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抛体运动的规律

主讲:李 超

一周强化

一、一周内容概述

  利用运动的合成与分解知识,探究平抛运动的规律、掌握抛体性质以及其运动规律。

  通过习题课、学生实验(分组),能熟练应用平抛规律解决问题。

二、重难点知识讲解

(一)探究平抛运动的方法:

1、根据已有的力学理论猜测两个互相垂直的分运动的性质.

2、设置与分运动等效的条件进行对比实验:①与平抛运动的物体同时自由下落的物体;②与平抛运动的初速度相同的匀速直线运动.

3、描绘平抛运动的轨迹,建立水平、竖直的直角坐标系,通过研究水平和竖直两个方向的位移时间关系,获得各分运动的确切情况.

  描迹法探索平抛运动的实验器材和步骤

  实验器材:斜槽轨道、小球、木板、白纸、图钉、铅垂线、直尺、三角板、铅笔等.

  实验步骤:

  ①安装斜槽轨道,使其末端保持水平;

  ②固定木板上的坐标纸,使木板保持竖直状态,小球的运动轨迹与板面平行,坐标纸方格横线呈水平方向;

  ③以斜槽末端为坐标原点沿铅垂线画出y轴;

  ④让小球从斜槽上适当的高度由静止释放,用铅笔记录小球做平抛运动经过的位置;

  ⑤重复步骤4,在坐标纸上记录多个位置;

  ⑥在坐标纸上作出x轴,用平滑的曲线连接各个记录点,得到平抛运动的轨迹;

  ⑦在轨迹上取几个点,使这些点在水平方向间距相等,研究这些点对应的纵坐标y随时间变化的规律.

  若在竖直方向上物体做初速度为零的匀加速运动,必然是连续相等的时间内位移之差Δy等于常数,即Δy=gΔt2,从物体抛出计时,连续相等的时间内的位移(y、y……)之比为1∶3∶5∶…∶(2n-1).

  实验过程注意事项:

  ①保证斜槽末端的切线水平,方木板竖直且与小球下落的轨迹平面平行,并使小球运动时靠近木板,但不接触;

  ②小球每次都从斜槽上同一位置滚下;

  ③小球做平抛运动的起点不是槽口的端点,应是小球在槽口时球的重心在木板上的水平投影点;

  ④小球在斜槽上开始滚下的位置要适当,以便使小球运动的轨迹由木板的左上角到右下角.

(二)抛体运动:物体以一定的初速度抛出,且只在重力作用下的运动.

  抛体运动的性质:①竖直上抛和竖直下抛运动是直线运动;平抛、斜抛是曲线运动,其轨迹是抛物线;②抛体运动的加速度是重力加速度,抛体运动是匀变速运动;③抛体运动是一种理想化运动:地球表面附近,重力的大小和方向认为不变,不考虑空气阻力,且抛出速度远小于宇宙速度.

  曲线抛体运动的处理方法:是将其分解为两个简单的直线运动

  (1)最常用的分解方法是:水平方向上匀速直线运动;竖直方向上自由落体运动或竖直上抛、竖直下抛运动.

  (2)在任意方向上分解:有正交分解和非正交分解两种情况,无论怎样分解,都必须把运动的独立性和力的独立作用原理相结合进行系统分解,即将初速度、受力情况、加速度及位移等进行相应分解.如图所示.

  在x方向:以初速度vx0=v0cosα,加速度ax=gsinα的匀加速直线运动.

  在y方向:以初速度vy0=v0sinα,加速度ay=gcosα的匀加速直线运动.

(三)平抛运动的规律和特点

(1)平抛运动的规律

  设物体被抛出后,t s末时刻,物体的位置为P,其坐标为x(t s内的水平位移)和y(t s内的下落高度),t s末的速度vt的坐标分量为vx、vy,则

 

  平抛物体在t s内的位移s,可直接用两个分运动在同一时间内的位移来合成.由①②式可知,平抛物体在t s内的位移大小为:

  s==

  =(4v02+g2t2)        ⑤

  位移的方向与水平方向的夹角由下式决定:

  tanα===    ⑥

  平抛物体在某时刻的瞬时速度用两个分运动在此时刻的瞬时速度来合成.由③④两式可知,平抛物体在t时刻的速度大小为

  vt==  ⑦

  速度vt的方向与水平方向的夹角β由下式决定:tanβ==  ⑧

  比较tanβ=和tanα=可知,平抛运动中速度和位移的方向并不一致,tanβ=2tanα.

  由①②两式消去t,可得到抛物线的轨迹方程为y=·x2,因此平抛运动的轨迹是一条抛物线.

  (2)平抛运动的特点

  ①平抛运动的物体在空中运动的时间,由抛出点到地面(或者考察点)的高度决定t=,与平抛物体的初速度大小无关.

  ②平抛物体的水平位移由水平速度和下落高度决定,即x=v0,在下落高度一定的情况下,水平位移与平抛的初速度成正比.

  ③平抛运动的物体在相等的时间内速度的变化大小和方向都不变,如图所示,其中Δv=gΔt,方向竖直向下.

(四)处理抛体运动的方法与解决抛体运动的技巧:

1、平抛运动的处理方法:

  (1)将平抛运动分解为两个直线运动:①通常分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动.②在处理一些特殊问题时为了方便也可以分解为两个互相垂直的匀变速直线运动.

  (2)斜上抛运动分解为:

  ①水平方向的匀速直线运动和竖直方向的竖直上抛运动:ax=0 vx=v0cosθ,ay=g vy=v0sinθ-gt.

  ②斜上抛运动还可分解为:沿初速度方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动.

(3)斜下抛运动通常分解为:水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的竖直下抛运动:ax=0 vx=v0cosθ,ay=g vy=v0sinθ+gt.

2、解决抛体运动的技巧

  (1)灵活地运用匀变速直线运动的规律,熟练地进行加速度、速度及位移的合成和分解.

  (2)灵活地用好速度三角形:抛体运动任一时刻的即时速度,将其沿水平方向和竖直方向正交分解后得到由vx、vy和v三者构成的速度直角三角形,其中往往包含着解决问题的许多信息,充分挖掘其中的联系,往往会给解题带来很大的方便,如图.

       平抛运动的速度三角形      斜下抛运动的速度三角形

             斜上抛过程的速度三角形

、典例分析

  例1一名侦察兵正在战壕里观察敌机的情况,看到一架敌机正在沿水平直线向他飞来,当侦查兵观察敌机的仰角为30°时,发现敌机投下一枚炸弹,他在战壕内一直注视着炸弹的运动情况并计时。测得从敌机投弹到看到炸弹爆炸的时间为10.0s,且从看到炸弹的烟尘到听到爆炸声音之间的时间间隔为2.0s.若已知爆炸声音在空气中的传播速度为340m/s,求敌机在投弹时水平飞行的速度大小(忽略炸弹受到的空气阻力)。

  解析:设飞机高度为h,依题意若炸点在A处.

  

  若炸点在B处,同理

  例2、从高H的地方A平抛一物体,其水平射程为2s。在A点正上方的高为2H的地方B点,以同方向平抛另一物体,其水平射程为s。二物体在空中的运行轨道在同一竖直面内,且都从同一屏M的顶端擦过,求屏M的高度。

  解:如图,设屏M高为h,下落到屏M的顶端时,A、B两物体的竖直分位移分别是:

  

  得出落到屏M顶端的时间分别是

  A、B两物体落地时竖直分位移分别是

  

  得出落地时间分别是

  A、B两物体落地的水平位移分别是2s=vAtAs=vBTB

  得出A、B平抛初速度分别是

  A、B两物体运动到M顶端时水平位移相等,即vAtA=vBtB

  

  得

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