2023高考一轮复习 曲线运动 解析版

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2023高考一轮复习 曲线运动 解析版

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曲线运动
一、运动的合成与分解(多选会在题目前注明,没注明的是单选)
关联速度问题的常见模型
1.如图所示,人沿平直的河岸以速度v行走,且通过不可伸长的绳拖船,船沿绳的方向行进,此过程中绳始终与水面平行。当绳与河岸的夹角为α 时,船的速率为( )
vsinα B.
C.vcosα D.
答案:C
解析:本题考查运动的合成与分解。本题难点在于船的发动机是否在运行、河水是否有速度。依题意船沿着绳子的方向前进,即船的速度是沿着绳子的,根据绳子连接体的两端物体的速度在绳子上的投影速度相同,即人的速度v在绳子方向的分量等于船速,故v船=vcosα,C对。
2.如图,物体A套在竖直杆上,经细绳通过定滑轮拉动物体B在水平面上运动,开始时A、B间的细绳呈水平状态,现由计算机控制物体A的运动,使其恰好以速度v沿杆匀速下滑(B始终未与滑轮相碰),则( )
A.细绳与杆的夹角为α时,B的速率为vsin α
B.细绳与杆的夹角为α时,B的速率为vcos α
C.物体B也做匀速直线运动
D.物体B做匀加速直线运动
答案 B
解析 如图所示,将A物体的速度按图示两个方向分解,知细绳速率v绳=vcos α;而细绳速率等于物体B的速率,则有物体B的速率vB=v绳=vcos α,故A错误,B正确;因α减小,则vB=v绳=vcos α增大,B物体加速运动,但不是匀加速运动,故C、D错误。
3.如图所示,在水平力F作用下,物体B沿水平面向右运动,物体A恰匀速上升。以下说法正确的是( )
A.物体B正向右做匀减速运动
B.物体B正向右做加速运动
C.地面对B的摩擦力减小
D.斜绳与水平方向成30°时,vA∶vB=∶2
答案:D
解析:将B的运动分解为沿绳子方向和垂直于绳子方向,沿绳子方向上的分速度等于A的速度,如图所示,根据平行四边形定则有vBcos α=vA,所以vB=,当α减小时,物体B的速度减小,但B不是做匀减速运动,选项A、B错误;在竖直方向上,对B有mg=FN+FTsin α,FT=mAg,α减小,则支持力FN增大,根据Ff=μFN可知摩擦力Ff增大,选项C错误;根据vBcos α=vA,知斜绳与水平方向成30°时,vA∶vB=∶2,选项D正确。
二、平抛运动
1.(多选)如图,x轴在水平地面内,y轴沿竖直方向。图中画出了从y轴上沿x轴正向抛出的三个小球a、b和c的运动轨迹,其中b和c是从同一点抛出的,不计空气阻力,则( )
A.a的飞行时间比b的长
B.b和c的飞行时间相同[m]
C.a的水平速度比b的小
D.b的初速度比c的大
答案:BD
解析: 由平抛运动基本规律可求得:, 即平抛运动运动时间由高度决定,选项A错误,选项B正确。由平抛运动基本规律可知,a的用时比b短,但水平位移比b大,说明a的初速度较大,选项C错误;时间一定时,水平位移较大的,初速度较大,即D选项正确。
2.发球机从同一高度向正前方依次水平射出两个速度不同的乒乓球(忽略空气的影响)。速度较大的球越过球网,速度较小的球没有越过球网,其原因是( )
A.速度较小的球下降相同距离所用的时间较多
B.速度较小的球在下降相同距离时在竖直方向上的速度较大
C.速度较大的球通过同一水平距离所用的时间较少
D.速度较大的球在相同时间间隔内下降的距离较大
答案:C
解析:在竖直方向,球做自由落体运动,由h=gt2知,选项A、D错误。由v2=2gh知,选项B错误。在水平方向,球做匀速直线运动,通过相同水平距离,速度大的球用时少,选项C正确。
3.(多选)如图(a)所示,在跳台滑雪比赛中,运动员在空中滑翔时身体的姿态会影响其下落的速度和滑翔的距离。某运动员先后两次从同一跳台起跳,每次都从离开跳台开始计时,用v表示他在竖直方向的速度,其v t图象如图(b)所示,t1和t2是他落在倾斜雪道上的时刻。则( )
 
(a)       (b) 
A.第二次滑翔过程中在竖直方向上的位移比第一次的小
B.第二次滑翔过程中在水平方向上的位移比第一次的大
C.第二次滑翔过程中在竖直方向上的平均加速度比第一次的大
D.竖直方向速度大小为v1时,第二次滑翔在竖直方向上所受阻力比第一次的大
答案:BD
解析:根据v t图线与横轴所围图形的面积表示位移,可知第二次滑翔过程中在竖直方向上的位移比第一次的大,选项A错误;根据v t图线的斜率表示加速度,综合分析可知,第二次滑翔过程中在竖直方向上的平均加速度比第一次的小,选项C错误。
第二次滑翔过程中在竖直方向的位移比第一次的大,又运动员每次滑翔过程中竖直位移与水平位移的比值相同(等于倾斜雪道与水平面夹角的正切值),故第二次滑翔过程中在水平方向上的位移比第一次的大,选项B正确;竖直方向上的速度大小为v1时,根据v t图线的斜率表示加速度可知,第二次滑翔过程中在竖直方向上的加速度比第一次的小,由牛顿第二定律有mg-f=ma,可知第二次滑翔过程中在竖直方向上所受阻力比第一次的大,选项D正确。
4.如图,水平地面上有一个坑,其竖直截面为半圆。ab为沿水平方向的直径。若在a点以初速度v0沿ab方向抛出一小球,小球会击中坑壁上的c点。已知c点与水平地面的距离为圆半径的一半,求圆的半径。
【解析】设圆半径为r,质点做平抛运动,则:


如图所示,过c点作cd⊥ab与ab相交于d点,Rt△acd ∽Rt△cbd可得, 即为: ③
由①②③得:r=v02
例题3.结合斜面的考查问题
5. (多选)如图,轰炸机沿水平方向匀速飞行,到达山坡底端正上方时释放一颗炸弹,并垂直击中山坡上的目标A。已知A点高度为h,山坡倾角为θ,由此可算出( )
轰炸机的飞行高度
B.轰炸机的飞行速度
C.炸弹的飞行时间
D.炸弹投出时的动能
答案:ABC
解析:根据题述,在落点处将速度沿水平方向和竖直方向进行分解,可得,通过图中几何关系可知:,H=h+y,y=gt2,联立上式可算出轰炸机的飞行高度H;轰炸机的飞行速度v,炸弹的飞行时间t,选项ABC正确。由于题述没有给出炸弹质量,不能得出炸弹投出时的动能,选项D错误。
方法提炼:
平抛运动解题的核心在于运动时间的求解,只要求解出时间,就能顺理成章解决其余问题。在本部分主要是利用位移偏角或速度偏角求解时间。
分类
典型 装置 速度偏角 位移偏角
常用 规律
推论 应用 分解速度,构建速度的矢量三角形 水平方向:vx=v0 竖直方向:vy=gt θ与v0、t的关系:tan θ== 可求得飞行时间:t= 分解位移,构建位移的矢量三角形 水平位移:x=v0t 竖直位移: 位移偏角 可求得飞行时间:t=
做平抛运动的物体在某时刻,其速度方向与水平方向的夹角为θ,位移与水平方向的夹角为α,则有tan θ=2tan α。 (2)做平抛运动的物体,在任意时刻的速度的反向延长线一定通过此时水平位移的中点。
6.在一斜面顶端,将甲乙两个小球分别以v和的速度沿同一方向水平抛出,两球都落在该斜面上。甲球落至斜面时的速率是乙球落至斜面时速率的( )
A.2倍 B.4倍 C.6倍 D.8倍
答案:A
解析:由于两个小球的起点和落点在同一斜面,因此甲乙两个小球的位移偏角相同,由推论:速度偏角正切值是位移偏角正切值的2倍,可知,甲乙两个小球的速度偏角也相同,因此速度的比等于落到斜面的合速度的比,由于初速度是2倍的关系,因此末速度也是2倍关系。
7.如图所示,一物体自倾角为θ的固定斜面顶端沿水平方向抛出后落在斜面上。物体与斜面接触时速度与水平方向的夹角φ满足(空气阻力不计)( )
A.tan φ=sin θ B.tan φ=cos θ
C.tan φ=tan θ D.tan φ=2tan θ
答案:D
解析:物体从抛出至落到斜面的过程中,位移方向与水平方向夹角为θ,落到斜面上时速度方向与水平方向夹角为φ,由平抛运动的推论知tan φ=2tan θ,选项D正确。
8.如图所示,从倾角为θ的斜面上某点先后将同一小球以不同的初速度水平抛出,小球均落在斜面上,当抛出的速度为v1时,小球到达斜面时速度方向与斜面的夹角为α1;当抛出速度为v2时,小球到达斜面时速度方向与斜面的夹角为α2,不计空气阻力,则( )
A.当v1>v2时,α1>α2
B.当v1>v2时,α1<α2
C.无论v1、v2关系如何,均有α1=α2
D.α1、α2的关系与斜面倾角θ有关
答案:C
解析:小球从斜面某点水平抛出后落到斜面上,小球的位移与水平方向的夹角等于斜面倾角θ,即tan θ===,小球落到斜面上时速度方向与水平方向的夹角的正切值tan β==,故可得tan β=2tan θ,只要小球落到斜面上,位移方向与水平方向夹角就总是θ,则小球的速度方向与水平方向的夹角也总是β,故速度方向与斜面的夹角总是相等,与v1、v2的关系无关,C选项正确。
三、圆周运动
1.如图所示的皮带传动装置中,甲轮的轴和乙、丙轮的轴均为水平轴,其中,甲、丙两轮半径相等,乙轮半径是丙轮半径的一半。A、B、C三点分别是甲、乙、丙三轮边缘上的点,若传动中皮带不打滑,则( )
A.A、B两点的线速度大小之比为2∶1
B.B、C两点的角速度之比为1∶2
C.A、B两点的向心加速度大小之比为2∶1
D.A、C两点的向心加速度大小之比为1∶4
答案 D
解析 传动中皮带不打滑,则A、B两点的线速度大小相等,A错误;B、C两点绕同一轴转动,故B、C两点的角速度相等,故B错误;由于A、B两点的线速度大小相等,半径之比为2∶1,由向心加速度an=可知A、B两点的向心加速度大小之比为1∶2,C错误;由于B、C两点的角速度相等,由an=ω2R可知B、C两点的向心加速度大小之比为1∶2,又A、B两点的向心加速度大小之比为1∶2,故D正确。
2.如图所示,圆柱形转筒绕其竖直中心轴转动,小物体贴在圆筒内壁上随圆筒一起转动而不滑落。则下列说法正确的是( )
A.小物体受到重力、弹力、摩擦力和向心力共4个力的作用
B.小物体随筒壁做圆周运动的向心力是由摩擦力提供的
C.筒壁对小物体的摩擦力随转速增大而增大
D.筒壁对小物体的弹力随转速增大而增大
答案:D
解析 小物体随圆筒一起做圆周运动,受重力、弹力和静摩擦力共3个力的作用,如图所示。故选项A错误;水平方向上,弹力指向圆心,提供向心力,据牛顿第二定律有:FN=mω2r,又ω=2πn可知转速越大,角速度越大,小物体所受的弹力越大,在竖直方向上,小物体所受的重力和静摩擦力平衡,静摩擦力大小不变,故选项B、C错误,D正确。
3. (多选)如图所示,两个质量均为m的小木块a和b(可视为质点)放在水平圆盘上,a与转轴OO′的距离为l,b与转轴的距离为2l,木块与圆盘的最大静摩擦力为木块所受重力的k倍,重力加速度大小为g。若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动,用ω表示圆盘转动的角速度,下列说法正确的是( )
A.b一定比a先开始滑动
B.a、b所受的摩擦力始终相等
C.ω=是b开始滑动的临界角速度
D.当ω=时,a所受摩擦力的大小为kmg
答案 AC
解析 小木块a、b做匀速圆周运动时,由静摩擦力提供向心力,即Ff=mω2R。当角速度增加时,静摩擦力增大,当增大到最大静摩擦力时,发生相对滑动,对木块a:Ffa=mωl,当Ffa=kmg时,kmg=mωa2l,ωa=;对木块b:Ffb=mωb2·2l,当Ffb=kmg时,kmg=mωb2·2l,ωb=,所以b先达到最大静摩擦力,即b先开始滑动,选项A正确。两木块滑动前转动的角速度相同,则Ffa=mω2l,Ffb=mω2·2l,Ffa4.如图所示,两个质量不同的小球用长度不等的细线拴在同一点,并在同一水平面内做同方向的匀速圆周运动,则它们的( )
A.运动周期不同
B.运动线速度大小相同
C.运动角速度大小相同
D.向心加速度大小相同
答案 C
解析 对其中一个小球受力分析,如图,受重力,绳子的拉力,由于小球做匀速圆周运动,故合力提供向心力;将重力与拉力合成,合力指向圆心,由几何关系得,合力:F=mgtan θ①
由向心力公式得:F=mω2r②
设小球与悬挂点间的高度差为h,由几何关系,得:r=htan θ③
由①②③得,ω=,可知角速度大小与绳子的长度和转动半径无关,两球角速度大小相同,故C正确;又由T=可知两球运动周期相同,故A错误;由v=ωr可知,两球转动半径不等,线速度大小不同,故B错误;由a=ω2r可知,两球转动半径不等,向心加速度大小不同,故D错误。
5.小球P和Q用不可伸长的轻绳悬挂在天花板上,P球的质量大于Q球的质量,悬挂P球的绳比悬挂Q球的绳短。将两球拉起,使两绳均被水平拉直,如图所示。将两球由静止释放。在各自轨迹的最低点( )
A.P球的速度一定大于Q球的速度
B.P球的动能一定小于Q球的动能
C.P球所受绳的拉力一定大于Q球所受绳的拉力
D.P球的向心加速度一定小于Q球的向心加速度
答案:C
解析:两球由静止释放到运动到轨迹最低点的过程中只有重力做功,机械能守恒,取轨迹的最低点为零势能点,则由机械能守恒定律得mgL=mv2,v=,因LPmQ,则两球的动能无法比较,选项A、B错误;在最低点绳的拉力为F,则F-mg=m,则F=3mg,因mP>mQ,则FP>FQ,选项C正确;向心加速度a==2g,选项D错误。
6.如图甲,小球用不可伸长的轻绳连接后绕固定点O在竖直面内做圆周运动,小球经过最高点时的速度大小为v,此时绳子的拉力大小为FT,拉力FT与速度的平方v2的关系如图乙所示,图象中的数据a和b包括重力加速度g都为已知量,以下说法正确的是( )
A.数据a与小球的质量有关
B.数据b与圆周轨道半径有关
C.比值只与小球的质量有关,与圆周轨道半径无关
D.利用数据a、b和g能够求出小球的质量和圆周轨道半径
解析 在最高点对小球受力分析,由牛顿第二定律有FT+mg=m,可得图线的函数表达式为FT=m-mg,题图乙中横轴截距为a,则有0=m-mg,得g=,则a=gR,A错误;图线过点(2a,b),则b=m-mg,可得b=mg,B错误;=,C错误;由b=mg得m=,由a=gR得R=,则D正确。
答案 D
7.如图,一轻绳的一端系在固定粗糙斜面上的O点,另一端系一小球。给小球一足够大的初速度,使小球在斜面上作圆周运动。在此过程中( )
A.小球的机械能守恒
B.重力对小球不做功
C.绳的张力对小球不做功
D.在任何一段时间内,小球克服摩擦力所做的功总是等于小球动能的减少
答案:C
解析:物体机械能守恒的条件是系统内只有重力或者弹力做功。小球在斜面上做圆周运动,在此过程中小球除了重力之外还有摩擦力做功,所以小球的机械能不守恒,故A错误;小球在斜面上做圆周运动,在此过程中小球在竖直方向上有位移产生,所以重力做功,故B错误;绳的张力始终与小球的速度方向垂直,所以绳的张力对小球不做功,故C正确;根据除了重力之外的力做功量度机械能的变化,在任何一段时间内,小球克服摩擦力所做的功总是等于小球的机械能的减少,故D错误。所以选C。曲线运动
一、运动的合成与分解(多选会在题目前注明,没注明的是单选)
关联速度问题的常见模型
1.如图所示,人沿平直的河岸以速度v行走,且通过不可伸长的绳拖船,船沿绳的方向行进,此过程中绳始终与水面平行。当绳与河岸的夹角为α 时,船的速率为( )
vsinα B.
C.vcosα D.
2.如图,物体A套在竖直杆上,经细绳通过定滑轮拉动物体B在水平面上运动,开始时A、B间的细绳呈水平状态,现由计算机控制物体A的运动,使其恰好以速度v沿杆匀速下滑(B始终未与滑轮相碰),则( )
A.细绳与杆的夹角为α时,B的速率为vsin α
B.细绳与杆的夹角为α时,B的速率为vcos α
C.物体B也做匀速直线运动
D.物体B做匀加速直线运动
3.如图所示,在水平力F作用下,物体B沿水平面向右运动,物体A恰匀速上升。以下说法正确的是( )
A.物体B正向右做匀减速运动
B.物体B正向右做加速运动
C.地面对B的摩擦力减小
D.斜绳与水平方向成30°时,vA∶vB=∶2
二、平抛运动
1.(多选)如图,x轴在水平地面内,y轴沿竖直方向。图中画出了从y轴上沿x轴正向抛出的三个小球a、b和c的运动轨迹,其中b和c是从同一点抛出的,不计空气阻力,则( )
A.a的飞行时间比b的长
B.b和c的飞行时间相同[m]
C.a的水平速度比b的小
D.b的初速度比c的大
2.发球机从同一高度向正前方依次水平射出两个速度不同的乒乓球(忽略空气的影响)。速度较大的球越过球网,速度较小的球没有越过球网,其原因是( )
A.速度较小的球下降相同距离所用的时间较多
B.速度较小的球在下降相同距离时在竖直方向上的速度较大
C.速度较大的球通过同一水平距离所用的时间较少
D.速度较大的球在相同时间间隔内下降的距离较大
3.(多选)如图(a)所示,在跳台滑雪比赛中,运动员在空中滑翔时身体的姿态会影响其下落的速度和滑翔的距离。某运动员先后两次从同一跳台起跳,每次都从离开跳台开始计时,用v表示他在竖直方向的速度,其v t图象如图(b)所示,t1和t2是他落在倾斜雪道上的时刻。则( )
 
(a)       (b) 
A.第二次滑翔过程中在竖直方向上的位移比第一次的小
B.第二次滑翔过程中在水平方向上的位移比第一次的大
C.第二次滑翔过程中在竖直方向上的平均加速度比第一次的大
D.竖直方向速度大小为v1时,第二次滑翔在竖直方向上所受阻力比第一次的大
4.如图,水平地面上有一个坑,其竖直截面为半圆。ab为沿水平方向的直径。若在a点以初速度v0沿ab方向抛出一小球,小球会击中坑壁上的c点。已知c点与水平地面的距离为圆半径的一半,求圆的半径。
5. (多选)如图,轰炸机沿水平方向匀速飞行,到达山坡底端正上方时释放一颗炸弹,并垂直击中山坡上的目标A。已知A点高度为h,山坡倾角为θ,由此可算出( )
轰炸机的飞行高度
B.轰炸机的飞行速度
C.炸弹的飞行时间
D.炸弹投出时的动能
方法提炼:
平抛运动解题的核心在于运动时间的求解,只要求解出时间,就能顺理成章解决其余问题。在本部分主要是利用位移偏角或速度偏角求解时间。
分类
典型 装置 速度偏角 位移偏角
常用 规律
推论 应用 分解速度,构建速度的矢量三角形 水平方向:vx=v0 竖直方向:vy=gt θ与v0、t的关系:tan θ== 可求得飞行时间:t= 分解位移,构建位移的矢量三角形 水平位移:x=v0t 竖直位移: 位移偏角 可求得飞行时间:t=
做平抛运动的物体在某时刻,其速度方向与水平方向的夹角为θ,位移与水平方向的夹角为α,则有tan θ=2tan α。 (2)做平抛运动的物体,在任意时刻的速度的反向延长线一定通过此时水平位移的中点。
6.在一斜面顶端,将甲乙两个小球分别以v和的速度沿同一方向水平抛出,两球都落在该斜面上。甲球落至斜面时的速率是乙球落至斜面时速率的( )
A.2倍 B.4倍 C.6倍 D.8倍
7.如图所示,一物体自倾角为θ的固定斜面顶端沿水平方向抛出后落在斜面上。物体与斜面接触时速度与水平方向的夹角φ满足(空气阻力不计)( )
A.tan φ=sin θ B.tan φ=cos θ
C.tan φ=tan θ D.tan φ=2tan θ
8.如图所示,从倾角为θ的斜面上某点先后将同一小球以不同的初速度水平抛出,小球均落在斜面上,当抛出的速度为v1时,小球到达斜面时速度方向与斜面的夹角为α1;当抛出速度为v2时,小球到达斜面时速度方向与斜面的夹角为α2,不计空气阻力,则( )
A.当v1>v2时,α1>α2
B.当v1>v2时,α1<α2
C.无论v1、v2关系如何,均有α1=α2
D.α1、α2的关系与斜面倾角θ有关
三、圆周运动
1.如图所示的皮带传动装置中,甲轮的轴和乙、丙轮的轴均为水平轴,其中,甲、丙两轮半径相等,乙轮半径是丙轮半径的一半。A、B、C三点分别是甲、乙、丙三轮边缘上的点,若传动中皮带不打滑,则( )
A.A、B两点的线速度大小之比为2∶1
B.B、C两点的角速度之比为1∶2
C.A、B两点的向心加速度大小之比为2∶1
D.A、C两点的向心加速度大小之比为1∶4
2.如图所示,圆柱形转筒绕其竖直中心轴转动,小物体贴在圆筒内壁上随圆筒一起转动而不滑落。则下列说法正确的是( )
A.小物体受到重力、弹力、摩擦力和向心力共4个力的作用
B.小物体随筒壁做圆周运动的向心力是由摩擦力提供的
C.筒壁对小物体的摩擦力随转速增大而增大
D.筒壁对小物体的弹力随转速增大而增大
3. (多选)如图所示,两个质量均为m的小木块a和b(可视为质点)放在水平圆盘上,a与转轴OO′的距离为l,b与转轴的距离为2l,木块与圆盘的最大静摩擦力为木块所受重力的k倍,重力加速度大小为g。若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动,用ω表示圆盘转动的角速度,下列说法正确的是( )
A.b一定比a先开始滑动
B.a、b所受的摩擦力始终相等
C.ω=是b开始滑动的临界角速度
D.当ω=时,a所受摩擦力的大小为kmg
4.如图所示,两个质量不同的小球用长度不等的细线拴在同一点,并在同一水平面内做同方向的匀速圆周运动,则它们的( )
A.运动周期不同
B.运动线速度大小相同
C.运动角速度大小相同
D.向心加速度大小相同
5.小球P和Q用不可伸长的轻绳悬挂在天花板上,P球的质量大于Q球的质量,悬挂P球的绳比悬挂Q球的绳短。将两球拉起,使两绳均被水平拉直,如图所示。将两球由静止释放。在各自轨迹的最低点( )
A.P球的速度一定大于Q球的速度
B.P球的动能一定小于Q球的动能
C.P球所受绳的拉力一定大于Q球所受绳的拉力
D.P球的向心加速度一定小于Q球的向心加速度
6.如图甲,小球用不可伸长的轻绳连接后绕固定点O在竖直面内做圆周运动,小球经过最高点时的速度大小为v,此时绳子的拉力大小为FT,拉力FT与速度的平方v2的关系如图乙所示,图象中的数据a和b包括重力加速度g都为已知量,以下说法正确的是( )
A.数据a与小球的质量有关
B.数据b与圆周轨道半径有关
C.比值只与小球的质量有关,与圆周轨道半径无关
D.利用数据a、b和g能够求出小球的质量和圆周轨道半径
7.如图,一轻绳的一端系在固定粗糙斜面上的O点,另一端系一小球。给小球一足够大的初速度,使小球在斜面上作圆周运动。在此过程中( )
A.小球的机械能守恒
B.重力对小球不做功
C.绳的张力对小球不做功
D.在任何一段时间内,小球克服摩擦力所做的功总是等于小球动能的减少

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