高中 | 运动的合成与分解 题目答案及解析

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必修2

第五章 曲线运动

5.1 曲线运动

运动的合成与分解

滑滑板是一项青少年酷爱的运动,依靠自身的体能,展现快速的运动艺术。如图所示,一少年在一次训练中以速度$v_{0}=3\;\rm m/s$$P$点沿切线进入曲面轨道,从$O$点离开曲面轨道,离开$O$点时的速度与水平方向夹角为$30^\circ $,再经过$1\;\rm s$落在倾角为$30^\circ $的斜面上$Q$点($Q$点未标出)。已知重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$$P$点到$O$点的竖直高度$h=0.86\;\rm m$,少年和滑板(可视为质点)总质量$m=50\;\rm kg$,忽略空气阻力。少年在此运动过程中,下列说法错误的是$(\qquad)$

["

$O$点到$Q$点的距离为$5\\;\\rm m$

","

在曲面轨道上克服摩擦力做的功为$30\\;\\rm J$

","

少年落在$Q$点前瞬间重力的功率为$3750\\;\\rm W$

","

少年离斜面的最大距离为$1\\;\\rm m$

"]
[["D"]]

$\rm A$.少年由$O$$Q$的过程做平抛运动,将此运动沿水平方向与竖直方向分解,如图$1$所示

$O$点的速度大小为$v$,其水平分速度大小为$v\cos30^\circ $,竖直分速度大小为$v\sin30^\circ $,从$O$$Q$水平方向做匀速直线运动,可得$x=v\cos30^\circ⋅t$

竖直方向做竖直上抛运动,可得$y=- v\sin30{^\circ} \cdot t+\dfrac{1}{2}gt^{2}$

由几何关系得$\dfrac{y}{x}=\tan30{^\circ}$

又已知$t=1\;\rm s$

联立解得$v=5\;\rm m/s$$x=\dfrac{5\sqrt{3}}{2}\;\text{m}$$y=2.5\ \rm m$

由几何关系得$O$点到$Q$点的距离$x_{OQ}=\dfrac{y}{\sin30{^\circ}}=\dfrac{2.5}{\sin30{^\circ}}\text{m}=5\;\rm \text{m}$

$\rm A$正确,不符合题意;

$\rm B$.设在曲面轨道上克服摩擦力做的功为$W$,对此过程,根据动能定理得$mgh-W=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

解得$W=30\;\rm J$

$\rm B$正确,不符合题意;

$\rm C$.少年落在$Q$点前瞬间的竖直分速度大小为$v_{y}=- v\sin30{^\circ}+gt=- 5 \times \dfrac{1}{2}\;\text{m}/\text{s}+10 \times 1\;\rm \text{m}/\text{s}=7.5\;\rm \text{m}/\text{s}$

此时重力的功率为$P=mgv_{y}=50\times10\times7.5\;\rm W=3750\;\rm W$

$\rm C$正确,不符合题意;

$\rm D$.由$O$$Q$的过程,少年在垂直于斜面的方向上速度减到零时,其离斜面的距离最远,将$O$$Q$的运动沿垂直于斜面与平行于斜面分解,如图$2$所示

$O$点的速度$v$和重力加速度$g$垂直于斜面的分量分别为$v\cos30^\circ $$g\cos30^\circ $

设少年离斜面的最大距离为$y_{m}$,在垂直于斜面的方向上,由运动学公式得$y_{\text{m}}=\dfrac{(v\cos30{^\circ})^{2}}{2g\cos30{^\circ}}$

解得$y_{\text{m}}=\dfrac{5\sqrt{3}}{8}\text{m}$

$\rm D$错误,符合题意。

本题选错误的,故选:$\rm D$

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如图是研究颗粒碰撞荷电特性装置的简化图。两块水平绝缘平板与两块竖直的平行金属平板相接。金属平板之间接高压电源产生匀强电场。一带电颗粒从上方绝缘平板左端点处,由静止开始向右下方运动,与下方绝缘平板在点处碰撞,碰撞时电荷量改变,反弹后离开下方绝缘平板瞬间,颗粒的速度与所受合力垂直,其水平分速度与碰前瞬间相同,竖直分速度大小变为碰前瞬间的倍()。已知颗粒质量为,两绝缘平板间的距离为,两金属平板间的距离为,点与左平板的距离为,电源电压为,重力加速度为。忽略空气阻力和电场的边缘效应。求: 如图所示,长为的轻绳一端固定在点,另一端拴一质量为的小球,点下方固定有一个滑槽装置,由水平直轨道和竖直圆弧轨道组成。其中段为粗糙水平轨道,长度为,部分为光滑圆弧轨道,半径为,点在点正下方,点为圆弧最高点,点和圆心等高。现将球拉至最高点,以的速度向左水平抛出。当小球运动至最低点时,与静止在点的一质量为的滑块发生弹性正碰。碰撞后滑块沿滑向圆弧轨道。滑块和小球均视为质点,重力加速度为,求: 如图所示,长为的轻绳一端固定在点,另一端拴一质量为的小球,点下方固定有一个滑槽装置,由水平直轨道和竖直圆弧轨道组成。其中段为粗糙水平轨道,长度为,部分为光滑圆弧轨道,半径为,点在点正下方,点为圆弧最高点,点和圆心等高。现将球拉至最高点,以的速度向左水平抛出。当小球运动至最低点时,与静止在点的一质量为的滑块发生弹性正碰。碰撞后滑块沿滑向圆弧轨道。滑块和小球均视为质点,重力加速度为,求: 如图,趣味运动会的“聚力建高塔”活动中,两长度相等的细绳一端系在同一塔块上,两名同学分别握住绳的另一端,保持手在同一水平面以相同速率相向运动。为使塔块沿竖直方向匀速下落,则 电子比荷是描述电子性质的重要物理量。在标准理想二极管中利用磁控法可测得比荷,一般其电极结构为圆筒面与中心轴线构成的圆柱体系统,结构简化如图()所示,圆筒足够长。在点有一电子源,向空间中各个方向发射速度大小为的电子,某时刻起筒内加大小可调节且方向沿中心轴向下的匀强磁场,筒的横截面及轴截面示意图如图()所示,当磁感应强度大小调至时,恰好没有电子落到筒壁上,不计电子间相互作用及其重力的影响。求:(、、均为已知量) 如图。直流电源的电动势为,内阻为,滑动变阻器的最大阻值为,平行板电容器两极板水平放置,板间距离为,板长为,平行板电容器的右侧存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。闭合开关,当滑片处于滑动变阻器中点时,质量为的带正电粒子以初速度水平向右从电容器左侧中点进入电容器,恰好从电容器下极板右侧边缘点进入磁场,随后又从电容器上极板右侧边缘点进入电容器,忽略粒子重力和空气阻力。
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