高考物理总复习对一道斜抛运动竞赛题解法的深入探讨
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动力学斜抛运动的解析动力学斜抛运动是物理学中的一个经典问题,主要研究斜抛物体在重力作用下的运动规律。
通过解析这一运动过程,我们可以更好地理解物体在空中的轨迹和速度变化,为相关领域的研究提供基础。
一、问题描述考虑一个质点从斜面A以一定初速度进行斜抛运动,以重力加速度g为10 m/s^2来描述。
斜面A与水平面之间的夹角为θ,初速度的方向与斜面A的法线方向夹角为α。
我们需要分析质点在斜抛过程中的运动轨迹及速度变化情况。
二、解析运动轨迹假设斜面A的高度为h,质点的水平位移为x,垂直位移为y。
根据运动学和几何关系可以得到以下结论:1. 水平位移x:质点的水平速度为v0*cosα,运动时间为t,则水平位移x =v0*cosα*t。
2. 垂直位移y:质点的垂直速度为v0*sinα,运动时间为t,则垂直位移y =v0*sinα*t - 1/2*g*t^2。
3. 两个方程联立求解:由于斜抛运动是由水平运动和垂直运动组成,我们可以将x和y坐标分离,并联立求解两个方程,解得t和x的关系。
4. 运动轨迹:将t和x的关系代入y的表达式中,可以得到质点的运动轨迹方程。
该方程为一个抛物线,其形状和大小取决于初始速度、斜面角度和高度差。
三、速度变化情况在动力学斜抛运动过程中,质点的速度不断变化。
我们可以分别对水平速度和垂直速度进行分析:1. 水平速度vx:由于质点在水平方向没有受到加速度的作用,水平速度vx保持恒定不变,即vx = v0*cosα。
2. 垂直速度vy:在垂直方向上,质点受到重力加速度的作用。
根据物理学的知识,我们知道垂直速度vy = v0*sinα - g*t。
这意味着vy会随时间的流逝而发生变化,初始速度的正负决定了运动方向。
3. 合速度v:合速度v是vx和vy的矢量和,可以根据勾股定理计算得到合速度的大小。
合速度的方向则取决于vx和vy的方向。
四、实例分析假设斜面A的高度为10米,斜面角度为30度,初始速度v0为20米/秒。
斜抛运动的极值问题例析斜抛运动由于其速度的不确定性,使其在运动过程中派生出许多的极值问题,比如射程和运动的对称性是斜抛运动常见的问题。
而物体在不同平面的斜抛其特点不同,对应的极值也各不同,现就物体在几种平面上斜抛运动时的极值问题进行分类说明。
(一)在水平面上的斜抛运动的极值问题例题1:在水平地面上以速度v 抛出一小球,v 的方向与水平面的夹角为θ,试确定θ为多大时,小球的射程最远?解:建立如图一所示的坐标系,把小球的运动看作是竖直方向的竖直上抛运动和水平方向的匀速直线运动的合运动。
则两速度的分量为:v x =v sin θ v y =v cos θ 小球在空中运动的时间为:t =2v y /g =2v cos θ/g则小球的射程X =v x t =v sin θ·2v cos θ/g =v 2sin 2θ/g由上式可知:当θ=45o 时,射程具有最大值。
最大射程为:X =v 2/g即要使物体以一定的速度在平面上有最大的射程的条件是:物体的抛射角为45o 。
(二)斜抛到上斜面的斜抛运动的极值问题例题2:如图二所示,倾角为θ的斜面光滑,自斜面上某处以速度v 沿与斜面夹角为Ф的方向向斜面上抛出一质点,设质点与斜面间的碰撞没有动能损失,斜面有足够长,要求质点最后仍能回到原出发点,Ф应满足什么条件?解析:整个运动过程中,质点的机械能守恒,显然,若质点能回到原出发点,则它沿斜面向上的运动和向下的运动应该是互相对称的,亦即质点沿斜面方向运动到其能达到的最高点后,它应沿“原路”返回。
这样,有两种情况都能满足这一要求。
一是质点最后一次与斜面相碰时,其速度方向刚好与斜面垂直,则其反弹起来的速度必与其碰前的速度大小相等而方向相反,这样,质点此后的运动将把其上升过程的运动“反演”一次,可回到原出发点。
二是质点最后一次与斜面相碰后,其反弹起来的速度恰沿竖直向上的方向,则质点弹起后作竖直上抛运动,当质点达到竖直上抛的顶点后,接着便会将此前的运动“反演”,也会回到原出发点。
高中物理:斜抛运动知识点总结斜抛物体的轨迹通常是水平和竖直两个方向上分解,以便于利用直角坐标系进行计算。
我们把初速度v0分解为水平方向上的分速度v x=v0cosθ和竖直方向上的初速度v y=v0sinθ,在水平方向上,物体不受力,做匀速直线运动,速度等于v x;在竖直方向上做竖直上抛运动,初速度等于v y。
把上图中闪光照片里斜抛的小球的位置跟左边和下边的两幅对照图比较,就可以看出斜抛运动是上述两个分运动的和运动。
射程与射高在斜抛运动中,从物体被抛出的地点到落地点的水平距离X叫做射程。
物体到达的最大高度Y叫做射高。
斜抛物体的射程与射高跟那些因素有关呢?用图所示的装置来做实验,可以看到,在喷水嘴方向不变(即抛射角不变)时,随着容器中水面的降低,喷出的水流速度减小,它的射程也随着降低。
如果在喷水过程中保持容器内水面的高度不变,喷出的水流速度也就不变。
改变喷水嘴的方向,可以看到,在抛射角小的时候,射程随着抛射角的增大而增大,当抛射角达到45°时,射程最大;继续增大抛射角,射程反而减小。
但是水流的射高一直是随抛射角的增大而增大的。
上面的讨论中我们没有考虑空气的阻力。
实际上,抛体运动总要受到空气阻力的影响。
在初速度比较小时,空气阻力可以忽略不计,但是在初速度很大时(例如射出的炮弹),空气的影响是很明显的,图中虚线是在理想的没有空气阻力的空间中炮弹飞行的轨迹;实线是以相同的初速度和抛射角射出的炮弹在空气中飞行的轨迹,这种曲线叫做弹道曲线。
可以看出,弹道曲线跟抛物线实际上有很大差别。
用20°角射出的初速度是600m/s的炮弹,假如没有空气阻力,射程可以达到24km,由于空气阻力的影响,实际射程只有7km,射高也减小了。
多种分解方式解答斜抛运动问题对于矢量,分解的方式是无穷多的。
在处理抛体运动问题时,选择不同的建立坐标方式,均可以解答出来,其中一些问题用恰当的建标方式可以很快解答出来。
下面以一道小球从斜面上斜抛并落在斜面的运动为例,看看不同的建标方式如何求解问题。
平抛专题练习一、物体的起点在斜面外,落点在斜面上1.求平抛时间1.以Vo=9.8m/s 的初速水平抛出一小球,小球垂直撞击倾角为30°的斜面,问小球在空中飞行了多少时间。
解:t=3s 2.求平抛初速度2.如图3,在倾角为37°的斜面底端的正上方H 处,平抛一小球,该小球垂直打在斜面上的一点,求小球抛出时的初速度。
解:3.质量为m 的小球以v 0的水平初速度从O 点抛出后,恰好击中斜角为θ的斜面上的A 点.如果A 点距斜面底边(即水平地面)的高度为h ,小球到达A 点时的速度方向恰好与斜面方向垂直,如图5-2-20,则以下正确的叙述为( )ABDA .可以确定小球到达A 点时,重力的功率;B .可以确定小球由O 到A 过程中,动能的改变C .可以确定小球从A 点反弹后落地至水平面的时间D .可以确定小球起抛点O 距斜面端点B 的水平距离 3.求平抛物体的落点4.如图5-14所示,斜面上有a 、b 、c 、d 四个点,ab =bc =cd点正上方O 点以速度v 水平抛出一个小球,它落在斜面上b 点,若小球从O 点以速度2v 水平抛出,不计空气阻力,则它落在斜面上的( A)A .b 与c 之间某一点B .c 点C .c 与d 之间某一点D .d 点二、物体的起点和落点均在斜面上此类问题的特点是物体的位移与水平方向的夹角即为斜面的倾角。
一般要从位移关系入手,根据位移中分运动和合运动的大小和方向(角度)关系进行求解。
1.求平抛初速度及时间5.如图,倾角为θ的斜面顶端,水平抛出一钢球,落到斜面底端,已知抛出点到落点间斜边长为L ,求抛出的初速度及时间?解:钢球下落高度:,∴飞行时间t =,水平飞行距离 ,初速度v 0==θθsin 2cos gl6.如图所示,从倾角为θ的斜面上的A 点以速度V 0平抛一个小球,小球落在斜面上的B 点.则小球从A 到B 的运动时间为 。
(gv θtan 20) 2.求平抛末速度及位移大小7.如图,从倾角为θ的斜面上的A 点,以初速度v 0,沿水平方向抛出一个小球,落在斜面上B 点。