(全国版)高考物理一轮复习课时练习必修2 第四章 第2讲 (含解析)

第2讲抛体运动的规律及应用知识排查平抛运动1.定义：以一定的初速度沿水平方向抛出的物体只在重力作用下的运动。2．性质：平抛运动是加速度为g的匀变速曲线运动，其运动轨迹是抛物线。3．平抛运动的条件：(1)v0≠0，沿水平方向；(2)只受重力作用。平抛运动的规律(如图1所示)图11．速度关系2．位移关系3．两个重要推论(1)做平抛(或类平抛)运动的物体在任一时刻，设其速度方向与水平方向的夹角为θ，位移方向与水平方向的夹角为α，则tanθ＝2tan__α。(2)做平抛(或类平抛)运动的物体任一时刻的瞬时速度的反向延长线一定通过此时水平位移的中点，则x＝2OB。斜抛运动1.定义：将物体以初速度v0沿斜向上方或斜向下方抛出，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，轨迹是抛物线。小题速练1．思考判断(1)以一定的初速度水平抛出的物体的运动是平抛运动。()(2)平抛运动的轨迹是抛物线，速度方向时刻变化，加速度方向也可能时刻变化。()(3)两个做平抛运动的物体，初速度大的落地时速度大。()(4)做平抛运动的物体初速度越大，在空中运动的时间越短。()(5)无论初速度是斜向上方还是斜向下方的斜抛运动都是匀变速曲线运动。()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√2．(多选)[人教版必修2·P10“做一做”改编]为了验证平抛运动的小球在竖直方向上做自由落体运动，用如图2所示的装置进行实验。小锤打击弹性金属片，A球水平抛出，同时B球被松开，自由下落，关于该实验，下列说法正确的有()图2A．两球的质量应相等B．两球应同时落地C．应改变装置的高度，多次实验D．实验也能说明A球在水平方向上做匀速直线运动解析小锤打击弹性金属片后，A球做平抛运动，B球做自由落体运动。A球在竖直方向上的运动情况与B球相同，做自由落体运动，因此两球同时落地。实验时，需A、B两球从同一高度开始运动，对质量没有要求，但两球的初始高度及打击力度可以有变化，实验时要进行3～5次得出结论。本实验不能说明A球在水平方向上的运动性质，故选项B、C正确，A、D错误。答案BC3．(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3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3A．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平抛运动的规律及应用1．飞行时间：由t＝eq\r(\f(2h,g))知，平抛运动的时间取决于下落高度h，与初速度v0无关。2．水平射程：x＝v0t＝v0eq\r(\f(2h,g))，即水平射程由初速度v0和下落高度h共同决定，与其他因素无关。3．落地速度：v＝eq\r(veq\o\al(2,x)＋veq\o\al(2,y))＝eq\r(veq\o\al(2,0)＋2gh)，以θ表示落地速度与x轴正方向间的夹角，有tanθ＝eq\f(vy,vx)＝eq\f(\r(2gh),v0)，所以落地速度只与初速度v0和下落高度h有关。4．速度改变量：物体在任意相等时间内的速度改变量Δv＝gΔt相同，方向恒为竖直向下，如图4所示。图4【例1】(2018·河北唐山三模)如图5所示，虚线是小球由空中某点水平抛出的运动轨迹，A、B为其运动轨迹上的两点。小球经过A点时，速度大小为10m/s、与竖直方向夹角为60°；它运动到B点时，速度方向与竖直方向夹角为30°，不计空气阻力，取重力加速度g＝10m/s2。下列说法中正确的是()图5A．小球通过B点的速度为12m/sB．小球的抛出速度为5m/sC．小球从A点运动到B点的时间为1sD．A、B之间的距离为6eq\r(7)m解析由平抛运动规律知v0＝vAsin60°，v0＝vBsin30°，解得v0＝5eq\r(3)m/s，vB＝10eq\r(3)m/s，选项A、B错误；竖直速度vAy＝vAcos60°，vBy＝vBcos30°，vBy＝vAy＋gt，解得t＝1s，选项C正确；由veq\o\al(2,By)－veq\o\al(2,Ay)＝2gy，x＝v0t，s＝eq\r(x2＋y2)，解得s＝5eq\r(7)m，选项D错误。答案C“化曲为直”思想在平抛运动中的应用根据运动效果的等效性，利用运动分解的方法，将其转化为我们所熟悉的两个方向上的直线运动：(1)水平方向的匀速直线运动。(2)竖直方向的自由落体运动。1．(2017·全国卷Ⅰ，15)发球机从同一高度向正前方依次水平射出两个速度不同的乒乓球(忽略空气的影响)。速度较大的球越过球网，速度较小的球没有越过球网；其原因是()A．速度较小的球下降相同距离所用的时间较多B．速度较小的球在下降相同距离时在竖直方向上的速度较大C．速度较大的球通过同一水平距离所用的时间较少D．速度较大的球在相同时间间隔内下降的距离较大解析由题意知，两个乒乓球均做平抛运动，则根据h＝eq\f(1,2)gt2及veq\o\al(2,y)＝2gh可知，乒乓球的运动时间、下降的高度及竖直方向速度的大小均与水平速度大小无关，故选项A、B、D均错误；由发出点到球网的水平位移相同时，速度较大的球运动时间短，在竖直方向下落的距离较小，可以越过球网，故选项C正确。答案C2．如图6所示，A、B两个小球在同一竖直线上，离地高度分别为2h和h，将两球水平抛出后，两球落地时的水平位移之比为1∶2，则下列说法正确的是()图6A．A、B两球的初速度之比为1∶4B．A、B两球的初速度之比为1∶2C．若两球同时抛出，则落地的时间差为eq\r(\f(2h,g))D．若两球同时落地，则两球抛出的时间差为(eq\r(2)－1)eq\r(\f(2h,g))解析由x＝v0t和y＝eq\f(1,2)gt2知v1＝eq\f(x,\r(\f(4h,g)))＝eq\f(x,2)eq\r(\f(g,h))，v2＝eq\f(2x,\r(\f(2h,g)))＝eq\r(2)xeq\r(\f(g,h))，因此两球的初速度之比为1∶2eq\r(2)，A、B项错误；若两球同时抛出，则落地的时间差为eq\r(\f(4h,g))－eq\r(\f(2h,g))＝(eq\r(2)－1)eq\r(\f(2h,g))，C项错误；若两球同时落地，则两球抛出的时间差也为(eq\r(2)－1)eq\r(\f(2h,g))，D项正确。答案D与斜面相关联的平抛运动常见模型方法内容斜面总结分解速度水平：vx＝v0竖直：vy＝gt合速度：v＝eq\r(veq\o\al(2,x)＋veq\o\al(2,y))速度方向与θ有关，分解速度，构建速度三角形分解位移水平：x＝v0t竖直：y＝eq\f(1,2)gt2合位移：s＝eq\r(x2＋y2)位移方向与θ有关，分解位移，构建位移三角形【例2】(2019·河南信阳一模)如图7所示，一名跳台滑雪运动员经过一段时间的加速滑行后从O点水平飞出，经过3s落到斜坡上的A点。已知O点是斜坡的起点，斜坡与水平面的夹角θ＝37°，不计空气阻力(sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g取10m/s2)。则运动员落到斜坡上时速度方向与水平方向的夹角φ满足()图7A．tanφ＝1.33 B．tanφ＝1.44C．tanφ＝1.50 D．tanφ＝2.00解析运动员落到斜坡上的瞬间，对其速度进行分解，如图所示。竖直分速度vy＝gt，与水平分速度v0的比值tanφ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(gt,v0)；竖直分位移y＝eq\f(1,2)gt2，与水平分位移x＝v0t的比值tanθ＝eq\f(y,x)＝eq\f(gt,2v0)，可见tanφ＝2tanθ＝1.50，选项C正确。答案C【拓展】在【例2】中，若运动员从O点飞出的初速度为20m/s，则运动员离开O点后离斜坡的最远距离为()A．30m B．15m C．18m D．9m解析将运动员的初速度v0和加速度g分别沿垂直于斜面和平行于斜面方向进行分解，如图所示，初速度v0沿垂直斜面方向上的分量为v1＝v0sinθ，加速度g在垂直于斜面方向上的分量为a1＝gcosθ，根据分运动各自独立的原理可知，离斜面的最大距离仅由v1和a1决定，当垂直于斜面的分速度的大小减为零时，运动员离斜面的距离最大，最大距离d＝eq\f(veq\o\al(2,1),2a1)＝eq\f(veq\o\al(2,0)sin2θ,2gcosθ)＝9m。选项D正确。答案D与斜面相关联的平抛运动的分解方法与技巧(1)如果知道速度的大小或方向，应首先考虑分解速度。(2)如果知道位移的大小或方向，应首先考虑分解位移。(3)两种分解方法①沿水平方向的匀速运动和竖直方向的自由落体运动；②沿斜面方向的匀加速运动和垂直斜面方向的匀减速运动。1．(2019·河南高三教学质检)如图8所示，斜面体ABC固定在水平地面上，斜面的高AB为eq\r(2)m，倾角为θ＝37°，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，且D是斜面的中点，在A点和D点分别以相同的初速度水平抛出相同的小球，结果两个小球恰能落在地面上的同一点，则落地点到C点的水平距离为()图8A.eq\f(3,4)m B.eq\f(\r(2),3)m C.eq\f(\r(2),2)m D.eq\f(4,3)m解析设AB高为h，落地点到C点的距离为x，由v0＝eq\f(x,t)和题意知eq\f(\f(h,tanθ)＋x,\r(\f(2h,g)))＝eq\f(\f(h,2tanθ)＋x,\r(\f(h,g)))，解得x＝eq\f(4,3)m，D正确。答案D2．(多选)如图9，小球在倾角为θ的斜面上方O点处以速度v0水平抛出，落在斜面上的A点时速度的方向与斜面垂直，重力加速度为g，根据上述条件可以求出()图9A．小球由O点到A点的时间B．O点距离地面的高度C．小球在A点速度的大小D．小球从O点到A点的水平距离解析小球速度方向与斜面垂直，根据平行四边形定则知，tanθ＝eq\f(v0,gt)，故t＝eq\f(v0,gtanθ)，选项A正确；由时间t可根据y＝eq\f(1,2)gt2求得小球下降高度，而计算不出O点离地面高度，选项B错误；由平行四边形定则知vA＝eq\f(v0,sinθ)，选项C正确；小球从O点到A点的水平距离x＝v0t＝eq\f(veq\o\al(2,0),gtanθ)，选项D正确。答案ACD生活中的平抛运动问题eq\x(STSE问题)平抛运动与日常生活紧密联系，如乒乓球、足球、排球等运动模型，飞镖、射击、飞机投弹模型等。这些模型经常受到边界条件的制约，如网球是否触网或越界、飞镖是否能中靶心、飞机投弹是否能命中目标等。解题的关键在于能准确地运用平抛运动的规律分析对应的运动特征。1．[滑雪运动]2022年冬奥会将在中国举办的消息，吸引了大量爱好者投入到冰雪运动中。若跳台滑雪比赛运动员从平台飞出后可视为平抛运动，现运动员甲以一定的初速度从平台飞出，轨迹为图10中实线①所示，则质量比甲大的运动员乙以相同的初速度从同一位置飞出，其运动轨迹应为图中的()图10A．① B．② C．③ D．④解析根据平抛运动规律可知，平抛运动轨迹只与初速度有关，与物体质量无关，所以质量比甲大的运动员乙以相同的初速度从同一位置飞出时，其运动轨迹应为图中的①，选项A正确。答案A2．[排球的平抛运动]如图11所示是排球场的场地示意图，设排球场的总长为L，前场区的长度为eq\f(L,6)，网高为h，在排球比赛中，对运动员的弹跳水平要求很高。如果运动员的弹跳水平不高，运动员的击球点的高度小于某个临界值H，那么无论水平击球的速度多大，排球不是触网就是越界。设某一次运动员站在前场区和后场区的交界处，正对网前竖直跳起垂直网将排球水平击出，关于该种情况下临界值H的大小，下列关系式正确的是()图11A．H＝eq\f(49,48)H B．H＝eq\f(16（L＋h）,15L)hC．H＝eq\f(16,15)h D．H＝eq\f(L＋h,L)h解析将排球水平击出后排球做平抛运动，排球刚好触网到达底线时，则有eq\f(L,6)＝v0eq\r(\f(2（H－h）,g))，eq\f(L,6)＋eq\f(L,2)＝v0eq\r(\f(2H,g))，联立解得H＝eq\f(16,15)h，故选项C正确。答案C3．[乒乓球的平抛运动]如图12所示，球网高出桌面H，网到桌边的距离为L，某人在乒乓球训练中，从左侧eq\f(L,2)处，将球沿垂直于网的方向水平击出，球恰好通过网的上沿落到右侧边缘，设乒乓球的运动为平抛运动，下列判断正确的是()图12A．击球点的高度与网高度之比为2∶1B．乒乓球在网左、右两侧运动时间之比为2∶1C．乒乓球过网时与落到右侧桌边缘时速率之比为1∶2D．乒乓球在左、右两侧运动速度变化量之比为1∶2解析因为水平方向做匀速运动，网右侧的水平位移是左侧水平位移的两倍，所以网右侧运动时间是左侧的两倍，竖直方向做自由落体运动，根据h＝eq\f(1,2)gt2可知，击球点的高度与网高之比为9∶8，故选项A、B错误；球恰好通过网的上沿的时间为落到右侧桌边缘的时间的eq\f(1,3)，竖直方向做自由落体运动，根据v＝gt可知，球恰好通过网的上沿的竖直分速度与落到右侧桌边缘的竖直分速度之比为1∶3，根据v＝eq\r(veq\o\al(2,0)＋veq\o\al(2,y))可知，乒乓球过网时与落到桌边缘时速率之比不是1∶2，故选项C错误；网右侧运动时间是左侧的两倍，Δv＝gt，所以乒乓球在左、右两侧运动速度变化量之比为1∶2，故选项D正确。答案D4．[网球的平抛运动]一位网球运动员以拍击球，使网球沿水平方向飞出。第一只球飞出时的初速度为v1，落在自己一方场地B点后，弹跳起来，刚好擦网而过，落在对方场地的A点处。如图13所示，第二只球飞出时的初速度为v2，直接擦网而过，也落在A点处。设球与地面碰撞时没有能量损失，且不计空气阻力，求：图13(1)网球两次飞出时的初速度之比v1∶v2；(2)运动员击球点的高度H、网高h之比H∶h。解析(1)第一、二两只球被击出后都做平抛运动，由平抛运动的规律可知，两球分别被击出至各自第一次落地的时间是相等的。由题意知水平射程之比为x1∶x2＝1∶3，故平抛运动的初速度之比为v1∶v2＝1∶3。(2)第一只球落地后反弹做斜抛运动，根据运动对称性可知DB段和OB段是相同的平抛运动，则两球下落相同高度H－h后水平距离x1′＋x2′＝2x1，根据公式H＝eq\f(1,2)gteq\o\al(2,1)，H－h＝eq\f(1,2)gteq\o\al(2,2)，而x1＝v1t1，x1′＝v1t2，x2′＝v2t2，综合可得v1t2＋v2t2＝2v1t1，故t1＝2t2，即H＝4(H－h)，解得H∶h＝4∶3。答案(1)1∶3(2)4∶3平抛运动中临界问题的分析方法求解平抛运动临界问题的一般思路(1)确定临界状态。(2)找出临界状态对应的临界条件。(3)分解速度或位移。(4)若有必要，画出临界轨迹。1．如图14所示是消防车利用云梯(未画出)进行高层灭火，消防水炮离地的最大高度H＝40m，出水口始终保持水平且出水方向可以水平调节，着火点在高h＝20m的楼层，水水平射出的初速度在5m/s≤v0≤15m/s之间，可进行调节，出水口与着火点不能靠得太近，不计空气阻力，重力加速度g＝10m/s2，则()图14A．如果要有效灭火，出水口与着火点的水平距离x最大为40mB．如果要有效灭火，出水口与着火点的水平距离x最小为10mC．如果出水口与着火点的水平距离x不能小于15m，则射出水的初速度最小为5m/sD．若该着火点高度为40m，该消防车仍能有效灭火解析出水口与着火点之间的高度差为Δh＝20m，又Δh＝eq\f(1,2)gt2，t＝2s，又5m/s≤v0≤15m/s，因此出水口与着火点的水平距离x的范围为10m≤x≤30m，故A错误，B正确；如果出水口与着火点的水平距离不能小于15m，则最小出水速度为7.5m/s，故C错误；如果着火点高度为40m，保持出水口水平，则水不能到达着火点，故D错误。答案B2．(2016·浙江理综，23)在真空环境内探测微粒在重力场中能量的简化装置如图15所示。P是一个微粒源，能持续水平向右发射质量相同、初速度不同的微粒。高度为h的探测屏AB竖直放置，离P点的水平距离为L，上端A与P点的高度差也为h。图15(1)若微粒打在探测屏AB的中点，求微粒在空中飞行的时间；(2)求能被屏探测到的微粒的初速度范围；(3)若打在探测屏A、B两点的微粒的动能相等，求L与h的关系。解析(1)打在中点的微粒eq\f(3,2)h＝eq\f(1,2)gt2①t＝eq\r(\f(3h,g))②(2)打在B点的微粒v1＝eq\f(L,t1)，2h＝eq\f(1,2)gteq\o\al(2,1)③v1＝Leq\r(\f(g,4h))④同理，打在A点的微粒初速度v2＝Leq\r(\f(g,2h))⑤微粒初速度范围Leq\r(\f(g,4h))≤v≤Leq\r(\f(g,2h))⑥(3)由能量关系eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)＋mgh＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＋2mgh⑦联立④⑤⑦式解得L＝2eq\r(2)h⑧答案(1)eq\r(\f(3h,g))(2)Leq\r(\f(g,4h))≤v≤Leq\r(\f(g,2h))(3)L＝2eq\r(2)h课时作业(时间：30分钟)基础巩固练1．(2019·广西博白期末)物体做平抛运动时，它的速度方向与水平方向的夹角θ的正切tanθ随时间t的变化图象中，正确的是()解析tanθ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(gt,v0)＝eq\f(g,v0)t，eq\f(g,v0)为定值，tanθ与t成正比，故B正确。答案B2．在地面上方某一点将一小球以一定的初速度沿水平方向抛出，不计空气阻力，则小球在随后的运动中()A．速度和加速度的方向都在不断变化B．速度与加速度方向之间的夹角一直减小C．在相等的时间间隔内，速率的改变量相等D．在相等的时间间隔内，动能的改变量相等解析由于物体做平抛运动，故物体只受重力作用，加速度不变，速度的大小和方向时刻在变化，故选项A错误；设某时刻速度与竖直方向夹角为θ，则tanθ＝eq\f(v0,vy)＝eq\f(v0,gt)，随着时间t的变大，故tanθ变小，则θ变小，故选项B正确；根据加速度定义式a＝eq\f(Δv,Δt)＝g，则Δv＝gΔt，即在相等的时间间隔内，速度的改变量相等，故选项C错误；根据动能定理，在相等的时间间隔内，动能的改变量等于重力的功，即WG＝mgh，而平抛运动在相等时间内竖直方向上的位移不相等，故选项D错误。答案B3．如图1所示，甲、乙两小球从竖直平面内的半圆轨道的左端A开始做平抛运动，甲球落在轨道最低点D，乙球落在D点右侧的轨道上。设甲、乙两球的初速度分别为v甲、v乙，在空中运动的时间分别为t甲、t乙，则下列判断正确的是()图1A．t甲＝t乙 B．t甲＜t乙C．v甲＞v乙 D．v甲＜v乙解析根据平抛运动规律，小球在空中运动的时间仅由下落高度决定，乙球下落高度小于甲，故t乙＜t甲，选项A、B错误；水平位移x＝vt，而x乙＞x甲，t乙＜t甲，所以v甲＜v乙，选项D正确，C错误。答案D4．“套圈”是游戏者站在界线外将圆圈水平抛出，套中前方水平地面上的物体。某同学在一次“套圈”游戏中，从P点以某一速度水平抛出的圆圈越过了物体正上方落在地面上(如图2所示)。为套中物体，下列做法可行的是(忽略空气阻力)()图2A．从P点正前方，以原速度水平抛出B．从P点正下方，以原速度水平抛出C．从P点正上方，以原速度水平抛出D．从P点正上方，以更大速度水平抛出解析由于抛出的圆圈做平抛运动，由平抛运动的规律可知，圆圈在竖直方向做自由落体运动，则h＝eq\f(1,2)gt2，水平方向做匀速直线运动，则x＝vt，解得x＝veq\r(\f(2h,g))，由题意圆圈越过了物体正上方落在地面上，欲使圆圈套中物体，应减小水平方向的位移。若从P点的正前方以原速度水平抛出，则圆圈仍落在物体的前方，选项A错误；降低圆圈抛出点的高度以原速度水平抛出，圆圈的运动时间减少，则圆圈可能套中物体，选项B正确；如果增加抛出点的高度，欲使圆圈套中物体，则应减小水平抛出时的速度，选项C、D错误。答案B5．(2019·广西河池模拟)A、D分别是斜面的顶端、底端，B、C是斜面上的两个点，AB＝BC＝CD，E点在D点的正上方，与A等高，从E点水平抛出质量相等的两个小球，球1落在B点，球2落在C点，关于球1和球2从抛出到落在斜面上的运动过程，下列说法正确的是()图3A．球1和球2运动的时间之比为2∶1B．球1和球2动能增加量之比为1∶3C．球1和球2抛出时初速度之比为2eq\r(2)∶1D．球1和球2运动时的加速度之比为1∶2解析因为AC＝2AB，则A、C的高度差是A、B高度差的2倍，根据h＝eq\f(1,2)gt2得t＝eq\r(\f(2h,g))，解得球1和球2运动的时间之比为1∶eq\r(2)，故A错误；根据动能定理得mgh＝ΔEk，知球1和球2动能增加量之比为1∶2，故B错误；球1的水平距离是球2的水平距离的2倍，结合x＝v0t，解得初速度之比为2eq\r(2)∶1，故C正确；平抛运动的物体只受重力，加速度为g，故两球的加速度相同，故D错误。答案C6．(多选)(2019·河北石家庄检测)如图4所示，甲球从O点以水平速度v1抛出，落在水平地面上的A点。乙球从O点以水平速度v2抛出，落在水平地面上的B点反弹后恰好也落在A点。已知乙球在B点与地面碰撞反弹后瞬间水平方向的分速度不变，竖直方向的分速度方向相反、大小不变，不计空气阻力。下列说法正确的是()图4A．由O点到A点，甲球运动时间与乙球运动时间相等B．甲球由O点到A点的水平位移是乙球由O点到B点水平位移的3倍C．v1∶v2＝3∶1D．v1∶v2＝2∶1解析根据题意和平抛运动规律，由O点到A点，甲球运动时间是乙球运动时间的eq\f(1,3)，选项A错误；甲球由O点到A点的水平位移是乙球由O点到B点水平位移的3倍，选项B正确；甲球从O点到A点，乙球从O点到B点，运动时间相等，由x＝vt可知，甲、乙水平速度之比为v1∶v2＝3∶1，选项C正确，D错误。答案BC综合提能练7．(多选)(2019·名师原创预测)如图5所示，将一可视为质点的小球从地面上方的O点(O点未画出)以一定的初速度水平向右抛出，当将竖直挡板分别置于地面上的M、N、P点时，小球分别击中挡板