(全国版)高考物理一轮复习讲义第4章 第1讲 曲线运动　运动的合成与分解(含解析)

第1讲曲线运动运动的合成与分解目标要求1.理解物体做曲线运动的条件，掌握曲线运动的特点.2.会用运动的合成与分解处理小船渡河、关联速度等问题.3.理解运动的合成与分解是处理曲线运动的一种重要思想方法.考点一曲线运动的条件和特征基础回扣1.速度的方向：质点在某一点的速度方向，沿曲线在这一点的切线方向.2.曲线运动的性质：做曲线运动的物体，速度的方向时刻在改变，所以曲线运动一定是变速运动.3.曲线运动的条件：物体所受合力的方向与它的速度方向不在同一直线上或它的加速度方向与速度方向不在同一直线上.技巧点拨1.运动轨迹的判断(1)若物体所受合力方向与速度方向在同一直线上，则物体做直线运动.(2)若物体所受合力方向与速度方向不在同一直线上，则物体做曲线运动.2.曲线运动中速度方向、合力方向与运动轨迹之间的关系(1)速度方向与运动轨迹相切；(2)合力方向指向曲线的“凹”侧；(3)运动轨迹一定夹在速度方向和合力方向之间.3.合力方向与速率变化的关系1.(运动轨迹的分析)(2020·浙江杭州市建人高复模拟)如图1所示，一热气球在匀加速竖直向上运动的同时随着水平气流向右匀速运动，若设竖直向上为y轴正方向，水平向右为x轴正方向，则热气球实际运动的轨迹可能是()图1答案B解析气球水平向右做匀速运动，竖直向上做匀加速运动，则合加速度竖直向上，合力竖直向上，轨迹向上弯曲，选B.2.(速度、加速度与合外力的关系)(2021·内蒙古杭锦后旗奋斗中学高三月考)物体沿轨迹从M点向N点做减速圆周运动的过程中其所受合力方向可能是下列图中的()答案C解析物体从M点向N点做曲线运动，合力方向指向轨迹的凹侧，故A、D错误；物体速度方向沿轨迹的切线，物体减速，合力方向与速度方向成钝角，故C正确，B错误.考点二运动的合成与分解基础回扣1.基本概念(1)运动的合成：已知分运动求合运动.(2)运动的分解：已知合运动求分运动.2.遵循的法则位移、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.3.运动分解的原则根据运动的实际效果分解，也可采用正交分解法.4.合运动与分运动的关系(1)等时性：合运动和分运动经历的时间相等，即同时开始、同时进行、同时停止.(2)独立性：一个物体同时参与几个分运动，各分运动独立进行，不受其他运动的影响.(3)等效性：各分运动的规律叠加起来与合运动的规律有完全相同的效果.技巧点拨1.运动性质的判断加速度(或合外力)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(变化：非匀变速运动,不变：匀变速运动))加速度(或合外力)方向与速度方向eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(共线：直线运动,不共线：曲线运动))2.判断两个直线运动的合运动性质，关键看合初速度方向与合加速度方向是否共线.两个互成角度的分运动合运动的性质两个匀速直线运动匀速直线运动一个匀速直线运动、一个匀变速直线运动匀变速曲线运动两个初速度为零的匀加速直线运动匀加速直线运动两个初速度不为零的匀变速直线运动如果v合与a合共线，为匀变速直线运动如果v合与a合不共线，为匀变速曲线运动例1(2019·江西宜春市第一学期期末)如图2所示是物体在相互垂直的x方向和y方向运动的v－t图象.以下判断正确的是()图2A.在0～1s内，物体做匀速直线运动B.在0～1s内，物体做匀变速直线运动C.在1～2s内，物体做匀变速直线运动D.在1～2s内，物体做匀变速曲线运动答案C解析在0～1s内，物体水平方向为匀速直线运动，竖直方向为匀加速直线运动，则合运动为匀变速曲线运动，故选项A、B错误；在1～2s内，物体水平方向初速度为：v0x＝4m/s，加速度为：ax＝4m/s2，竖直方向初速度为：v0y＝3m/s，加速度为：ay＝3m/s2，根据平行四边形定则合成可以得到合初速度为v＝5m/s，合加速度为a＝5m/s2，而且二者方向在同一直线上，则根据曲线运动条件可知，合运动为匀变速直线运动，故选项C正确，D错误.3.(合运动性质的判断)(多选)(2020·江苏南京市高三月考)如图3所示，某同学在研究运动的合成时做了下述活动：用左手沿黑板推动直尺竖直向上运动，运动中保持直尺水平，同时，用右手沿直尺向右移动笔尖.若该同学左手的运动为匀速运动，右手相对于直尺的运动为初速度为零的匀加速运动，则关于笔尖的实际运动，下列说法中正确的是()图3A.笔尖做匀速直线运动B.笔尖做匀变速直线运动C.笔尖做匀变速曲线运动D.笔尖的速度方向与水平方向夹角逐渐变小答案CD解析笔尖同时参与了竖直向上的匀速运动和水平向右初速度为零的匀加速运动，合运动为匀变速曲线运动，所以A、B选项错误，C选项正确；由于水平速度增大，所以笔尖的速度方向与水平方向夹角逐渐变小，故D选项正确.

4.(运动的独立性)如图4所示，从广州飞住上海的波音737航班上午10点到达上海浦东机场，若飞机在降落过程中的水平分速度为60m/s，竖直分速度为6m/s，已知飞机在水平方向做加速度大小等于2m/s2的匀减速直线运动，在竖直方向做加速度大小等于0.2m/s2的匀减速直线运动，则飞机落地之前()图4A.飞机的运动轨迹为曲线B.经20s飞机水平方向的分速度与竖直方向的分速度大小相等C.在第20s内，飞机在水平方向的分位移与竖直方向的分位移大小相等D.飞机在第20s内，水平方向的平均速度为21m/s答案D解析由于初速度的方向与合加速度的方向相反，故飞机的运动轨迹为直线，A错误；由匀减速运动规律可知，飞机在第20s末水平方向的分速度为20m/s，竖直方向的分速度为2m/s，B错误；飞机在第20s内，水平位移x＝(v0xt20＋eq\f(1,2)axt202)－(v0xt19＋eq\f(1,2)axt192)＝21m，竖直位移y＝(v0yt20＋eq\f(1,2)ayt202)－(v0yt19＋eq\f(1,2)ayt192)＝2.1m，C错误；飞机在第20s内，水平方向的平均速度为21m/s，D正确.考点三小船渡河模型1.合运动与分运动合运动→船的实际运动v合→平行四边形对角线2.两类问题、三种情景渡河时间最短当船头方向垂直河岸时，渡河时间最短，最短时间tmin＝eq\f(d,v船)渡河位移最短如果v船>v水，当船头方向与上游河岸夹角θ满足v船cosθ＝v水时，合速度垂直河岸，渡河位移最短，等于河宽d如果v船<v水，当船头方向(即v船方向)与合速度方向垂直时，渡河位移最短，等于eq\f(dv水,v船)例2一小船渡河，河宽d＝180m，水流速度v1＝2.5m/s.若船在静水中的速度为v2＝5m/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？答案(1)船头垂直于河岸36s90eq\r(5)m(2)船头朝上游与垂直河岸方向成30°角24eq\r(3)s180m解析(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＝5m/s，t＝eq\f(d,v2)＝36s，v＝eq\r(v12＋v22)＝eq\f(5,2)eq\r(5)m/s，x＝vt＝90eq\r(5)m.(2)欲使船渡河航程最短，合速度应垂直河岸渡河，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v2sinα＝v1，得α＝30°，所以当船头向上游与垂直河岸方向成30°角时航程最短，x′＝d＝180m，t′＝eq\f(d,v2cos30°)＝24eq\r(3)s.5.(水速不变)(2020·广东惠州一中模拟)河水速度与河岸平行，v的大小保持不变，小船相对静水的速度为v0.一小船从A点出发，船头与河岸的夹角始终保持不变，如图5所示，B为A的正对岸，河宽为d，则()图5A.小船不可能到达B点B.小船渡河时间一定等于eq\f(d,v0)C.小船一定做匀速直线运动D.小船到达对岸的速度一定大于v0答案C解析当船的合速度垂直河岸时，即沿着AB方向，则小船能到达B点，A错误；船过河时，船头斜指向上游，垂直于河岸的分速度小于v0，那么渡河时间一定大于eq\f(d,v0)，B错误；由于两方向均是匀速直线运动，因此合运动也必定是匀速直线运动，C正确；根据速度的合成法则，小船到达对岸的速度不一定大于v0，D错误.6.(水速变化)如图6所示，河水由西向东流，河宽为800m，河中各点的水流速度大小为v水，各点到较近河岸的距离为x，v水与x的关系为v水＝eq\f(3,400)x(m/s)(x的单位为m)，让小船船头垂直河岸由南向北渡河，小船划水速度大小恒为v船＝4m/s，则下列说法中正确的是()图6A.小船渡河的轨迹为直线B.小船在河水中的最大速度是5m/sC.小船在距南岸200m处的速度小于在距北岸200m处的速度D.小船渡河的时间是160s答案B解析小船在南北方向上为匀速直线运动，在东西方向上先加速，到达河中间后再减速，速度方向与加速度方向不共线，小船的合运动是曲线运动，A错.当小船运动到河中间时，东西方向上的分速度最大，为3m/s，此时小船的合速度最大，最大值vm＝5m/s，B对.小船在距南岸200m处的速度与在距北岸200m处的速度大小相等，C错.小船的渡河时间t＝eq\f(800m,4m/s)＝200s，D错.考点四关联速度问题1.模型特点与绳(杆)相连的物体运动方向与绳(杆)不在一条直线上.2.明确合速度与分速度合速度→绳(杆)拉物体的实际运动速度v→平行四边形对角线3.解题原则把物体的实际速度分解为垂直于绳(杆)和平行于绳(杆)两个分量，根据沿绳(杆)方向的分速度大小相等求解.常见的模型如图7所示.图7绳关联速度的分解例3如图8所示，在不计滑轮摩擦和绳子质量的条件下，当汽车匀速向左运动时，物体M的受力和运动情况是()图8A.绳的拉力等于M的重力B.绳的拉力大于M的重力C.物体M向上做匀速运动D.物体M向上做匀加速运动答案B解析汽车匀速向左运动，其速度可分解为沿绳子方向和垂直于绳子方向，沿绳子方向的分速度v′＝vcosθ，汽车在匀速向左运动的过程中，绳子与水平方向的夹角θ减小，所以v′增大，即物体M向上做加速运动，又因为v′变化不均匀，所以不是匀加速运动，故选项C、D错误；由于物体M做加速运动，由F－mg＝ma，所以绳子的拉力大于M的重力，故选项A错误，B正确.杆关联速度的分解例4(2019·山东济南市3月模拟)曲柄连杆结构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件，如图9所示，连杆下端连接活塞Q，上端连接曲轴P.在工作过程中，活塞Q在汽缸内上下做直线运动，带动曲轴绕圆心O旋转，若P做线速度大小为v0的匀速圆周运动，则下列说法正确的是()图9A.当OP与OQ垂直时，活塞运动的速度等于v0B.当OP与OQ垂直时，活塞运动的速度大于v0C.当O、P、Q在同一直线时，活塞运动的速度等于v0D.当O、P、Q在同一直线时，活塞运动的速度大于v0答案A解析当OP与OQ垂直时，设∠PQO＝θ，此时活塞的速度为v，将P的速度分解为沿杆方向和垂直于杆方向的速度；将活塞的速度v分解为沿杆方向和垂直于杆方向的速度，则此时v0cosθ＝vcosθ，即v＝v0，选项A正确，B错误；当O、P、Q在同一直线时，P沿杆方向的速度为零，则活塞运动的速度等于0，选项C、D错误.7.(绳关联速度的分解)(2020·宁夏高三月考)如图10所示，重物M沿竖直杆下滑，并通过一根不可伸长的细绳带动小车沿水平面向右运动，若当滑轮右侧的绳与竖直方向成β角，且重物下滑的速率为v时，滑轮左测的绳与水平方向成α角，则小车的速度为()图10A.eq\f(vsinβ,sinα) B.eq\f(vsinβ,cosα)C.eq\f(vcosβ,sinα) D.eq\f(vcosβ,cosα)答案D解析将速度v按运动效果分解如图所示：则沿绳方向v1＝vcosβ，同理分解小车速度，v3＝v车cosα，因为绳不可伸长，故沿绳方向速度大小相等，v1＝v3，所以v车cosα＝vcosβ，所以v车＝eq\f(vcosβ,cosα)，故选D.8.(杆关联速度的分解)(2019·河北衡水市模拟)如图11所示，A、B绕杆A点以一定的角速度ω由竖直位置开始顺时针匀速旋转，并带动套在水平杆上的光滑小环运动.则小环在水平杆上运动时速度大小的变化情况是()图11A.保持不变B.一直增大C.一直减小D.先增大后减小答案B课时精练1.如图1所示是物体做匀变速曲线运动的轨迹的示意图，箭头表示物体在该点的速度方向.已知物体在B点的加速度方向与速度方向垂直，则下列说法正确的是()图1A.C点的速率小于B点的速率B.A点的加速度比C点的加速度大C.C点的速率大于B点的速率D.从A点到C点加速度方向与速度方向的夹角先增大后减小，速率是先减小后增大答案C解析物体做匀变速曲线运动，B点到C点的加速度方向与速度方向夹角小于90°，C点的速率大于B点的速率，故选项A错误，C正确；物体做匀变速曲线运动，则加速度大小不变，所以物体经过C点时的加速度与A点相同，故选项B错误；物体运动到B点时速度方向与加速度方向恰好互相垂直，则有A点速度方向与加速度方向夹角大于90°，C点的加速度方向与速度方向夹角小于90°，所以物体的速率先减小后增大，故选项D错误.2.(2019·北京市十九中学月考)如图2所示，旋臂式起重机的旋臂保持不动，可沿旋臂“行走”的天车有两个功能，一是吊着货物沿竖直方向运动，二是吊着货物沿旋臂水平运动.现天车吊着货物正在沿水平方向向右匀速行驶，同时启动天车上的起吊电动机，使货物沿竖直方向做匀加速运动.此时，我们站在地面上观察到货物运动的轨迹可能是图中的()图2答案A解析我们站在地面上观察，货物既沿水平方向做匀速运动，又沿竖直方向做匀加速运动，根据平行四边形定则，知合速度的方向与合加速度的方向不在同一条直线上，货物运动的轨迹为曲线，货物的加速度竖直向上，因为加速度的方向指向轨迹的凹侧，故选项A正确，B、C、D错误.3.路灯维修车如图3所示，车上带有竖直自动升降梯.若车匀速向左运动的同时梯子匀速上升，则关于梯子上的工人的描述正确的是()图3A.工人相对地面的运动轨迹为曲线B.仅增大车速，工人相对地面的速度将变大C.仅增大车速，工人到达顶部的时间将变短D.仅增大车速，工人相对地面的速度方向与竖直方向的夹角将变小答案B解析车匀速向左运动的同时梯子匀速上升，根据运动的合成可知，工人相对地面一定做匀速直线运动，故A错误；仅增大车速，依据矢量的合成法则可知，工人相对地面的速度将变大，故B正确；仅增大车速，不影响竖直方向的运动，则工人到达顶部的时间不变，故C错误；仅增大车速，工人相对地面的速度方向与水平方向的夹角将变小，而与竖直方向的夹角将变大，故D错误.4.(多选)(2019·广东肇庆市期末)质量为2kg的质点在xOy平面上做曲线运动，在x方向的速度—时间图象和y方向的位移—时间图象如图4所示，下列说法中正确的是()图4A.质点的初速度为3m/sB.质点做匀变速曲线运动C.质点所受的合外力为3ND.质点初速度的方向与合外力方向垂直答案BC解析由题图知x轴方向的初速度为vx＝3m/s，y轴方向的初速度eq\f(Δs,Δt)＝eq\f(0－8,2)m/s＝－4m/s，故质点的初速度v0＝eq\r(vx2＋vy2)＝eq\r(32＋42)m/s＝5m/s，A错误；质点在x轴方向做匀加速运动，在y轴方向做匀速运动，合运动为匀变速曲线运动，B正确；x轴方向的加速度a＝eq\f(Δv,Δt)＝eq\f(6－3,2)m/s2＝1.5m/s2，质点所受的合外力大小为F合＝ma＝3N，故C正确；质点所受合外力沿x轴方向，而初速度方向既不在x轴，也不在y轴方向，质点初速度的方向与合外力方向不垂直，D错误.5.(多选)如图5所示，小船自A点渡河，航行方向与上游河岸夹角为α时，到达正对岸B点.现在水流速度变大，仍要使船到达正对岸B点，下列可行的办法是()图5A.航行方向不变，船速变大B.航行方向不变，船速变小C.船速不变，减小船与上游河岸的夹角αD.船速不变，增大船与上游河岸的夹角α答案AC解析设船速为v1，达正对岸B点，由此可见，当水流速度v2变大时，若α不变，可增大v1，若v1不变，可减小α，均可使船到达正对岸B点，故选项A、C正确.6.(2020·浙江杭州二中3月模拟)光滑水平面上有一质量为2kg的物体，在五个恒定的水平共点力的作用下处于平衡状态，现同时撤去大小分别为8N和16N的两个水平力而其余力保持不变，关于此后物体的运动情况的说法中正确的是()A.一定做匀变速直线运动，加速度大小可能是4m/s2B.可能做匀减速直线运动，加速度大小可能是2m/s2C.一定做匀变速运动，加速度大小可能是10m/s2D.可能做匀速圆周运动，向心加速度大小可能是8m/s2答案C解析物体在五个恒定的水平共点力的作用下处于平衡状态，即五个力的合力为零，所以同时撤去大小分别为8N和16N的两个水平力后，其他三个力的合力大小等于撤去的两个力的合力大小，方向相反，合力范围为8N≤F≤24N，所以加速度范围为：4m/s2≤a≤12m/s2.如果物体原来静止，则撤去两力后做匀变速直线运动，如果物体原来是运动的，但撤去两力后合力方向与运动方向不共线，则物体做匀变速曲线运动，若共线，则做匀变速直线运动，所以A、B错误，C正确；因为撤去两力后物体受到的合力恒定，不可能做匀速圆周运动，故D错误.7.有一条两岸平直、河水均匀流动、流速恒为v的大河.小明驾着小船渡河，去程时船头指向始终与河岸垂直，回程时行驶路线与河岸垂直.去程与回程所用时间的比值为k，船在静水中的速度大小相同，则小船在静水中的速度大小为()A.eq\f(kv,\r(k2－1))B.eq\f(v,\r(1－k2))C.eq\f(kv,\r(1－k2))D.eq\f(v,\r(k2－1))答案B解析根据题意作出小船渡河时去程和回程的情景分别如图甲、乙所示.设河岸的宽度为d，则去程时有t1＝eq\f(d,v静)，回程时有t2＝eq\f(d,\r(v静2－v2))，又eq\f(t1,t2)＝k，联立解得v静＝eq\f(v,\r(1－k2))，B正确.8.质量为m的物体P置于倾角为θ1的固定光滑斜面上，轻细绳跨过光滑轻质定滑轮分别连接着P与小车，P与滑轮间的细绳平行于斜面，小车以速率v水平向右做匀速直线运动，重力加速度为g.当小车与滑轮间的细绳和水平方向的夹角为θ2时(如图6)，下列判断正确的是()图6A.P的速率为v B.P的速率为vcosθ2C.绳的拉力等于mgsinθ1 D.绳的拉力小于mgsinθ1答案B解析将小车速度沿绳子和垂直绳子方向分解为v1、v2，P的速率vP＝v1＝vcosθ2，A错误，B正确；小车向右做匀速直线运动，θ2减小，P的速率增大，绳的拉力大于mgsinθ1，C、D错误.9.如图7所示，悬线一端固定在天花板上的O点，另一端穿过一张CD光盘的中央小孔后拴着一个橡胶球，橡胶球静止时，竖直悬线刚好挨着水平桌面的边沿.现将CD光盘按在桌面上，并沿桌面边缘以速度v匀速移动，移动过程中，CD光盘中央小孔始终紧挨桌面边线，当悬线与竖直方向的夹角为θ时，小球上升的速度大小为()图7A.vsinθB.vcosθC.vtanθD.eq\f(v,tanθ)答案A解析由题意可知，悬线与光盘交点参与两个运动，一是沿着悬线方向的运动，二是垂直悬线方向的运动，合运动的速度大小为v，则有v线＝vsinθ；而悬线速度的大小即为小球上升的速度大小，故A正确.10.民族运动会上有一骑射项目如图8所示，运动员骑在奔跑的马上，弯弓放箭射击侧向的固定目标.假设运动员骑马奔驰的速度为v1，运动员静止时射出的弓箭速度为v2，跑道离固定目标的最近距离为d.要想命中目标且射出的箭在空中飞行时间最短，则()图8A.运动员放箭处离目标的距离为eq\f(dv2,v1)B.运动员放箭处离目标的距离为eq\f(d\r(v12＋v22),v1)C.箭射到固定目标的最短时间为eq\f(d,v2)D.箭射到固定目标的最短时间为eq\f(d,\r(v22－v12))答案C解析要想命中目标且使箭在空中飞行的时间最短，v2必须垂直于v1，并且v1、v2的合速度方向指向目标，如图所示，故箭射到目标的最短时间为eq\f(d,v2)，C正确，D错误；运动员放箭处离目标的距离为eq\r(d2＋x2)，又x＝v1t＝v1·eq\f(d,v2)，故eq\r(d2＋x2)＝eq\r(d2＋(\f(v1d,v2))2)＝eq\f(d\r(v12＋v22),v2)，A、B错误.11.(2020·陕西宝鸡市模拟)如图9所示，水平光滑长杆上套有一物块Q，跨过悬挂于O点的轻小光滑圆环的轻绳一端连接Q，另一端悬挂一物块P.设轻绳的左边部分与水平方向的夹角为θ，初始时θ很小.现将P、Q由静止同时释放，关于P、Q以后的运动，下列说法正确的是()图9A.当θ＝60°时，P、Q的速度之比是eq\r(3)∶2B.当θ＝90°时，Q的速度最大C.当θ＝90°时，Q的速度为零D.当θ向90°增大的过程中Q的合力一直增大答案B解析P、Q用同一根绳连接，则Q沿绳子方向的速度与P的速度大小相等，则当θ＝60°时，Q沿绳子方向的分速度vQcos60°＝vP，解得eq\f(vP,vQ)＝eq\f(1,2)，故选项A错误；当θ＝90°时，即Q到达O点正下方，垂直Q运动方向上的分速度为0，即vP＝0，此时Q的速度最大，故选项B正确，C错误；当θ向90°增大的过程中Q的合力逐渐减小，当θ＝90°时，Q的速度最大，加速度为零，合力为零，故选项D错误.12.(多选)在一光滑水平面内建立平面直角坐标