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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí)專題四曲線運動考點一曲線運動運動的合成與分解教學(xué)案(含解析)
基礎(chǔ)點
知識點1 曲線運動
1.速度的方向:質(zhì)點在某一點的速度方向,沿曲線上該點的切線方向。
2.運動性質(zhì):做曲線運動的物體,速度的方向時刻改變,故曲線運動一定是變速運動,即必然具有加速度。
3.物體做曲線運動的條件
(1)運動學(xué)角度:物體的加速度方向跟速度方向不在同一條直線上。
(2)動力學(xué)角度:物體所受合外力的方向跟速度方向不在同一條直線上。
4.合外力方向與軌跡的關(guān)系
物體做曲線運動的軌跡一定夾在速度方向與合外力方向之間,速度方向與軌跡相切,合外力方向指向軌跡的“凹”側(cè)。
知識點2 運動的合成與分解
1.基本概念
(1)分運動和合運動:一個物體同時參與幾個運動,參與的這幾個運動即分運動,物體的實際運動即合運動。
(2)運動的合成:已知分運動求合運動,包括位移、速度和加速度的合成。
(3)運動的分解:已知合動運求分運動,包括位移、速度和加速度的分解。
2.分解原則:根據(jù)運動的實際效果分解,也可采用正交分解法。
3.遵循的規(guī)律:位移、速度、加速度都是矢量,故它們的合成與分解都遵循平行四邊形法則。
4.合運動與分運動的四個特性
(1)等時性:合運動和分運動經(jīng)歷的時間相等,即同時開始、同時進行、同時停止。
(2)獨立性:一個物體同時參與幾個分運動,各分運動獨立進行,不受其他運動的影響。
(3)等效性:各分運動的規(guī)律疊加起來與合運動的規(guī)律有完全相同的效果。
(4)同一性:各分運動與合運動是指同一物體參與的分運動和實際發(fā)生的運動。
重難點
一、對曲線運動的理解
1.條件:物體受到的合外力與初速度不共線。
2.合力方向與軌跡的關(guān)系
無力不拐彎,拐彎必有力。曲線運動軌跡始終夾在合力方向與速度方向之間,而且向合力的方向彎曲,或者說合力的方向總是指向軌跡的“凹”側(cè)。
3.曲線運動的特點
(1)做曲線運動的物體速度方向始終沿軌跡的切線方向,速度時刻在變化,加速度一定不為零,故曲線運動一定是變速運動。當(dāng)加速度與初速度不在一條直線上,
①若加速度恒定,物體做勻變速曲線運動;
②若加速度變化,物體做非勻變速曲線運動。
(2)做曲線運動的物體,所受合外力一定指向曲線的凹側(cè),曲線運動的軌跡不會出現(xiàn)急折,只能平滑變化,軌跡總在力與速度的夾角中,
①若已知物體的運動軌跡,可判斷出合外力的大致方向;
②若已知合外力方向和速度方向,可知道物體運動軌跡的大致情況。
(3)做曲線運動的物體,所受合力沿切線方向的分力改變速度的大小,沿徑向的分力改變速度的方向,如下圖所示。
①當(dāng)合力方向與速度方向的夾角為銳角時,物體運動的速率將增大;F2使其加速,F(xiàn)1使其改變方向。
②當(dāng)合力方向與速度方向的夾角為鈍角時,物體運動的速率將減??;F2使其減速,F(xiàn)1使其改變方向。
③當(dāng)合力方向與速度方向垂直時,物體運動的速率不變。F只改變其方向。
特別提醒
決定物體運動情況的因素是初速度和合外力,應(yīng)首先分析物體的受力情況,明確物體所受合外力的方向與初速度方向是否在一條直線上,若在一條直線上,則做直線運動,否則做曲線運動。
二、運動的合成與分解的理解
1.研究曲線運動的思維過程
(欲知)曲線運動規(guī)律(只需研究)兩分運動規(guī)律(得知)曲線運動規(guī)律。
2.運動的合成與分解的運算法則
運動的合成與分解是指描述物體運動的各物理量,即位移、速度、加速度的合成與分解。由于它們都是矢量,所以它們都遵循矢量的合成與分解法則。
(1)兩分運動在同一直線上時,同向相加,反向相減。
(2)兩分運動不在同一直線上時,按照平行四邊形定則進行合成或分解。
3.合運動性質(zhì)的判斷方法
(1)合運動類型
(2)兩個直線運動的合運動性質(zhì)的判斷
根據(jù)合加速度方向與合初速度方向判定合運動是直線運動還是曲線運動,具體分以下幾種情況:
(不共線)分運動
合運動
兩個勻速直線運動
勻速直線運動
一個勻速直線運動、一個勻變速直線運動
勻變速曲線運動
續(xù)表
(不共線)分運動
合運動
兩個初速度為零的勻加速直線運動
勻加速直線運動
兩個初速度不為零的勻變速直線運動
如v0合與a合共線,則合運動為勻變速直線運動
如v0合與a合不共線,則合運動為勻變速曲線運動
特別提醒
(1)判斷合運動是否是勻變速運動,應(yīng)看合加速度是否恒定;判斷合運動的軌跡是直線還是曲線,應(yīng)看合初速度與合加速度是否共線。
(2)分清合運動與分運動。物體實際發(fā)生的運動是合運動,一般就是物體相對地面發(fā)生的運動。
(3)在運動的合成中,要充分利用運動的獨立性和等時性。根據(jù)題意作出符合情境的運動合成矢量圖。
三、小船渡河模型
1.模型構(gòu)建
在運動的合成與分解問題中,兩個勻速直線運動的合運動仍是勻速直線運動,其中一個速度大小和方向都不變,另一個速度大小不變,方向在180范圍內(nèi)(在速度不變的分運動所在直線的一側(cè))變化。我們對合運動或分運動的速度、時間、位移等問題進行研究。這樣的運動系統(tǒng)可看作“小船渡河模型”。
2.模型條件
(1)物體同時參與兩個勻速直線運動。
(2)一個分運動速度大小和方向保持不變,另一個分運動速度大小不變,方向可在一定范圍內(nèi)變化。
3.模型特點
(1)船的實際運動是水流的運動和船相對靜水的運動的合運動。
(2)三種速度:船在靜水中的速度v1、水的流速v2、船的實際速度v。
(3)三種情景
①過河時間最短:船頭正對河岸,渡河時間最短,t短=(d為河寬)。
②過河路徑最短(v2
v1時):合速度不可能垂直于河岸,無法垂直河岸渡河。確定方法如下:如圖所示,以v2矢量末端為圓心,以v1矢量的大小為半徑畫弧,從v2矢量的始端向圓弧作切線,則合速度沿此切線方向航程最短。由圖可知sinθ=,最短航程x短==d。
特別提醒
(1)正確區(qū)分分運動和合運動,船的航行方向也就是船頭指向,是分運動。船的運動方向也就是船的實際運動方向,是合運動,一般情況下與船頭指向不一致。
(2)按實際效果分解,一般用平行四邊形定則按水流方向和船頭指向分解。
(3)渡河時間只與垂直河岸的船的分速度有關(guān),與水流速度無關(guān)。
(4)求最短渡河位移時,根據(jù)船速v船與水流速度v水的大小關(guān)系選擇不同的處理方法。
(5)當(dāng)船速v船等于水流速度v水時,渡河的最短距離無限接近河寬,只不過距離越短,渡河時間越長。
四、“關(guān)聯(lián)”速度問題
繩、桿等有長度的物體在運動過程中,其兩端點速度通常是不一樣的,但兩端點的速度是有聯(lián)系的,常稱之為“關(guān)聯(lián)”速度,對這一模型分析如下:
1.模型特點
沿繩(或桿)方向的速度分量大小相等。
2.思路與方法
合速度→物體的實際運動速度v
分速度→
方法:v1與v2的合成遵循平行四邊形定則。
3.解題的原則
把物體的實際速度分解為垂直于繩(桿)和平行于繩(桿)的兩個分量,根據(jù)沿繩(桿)方向的分速度大小相等求解。常見的模型如圖所示。
特別提醒
(1)解決“關(guān)聯(lián)”速度問題要特別注意
①分解誰?分解物體實際運動的速度即合速度;
②如何分解?沿桿或繩方向和垂直桿或繩方向;
③有何關(guān)系?沿桿或繩方向的速率相等。
(2)與繩(桿)相關(guān)聯(lián)物體的運動分解很容易與力的分解相混淆,如圖甲中極易作出如圖所示的速度分解圖,從而得出錯誤結(jié)果。要注意物體的運動引起了兩個效果:一是繩子的收縮,二是繩繞滑輪的轉(zhuǎn)動,應(yīng)根據(jù)實際效果進行運動的分解。
1.思維辨析
(1)速度發(fā)生變化的運動,一定是曲線運動。( )
(2)做曲線運動的物體加速度一定是變化的。( )
(3)做曲線運動的物體速度大小一定發(fā)生變化。( )
(4)曲線運動可能是勻變速運動。( )
(5)兩個分運動的時間一定與它們的合運動的時間相等。( )
(6)合運動的速度一定比分運動的速度大。( )
(7)只要兩個分運動為直線運動,合運動一定是直線運動。( )
(8)分運動的位移、速度、加速度與合運動的位移、速度、加速度間滿足平行四邊形定則。( )
答案 (1) (2) (3) (4)√ (5)√ (6) (7) (8)√
2.(多選)一只小船在靜水中的速度為3 m/s,它要渡過一條寬為30 m的河,河水流速為4 m/s,則這只船( )
A.過河時間不可能小于10 s
B.不能沿垂直于河岸方向過河
C.渡過這條河所需的時間可以為6 s
D.不可能渡過這條河
答案 AB
解析 船在過河過程同時參與兩個運動,一個是受水流影響沿河岸向下的運動,一個是船自身的運動。垂直河岸方向位移即河的寬度d=30 m,而垂直河岸方向的最大分速度即船自身的速度3 m/s,所以渡河最短時間t==10 s,A對C錯。只要有垂直河岸的分速度,就可以渡過這條河,D錯。船實際發(fā)生的運動就是合運動,如果船垂直河岸方向過河,即合速度垂直河岸方向。一個分速度沿河岸向下,與合速度垂直,那么在速度合成的三角形中船的速度即斜邊,要求船的速度大于水的速度,而本題目中船的速度小于河水的速度,故不可能垂直河岸方向過河,B對。
3.如圖所示,不計所有接觸面之間的摩擦,斜面固定,兩物體質(zhì)量分別為m1和m2,且m1<m2。若將m2從位置A由靜止釋放,當(dāng)落到位置B時,m2的速度為v2,且繩子與豎直方向的夾角為θ,則這時m1的速度大小v1等于( )
A.v2sinθ B.
C.v2cosθ D.
答案 C
解析
物體m2的實際運動情況是沿桿豎直下滑,這個實際運動是合運動,m1的速度與繩上各點沿繩方向的速度大小相等,所以繩的速度等于m1的速度v1,而m2的實際運動應(yīng)是合運動(沿桿向下),合速度v2可由沿繩子方向的分速度和垂直于繩子的分速度來合成(即兩個實際運動效果)。因此v1跟v2的關(guān)系如圖所示,由圖可看出m1的速度大小v1=v2cosθ,C正確。
[考法綜述] 本考點是曲線運動部分的基礎(chǔ),但是在考試大綱中卻是Ⅱ級要求,因此在高考中單獨命題的頻率不低,試題難度大多中等及偏小,偶有中等以上,復(fù)習(xí)中要以夯實基礎(chǔ)為主,同時要兼顧知識的理解和靈活運用,要掌握以下內(nèi)容:
2個概念——合運動和分運動
1個條件——物體做曲線運動的條件
2個定則——平行四邊形定則、三角形定則
2個模型——小船渡河模型、“關(guān)聯(lián)”速度模型
命題法1 曲線運動的性質(zhì)、條件、軌跡
典例1 某研究性學(xué)習(xí)小組進行了如下實驗:如圖所示,在一端封閉的光滑細(xì)玻璃管中注滿清水,水中放一個紅蠟做成的小圓柱體R。將玻璃管的開口端用膠塞塞緊后豎直倒置且與y軸重合,在R從坐標(biāo)原點以速度v0=3 cm/s勻速上浮的同時,玻璃管沿x軸正方向做初速為零的勻加速直線運動。同學(xué)們測出某時刻R的坐標(biāo)為(4,6),此時R的速度大小為________cm/s。R在上升過程中運動軌跡的示意圖是________。(R視為質(zhì)點)
[答案] 5 D
[解析] 小圓柱體R沿水平方向做初速度為零的勻加速直線運動,位移x=t,豎直方向做勻速直線運動,位移y=v0t,解得vx=4 cm/s,此時R的合速度v==5 cm/s,小圓柱體R所受合力的方向沿x軸方向,根據(jù)曲線運動的特點,軌跡應(yīng)向受力的一側(cè)彎曲,故選項D正確。
【解題法】 物體做曲線運動的軌跡特征
(1)判斷物體是做曲線運動還是做直線運動,關(guān)鍵要看a和v的方向,兩者方向在同一直線上則做直線運動,有夾角則做曲線運動。
(2)分析曲線軌跡時應(yīng)注意三點:凹向、彎曲程度與軌跡位置。
(3)曲線上某點處合外力的方向在曲線上該點的切線的哪一側(cè),曲線就向哪一側(cè)彎曲;曲線上某點的加速度越大、速度越小,則曲線軌跡彎曲越厲害;曲線軌跡必定夾在a、v方向之間。
命題法2 運動的合成與分解
典例2 某質(zhì)點在xOy平面內(nèi)運動,其在x軸方向和y軸方向上的vt圖象分別如圖甲和圖乙所示,則下列判斷正確的是( )
A.該質(zhì)點做勻變速曲線運動
B.該質(zhì)點有恒定的加速度,大小為2.5 m/s2
C.該質(zhì)點的初速度為7 m/s
D.前2 s內(nèi)該質(zhì)點的位移為21 m
[答案] B
[解析] 由題圖可知,質(zhì)點在x軸和y軸方向上的初速度大小分別為3 m/s和4 m/s,因此合初速度大小為v0= =m/s=5 m/s,方向與x軸正方向的夾角為θ=arctan=arctan=53;質(zhì)點在x軸和y軸方向上的加速度大小分別為ax=m/s2 =1.5 m/s2,ay= m/s2=2 m/s2,合加速度大小為a= = m/s2=2.5 m/s2,方向與x軸正方向的夾角為α=arctan=arctan=53,可見加速度a與初速度v0方向相同,質(zhì)點做勻加速直線運動,選項A、C錯誤,B正確;前2 s內(nèi)質(zhì)點的位移大小為s=v0t+at2=15 m,選項D錯誤。
【解題法】 處理運動合成與分解問題的技巧
(1)分析運動的合成與分解問題時,要注意運動的分解方向,一般情況按運動效果進行分解,切記不可按分解力的思路來分解運動。
(2)要注意分析物體在兩個方向上的受力及運動規(guī)律,分別在兩個方向上列式求解。
(3)兩個分方向上的運動具有等時性,這常是處理運動分解問題的關(guān)鍵點。
命題法3 小船渡河類問題
典例3 如圖所示,甲、乙兩同學(xué)從河中O點出發(fā),分別沿直線游到A點和B點后,立即沿原路線返回到O點,OA、OB分別與水流方向平行和垂直,且OA=OB。若水流速度不變,兩人在靜水中游速相等,則他們所用時間t甲、t乙的大小關(guān)系為( )
A.t甲<t乙 B.t甲=t乙
C.t甲>t乙 D.無法確定
[答案] C
[解析] 設(shè)水速為v0,人在靜水中的速度為v,OA= OB=x。對甲,O→A階段人對地的速度為(v+v0),所用時間t1=;A→O階段人對地的速度為(v-v0),所用時間t2=,所以甲所用時間t甲=t1+t2=+=。對乙,O→B階段和B→O階段的實際速度v′為v和v0的合成,如圖所示。由幾何關(guān)系得,實際速度v′=,故乙所用時間t乙==。=>1,即t甲>t乙,故C正確。
【解題法】 “三模型、兩方案”解決小船渡河問題
命題法4 “關(guān)聯(lián)”速度類問題
典例4 (多選)如圖所示,將質(zhì)量為2m的重物懸掛在輕繩的一端,輕繩的另一端系一質(zhì)量為m的小環(huán),小環(huán)套在豎直固定的光滑直桿上,光滑定滑輪與直桿的距離為d?,F(xiàn)將小環(huán)從與定滑輪等高的A處由靜止釋放,當(dāng)小環(huán)沿直桿下滑距離也為d時(圖中B處),下列說法正確的是(重力加速度為g)( )
A.小環(huán)剛釋放時輕繩中的張力一定大于2mg
B.小環(huán)到達(dá)B處時,重物上升的高度h為(-1)d
C.小環(huán)在B處的速度與重物上升的速度大小之比等于
D.小環(huán)在B處的速度與重物上升的速度大小之比等于
[答案] ABD
[解析]
釋放時小環(huán)向下加速運動,則重物將加速上升,對重物由牛頓第二定律可以知道繩中張力一定大于重力2mg,所以A正確;小環(huán)到達(dá)B處時,繩與直桿間的夾角為45,重物上升的高度h=(-1)d,選項B正確;將小環(huán)速度v進行正交分解如圖所示,其分速度v1與重物上升的速度大小相等,v1=vcos45=v,所以,小環(huán)在B處的速度與重物上升的速度大小之比等于,選項C錯誤,選項D正確。
【解題法】 “關(guān)聯(lián)”速度類問題的思維過程
(1)首先認(rèn)清所研究的對象以及研究對象之間靠什么聯(lián)系在一起;
(2)其次分析物體的運動性質(zhì),哪個運動是實際的運動,哪個運動是分運動,找出位移、加速度或速度的大小、方向;
(3)最后利用正交分解法進行合成與分解。
1.由于衛(wèi)星的發(fā)射場不在赤道上,同步衛(wèi)星發(fā)射后需要從轉(zhuǎn)移軌道經(jīng)過調(diào)整再進入地球同步軌道。當(dāng)衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上飛經(jīng)赤道上空時,發(fā)動機點火,給衛(wèi)星一附加速度,使衛(wèi)星沿同步軌道運行。已知同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度約為3.1103 m/s,某次發(fā)射衛(wèi)星飛經(jīng)赤道上空時的速度為1.55103 m/s,此時衛(wèi)星的高度與同步軌道的高度相同,轉(zhuǎn)移軌道和同步軌道的夾角為30,如圖所示,發(fā)動機給衛(wèi)星的附加速度的方向和大小約為( )
A.西偏北方向,1.9103 m/s
B.東偏南方向,1.9103 m/s
C.西偏北方向,2.7103 m/s
D.東偏南方向,2.7103 m/s
答案 B
解析
由題設(shè)條件可知,衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道經(jīng)赤道上空時速度v1=1.55103 m/s,同步衛(wèi)星的環(huán)繞速度v=3.1103 m/s,設(shè)發(fā)動機給衛(wèi)星的附加速度為v2,由平行四邊形定則,三個速度間關(guān)系如圖所示,由余弦定理可得v2= =1.9103 m/s,選項B正確。
2.如圖所示,帆板在海面上以速度v朝正西方向運動,帆船以速度v朝正北方向航行,以帆板為參照物( )
A.帆船朝正東方向航行,速度大小為v
B.帆船朝正西方向航行,速度大小為v
C.帆船朝南偏東45方向航行,速度大小為 v
D.帆船朝北偏東45方向航行,速度大小為 v
答案 D
解析
以帆板為參照物,帆船具有正東方向的速度v和正北方向的速度v,所以帆船相對帆板的速度v相=v,方向北偏東45,D正確。
3.圖示是α粒子(氦原子核)被重金屬原子核散射的運動軌跡,M、N、P、Q是軌跡上的四點,在散射過程中可以認(rèn)為重金屬原子核靜止不動。圖中所標(biāo)出的α粒子在各點處的加速度方向正確的是( )
A.M點 B.N點
C.P點 D.Q點
答案 C
解析 α粒子加速度的方向與α粒子受到的合外力方向相同,α粒子和原子核都帶正電,α粒子受到的合外力方向在兩點的連線上且為斥力,易知只有P點的受力方向正確,選項C正確。
4.有一條兩岸平直、河水均勻流動、流速恒為v的大河。小明駕著小船渡河,去程時船頭指向始終與河岸垂直,回程時行駛路線與河岸垂直。去程與回程所用時間的比值為k,船在靜水中的速度大小相同,則小船在靜水中的速度大小為( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 設(shè)河岸寬度為d,去程時t1=,回程時t2=,又=k,三式聯(lián)立解得v靜=,B正確。
5.一物體以速度v運動,到達(dá)位置A開始受到向前但偏右(觀察者沿物體的運動方向看,下同)的合力,到達(dá)B時,合力改成與前進方向相同,到達(dá)C時,合力又突然改成向前但偏左,最終到達(dá)D。以下四圖表示物體全程的運動軌跡,正確的是( )
答案 A
解析 從位置A開始,它受到向前但偏右(觀察者沿著物體前進方向看,下同)的合力,運動的軌跡位于F與v之間,且軌跡彎向受力方向,選項B、D錯誤;到達(dá)B時,合力改成與前進方向相同,所以受力的方向與速度的方向相同,選項C錯誤。
6.如圖所示,人在岸上拉船,已知船的質(zhì)量為m,水的阻力恒為f,當(dāng)輕繩與水平面的夾角為θ時,人的速度為v,人的拉力為F(不計滑輪與繩之間的摩擦),則以下說法正確的是 ( )
A.船的速度為vcosθ B.船的速度為vsinθ
C.船的加速度為 D.船的加速度為
答案 C
解析 船運動的速度是沿繩子收縮方向的速度和繞定滑輪轉(zhuǎn)動速度的合速度,如圖甲所示,根據(jù)平行四邊形定則有v=v船cosθ,則船的速度為v船=,故選項A、B錯誤;對小船受力分析,如圖乙所示,則有Fcosθ-f=ma,因此船的加速度大小為a=,選項C正確,D錯誤。
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