- 曲线运动
- 共20011题
物理和数学是紧密联系的两个学科,应用物理模型的方法可以解决相关的数学问题.图为y=-
的抛物线,从数学的角度上看,曲线上某点的曲率圆半径,就是在曲线上取包含该点在内的一段弧,当这段弧极小时,可以把它看做是某个“圆“的弧,则此圆的半径就是曲线在该点的曲率半径.而从物理模型的角度来说,可以用运动轨迹和抛物线重合的某种运动来进行研究,只要找出物体运动至某点时与速度方向垂直的合外力(即提供此点的向心力),利用向心力公式求解得出的半径即此点的曲率半径.现取图中x≥0的区域进行研究,问:
(1)你将以何种运动模型来研究此曲线的曲率半径?并以你选定运动模型计算说明出发点(即坐标原点)的速度和加速度的大小和方向?
(2)以你选定运动模型及相应的初速度和加速度,请你计算一下坐标为(40,-20)点的速度的大小和方向.
(3)以你选定运动模型及相应的初速度和加速度,请你计算一下坐标为(40,-20)点的曲率半径r为多少?
正确答案
解:(1)类平抛运动或平抛运动.(a可取任意值,答案无数种.)
x=40=v0t
得:t=2s,v0=20m/s,方向水平向右,
a=g=10m/s2,方向竖直向下.
(2)vy=gt=20m/s
=
=
=
.即方向与水平成45度角斜向下.
(3)
得:=
=
答:(1)以类平抛运动或平抛运动模型来研究此曲线的曲率半径;
出发点(即坐标原点)的速度为20m/s,方向水平向右,
加速度g=10m/s2,方向竖直向下.
(2)坐标为(40,-20)点的速度的大小为,方向与水平成45度角斜向下.
(3)坐标为(40,-20)点的曲率半径r为.
解析
解:(1)类平抛运动或平抛运动.(a可取任意值,答案无数种.)
x=40=v0t
得:t=2s,v0=20m/s,方向水平向右,
a=g=10m/s2,方向竖直向下.
(2)vy=gt=20m/s
=
=
=
.即方向与水平成45度角斜向下.
(3)
得:=
=
答:(1)以类平抛运动或平抛运动模型来研究此曲线的曲率半径;
出发点(即坐标原点)的速度为20m/s,方向水平向右,
加速度g=10m/s2,方向竖直向下.
(2)坐标为(40,-20)点的速度的大小为,方向与水平成45度角斜向下.
(3)坐标为(40,-20)点的曲率半径r为.
从同一高度以相同的速率抛出三个小球,一个竖直上抛,一个竖直下抛,它们分别经过8s和1s落地.如果第三个小球是被水平抛出去的,它将经过多长时间落地?它和前两个小球的落地点相距多远?(取g=10m/s2)
正确答案
解:由题意可知,竖直上抛运动的物体,要经历竖直上抛、自由落体回到出发点时的速度大小不变;与竖直下抛物体的运动相同;
故竖直上抛运动由起点再落回起点用时为:t==3.5s;
则抛出速度为:v=gt=10×3.5=35m/s;
则抛出点的高度为:h=35×1+=40m;
由h=可知平抛运动物体下落时间为:t2=
=
=2
s;
飞行的水平位移为:x=vt2=35×=70
m;
答:它将经过2s时间落地;它和前两个小球的落地点相距70
m;
解析
解:由题意可知,竖直上抛运动的物体,要经历竖直上抛、自由落体回到出发点时的速度大小不变;与竖直下抛物体的运动相同;
故竖直上抛运动由起点再落回起点用时为:t==3.5s;
则抛出速度为:v=gt=10×3.5=35m/s;
则抛出点的高度为:h=35×1+=40m;
由h=可知平抛运动物体下落时间为:t2=
=
=2
s;
飞行的水平位移为:x=vt2=35×=70
m;
答:它将经过2s时间落地;它和前两个小球的落地点相距70
m;
平抛运动与斜抛运动有哪些不同?有哪些相同之处?
正确答案
解:相同点:都只受重力,加速度为g,方向竖直向下,做匀变速曲线运动.
不同点:初速度的方向不同,
平抛运动在竖直方向上做自由落体运动,斜抛运动在竖直方向上先向上做匀减速直线运动,然后做自由落体运动.
故答案为:相同点:都只受重力,加速度为g,方向竖直向下,做匀变速曲线运动.
不同点:初速度的方向不同,
平抛运动在竖直方向上做自由落体运动,斜抛运动在竖直方向上先向上做匀减速直线运动,然后做自由落体运动.
解析
解:相同点:都只受重力,加速度为g,方向竖直向下,做匀变速曲线运动.
不同点:初速度的方向不同,
平抛运动在竖直方向上做自由落体运动,斜抛运动在竖直方向上先向上做匀减速直线运动,然后做自由落体运动.
故答案为:相同点:都只受重力,加速度为g,方向竖直向下,做匀变速曲线运动.
不同点:初速度的方向不同,
平抛运动在竖直方向上做自由落体运动,斜抛运动在竖直方向上先向上做匀减速直线运动,然后做自由落体运动.
将物体由h=5m高处以初速度v0=10m/s斜向上抛出,不计空气阻力,g取10m/s2.求物体落地时的速度大小.
正确答案
解:将物体由h=5m高处以初速度v0=10m/s斜向上抛出,不计空气阻力,只有重力做功,根据动能定理,有:
mgh=
解得:
v==
=10
m/s;
答:物体落地时的速度大小为10m/s.
解析
解:将物体由h=5m高处以初速度v0=10m/s斜向上抛出,不计空气阻力,只有重力做功,根据动能定理,有:
mgh=
解得:
v==
=10
m/s;
答:物体落地时的速度大小为10m/s.
如图所示,以v0=10m/s2的初速度与水平方向成30°角抛出一个质量m=2kg的小球.忽略空气阻力的作用,g取10m/s2.求抛出后第2s末小球速度的大小.
正确答案
解:将小球的运动沿着水平和竖直方向正交分解,水平分运动速度:
竖直分运动是竖直上抛运动,初速度为:
抛出后第2s末小球速度的水平分量为:
抛出后第2s末小球速度的竖直分量为:
vy=v0y-gt=5-10×2=-15m/s
故合速度为:
m/s
答:抛出后第2s末小球速度的大小为10m/s.
解析
解:将小球的运动沿着水平和竖直方向正交分解,水平分运动速度:
竖直分运动是竖直上抛运动,初速度为:
抛出后第2s末小球速度的水平分量为:
抛出后第2s末小球速度的竖直分量为:
vy=v0y-gt=5-10×2=-15m/s
故合速度为:
m/s
答:抛出后第2s末小球速度的大小为10m/s.
炮兵由山顶向海上目际射击.发现同一门炮以仰角α1和α2发射相同炮弹.都能准确命中海面上位置不变的同一个靶标.已知这种炮弹的初速度为v0.求此山的海拨高度.
正确答案
解:当仰角为α1时,竖直分速度为:vy1=v0sinα1,上升的最大高度为:,
设山的海拔高度为h,则炮弹的运动时间为:
t1==
+
,
同理仰角为α2时,炮弹的运动时间为:
,
两种仰角的水平位移相等,有:v0cosα1t1=v0cosα2t2,
联立解得:h=.
答:山的海拨高度为.
解析
解:当仰角为α1时,竖直分速度为:vy1=v0sinα1,上升的最大高度为:,
设山的海拔高度为h,则炮弹的运动时间为:
t1==
+
,
同理仰角为α2时,炮弹的运动时间为:
,
两种仰角的水平位移相等,有:v0cosα1t1=v0cosα2t2,
联立解得:h=.
答:山的海拨高度为.
如图所示,在水平面内,有两个竖直的光滑墙面A和B,相距为d,一小球以初速v0从墙之间的O点斜向上抛出,与A和B各发生一次碰撞后正好落回抛出点,求小球的抛射角(设球与墙壁的碰撞是弹性碰撞).
正确答案
解:小球竖直分运动是竖直上抛运动,水平分运动是匀速率的直线运动,故:
y==0
x=v0cosθ•t=2d
联立解得:
t=(t=0不合实际舍去)
2sinθcosθ==sin2θ
故θ=arcsin
;
答:小球的抛射角为arcsin
.
解析
解:小球竖直分运动是竖直上抛运动,水平分运动是匀速率的直线运动,故:
y==0
x=v0cosθ•t=2d
联立解得:
t=(t=0不合实际舍去)
2sinθcosθ==sin2θ
故θ=arcsin
;
答:小球的抛射角为arcsin
.
小明同学把一小球斜向上抛出,抛射角α=60°,发现当t=1s时,小球仍斜向上运动,但速度方向变为与水平方向成β=45°角,不计空气阻力,重力加速度g=10m/s2,求:
(1)小球被抛出时的初速度大小v0.
(2)小球抛出后到达最高点的时间t.
正确答案
解:(1)设抛出时的速度为v0,在抛出时竖直方向的速度为vy1=v0sin60°,水平方向的速度为vx=v0cos60°;
1s后竖直方向的速度为vy2=vy1-gt,则vy2=vx
联立解得m/s
(2)抛出时小球在竖直方向的速度为m/s
减速所需时间为t=s
答:(1)小球被抛出时的初速度大小v0为
(2)小球抛出后到达最高点的时间t为s
解析
解:(1)设抛出时的速度为v0,在抛出时竖直方向的速度为vy1=v0sin60°,水平方向的速度为vx=v0cos60°;
1s后竖直方向的速度为vy2=vy1-gt,则vy2=vx
联立解得m/s
(2)抛出时小球在竖直方向的速度为m/s
减速所需时间为t=s
答:(1)小球被抛出时的初速度大小v0为
(2)小球抛出后到达最高点的时间t为s
在水平地面某处,以相同的速率v0用不同的抛射角分别抛射两个小球A和B,它们的射程相同.已知小球A在空中运行的时间为TA,求小球B在空中运行的时间TB.重力加速度大小为g,不考虑空气阻力.
正确答案
解:取抛射点为坐标原点,水平和竖直方向为x、y轴,建立坐标系,对于任何抛射小球有:
x=v0cosθ×t①
y=v0sinθ×t-②
故小球运动轨迹方程为:y=xtanθ-③
当y=0时,解出x即为水平射程,故x=④
小球运动时间T==
⑤
由于两个小球A和B的射程相同,故有:
sin2θA=sin2θB⑥
故2θA=π-2θB⑦
由⑤得:⑧
⑨
由⑦⑧⑨可得,
答:小球B在空中运行的时间为
解析
解:取抛射点为坐标原点,水平和竖直方向为x、y轴,建立坐标系,对于任何抛射小球有:
x=v0cosθ×t①
y=v0sinθ×t-②
故小球运动轨迹方程为:y=xtanθ-③
当y=0时,解出x即为水平射程,故x=④
小球运动时间T==
⑤
由于两个小球A和B的射程相同,故有:
sin2θA=sin2θB⑥
故2θA=π-2θB⑦
由⑤得:⑧
⑨
由⑦⑧⑨可得,
答:小球B在空中运行的时间为
有一小球,从高度(离地面)h=1.80m,以角度(与水平夹角)θ=45°,v0=10m/s抛出.(忽略空气阻力,g=10m/s2)求:
(1)小球达到的最大高度H.(离地面)
(2)小球落到地面的时间t.
正确答案
解:小球做斜抛运动,可分解为水平方向的匀速直线运动,和竖直上抛运动,
将速度沿水平和竖直方向分解可得:
竖直方向:vy0=v0sinθ==
m/s
水平方向:vx0=v0cosθ==
(1)小球竖直上抛高度h=
=2.5m
故小球达到的最大高度:H=h+h′=1.8+2.5=4.3m
(2)小球达到最大高度后,运动时间t′==
=
之后受重力作用自由落体,
故下落时间:t==
≈0.93s
故小球总运动时间t总=t+t′=1.64s
答:(1)小球达到的最大高度为4.3m(2)小球落到地面的时间为1.64s.
解析
解:小球做斜抛运动,可分解为水平方向的匀速直线运动,和竖直上抛运动,
将速度沿水平和竖直方向分解可得:
竖直方向:vy0=v0sinθ==
m/s
水平方向:vx0=v0cosθ==
(1)小球竖直上抛高度h=
=2.5m
故小球达到的最大高度:H=h+h′=1.8+2.5=4.3m
(2)小球达到最大高度后,运动时间t′==
=
之后受重力作用自由落体,
故下落时间:t==
≈0.93s
故小球总运动时间t总=t+t′=1.64s
答:(1)小球达到的最大高度为4.3m(2)小球落到地面的时间为1.64s.
壮壮和高高都报名参加了学校的铅球比赛项目.在比赛前,小智听到了他们以下讨论:
壮壮自豪地说:“我的力气比较大,扔出去的速度也大.所以我扔出去的铅球比你远.”
高高不服地说:“虽然我的力气比你小,扔出去的速度不如你.但我个子比你高,我比你要扔的远.”
(假设壮壮和高高扔铅球的方式都是将铅球水平推出的.)
(1)如果你是小智,请从物理的角度回答,铅球的远近与哪些因素有关?(不必写理由)
(2)如果高高比赛过程中能将铅球扔到8.4m的地方,且高高将铅球扔出去时的速度是14m/s,则高高扔铅球时,铅球离地多高?
正确答案
解:(1)铅球扔出前的高度和铅球刚刚扔出时的速度
(2)x=vxt
t=
抛出时的高度为h=
答:(1)铅球的远近与铅球扔出前的高度和铅球刚刚扔出时的速度有关;
(2)高高扔铅球时,铅球离地1.8m.
解析
解:(1)铅球扔出前的高度和铅球刚刚扔出时的速度
(2)x=vxt
t=
抛出时的高度为h=
答:(1)铅球的远近与铅球扔出前的高度和铅球刚刚扔出时的速度有关;
(2)高高扔铅球时,铅球离地1.8m.
某人站在15m的阳台上,同时以10m/s的速率抛出两个小球,其中A球竖直上抛,B球竖直下抛,不计空气阻力,g=10m/s2.求:
(1)经过多少时间,B球位移大小为5m;
(2)经过多少时间,A球位移大小为5m;
(3)它们落地的时间差为△t.
正确答案
解:(1)对于A球,取竖直向上为正方向.
若A球在抛出点上方,则位移为 x=5m,由位移公式得 x=v0tA-gtA2;
代入得:5=10tA-5tA2,解得 tA=1s
若A球在抛出点下方,则位移为 x=-5m,由位移公式得 x=v0tA-gtA2;
代入得:-5=10tA-5tA2,解得 tA=(1+)s
(2)对于B球,由位移公式得 x=v0tB+gtB2;
代入得:5=10tB+5tB2,解得 tB=1s.
(3)根据对称性可知,竖直上抛小球返回抛出点时速度大小相等、方向相反,则知,两个小球在空中运动的时间差等于竖直上抛小球返回于抛出点和最高点的总时间,为:
△t==
s=2s
答:(1)经过1s或(1+)s时间,B球位移大小为5m;
(2)经过1s时间,A球位移大小为5m;
(3)它们落地的时间差△t为2s.
解析
解:(1)对于A球,取竖直向上为正方向.
若A球在抛出点上方,则位移为 x=5m,由位移公式得 x=v0tA-gtA2;
代入得:5=10tA-5tA2,解得 tA=1s
若A球在抛出点下方,则位移为 x=-5m,由位移公式得 x=v0tA-gtA2;
代入得:-5=10tA-5tA2,解得 tA=(1+)s
(2)对于B球,由位移公式得 x=v0tB+gtB2;
代入得:5=10tB+5tB2,解得 tB=1s.
(3)根据对称性可知,竖直上抛小球返回抛出点时速度大小相等、方向相反,则知,两个小球在空中运动的时间差等于竖直上抛小球返回于抛出点和最高点的总时间,为:
△t==
s=2s
答:(1)经过1s或(1+)s时间,B球位移大小为5m;
(2)经过1s时间,A球位移大小为5m;
(3)它们落地的时间差△t为2s.
A、B两小球同时从距地面高为h=20m处的同一点抛出,初速度大小均为V0=15m/s.A球竖直向下抛出,B球水平抛出,空气阻力不计,重力加速度取g=l0m/s2.求:
(1)A球经多长时间落地?
(2)A、B两球着地点间的水平距离是多少?
正确答案
解:(1)A球做竖直下抛运动:
h=v0t+gt2
将h=20m,v0=15m/s代入,可得:t=1s
即A球经1s时间落地.
(2)B球做平抛运动:
x=v0t′
y=
将v0=15m/s,h=20m代入,可得:
x=30m
t′=2s
此时A、B两球着地点间的水平距离是:
L=x=30m.
答:(1)A球经1s时间落地;
(2)A、B两球着地点间的水平距离是30m.
解析
解:(1)A球做竖直下抛运动:
h=v0t+gt2
将h=20m,v0=15m/s代入,可得:t=1s
即A球经1s时间落地.
(2)B球做平抛运动:
x=v0t′
y=
将v0=15m/s,h=20m代入,可得:
x=30m
t′=2s
此时A、B两球着地点间的水平距离是:
L=x=30m.
答:(1)A球经1s时间落地;
(2)A、B两球着地点间的水平距离是30m.
一小球以10米/秒的初速度,以60°的抛射角斜向上抛出,试求:
(1)小球在最高点时的切向加速度和法向加速度?此时的轨道曲率半径是多少?
(2)小球下落到与抛出点同一水平面时,它的切向加速度与法向加速度是多少?此时轨道的曲率半径是多少?
正确答案
解:(1)小球做斜抛运动,只在竖直方向受重力,故小球在最高点时的切向加速度为0,法向加速度为g,
在最高点的速度为v=v0cos60°=5m/s,根据可得R=
(2)根据做斜抛运动的对称性可知,落地时的速度与水平面的夹角为60°,速度为10m/s,根据加速度的分解可知法相加速度为:
切向加速度
根据得R=
答:(1)小球在最高点时的切向加速度和法向加速度分别为0和g,此时的轨道曲率半径是2.5m
(2)小球下落到与抛出点同一水平面时,它的切向加速度与法向加速度分别是和5m/s2,此时轨道的曲率半径是,20m
解析
解:(1)小球做斜抛运动,只在竖直方向受重力,故小球在最高点时的切向加速度为0,法向加速度为g,
在最高点的速度为v=v0cos60°=5m/s,根据可得R=
(2)根据做斜抛运动的对称性可知,落地时的速度与水平面的夹角为60°,速度为10m/s,根据加速度的分解可知法相加速度为:
切向加速度
根据得R=
答:(1)小球在最高点时的切向加速度和法向加速度分别为0和g,此时的轨道曲率半径是2.5m
(2)小球下落到与抛出点同一水平面时,它的切向加速度与法向加速度分别是和5m/s2,此时轨道的曲率半径是,20m
在地面上某一高度处将球以初速度水平抛出,同时在球正下方地面处将球以初速度斜向上抛出,结果两球在空中相遇,不计空气阻力,则两球从抛出到相遇过程中,
(1)A和B初速度的大小关系为v1______v2。(填>或<或=)
(2)A和B的速度变化______。(填不同或相同)
正确答案
(1)<
(2)相同
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