【物理】2019届二轮复习运动的合成与分解　平抛运动学案（全国通用） 22页

‎2019届二轮复习 运动的合成与分解　平抛运动 学案（全国通用）‎ ‎1．掌握曲线运动的概念、特点及条件。‎ ‎2．掌握运动的合成与分解法则。‎ ‎3．掌握平抛运动的特点和性质。‎ ‎4．掌握研究平抛运动的方法，并能应用解题。‎ 热点题型一 合运动的性质和轨迹 ‎ 例1、（2018年江苏卷）某弹射管每次弹出的小球速度相等．在沿光滑竖直轨道自由下落过程中，该弹射管保持水平，先后弹出两只小球．忽略空气阻力，两只小球落到水平地面的（ ）‎ A. 时刻相同，地点相同 B. 时刻相同，地点不同 C. 时刻不同，地点相同 D. 时刻不同，地点不同 ‎【答案】B ‎【变式探究】 (多选)如图所示的直角三角板紧贴在固定的刻度尺上方，若使三角板沿刻度尺向右匀速运动的同时，一支铅笔从三角板直角边的最下端，由静止开始沿此边向上做匀加速直线运动，下列关于铅笔尖的运动及其留下的痕迹的判断，其中正确的有 (　　)‎ A．笔尖留下的痕迹是一条抛物线 B．笔尖留下的痕迹是一条倾斜的直线 C．在运动过程中，笔尖的速度方向始终保持不变 D．在运动过程中，笔尖的加速度方向始终保持不变 ‎ ‎ 答案：(1)匀速直线运动　初速度为零的匀加速直线运动 ‎(2)笔尖做匀变速曲线运动，其轨迹是抛物线。‎ 答案：AD ‎【提分秘籍】‎ ‎1.运动类型的判断 ‎(1)判断物体是否做匀变速运动，要分析合力是否为恒力。‎ ‎(2)判断物体是否做曲线运动，要分析合力方向是否与速度方向成一定夹角。‎ ‎①当合力方向与速度方向的夹角为锐角时，物体的速率增大；‎ ‎②当合力方向与速度方向的夹角为钝角时，物体的速率减小；‎ ‎③当合力方向与速度方向垂直时，物体的速率不变。‎ ‎2．合运动的性质和轨迹的判断 合运动的性质和轨迹，由两个分运动的性质及合初速度与合加速度的方向关系决定。‎ ‎(1)根据加速度判定合运动的性质：若合加速度不变，则为匀变速运动；若合加速度(大小或方向)变化，则为非匀变速运动。‎ ‎(2)根据合加速度的方向与合初速度的方向判定合运动的轨迹：若合加速度的方向与合初速度的方向在同一直线上则为直线运动，否则为曲线运动。‎ ‎(3)合力(或合加速度)方向与轨迹的关系 物体做曲线运动的轨迹一定夹在合力(或合加速度)方向和速度方向之间，速度方向与轨迹相切，合力(‎ 或合加速度)方向指向曲线的凹侧。 ‎ ‎【举一反三】 ‎ 如图所示，细绳一端固定在天花板上的O点，另一端穿过一张CD光盘的中央小孔后拴着一个橡胶球，橡胶球静止时，竖直悬线刚好挨着水平桌面的边沿。现将CD光盘按在桌面上，并沿桌面边缘以速度v匀速移动，移动过程中，CD光盘中央小孔始终紧挨桌面边线，当悬线与竖直方向的夹角为θ时，小球上升的速度大小为 (　　)‎ A．vsinθ　　　　　　　B．vcosθ C．vtanθ D．vcotθ 答案：A ‎ 热点题型二 运动的合成与分解 ‎ 例2、（2018年天津卷）滑雪运动深受人民群众喜爱，某滑雪运动员（可视为质点）由坡道进入竖直面内的圆弧形滑道AB，从滑道的A点滑行到最低点B的过程中，由于摩擦力的存在，运动员的速率不变，则运动员沿AB下滑过程中 A. 所受合外力始终为零 B. 所受摩擦力大小不变 C. 合外力做功一定为零 D. 机械能始终保持不变 ‎【答案】C ‎【变式探究】如图所示，在一次抗洪救灾工作中，一架离水面高为h，沿水平直线飞行的直升机A，用悬索(重力可忽略不计)救护困在湖水中的伤员B，在直升机A和伤员B以相同的水平速率匀速运动的同时，悬索将伤员吊起。设经t时间后，A、B之间的距离为l，且l＝h－2t2。在这段时间内关于伤员B的受力情况和运动轨迹正确的是图中的 (　　)‎ 解析：由l＝h－2t2可知B在竖直方向为匀加速直线运动，悬索拉力大于重力，在水平方向为匀速直线运动，故运动轨迹为曲线，且向上弯曲，选项A正确。 ‎ 热点题型四 小船渡河模型 ‎ 例4、河宽l＝‎300m，水速u＝‎1m/s，船在静水中的速度v＝‎3m/s，欲分别按下列要求过河时，船头应与河岸成多大角度？过河时间是多少？ ‎ ‎(1)以最短时间过河；‎ ‎(2)以最小位移过河；‎ ‎(3)到达正对岸上游‎100m处。‎ 答案：见解析 ‎【方法归纳】求解小船渡河问题的方法 ‎ 求解小船渡河问题有两类：一是求渡河时间，二是求渡河位移。无论哪类都必须明确以下四点： ‎ ‎(1)解决这类问题的关键：正确区分分运动和合运动，船的航行方向也就是船头指向，是分运动。船的运动方向也就是船的实际运动方向，是合运动，一般情况下与船头指向不一致。 ‎ ‎(2)运动分解的基本方法，按实际效果分解，一般用平行四边形定则按水流方向和船头指向分解。‎ ‎(3)渡河时间只与垂直河岸的船的分速度有关，与水流速度无关。 ‎ ‎(4)求最短渡河位移时，根据船速v船与水流速度v水的情况用三角形法则求极限的方法处理。‎ ‎【提分秘籍】‎ 小船渡河模型的特点：‎ ‎1．船的实际运动是水流的运动和船相对静水的运动的合运动。‎ ‎2．三种速度：船在静水中的速度v1、水的流速v2、船的实际速度v。‎ ‎3．三种情景。‎ ‎(1)过河时间最短：船头正对河岸，渡河时间最短，t短＝(d为河宽)。‎ ‎(2)过河路径最短(v2v1时)：合速度不可能垂直于河岸，无法垂直河岸渡河。确定方法如下：如图所示，以v2矢量末端为圆心，以v1矢量的大小为半径画弧，从v2矢量的始端向圆弧作切线，则合速度沿此切线方向航程最短。由图可知sinθ＝，最短航程x短＝＝d。‎ ‎【举一反三】 ‎ 有甲、乙两只船，它们在静水中航行速度分别为v1和v2，现在两船从同一渡口向河对岸开去，已知甲船想用最短时间渡河，乙船想以最短航程渡河，结果两船抵达对岸的地点恰好相同。则甲、乙两船渡河所用时间之比为 (　　)‎ A. B. C. D. 答案：C 解析：当v1与河岸垂直时，甲船渡河时间最短；乙船船头斜向上游开去，才有可能航程最短，由于甲、乙两只船到达对岸的地点相同(此地点并不在河正对岸)，可见乙船在静水中速度v2比水的流速v0要小，要满足题意，则如图所示。由图可得＝·sinθ ①‎ cosθ＝ ②‎ tanθ＝ ③‎ 由②③式得＝sinθ，‎ 将此式代入①式得＝。‎ 热点题型五 平抛运动的基本规律 例5、【2017·新课标Ⅰ卷】发球机从同一高度向正前方依次水平射出两个速度不同的乒乓球（忽略空气的影响）。速度较大的球越过球网，速度较小的球没有越过球网；其原因是 A．速度较小的球下降相同距离所用的时间较多 B．速度较小的球在下降相同距离时在竖直方向上的速度较大 C．速度较大的球通过同一水平距离所用的时间较少 D．速度较大的球在相同时间间隔内下降的距离较大 ‎【答案】C 如图所示，从某高度水平抛出一小球，经过时间t到达地面时，速度与水平方向的夹角为θ，不计空气阻力，重力加速度为g。下列说法正确的是 (　　)‎ A．小球水平抛出时的初速度大小为gttanθ B．小球在t时间内的位移方向与水平方向的夹角为 C．若小球初速度增大，则平抛运动的时间变长 D．若小球初速度增大，则θ减小 解析：落地时竖直方向上的速度vy＝gt.因为速度方向与水平方向的夹角为θ，所以落地的速度大小v＝＝，小球的初速度v0＝＝，A错误．速度与水平方向夹角的正切值tanθ＝＝，位移与水平方向夹角的正切值tanα＝＝，tanθ＝2tanα，但α≠，故B错误。平抛运动的时间由高度决定，与初速度无关，故C错误．由于tanθ＝＝，若小球初速度增大，则θ减小，D正确。‎ 答案：D ‎【得分秘籍】平抛运动的两个重要推论 ‎(1)做平抛运动的物体任一时刻的瞬时速度的反向延长线一定通过此时水平位移的中点，如图甲中A点和B点所示。其推导过程为tanθ＝＝＝。‎ ‎(2)做平抛运动的物体在任一时刻任一位置处，设其速度方向与水平方向的夹角为θ，位移与水平方向的夹角为α，则tanθ＝2tanα。如图乙所示。其推导过程为tanθ＝＝＝＝2tanα。‎ ‎【举一反三】‎ 如图所示，在距水平地面H和4H高度处，同时将质量相同的a、b两小球以相同的初速度v0水平抛出，则以下判断正确的是 (　　)‎ A．a、b两小球同时落地 B．两小球落地速度方向相同 C．a、b两小球水平位移之比为1∶2‎ D．a、b两小球水平位移之比为1∶4‎ 答案：C 解析：由H＝gt，4H＝gt可得：tb＝2ta，A错误；由x＝v0t可知，xa∶xb＝1∶2，C正确，D错误；设落地时速度与水平方向夹角为θ，则由tanθ＝可知，tanθa∶tanθb＝1∶2，θa≠θb，B错误。‎ 热点题型六 类平抛运动 例6、如图所示的光滑斜面长为l，宽为b，倾角为θ，一物块(可看成质点)沿斜面左上方顶点P水平射入，恰好从底端Q点离开斜面，试求： ‎ ‎(1)物块由P运动到Q所用的时间t；‎ ‎(2)物块由P点水平射入时的初速度v0；‎ ‎(3)物块离开Q点时速度的大小v。‎ ‎【得分秘籍】‎ ‎1．受力特点 物体所受的合外力为恒力，且与初速度的方向垂直。‎ ‎2．运动特点 在初速度v0方向上做匀速直线运动，在合外力方向上做初速度为零的匀加速直线运动，加速度a＝。‎ ‎3．求解方法 ‎(1)常规分解法：将类平抛运动分解为沿初速度方向的匀速直线运动和垂直于初速度方向(即沿合外力的方向)的匀加速直线运动。两分运动彼此独立，互不影响，且与合运动具有等时性。‎ ‎(2)特殊分解法：对于有些问题，可以过抛出点建立适当的直角坐标系，将加速度a分解为ax、ay，初速度v0分解为vx、vy，然后分别在x、y方向列方程求解。 的高度为‎2m，运动员站在离网‎3m远的线上正对球网竖直跳起把球水平击出(g取‎10m/s2)： ‎ ‎(1)设击球点的高度为‎2.5m，问球被水平击出时的速度在什么范围内才能使球既不触网也不出界？‎ ‎(2)若击球点的高度等于某个值，那么无论球被水平击出时的速度多大，球不是触网就是出界，试求出此高度。‎ 解析：(1)如图所示排球恰不触网时其运动轨迹为Ⅰ。排球恰不出界时其运动轨迹为Ⅱ，根据平抛运动的规律：s＝v0t和h＝gt2，可得当排球恰不触网时有：‎ ‎(2)如图所示为排球恰不触网也恰不出界的临界轨迹。设击球点高度为h′，根据平抛运动的规律有：s1＝‎3m＝vt′1，‎ h′1＝h′－‎2m＝gt′ s2＝‎3m＋‎9m＝vt′2　　　h2＝h′＝gt′ 联立以上四式可得：h′≈‎2.13m。‎ 答案：(1)9.5m/s18m/s，则石块可以落入水中 B．若v0<20m/s，则石块不能落入水中 C．若石块能落入水中，则v0越大，落水时速度方向与水平面的夹角越大 D．若石块不能落入水中，则v0越大，落到斜面上时速度方向与斜面的夹角越大 ‎ 答案：A 解析：x＝v0，当v0＝‎18m/s时x＝‎36m，所以A对B错，若石块能落入水中，根据tanθ＝，t不变，v0越大，θ越小，C错；若石块落在斜面上时，其速度方向与斜面的夹角恒定，D错。‎ ‎1. （2018年江苏卷）某弹射管每次弹出的小球速度相等．在沿光滑竖直轨道自由下落过程中，该弹射管保持水平，先后弹出两只小球．忽略空气阻力，两只小球落到水平地面的（ ）‎ A. 时刻相同，地点相同 B. 时刻相同，地点不同 C. 时刻不同，地点相同 D. 时刻不同，地点不同 ‎【答案】B ‎2. （2018年天津卷）滑雪运动深受人民群众喜爱，某滑雪运动员（可视为质点）由坡道进入竖直面内的圆弧形滑道AB，从滑道的A点滑行到最低点B的过程中，由于摩擦力的存在，运动员的速率不变，则运动员沿AB下滑过程中 A. 所受合外力始终为零 B. 所受摩擦力大小不变 C. 合外力做功一定为零 D. 机械能始终保持不变 ‎【答案】C ‎【解析】根据曲线运动的特点分析物体受力情况，根据牛顿第二定律求解出运动员与曲面间的正压力变化情况，从而分析运动员所受摩擦力变化；根据运动员的动能变化情况，结合动能定理分析合外力做功；根据运动过程中，是否只有重力做功来判断运动员的机械能是否守恒；因为运动员做曲线运动，所以合力一定不为零，A 错误；运动员受力如图所示，重力垂直曲面的分力与曲面对运动员的支持力的合力充当向心力，故有，运动过程中速率恒定，且在减小，所以曲面对运动员的支持力越来越大，根据可知摩擦力越来越大，B错误；运动员运动过程中速率不变，质量不变，即动能不变，动能变化量为零，根据动能定理可知合力做功为零，C正确；因为克服摩擦力做功，机械能不守恒，D错误；‎ ‎3. （2018年全国Ⅲ卷）在一斜面顶端，将甲乙两个小球分别以v和的速度沿同一方向水平抛出，两球都落在该斜面上。甲球落至斜面时的速率是乙球落至斜面时速率的 A. 2倍 B. 4倍 C. 6倍 D. 8倍 ‎【答案】A ‎1．【2017·新课标Ⅰ卷】发球机从同一高度向正前方依次水平射出两个速度不同的乒乓球（忽略空气的影响）。速度较大的球越过球网，速度较小的球没有越过球网；其原因是 A．速度较小的球下降相同距离所用的时间较多 B．速度较小的球在下降相同距离时在竖直方向上的速度较大 C．速度较大的球通过同一水平距离所用的时间较少 D．速度较大的球在相同时间间隔内下降的距离较大 ‎【答案】C ‎【解析】由题意知，速度大的球先过球网，即同样的时间速度大的球水平位移大，或者同样的水平距离速度大的球用时少，故C正确，ABD错误。‎ ‎【 考点定位】平抛运动 ‎1. [2016·江苏卷]如图1所示，倾角为α的斜面A被固定在水平面上，细线的一端固定于墙面，另一端跨过斜面顶端的小滑轮与物块B相连，B静止在斜面上．滑轮左侧的细线水平，右侧的细线与斜面平行．A、B的质量均为m.撤去固定A的装置后，A、B均做直线运动．不计一切摩擦，重力加速度为g.求：‎ 图1‎ ‎(1)A固定不动时，A对B支持力的大小N；‎ ‎(2)A滑动的位移为x时，B的位移大小s；‎ ‎(3)A滑动的位移为x时的速度大小vA.‎ ‎【答案】(1)mgcos α　(2)　(3) ‎【解析】(1)支持力的大小N＝mgcos α ‎1.[2016·全国卷Ⅰ] 如图1，一轻弹簧原长为2R，其一端固定在倾角为37°的固定直轨道AC的底端A处，另一端位于直轨道上B处，弹簧处于自然状态，直轨道与一半径为R的光滑圆弧轨道相切于C点，AC＝7R，A、B、C、D均在同一竖直平面内．质量为m的小物块P自C点由静止开始下滑，最低到达E点(‎ 未画出)，随后P沿轨道被弹回，最高到达F点，AF＝4R，已知P与直轨道间的动摩擦因数μ＝，重力加速度大小为g.(取sin 37°＝，cos 37°＝)‎ ‎(1)求P第一次运动到B点时速度的大小．‎ ‎(2)求P运动到E点时弹簧的弹性势能．‎ ‎(3)改变物块P的质量，将P推至E点，从静止开始释放．已知P自圆弧轨道的最高点D处水平飞出后，恰好通过G点．G点在C点左下方，与C点水平相距R、竖直相距R，求P运动到D点时速度的大小和改变后P的质量．‎ 图1‎ ‎【答案】(1)2　(2)mgR　(3)　m ‎【解析】(1)根据题意知，B、C之间的距离l为 l＝7R－2R　①‎ 设P到达B点时的速度为vB，由动能定理得 mglsin θ－μmglcos θ＝mv　②‎ 式中θ＝37°，联立①②式并由题给条件得 vB＝2　③‎ ‎(3)设改变后P的质量为m1，D点与G点的水平距离x1和竖直距离y1分别为 x1＝R－Rsin θ　⑨‎ y1＝R＋R＋Rcos θ　⑩‎ 式中，已应用了过C点的圆轨道半径与竖直方向夹角仍为θ的事实．‎ 设P在D点的速度为vD，由D点运动到G点的时间为t.由平抛物运动公式有 y1＝gt2　⑪‎ x1＝vDt　⑫‎ 联立⑨⑩⑪⑫式得 vD＝　⑬‎ 设P在C点速度的大小为vC，在P由C运动到D的过程中机械能守恒，有 m1v＝m1v＋m‎1g　⑭‎ P由E点运动到C点的过程中，同理，由动能定理有 Ep－m‎1g(x＋5R)sin θ－μm‎1g(x＋5R)cos θ＝m1v⑮‎ 联立⑦⑧⑬⑭⑮式得 m1＝m　⑯ 高度为h.发射机安装于台面左侧边缘的中点，能以不同速率向右侧不同方向水平发射乒乓球，发射点距台面高度为3h.不计空气的作用，重力加速度大小为g.若乒乓球的发射速率v在某范围内，通过选择合适的方向，就能使乒乓球落到球网右侧台面上，则v的最大取值范围是(　　)‎ 图12‎ A.＜v＜L1 B.＜v＜ C.＜v＜ D.＜v＜ 答案　D 解析　发射机无论向哪个方向水平发射，乒乓球都做平抛运动．当速度v最小时，球沿中线恰好过网，有：‎ ‎3h－h＝①‎ ＝v1t1②‎ 联立①②得v1＝ 当速度最大时，球斜向右侧台面两个角发射，有 ＝v2t2③‎ ‎3h＝gt④‎ 联立③④得v2＝ 所以使乒乓球落到球网右侧台面上，v的最大取值范围为＜v＜ ，选项D正确．‎ ‎5．(2015·浙江理综·17)如图19所示为足球球门，球门宽为L.一个球员在球门中心正前方距离球门s处高高跃起，将足球顶入球门的左下方死角(图中P点)．球员顶球点的高度为h，足球做平抛运动(足球可看成质点，忽略空气阻力)，则(　　)‎ 图19‎ A．足球位移的大小x＝ B．足球初速度的大小v0＝ C．足球末速度的大小v＝ D．足球初速度的方向与球门线夹角的正切值tan θ＝ 答案　B ‎2.(2015·广东理综·14)如图3所示，帆板在海面上以速度v朝正西方向运动，帆船以速度v朝正北方向航行，以帆板为参照物(　　)‎ 图3‎ A．帆船朝正东方向航行，速度大小为v B．帆船朝正西方向航行，速度大小为v C．帆船朝南偏东45°方向航行，速度大小为v D．帆船朝北偏东45°方向航行，速度大小为v 答案　D ‎2．(2015·新课标全国卷Ⅱ)由于卫星的发射场不在赤道上，同步卫星发射后需要从转移轨道经过调整再进入地球同步轨道．当卫星在转移轨道上飞经赤道上空时，发动机点火，给卫星一附加速度，使卫星沿同步轨道运行．已知同步卫星的环绕速度约为3.1×‎103 m/s，某次发射卫星飞经赤道上空时的速度为1.55×‎103 m/s，此时卫星的高度与同步轨道的高度相同，转移轨道和同步轨道的夹角为30°，如图所示．发动机给卫星的附加速度的方向和大小约为 (　　)‎ A．西偏北方向，1.9×103 m/s B．东偏南方向，1.9×103 m/s C．西偏北方向，2.7×103 m/s D．东偏南方向，2.7×103 m/s ‎ 答案：B 解析：如图所示：由余弦定理，可知Δv＝＝1.9×‎103 m/s，方向为东偏南方向，故B正确，A、C、D错误。‎ ‎ (2014·新课标全国卷Ⅱ，15)‎ 取水平地面为重力势能零点。一物块从某一高度水平抛出，在抛出点其动能与重力势能恰好相等。不计空气阻力。该物块落地时的速度方向与水平方向的夹角为(　　)‎ A. B. C. D. ‎【答案】B ‎ (2014·江苏·6)为了验证平抛运动的小球在竖直方向上做自由落体运动，用如图18所示的装置进行实验．小锤打击弹性金属片，A球水平抛出，同时B球被松开，自由下落．关于该实验，下列说法中正确的有(　　)‎ 图18‎ A．两球的质量应相等 B．两球应同时落地 C．应改变装置的高度，多次实验 D．实验也能说明A球在水平方向上做匀速直线运动 ‎【答案】BC ‎【解析】小锤打击弹性金属片后，A球做平抛运动，B球做自由落体运动．A球在竖直方向上的运动情况与B球相同，做自由落体运动，因此两球同时落地．实验时，需A、B两球从同一高度开始运动，对质量没有要求，但两球的初始高度及击打力度应该有变化，实验时要进行3～5次得出结论．本实验不能说明A球在水平方向上的运动性质，故选项B、C正确，选项A、D错误． ‎ ‎(2014·浙江卷，23)如图7所示，装甲车在水平地面上以速度v0＝‎20 m/s沿直线前进，车上机枪的枪管水平，距地面高为h＝‎1.8 m。在车正前方竖直立一块高为两米的长方形靶，其底边与地面接触。枪口与靶距离为L时，机枪手正对靶射出第一发子弹，子弹相对于枪口的初速度为v＝‎800 m/s。在子弹射出的同时，装甲车开始匀减速运动，行进s＝‎90 m后停下。装甲车停下后，机枪手以相同方式射出第二发子弹。(不计空气阻力，子弹看成质点，重力加速度g＝‎10 m/s2)‎ 图7‎ ‎(1)求装甲车匀减速运动时的加速度大小；‎ ‎(2)当L＝‎410 m时，求第一发子弹的弹孔离地的高度，并计算靶上两个弹孔之间的距离；‎ ‎(3)若靶上只有一个弹孔，求L的范围。‎ ‎(3)第一发子弹打到靶的下沿时，装甲车离靶的距离为L1，‎ L1＝(v0＋v)＝‎‎492 m 第二发子弹打到靶的下沿时，装甲车离靶的距离为L2，‎ L2＝v＋s＝‎‎570 m L的范围‎492 m