【物理】2011届新课标高中总复习：专题3 曲线运动与天体运动.ppt

专题三曲线运动与天体运动 本专题从运动学和动力学的角度研究了物体做曲线的条件及两类典型的曲线运动 平抛运动和圆周运动 同时研究了人造卫星 天体运动的有关规律 它们是牛顿力学的重要组成部分 包含了重要的分析方法 运动的合成与分解 本专题是高考的必考内容之一 也是高考的重点和热点 特别是曲线运动结合带电体在电磁场中的偏转以及人造卫星的变轨问题 双星和多星问题 卫星运动的基本参量的求解和比较是重中之重 考查题型以选择题 计算题为主 复习时要注意与其他专题知识的综合 2010年浙江卷20题考查了天体运动 注重物理知识在实际中的应用 22题考查了平抛知识 注重多因素问题的综合分析能力的考查 2011年 本专题要注重与生产 生活 高科技联系的命题 运动的合成与分解的应用 例1 如图3 1 1所示 杆OA长为R 可绕过O点的水平轴在竖直平面内转动 其端点A系着一跨过定滑轮B C的不可伸长的轻绳 绳的另一端系一物块M 滑轮的半径可忽略 B在O的正上方 OB之间的距离为H 某一时刻 当绳的BA段与OB之间的夹角为a时 杆的角速度为w 求此时物块M的速率vM 杆的端点A点绕O点做圆周运动 其速度vA的方向与杆OA垂直 此时其速度大小为 vA wR 对于速度vA作如图所示的正交分解 即沿绳BA方向和垂直于BA方向进行分解 沿绳BA方向的分量就是物块M的速率vM 求解此类问题 关键是找 关联 速度 即沿杆或绳方向的速度分量相等 绳 杆等有长度的物体 在运动中 其两端点的速度并不一样 但两速度有联系 称 关联 速度 一般沿杆 绳的速度分量相等 采用速度的分解求解 注意按实际效果分解 因为物块只有沿绳方向的速度 所以vM vAcosb 由正弦定理知 由以上各式得vM wHsina 变式习题 一条宽度为L的河流 水流速度为vs 已知船在静水中的速度为vc 那么 1 怎样渡河时间最短 2 若vc vs 怎样渡河位移最小 3 若vc vs 怎样渡河船漂下的距离最短 1 如图甲所示 设船头斜向上游与河岸成任意角q 这时船速在垂直于河岸方向的速度分可以看出 L vc一定时 t随sinq增大而减小 当q 90 时 sinq 1 所以 当船头与河岸垂直时 渡河时间最短 tmin 2 如图乙所示 渡河的最小位移即河的宽度 为了使渡河位移等于L 必须使船的合速度v的方向与河岸垂直 这时船头应指向河的上游 并与河岸成一定的角度q 根据三角函数关系有 vccosq vs 0 3 如果水流速度大于船在静水中的航行速度 则不论船的航向如何 总是被水冲向下游 怎样才能使漂下的距离最短呢 如图丙所示 设船头与河岸成q角 合速度v与河岸成a角 可以看出 a角越大 船漂下的距离x越短 那么 在什么条件下a角最大呢 以vs的矢尖为圆心 以vc为半径画圆 当v与圆相切时 a角最大 根据cosq vc vs 船头与河岸的夹角应为 q arccosvc vs 船漂的最短距离为 xmin vs vccosq 所以q arccosvs vc 因为0 cosq 1 所以只有在vc vs时 船才有可能垂直于河岸横渡 例2 如图3 2 1甲所示 水平传送带长度为L 5 0m 其皮带轮的半径为R 0 1m 皮带轮以角速度w顺时针转动 现有一小物体 可视为质点 以水平速度v0从A点滑上传送带 越过B点后做平抛运动 其水平位移为x 保持物体的初速度v0不变 多次改变皮带轮的角速度w 依次测量水平位移x 得到如图乙所示的x w图象 求 抛体运动 1 当0 w 10rad s时 物体在A B间做什么运动 2 B端距地面的高度h为多大 3 物块的初速度v0为多大 1 物体的水平位移相同 说明物体离开B点的速度相同 物体的速度大于皮带的速度 一直做减速运动 2 当w 10rad s时 物体经过B点的速度为 vB Rw 1m s 物体离开传送带的速度取决于皮带轮的角速度 从而将水平位移与皮带轮角速度联系起来 由平抛运动可得 h gt2 x v0t解得 t 1s h 5m 3 当w 30rad s时 水平位移不变 说明物体在AB之间一直加速 其末速度为 vB 3m s 根据v2 v02 2ax当0 w 10rad s时 2 gL v02 vB 2当w 30rad s时 2 gL vB2 v02 得v0 m s 本题以传送带上物体为背景 涉及直线运动 牛顿运动定律 圆周运动 平抛运动等知识点 过程多 情景复杂 对学生的要求较高 最关键要挖掘联结点 下落的距离与在水平方向通过的距离之比为 变式题1 2010 全国 一水平抛出的小球落到一倾角为q的斜面上时 其速度方向与斜面垂直 运动轨迹如图3 2 2中虚线所示 小球在竖直方向 如图 平抛的末速度与竖直方向的夹角等于斜面倾角q 根 变式题2 抛体运动在各类体育运动项目中很常见 如乒乓球运动 现讨论乒乓球发球问题 设球台长2L 网高h 乒乓球反弹前后水平分速度不变 竖直分速度大小不变 方向相反 且不考虑乒乓球的旋转和空气阻力 设重力加速度为g 1 若球在球台边缘O点正上方高度为h1处以速度v1水平发出 落在球台的P1点 如图3 2 3实线所示 求P1点距O点的距离x1 2 若球在O点正上方以速度v2水平发出 恰好在最高点时越过球网落在球台的P2 如图3 2 3虚线所示 求v2的大小 3 若球在O点正上方水平发出后 球经反弹恰好越过球网且刚好落在对方球台边缘P3 求发球点距O点的高度h3 2 设发球高度为h2 飞行时间为t2 根据平抛运动h2 gt x2 v2t2 且h2 h 2x2 L 由 式得v2 1 设发球时飞行时间为t1 根据平抛运动h1 gt x1 v1t1 由 解得x1 v1 3 如图所示 设发球高度为h3 飞行时间为t3 同理根据平抛运动得 h3 gt32 x3 v3t3 且3x3 2L 设球从恰好越过球网到最高点的时间为t 水平距离为s 有 s v3t 由几何关系知 x3 s L 联列 式 解得 圆周运动 例3 如图3 3 1所示 两绳一端系一质量为m 0 1kg的小球 两绳的另一端分别固定于轴的AB两处 上面绳长l 2m 两绳拉直时与轴的夹角分别为30 和45 问球的角速度在什么范围内两绳始终有张力 设两细线都拉直时 A B绳的拉力分别为TA TB 小球的质量为m A线与竖直方向的夹角为q 30 B线与竖直方向的夹角为a 45 受力分析 由牛顿第二定律得 解决本题的关键 一是利用几何关系确定小球圆周运动的半径 二是对小球进行受力分析时 先假定其中一条绳上恰无拉力 通过受力分析由牛顿第二定律求出角速度的一个取值 再假定另一条绳上恰无拉力 求出角速度的另一个取值 则角速度的范围介于这两个值之间时两绳始终有张力 当B线中恰无拉力时 TAsinq mw12lsinq TAcosq mg 本题以圆周运动为情境 要求考生熟练掌握并灵活应用匀速圆周运动的规律 不仅考查考生对牛顿第二定律的应用 同时考查考生应用多种方法解决问题的能力 比如正交分解法 临界分析法等 综合性强 能考查考生多方面的能力 能真正考查考生对知识的掌握程度 体现了对考生分析综合能力和应用数学知识解决物理问题能力的考查 变式题 2009 安徽 过山车是游乐场中常见的设施 如图3 3 2所示是一种过山车的简易模型 它由水平轨道和在竖直平面内的三个圆形轨道组成 B C D分别是三个圆形轨道的最低点 B C间距与C D间距相等 半径R1 2 0m R2 1 4m 一个质量为m 1 0kg的小球 视为质点 从轨道的左侧A点以v0 12 0m s的初速度沿轨道向右运动 A B间距L1 6 0m 小球与水平轨道间的动摩擦因数 0 2 圆形轨道是光滑的 假设水平轨道足够长 圆形轨道间不相互重叠 重力加速度g 10m s2 计算结果保留小数点后一位数字 试求 1 小球在经过第一个圆形轨道的最高点时 轨道对小球作用力的大小 2 如果小球恰能通过第二圆形轨道 B C间距L应是多少 3 在满足 2 的条件下 如果要使小球不能脱离轨道 在第三个圆形轨道的设计中 半径R3应满足的条件 小球最终停留点与起点A的距离 1 设小球经过第一个圆轨道的最高点时的速度为v1 根据动能定理 小球在最高点受到重力mg和轨道对它的作用力F 根据牛顿第二定律 2 设小球在第二个圆轨道的最高点的速度为v2 由题意 由 得L 12 5m 3 要保证小球不脱离轨道 可分两种情况进行讨论 轨道半径较小时 小球恰能通过第三个圆轨道 设在最高点的速度为v3 应满足 由 得R3 0 4m 轨道半径较大时 小球上升的最大高度为R3 解得R3 1 0m为了保证圆轨道不重叠 R3最大值应满足 R2 R3 2 L2 R3 R2 2解得R3 27 9m综合 要使小球不脱离轨道 则第三个圆轨道的半径须满足下面的条件 平抛运动与圆周运动的结合 例4 2010 重庆 小明站在水平地面上 手握不可伸长的轻绳一端 绳的另一端系有质量为m的小球 甩动手腕 使球在竖直平面内做圆周运动 当球某次运动到最低点时 绳突然断掉 球飞离水平距离d后落地 如图3 4 1所示 已知握绳的手离地面高度为d 手与球之间的绳长为d 重力加速度为g 忽略手的运动半径和空气阻力 1 求绳断时球的速度大小v1 和球落地时的速度大小v2 2 问绳能承受的最大拉力多大 3 改变绳长 使球重复上述运动 若绳仍在球运动到最低点时断掉 要使球抛出的水平距离最大 绳长应为多少 最大水平距离为多少 以小球做圆周运动 平抛运动为背景 考查利用牛顿运动定律 机械能守恒定律等来综合分析解题的能力 1 设绳断后球飞行时间为t 由平抛运动规律 有 2 设绳能承受的最大拉力大小为T 这也是球受到绳的最大拉力大小 球做圆周运动的半径为 3 设绳长为l 绳断时球的速度大小为v3 绳承受的最大拉力不变 有 绳断后球做平抛运动 竖直位移为d l 水平位移为x 时间为t1 有 本题考查力学综合知识 包括平抛运动的处理 机械能守恒 圆周运动的向心力的表达式等知识点 第三问求极值问题对数理结合的能力要求较高 变式题 如图3 4 2所示 在倾角为q的光滑斜面上 有一长R的细线 细线的一端固定在O点 另一端拴一质量为m的小球 现使小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动 已知O点到斜 面底边的距离SOC L 求 1 小球通过最高点A时的速度vA 2 小球通过最低点B时 细线对小球的拉力 3 小球运动到A点或B点时细线断裂 小球滑落到斜面底边时到C点的距离若相等 则R和L应满足的关系 1 小球恰好能在斜面上做完整的圆周运动 3 在A B两点线断裂后 小球都做类平抛运动 设平抛的水平距离为x 万有引力定律的应用 例5 我国发射的 嫦娥一号 探月卫星沿近似于圆形的轨道绕月飞行 为了获得月球表面全貌的信息 让卫星轨道平面缓慢变化 卫星将获得的信息持续用微波信号发回地球 设地球和月球的质量分别为M和m 地球和月球的半径分别为R和R1 月球绕地球的轨道半径和卫星绕月球的轨道半径分别为r和r1 月球绕地球转动的周期为T 假定在卫星绕月运行的一个周期内卫星轨道平面与地月连心线共面 求在该周期内卫星发射的微波信号因月球遮挡而不能到达地球的时间 用M m R R1 r r1和T表示 忽略月球绕地球转动对遮挡时间的影响 如图所示 O和O 分别表示地球和月球的中心 在卫星轨道平面上 A是地月连心线OO 与地 月球表面的公切线ACD的交点 D C和B分别是该公切线与地球表面 月球表面和卫星圆轨道的交点 根据对称性 过A点在另一侧作地月球面的公切线 交卫星轨道于E点 卫星在圆弧上运动时发出的信号被遮挡 画出地 月 卫的示意图 根据万有引力提供向心力及几何关系进行求解 注意卫星绕月时要忽略地球对卫星的影响 设探月卫星的质量为m0 万有引力常量为G 根据万有引力定律有 式中 T1是探月卫星绕月球转动的周期 由 式得 设卫星的微波信号被遮挡的时间为t 则由于卫星绕月球做匀速圆周运动 应有 上式中 a CO A b CO B 由几何关系得 rcosa R R1 r1cosb R1 解决有关天体运动的问题 要抓住两条关键 变式题1 英国 新科学家 NewScientist 杂志评选出了2008年度世界8项科学之最 在XTEJ1650 500双星系统中发现的最小黑洞位列其中 若某黑洞的半径R约45km 质量M和半径R的关 则该黑洞表面重力加速度的数量级为 A 108m s2B 1010m s2C 1012m s2D 1014m s2 C 设黑洞表面重力加速度a 根据天体运动 变式题2 2010 全国 如图3 5 1 质量分别为m和M的两个星球A和B在引力作用下都绕O点做匀速圆周运动 星球A和B两者中心之间距离 为L 已知A B的中心和O三点始终共线 A和B分别在O的两侧 引力常数为G 1 求两星球做圆周运动的周期 2