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1、.1/15专题四运动的合成和分解曲线运动专题四运动的合成和分解曲线运动一、新课标要求：一、新课标要求：1.明确曲线运动的概念，产生曲线运动的条件，掌握曲线运动物体的速度方向。2.掌握平抛物体的运动规律，熟练运动独立性原理。3.熟练运动合成和分解，掌握平行四边形定那么和运动的正交分解合成法。4.认识匀速圆周运动，掌握匀速圆周运动的有关物理量：线速度、角速度和周期。5.理解速度变化量v，了解向心加速度、向心力的概念，理解向心加速度和向心力大小不变而方向不断改变，始终指向圆心。6.理解几种转动问题。7.能用牛顿第二定律处理生活和生产中的圆周运动问题。8.了解生活中的离心现象，了解它的益处和危害。二、
2、知识点详解二、知识点详解1.力是产生物体运动状态变化的原因。物体的运动速度反映了物体的运动状态，只要速度的大小或方向有一个发生变化，物体的运动状态就发生了变化。因此，只要物体的速度有变化，那么一定有力的作用。因而该物体就会有加速度，物体做曲线运动，至少它的速度方向发生了变化，所以有力的作用，而且这个力还与速度方向有一定的夹角。必须有一定的初速度，而0v=0结论：产生曲线运动的条件：与0v方向成一定角度的外力的作用，成角为0如图，注意：如果 F 的大小不变，方向也不变，我们说物体一定做匀变速曲线运动为平抛、斜抛运动假设力 F 大小和方向有一个变化，那么物体做随意曲线运动，即变加速曲线运动。做曲线
3、运动的物体，任何时刻，它的速度方向都在运动轨迹上点的切线方向如下图，并指向运动方向。因为存在加速度 a0，所以曲线运动一定是变速运动。.2/152.运动的合成与分解一个复杂的运动可以简化成几种简单的运动，以此种方法就可以用直线运动的规律来研究曲线运动，乃至于复杂的曲线运动。1用的分运动求合运动的方法称为运动的合成。2用的合运动探求分运动的方法称为运动的分解。注意：不管是运动的分解还是合成，所包含的物理量都必须是同一参照系，解题前，首先要进展参照系变换，化成相对于同一参照的物理量。3小船过河问题如图令船在岸边 A 点向彼岸航行，当然在静水中，只要船速与岸垂直，那么很容易到达 B 点，且 AB 垂
4、直于河岸。假设小船保持原运动方向不变，现在河水流速v水0，那么只能到达 B点，河宽为 L，船体的速度：22vvv=+船水假设过河时间为t，那么Ltv=船偏移 B 点的距离22/BBvtL vvv=+船水船偏移距离vBBv tLv=水水船结论：水速越大，偏移距离就越大。通过小船过河问题我们可以看出：过河的时间实际上由v船在静止中的速度确定，而偏移距离BB由水流v水的速度和过河时间来确定。船体速度v实际上是以v船和v水为分运动速度的合速度，即22vvv=+船水。这就充分表达了两点：一是分运动具有独立性，二是时间具有同一性，即运动合成中分运动具有按本身运动规律运动的独立性你干你的，我干我的，你用你的
5、方式，我以我的方式，而合运动和分运动时间高度统一我们共同干一件事，工程同时完工。3.平抛物体的运动1将物体沿水平方向抛出的物体运动称为平抛运动如图2要求：平抛物体必须有初速度00v，只受重力作用不计空气阻力.3/153如图，经时间tv达 M 点，其速度tv，m 在抛射点到地面的投影 O，落地点 B，那么OB=s为抛射距离位移，AO 为抛射高度 AO=h。假设落地时间运行总时间为t，根据运动合成和分解的规律、运动独立性原理：水平方向有：0sv t=水平方向为匀速直线运动竖直方向有：212hgt=竖直方向为自由落体运动因此：平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的两种运动的合运动
6、，它们时间是高度统一的。假设经过任何的随意时间t，那么：令达 M 点水平方向10tvv=；竖直方向vgt=故它的合速度：220()tvvgt=+，0sv t=水平，1212hgt=它运行的位移：112222201()()2ttshsv tgt=+=+速度与水平方向夹角为10tan()gtva-=或表示0arctangtva=4如下图：在高空中飞机以0v速度向前方匀速飞行，每隔相等时间t往下空投一物体，.4/15那么：A.地面上的观察者认为空投物做什么运动？B.飞行员观察空投物做什么运动？C.假设空投物上又有一观察者，他观察飞机又做什么运动？D.空投物会落到地面上一个地点吗？答案：关于 A：做平
7、抛运动。关于 B：做自由落体运动。关于 C：向上做自由落体运动即反向落体。关于 D：不能落到一个地点。解答：关于 A，因为地面上的观察着以地面为参照物，空投的物体具有与飞机一样的初速度，因此，它水平方向是匀速直线运动，竖直方向是自由落体运动，是这两个运动的合运动。关于 B，抛物水平速度和飞机一样，飞行员以飞机为参照物，所以，空投的物体水平方向与飞机相对静止，物体只有竖直方向的自由落体运动。关于 C：空投物上的观察者以自己所在的空投物为参照物，他认为空投物是静止的，而参照物与飞机水平方向相对静止，且参考物本身有向下的重力加速度g，因此观察者所选的参照物是非惯性系，必须给研究物飞机一个与参照物相反
8、的加速度g才能准确。当飞机给一个反向的重力加速度g以后，观察者当然认为飞机会以初速度为零做竖直向上的自由落体运动了。关于 D：物体不可能落到一个点，他们之间的落地距离应该是vts，式中 t为抛物所间隔的时间，所以物体落地所间隔时间为 t的距离是相等的。4.抛物线对于平抛物体的运动，我们令水平位移为x，竖直位移为y，那么它的运动轨迹一定是抛物线。空间任意一点 M 的坐标 Mx，y，0212xv ttygt=则有两式消去有：222001()22xgygxvv=0,g v都是常数，令202gkv=，2ykx=显然是y是关于x的二次函数，在数学中它就是一个顶点 O0，0，对称轴为0 x=的抛物线，故平
9、抛物体运动轨迹是抛物线。.5/155.根据运动和分解可以看出，斜抛物体可以看成是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的竖直上抛运动的两个运动的合运动。所谓斜抛，实际上就是以与水平方向成一定夹角的将物体斜向上抛出的运动。将运动分解正交分解可知：令抛射物抛射速度为0v，与水平方向夹角为a1水平方向：0cosxovva=，竖直方向：0sinyovva=令达最高点的时间为1t，那么竖直方向速度为 0，11ytyovvgt=-，当10ytv=时，那么：1yovgt=，01sinvtga=根据对称性原理：全程时间为012sin2vttga=射程为gvgvvtxxxo2sinsin2cos2000所以最大射程2
10、max0sin2/xvga=45a=当时，射程最远2max0/Xvg=最大高度是仅当0yov=那么01sinvtga=为达最高点时所用时间。有：2222200000sinsinsinsin1sin()22vvvvHvggggg220sin2vHga=当45a=时20/2Hvg=2令 M 点为任意点，有0sinyvvgta=-t为随意时间.6/15020cos1sin2xvtyvtgtaa=-两式消去t，有20001sin()cos2cosxxyvgvvaaa=-那么2220tan2cosgyxxvaa=-+令2202cosgava=，tanba=上式为：2yaxbx=-+是抛物线该抛物线顶点坐
11、标22020sin/2sin2/2YvgXvgaa=显然，任何复杂的斜抛运动均可以看成水平方向的匀速直线运动，竖直方向的竖直上抛运动的合运动，它的运动轨迹是一条抛物线。比如：与水平方向成30，角速度为 100/m s，斜向上抛出的手榴弹，它的最大抛射距离是多少？解：根据斜抛运动的规律有：达最大高度的时间是竖直方向速度为 0，有：01sinvgta=01sinvtga=全程时间为：02sinvtga=故全程距离220000cos2sin2cossinsin2vvvvsgggaaaaa=即：42310(100)2sin60866()10smg=故最大抛射距离射程是 866 米。6.圆周运动1定义：
12、物体运动轨迹是一个圆或圆周的一局部的运动时圆周运动。显然圆周运动时曲线运动，它具有曲线运动的根本规律。.7/15讨论匀速圆周运动：匀速圆周运动是指运动物体的运动轨迹是圆或圆周的一局部，且运行速率相等，因此它具有特殊性。a.速度的大小即速率不变，如下图，m 在水平面上以 O 为圆心做匀速圆周运动，v的方向任何时刻都垂直于半径 r，且与圆周相切。b.速度是变化的，虽然速率不变，但方向在变化，因此有加速度。这个加速度指向圆心，称为向心加速度，其大小2var=向。c.角速度w：做圆周运动的物体所转过的角度q与所用时间的比值称为角速度，用w表示，单位是弧度/秒，用/ard s表示。d.周期 T：运动物体
13、旋转一周所用的时间，单位秒，用s表示。e.由上述可以探索出物体旋转的线速度与角速度之间的关系。/vL t=式中L为弧长，t为通过L所用时间而LRq=式中q为旋转的角度/vR tq=那么/tqw=vRw=即物体的线速度等于角度与旋转半径的积注意式中的q、w都要用弧度表示7.力是产生加速度的原因，即向心加速度是由外力提供的，是遵循牛顿第二定律的，即合外力一定指向圆心，它和a向的方向一致。这个指向圆心产生向心加速度的力称为向心力。其大小：Fma=向向，即：2/Fmvr=或2Fmrw=所以只要找到向心力，那么向心加速度就可以确定了，反之由向心加速度也可以确定向心力g。解题步骤：首先给做圆周运动的物体进
14、展受力分析，处理这些力，并找出它们的合力，那么：iFma=式中a为2/vr或2rw。由式可知：向心力是效果力，它是由作用在物体上的外力提供的。它可以是重力、摩擦力、弹力、电磁力，或者是它们几个力的合力。所以列圆周运动的受力方程，首要任务是给物体进展受力分析。例 1：质量为m的小球从 B 点如下图 O 为竖直的光滑管道沿管道的半径为r小球可视为质点的光滑轨道运行，m到 A最高点的速度均为 0，那么m在 B 点的速度大小是多少？在 B 点受几个力作用？各力有多大？.8/15解：m由AB是变速圆周运动，因为在 A 点速度为 0，所以由AB式可知，重力对 A做正功。令达 B 的速度为Bv，那么：212
15、2Bmvmg r=，2Bvrg=小球在 B 受重力Gmg=，管道底部的支持力BN，有：BNmgma-=2(2)/BNmgmamgmrgr=+=+5BNmg=拓展：如果题目这样设问，这题怎样解？小球达 A 点下管壁和上管壁正好不施力 即管对球的弹力为 0，m达 B 点的速度又有多大？BN下管壁施的压力又是多少？答案：5Bvgr=6BNmg=提示：小球达 A 点，下管壁和上管壁正好不施力，即重力提供向心力rvmmg2，那么小球在 A 点的动能为mgrmv21212，根据机械能守恒可得：mgrmgrmvB212212，即5Bvgr=；小球在 B 点的向心力为221BBmvmgNF，所以mgrvmmg
16、NBB62。BN为下管壁对小球的支持力，其大小等于下管壁施的压力。综上所述，很清楚地看到，匀速圆周运动实际上本质是变速度的变加速度的圆周运动，不过受到的合力和加速度的方向均指向圆心。在解题中，假设不是速率完全一样的情况下，要取特殊，找出物理量间的相应关系，但有一点不能糊涂，那就是受力分析要准确无误，列牛顿动力学方程，方程左边是合外力，右边是效果，效果就是ma，a就是2/vR或2Rw。.9/15例 2：如图，水平面上的旋转圆盘 O，半径为 R，转轴为 O，一质量为m的物块可视为质点放在圆盘上，距轴心r处，那么：A：物块m受四个力作用，他们是物块的重力Gmg=，盘对物块的支持力N，物块受到转盘的摩
17、擦力，物块受到向心力F向。B：物块受一个力作用，即向心力2mvFr=的作用。C：物块受三个力作用，它们是重力、支持力和摩擦力。D：物块只受摩擦力作用，且摩擦力等于向心力。答：C 正确。注意：向心力并不真正存在，而是物体受到的合外力的合力，之所以叫向心力，是因为这个合力始终指向某个圆的圆心，导致物体做匀速圆周运动。例 3：圆锥摆问题m小球由轻绳l悬挂于 O 点，并且绕 O 旋转，旋转面圆面 O 与水平面平行，此装置即为圆锥摆。当摆角为q时即摆线所划的锥角一半时，如图，求该圆锥运行的周期，以与轻绳的拉力T。解：轻绳l为，摆角q和小球质量m。受力分析：小球受二力重力和绳拉力T作用。小球旋转半径sin
18、rlq=tanFmgq=向心力即：2tansinFmgmlqwq=向心力/cosg lwq=而2Tpw=周期.10/15222cos/cosTlgg lpppqwq=周期而拉力/cosTmgq=注意：千万不要认为小球受三个力作用！总结：运用在圆周运动上的习题解题方法就两句话：一是给物体受力分析和了解物体运动的意境。二是运用牛顿定律列出牛顿方程。注意点：受力分析必须准确，各物理量必须清楚，而且要充分运用隐含条件找出物理量间的关系。8.离心现象：做圆周运动的物体，当外力作用的效果不能足以提供向心力时，物体会偏离轨迹而远离圆心运动的现象是离心现象。实际应用有：离心别离器，离心水泵，等等。9.圆周运动
19、的几个实例：1火车拐弯和公路弯道。根据火车运行的速度设计弯道是铁轨修建中的重要技术问题，一般路边有限速牌，根据弯道半径、速度设计外轨与轨的高度差hD。当火车速度为v，弯道半径为R，为确保火车能安全通过弯道，尽可能保证火车本身的重力Gmg=，轨道面对车轮的支持力N，其合力提供过弯道的向心力，由牛顿第二定律知：tanFmgq=向令铁轨宽L那么tanhLqD=那么：2tan/mgmvRq=2tan/vRgq=2hvLRgD=2LvhRg D=火车速度大于，外轨提供一些压力以补充向心力当然火车火车速度小于，内轨提供一些压力以抵消向心力速度不能太大，也不能太慢，否那么容易脱轨。公路建设中也是这样，在弯道
20、中路面要倾斜提供汽车运行的向心力，其倾斜角度与火车铁轨修建原理一样。2拱桥问题：凹桥问题.11/15由图可知：根据牛顿第二定律：拱桥：2mvmgNR-=，2mvNmgR=-压力小于重力凹桥：2mvNmgR-=，2mvNmgR=+压力大于重力三、巩固训练三、巩固训练1.如下图，左边 AB 两轮同轴轴为 O1，B 分别是两轮周边的点，C 为右轮，轴心为 O2，C为 O2边缘上的点，两轮 B、C 半径为r，大轮 A 半径为R，且：2Rr=，当 C 转动由皮带带动 B 轮时，那么：:ABCvvv=，:ABCwww=。2.如下图，物体自倾角为q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
21、的速度与水平方向的夹角满足：Atansinaq=B.tancosaq=C.tantanaq=D.tan2tanaq=3.如图：轻杆 OA 端点 A 处栓一小球质量为m小球可视为质点，当球和杆沿 O 点在竖直方向旋转时，那么小球在圆轨道最高处的 B 和最低处的 A 点有可能：A.A 处变杆的推力，B 处也变杆的推力.12/15B.A 处变杆的拉力，B 处变杆的推力C.A 处变杆的推力，B 处变杆的拉力D.A 处变杆的拉力，B 处也变杆的拉力4.一个物体被平抛出去，其图像为格纸中画出。物体由 A 到 B 和由 B 到 C 用时相等，均为0.1tsD=。画格为正方形，每小格长 5cm。求：物体的初速
22、度0v和 B 点时的速度Bv。5.如下图，质量为 M 的质点被轻绳系牢后悬于 O 点，绳长为L，O 点正下方有一个钉子，那么当将 M 拉高使绳与水平面平行再放手，那么质点 M 将比没有钉子时在正下方 B 点：A.线速度突然增大 B.角速度突然增大C.向心加速度突然增大 D.悬线拉力突然增大6.如图，转盘水平放置，中心有小孔 O，盘以w角速度旋转，质量为12mkg=的木块放在转盘平面上，盘面与1m的摩擦因素为 0.3，轻绳另一端通过小孔 O 悬一质量21mkg=的小球，当5/rad sw=的角速度转动时，假设木块能与转面保持相对静止，那么它到 O 孔的距离有可能是A.6cmB.15cmC.30c
23、mD.36cm7.雨伞半径1r=米，当雨伞以角速度5/rad sw=旋转时，雨滴将落地，假设雨伞边缘平面与地面平行且高 2 米，那么雨水落地的最大半径是多少？210/gm s=.13/158.如图，转盘光滑且与地面平行，两球由轻绳相连，绳长为L。B 球到盘心由轻绳相连，距离也为L。那么当 A、B 二球围 O 点在盘上以一样的角速度旋转时，那么两绳上的力OBT、BAT的比值多大？9.如下图，匀速转动的水平转盘上有一木块，随转盘一起转动，那么该木块在水平转盘上的运动趋势为A.沿圆周切线方向 B.沿半径指向圆心C.沿半径背离圆心 D.无相对运动趋势10.水流星是杂技演员表演的节目。：盛水的碗底到旋转
24、中心的半径1r=米，圆弧面处于竖直平面，最高点为 A，最低点为 B，那么在 A 点水恰好不流出时，旋转速度多大？到最低点B 时，绳的拉力有多大？碗杯质量0.5mkg=，210/gm s=，水的质量0.5mkg=水四、巩固练习答案与解析四、巩固练习答案与解析1.:ABCvvv=2：1：1:ABCwww=1：1：12.D解：物体落在斜面上时，设时间为 t，那么其水平位移是vts，竖直位移是221gth，由几何知识可知：vgtsh2tan，即tan2gvt.14/15物体的水平速度是 v，是不变的，竖直方向的速度为：tan2vgtv再由几何知识可知：tan2tanvv3.BD解：首先对小球在 A 点
25、时进展受力分析，可知其受重力和杆对它的力，那么杆对它的力是推力还是拉力呢？小球做圆周运动，其合外力为向心力，当其运动到 A 点时，向心力向上，而重力向下，所以杆对小球的力必然向上，即拉力；其次再对小球在 B 点时进展受力分析，重力和杆对它的力，当其运动到 B 点时，向心力向下，而重力向下，所以杆对小球的力有两种情况，向上或向下。所以 BD 正确。4.01/vm s=5/2.23/Bvm sm s=解：AB 水平方向的距离为mcm1.025.0，用时为 0.1s，那么smv/10竖直方向上，物体做自由落体运动，即匀变速直线运动，那么 AC 竖直方向上的平均速度为B 点 的 竖 直 方 向 上 的
26、 速 度，smACvB/22.04.02.0，那 么 B 点 的 和 速 度 为smsmvB/23.2/521225.BCD解：线速度是没有变的，因为机械能守恒，小球的重力势能转化为动能是固定的。另外钉子的存在导致了小球运动半径的减小，根据rmrvmmaF22向，可以看出如果 v 不变，r 减小，那么 F向增大，随之 a 增大，也必然增大。6.BC解：如图有两种情况，第一是rmgmgmF2212向，得cmr32；第二是2212rmgmgmF向，得cmr8，那么木块到圆心的距离应是cmRcm328。7.解：如下图，设雨滴落地的最大半径是 R，雨滴从伞边下落初速度方向与伞边相切，雨伞边缘的雨滴的线
27、速度是smrv/50，其下落是平抛运动，根据平抛运动规律，有：.15/15221gth 和tvs0，带入数据，得ms5，那么mR45.215。8.解：如下图，易知 A、B 各自的向心力都是由绳的拉力提供，其各自的向心加速度分别为：A：)2(2Lm；B：Lm2那么222(2)3OBTmLmLmLwww=+=；22BATmLw=即32OBBATT=9.C。提示：分析木块受力，可知重力和支持力是平衡力，相互抵消了，还有摩擦力，提供了向心力，向心力是指向圆心的，那么摩擦力也是指向圆心，那么木块相对于转动的圆盘非惯性系的运动趋势与受力情况相反，所以是沿着半径背离圆心10.解：在 A 点 水 恰 好 不 流 出，那 么 重 力 提 供 向 心 力：rvmgmA2水水，得smvA/1.310；到达 B 时有：2BBMvTMgr-=式中Mmm水=+，而2211(2)22ABm vm grm v水水水+=，得50/Bvm s=所以2501060BBMvTMgNr=+=+=