【物理】2020届一轮复习人教版第四章第2讲平抛运动学案 19页

第 2 讲 平抛运动 [考试标准] 知识内容 考试要求 说明 平抛运动 d 1.不要求推导合运动的轨迹方程． 2.不要求计算与平抛运动有关的相遇问题． 3.不要求定量计算有关斜抛运动的问题. 平抛运动 1．定义 将一物体水平抛出，物体只在重力作用下的运动． 2．性质 加速度为重力加速度 g 的匀变速曲线运动，运动轨迹是抛物线． 3．平抛运动的研究方法 将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动，分别研究两个分运 动的规律，必要时再用运动合成的方法进行合成． 4．基本规律 以抛出点为原点，水平方向(初速度 v0 方向)为 x 轴，竖直向下方向为 y 轴，建立平面直角坐 标系，则： (1)水平方向：速度 vx＝v0，位移 x＝v0t. (2)竖直方向：速度 vy＝gt，位移 y＝1 2gt2. (3)合速度：v＝ vx2＋vy2，方向与水平方向的夹角为θ，则 tan θ＝vy vx ＝gt v0 . (4)合位移：s＝ x2＋y2，方向与水平方向的夹角为α，tan α＝y x ＝ gt 2v0 . (5)角度关系：tan θ＝2tan α. 自测 1 (多选)某人向放在水平地面上正前方的小桶中水平抛球，结果球划着一条弧线飞到 小桶的前方，如图 1 所示．不计空气阻力，为了能把小球抛进小桶中，则下次再水平抛球时， 可能做出的调整为( ) 图 1 A．减小初速度，抛出点高度不变 B．增大初速度，抛出点高度不变 C．初速度大小不变，降低抛出点高度 D．初速度大小不变，提高抛出点高度 答案 AC 自测 2 从高度为 h 处以水平速度 v0 抛出一个物体，要使该物体的落地速度与水平地面的 夹角较大，则 h 与 v0 的取值应为下列四组中的哪一组( ) A．h＝30 m，v0＝10 m/s B．h＝30 m，v0＝30 m/s C．h＝50 m，v0＝30 m/s D．h＝50 m，v0＝10 m/s 答案 D 自测 3 如图 2 所示为高度差 h1＝0.2 m 的 AB、CD 两个水平面，在 AB 面的上方与竖直面 BC 的水平距离 x＝1.0 m 处，小物体以水平速度 v＝2.0 m/s 抛出，抛出点距 AB 面的高度 h2 ＝2.0 m，不计空气阻力，重力加速度取 g＝10 m/s2.则小物体( ) 图 2 A．落在平面 AB 上 B．落在平面 CD 上 C．落在竖直面 BC 上 D．落在 C 点 答案 B 命题点一 平抛运动的基本规律 1．飞行时间：由 t＝ 2h g 知，时间取决于下落高度 h，与初速度 v0 无关． 2．水平射程：x＝v0t＝v0 2h g ，即水平射程与初速度 v0 和下落高度 h 有关，与其他因素无 关． 3．落地速度：v＝ vx2＋vy2＝ v02＋2gh，以θ表示落地速度与 x 轴正方向间的夹角，有 tan θ ＝vy vx ＝ 2gh v0 ，即落地速度也只与初速度 v0 和下落高度 h 有关． 4．重要推论：做平抛运动的物体任意时刻瞬时速度方向的反向延长线必通过此时水平位移 的中点． 例 1 (2017·浙江 4 月选考·13)图 3 中给出了某一通关游戏的示意图，安装在轨道 AB 上可 上下移动的弹射器，能水平射出速度大小可调节的弹丸，弹丸射出口在 B 点的正上方，竖 直面内的半圆弧 BCD 的半径 R＝2.0 m，直径 BD 水平且与轨道 AB 处在同一竖直面内，小 孔 P 和圆心 O 连线与水平方向夹角为 37°.游戏要求弹丸垂直于 P 点圆弧切线方向射入小孔 P 就能进入下一关．为了能通关，弹射器离 B 点的高度和弹丸射出的初速度分别是(不计空 气阻力，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，g＝10 m/s2)( ) 图 3 A．0.15 m,4 3 m/s B．1.50 m,4 3 m/s C．0.15 m,2 6 m/s D．1.50 m,2 6 m/s 答案 A 解析 如图所示，OE＝OPcos 37°＝2.0×0.8 m＝1.6 m， PE＝OPsin 37°＝2.0×0.6 m＝1.2 m， 平抛运动的水平位移为：x＝BO＋OE＝3.6 m， 即：v0t＝3.6 m，OF＝NE＝NP－1.2 m＝y－1.2 m， GF＝MN 2 －OE＝x 2 －1.6 m， 而OF GF ＝tan 37°＝y－1.2 m x 2 －1.6 m ， 解得：y＝3 8x＝3 8 ×3.6 m＝1.35 m， 所以弹射器离 B 点的高度为 h＝MB＝y－PE＝1.35 m－1.2 m＝0.15 m， 又vy vx ＝tan 37°，即gt v0 ＝3 4 ，v0t＝3.6 m， 代入数据解得：v0＝4 3 m/s，故 A 正确，B、C、D 错误． 变式 1 (多选)如图 4 所示，将一小球从空中 A 点以水平速度 v0 抛出，经过一段时间后， 小球以大小为 2v0 的速度经过 B 点，不计空气阻力，则小球从 A 到 B(重力加速度为 g)( ) 图 4 A．下落高度为3v02 2g B．经过的时间为3v0 g C．速度增量为 v0，方向竖直向下 D．运动方向改变的角度为 60° 答案 AD 解析 小球经过 B 点时竖直分速度 vy＝ 2v02－v02＝ 3v0，由 vy＝gt 得 t＝ 3v0 g ，故 B 错误； 根据运动学公式得：h＝1 2gt2，则 h＝3v02 2g ，故 A 正确；速度增量为Δv＝gt＝ 3v0，方向竖直 向下，故 C 错误；小球经过 B 点时速度方向与水平方向夹角的正切值 tan α＝vy v0 ＝ 3，α＝60°， 即运动方向改变的角度为 60°，故 D 正确． 变式 2 如图 5 所示，x 轴在水平地面上，y 轴在竖直方向．图中画出了从 y 轴上不同位置 沿 x 轴正向水平抛出的三个质量相等的小球 a、b 和 c 的运动轨迹．小球 a 从(0,2L)抛出，落 在(2L,0)处；小球 b、c 从(0，L)抛出，分别落在(2L,0)和(L,0)处．不计空气阻力，下列说法 正确的是( ) 图 5 A．b 的初速度是 a 的初速度的 2 倍 B．b 的初速度是 a 的初速度的 2倍 C．b 的动能增量是 c 的动能增量的 2 倍 D．a 的动能增量是 c 的动能增量的 2倍 答案 B 解析 a、b 的水平位移相同，但时间不同， 根据 t＝ 2h g 可知ta tb ＝ 2 1 ， 根据 v0＝x t 可知v0b v0a ＝ 2 1 ，故 A 错误，B 正确； b、c 的竖直位移相同，根据动能定理ΔEk＝mgh 可知，b 的动能增量等于 c 的动能增量，选 项 C 错误； a 的竖直位移是 c 的 2 倍，根据动能定理可知，a 的动能增量等于 c 的动能增量的 2 倍，选 项 D 错误． 变式 3 如图 6 所示为足球球门，球门宽为 L.一个球员在球门中心正前方距离球门 s 处高 高跃起，将足球顶入球门的左下方死角(图中 P 点)．球员顶球点的高度为 h，足球做平抛运 动(足球可看成质点)，则( ) 图 6 A．足球位移的大小 x＝ L2 4 ＋s2 B．足球初速度的大小 v0＝ g 2h L2 4 ＋s2 C．足球末速度的大小 v＝ g 2h L2 4 ＋s2＋4gh D．足球初速度的方向与球门线夹角的正切值 tan θ＝ L 2s 答案 B 解析 足球位移大小为 x＝ L 2 2＋s2＋h2＝ L2 4 ＋s2＋h2，A 项错误； 根据平抛运动规律有：h＝1 2gt2， L2 4 ＋s2＝v0t， 解得 v0＝ g 2h L2 4 ＋s2，B 项正确； 根据动能定理可得 mgh＝1 2mv2－1 2mv02 解得 v＝ v02＋2gh＝ g 2h L2 4 ＋s2＋2gh，C 项错误； 足球初速度方向与球门线夹角的正切值 tan θ＝s L 2 ＝2s L ，D 项错误． 命题点二 有约束条件的平抛运动模型 模型 1 对着竖直墙壁平抛 如图 6 所示，水平初速度 v0 不同时，虽然落点不同，但水平位移 d 相同，t＝ d v0 . 图 6 例 2 如图 7 所示，墙壁上落有两只飞镖，它们是从同一位置水平射出的，飞镖 A 与竖直 墙壁成 53°角，飞镖 B 与竖直墙壁成 37°角，两者相距为 d.假设飞镖的运动是平抛运动，求 射出点离墙壁的水平距离．(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8) 图 7 答案 24d 7 解析 由题意可知，飞镖 A、B 从同一点做平抛运动，其落点速度方向的反向延长线的交点 C 为水平位移的中点，如图所示， 设飞镖的水平位移为 x，根据几何关系得： yA＝x 2tan 37°＝3x 8 ，yB＝x 2tan 53°＝2x 3 又已知 yB－yA＝d 解得 x＝24d 7 ，即射出点离墙壁的水平距离为24d 7 . 变式 4 (多选)从竖直墙的前方 A 处，沿 AO 方向水平发射三颗弹丸 a、b、c，在墙上留下 的弹痕如图 8 所示，已知 Oa＝ab＝bc，则 a、b、c 三颗弹丸(不计空气阻力)( ) 图 8 A．初速度之比是 6∶ 3∶ 2 B．初速度之比是 1∶ 2∶ 3 C．从射出至打到墙上过程速度增量之比是 1∶ 2∶ 3 D．从射出至打到墙上过程速度增量之比是 6∶ 3∶ 2 答案 AC 解析 水平发射的弹丸做平抛运动，竖直方向上是自由落体运动，水平方向上是匀速直线运 动．又因为竖直方向上 Oa＝ab＝bc，即 Oa∶Ob∶Oc＝1∶2∶3，由 h＝1 2gt2 可知 ta∶tb∶tc ＝1∶ 2∶ 3，由水平方向 x＝v0t 可得 va∶vb∶vc＝1∶ 1 2 ∶ 1 3 ＝ 6∶ 3∶ 2，故选项 A 正 确，B 错误；由Δv＝gt，可知从射出至打到墙上过程速度增量之比是 1∶ 2∶ 3，故选项 C 正确，D 错误． 模型 2 斜面上的平抛问题 1．顺着斜面平抛(如图 9) 图 9 方法：分解位移． x＝v0t， y＝1 2gt2， tan θ＝y x ， 可求得 t＝2v0tan θ g . 2．对着斜面平抛(如图 10) 图 10 方法：分解速度． vx＝v0， vy＝gt， tan θ＝v0 vy ＝v0 gt ， 可求得 t＝ v0 gtan θ. 例 3 (多选)如图 11 所示，在斜面顶端 a 处以速度 va 水平抛出一小球，经过时间 ta 恰好落 在斜面底端 P 处；今在 P 点正上方与 a 等高的 b 处以速度 vb 水平抛出另一小球，经过时间 tb 恰好落在斜面的中点 Q 处．若不计空气阻力，下列关系式正确的是( ) 图 11 A．va＝2vb B．va＝ 2vb C．ta＝2tb D．ta＝ 2tb 答案 BD 解析 b 球落在斜面的中点，知 a、b 两球下降的高度之比为 2∶1，根据 h＝1 2gt2 知，t＝ 2h g ， 则时间之比为ta tb ＝ 2，即 ta＝ 2tb.因为 a、b 两球水平位移之比为 2∶1，则由 x＝v0t，得 va ＝ 2vb，故 B、D 正确，A、C 错误． 变式 5 跳台滑雪是勇敢者的运动，它是利用山势特点建造的一个特殊跳台．一名运动员 穿着专用滑雪板，不带雪杖，在助滑路上获得一定的速度后从 A 点水平飞出，在空中飞行 一段距离后在山坡上 B 点着陆，如图 12 所示．已知可视为质点的运动员水平飞出的速度 v0 ＝20 m/s，山坡看成倾角为 37°的斜面，不考虑空气阻力，则运动员(g 取 10 m/s2，sin 37° ＝0.6，cos 37°＝0.8)( ) 图 12 A．在空中飞行的时间为 4 s B．在空中飞行的时间为 3 s C．在空中飞行的平均速度为 20 m/s D．在空中飞行的平均速度为 50 m/s 答案 B 解析 A、B 间距离就是整个平抛过程中运动员的位移，则有水平方向：x＝v0t，竖直方向： h＝1 2gt2，两式结合有 tan 37°＝h x ＝ 1 2gt2 v0t ＝ gt 2v0 ，解得 t＝3 s，选项 A 错误，B 正确；平均速度 v ＝s t ＝ x tcos 37° ＝25 m/s，选项 C、D 错误． 变式 6 如图 13 所示，以 10 m/s 的初速度水平抛出的物体，飞行一段时间后垂直撞在倾 角为 30°的斜面上，则物体在空中飞行的时间是(g 取 10 m/s2)( ) 图 13 A. 3 3 s B.2 3 3 s C. 3 s D．2 s 答案 C 解析 速度分解图如图所示，由几何关系可知 vy＝ v0 tan 30° ＝10 3 m/s，由 vy＝gt，得 t＝ 3 s. 命题点三 平抛运动的临界问题 1．分析平抛运动中的临界问题时一般运用极限分析的方法，即把要求的物理量设定为极大 或极小，让临界问题突显出来，找到临界的条件． 2．确立临界状态的运动轨迹，并画出轨迹示意图，画示意图可以使抽象的物理情景变得直 观，还可以使一些隐藏于问题深处的条件暴露出来． 例 4 如图 14 所示，窗子上、下沿间的高度 H＝1.6 m，竖直墙的厚度 d ＝0.4 m，某人在 离墙壁距离 L＝1.4 m、距窗子上沿 h ＝0.2 m 处的 P 点，将可视为质点的小物件以垂直于 墙壁的速度 v 水平抛出， 要求小物件能直接穿过窗口并落在水平地面上，不计空气阻力，g ＝10 m/s2.则可以实现上述要求的速度大小是( ) 图 14 A．2 m/s B．4 m/s C．8 m/s D．10 m/s 答案 B 解析 小物件做平抛运动，恰好擦着窗子上沿右侧墙边缘穿过时速度 v 最大．此时有：L＝ vmaxt1，h＝1 2gt12 代入数据解得：vmax＝7 m/s 小物件恰好擦着窗口下沿左侧墙边缘穿过时速度 v 最小， 则有：L＋d＝vmint2，H＋h＝1 2gt22， 代入数据解得：vmin＝3 m/s，故 v 的取值范围是 3 m/s＜v＜7 m/s，故 B 正确，A、C、D 错误． 变式 7 如图 15 所示，水平屋顶高 H＝5 m，围墙高 h＝3.2 m，围墙到房子的水平距离 L ＝3 m，围墙外空地宽 x＝10 m，为使小球从屋顶水平飞出落在围墙外的空地上，g 取 10 m/s2. 求：(围墙厚度忽略不计) 图 15 (1)小球离开屋顶时的速度 v0 的大小范围； (2)小球落在空地上的最小速度． 答案 (1)5 m/s≤v0≤13 m/s (2)5 5 m/s 解析 (1)设小球恰好落到空地的右侧边缘时的水平初速度为 v01，则小球的水平位移：L＋x ＝v01t1 小球的竖直位移：H＝1 2gt12 解以上两式得 v01＝(L＋x) g 2H ＝13 m/s 设小球恰好越过围墙顶端时的水平初速度为 v02，则此过程中小球的水平位移： L＝v02t2 小球的竖直位移：H－h＝1 2gt22 解以上两式得： v02＝L g 2H－h ＝5 m/s 小球离开屋顶时速度 v0 的大小为 5 m/s≤v0≤13 m/s (2)小球落在空地上，下落高度一定，落地时的竖直分速度一定，当小球恰好越过围墙顶端 落在空地上时，落地速度最小． 竖直方向：v y2＝2gH 又有：vmin＝ v022＋vy2 解得：vmin＝5 5 m/s. 1．可以近似地认为：在地面附近，物体所受的重力是不变的．不计空气阻力，关于在地面 附近的抛体运动，下列说法正确的是( ) A．所有的抛体运动都是直线运动 B．所有的抛体运动都是曲线运动 C．所有的抛体运动都是匀变速运动 D．有一些抛体的运动是变加速运动 答案 C 解析 所有在地面附近做抛体运动的物体都只受重力，加速度恒定不变，选项 C 正确． 2．从距离地面 h 处水平抛出一小球，落地时小球速度方向与水平方向的夹角为θ，不计空气 阻力，重力加速度为 g，下列结论中正确的是( ) A．小球初速度为 2ghtan θ B．小球着地速度大小为 2gh sin θ C．若小球初速度减为原来的一半，则平抛运动的时间变为原来的两倍 D．若小球初速度减为原来的一半，则落地时速度方向与水平方向的夹角变为 2θ 答案 B 3．农民在精选谷种时，常用一种叫“风车”的农具进行分选．在同一风力作用下，谷种和 瘪谷(空壳)都从洞口水平飞出，结果谷种和瘪谷落地点不同，自然分开，如图 1 所示．若不 计空气阻力，对这一现象，下列分析正确的是( ) 图 1 A．谷种和瘪谷从飞出洞口到落地的时间不相同 B．谷种和瘪谷从洞口飞出时的速度大小相同 C．M 处是瘪谷，N 处为谷种 D．M 处是谷种，N 处为瘪谷 答案 D 解析 由 h＝1 2gt2 知落地时间相同，又 x＝v0t 得初速度不同，谷种从洞口飞出时的速度小， 位移小，落在 M 处，瘪谷速度大，落在 N 处，故 D 正确． 4.(2018·温州市期末)公园里，经常可以看到大人和小孩都喜欢玩的一种游戏——“套圈”， 如图 2 所示是“套圈”游戏的场景．某小孩和大人分别水平抛出圆环，大人抛出圆环时的高 度大于小孩抛出时的高度，结果恰好都套中前方同一物体，假设圆环的水平位移相同．如果 不计空气阻力，圆环的运动可以视为平抛运动，则下列说法正确的是( ) 图 2 A．大人和小孩抛出的圆环发生的位移相等 B．大人抛出圆环的加速度小于小孩抛出圆环的加速度 C．大人和小孩抛出的圆环在空中飞行的时间相等 D．大人抛出圆环的初速度小于小孩抛出圆环的初速度 答案 D 解析 大人和小孩抛出的圆环发生的水平位移相等，竖直位移不同，所以大人和小孩抛出的 圆环发生的位移不相等，故 A 错误；圆环做平抛运动，加速度 a＝g，所以大人、小孩抛出 的圆环的加速度相等，故 B 错误；平抛运动的时间由下落高度决定，可知大人抛出的圆环 运动时间较长，故 C 错误；大人抛出的圆环运动时间较长，如果要让大人与小孩抛出的圆 环的水平位移相等，则大人要以较小的初速度抛出圆环，故 D 正确． 5．从离地面高为 h 处以水平速度 v0 抛出一个物体，不计空气阻力，要使物体落地时速度方 向与水平地面的夹角最大，则 h 与 v0 的取值应为下列的( ) A．h＝15 m，v0＝5 m/s B．h＝15 m，v0＝8 m/s C．h＝30 m，v0＝10 m/s D．h＝40 m，v0＝10 m/s 答案 A 解析 被抛出后物体在水平方向上做匀速直线运动：v＝v0，竖直方向上做自由落体运动：v y2＝2gh，落地时速度方向与地面夹角的正切值为 tan α＝vy v0 ＝ 2gh v0 ，所以 h 越大，初速度 v0 越小，物体落地时速度方向与地面的夹角越大，故 A 正确，B、C、D 错误． 6．某同学将一篮球斜向上抛出，篮球恰好垂直击中篮板反弹后进入篮筐，忽略空气阻力， 若抛射点远离篮板方向水平移动一小段距离，仍使篮球垂直击中篮板相同位置，且球击中篮 板前不会与篮筐相撞，则下列方案可行的是( ) A．增大抛射速度，同时减小抛射角 B．减小抛射速度，同时减小抛射角 C．增大抛射角，同时减小抛出速度 D．增大抛射角，同时增大抛出速度 答案 A 解析 应用逆向思维，把篮球的运动看成平抛运动，由于竖直高度不变，水平位移增大，篮 球从抛射点到篮板的时间 t＝ 2h g 不变，竖直分速度 vy＝ 2gh不变，水平方向由 x＝vxt 知 x 增大，vx 增大，抛射速度 v＝ vx2＋vy2增大，与水平方向的夹角的正切值 tan θ＝vy vx 减小，故 θ减小，可知 A 正确． 7．“楚秀园”是淮安市一座旅游综合性公园，园内娱乐设施齐全，2017 年 6 月 1 日，某同 学在公园内玩掷飞镖游戏时，从同一位置先后以速度 vA 和 vB 将飞镖水平掷出，依次落在靶 盘上的 A、B 两点，如图 3 乙所示，飞镖在空中运动的时间分别为 tA 和 tB.忽略阻力作用，则 ( ) 图 3 A．vAtB C．vA>vB，tAvB，tA>tB 答案 C 8.(2018·杭州市五校联考)在同一竖直线上的不同高度分别沿同一方向水平抛出两个小球 A 和 B，两球在空中相遇，其运动轨迹如图 4 所示，不计空气阻力，下列说法正确的是( ) 图 4 A．相遇时 A 球速度一定大于 B 球 B．相遇时 A 球速度一定小于 B 球 C．相遇时 A 球速度的水平分量一定等于 B 球速度的水平分量 D．相遇时 A 球速度的竖直分量一定大于 B 球速度的竖直分量 答案 D 解析 根据 t＝ 2h g ，vy＝gt，hA>hB，x＝vxt，知 tA>tB，vyA>vyB，vxA