- 平抛运动
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抛体运动在各类体育运动项目中很常见,如乒乓球运动。现讨论乒乓球发球问题,设球台长2L、网高h,乒乓球反弹前后水平分速度不变,竖直分速度大小不变、方向相反,且不考虑乒乓球的旋转和空气阻力。(设重力加速度为g)
(1)若球在球台边缘O点正上方高度为h1处以速度v1水平发出,落在球台的P1点(如图实线所示),求P1点距O点的距离x1;
(2)若球在O点正上方以速度v2水平发出,恰好在最高点时越过球网落在球台的P2点(如图虚线所示),求v2的大小;
(3)若球在O点正上方水平发出后,球经反弹恰好越过球网且刚好落在对方球台边缘P3处,求发球点距O点的高度h3。
正确答案
解:(1)设发球时飞行时间为t1,根据平抛运动 ①
x1=v1t1 ②
解得 ③
(2)设发球高度为h2,飞行时间为t2,同理根据平抛运动 ④
x2=v2t2 ⑤
且h2=h ⑥
2x2=L ⑦
得 ⑧
(3)如图所示,发球高度为h3,飞行时间为t3,同理根据平抛运动得 ⑨
x3=v3t3 ⑩
且3x3=2L
设球从恰好越过球网到最高点的时间为t,水平距离为s。有
s=v3t
由几何关系知x3+s=L
联立⑨一式解得
如图所示,在距地面2l高空A处以水平初速度投掷飞镖,在与A点水平距离为l的水平地面上的B点有一个气球,选择适当时机让气球以速度匀速上升,在升空过程中被飞镖击中,飞镖在飞行过程中受到的空气阻力不计,在计算过程中可将飞镖和气球视为质点,已知重力加速度为g。试求:
(1)飞镖是以多大的速度击中气球的?
(2)掷飞镖和放气球两个动作之间的时间间隔△t应为多少?
正确答案
解:(1)飞镖A被投掷后做平抛运动。从掷出飞镖到击中气球,经过时间
此时飞镖在竖直方向上的分速度
故此时飞镖的速度大小
(2)飞镖从掷出到击中气球过程中下降高度
气球从被释放到被击中过程中上升的高度
气球上升时间
可见,t2>t1,
所以应先释放气球。释放气球与掷飞镖之间的时间间隔。
如图所示,某人从高出水平地面h的坡上水平击出一个质量为m的高尔夫球。无风力的作用时,高尔夫球恰好落在距击球点水平距离为2L的B洞。设重力加速度为g,求:
(1)该球从击出到洞口的时间;该球被击出时初速的大小;
(2)若该球受到水平风力的作用,以相同的初速度将该球击出,高尔夫球恰好落在距击球点水平距离为L的A洞。求水平风力的大小及球落地时的速度。
正确答案
解:(1)根据运动的分解:高尔夫球竖直方向做自由落体运动,
该球从击出到洞口的时间:
水平方向做匀速直线运动,
因此,被击出时初速的大小
(2)有风时,水平方向做匀减速直线运动,有,
故水平风力
落地时水平分速度为
落地时竖直分速度为
则落地时的速度大小为:,方向竖直向下
如图所示,滑板运动员从倾角为53°的斜坡顶端滑下,滑下的过程中他突然发现在斜面底端有一个高h=1.4m、宽L=1.2m的长方体障碍物,为了不触及这个障碍物,他必须在距水平地面高度H=3.2m的A点沿水平方向跳起离开斜面。已知运动员的滑板与斜面间的动摩擦因数μ=0.1,忽略空气阻力,重力加速度g取10m/s2。(已知sin53°=0.8,cos53°=0.6)求:
(1)运动员在斜面上滑行的加速度的大小;
(2)若运动员不触及障碍物,他从A点起跳后到落至水平面的过程所经历的时间;
(3)运动员为了不触及障碍物,他从A点沿水平方向起跳的最小速度。
正确答案
解:(1)设运动员连同滑板的质量为m,运动员在斜面上滑行的过程中,根据牛顿第二定律:
mgsin53°-μmgcos53°=ma
解得运动员在斜面上滑行的加速度a=g(sin53°-μcos53°)=7.4m/s2(2)运动员从斜面上起跳后沿竖直方向做自由落体运动,根据自由落体公式H=gt2解得:t=
=0.8s
(3)为了不触及障碍物,运动员以速度v沿水平方向起跳后竖直下落高度为H-h时,他沿水平方向的运动距离为Hcot53°+L,设他在这段距离内运动的时间为t',则:
H-h=gt2,Hcot53°+L=vt'
解得:v=6.0m/s
如图所示,水平桌面上有一轻弹簧,左端固定在A点,自然状态时其右端位于B点。D点位于水桌面最右端,水平桌面右侧有一竖直放置的光滑轨道MNP,其形状为半径R=0.8m的圆环剪去了左上角135°的圆弧,MN为其竖直直径,P点到桌面的竖直距离为R,P点到桌面右侧边缘的水平距离为2R。用质量m1=0.4kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点,释放后弹簧恢复原长时物块恰停止在B点。用同种材料、质量为m2=0.2kg的物块将弹簧缓慢压缩到C点释放,物块过B点后其位移与时间的关系为,物块从D点飞离桌面后恰好由P点沿切线落入圆轨道。g=10m/s2,求:
(1)BD间的水平距离;
(2)判断m2能否沿圆轨道到达M点;
(3)m2释放后在桌面上运动的过程中克服摩擦力做的功。
正确答案
解:(1)设物块块由D点以初速做平抛,落到P点时其竖直速度为
,得
m/s
或设平抛用时为t,则
在竖直方向上:
在水平方向上:
可得
在桌面上过B点后初速m/s,加速度
m/s2
BD间位移为m
(2)若物块能沿轨道到达M点,其速度为,由机械能守恒定律得:
轨道对物块的压力为FN,则
解得,即物块不能到达M点
(3)设弹簧长为AC时的弹性势能为Ep,物体与桌面间的动摩擦因数为μ
释放m1时,
释放m2时,
且
可得J
m2释放后在桌面上运动过程中克服摩擦力做功为Wf则由能量转化与守恒定律得:
可得
汽车以1.6m/s的速度在水平地面上匀速行驶,汽车后壁货架上放有货物(可视作质点),架高1.8m。由于前方事故,突然急刹车,汽车轮胎抱死,货物从架上落下。已知该型号汽车在所在路面行驶时刹车痕s (即刹车距离)与刹车前车速v的关系如下图线所示,忽略货物与架子间的摩擦及空气阻力,g取10m/s2。求:
(1)汽车刹车过程中的加速度多大;
(2)货物在车厢底板上落点距车后壁的距离。
正确答案
解:(1)解法一:
汽车以速度v刹车,减速到零,即刹车距离s,由动能定理得:
而
由v-s关系图像知:当v=4m/s时,s=2m,联立以上各式,并代入数值得:
解法二:
汽车以速度v刹车,匀减速到零,刹车距离为s,由运动学公式
由v-s关系图像知:当v=4m/s时,s=2m,代入数值得:
(2)刹车后,货物做平抛运动:,
货物的水平位移为:
汽车做匀减速直线运动,刹车时间为,则:
<
则汽车的实际位移为:
故:
在一次国际城市运动会中,要求运动员从高为H的平台上A点由静止出发,沿着动摩擦因数为μ的滑道向下运动到B点后水平滑出,最后落在水池中,设滑道的水平距离为L,B点的高度h可由运动员自由调节。(取g=10 m/s2)求:
(1)运动员到达B点的速度与高度h的关系。
(2)运动员要达到最大水平运动距离,B点的高度h应调为多大?对应的最大水平距离smax为多少?
(3)若图中H=4m,L=5m,动摩擦因数μ=0.2,则水平运动距离要达到7m,h值应为多少?
正确答案
解:(1)设斜面长度为L1,斜面倾角为α,根据动能定理得
①
即 ②
③
(2)根据平抛运动公式x=v0t ④
⑤
由③④⑤式得 ⑥
由⑥式可得,当
smax=L+H-μL
(3)在⑥式中令x=2 m,H=4 m,L=5 m,μ=0.2,则可得到-h2+3h-l=0
求出
如图所示,一个水平放置的圆桶绕轴OO′匀速转动,转动角速度ω=2.5π rad/s,桶壁上P处有一圆孔,桶壁很薄,桶的半径R=2 m。当圆孔运动到桶的上方时,在圆孔的正上方h=3.2 m处有一个小球由静止开始下落,已知圆孔的半径略大于小球的半径。试通过计算判断小球是否和圆桶碰撞(不考虑空气阻力,g取10 m/s2)。
正确答案
解:设小球下落h所用时间t1,经过圆桶所用时间为t2,则h=gt12解得t1=0.8 s
h+2R=g(t1+t2)2
解得t2=0.4 s
圆桶的运动周期为T=s=0.8 s
由于t1=T,小球到达圆桶时,圆桶正好转一周,圆孔又回到圆桶上方,小球可以进入圆桶内,不会相碰
又因为t2=T/2,小球进入圆桶后,圆桶转半周,圆孔转到圆桶正下方时,小球也正好到达圆桶的正下方,小球可以从圆桶中出来,不会相碰
由以上分析可知,小球和圆桶不会相碰
跳台滑雪是一种极为壮观的运动,运动员穿着滑雪板,从跳台水平飞出,在空中飞行一段距离后着陆,如图所示。设运动员连同滑雪板的总质量m=50kg,从倾角θ=37°的坡顶A点以速度v0=20 m/s沿水平方向飞出,恰落到山坡底的水平面上的B处。(g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.81)求:
(1)运动员在空中飞行的时间;
(2)AB间的距离s;
(3)运动员落到水平面上的B处时顺势屈腿以缓冲,使他垂直于水平面的分速度在Δt=0.20 s的时间内减小为零。试求缓冲过程中滑雪板对水平面的平均压力。
正确答案
(1)3 s
(2)75 m
(3)8×103 N
抛体运动在各类体育运动项目中很常见,如乒乓球运动。现讨论乒乓球发球问题。设球台长2L、网高h,乒乓球反弹前后水平分速度不变,竖直分速度大小不变、方向相反,且不考虑乒乓球的旋转和空气阻力(设重力加速度为g)。
(1)若球在球台边缘O点正上方高度为h1处以速度v1水平发出,落在球台的P1点(如图实线所示),求P1点距O点的距离x;
(2)若球在0点正上方以速度v2水平发出后,恰好在最高点时越过球网落在球台的P2点(如图虚线所示),求V2的大小;
(3)若球在O点正上方水平发出后,球经反弹恰好越过球网且刚好落在对方球台边缘P3处,求发球点距0点的高度h3。
正确答案
解:
(1)设发球是飞行时间为t1,根据平抛运动
①
x1=v1t1 ②
解得 ③
(2)设发球高度为h2,飞行时间为t2,同理根据平抛运动
④
x2=v2t2 ⑤
且h2=h ⑥,2x2=L ⑦
得 ⑧
(3)如图所示,发球高度为h3,飞行时间为t3,同理根据平抛运动得
⑨
x3=v3t3 ⑩
且3x3=2L ⑾
设球从恰好越过球网到最高点的时间为t,水平距离为s,有
⑿
s=v3t ⒀
由几何关系知x3+s=L ⒁
联立⑨-⒁,解得
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