内容正文:
DIWUZHANG
第五章
专题强化 与斜面、曲面相
结合的平抛运动
1
1.进一步掌握平抛运动的规律,了解平抛运动与斜面、曲面相结合问题的特点(重点)。
2.熟练运用平抛运动规律解决相关问题(重难点)。
学习目标
2
内容索引
一、与斜面有关的平抛运动
二、与曲面有关的平抛运动
专题强化练
3
与斜面有关的平抛运动
一
4
1.如图甲所示,将小球从倾角为θ的斜面上A处以初速度v0水平抛出,又落在斜面上B点,不计空气阻力,重力加速度为g。
(1)小球位移方向怎样?水平分位移x和竖直分位移y有什么关系?
答案 位移方向沿斜面向下。
tan θ=
(2)从抛出至落至斜面上所需时间多长?
答案 由tan θ===得,t=
2.如图乙所示,将小球从斜面外某处以初速度v0水平抛出,斜面倾角为θ,重力加速度为g,不计空气阻力。
(1)若小球垂直击中斜面,求小球到达斜面经过的时间;
答案 小球垂直击中斜面,此时速度方向垂直斜面。
tan θ==
得t1=
(2)若小球以最小位移击中斜面,求小球到达斜面经过的时间。
答案 此时位移与斜面垂直
tan θ==
得t2=
(2023·扬州市高一期末)运动员从A处以v0=20 m/s的初速度水平飞出,在平直斜坡B处着陆。斜坡的倾角为37°,不计空气阻力,重力加速度g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。求:
(1)运动员在空中运动的时间;
例1
答案 3 s
运动员从A点到B点做平抛运动,
设运动员在空中运动的时间为t,有
tan 37°=
解得t=3 s
(2)运动员落到B点的速度大小;
答案 10 m/s
运动员落到B点的速度大小为
vB==10 m/s
(3)运动员从A点到距离斜面最远所用的时间。
答案 1.5 s
设运动员从A点到距离斜面最远所用的时间为t1,有tan 37°=
解得t1=1.5 s。
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与曲面有关的平抛运动
二
13
情景示例 解题策略
从圆弧形轨道外水平抛出,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,构建速度三角形
vx=v0
vy=gt
tan θ==
情景示例 解题策略
从圆弧面外水平抛出,垂直落在圆弧面上,如图所示,已知速度的方向垂直于圆弧面
分解速度,构建速度三角形
vx=v0
vy=gt
tan θ==
情景示例 解题策略
从圆弧面上水平抛出又落到圆弧面上,如图所示
利用几何关系求解位移关系
x=v0t
y=gt2
R2=(x-R)2+y2
如图所示,斜面ABC与圆弧轨道相接于C点,从A点水平向右飞出的小球恰能从C点沿圆弧切线方向进入轨道。OC与竖直方向的夹角为θ=60°,若AB的高度为h,忽略空气阻力,则BC的长度为
A.h B.h
C.h D.2h
例2
√
小球飞出后做平抛运动,到C点时的速度方向
与初速度方向夹角为θ,设此时位移方向与初
速度方向夹角为α。根据平抛运动规律得tan θ
=2tan α=,解得x=h,所以A、C、D错误,B正确。
如图,可视为质点的小球,位于半径为 m半圆柱体左端点A的正上方某处,以一定的初速度v0水平抛出小球,其运动轨迹恰好能与半圆柱体相切于B点。过B点的半圆柱体半径与水平方向的夹角为60°,则小球的初速度v0的大小为(不计空气阻力,重力加速度为g=10 m/s2)
A.5 m/s
B.4 m/s
C.3 m/s
D.2 m/s
例3
√
小球运动过程中,水平位移x=R+Rcos 60°=v0t,小球恰好与半圆柱体相切于B点,可知在B点的速度方向与水平方向的夹角为30°,则vy=v0tan 30°=gt,联立解得v0=3 m/s,故选C。
如图,PQ为半圆形容器的水平直径,圆弧半径为R,圆心为O,从P点沿PQ方向水平抛出一个小球,小球恰好落在圆弧面上的B点,P、B两点的高度差为0.8R,重力加速度为g,不计空气阻力,则小球从P点抛出时的速度大小为
A. B.
C. D.
例4
√
设小球从P点抛出到落到B点运动的时间为t,根据几何关系可知OB连线与水平方向的夹角的正弦值为,因此小球从P点到B点的水平位移为
1.6R,设初速度大小为v0,则0.8R=gt2,1.6R=v0t,联立解得v0=,故B正确,A、C、D错误。
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专题强化练
三
23
题号 1 2 3 4 5 6 7 8
答案 B A B B D A A
题号 9 10 11
答案 C B (1) (2)
对一对
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
24
1.如图所示,跳台斜坡与水平面的夹角θ=37°,滑雪运动员从斜坡的起点A点水平飞出,经过3 s落到斜坡上的B点。不计空气阻力,重力加速度大小g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则运动员离开A点时的速度大小为
A.15 m/s B.20 m/s
C.25 m/s D.30 m/s
1
2
3
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11
基础强化练
√
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
运动员在竖直方向做自由落体运动,设A点与B点的距离为L,则有Lsin 37°=gt2,解得L=75 m,设运动员离开A点时的速度为v0,运
动员在水平方向的分运动为匀速直线运动,则有Lcos 37°=v0t,解得v0=20 m/s,B正确,A、C、D错误。
答案
2.如图所示,B为竖直圆轨道的左端点,它和圆心O的连线与竖直方向的夹角为α。一小球在圆轨道左侧的A点以速度v0水平抛出,恰好沿B点的切线方向进入圆轨道。已知重力加速度为g,不计空气阻力,则A、B之间的水平距离为
A. B.
C. D.
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
如图所示,对在B点时的速度进行分解,有tan α==,则小球运动的时间t=,则A、B间的水平距离x=v0t=,故A正确,B、C、D错误。
答案
3.(2024·常州市高一期末)在某次演习中,轰炸机沿水平方向投放了一枚炸弹,炸弹正好垂直于倾角为θ的山坡击中目标。则炸弹水平方向通过的距离与竖直方向下落的高度之比为
A. B.2tan θ
C.tan θ D.
1
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11
√
答案
1
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3
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5
6
7
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10
11
炸弹击中目标时的速度方向垂直山坡,则tan θ
=
===2tan θ。故选B。
答案
4.(2023·苏州市高一期末)跳台滑雪是2022年北京冬奥会的比赛项目之一,图甲为跳台滑雪的场地,可以简化为图乙所示的示意图,平台末端B点切线水平,斜面足够长,当运动员(可视为质点)以速度v从B点水平飞出,落到斜面上C点,斜面倾角为θ,忽略空气阻力。下列说法正确的是
A.运动员在空中运动的时间与v无关
B.运动员在空中运动的时间与v成正比
C.运动员落到斜面时的位移与v成正比
D.v越大,落到斜面时瞬时速度与斜面
间的夹角越大
1
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3
4
5
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11
√
答案
1
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3
4
5
6
7
8
9
10
11
运动员在空中做平抛运动,由平抛运动规律h=gt2,x=vt,运动员落在斜面上,故有=tan θ,联立
可得t=,故运动员在空中运动的时间与v成正比,A错误,B正确;
运动员落到斜面时的位移s==,运动员落到斜面时的位移与v2成正比,C错误;
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
设运动员落到斜面时瞬时速度与斜面间的夹角为α,则tan (α+θ)= 2tan θ,故运动员落到斜面时瞬时速度与斜面间的夹角与v无关,D错误。
答案
5.如图所示,两个相对斜面的倾角分别为37°和53°,在斜面顶点把两个小球以同样大小的初速度分别向左、向右水平抛出,小球都落在斜面上。不计空气阻力,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。则A、B两个小球从抛出到落到斜面的运动时间之比为
A.1∶1 B.4∶3
C.16∶9 D.9∶16
1
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3
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7
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10
11
√
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
根据平抛运动规律以及落在斜面上的特点可知x=v0t,y=gt2,tan θ=,解得t=,两小球的初速度大小相等,所以时间之比为tA∶tB= tan 37°∶tan 53°=9∶16,A、B、C错误,D正确。
答案
6.如图所示,半径为R的半球形碗固定于水平面上,碗口水平且AB为直径,O点为球心,小球从AO连线上的C点沿CO方向以水平速度抛出,经时间t=小球与碗内壁垂直碰撞,重力加速度为g,不计空气阻力,则C、O两点间的距离为
A. B.
C. D.
1
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7
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11
√
答案
1
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3
4
5
6
7
8
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11
设小球落点在D点,如图所示,根据题意,OD为半径,则根据平抛运动的推论有=,有CE=2OE,由几何关系有OE=,又因h=gt2,联立解得OC=OE=,故选A。
答案
7.如图所示为四分之一圆柱体OAB的竖直截面,半径为R,在B点正上方的C点水平抛出一个小球,小球轨迹恰好在D点与圆柱体相切,OD与OB的夹角为60°,则C点到B点的距离为多大?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
答案
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
小球通过D点时速度与圆柱体相切,则有
vy=v0tan 60°,
小球从C到D,水平方向有Rsin 60°=v0t,
竖直方向上有y=t,
解得y=R,
故C点到B点的距离为s=y-R(1-cos 60°)=。
答案
8.如图所示,圆弧形凹槽固定在水平地面上,其中ABC是以O为圆心的一段圆弧,位于竖直平面内。现有一小球从水平桌面的边缘P点向右水平飞出,该小球恰好能从A点沿圆弧的切线方向进入凹槽。OA与竖直方向的夹角为θ1,PA与竖直方向的夹角为θ2。下列选项正确的是
A.tan θ1tan θ2=2 B.=2
C.=2 D.=2
1
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9
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11
能力综合练
√
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
从题图中可以看出,在A点的速度方向与水平方向的夹角为θ1,则有tan θ1 ==。由P到A过程,其位移与竖直
方向的夹角为θ2,则tan θ2===,则tan θ1tan θ2=2,故选A。
答案
9.甲、乙两个小球分别以v、2v的速度从斜面顶部端点O沿同一方向水平抛出,两球分别落在该斜面上P、Q两点,忽略空气阻力,甲、乙两球落点P、Q到端点O的距离之比为
A. B.
C. D.
1
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11
√
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
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10
11
设斜面倾角为α,小球落在斜面上速度方向偏向
角为θ,如图所示,
根据平抛运动的推论tan θ=2tan α,
可知甲、乙两个小球落在斜面上时速度偏向角
相等,对甲有vy甲=vtan θ,
对乙有vy乙=2vtan θ,
又因为下落高度y=,
答案
1
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4
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10
11
可得甲、乙两个小球下落高度之比为=,
甲、乙两球落点P、Q到端点O的距离之比
==,故选C。
答案
10.(2024·盐城市高一期末)如图所示,斜面上a、b、c三点等距,小球从a点正上方O点抛出,做初速度为v0的平抛运动,恰落在b点。若小球初速度变为v,其落点位于c,则
A.v=2v0
B.v0<v<2v0
C.2v0<v<3v0
D.v>3v0
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11
√
答案
1
2
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11
根据题意可知,小球从a点正上方O点水平抛出,做初速度为v0的平抛运动,恰落在b点,改变初速度,落在c点,可知水平位移变为原来的2倍,若时间不变,则初速度变为原来的2倍,由于下落高度变大,运动时间变长,则初速度小于2v0,即v0<v<2v0,故选B。
答案
11.如图所示,AB为固定斜面,倾角为30°,小球从A点以初速度v0水平抛出,恰好落到B点。空气阻力不计,重力加速度为g。
(1)求A、B间的距离及小球在空中飞行的时间;
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11
答案
尖子生选练
答案
1
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8
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11
设飞行时间为t,则水平方向lABcos 30°=v0t,
竖直方向lABsin 30°=gt2,
解得t=tan 30°=,lAB=。
答案
(2)从抛出开始,经过多长时间小球与斜面间的距离最大?最大距离为多大?
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答案
答案
1
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3
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5
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11
如图所示,把初速度v0、重力加速度g都分解成沿斜面和垂直斜面的两个分量。在垂直斜面方向上,
小球做的是以v0y为初速度、gy为加速度的
“竖直上抛”运动。
小球到达离斜面最远处时,速度vy=0,
由vy=v0y-gyt'可得
t'===
小球离斜面的最大距离y===。
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专题强化 与斜面、曲面相结合的平抛运动
[学习目标] 1.进一步掌握平抛运动的规律,了解平抛运动与斜面、曲面相结合问题的特点(重点)。2.熟练运用平抛运动规律解决相关问题(重难点)。
一、与斜面有关的平抛运动
1.如图甲所示,将小球从倾角为θ的斜面上A处以初速度v0水平抛出,又落在斜面上B点,不计空气阻力,重力加速度为g。
(1)小球位移方向怎样?水平分位移x和竖直分位移y有什么关系?
(2)从抛出至落至斜面上所需时间多长?
答案 (1)位移方向沿斜面向下。
tan θ=
(2)由tan θ===得,t=
2.如图乙所示,将小球从斜面外某处以初速度v0水平抛出,斜面倾角为θ,重力加速度为g,不计空气阻力。
(1)若小球垂直击中斜面,求小球到达斜面经过的时间;
(2)若小球以最小位移击中斜面,求小球到达斜面经过的时间。
答案 (1)小球垂直击中斜面,此时速度方向垂直斜面。
tan θ==
得t1=
(2)此时位移与斜面垂直
tan θ==
得t2=
例1 (2023·扬州市高一期末)运动员从A处以v0=20 m/s的初速度水平飞出,在平直斜坡B处着陆。斜坡的倾角为37°,不计空气阻力,重力加速度g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。求:
(1)运动员在空中运动的时间;
(2)运动员落到B点的速度大小;
(3)运动员从A点到距离斜面最远所用的时间。
答案 (1)3 s (2)10 m/s (3)1.5 s
解析 (1)运动员从A点到B点做平抛运动,
设运动员在空中运动的时间为t,有
tan 37°=
解得t=3 s
(2)运动员落到B点的速度大小为
vB==10 m/s
(3)设运动员从A点到距离斜面最远所用的时间为t1,有tan 37°=
解得t1=1.5 s。
二、与曲面有关的平抛运动
情景示例
解题策略
从圆弧形轨道外水平抛出,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,构建速度三角形
vx=v0
vy=gt
tan θ==
从圆弧面外水平抛出,垂直落在圆弧面上,如图所示,已知速度的方向垂直于圆弧面
分解速度,构建速度三角形
vx=v0
vy=gt
tan θ==
从圆弧面上水平抛出又落到圆弧面上,如图所示
利用几何关系求解位移关系
x=v0t
y=gt2
R2=(x-R)2+y2
例2 如图所示,斜面ABC与圆弧轨道相接于C点,从A点水平向右飞出的小球恰能从C点沿圆弧切线方向进入轨道。OC与竖直方向的夹角为θ=60°,若AB的高度为h,忽略空气阻力,则BC的长度为( )
A.h B.h
C.h D.2h
答案 B
解析 小球飞出后做平抛运动,到C点时的速度方向与初速度方向夹角为θ,设此时位移方向与初速度方向夹角为α。根据平抛运动规律得tan θ=2tan α=,解得x=h,所以A、C、D错误,B正确。
例3 如图,可视为质点的小球,位于半径为 m半圆柱体左端点A的正上方某处,以一定的初速度v0水平抛出小球,其运动轨迹恰好能与半圆柱体相切于B点。过B点的半圆柱体半径与水平方向的夹角为60°,则小球的初速度v0的大小为(不计空气阻力,重力加速度为g=10 m/s2)( )
A.5 m/s B.4 m/s
C.3 m/s D.2 m/s
答案 C
解析 小球运动过程中,水平位移x=R+Rcos 60°=v0t,小球恰好与半圆柱体相切于B点,可知在B点的速度方向与水平方向的夹角为30°,则vy=v0tan 30°=gt,联立解得v0=3 m/s,故选C。
例4 如图,PQ为半圆形容器的水平直径,圆弧半径为R,圆心为O,从P点沿PQ方向水平抛出一个小球,小球恰好落在圆弧面上的B点,P、B两点的高度差为0.8R,重力加速度为g,不计空气阻力,则小球从P点抛出时的速度大小为( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 设小球从P点抛出到落到B点运动的时间为t,根据几何关系可知OB连线与水平方向的夹角的正弦值为,因此小球从P点到B点的水平位移为1.6R,设初速度大小为v0,则0.8R=gt2,1.6R=v0t,联立解得v0=,故B正确,A、C、D错误。
专题强化练 [分值:100分]
1~6题每题7分,7题13分,共55分
1.如图所示,跳台斜坡与水平面的夹角θ=37°,滑雪运动员从斜坡的起点A点水平飞出,经过3 s落到斜坡上的B点。不计空气阻力,重力加速度大小g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则运动员离开A点时的速度大小为( )
A.15 m/s B.20 m/s
C.25 m/s D.30 m/s
答案 B
解析 运动员在竖直方向做自由落体运动,设A点与B点的距离为L,则有Lsin 37°=gt2,解得L=75 m,设运动员离开A点时的速度为v0,运动员在水平方向的分运动为匀速直线运动,则有Lcos 37°=v0t,解得v0=20 m/s,B正确,A、C、D错误。
2.如图所示,B为竖直圆轨道的左端点,它和圆心O的连线与竖直方向的夹角为α。一小球在圆轨道左侧的A点以速度v0水平抛出,恰好沿B点的切线方向进入圆轨道。已知重力加速度为g,不计空气阻力,则A、B之间的水平距离为( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 如图所示,对在B点时的速度进行分解,有tan α==,则小球运动的时间t=,则A、B间的水平距离x=v0t=,故A正确,B、C、D错误。
3.(2024·常州市高一期末)在某次演习中,轰炸机沿水平方向投放了一枚炸弹,炸弹正好垂直于倾角为θ的山坡击中目标。则炸弹水平方向通过的距离与竖直方向下落的高度之比为( )
A. B.2tan θ
C.tan θ D.
答案 B
解析 炸弹击中目标时的速度方向垂直山坡,则tan θ=,炸弹水平方向通过的距离与竖直方向下落的高度之比为===2tan θ。故选B。
4.(2023·苏州市高一期末)跳台滑雪是2022年北京冬奥会的比赛项目之一,图甲为跳台滑雪的场地,可以简化为图乙所示的示意图,平台末端B点切线水平,斜面足够长,当运动员(可视为质点)以速度v从B点水平飞出,落到斜面上C点,斜面倾角为θ,忽略空气阻力。下列说法正确的是( )
A.运动员在空中运动的时间与v无关
B.运动员在空中运动的时间与v成正比
C.运动员落到斜面时的位移与v成正比
D.v越大,落到斜面时瞬时速度与斜面间的夹角越大
答案 B
解析 运动员在空中做平抛运动,由平抛运动规律h=gt2,x=vt,运动员落在斜面上,故有=tan θ,联立可得t=,故运动员在空中运动的时间与v成正比,A错误,B正确;运动员落到斜面时的位移s==,运动员落到斜面时的位移与v2成正比,C错误;设运动员落到斜面时瞬时速度与斜面间的夹角为α,则tan (α+θ)=2tan θ,故运动员落到斜面时瞬时速度与斜面间的夹角与v无关,D错误。
5.如图所示,两个相对斜面的倾角分别为37°和53°,在斜面顶点把两个小球以同样大小的初速度分别向左、向右水平抛出,小球都落在斜面上。不计空气阻力,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。则A、B两个小球从抛出到落到斜面的运动时间之比为( )
A.1∶1 B.4∶3
C.16∶9 D.9∶16
答案 D
解析 根据平抛运动规律以及落在斜面上的特点可知x=v0t,y=gt2,tan θ=,解得t=,两小球的初速度大小相等,所以时间之比为tA∶tB=tan 37°∶tan 53°=9∶16,A、B、C错误,D正确。
6.如图所示,半径为R的半球形碗固定于水平面上,碗口水平且AB为直径,O点为球心,小球从AO连线上的C点沿CO方向以水平速度抛出,经时间t=小球与碗内壁垂直碰撞,重力加速度为g,不计空气阻力,则C、O两点间的距离为( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 设小球落点在D点,如图所示,根据题意,OD为半径,则根据平抛运动的推论有=,有CE=2OE,由几何关系有OE=,又因h=gt2,联立解得OC=OE=,故选A。
7.(13分)如图所示为四分之一圆柱体OAB的竖直截面,半径为R,在B点正上方的C点水平抛出一个小球,小球轨迹恰好在D点与圆柱体相切,OD与OB的夹角为60°,则C点到B点的距离为多大?
答案
解析 小球通过D点时速度与圆柱体相切,则有
vy=v0tan 60°,
小球从C到D,水平方向有Rsin 60°=v0t,
竖直方向上有y=t,
解得y=R,
故C点到B点的距离为s=y-R(1-cos 60°)=。
8~10题每题9分,共27分
8.如图所示,圆弧形凹槽固定在水平地面上,其中ABC是以O为圆心的一段圆弧,位于竖直平面内。现有一小球从水平桌面的边缘P点向右水平飞出,该小球恰好能从A点沿圆弧的切线方向进入凹槽。OA与竖直方向的夹角为θ1,PA与竖直方向的夹角为θ2。下列选项正确的是( )
A.tan θ1tan θ2=2 B.=2
C.=2 D.=2
答案 A
解析 从题图中可以看出,在A点的速度方向与水平方向的夹角为θ1,则有tan θ1==。由P到A过程,其位移与竖直方向的夹角为θ2,则tan θ2===,则tan θ1tan θ2=2,故选A。
9.甲、乙两个小球分别以v、2v的速度从斜面顶部端点O沿同一方向水平抛出,两球分别落在该斜面上P、Q两点,忽略空气阻力,甲、乙两球落点P、Q到端点O的距离之比为( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 设斜面倾角为α,小球落在斜面上速度方向偏向角为θ,如图所示,
根据平抛运动的推论tan θ=2tan α,
可知甲、乙两个小球落在斜面上时速度偏向角相等,对甲有vy甲=vtan θ,
对乙有vy乙=2vtan θ,
又因为下落高度y=,
可得甲、乙两个小球下落高度之比为=,
甲、乙两球落点P、Q到端点O的距离之比==,故选C。
10.(2024·盐城市高一期末)如图所示,斜面上a、b、c三点等距,小球从a点正上方O点抛出,做初速度为v0的平抛运动,恰落在b点。若小球初速度变为v,其落点位于c,则( )
A.v=2v0 B.v0<v<2v0
C.2v0<v<3v0 D.v>3v0
答案 B
解析 根据题意可知,小球从a点正上方O点水平抛出,做初速度为v0的平抛运动,恰落在b点,改变初速度,落在c点,可知水平位移变为原来的2倍,若时间不变,则初速度变为原来的2倍,由于下落高度变大,运动时间变长,则初速度小于2v0,即v0<v<2v0,故选B。
11.(18分)如图所示,AB为固定斜面,倾角为30°,小球从A点以初速度v0水平抛出,恰好落到B点。空气阻力不计,重力加速度为g。
(1)(8分)求A、B间的距离及小球在空中飞行的时间;
(2)(10分)从抛出开始,经过多长时间小球与斜面间的距离最大?最大距离为多大?
答案 (1) (2)
解析 (1)设飞行时间为t,则水平方向lABcos 30°=v0t,竖直方向lABsin 30°=gt2,
解得t=tan 30°=,lAB=。
(2)如图所示,把初速度v0、重力加速度g都分解成沿斜面和垂直斜面的两个分量。在垂直斜面方向上,
小球做的是以v0y为初速度、gy为加速度的“竖直上抛”运动。
小球到达离斜面最远处时,速度vy=0,
由vy=v0y-gyt'可得
t'===
小球离斜面的最大距离y===。
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