知识讲解曲线运动复习与巩固基础.pdf

高中物理 高中物理 曲线运动复习与巩固 【学习目标】1 知道物体做曲线运动的条件及特点，会用牛顿定律对曲线运动条件做出分析。2了解合运动、分运动及其关系，特点。知道运动的合成和分解，理解合成和分解遵循平行四边形法则。3知道什么是抛体运动，理解平抛运动的特点和规律，熟练掌握分析平抛运动的方法。了解斜抛运动及其特点。4了解线速度、角速度、周期、频率、转速等概念。理解向心力及向心加速度。5能结合生活中的圆周运动实例熟练应用向心力和向心加速度处理问题。能正确处理竖直平面内的圆周运动。6知道什么是离心现象，了解其应用及危害。会分析相关现象的受力特点。【知识网络】【要点梳理】知识点一、曲线运动（1）曲线运动的速度方向 曲线运动的速度方向是曲线切线方向，其方向时刻在变化，所以曲线运动是变速运动，一定具有加速度。（2）曲线运动的处理方法 曲线运动大都可以看成为几个简单的运动的合运动，将其分解为简单的运动后，再按需要进行合成，便可以达到解决问题的目的。高中物理 高中物理（3）一些特别关注的问题 加速曲线运动、减速曲线运动和匀速率曲线运动的区别 加速曲线运动：速度方向与合外力（或加速度）的方向夹锐角 减速曲线运动：速度方向与合外力（或加速度）的方向夹钝角 匀速率曲线运动：速度方向与合外力（或加速度）的方向成直角 注意：匀速率曲线运动并不一定是圆周运动，即合外力的方向总是跟速度方向垂直，物体不一定做圆周运动。运动的合成和分解与力的合成和分解一样，是基于一种重要的物理思想：等效的思想。也就是说，将各个分运动合成后的合运动，必须与实际运动完全一样。运动的合成与分解是解决问题的手段 具体运动分解的方式要由解决问题方便而定，不是固定不变的。各个分运动的独立性是基于力的独立作用原理 也就是说，哪个方向上的受力情况和初始条件，决定哪个方向上的运动情况。知识点二、抛体运动（1）抛体运动的性质 所有的抛体运动都是匀变速运动，加速度是重力加速度。其中的平抛运动和斜抛运动是匀变速曲线运动。（2）平抛运动的处理方法 通常分解为水平方向上的匀速运动和竖直方向上的自由落体（或上抛运动或下抛运动）。（3）平抛运动的物体，其飞行时间仅由抛出点到落地点的高度决定，与抛出时的初速度大小无关。而斜抛物体的飞行时间、水平射程与抛出时的初速度的大小和方向都有关系。（4）运动规律及轨迹方程 规律：（按水平和竖直两个方向分解可得）水平方向：不受外力，以 v0为速度的匀速直线运动：xv tvvx00,竖直方向：竖直方向只受重力且初速度为零，做自由落体运动：ygtvgty122，平抛运动的轨迹：是一条抛物线2202xvgy 合速度：大小：22yxvvv，即vvgt022()，方向：v 与水平方向夹角为)(tan01vgta 合位移：大小：22yxS，即Sv tgt()()022212，方向：S 与水平方向夹角为)2(tan01vgt 一个关系：tan2tan，说明了经过一段时间后，物体位移的方向与该时刻合瞬时速度的方向不相同，速度的方向要陡一些。如图所示 高中物理 高中物理 知识点三、圆周运动（1）描写圆周运动的物理量 圆周运动是人们最熟悉的、应用最广泛的机械运动，它是非匀变速曲线运动。要理解描写它的各个物理量的意义：如线速度、角速度、周期、转速、向心加速度。速度方向的变化和向心加速度的产生是理解上的重点和关键。（2）注重理解圆周运动的动力学原因 圆周运动实际上是惯性运动和外力作用这一对矛盾的统一。（3）圆周运动的向心力 圆周运动的向心力可以是重力、万有引力、弹力、摩擦力以及电磁力等某种性质的力;可以是单独的一个力或几个力的合力，还可以认为是某个力的分力；向心力是按效果命名的；注意：匀速圆周运动和变速圆周运动的区别：匀速圆周运动的物体受到的合外力完全用来提供向心力，而在变速圆周运动中向心力是合外力的一个分量，合外力沿着切线方向的分量改变圆周运动速度的大小。（4）向心运动和离心运动 注意需要的向心力和提供的向心力之不同，如rmrvmF22向是质量为 m 的物体做圆周运动时需要向心力的大小；提供的向心力是实实在在的相互作用力。需要的向心力和提供的向心力之间的关系决定着物体的运动情况，即决定着物体是沿着圆周运动还是离心运动或者向心运动。向心运动和离心运动已经不是圆周运动，圆周运动的公式已经不再适用。（5）解决圆周运动的方法 解决圆周运动的方法就是解决动力学问题的一般方法，学习过程中要特别注意方法的迁移和圆周运动的特点。（6）一些特别关注的问题 同一个转动物体上的各点的角速度相同；皮带传动、链条传动以及齿轮传动时，各轮边缘上的点的线速度大小相等。这一结论对于解决圆周运动的运动学问题很有用处，要注意理解和应用。对于线速度与角速度关系的理解 公式rv vr avrr22，是一种瞬时对应关系，即某一时刻的线速度与这一时刻的角速度的关系，某一时刻的线速度、角速度与向心加速度的关系，适应于匀速圆周运动和变速圆周运动中的任意一个状态。一些临界状态 1)细线约束小球在竖直平面内的变速圆周运动 恰好做圆周运动时，在最高点处重力提供向心力，它的速度值vgR。2)轻杆约束小球在竖直平面内做变速圆周运动 a、最高点处的速度为零，小球恰好能在竖直面内做圆周运动，此时杆对小球提供支持力；高中物理 高中物理 b、在最高点处的速度是Rgv 时，轻杆对小球的作用力为零，只由重力提供向心力；球的速度大于这个速度时，杆对球提供拉力，球的速度小于这个速度时，杆对球提供支持力。3)在静摩擦力的约束下，物体在水平圆盘做圆周运动时：物体恰好要相对滑动，静摩擦力达到最大值的状态。此时物体的角速度rg（为最大静摩擦因数），可见临界角速度与物体质量无关，与它到转轴的距离有关。圆周运动瞬时变化的力 物体由直线轨道突然进入圆周轨道时，物体与轨道间的作用力会突然变化。物体在轨道上做变速圆周运动时，物体受到弹力的大小和它的速度的大小有一定的关系，在有摩擦力作用的轨道上，速度的变化往往会引起摩擦力的变化，应引起足够的注意。【典型例题】类型一、运动的合成和分解 例 1、(2015 连徐宿三模)学校组织“骑车投球”比赛，甲、乙两参赛者沿规定直轨道匀速骑行过程中，将手中网球沿垂直于骑行方向水平抛向地面上的塑料筐 O 中，如图，A 点是轨道上离框最近的点。甲以3m/s 的速度骑行，在 B 点将网球以速度 v 水平抛出，网球恰好落入筐中；乙以 4m/s 的速度骑行，要想将球投入筐中，乙参赛者应（不计空气阻力）（）A在到达 B 点之后将球抛出 B在到达 B 点之前将球抛出 C将球也以速度 v 水平抛出 D将球以大于 v 的速度水平抛出【答案】BC【解析】由题意可知，甲将网球沿垂直于骑行方向水平抛向地面上的塑料筐 O 中，而他骑 行的速度方向与抛出方向垂直；乙以同样的方式来抛，依据运动的合成与分解，两个相互垂 直方向上的运动相互不影响，所以乙还是以速度v水平抛出，由于乙的骑行速度大于甲的骑 行速度，所以乙在在到达 B 点之前将球抛出，故 BC 正确，AD 错误。故选：BC【点评】球的运动可分解为水平方向的匀速直线运动和垂直于水平方向的运动，这两个分运动独立进行，故垂直于水平方向的运动不受人骑车的速度影响，因此抛出球的速度不变。例 2、如图所示的塔吊臂上，有一可以沿水平方向运动的小车 A，小车下装有吊着物体 B 的吊钩，在小车 A 和物体 B 以相同的水平速度沿吊臂方向匀速运动的同时，吊钩将物体 B 向上吊起，A、B 之间的距离以)SI(tHd22（SI 表示国际单位制，式中 H 为吊臂离地面的高度）规律变化，则物体做（）O B A 高中物理 高中物理 A速度大小不变的曲线运动 B速度大小增加的曲线运动 C加速度大小方向均不变的曲线运动 D加速度大小方向均变化的曲线运动【思路点拨】弄清物体 B 在竖直方向上的确切运动情况是解决此题的关键所在。如何弄清 B 在竖直方向上的运动情况呢？不妨将 A、B 之间的距离22tHd做一下变换，变为22tdHy（y 是 B 物体离开地面向上运动的距离），将此式与初速度为零的匀加速直线运动的位移公式221aty 比较可见，物体 B 以 4m/s2的加速度向上做初速度为零的匀加速直线运动。【答案】BC【解析】物体 B 同时参与了两个运动：水平方向上的匀速直线运动：ax=0，vx 大小不变 竖直方向的匀变速直线运动：ay=4m/s2 ttavyy4 不难看出，物体 B 所做的运动类似于平抛运动，不同的是在竖直方向上所做的是向上的初速度为零匀加速直线运动，平抛运动是竖直向下的自由落体运动而已。所以选项 B、C 正确 类型二、平抛运动与牛顿第二定律 例 3、物块从光滑曲面上的 P 点自由下滑，通过粗糙的静止水平传送带以后落到地面上的 Q 点，若传送带的皮带轮沿逆时针方向转动起来，使传送带随之运动，如图所示，再把物块放到P点自由滑下，则（）A物块将仍然落在 Q 点 B物块将会落在 Q 点的左边 C物块将会落在 Q 点的右边 D物块有可能落不到地面上 【思路点拨】物体离开传送带之后做平抛运动，它落在何处取决于离开传送带时的速度，物体离开传送带时的速度又取决于它在传送带上的受力情况，因此分析物块在传送带上的受力情况是解决此题的关键所在。【答案】A【解析】传送带静止时，物块在传送带上受到的滑动摩擦力方向始终是向左的阻碍物体运动；当皮带轮逆时针方向转动时，传送带沿水平方向向左运动，物体相对于传送带的运动方向始终是向右的，也就是高中物理 高中物理 说，物体在此情况下受到的滑动摩擦力方向始终是向左的，与传送带静止时的受力情况是相同的。所以物体仍然落在 Q 点。类型三、平抛运动规律的运用 例 4、(2015 陕西三模)如图所示，在 M 点分别以不同的速度将两小球水平抛出两小球分别落在水平地面上的 P 点、Q 点已知 O 点是 M 点在地面上的竖直投影，OP：PQ=1：3，且不考虑空气阻力的影响下列说法中正确的是（）A 两小球的下落时间之比为 1：3 B 两小球的下落时间之比为 1：4 C 两小球的初速度大小之比为 1：3 D 两小球的初速度大小之比为 1：4【答案】D【解析】平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做自由落体运动，根据高度比较运动的时间，结合水平位移和时间求出初速度之比两球做平抛运动，高度相同，则下落的时间相同，故 A、B 错误由于两球的水平位移之比为 1：4，根据txv 0知，两小球的初速度大小之比为 1：4，故 C 错误，D 正确 举一反三【高清课程：曲线运动复习与巩固 例 1】【变式】水平抛出一个小球，经过一段时间球速与水平方向成 450角，再经过 1 秒球速与水平方向成600角，求小球的初速大小。【答案】0531vm/s 例 5、一个人站在阳台上，以相同的速率分别把三个球竖直上抛、竖直向下抛、水平抛出，若忽略空气阻力则它们落地时的速率（）A上抛球最大 B下抛球最大 C平抛球最小 D三球一样大【思路点拨】用匀变速运动的公式分别求出各个球落地时的速率进行比较。【答案】D【解析】设物体抛出点的高度是 h，落地时的速率是 v，根据匀变速运动的公式gyvv2202 物体做竖直上抛运动时加速度 a=g，位移是 y=h(通常以初速度的方向为正方向)，落地时的速率是：ghvv220；高中物理 高中物理 物体做竖直下抛运动是匀加速直线运动，a=g，位移是 y=h 代人公式gyvv2202，同样得到落地时速率ghvv220；平抛运动在竖直方向上是自由落体运动，ghvy22，物体水平抛出时：落地时的速率ghvvvvyx22022。综上可见，三球落地时的速率相等，选项 D 正确。【总结升华】抛体运动都是匀变速运动，使用匀变速运动的公式时，要注意公式的矢量性。举一反三【变式】甲、乙两人在一幢楼的三楼窗口比赛掷垒球，他们都尽力掷出同样的垒球，不计空气阻力。甲掷出的水平距离正好是乙的两倍。若乙要想水平掷出相当于甲在三楼窗口掷出的距离，则乙应（）A在 5 楼窗口水平掷出 B在 6 楼窗口水平掷出 C在 9 楼窗口水平掷出 D在 12 楼窗口水平掷出 【思路点拨】运用平抛运动的射程并注意到不同楼层的高度关系，问题得到解决。【答案】C【解析】由平抛运动的规律221gty vtx 垒球落地的水平距离是gyvvtx2 设每一层楼的高度是 h，当甲、乙分别从三楼抛出时，2 2hxvg甲甲 2 2hxvg乙乙 乙甲xx2 解得乙甲vv2 如乙在更高的楼层是抛出垒球且与甲的水平位移相同，则gHvx2乙甲 将此式与2 2hxvg甲甲比较可得8Hh，即乙需要从第 9 层楼上抛出垒球。类型四、圆周运动中的临界问题 例 6、如图所示，轻质棒一端固定有质量为 m 的小球，棒长为 R，今以棒的另一端 O 为圆心，使之在竖直平面内做圆周运动，那么当球至最高点，时，小球对棒的作用力为零；时，小球对棒的压力为12mg；时，小球对棒的拉力为12mg。【答案】gRgRgR，232。【解析】在最高点如果小球对棒作用力为零。小球做圆周运动向心力由重力充当，有：高中物理 高中物理 ，Rmmg21解得：1gR 在最高点小球对棒压力为12mg时，有：mgmgmR1222，解得：Rg22 在最高点小球对棒拉力为12mg时，有：mgmgmR1232，解得：332gR 【总结升华】（1）这类题要注意杆与轻绳的区别：杆能产生拉力和支持力，而绳子只能产生拉力。（2）用轻杆约束物体在圆周运动的最高点时，速率为零是是否能做圆周运动的临界状态，轻杆受力为零是轻杆受到拉力还是受到压力的临界状态，要注意区分。类型五、圆周运动中的动力学问题 例 7、一只光滑的碗水平放置，其内放一小球，开始小球相对静止于碗底，如图所示，则下列哪些情况能使碗对小球的支持力大于小球的重力（）A碗竖直向上加速运动；B碗竖直向下加速运动 C碗由匀速向左运动突然变成减速运动的瞬间 D碗由匀速向左运动突然变为静止的瞬间 【答案】AD【解析】A、B、C、D 四个选项所设置的四种情况下，小球均处在碗底，所以都是只受到重力 G 及支持力 N 的作用。当碗竖直向上加速运动时，小球也有向上加速度。所以，小球所受合外力向上，A 正确。同理，当碗向下加速运动时，小球所受合外力向下，所以 N G，故 D 正确。类型六、平抛运动的的实验 例 8、（2016 荆州市监利中学高三期中考试）小球 A 由斜槽滚下，从桌边水平抛出，当它恰好离开桌边缘时小球 B 从同样高度处自由下落，频闪照相仪拍到了口球下落过程的四个位置和 A 球的第 1、3、4个位置，如图所示。已知背景的方格纸每小格的边长为 2.4 cm，频闪照相仪的闪光频率为 10 Hz。高中物理 高中物理 （1）请在图中标出 A 球的第 2 个位置；（2）利用这张照片求出当地的重力加速度大小；（3）A 球离开桌边时的速度大小。【解析】（1）平抛运动在竖直方向上做自由落体运动，所以相同时刻 A 球与 B 球等高，水平方向上相等时间内的位移相等，所以 2、3 两个位置的水平位移和 3、4 两个位置的水平位移相等，如图所示：（2）根据y=4L=gT2，解得2244 0.0249.6m/s0.1LgT （3）小球离开桌边时的速度033 0.024m/s0.72m/s0.1LvT【点评】平抛运动在水平方向做匀速直线运动，竖直方向做自由落体运动，据该规律运用运动学方式即可求解。举一反三【高清课程：曲线运动复习与巩固 例 4】【变式】如图为平抛运动轨迹的一部分，已知条件如图所示。求：v0和 vb 【答案】021svhhg 22212144bgsg(hh)vh（-h）例 9、如图所示，用闪光照相探究平抛物体的运动规律时，拍摄的两个物体分别做自由落体运动和平抛运动在不同时刻位置的一副照片。照片中同一时刻，自由落体运动小球的位置和平抛运动小球的位置之连线，与自由落体小球的轨迹不垂直。（1）试分析造成这种现象可能的原因是什么？（2）如果各连线与自由落体小球的轨迹垂直，你能根据这副照片对小球在水平方向是否做匀速直线运动做出判断吗？高中物理 高中物理 【解析】（1）两个小球没有同时运动，做自由落体运动的小球先于平抛运动的小球开始运动。或者，做平抛运动的小球其初速度不水平，略微向上倾斜。（2）能做出判断。因为闪光照相的时间间隔是相等的，即小球在相邻两个位置之间运动的时间是相等的，如果相邻两个小球之间的水平距离都相等，则说明做平抛运动的小球在水平方向做匀速直线运动。