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

如图所示,摩托车做腾跃特技表演,沿曲面冲上高$0.8\;\rm m$顶部水平高台,接着以$v=3\;\rm m/s$水平速度离开平台,落至地面时,恰能无碰撞地沿圆弧切线从$A$点切入光滑竖直圆弧轨道,并沿轨道下滑。$A$$B$为圆弧两端点,其连线水平。已知圆弧半径为$R=1.0\;\rm m$,人和车的总质量为$200\;\rm kg$,特技表演的全过程中,阻力忽略不计。(计算中取$g=10\;\rm m/s^{2}$$\sin53^\circ=0.8$$\cos53^\circ=0.6$。)求:

从平台飞出到$A$点,人和车运动的水平距离$s$

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从平台飞出到$A$点,人和车运动的水平距离$s$$1.2\\;\\rm m$

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车做的是平抛运动,很据平抛运动的规律可得:

竖直方向上:$H= \dfrac{1}{2}{gt}_{2}^{2}$

水平方向上:$s=vt_{2}$

可得:$t_{2}=\sqrt{\dfrac{2H}{g}}=\sqrt{\dfrac{2 \times 1.8}{10}}\;\rm s=0.4\;\rm s$

$s=vt_{2}=3\times 0.4\;\rm m=1.2\;\rm m$

故从平台飞出到$A$点,人和车运动的水平距离$s$$1.2\;\rm m$

从平台飞出到$A$点时速度及圆弧对应圆心角$\theta$

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从平台飞出到达$A$点时速度大小为$5\\;\\rm m/s$,方向与水平方向夹角为$53^\\circ$,圆弧对应圆心角$\\theta$$106^\\circ$

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摩托车落至$A$点时,其竖直方向的分速度:$v_{y}=gt_{2}=10\times 0.4\;\rm m/s=4\;\rm m/s$

到达$A$点时速度:$v_{A}= \sqrt{v^{2}+v_{y}^{2}}=\sqrt{3^{2}+4^{2}}\;\rm m/s =5\;\rm m/s$

设摩托车落地时速度方向与水平方向的夹角为$\alpha$,则$\tan\alpha= \dfrac{v_{y}}{v}=\dfrac{4}{3}$

$\alpha=53^\circ$

所以$\theta=2\alpha=2\times 53^\circ=106^\circ$

故从平台飞出到达$A$点时速度大小为$5\;\rm m/s$,方向与水平方向夹角为$53^\circ$,圆弧对应圆心角$\theta$$106^\circ$

人和车运动到达圆弧轨道$A$点时对轨道的压力大小;

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人和车运动到达圆弧轨道$A$点时对轨道的压力为$6200\\;\\rm N$

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对摩托车受力分析可知,摩托车受到的指向圆心方向的合力作为圆周运动的向心力,由牛顿第二定律得:$N_{A}-mg\cos\alpha=m\dfrac{v_{A}^{2}}{R}$

解得:$N_{A}= mg\cos\alpha+m\dfrac{v_{A}^{2}}{R}$

代入数据有:$N_{A}=200 \times 10 \times 0.6\;\rm N+200 \times \dfrac{5^{2}}{1}\;\rm N=6200\;\rm N$

由牛顿第三定律可知,人和车在最低点$O$时对轨道的压力为$6200\;\rm N$

人和车运动到圆弧轨道最低点$O$速度$v'=4\sqrt{2}\;\rm m/s$,此时对轨道的压力大小。

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人和车运动到圆弧轨道最低点$O$速度$v'= 4\\sqrt{2}\\;\\rm m/s$,此时对轨道的压力为$8400\\;\\rm N$

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在最低点,受力分析可得:$N-mg=m\dfrac{v'^{2}}{R}$

则可得:$N=mg+m\dfrac{v'^{2}}{R}$

代入数据有:$N=200 \times 10\;\rm N+200 \times \dfrac{(4\sqrt{2})^{2}}{1}\;\rm N =8400\;\rm N$

由牛顿第三定律可知,人和车在最低点$O$时对轨道的压力为$8400\;\rm N$

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