2018山东科技版物理高考第一轮复习——运动的合成与分解平抛物体的运动学案

2018山东科技版物理高考第一轮复习——运动的合成与分解平抛物体的运动学案

年 级 高三 学 科 物理 版 本 鲁教版 内容标题 运动的合成与分解；平抛物体的运动 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 运动的合成与分解；平抛物体的运动 ‎［知识网络］‎ ‎［教学过程］‎ 一、曲线运动 ‎1. 曲线运动的条件：质点所受合外力的方向（或加速度方向）跟它的速度方向不在同一直线上。‎ 当物体受到的合力为恒力（大小恒定、方向不变）时，物体做匀变速曲线运动，如平抛运动。‎ 当物体受到的合力大小恒定而方向总跟速度的方向垂直，则物体将做匀速圆周运动．（这里的合力可以是万有引力——卫星的运动、库仑力——电子绕核旋转、洛仑兹力——带电粒子在匀强磁场中的偏转、弹力——绳拴着的物体在光滑水平面上绕绳的一端旋转、重力与弹力的合力——锥摆、静摩擦力——水平转盘上的物体等．）‎ 如果物体受到约束，只能沿圆形轨道运动，而速率不断变化——如小球被绳或杆约束着在竖直平面内运动，是变速率圆周运动．合力的方向并不总跟速度方向垂直．‎ ‎2. 曲线运动的特点：曲线运动的速度方向一定改变，所以是变速运动。需要重点掌握的两种情况：一是加速度大小、方向均不变的曲线运动，叫匀变速曲线运动，如平抛运动，另一是加速度大小不变、方向时刻改变的曲线运动，如匀速圆周运动。‎ 二、运动的合成与分解 ‎1. 从已知的分运动来求合运动，叫做运动的合成，包括位移、速度和加速度的合成，由于它们都是矢量，所以遵循平行四边形定则。重点是判断合运动和分运动，这里分两种情况介绍。‎ 一种是研究对象被另一个运动物体所牵连，这个牵连指的是相互作用的牵连，如船在水上航行，水也在流动着。船对地的运动为船对静水的运动与水对地的运动的合运动。一般地，物体的实际运动就是合运动。‎ 第二种情况是物体间没有相互作用力的牵连，只是由于参照物的变换带来了运动的合成问题。如两辆车的运动，甲车以v甲＝‎8 m／s的速度向东运动，乙车以v乙＝‎8 m／s的速度向北运动。求甲车相对于乙车的运动速度v甲对乙。‎ ‎2. 求一个已知运动的分运动，叫运动的分解，解题时应按实际“效果”分解，或正交分解。‎ ‎3. 合运动与分运动的特征：‎ ‎①等时性：合运动所需时间和对应的每个分运动时间相等 ‎②独立性：一个物体可以同时参与几个不同的分运动，各个分运动独立进行，互不影响。‎ ‎4. 物体的运动状态是由初速度状态（v0）和受力情况（F合）决定的，这是处理复杂运动的力和运动的观点.思路是：‎ ‎（1）存在中间牵连参照物问题：如人在自动扶梯上行走，可将人对地运动转化为人对梯和梯对地的两个分运动处理。‎ ‎（2）匀变速曲线运动问题：可根据初速度（v0）和受力情况建立直角坐标系，将复杂运动转化为坐标轴上的简单运动来处理。如平抛运动、带电粒子在匀强电场中的偏转、带电粒子在重力场和电场中的曲线运动等都可以利用这种方法处理。‎ ‎5. 运动的性质和轨迹 物体运动的性质由加速度决定（加速度得零时物体静止或做匀速运动；加速度恒定时物体做匀变速运动；加速度变化时物体做变加速运动）。‎ 物体运动的轨迹（直线还是曲线）则由物体的速度和加速度的方向关系决定（速度与加速度方向在同一条直线上时物体做直线运动；速度和加速度方向成角度时物体做曲线运动）。‎ 两个互成角度的直线运动的合运动是直线运动还是曲线运动？‎ 决定于它们的合速度和合加速度方向是否共线（如图所示）。 ‎ 常见的类型有：‎ ‎⑴a＝0：匀速直线运动或静止。‎ ‎⑵a恒定：性质为匀变速运动，分为：① v、a同向，匀加速直线运动；②v、a反向，匀减速直线运动；③v、a成角度，匀变速曲线运动（轨迹在v、a之间，和速度v的方向相切，方向逐渐向a的方向接近，但不可能达到。）‎ ‎⑶a变化：性质为变加速运动。如简谐运动，加速度大小、方向都随时间变化。‎ ‎6. 过河问题 ‎ 如下图所示，若用v1表示水速，v2表示船速，则：‎ ‎①过河时间仅由v2的垂直于岸的分量v⊥决定，即，与v1无关，所以当v2⊥岸时，过河所用时间最短，最短时间为也与v1无关。‎ ‎②过河路程由实际运动轨迹的方向决定，当v1＜v2时，最短路程为d ；当v1＞v2时，最短路程程为（如图所示）。‎ ‎7. 连带运动问题 指物拉绳（杆）或绳（杆）拉物问题。由于高中研究的绳都是不可伸长的，杆都是不可伸长和压缩的，即绳或杆的长度不会改变，所以解题原则是：把物体的实际速度分解为垂直于绳（杆）和平行于绳（杆）的两个分量，根据沿绳（杆）方向的分速度大小相同求解。‎ 例1. 如图所示，汽车甲以速度v1拉汽车乙前进，乙的速度为v2，甲、乙都在水平面上运动，求v1∶v2‎ 解析：甲、乙沿绳的速度分别为v1和v2cosα，两者应该相等，所以有v1∶v2＝cosα:1‎ 例2. 两根光滑的杆互相垂直地固定在一起。上面分别穿有一个小球。小球a、b间用一细直棒相连如图。当细直棒与竖直杆夹角为α时，求两小球实际速度之比va∶vb 解析：a、b沿杆的分速度分别为vacosα和vbsinα ‎∴va∶vb＝tanα∶1‎ 三、平抛运动 当物体初速度水平且仅受重力作用时的运动，被称为平抛运动。其轨迹为抛物线，性质为匀变速运动。平抛运动可分解为水平方向的匀速运动和竖直方向的自由落体运动这两个分运动。广义地说，当物体所受的合外力恒定且与初速度垂直时，做类平抛运动。‎ ‎1、平抛运动基本规律 ‎①速度：，‎ 合速度 ‎ 方向：tanθ＝ ‎ ‎②位移x＝v0t y＝‎ 合位移大小：s＝ 方向：tanα＝‎ ‎③时间由y＝得t＝（由下落的高度y决定）‎ ‎④竖直方向自由落体运动，匀变速直线运动的一切规律在竖直方向上都成立。‎ ‎2. 应用举例 ‎（1）方格问题 例3. 平抛小球的闪光照片如图。已知方格边长a和闪光照相的频闪间隔T，求：v0、g、vc 解析：水平方向： 竖直方向：‎ 先求C点的水平分速度vx和竖直分速度vy，再求合速度vc： ‎ ‎（2）临界问题 典型例题是在排球运动中，为了使从某一位置和某一高度水平扣出的球既不触网、又不出界，扣球速度的取值范围应是多少？‎ 例4. 已知网高H，半场长L，扣球点高h，扣球点离网的水平距离为s、求：水平扣球速度v的取值范围。‎ 解析：假设运动员用速度vmax扣球时，球刚好不会出界，用速度vmin扣球时，球刚好不触网，从图中数量关系可得：‎ 实际扣球速度应在这两个值之间。‎ 例5. 如图所示，长斜面OA的倾角为θ，放在水平地面上，现从顶点O以速度v0平抛一小球，不计空气阻力，重力加速度为g，求小球在飞行过程中离斜面的最大距离s是多少？‎ 解析：为计算简便，本题也可不用常规方法来处理，而是将速度和加速度分别沿垂直于斜面和平行于斜面方向进行分解。如图，速度v0沿垂直斜面方向上的分量为v1＝ v0 sinθ，加速度g在垂直于斜面方向上的分量为a＝g cosθ，根据分运动各自独立的原理可知，球离斜面的最大距离仅由和a决定，当垂直于斜面的分速度减小为零时，球离斜面的距离才是最大。。‎ 点评：运动的合成与分解遵守平行四边形定则，有时另辟蹊径可以收到意想不到的效果。‎ ‎（3）一个有用的推论 平抛物体任意时刻瞬时速度方向的反向延长线与初速度延长线的交点到抛出点的距离都等于水平位移的一半。‎ 证明：设时间t内物体的水平位移为s，竖直位移为h，则末速度的水平分量vx＝v0＝s/t，而竖直分量vy＝2h/t， ， 所以有 例6. 从倾角为θ＝30°的斜面顶端以初动能E＝6J向下坡方向平抛出一个小球，则小球落到斜面上时的动能E /为______J。‎ 解析：以抛出点和落地点连线为对角线画出矩形ABCD，可以证明末速度vt的反向延长线必然交AB于其中点O，由图中可知AD∶AO＝2∶，由相似形可知vt∶v0＝∶，因此很容易可以得出结论：E /＝14J。 ‎ 点评：本题也能用解析法求解。列出竖直分运动和水平分运动的方程，注意到倾角和下落高度和射程的关系，有：h＝gt2，s＝v0t，‎ 或h＝vy t， s＝v0 t ， ‎ 同样可求得vt∶v0＝∶，E /＝14J 四、曲线运动的一般研究方法 研究曲线运动的一般方法就是正交分解法。将复杂的曲线运动分解为两个互相垂直方向上的直线运动。一般以初速度或合外力的方向为坐标轴进行分解。‎ 例7. 如图所示，在竖直平面的xoy坐标系内，oy表示竖直向上方向。该平面内存在沿x轴正向的匀强电场。一个带电小球从坐标原点沿oy方向竖直向上抛出，初动能为4J，不计空气阻力。它达到的最高点位置如图中M点所示。求：‎ ‎⑴小球在M点时的动能E1。‎ ‎⑵在图上标出小球落回x轴时的位置N。‎ ‎⑶小球到达N点时的动能E2。‎ 解析：⑴在竖直方向小球只受重力，从O→M速度由v0减小到0；在水平方向小球只受电场力，速度由0增大到v1，由图知这两个分运动的平均速度大小之比为2∶3，因此v0∶v1＝2∶3，所以小球在M点时的动能E1＝9J。‎ ‎⑵由竖直分运动知，O→M和M→N经历的时间相同，因此水平位移大小之比为1∶3，故N点的横坐标为12。‎ ‎⑶小球到达N点时的竖直分速度为v0，水平分速度为2v1，由此可得此时动能E2＝40J。‎ 五、综合例析 例8. 如图所示，为一平抛物体运动的闪光照片示意图，照片与实际大小相比缩小10倍.对照片中小球位置进行测量得：1与4闪光点竖直距离为‎1.5 cm，4与7闪光点竖直距离为‎2.5 cm，各闪光点之间水平距离均为‎0.5 cm.则 ‎（1）小球抛出时的速度大小为多少?‎ ‎（2）验证小球抛出点是否在闪光点1处，若不在，则抛出点距闪光点1的实际水平距离和竖直距离分别为多少?（空气阻力不计，g＝‎10 m/s2）‎ 解析：（1）设1~4之间时间为T，‎ 竖直方向有：（2.5－1.5）×10－2×‎10 m＝gT2‎ 所以T ＝0.1s 水平方向：0.5×10－2×3×‎10 m＝v0T 所以v0＝‎1.5 m/s ‎（2）设物体在点1的竖直分速度为v1y ‎1~4竖直方向：1.5×10－2×‎10 m＝v1yT＋gT2 ‎ 解得v1y＝‎1 m/s ‎ 因v1y≠0，所以1点不是抛出点 ‎ 设抛出点为O点，距点1水平位移为x m，竖直位移为y m，有 水平方向 x＝v0t 竖直方向： ‎ 解得t＝ 0.1 s，‎ x＝‎0.15 m＝‎‎15 cm y＝‎0.05 m＝‎‎5 cm 即抛出点距点1水平位移为‎15 cm，竖直位移为‎5 cm