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内容与要求 1.通过观察实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件．
2．通过实验，探究并认识平抛运动的规律．会用运动合成与分解的方法分析平抛运动．体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想．能分析日常生活中的抛体运动．
3．会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动．知道匀速圆周运动向心加速度的大小和方向．
4．探究影响向心力大小的因素．能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力．
5．了解生产生活中的离心现象及其产生的原因．
6．通过史实，了解万有引力定律的发现过程．知道万有引力定律．认识发现万有引力定律的重要意义．认识科学定律对人类探索未知世界的作用．
7．会计算人造卫星的环绕速度．知道第二宇宙速度和第三宇宙速度．
第1讲　曲线运动　运动的合成与分解
一、曲线运动
1．速度的方向：质点在某一点的速度方向，沿曲线在这一点的切线方向．
2．运动的性质：做曲线运动的物体，速度的方向时刻在改变，所以曲线运动一定是变速运动．
3．运动的条件：物体所受合外力的方向跟它的速度方向不在同一条直线上或它的加速度方向与速度方向不在同一条直线上．
4．合外力方向与轨迹的关系
物体做曲线运动的轨迹一定夹在合外力方向与速度方向之间，速度方向与轨迹相切，合外力方向指向轨迹的“凹”侧．
自测1　(多选)一质点做曲线运动，它的速度方向和加速度方向的关系是(　　)
A．质点速度方向时刻在改变
B．质点加速度方向时刻在改变
C．质点速度方向一定与加速度方向相同
D．质点速度方向一定沿曲线的切线方向
答案　AD
自测2　(2018·河北省定州中学承智班月考)关于力和运动，下列说法中正确的是(　　)
A．物体在恒力作用下可能做曲线运动
B．物体在变力作用下不可能做直线运动
C．物体在恒力作用下不可能做曲线运动
D．物体在变力作用下不可能保持速率不变
答案　A
解析　平抛运动就是在恒力作用下的曲线运动．只要变力与速度方向共线，就会做直线运动，所以A正确，B、C错误．匀速圆周运动就是在变力作用下保持速率不变的运动，D错误．
二、运动的合成与分解
1．遵循的法则
位移、速度、加速度都是矢量，故它们的合成与分解都遵循平行四边形定则．
2．合运动与分运动的关系
(1)等时性：合运动和分运动经历的时间相等，即同时开始、同时进行、同时停止．
(2)独立性：一个物体同时参与几个分运动，各分运动独立进行，不受其他运动的影响．
(3)等效性：各分运动的规律叠加起来与合运动的规律有完全相同的效果．
3．运动性质的判断
4．两个直线运动的合运动性质的判断
标准：看合初速度方向与合加速度方向是否共线.

两个互成角度的分运动
合运动的性质
两个匀速直线运动
匀速直线运动
一个匀速直线运动、
一个匀变速直线运动
匀变速曲线运动
两个初速度为零的
匀加速直线运动
匀加速直线运动
两个初速度不为零
的匀变速直线运动
如果v合与a合共线，为匀变速直线运动
如果v合与a合不共线，为匀变速曲线运动
自测3　(2018·河南省驻马店市第二次质检)如图1所示，在灭火抢救过程中，消防队员有时要借助消防车上的梯子爬到高处进行救人或灭火作业．为了节省救援时间，消防队员沿梯子匀加速向上运动的同时消防车匀速后退，则关于消防队员的运动，下列说法正确的是(　　)
图1
A．消防队员做匀加速直线运动
B．消防队员做匀变速曲线运动
C．消防队员做变加速曲线运动
D．消防队员水平方向的速度保持不变
答案　B
解析　根据运动的合成，知合速度的方向与合加速度的方向不在同一条直线上，其合加速度的方向、大小不变，所以消防队员做匀变速曲线运动，故A、C错误，B正确．将消防队员的运动分解为水平方向和竖直方向，知水平方向上的最终的速度为匀速后退的速度和沿梯子方向速度在水平方向上的分速度的合速度，因为沿梯子方向的速度在水平方向上的分速度在变，所以消防队员水平方向的速度在变，故D错误．
命题点一　曲线运动的条件和特征
1．条件
物体受到的合外力方向与速度方向始终不共线．
2．特征
(1)运动学特征：做曲线运动的物体的速度方向时刻发生变化，即曲线运动一定为变速运动．
(2)动力学特征：由于做曲线运动的物体所受合外力一定不为零且和速度方向始终不在同一条直线上(做曲线运动的条件)．合外力在垂直于速度方向上的分力改变物体速度的方向，合外力在沿速度方向上的分力改变物体速度的大小．
(3)轨迹特征：曲线运动的轨迹始终夹在合外力的方向与速度的方向之间，而且向合外力的一侧弯曲．
(4)能量特征：如果物体所受的合外力始终和物体的速度垂直，则合外力对物体不做功，物体的动能不变；若合外力不与物体的速度方向垂直，则合外力对物体做功，物体的动能发生变化．
例1　(2018·山东省泰安市上学期期中) 一质点做匀速直线运动，现对其施加一恒力，且原来作用在质点上的力不发生改变．则该质点(　　)
A．不可能做匀变速运动
B．速度的大小保持不变
C．速度的方向总是与该恒力的方向垂直
D．任意相等时间内速度的变化量总相同
答案　D
解析　施加的恒力即为质点的合力，所以做匀变速运动，若该恒力的方向与速度方向的夹角不为90°，则速度大小一定变化，A、B错误；速度的方向与恒力的方向的夹角多样化，不一定总垂直，C错误；由于做匀变速运动，即加速度恒定，所以根据Δv＝a·Δt可知任意相等时间内速度的变化量总相同，D正确．
变式1　 (2019·山东省德州市期中)如图2，一圆盘可绕一通过圆心且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放一块橡皮，橡皮块随圆盘一起转动(俯视为逆时针)．某段时间圆盘转速不断增大，但橡皮块仍相对圆盘静止，在这段时间内，关于橡皮块所受合力F的方向的四种表示(俯视图)中，正确的是(　　)
图2
答案　C
变式2　(2018·湖北省黄冈市质检)如图3是码头的旋臂式起重机，当起重机旋臂水平向右保持静止时，吊着货物的天车沿旋臂向右匀速行驶，同时天车又使货物沿竖直方向先做匀加速运动，后做匀减速运动．该过程中货物的运动轨迹可能是下图中的(　　)
图3
答案　C
解析　货物在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上先做匀加速运动，后做匀减速运动，根据平行四边形定则，知合速度的方向与合加速度的方向不在同一条直线上，轨迹为曲线，货物的加速度先向上后向下，因为加速度的方向大致指向轨迹的凹侧，故C正确．
命题点二　运动的合成与分解
1．分析运动的合成与分解问题时，一般情况下按运动效果进行分解．
2．要注意分析物体在两个方向上的受力及运动规律，分别在两个方向上列式求解．
3．两个方向上的分运动具有等时性，这常是处理运动分解问题的关键点．
例2　(多选)(2018·广东省韶关市月考)如图4甲所示，在杂技表演中，猴子沿竖直杆向上运动，其v－t图象如图乙所示，同时人顶着杆沿水平地面运动的x－t图象如图丙所示．若以地面为参考系，下列说法正确的是(　　)
图4
A．猴子的运动轨迹为直线
B．猴子在2 s内做匀变速曲线运动
C．t＝0时猴子的速度大小为8 m/s
D．猴子在2 s内的加速度大小为4 m/s2
答案　BD
解析　若以地面为参考系，则猴子在竖直方向做初速度为8 m/s、加速度为4 m/s2的匀减速直线运动，水平方向做速度大小为4 m/s的匀速直线运动，其合运动为曲线运动，故猴子在2 s内做匀变速曲线运动，选项A错误，B正确；t＝0时猴子的速度大小为v0＝＝ m/s＝4 m/s，选项C错误；猴子在2 s内的加速度大小为4 m/s2，选项D正确．
变式3　如图5所示，帆板在海面上以速度v朝正西方向运动，帆船以速度v朝正北方向航行，以帆板为参照物(　　)
图5
A．帆船朝正东方向航行，速度大小为v
B．帆船朝正西方向航行，速度大小为v
C．帆船朝南偏东45°方向航行，速度大小为v
D．帆船朝北偏东45°方向航行，速度大小为v
答案　D
解析　以帆板为参照物，帆船具有正东方向的速度v和正北方向的速度v，所以帆船相对帆板的速度v相对＝v，方向为北偏东45°，D正确．
命题点三　小船渡河模型
1．船的实际运动：是水流的运动和船相对静水的运动的合运动．
2．三种速度：船在静水中的速度v船、水的流速v水、船的实际速度v.
3．两类问题、三种情景
渡河时间最短
当船头方向垂直河岸时，渡河时间最短，最短时间tmin＝
渡河位移最短
如果v船>v水，当船头方向与上游河岸夹角θ满足v船cos θ＝v水时，合速度垂直河岸，渡河位移最短，等于河宽d
如果v船4.分析思路
例3　(多选)(2018·四川省德阳市高考一诊)甲、乙两船在同一河流中同时开始渡河，河水流速为v0，船在静水中的速率均为v，甲、乙两船船头均与河岸成θ角，如图6所示，已知甲船恰能垂直到达河正对岸的A点，乙船到达河对岸的B点，A、B之间的距离为L，则下列判断正确的是(　　)
图6
A．乙船先到达对岸
B．若仅是河水流速v0增大，则两船的渡河时间都不变
C．不论河水流速v0如何改变，只要适当改变θ角，甲船总能到达正对岸的A点
D．若仅是河水流速v0增大，则两船到达对岸时，两船之间的距离仍然为L
答案　BD
解析　将小船的运动分解为平行于河岸和垂直于河岸两个方向，抓住分运动和合运动具有等时性，知甲、乙两船到达对岸的时间相等，渡河的时间t＝，故A错误；若仅是河水流速v0增大，渡河的时间t＝，则两船的渡河时间都不变，故B正确；只有甲船速度大于水流速度时，不论河水流速v0如何改变，甲船总能到达河的正对岸A点，故C错误；若仅是河水流速v0增大，则两船到达对岸时间不变，根据速度的分解，船在水平方向相对于静水的分速度仍不变，则两船之间的距离仍然为L，故D正确．
变式4　(2018·湖南省衡阳市第二次联考)一只小船渡过两岸平行的河流，河中水流速度各处相同且恒定不变，方向平行于河岸．小船的初速度均相同，且船头方向始终垂直于河岸，小船相对于水分别做匀加速、匀减速和匀速直线运动，其运动轨迹如图7所示．下列说法错误的是(　　)
图7
A．沿AC和AD轨迹小船都是做匀变速运动
B．AD是匀减速运动的轨迹
C．沿AC轨迹渡河所用时间最短
D．小船沿AD轨迹渡河，船靠岸时速度最大
答案　D
解析　船沿着船头指向方向做匀加速直线运动的同时还要随着水流一起匀速运动，曲线运动的加速度指向轨迹的内侧，故AC轨迹船相对于静水沿垂直于河岸方向做匀加速运动，同理可知，AB轨迹船相对于静水沿垂直于河岸方向做匀速运动，AD轨迹船相对于静水沿垂直于河岸方向做匀减速运动，沿AD轨迹，船是匀减速运动，则船到达对岸的速度最小，故A、B正确，D错误；船相对于水的初速度大小均相同，方向垂直于岸边，由于AC轨迹船相对于静水沿垂直于河岸方向做匀加速运动，AB轨迹船相对于静水沿垂直于河岸方向做匀速运动，AD轨迹船相对于静水沿垂直于河岸方向做匀减速运动，故沿三条不同路径渡河的时间不同，沿AC轨迹渡河所用的时间最短，故C正确．
命题点四　绳(杆)端速度分解模型
1．模型特点
沿绳(杆)方向的速度分量大小相等．
2．思路与方法
合速度→绳(杆)拉物体的实际运动速度v
分速度→
方法：v1与v2的合成遵循平行四边形定则．
3．解题的原则
把物体的实际速度分解为垂直于绳(杆)和平行于绳(杆)两个分量，根据沿绳(杆)方向的分速度大小相等求解．常见的模型如图8所示．
图8
例4　(2019·广东省惠州市调研)质量为m的物体P置于倾角为θ1的固定光滑斜面上，轻细绳跨过光滑定滑轮分别连接着P与小车，P与滑轮间的细绳平行于斜面，小车以速率v水平向右做匀速直线运动．当小车与滑轮间的细绳和水平方向成夹角θ2时(如图9)，下列判断正确的是(　　)
图9
A．P的速率为v B．P的速率为vcos θ2
C．绳的拉力等于mgsin θ1 D．绳的拉力小于mgsin θ1
答案　B
解析　将小车速度沿绳子和垂直绳子方向分解为v1、v2，P的速率等于v1＝vcos θ2，A错误，B正确；小车向右做匀速直线运动，θ2减小，P的速率增大，绳的拉力大于mgsin θ1，C、D错误．
变式5　两根光滑的杆互相垂直地固定在一起，上面分别穿有两个小球a和b，小球a、b间用一细直棒相连，如图10所示．当细直棒与竖直杆夹角为θ时，求小球a、b实际速度大小之比．
图10
答案　tan θ
解析　根据速度的分解特点，可作出两小球的速度关系如图所示．由图中几何关系可得，a、b沿棒方向的分速度分别为vacos θ和vbsin θ，根据“关联速度”的特点可知，两小球沿棒的分速度大小相等，即有vacos θ＝vbsin θ，
解得：＝tan θ.
1．(2018·甘肃省兰州一中模拟)下列说法中正确的是(　　)
A．曲线运动不可能是匀变速运动
B．曲线运动一定是变速运动
C．恒力作用下的物体一定做直线运动
D．变力作用下的物体一定做曲线运动
答案　B
解析　做曲线运动的物体的加速度不一定变化，如平抛运动，重力加速度是不变的，故A错误；曲线运动的速度的方向是不断改变的，所以曲线运动一定是变速运动，故B正确；在恒力作用下，物体可以做曲线运动，如平抛运动，故C错误；物体在变力的作用下也可能做直线运动，如变加速直线运动，故D错误．
2．(2018·江西省赣州市十四县市期中)下列关于力与运动的叙述中正确的是(　　)
A．物体所受合力方向与运动方向有夹角时，该物体速度一定变化，加速度也变化
B．物体做圆周运动，所受的合力一定指向圆心
C．物体运动的速率在增加，所受合力方向与运动方向夹角小于90°
D．物体在变力作用下有可能做曲线运动，做曲线运动物体一定受到变力作用
答案　C
解析　物体所受合力方向与运动方向有夹角时，该物体速度一定变化，但加速度不一定变化，如平抛运动，A错误；若物体做变速圆周运动，则存在一个切向加速度，合力不指向圆心，B错误；合力方向与运动方向夹角小于90°时合力做正功，速度增大，C正确；如果变力与速度方向不共线，则做曲线运动，但做曲线运动的物体受到的合力可以为恒力，如平抛运动，D错误．
3．一个物体在光滑水平面上沿曲线MN运动，如图1所示，其中A点是曲线上的一点，虚线1、2分别是过A点的切线和法线，已知该过程中物体所受的合外力是恒力，曲线MN关于虚线2对称，则当物体运动到A点时，合外力的方向可能是(　　)
图1
A．沿F1或F5的方向
B．沿F3或F4的方向
C．沿F2的方向
D．不在MN曲线所确定的水平面内
答案　C
4．如图所示，“嫦娥号”探月卫星在由地球飞向月球时，沿曲线从M点向N点飞行的过程中，速度逐渐减小，在此过程中探月卫星所受合力方向可能是下列图中的(　　)
答案　C
5．(2018·山东省青岛市模拟)如图2所示，光滑水平面内的xOy直角坐标系中，一质量为1 kg的小球沿x轴正方向匀速运动，速度大小为1 m/s，经过坐标原点O时，小球受到的一沿y轴负方向、大小为1 N的恒力F突然撤去，其他力不变，则关于小球的运动，下列说法正确的是(　　)
图2
A．做变加速曲线运动
B．任意两段时间内速度变化大小都相等
C．经过x、y坐标相等的位置时所用时间为1 s
D．1 s末速度大小为 m/s
答案　D
6．如图3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(　　)
图3
A．vsin α B.
C．vcos α D.
答案　C
解析　将人的运动分解为沿绳方向的分运动(分速度为v1)和与绳垂直方向的分运动(分速度为v2)，如图所示．船的速率等于沿绳方向的分速度v1＝vcos α，选项C正确．
7．(2019·湖北省荆州市模拟)帆船船头指向正东以速度v(静水中速度)航行，海面正刮着南风，风速为v，以海岸为参考系，不计阻力．关于帆船的实际航行方向和速度大小，下列说法中正确的是(　　)
A．帆船沿北偏东30°方向航行，速度大小为2v
B．帆船沿东偏北60°方向航行，速度大小为v
C．帆船沿东偏北30°方向航行，速度大小为2v
D．帆船沿东偏南60°方向航行，速度大小为v
答案　A
解析　由于帆船的船头指向正东，并以相对静水中的速度v航行，南风以v的风速向北吹来，当以海岸为参考系时，实际速度v实＝＝2v，设帆船实际航行方向与正北方向夹角为α，则sin α＝＝，α＝30°，即帆船沿北偏东30°方向航行，选项A正确．
8．(2018·山西省孝义市质量检测三)一个质量为2 kg的物体，在三个共点力作用下处于平衡状态．现同时撤去大小分别为6 N和10 N的两个力，另一个力保持不变，此后该物体的运动(　　)
A．可能做匀变速直线运动，加速度大小可能等于1.5 m/s2
B．可能做类平抛运动，加速度大小可能等于12 m/s2
C．可能做匀速圆周运动，向心加速度大小可能等于3 m/s2
D．—定做匀变速运动，加速度大小可能等于6 m/s2
答案　D
9．(多选)(2018·安徽省蚌埠市一质检)运动轨迹既不是抛物线也不是圆周的曲线运动，称为一般的曲线运动，研究一般的曲线运动，可以把曲线分隔成许多小段，分析质点在每一小段的运动时，下列方法错误的是(　　)
A．每一小段的运动可以看成直线运动
B．每一小段运动中物体受到的合力为零
C．每一小段运动中物体受到恒力的作用
D．每一小段运动可以看成圆周运动的一部分
答案　ABC
解析　把曲线分隔成许多小段，每一小段的运动可以看成圆周运动的一部分，故D项正确，A项错误．做圆周运动的物体受到的力为变力且不为零，故B、C项错误．
10．(2018·甘肃省平凉市质检)如图4所示，水平面上固定一个与水平面夹角为θ的斜杆A，另一竖直杆B以速度v水平向左做匀速直线运动，则从两杆开始相交到最后分离的过程中，两杆交点P的速度方向和大小分别为(　　)
图4
A．水平向左，大小为v
B．竖直向上，大小为vtan θ
C．沿A杆斜向上，大小为
D．沿A杆斜向上，大小为vcos θ
答案　C
11．如图5所示，河水由西向东流，河宽为800 m，河中各点的水流速度大小为v水，各点到较近河岸的距离为x，v水与x的关系为v水＝x(m/s)(x的单位为m)，让小船船头垂直河岸由南向北渡河，小船划水速度大小恒为v船＝4 m/s，则下列说法中正确的是(　　)
图5
A．小船渡河的轨迹为直线
B．小船在河水中的最大速度是5 m/s
C．小船在距南岸200 m处的速度小于在距北岸200 m处的速度
D．小船渡河的时间是160 s
答案　B
解析　小船在南北方向上为匀速直线运动，在东西方向上先加速，到达河中间后再减速，速度与加速度不共线，小船的合运动是曲线运动，A错．当小船运动到河中间时，东西方向上的分速度最大，为3 m/s，此时小船的合速度最大，最大值vm＝5 m/s，B对．小船在距南岸200 m处的速度等于在距北岸200 m处的速度，C错．小船的渡河时间t＝＝200 s，D错．
12．在一光滑的水平面上建立xOy平面坐标系，一质点在水平面上从坐标原点开始运动，沿x方向和y方向的x－t图象和vy－t图象分别如图6甲、乙所示，求：
图6
(1)运动后4 s内质点的最大速度；
(2)4 s末质点离坐标原点的距离．
答案　(1)2 m/s　(2)8 m
解析　(1)由题图可知，质点沿x轴正方向做匀速直线运动，速度大小为vx＝＝2 m/s，在运动后4 s内，沿y轴方向运动的最大速度为4 m/s，则运动后4 s内质点运动的最大速度为vm＝＝2 m/s.
(2)0～2 s内质点沿y轴正方向做匀加速直线运动，2～4 s内先沿y轴正方向做匀减速直线运动，再沿y轴负方向做初速度为零的匀加速直线运动，此过程加速度大小为
a＝＝ m/s2＝3 m/s2
则质点沿y轴正方向做匀减速运动的时间t2＝＝ s
则运动后的4 s内沿y轴方向的位移
y＝×2× m－×4× m＝0
因此4 s末质点离坐标原点的距离等于沿x轴方向的位移
由题图甲可知，4 s末质点离坐标原点的距离s＝x＝8 m
13．(2019·云南省保山市模拟)如图7所示，一艘轮船正在以4 m/s的速度沿垂直于河岸方向匀速渡河，河中各处水流速度都相同，其大小为v1＝3 m/s，行驶中，轮船发动机的牵引力与船头朝向的方向相同．某时刻发动机突然熄火，轮船牵引力随之消失，轮船相对于水的速度逐渐减小，但船头方向始终未发生变化．求：
图7
(1)发动机未熄火时，轮船相对于静水行驶的速度大小．
(2)发动机熄火后，轮船相对于河岸速度的最小值．
答案　(1)5 m/s　(2)2.4 m/s
解析　(1)发动机未熄火时，轮船运动速度v与水流速度v1方向垂直，如图所示．
故此时轮船相对于静水的速度v2的大小为
v2＝＝ m/s＝5 m/s.
(2)熄火前，设v与v2的夹角为θ，则cos θ＝＝0.8，轮船的牵引力沿v2的方向，水的作用力方向与v2的方向相反，熄火后，牵引力消失，在水的作用力作用下，v2逐渐减小，但其方向不变，当v2与v1的矢量和与v2垂直时，轮船的合速度最小，α＝θ，则vmin＝v1cos α＝3×
0.8 m/s＝2.4 m/s.

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