高三物理復習能力提升 第5章 專題4 平拋與圓周運動組合問題的分析_第1頁
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文檔簡介

專題四平拋與圓周運動組合問題的分析考綱解讀1.掌握運用平拋運動規(guī)律、圓周運動知識解決綜合性問題的方法.2.掌握程序法在解題中的應用.考點一平拋運動與直線運動的組合問題1.一個物體平拋運動和直線運動先后進行,要明確直線運動的性質,關鍵抓住速度是兩個運動的銜接點.2.兩個物體分別做平拋運動和直線運動,且同時進行,則它們運動的時間相等,同時滿足一定的空間幾何關系.例1如圖1所示,一小球從平臺上水平拋出,恰好落在鄰近平臺圖1的一傾角為α=53°的光滑斜面頂端,并剛好沿光滑斜面下滑,圖1已知斜面頂端與平臺的高度差h=0.8m,重力加速度取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6,求:(1)小球水平拋出時的初速度v0;(2)斜面頂端與平臺邊緣的水平距離x;(3)若斜面頂端高H=20.8m,則小球離開平臺后經(jīng)多長時間到達斜面底端?解析(1)由題意可知,小球落到斜面上并剛好沿斜面下滑,說明此時小球速度方向與斜面平行,否則小球會彈起,如圖所示,vy=v0tan53°,veq\o\al(2,y)=2gh代入數(shù)據(jù),得vy=4m/s,v0=3m/s.(2)由vy=gt1得t1=0.4sx=v0t1=3×0.4m=1.2m(3)小球沿斜面做勻加速直線運動的加速度a=eq\f(mgsin53°,m)=8m/s2初速度v=eq\r(v\o\al(2,0)+v\o\al(2,y))=5m/seq\f(H,sin53°)=vt2+eq\f(1,2)ateq\o\al(2,2)代入數(shù)據(jù),解得t2=2s或t2′=-eq\f(13,4)s(不合題意舍去)所以t=t1+t2=2.4s.答案(1)3m/s(2)1.2m(3)2.4s抓住小球平拋到斜面頂端“剛好沿光滑斜面下滑”這一關鍵條件,利用斜面傾角和速度的分解與合成求合速度.突破訓練1如圖2所示,我某集團軍在一次空地聯(lián)合軍事演習中,離地面H高處的飛機以水平對地速度v1發(fā)射一顆炸彈欲轟炸地面目標P,反應靈敏的地面攔截系統(tǒng)同時以初速度v2豎直向上發(fā)射一顆炮彈攔截(炮彈運動過程看做豎直上拋).設此時攔截系統(tǒng)與飛機的水平距離為x,若攔截成功,不計空氣阻力,則v1、v2的關系應滿足 ()圖2A.v1=eq\f(H,x)v2 B.v1=v2eq\r(\f(x,H))圖2C.v1=eq\f(x,H)v2 D.v1=v2答案C解析由題意知從發(fā)射到攔截成功水平方向應滿足:x=v1t,同時豎直方向應滿足:H=eq\f(1,2)gt2+v2t-eq\f(1,2)gt2=v2t,所以有eq\f(x,v1)=eq\f(H,v2),即v1=eq\f(x,H)v2,C選項正確.考點二平拋運動與圓周運動的組合問題例2如圖3所示,有一個可視為質點的質量為m=1kg的小物塊,從光滑平臺上的A點以v0=3m/s的初速度水平拋出,到達C點時,恰好沿C點的切線方向進入固定在水平地面上的光滑圓弧軌道,最后小物塊滑上緊靠軌道末端D點的質量為M=3kg的長木板.已知木板上表面與圓弧軌道末端切線相平,木板下表面與水平地面之間光滑接觸,小物塊與長木板間的動摩擦因數(shù)μ=0.3,圓弧軌道的半徑為R=0.5m,C點和圓弧的圓心連線與豎直方向的夾角θ=53°,不計空氣阻力,取重力加速度g=10m/s2.求:圖3(1)A、C兩點的高度差;(2)小物塊剛要到達圓弧軌道末端D點時對軌道的壓力;(3)要使小物塊不滑出長木板,木板的最小長度.(sin53°=0.8,cos53°=0.6)解析(1)小物塊在C點時的速度大小為vC=eq\f(v0,cos53°)=5m/s,豎直分量為vCy=4m/s下落高度h=eq\f(v\o\al(2,Cy),2g)=0.8m(2)小物塊由C到D的過程中,由動能定理得mgR(1-cos53°)=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,D)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)解得vD=eq\r(29)m/s小球在D點時由牛頓第二定律得FN-mg=meq\f(v\o\al(2,D),R)代入數(shù)據(jù)解得FN=68N由牛頓第三定律得FN′=FN=68N,方向豎直向下(3)設小物塊剛好滑到木板右端時與木板達到共同速度,大小為v,小物塊在木板上滑行的過程中,小物塊與長木板的加速度大小分別為a1=μg=3m/s2,a2=eq\f(μmg,M)=1m/s2速度分別為v=vD-a1t,v=a2t對物塊和木板系統(tǒng),由能量守恒定律得μmgL=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,D)-eq\f(1,2)(m+M)v2解得L=3.625m,即木板的長度至少是3.625m答案(1)0.8m(2)68N(3)3.625m程序法在解題中的應用所謂“程序法”是指根據(jù)題意按先后順序分析發(fā)生的運動過程,并明確每一過程的受力情況、運動性質、滿足的規(guī)律等等,還要注意前后過程的銜接點是具有相同的速度.突破訓練2在我國南方農(nóng)村地區(qū)有一種簡易水輪機,如圖4所示,從懸圖4崖上流出的水可看做連續(xù)做平拋運動的物體,水流軌道與下邊放置的輪子邊緣相切,水沖擊輪子邊緣上安裝的擋水板,可使輪子連續(xù)轉動,輸出動力.當該系統(tǒng)工作穩(wěn)定時,可近似認為水的末速度與輪子邊緣的線速度相同.設水的流出點比輪軸高h=5.6m,輪子半徑R圖4調整輪軸O的位置,使水流與輪邊緣切點對應的半徑與水平線成θ=37°角.(已知sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2)問:(1)水流的初速度v0大小為多少?(2)若不計擋水板的大小,則輪子轉動的角速度為多少?答案(1)7.5m/s(2)12.5rad/s解析(1)水流做平拋運動,有h-Rsin37°=eq\f(1,2)gt2解得t=eq\r(\f(2h-Rsin37°,g))=1s所以vy=gt=10m/s,由圖可知:v0=vytan37°=7.5m/s.(2)由圖可知:v=eq\f(v0,sin37°)=12.5m/s,根據(jù)ω=eq\f(v,R)可得ω=12.5rad/s.27.直線運動、平拋運動和圓周運動組合問題的分析解析(1)在C點:mg=meq\f(v\o\al(2,C),R) (2分)所以vC=5m/s (1分)(2)由C點到D點過程:mg(2R-2r)=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,D)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C) (2分)在D點:mg+FN=meq\f(v\o\al(2,D),r) (2分)所以FN=333.3N (1分)由牛頓第三定律知小滑車對軌道的壓力為333.3N. (1分)(3)小滑車要能安全通過圓形軌道,在平臺上速度至少為v1,則eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)+mg(2R)=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1) (2分)小滑車要能落到氣墊上,在平臺上速度至少為v2,則h=eq\f(1,2)gt2 (1分)x=v2t (1分)解得v2>v1,所以只要mgH=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2),即可滿足題意.解得H=7.2m (3分)答案(1)5m/s(2)333.3N(3)7.2m1.對于多過程問題首先要搞清各運動過程的特點,然后選用相應規(guī)律.2.要特別注意運用有關規(guī)律建立兩運動之間的聯(lián)系,把轉折點的速度作為分析重點.突破訓練3水上滑梯可簡化成如圖6所示的模型,斜槽AB和光圖6滑圓弧槽BC平滑連接.斜槽AB的豎直高度差H=6.0m,傾角θ=37°;圓弧槽BC的半徑R=3.0m,末端C點的切線水平;C點與水面的距離h=0.80m.人與AB間的動摩擦因數(shù)μ=0.2,取重力加速度g=10m/s2,cos37°=0.8,sin37°=0.6.一個質量m=30kg的小朋友從滑梯頂端A圖6空氣阻力.求:(1)小朋友沿斜槽AB下滑時加速度a的大??;(2)小朋友滑到C點時速度v的大小及滑到C點時受到槽面的支持力FC的大??;(3)在從C點滑出至落到水面的過程中,小朋友在水平方向的位移x的大?。鸢?1)4.4m/s2(2)10m/s1300N(3)4m解析(1)小朋友沿AB下滑時,受力情況如圖所示,根據(jù)牛頓第二定律得:mgsinθ-Ff=ma ①又Ff=μFN ②FN=mgcosθ ③聯(lián)立①②③式解得:a=4.4m/s2 ④(2)小朋友從A滑到C的過程中,根據(jù)動能定理得:mgH-Ff·eq\f(H,sinθ)+mgR(1-cosθ)=eq\f(1,2)mv2-0 ⑤聯(lián)立②③⑤式解得:v=10m/s ⑥根據(jù)牛頓第二定律有:FC-mg=meq\f(v2,R) ⑦聯(lián)立⑥⑦式解得:FC=1300N. ⑧(3)在從C點滑出至落到水面的過程中,小朋友做平拋運動,設此過程經(jīng)歷的時間為t,則:h=eq\f(1,2)gt2 ⑨x=vt ⑩聯(lián)立⑥⑨⑩式解得:x=4m.高考題組1.(2012·福建理綜·20)如圖7所示,置于圓形水平轉臺邊緣的小物塊隨圖7轉臺加速轉動,當轉速達到某一數(shù)值時,物塊恰好滑離轉臺開始做平拋運動.現(xiàn)測得轉臺半徑R=0.5m,離水平地面的高度H=0.8m,物塊平拋落地過程水平位移的大小s圖7摩擦力等于滑動摩擦力,取重力加速度g=10m/s2.求:(1)物塊做平拋運動的初速度大小v0;(2)物塊與轉臺間的動摩擦因數(shù)μ.答案(1)1m/s(2)0.2解析(1)物塊做平拋運動,在豎直方向上有H=eq\f(1,2)gt2 ①在水平方向上有s=v0t ②由①②式解得v0=seq\r(\f(g,2H))代入數(shù)據(jù)得v0=1m/s(2)物塊離開轉臺時,由最大靜摩擦力提供向心力,有fm=meq\f(v\o\al(2,0),R) ③fm=μN=μmg ④由③④式得μ=eq\f(v\o\al(2,0),gR)代入數(shù)據(jù)得μ=0.22.(2010·重慶理綜·24)小明站在水平地面上,手握不可伸長的輕繩一端,圖8繩的另一端系有質量為m的小球,甩動手腕,使球在豎直平面內做圓周運動.當球某次運動到最低點時,繩突然斷掉,球飛行水平距離d后落地,如圖8所示.已知握繩的手離地面高度為d,手與球之間的繩長為eq\f(3,4)d,重力加速度為g.忽略手的運動半徑和空氣阻力.圖8(1)求繩斷時球的速度大小v1和球落地時的速度大小v2.(2)問繩能承受的最大拉力多大?(3)改變繩長,使球重復上述運動,若繩仍在球運動到最低點時斷掉,要使球拋出的水平距離最大,繩長應為多少?最大水平距離為多少?答案(1)eq\r(2gd)eq\r(\f(5,2)gd)(2)eq\f(11,3)mg(3)eq\f(d,2)eq\f(2\r(3),3)d解析(1)設繩斷后球飛行的時間為t,由平拋運動規(guī)律有豎直方向:eq\f(1,4)d=eq\f(1,2)gt2水平方向:d=v1t解得v1=eq\r(2gd)由機械能守恒定律有eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)+mg(d-eq\f(3,4)d)解得v2=eq\r(\f(5,2)gd)(2)設繩能承受的最大拉力大小為Fmax,這也是球受到繩的最大拉力的大?。蜃鰣A周運動的半徑為R=eq\f(3,4)d由圓周運動向心力公式,有Fmax-mg=eq\f(mv\o\al(2,1),R)得Fmax=eq\f(11,3)mg(3)設繩長為l,繩斷時球的速度大小為v3.繩承受的最大拉力不變,有Fmax-mg=meq\f(v\o\al(2,3),l),解得v3=eq\r(\f(8,3)gl)繩斷后球做平拋運動,豎直位移為d-l,水平位移為x,時間為t1.由平拋運動規(guī)律有d-l=eq\f(1,2)gteq\o\al(2,1),x=v3t1得x=4eq\r(\f(ld-l,3)),當l=eq\f(d,2)時,x有最大值xmax=eq\f(2\r(3),3)d. 模擬題組3.如圖9所示,一質量為2m的小球套在一圖9“”滑桿上,小球與滑桿的動摩擦因數(shù)為μ=0.5,BC段為半徑為R的半圓,靜止于A處的小球在大小為F=2mg,方向與水平面成37°角的拉力F作用下沿桿運動,到達B點時立刻撤去F,小球沿圓弧向上沖并越過C圖9后落在D點(圖中未畫出),已知D點到B點的距離為R,且AB的距離為s=10R.試求:(1)小球在C點對滑桿的壓力;(2)小球在B點的速度大??;(3)BC過程小球克服摩擦力所做的功.答案(1)eq\f(3,2)mg,方向豎直向下(2)2eq\r(3gR)(3)eq\f(31mgR,4)解析(1)小球越過C點后做平拋運動,有豎直方向:2R=eq\f(1,2)gt2 ①水平方向:R=vCt ②解①②得vC=eq\f(\r(gR),2)在C點對小球由牛頓第二定律有:2mg-FNC=2meq\f(v\o\al(2,C),R)解得FNC=eq\f(3mg,2)由牛頓第三定律有,小球在C點對滑桿的壓力FNC′=FNC=eq\f(3mg,2),方向豎直向下(2)在A點對小球受力分析有:FN+Fsin37°=2mg ③小球從A到B由動能定理有:Fcos37°·s-μFN·s=eq\f(1,2)·2mveq\o\al(2,B) ④解③④得vB=2eq\r(3gR)(3)BC過程對小球由動能定理有:-2mg·2R-Wf=eq\f(1,2)×2mveq\o\al(2,C)-eq\f(1,2)×2mveq\o\al(2,B)解得Wf=eq\f(31mgR,4)4.如圖10所示,質量為m=1kg的小物塊由靜止輕輕放在水平勻圖10速運動的傳送帶上,從A點隨傳送帶運動到水平部分的最右端B點,經(jīng)半圓軌道C點沿圓弧切線進入豎直光滑的半圓軌道,恰能做圓周運動.C點在B點的正上方,D點為軌道的最低點.小物塊離開D點后,做平拋運動,恰好垂直于傾斜擋板打在擋板跟水平面相交的E點.已知半圓軌道的半徑R=0.9m,D圖10水平面的高度h=0.75m,取g=10m/s2,試求:(1)摩擦力對小物塊做的功;(2)小物塊經(jīng)過D點時對軌道壓力的大?。?3)傾斜擋板與水平面間的夾角θ.答案(1)4.5J(2)60N,方向豎直向下(3)60°解析(1)設小物塊經(jīng)過C點時的速度大小為v1,因為經(jīng)過C點恰能做圓周運動,所以,由牛頓第二定律得:mg=meq\f(v\o\al(2,1),R)解得:v1=3m/s小物塊由A到B的過程中,設摩擦力對小物塊做的功為W,由動能定理得:W=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)解得:W=4.5J(2)設小物塊經(jīng)過D點時的速度大小為v2,對從C點運動到D點的過程,由機械能守恒定律得:eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)+mg·2R=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)小物塊經(jīng)過D點時,設軌道對它的支持力大小為FN,由牛頓第二定律得:FN-mg=meq\f(v\o\al(2,2),R)聯(lián)立解得:FN=60N由牛頓第三定律可知,小物塊經(jīng)過D點時對軌道的壓力大小為:FN′=FN=60N,方向豎直向下(3)小物塊離開D點后做平拋運動,設經(jīng)時間t打在E點,由h=eq\f(1,2)gt2得:t=eq\f(\r(15),10)s設小物塊打在E點時速度的水平、豎直分量分別為vx、vy,速度跟豎直方向的夾角為α,則:vx=v2vy=gttanα=eq\f(vx,vy)解得:tanα=eq\r(3)所以:α=60°由幾何關系得:θ=α=60°.

專題突破練專題四平拋與圓周運動組合問題的分析(限時:45分鐘)?題組1平拋運動與直線運動的組合如圖1所示,在距地面高為H=45m處,有一小球A以初速度v0=10m/s水平拋出,與此同時,在A的正下方有一物塊B也以相同的初速度v0同方向滑出,B與地面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.5.A、B均可視做質點,空氣阻力不計,重力加速度g取10m/s2,求:圖1(1)A圖1(3)A球落地時,A、B之間的距離.答案(1)3s30m(2)20m解析(1)對A球,由平拋運動規(guī)律得水平方向:s1=v0t豎直方向:H=eq\f(1,2)gt2解得s1=30m,t=3s(2)對于物塊B,根據(jù)牛頓第二定律得,-μmg=ma解得a=-5m/s2當B速度減小到零時,有0=v0+at′得t′=2s判斷得:在A落地之前B已經(jīng)停止運動,由運動學公式v2-veq\o\al(2,0)=2as2得:s2=10m則Δs=s1-s2=20m.2.如圖2所示,一物塊質量m=1.0kg自平臺上以速度v0水平拋出,剛好落在鄰近一傾角為α=53°的粗糙斜面AB頂端,并恰好沿該斜面下滑,已知斜面頂端與平臺的高度差h=0.032m,粗糙斜面BC傾角為β=37°,足夠長.物塊與兩斜面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.5,A點離B點所在平面的高度H=1.2m.物塊在斜面上運動的過程中始終未脫離斜面,不計在B點的機械能損失.最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,sin37°=0.6,cos37°=0.8.(g取10m/s2)圖2(1)物塊水平拋出的初速度v0是多少?(2)若取A所在水平面為零勢能面,求物塊第一次到達B點的機械能.(3)從滑塊第一次到達B點時起,經(jīng)0.6s正好通過D點,求B、D之間的距離.答案(1)0.6m/s(2)-4J(3)0.76m解析(1)物塊離開平臺做平拋運動,由平拋運動知識得:vy=eq\r(2gh)=eq\r(2×10×0.032)m/s=0.8m/s由于物塊恰好沿斜面下滑,則vA=eq\f(vy,sin53°)=eq\f(0.8,0.8)m/s=1m/sv0=vAcos53°=0.6m/s(2)物塊在A點時的速度vA=1m/s從A到B的運動過程中由動能定理得mgH-μmgcos53°eq\f(H,sin53°)=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)在B點時的機械能:EB=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)-mgH=-4J(3)物塊在B點時的速度vB=4m/s物塊沿BC斜面向上運動時的加速度大小為:a1=g(sin37°+μcos37°)=10m/s2物塊從B點沿BC斜面向上運動到最高點所用時間為t1=eq\f(vB,a1)=0.4s,然后沿斜面下滑,下滑時的加速度大小為:a2=g(sin37°-μcos37°)=2m/s2B、D間的距離sBD=eq\f(v\o\al(2,B),2a1)-eq\f(1,2)a2(t-t1)2=0.76m?題組2平拋運動與圓周運動組合問題3.水平光滑直軌道ab與半徑為R的豎直半圓形光滑軌道bc相切,圖3一小球以初速度v0沿直軌道向右運動.如圖3所示,小球進入圓形軌道后剛好能通過c點,然后小球做平拋運動落在直軌道上的d點,則 圖3A.小球到達c點的速度為eq\r(gR)B.小球到達b點時對軌道的壓力為5mgC.小球在直軌道上的落點d與b點距離為2RD.小球從c點落到d點所需時間為2eq\r(\f(R,g))答案ACD解析小球在c點時由牛頓第二定律得:mg=eq\f(mv\o\al(2,c),R),vc=eq\r(gR),A項正確;小球由b到c過程中,由機械能守恒定律得:eq\f(1,2)mveq\o\al(2,b)=2mgR+eq\f(1,2)mveq\o\al(2,c)小球在b點,由牛頓第二定律得:FN-mg=eq\f(mv\o\al(2,b),R),聯(lián)立解得FN=6mg,B項錯誤;小球由c點平拋,在平拋運動過程中由運動學公式得:x=vct,2R=eq\f(1,2)gt2.解得t=2eq\r(\f(R,g)),x=2R,C、D項正確.4.如圖4所示,P是水平面上的圓弧凹槽.從高臺邊B點以某速圖4度v0水平飛出的小球,恰能從固定在某位置的凹槽的圓弧軌道的左端A點沿圓弧切線方向進入軌道.O是圓弧的圓心,θ1是OA與豎直方向的夾角,θ2是BA圖4()A.eq\f(tanθ2,tanθ1)=2 B.tanθ1·tanθ2=2C.eq\f(1,tanθ1·tanθ2)=2 D.eq\f(tanθ1,tanθ2)=2答案B解析由題意可知:tanθ1=eq\f(vy,vx)=eq\f(gt,v0),tanθ2=eq\f(x,y)=eq\f(v0t,\f(1,2)gt2)=eq\f(2v0,gt),所以tanθ1·tanθ2=2,故B正確.5.如圖5所示,在水平勻速運動的傳送帶的左端(P點),輕放一質量為m=1kg的物塊,物塊隨傳送帶運動到A點后水平拋出,物塊恰好無碰撞的沿圓弧切線從B點進入豎直光滑圓弧軌道下滑.B、D為圓弧的兩端點,其連線水平.已知圓弧半徑R=1.0m,圓弧對應的圓心角θ=106°,軌道最低點為C,A點距水平面的高度h=0.8m(g取10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6)求:圖5(1)物塊離開A點時水平初速度的大??;(2)物塊經(jīng)過C點時對軌道壓力的大小;(3)設物塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)為0.3,傳送帶的速度為5m/s,求PA間的距離.答案(1)3m/s(2)43N(3)1.5m解析(1)物塊由A到B在豎直方向有veq\o\al(2,y)=2ghvy=4m/s在B點:taneq\f(θ,2)=eq\f(vy,vA),vA=3m/s(2)物塊從B到C由功能關系得mgR(1-coseq\f(θ,2))=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)vB=eq\r(v\o\al(2,A)+v\o\al(2,y))=5m/s解得veq\o\al(2,C)=33m2/s2在C點:FN-mg=meq\f(v\o\al(2,C),R)由牛頓第三定律知,物塊經(jīng)過C點時對軌道壓力的大小為FN′=FN=43N(3)因物塊到達A點時的速度為3m/s,小于傳送帶速度,故物塊在傳送帶上一直做勻加速直線運動μmg=ma,a=3m/s2PA間的距離sPA=eq\f(v\o\al(2,A),2a)=1.5m.6.如圖6所示,半徑R=1.0m的光滑圓弧軌道固定在豎直平面圖6內,軌道的一個端點B和圓心O的連線與水平方向間的夾角θ=37°,另一端點C為軌道的最低點.C點右側的水平路面上緊挨C點放置一木板,木板質量M=1kg,上表面與C點等高.質量m=1kg的物塊(可視為質點)從空中A點以v0=1.2m/s的速度水平拋出,恰好從軌道的B圖6入軌道.已知物塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ1=0.2,木板與路面間的動摩擦因數(shù)μ2=0.05,

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