平抛运动常见题型及应用专题

第1页共14页个性化教学辅导教案学科物理任课教师：授课时间：2年月日(星期)姓名年级高一性别课题平抛运动常见题型及应用专题教学目标1、知道平抛运动的特点，并能用动力学观点分析其轨迹。2、理解平抛运动可以看作水平的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动，并且这两个运动互不影响。3、会用平抛运动规律解答有关问题。难点重点会用平抛运动规律解答有关问题；会进行速度和位移的分解和合成，并解决相关问题（一）平抛运动的基础知识1.定义：水平抛出的物体只在重力作用下的运动。2.特点：（1）平抛运动是一个同时经历水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动。（2）平抛运动的轨迹是一条抛物线，其一般表达式为cbxaxy2。（3）平抛运动在竖直方向上是自由落体运动，加速度ga恒定，所以竖直方向上在相等的时间内相邻的位移的高度之比为5:3:1::321sss…竖直方向上在相等的时间内相邻的位移之差是一个恒量2gTssssIIIIIIII。（4）在同一时刻，平抛运动的速度（与水平方向之间的夹角为）方向和位移方向（与水平方向之间的夹角是）是不相同的，其关系式tan2tan（即任意一点的速度延长线必交于此时物体位移的水平分量的中点）。3.平抛运动的规律描绘平抛运动的物理量有0v、yv、v、x、y、s、、t，已知这八个物理量中的任意两个，可以求出其它六个。运动分类加速度速度位移轨迹分运动x方向00vtvx0直线y方向ggt221gty直线合运动大小g220)(gtv2220)21()(gttv抛物线与x方向的夹角900tanvgt02tanvgt（二）平抛运动的常见问题及求解思路关于平抛运动的问题，有直接运用平抛运动的特点、规律的问题，有平抛运动与圆周运动组合的问题、有平抛运动与天体运动组合的问题、有平抛运动与电场（包括一些复合场）组合的问题等。本文主要讨论直接运用平抛运动的特点和规律来求解的问题，即有关平抛运动的常见问题。1.从同时经历两个运动的角度求平抛运动的水平速度第2页共14页求解一个平抛运动的水平速度的时候，我们首先想到的方法，就应该是从竖直方向上的自由落体运动中求出时间，然后，根据水平方向做匀速直线运动，求出速度。[例1]如图1所示，某人骑摩托车在水平道路上行驶，要在A处越过mx5的壕沟，沟面对面比A处低mh25.1，摩托车的速度至少要有多大？Axh图1解析：在竖直方向上，摩托车越过壕沟经历的时间ssght5.01025.122在水平方向上，摩托车能越过壕沟的速度至少为smsmtxv/10/5.0502.从分解速度的角度进行解题对于一个做平抛运动的物体来说，如果知道了某一时刻的速度方向，则我们常常是“从分解速度”的角度来研究问题。[例2]如图2甲所示，以9.8m/s的初速度水平抛出的物体，飞行一段时间后，垂直地撞在倾角为30的斜面上。可知物体完成这段飞行的时间是（）A.s33B.332sC.s3D.s2θ30°vxvtvy30°甲乙v0图2解析：先将物体的末速度tv分解为水平分速度xv和竖直分速度yv（如图2乙所示）。根据平抛运动的分解可知物体水平方向的初速度是始终不变的，所以0vvx；又因为tv与斜面垂直、yv与水平面垂直，所以tv与yv间的夹角等于斜面的倾角。再根据平抛运动的分解可知物体在竖直方向做自由落体运动，那么我们根据yvgt就可以求出时间t了。则yxvvtan第3页共14页所以smsmvvvxy/38.9/318.930tantan0根据平抛运动竖直方向是自由落体运动可以写出gtvy所以sgvty38.938.9所以答案为C。3.从分解位移的角度进行解题对于一个做平抛运动的物体来说，如果知道了某一时刻的位移方向（如物体从已知倾角的斜面上水平抛出，这个倾角也等于位移与水平方向之间的夹角），则我们可以把位移分解成水平方向和竖直方向，然后运用平抛运动的运动规律来进行研究问题（这种方法，暂且叫做“分解位移法”）[例3]在倾角为的斜面上的P点，以水平速度0v向斜面下方抛出一个物体，落在斜面上的Q点，证明落在Q点物体速度20tan41vv。解析：设物体由抛出点P运动到斜面上的Q点的位移是l，所用时间为t，则由“分解位移法”可得，竖直方向上的位移为sinlh；水平方向上的位移为cosls。又根据运动学的规律可得竖直方向上221gth，gtvy水平方向上tvs0则002221tanvvtvgtshy，tan20vvy所以Q点的速度20220tan41vvvvy[例4]如图3所示，在坡度一定的斜面顶点以大小相同的速度0v同时水平向左与水平向右抛出两个小球A和B，两侧斜坡的倾角分别为37和53，小球均落在坡面上，若不计空气阻力，则A和B两小球的运动时间之比为多少？第4页共14页ABv0v037°53°图3解析：37和53都是物体落在斜面上后，位移与水平方向的夹角，则运用分解位移的方法可以得到002221tanvgttvgtxy所以有01237tanvgt同理02253tanvgt则16:9:21tt4.从竖直方向是自由落体运动的角度出发求解在研究平抛运动的实验中，由于实验的不规范，有许多同学作出的平抛运动的轨迹，常常不能直接找到运动的起点（这种轨迹，我们暂且叫做“残缺轨迹”），这给求平抛运动的初速度带来了很大的困难。为此，我们可以运用竖直方向是自由落体的规律来进行分析。[例5]某一平抛的部分轨迹如图4所示，已知axx21，by1，cy2，求0v。x1x2y1y2ABC图4解析：A与B、B与C的水平距离相等，且平抛运动的水平方向是匀速直线运动，可设A到B、B到C的时间为T，则Tvxx021又竖直方向是自由落体运动，则212gTyyy代入已知量，联立可得gbcTbcgav0第5页共14页5.从平抛运动的轨迹入手求解问题[例6]从高为H的A点平抛一物体，其水平射程为s2，在A点正上方高为2H的B点，向同一方向平抛另一物体，其水平射程为s。两物体轨迹在同一竖直平面内且都恰好从同一屏的顶端擦过，求屏的高度。ABOFExy图5解析：本题如果用常规的“分解运动法”比较麻烦，如果我们换一个角度，即从运动轨迹入手进行思考和分析，问题的求解会很容易，如图5所示，物体从A、B两点抛出后的运动的轨迹都是顶点在y轴上的抛物线，即可设A、B两方程分别为cbxaxy2，cxbxay2则把顶点坐标A（0，H）、B（0，2H）、E（2s，0）、F（s，0）分别代入可得方程组HxsHyHxsHy2242222这个方程组的解的纵坐标Hy76，即为屏的高。6.灵活分解求解平抛运动的最值问题[例7]如图6所示，在倾角为的斜面上以速度0v水平抛出一小球，该斜面足够长，则从抛出开始计时，经过多长时间小球离开斜面的距离的达到最大，最大距离为多少？Oθxv0y图6解析：将平抛运动分解为沿斜面向下和垂直斜面向上的分运动，虽然分运动比较复杂一些，但易将物体离斜面距离达到最大的物理本质凸显出来。取沿斜面向下为x轴的正方向，垂直斜面向上为y轴的正方向，如图6所示，在y轴上，小球做初速度为sin0v、加速度为cosg的匀变速直线运动，所以有第6页共14页cos2)sin(202gyvvy①tgvvycossin0②当0yv时，小球在y轴上运动到最高点，即小球离开斜面的距离达到最大。由①式可得小球离开斜面的最大距离cos2)sin(20gvyH当0yv时，小球在y轴上运动到最高点，它所用的时间就是小球从抛出运动到离开斜面最大距离的时间。由②式可得小球运动的时间为tan0gvt7.利用平抛运动的推论求解推论1：任意时刻的两个分速度与合速度构成一个矢量直角三角形。[例8]从空中同一点沿水平方向同时抛出两个小球，它们的初速度大小分别为1v和2v，初速度方向相反，求经过多长时间两小球速度之间的夹角为90？v1v2αβv1yv2y图7解析：设两小球抛出后经过时间t，它们速度之间的夹角为90，与竖直方向的夹角分别为和，对两小球分别构建速度矢量直角三角形如图7所示，由图可得1cotvgt和gtv2tan又因为90，所以tancot由以上各式可得gtvvgt21，解得211vvgt推论2：任意时刻的两个分位移与合位移构成一个矢量直角三角形推论3：平抛运动的末速度的反向延长线交平抛运动水平位移的中点。证明：设平抛运动的初速度为0v，经时间t后的水平位移为x，如图10所示，D为末速度反向延长线与水平分位移的交点。根据平抛运动规律有第7页共14页水平方向位移tvx0竖直方向gtvy和221gty由图可知，ABC与ADE相似，则yDEvvy0联立以上各式可得2xDE该式表明平抛运动的末速度的反向延长线交平抛运动水平位移的中点。OABExyv0vyC图10[例10]如图11所示，与水平面的夹角为的直角三角形木块固定在地面上，有一质点以初速度0v从三角形木块的顶点上水平抛出，求在运动过程中该质点距斜面的最远距离。Ov0θ图11解析：当质点做平抛运动的末速度方向平行于斜面时，质点距斜面的距离最远，此时末速度的方向与初速度方向成角。如图12所示，图中A为末速度的反向延长线与水平位移的交点，AB即为所求的最远距离。根据平抛运动规律有gtvy，tvx0和tan0vvy由上述推论3知2xOA据图9中几何关系得sinAOAB由以上各式解得gvAB2sintan20即质点距斜面的最远距离为gv2sintan20第8页共14页OθABθv图12推论4：平抛运动的物体经时间t后，其速度tv与水平方向的夹角为，位移s与水平方向的夹角为，则有tan2tan证明：如图13，设平抛运动的初速度为0v，经时间t后到达A点的水平位移为x、速度为tv，如图所示，根据平抛运动规律和几何关系：在速度三角形中00tanvgtvvy在位移三角形中00222tanvgttvgtxy由上面两式可得tan2tansv0vyOxyAvtαβ图13[例11]一质量为m的小物体从倾角为30的斜面顶点A水平抛出，落在斜面上B点，若物体到达B点时的动能为35J，试求小物体抛出时的初动能为多大？（不计运动过程中的空气阻力）v0ABv0vtvyαβ图14解析：由题意作出图14，根据推论4可得30tan2tan2tan，所以332tan第9页共14页由三角知识可得213cos又因为cos0vvt所以初动能JEmvEkBkA152192120[例12]如图15所示，从倾角为斜面足够长的顶点A，先后将同一小球以不同的初速度水平向右抛出，第一次初速度为1v，球落到斜面上前一瞬间的速度方向与斜面的夹角为1，第二次初速度2v，球落在斜面上前一瞬间的速度方向与斜面间的夹角为2，若12vv，试比较1和2的大小。AB1v1v2Cαα2θθ图15解析：根据上述关系式结合图中的几何关系可得tan2)tan(所以)tan2arctan(此式表明仅与有关，而与初速度无关，因此21，即以不同初速度平抛的物体落在斜面上各点的速度方向是互相平行的。推论5：平抛运动的物体经时间t后，位移s与水平方向的夹角为，则此时的动能与初动能的关系为)tan41(20kktEE证明：设质量为m的小球以0v的水平初速度从A点抛出，经时间t到达B点，其速度tv与水平方向的夹角为，根据平抛运动规律可作出位移和速度的合成图，如图16所示。第10页共14页图16由上面推论4可知tan2tan从图16中看出tan2tan00vvvy小球到达B点的速度为20220tan41vvvvyt所以B点的动能为)tan41(21212202