1=75 m后,立即向下做匀减速直线运动直至速度为零,重新悬停在距目标高度为H2=70 m的空中,然后进行拍照。重力加速度g取10 m/s2,求:
考点三
匀变速直线运动中的多过程问题
(1)无人机从t=0时刻到重新悬停在距目标高度为H2=
70 m处的总时间t;
答案 9 s
设无人机下降过程最大速度为v,向下加速时间为t1,减速时间为t2,
联立解得t=t1+t2=9 s
考点三
匀变速直线运动中的多过程问题
(2)若无人机在距目标高度为H2=70 m处悬停时动力系统发生故障,自由下落2 s后恢复动力,要使其不落地,恢复动力后的最小加速度大小a2。
答案 4 m/s2
考点三
匀变速直线运动中的多过程问题
无人机自由下落2 s末的速度为v0=gt′=20 m/s
2 s内向下运动的位移为
设其向下减速的加速度大小为a2时,
恰好到达地面前瞬间速度为零,
此时a2为最小加速度,
考点三
匀变速直线运动中的多过程问题
匀变速直线运动多过程问题的解题策略
1.一般的解题步骤
(1)准确选取研究对象,根据题意画出物体在各阶段运动的示意图,直观呈现物体运动的全过程。
(2)明确物体在各阶段的运动性质,找出题目给定的已知量、待求未知量,设出中间量。
总结提升
考点三
匀变速直线运动中的多过程问题
(3)合理选择运动学公式,列出物体在各阶段的运动方程及物体各阶段间的关联方程。
2.解题关键
多过程运动的连接点的速度是联系两个运动过程的纽带,因此,对连接点速度的求解往往是解题的关键。
返回
总结提升
考点三
匀变速直线运动中的多过程问题
课时精练
1.(2023·广东卷·3)铯原子喷泉钟是定标“秒”的装置。在喷泉钟的真空系统中,可视为质点的铯原子团在激光的推动下,获得一定的初速度。随后激光关闭,铯原子团仅在重力的作用下做竖直上抛运动,到达最高点后再做一段自由落体运动。取竖直向上为正方向。下列可能表示激光关闭后铯原子团速度v或加速度a随时间t变化的图像是
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基础落实练
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铯原子团仅受重力的作用,加速度g竖直向下,大小恒定,在v-t图像中,斜率绝对值等于重力加速度,故斜率不变,所以图像应是一条倾斜的直线,故选项A、B错误;
因为加速度恒定,且方向竖直向下,故为负值,故选项C错误,选项D正确。
2.(2024·浙江省杭州二中模拟)质点沿x轴做直线运动的位置坐标x与时间t的关系为x=2+4t-t2(各物理量都采用国际单位制单位),则该质点
A.第1 s的位移大小是5 m
B.前2 s内的平均速度大小是3 m/s
C.2 s末的速度为0
D.4 s末位于坐标原点处
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代入位移-时间公式x=v0t+ at2可知,质点从距离原点2 m处的位置出发,初速度为4 m/s,做加速度a=-2 m/s2的匀减速直线运动。
第1 s内的位移是4×1 m- ×2×1 m=3 m,A错误;
前2 s内的总位移是4 m,则平均速度大小是2 m/s,B错误;
由速度—时间公式v=v0+at可知,2 s末速度为0,C正确;
4 s末质点位置为x=(2+4×4-42) m=2 m,D错误。
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3.(2023·浙江金华市联考)一个人用手拿着两个小球,站在三层楼的阳台上,将其中一个小球以一定的初速度v竖直上抛,同时在同一高度将另一个小球以相同的初速度大小竖直下抛,两小球相继落地的时间差为Δt。如果人站在四层楼的阳台上,用同样的初速度大小及方式抛两小球,忽略空气阻力的影响,则两小球相继落地的时间差将
A.变小 B.变大 C.不变 D.无法确定
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设向下抛出的球落地需要的时间为t1,竖直上抛的球回到抛出点所需的时间为Δt= ,竖直上抛的球回到抛出点的速度与竖直向下抛出的球的初速度相同,说明竖直上抛的球再过时间t1后落地,即无论人站在几楼的阳台上,只要以同样的速率和方式抛出两个小球,两球落地的时间差均为Δt= ,两小球相继落地的时间差不变,故C正确,A、B、D错误。
4.(2021·湖北卷·2)2019年,我国运动员陈芋汐获得国际泳联世锦赛女子单人10米跳台冠军。某轮比赛中,陈芋汐在跳台上倒立静止,然后下落,前5 m完成技术动作,随后5 m完成姿态调整。假设整个下落过程近似为自由落体运动,重力加速度大小取10 m/s2,则她用于姿态调整的时间约为
A.0.2 s B.0.4 s C.1.0 s D.1.4 s
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陈芋汐下落的整个过程所用的时间为
下落前5 m的过程所用的时间为
则陈芋汐用于姿态调整的时间约为t2=t-t1=0.4 s,故B正确。
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5.(2023·浙江嘉兴市期末)雨后,某人用高速相机拍下一幅水滴下落的照片,如图所示,其中第4滴水刚要离开屋檐,若滴水的时间间隔相同,第1滴水与第2滴水的实际间距为1 m,取重力加速度g=10 m/s2,不计空气阻力,则拍下照片的瞬间,图中第3滴水的速度大小为
A.2 m/s B.3 m/s C.4 m/s D.5 m/s
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6.(2023·浙江丽水市模拟 )图示描述的是伽利略在比萨斜塔上做落体实验的故事。不计空气阻力,小球从塔上自由下落,由静止开始经过第一段h速度的增加量为Δv1,经过第三段h速度的增加量为Δv2,则Δv1与Δv2的比值满足
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7.(2024·浙江东阳市月考)蹦床运动要求运动员在一张绷紧的弹性网上蹦起并做空中运动。为了测量运动员跃起的高度,训练时可在弹性网上安装压力传感器,利用传感器记录弹性网所受的压力,并在计算机上作出压力—时间图像,假如作出的图像如图所示。设运动员在空中运动时可视为质点,g取10 m/s2,则运动员跃起腾空
的最大高度是
A.4.05 m B.5.00 m
C.7.20 m D.14.45 m
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能力综合练
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由题图可知,运动员在空中竖直上抛
运动的最大时间为t=3.3 s-0.9 s=
2.4 s,根据对称性可知,下落的时间
为t1= =1.2 s,运动员做竖直上抛
运动,所以跃起最大高度等于自由下落相等时间的位移,为h= gt12=7.20 m,故选C。
8.(2023·浙江金华市联考)图中ae为港珠澳大桥上四段110 m的等跨钢箱连续桥梁,若汽车从a点由静止开始做匀加速直线运动,通过ab段的时间为t,则
A.汽车通过bc段的时间为
B.汽车通过b点的速度等于汽车
通过ad段的平均速度
C.汽车通过ce段的时间为(2- )t
D.汽车通过c点的速度小于汽车通过ae段的平均速度
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匀加速直线运动中点位置的速度大于此阶段的平均速度,故D错误。
9.(2024·浙江丽水市期末)某跳伞运动员做低空跳伞表演。从该运动员离开悬停的飞机开始计时,运动员先做自由落体运动,当速度达到50 m/s时打开降落伞获得-5 m/s2的加速度,到达地面时速度减为5 m/s,重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是
A.运动员离开飞机10 s后打开降落伞
B.运动员在空中下落过程用时14 s
C.运动员距离地面250 m时打开降落伞
D.悬停的飞机距离地面375 m
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打开降落伞前运动员做自由落体运动,则v1=gt1得t1= s=5 s,故A错误;
减速时,有v2=v1+a(t2-t1)得t2=14 s,故B正确;
运动员自由落体的距离为h1= gt12=125 m,飞机距离地面的高度等于运动员下落的距离h=h1+h2=372.5 m,故D错误。
63
10.2022年3月5日,西昌卫星发射中心发射了“长征二号”丙运载火箭,上面有七颗卫星。若“长征二号”丙运载火箭及其卫星总质量为240吨,总长为43 m,发射塔高100.0 m,点火后经5.0 s火箭离开发射塔。假设火箭离开发射塔的过程中做匀加速直线运动,忽略空气阻力和运载火箭质量的变化,取重力加速度大小g=10 m/s2。
(1)求火箭离开发射塔瞬间的速度大小;
答案 40 m/s
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(2)求火箭起飞时推动力大小;
答案 4.32×106 N
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根据牛顿第二定律F-mg=ma
得F=m(g+a)=4.32×106 N
(3)若火箭刚离开发射塔瞬间,某个发射用到的部件完成使命正好从火箭尾部自然脱落,求该部件脱落后经多长时间落地。
答案 10 s
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所以离地高度为H=h+d=180 m
所以脱落后到落地时间为10 s。
11.(2024·浙江宁波慈溪中学校期末)一长为L的金属管从地面以v0的速率竖直上抛,管口正上方高h(h>L)处有一小球同时自由下落,金属管落地前小球从管中穿过。已知重力加速度为g,不计空气阻力。关于该运动过程说法正确的是
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D.小球不可能在管上升阶段穿过管
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尖子生选练
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小球和金属管竖直方向加速度相同,所以小球相对管来说在做匀速直线运动,所以小球穿过管所用时间为t= ,故A错误;
根据以上分析可知,故D错误。
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v0t+at2
== 。
④从静止开始通过连续相等的位移所用时间之比为t1∶t2∶t3∶…∶tn=1∶(-1)∶(-)∶…∶(-)。
A.+ B.+
C.+ D.+
有v= v0-2at1,解得t1=,在隧道内匀速有t2=,列车尾部出隧道后立即加速到v0,有v0=v+at3,解得t3=,则列车从减速开始至回到正常行驶速率v0所用时间至少为t=+,
故选C。
由匀变速直线运动的规律x=v0t+at2,可得初速度v0=30 m/s,加速度a=-5 m/s2,刹车过程中在相邻1 s内的位移差的绝对值|Δx|=|a(Δt)2|=5 m,从刹车开始计时到停下的时间tm==6 s,8 s内通过的位移大小为xm==90 m,选项B、C错误;
把末速度为0的匀减速直线运动看成逆向的匀加速直线运动,刹车过程中最后1 s内的位移大小为x1=-at02=2.5 m,从刹车开始计时,第1 s内和第2 s内的位移大小之比为11∶9,选项D正确,A错误。
根据x=at2知,物体在1 s内、3 s内、6 s内的位移之比为1∶9∶36,则三段位移之比为1∶8∶27,根据=可知,三段位移上的平均速度之比为1∶4∶9,故B正确,A、C、D错误。
根据题意,由自由落体公式有h=g月t2,其中h=1.8 m,g月=g,则时间为t==≈1.5 s,故选B。
由v=v0-gt1得t1=-==2 s
由v02=2ghmax得hmax==20 m,
hmax=20 m,下落时,hmax=gt22,
得t=-=4 s
法三:由h=v0t-gt2,令h=0,
由Hmax=gt52,
由-h0=v0t′-gt′2
答案 1 s 3 s (2+)s
由h=v0t-gt2,解得t8=1 s,t9=3 s,
由h=v0t-gt2,
得t10=(2+) s,t11=(2-) s(舍去)。
则由匀变速直线运动规律有h1=a1t12,v=a1t1,H1-H2-h1=t2
x1=gt′2=20 m
则H2-x1=,代入数据可解得a2=4 m/s2。
t== s≈1.4 s
t1== s=1 s
设滴水时间间隔为T,据题意可得L=g(3T)2-
g(2T)2,解得T=0.2 s,则第3滴水的速度大小
v=gT=2 m/s。故选A。
A.1<<2 B.2<<3
C.3<<4 D.4<<5
小球做自由落体运动,两段相同距离h的时间之比为t1∶t2=1∶(-),由Δv=gt,则==+,即3<<4,故选C。
t
t
根据初速度为零的匀加速直线运动
的比例关系,可知汽车通过ab、bc、
cd、de段所用的时间之比为1∶(-1)∶(-)∶(2-),可得通过bc段的时间为(-1)t,故A错误;
汽车通过ae段的时间为2t,b点为ae段的中间时刻,故通过b点的速度等于ae段的平均速度,故B错误;
汽车通过cd段的时间为(-)t,通过de段的时间为(2-)t,通过ce段的时间为(2-)t,故C正确;
运动员减速下落的距离为h2=(t2-t1)=×(14-5) m=247.5 m,故运动员距离地面247.5 m时打开降落伞,故C错误;
设发射塔高为h,根据平均速度公式h=t,得v==40 m/s
火箭上升时的加速度为a==8 m/s2
上升过程所用的时间t1==4 s
下降过程所用的时间t2==6 s
方法二:根据-h=vt-gt2,得t=10 s。
方法一:脱离后部件还将继续做竖直上抛运动,d==80 m,
A.小球穿过管所用时间大于
B.若小球在管上升阶段穿过管,则v0>
C.若小球在管下降阶段穿过管,则<v0<
若小球刚好在管上升最高点穿过管有L+h-=g()2,解得v0=,若小球在管上升阶段穿过管,则v0>,故B正确;
若小球在管刚着地时穿过管,有h+L=g()2,解得v0=,结合B选项的分析可知若小球在管下降阶段穿过管则<v0<,故C错误;
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