高中 | 匀变速直线运动的速度位移公式 题目答案及解析

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必修1

第二章 匀变速直线运动的研究

2.4 匀变速直线运动的速度与位移的关系

匀变速直线运动的速度位移公式

风洞是研究空气动力学的实验设备。如图,两水平面(虚线)之间的距离为$H$,其间为风洞的区域,物体进入该区间会受到水平方向的恒力,自该区域下边界的$O$点将质量为$m$的小球以一定的初速度竖直上抛,从$M$点离开风洞区域,小球再次从$N$点返回风洞区域后做直线运动,落在风洞区域的下边界$P$处,$NP$与水平方向的夹角为$45^\circ$,不计空气阻力,重力加速度大小为$g$,求:

风洞区域小球受到水平方向恒力的大小;

[["

$mg$

"]]

因为小球做直线运动,合力方向与速度方向在同一条直线上,有$\dfrac{mg}{F}=\tan45^\circ$

可得$F=mg$

小球运动过程中离风洞下边界$OP$的最大高度;

[["

$\\dfrac{4}{\\text{3}}H$

"]]

在最高点,小球的速度沿水平方向,设该速度为$v$,则小球在$M$$N$点的水平方向速度也为$v$,设小球在$M$$N$点竖直方向的速度为$v_{y}$,在$O$点的初速度为$v_{0}$,由$O$$M$的时间为$t$,水平方向有$v=gt$

$P$点,水平方向有$v_{x1}=v+gt=2v$

在竖直方向上,小球在从$O$点到$P$点做上抛运动,竖直方向上速度相等,此时速度方向与水平方向夹角为$45^\circ$,可得$v_{0}=2v$

$N$$P$小球做直线运动,设在$N$点竖直方向速度为$v_{y2}$,则有$\dfrac{v_{y\text{2}}}{v_{\text{0}}}=\dfrac{v}{v_{x\text{1}}}$

可得$v_{y\text{2}}=\dfrac{v_{\text{0}}}{\text{2}}$

设最高点为$Q$点,则在竖直方向上,由$Q$$N$,有$\dfrac{v_{\text{0}}}{\text{2}}=gt_{\text{1}}$

$N$$P$,有$v_{\text{0}}-\dfrac{v_{\text{0}}}{\text{2}}=gt$

可得$t_{1}=t$

在竖直方向上,有$\dfrac{v_{\text{0}}}{\text{2}}\cdot \text{2}t=h$$\dfrac{\dfrac{v_{\text{0}}}{\text{2}}+v_{\text{0}}}{\text{2}}t=H$

可得$h=\dfrac{\text{1}}{\text{3}}H$,此为最高点到上边界的高度差

即:最高点到下边界$OP$的距离为$\dfrac{\text{4}}{\text{3}}H$

$OP$的距离。

[["

$\\dfrac{\\text{8}}{\\text{3}}H$

"]]

水平方向,由$O$$M$,有$x_{\text{1}}=\dfrac{v}{\text{2}}t$

$M$$N$,有$x_{2}=2vt$

$N$$P$,有$x_{\text{3}}=\dfrac{v\text{+2}v}{\text{2}}t$

由($2$)可知$v_{0}=2v$$v_{\text{0}}t=\dfrac{\text{4}}{\text{3}}H$

联立可得$x=x_{\text{1}}+x_{\text{2}}+x_{\text{3}}=\dfrac{\text{8}}{\text{3}}H$

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