4.1曲线运动 运动的合成与分解.doc

第四章　曲线运动　万有引力与航天 一、三年高考考点统计与分析 (1)从近三年高考试题考点分布可以看出，高考对本章内容的考查重点有：平抛运动、圆周运动与牛顿运动定律的综合，万有引力定律与实际航空、航天问题的结合，如天体质量、密度的估算、卫星的发射、运行、变轨问题等。 (2)本部分内容的考查题型较全，既有选择题，又有计算题，对抛体运动、圆周运动、万有引力定律的应用的直接考查，一般为选择题；平抛运动、圆周运动规律与其他知识的综合应用，一般以计算题的形式考查。 二、2014年高考考情预测 (1)运动的合成与分解、平抛运动规律、圆周运动规律、万有引力定律在航天科技方面的应用仍将是本章命题的热点。 (2)平抛运动、圆周运动规律与牛顿运动定律、万有引力定律、功能关系、电磁学知识相结合，与生产、生活、科技背景相联系，将是2014年高考命题的趋势。 [备课札记] 第四章　曲线运动　万有引力与航天 [学习目标定位] 考 纲 下 载 考 情 上 线 1.运动的合成与分解(Ⅱ) 2．抛体运动(Ⅱ) 3．匀速圆周运动、角速度、线速度、向心加速度(Ⅰ) 4．匀速圆周运动的向心力(Ⅱ) 5．离心现象(Ⅰ) 6．万有引力定律及其应用(Ⅱ) 7．环绕速度(Ⅱ) 8．第二宇宙速度和第三宇宙速度(Ⅰ) 9．经典时空观和相对论时空观(Ⅰ) 高考地位 高考对本章中知识点考查频率较高的是平抛运动、圆周运动及万有引力定律的应用。单独命题常以选择题的形式出现；与牛顿运动定律、功能关系、电磁学知识相综合常以计算题的形式出现。 考点点击 1.平抛运动规律及研究方法。 2．圆周运动的角速度、线速度、向心加速度，以及竖直平面内的圆周运动，常综合考查牛顿第二定律、机械能守恒定律或能量守恒定律。 3．万有引力定律与圆周运动相综合，结合航天技术、人造地球卫星等现代科技的重要领域进行命题。 第1单元曲线运动__运动的合成与分解 曲线运动 [想一想] 如图4－1－1是一位跳水运动员从高台做“反身翻腾二周半”动作时头部的运动轨迹，最后运动员沿竖直方向以速度v入水。整个运动过程中在哪几个位置头部的速度方向与入水时v的方向相同？在哪几个位置与v的方向相反？把这些位置在图中标出来。 图4－1－1 提示：头部的速度方向为头部运动轨迹在各点的切线方向，如图所示，A、C两位置头部速度方向与v方向相同，B、D两位置头部速度方向与v方向相反。 [记一记] 1．速度方向 质点在某一点的瞬时速度的方向，沿曲线上该点的切线方向。 2．运动性质 做曲线运动的物体，速度的方向时刻改变，故曲线运动一定是变速运动，即必然具有加速度。 3．曲线运动的条件 (1)运动学角度：物体的加速度方向跟速度方向不在同一条直线上。 (2)动力学角度：物体所受合外力的方向跟速度方向不在同一条直线上。 [试一试] 1．物体在光滑水平面上受三个水平恒力(不共线)作用处于平衡状态，如图4－1－2所示，当把其中一个水平恒力撤去时(其余两个力保持不变)，物体将(　　) 图4－1－2 A．一定做匀加速直线运动 B．可能做匀变速直线运动 C．可能做曲线运动 D．一定做曲线运动 解析：选BC　物体原来受三个力作用处于平衡状态，现在撤掉其中一个力，则剩下两个力的合力与撤掉的力等大反向，即撤掉一个力后，合力为恒力，如果物体原来静止，则撤掉一个力后将做匀加速直线运动，选项B正确；如果物体原来做匀速直线运动，撤掉一个力后，若速度与合力不共线，则物体做曲线运动，若速度与合力共线，则物体将做匀变速直线运动，选项A、D错，C正确。 运动的合成与分解 [想一想] 如图4－1－3所示，红蜡块可以在竖直玻璃管内的水中匀速上升，速度为v。若在红蜡块从A点开始匀速上升的同时，玻璃管从AB位置由静止开始水平向右做匀加速直线运动，加速度大小为a。 图4－1－3 请思考：红蜡块实际参与了哪两个方向的运动？这两个运动的合运动轨迹是直线还是曲线？与图中哪个轨迹相对应？ 提示：红蜡块沿竖直方向做匀速直线运动，沿水平方向做匀加速直线运动，此两运动的合运动为曲线运动，运动轨迹为图中的曲线AQC。 [记一记] 1．基本概念 分运动合运动 2．分解原则 根据运动的实际效果分解，也可采用正交分解。 3．遵循的规律 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。 (1)如果各分运动在同一直线上，需选取正方向，与正方向同向的量取“＋”号，与正方向反向的量取“－”号，从而将矢量运算简化为代数运算。 (2)两分运动不在同一直线上时，按照平行四边形定则进行合成，如图4－1－4所示。 图4－1－4 (3)两个分运动垂直时的合成满足： a合＝ s合＝ v合＝ [试一试] 2．某质点的运动速度在x、y方向的分量vx、vy与时间的关系如图4－1－5所示，已知x、y方向相互垂直，则4 s末该质点的速度和位移大小各是多少？ 图4－1－5 解析：4 s末，在x方向上vx＝3 m/s，sx＝vxt＝12 m 在y方向上 vy＝4 m/s，a＝＝1 m/s2，sy＝at2＝8 m 所以v合＝＝5 m/s s合＝＝4 m。 答案：5 m/s　4 m 合运动的性质与轨迹判断 1.合力方向与轨迹的关系 无力不拐弯，拐弯必有力。曲线运动轨迹始终夹在合力方向与速度方向之间，而且向合力的方向弯曲，或者说合力的方向总是指向曲线的“凹”侧。 2．合力方向与速率变化的关系 (1)当合力方向与速度方向的夹角为锐角时，物体的速率增大。 (2)当合力方向与速度方向的夹角为钝角时，物体的速率减小。 (3)当合力方向与速度方向垂直时，物体的速率不变。 3．合运动与分运动的关系 (1)运动的独立性： 一个物体同时参与两个(或多个)运动，其中的任何一个运动并不会受其他分运动的干扰，而保持其运动性质不变，这就是运动的独立性原理。虽然各分运动互不干扰，但是它们共同决定合运动的性质和轨迹。 (2)运动的等时性： 各个分运动与合运动总是同时开始，同时结束，经历时间相等(不同时的运动不能合成)。 (3)运动的等效性： 各分运动叠加起来与合运动有相同的效果。 (4)运动的同一性： 各分运动与合运动，是指同一物体参与的分运动和实际发生的运动，不是几个不同物体发生的不同运动。 4．合运动性质的判断 若合加速度与合初速度的方向在同一直线上则为直线运动，否则为曲线运动。例如： (1)两个匀速直线运动的合运动仍然是匀速直线运动； (2)一个匀速直线运动与一个匀变速直线运动的合运动仍然是匀变速运动，当二者共线时为匀变速直线运动，不共线时为匀变速曲线运动； (3)两个匀变速直线运动的合运动仍然是匀变速运动；若合初速度与合加速度在同一直线上，则合运动为匀变速直线运动，不共线时为匀变速曲线运动； (4)两个初速度为零的匀加速直线运动的合运动仍然是初速度为零的匀加速直线运动。 [例1]　在一光滑水平面内建立平面直角坐标系，一物体从t＝0时刻起，由坐标原点O(0,0)开始运动，其沿x轴和y轴方向运动的速度—时间图象如图4－1－6甲、乙所示，下列说法中正确的是(　　) 图4－1－6 A．前2 s内物体沿x轴做匀加速直线运动 B．后2 s内物体继续做匀加速直线运动，但加速度沿y轴方向 C．4 s末物体坐标为(4 m,4 m) D．4 s末物体坐标为(6 m,2 m) [审题指导] (1)在2 s前和2 s后，物体在x轴和y轴方向上的运动规律不同。 (2)由物体在4 s末的坐标位置，可分析物体在x、y方向上的分运动并求解。 [尝试解题]　 前2 s内物体在y轴方向速度为0，由题图甲知只沿x轴方向做匀加速直线运动，A正确；后2 s内物体在x轴方向做匀速运动，在y轴方向做初速度为0的匀加速运动，加速度沿y轴方向，合运动是曲线运动，B错误；4 s内物体在x轴方向上的位移是x＝(×2×2＋2×2) m＝6 m，在y轴方向上的位移为y＝×2×2 m＝2 m，所以4 s末物体坐标为(6 m,2 m)，D正确，C错误。 [答案]　AD 小船过河问题分析 1.小船过河问题分析思路 2．三种速度 v1(船在静水中的速度)、v2(水流速度)、v(船的实际速度)。 3．三种过河情景分析 (1)过河时间最短：船头正对河岸时，渡河时间最短，tmin＝(d为河宽)。 (2)过河路径最短(v2<v1时)：合速度垂直于河岸时，航程最短，xmin＝d。船头指向上游与河岸夹角为α，cos α＝。 (3)过河路径最短(v2>v1时)：合速度不可能垂直于河岸，无法垂直渡河。确定方法如下：如图4－1－7所示，以v2矢量末端为圆心，以v1矢量的大小为半径画弧，从v2矢量的始端向圆弧作切线，则合速度沿此切线方向时航程最短。 图4－1－7 由图可知cos α＝，最短航程x短＝＝d。 [例2]　一小船渡河，河宽d＝180 m，水流速度v1＝2.5 m/s。若船在静水中的速度为v2＝5 m/s，求： (1)欲使船在最短的时间内渡河，船头应朝什么方向？用多长时间？位移是多少？ (2)欲使船渡河的航程最短，船头应朝什么方向？用多长时间？位移是多少？ [尝试解题]　 (1)欲使船在最短时间内渡河，船头应朝垂直河岸方向。 当船头垂直河岸时，如图甲所示。 合速度为倾斜方向，垂直分速度为v2＝5 m/s。 t＝＝ s＝36 s v＝＝ m/s x＝vt＝90 m (2)欲使船渡河航程最短，应垂直河岸渡河，船头应朝上游与垂直河岸方向成某一夹角α 如图乙所示， 有v2sin α＝v1， 得α＝30° 所以当船头向上游偏30°时航程最短。 x′＝d＝180 m。 t′＝＝ s＝24 s [答案]　(1)船头垂直于河岸　36 s　90 m (2)船头向上游偏30°　24 s　180 m 解决小船过河问题应注意的问题 (1)渡河时间只与船垂直于河岸方向的分速度有关，与水流速度无关。 (2)船渡河位移最短值与v船和v水大小关系有关，v船>v水时，河宽即为最短位移，v船<v水时，应利用图解法求极值的方法处理。 (1)“关联速度”特点： 用绳、杆相牵连的物体，在运动过程中，其两物体的速度通常不同，但物体沿绳或杆方向的速度分量大小相等。 (2)常用的解题思路和方法： 先确定合运动的方向(物体实际运动的方向)，然后分析这个合运动所产生的实际效果(一方面使绳或杆伸缩的效果；另一方面使绳或杆转动的效果)以确定两个分速度的方向(沿绳或杆方向的分速度和垂直绳或杆方向的分速度，而沿绳或杆方向的分速度大小相同)。 [典例]　如图4－1－8所示，做匀速直线运动的小车A通过一根绕过定滑轮的长绳吊起一重物B，设重物和小车速度的大小分别为vB、vA，则(　　) 图4－1－8 A．vA>vB B．vA<vB C．绳的拉力等于B的重力 D．绳的拉力大于B的重力 [解析]　小车A向左运动的过程中，小车的速度是合速度，可分解为沿绳方向与垂直于绳方向的速度，如图4－1－9所示，由图可知vB＝vAcos θ，则vB<vA，小车向左运动的过程中θ角减小，vB增大，B做向上的加速运动，故绳的拉力大于B的重力。故AD正确。 图4－1－9 [答案]　AD [题后悟道]　 (1)运动的分解是按运动的实际运动效果进行分解的。 (2)在分析用绳或杆相连的两个物体的速度关系时，均是将物体的速度沿绳或杆和垂直于绳或杆的方向进行分解。 (3)沿绳或杆方向的分速度相等，列方程求解。 如图4－1－10所示，套在竖直细杆上的环A由跨过定滑轮的不可伸长的轻绳与重物B相连。由于B的质量较大，故在释放B后，A将沿杆上升，当A环上升至与定滑轮的连线处于水平位置时，其上升速度v1≠0，若这时B的速度为v2，则 (　　) 图4－1－10 A．v2＝v1　　　　　　　　 B．v2>v1 C．v2≠0 D．v2＝0 解析：选D 　如图所示，分解A上升的速度v，v2＝v cos α，当A环上升至与定滑轮的连线处于水平位置时，α＝90°，故v2＝0，即B的速度为零。 10