高中 | 受力分析 题目答案及解析

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必修1

第三章 相互作用

3.5 力的分解

受力分析

网球是一项风靡全球的体育项目。发球时通过快速挥拍,在极短时间内对网球施加极大作用力,网球获得极高初速度,在空中划出一道优美的弧线。

①如图($a$$4$个相同的网球紧挨叠放,静止在水平地面,若网球的质量为$m$,重力加速度为$g$,地面对网球$A$的支持力大小为                 

②图($b$)是下层$3$球的俯视图,若稍微增大球心距离$L$,三球仍能静止,则网球$B$受到网球$A$的弹力大小                 

$\rm A$.增大      $\rm B$.减小      $\rm C$.不变

[["$\\dfrac{4}{3}mg$","$\\rm A$"]]

设地面对下面每个网球的支持力都为$F_{N}$,对四个网球整体受力分析可得$3F_{N}=4mg$

故地面对网球$A$的支持力为$F_{{N}}=\dfrac{4}{3}mg$

设下面三个球对$B$球的弹力为$F$$AB$球心的连线与竖直方向的夹角为$\theta$,对$B$球受力分析有$mg=3F\cos \theta$

可知$A$球给$B$球的弹力大小为$F=\dfrac{mg}{3\cos\theta}$

当若稍微增大球心距离$L$时,$\theta$变大,故$A$球给$B$球的弹力增大;

故选:$\rm A$

某同学使用网球训练器单人打回弹,如图,一轻质弹性绳将网球拴在底座中心$O$点,以$O$为原点在竖直平面内建直角坐标系$xoy$,将质量$m=60g$的网球从$A$点静止释放,落地后竖直弹起到最高点$B$,此时使用网球拍击打网球,网球瞬间获得水平速度$v=15\:\rm m/s$,网球运动到$C$点时,弹性绳恰好绷直,最后运动到$D$点与地面相撞。假设网球始终在竖直平面内运动,底座保持不动,忽略底座的高度、对球的大小、空气阻力以及对球旋转带来的影响,$g$$10\:\rm m/s^{2}$

①若网球第一次落地与地面接触的时间为$t=50\:\rm m/s$,撞击过程中损失的机械能为                 $\;\rm J$,地面对网球的平均作用力大小为                 $\;\rm N$

②网球从$B$运动到$C$过程中,动能$E_\rm {k}$和重力势能$E_\rm {p}$随时间$t$变化正确的是$(\qquad)$

③网球从$B$点运动到$C$点经历的时间为                 $\;\rm s$,网球在$C$点时重力的瞬时功率为                 $\;\rm W$

④如图所示为弹性绳所受拉力$F$与伸长量$x$之间的关系,当网球撞向$D$点时,弹性绳伸长量$x=1.0m$,此时弹性绳中的弹性势能为                 $\;\rm J$,网球的动能为                 $\;\rm J$

[["$0.6\\;\\rm J$","$13.6\\;\\rm N$$13.5\\;\\rm N$","$\\rm BD$","$0.2\\;\\rm s$","$1.2\\;\\rm W$","$4.6\\;\\rm J$ ;$2.75\\;\\rm J$"]]

网球从$A$点静止释放,做自由落体运动,由运动学公式可知落地速度为$v_{1}=\sqrt{2gh_{1} =}2\sqrt{10}\;\rm{m/s}$

网球落地后向上做竖直上抛运动,由运动学知识可知弹起后速度为$v_{2}=2\sqrt{5}\;\rm {m/s}$

故网球与地面撞击过程中损失的机械能为$\Delta E=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}=0.6\;\rm{J}$

网球与地面作用过程中,以向下为正方向,由动量定理有$(mg-\overline{F})t=- mv_{2}-mv_{1}$

代入数据解得地面对网球的平均作用力大小为$\overline{F} \approx 13.6\;\rm{N}$

网球从$B$运动到$C$过程中由动能定理有$mgh=E_{\rm k} − E_{k0}$

网球从$B$运动到$C$过程中做平抛运动,由运动学知识有$h=\dfrac{1}{2}gt^{2}$

联立解得$E_{\rm{k}}=\dfrac{mg}{2}t^{2}+E_{{k0}}$

$\rm A$错误,$\rm B$正确;

网球从$B$运动到$C$过程中,由功能关系有$mgh=E_{p0} − E_{\rm p}$

联立解得$E_{\rm{p}}=E_{{p0}}-\dfrac{mg^{2}t^{2}}{2}$

$\rm C$错误,$\rm D$正确;

故选:$\rm BD$

网球从$B$运动到$C$过程中做平抛运动,由运动学知识有$x=vt_{BC}$$v_{Cy}=gt_{BC}$

可得网球从$B$点运动到$C$点经历的时间为$t_{BC}=0.2\;\rm s$

网球在$C$点时重力的瞬时功率为$P_{G}=mgv_{Cy}=1.2\;\rm W$

$F − x$图像的面积表示弹性绳上的弹力做功的多少,由图像可知,弹力做功为$W=-46 \times 1 \times 0.1\;\rm J=-4.6\;\rm J$

由功能关系可知此时弹性绳的弹性势能为$W=0 − E_\rm{p}$

即弹性绳的弹性势能为$4.6\;\rm J$

网球与弹性绳所组成的系统机械能守恒,由机械能守恒定律有$mgh_{BD}=E_{\rm p}+E_{kD} − E_{kB}$

联立解得当网球撞向$D$点时,网球的动能为$E_{kD}=2.75\;\rm J$

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