高考物理曲线运动解题技巧讲解及练习题(含答案)及解析

高考物理曲线运动解题技巧讲解及练习题(含答案)及解析
一、高中物理精讲专题测试曲线运动
1．如图，光滑轨道abcd 固定在竖直平面内，ab 水平，bcd 为半圆，在b 处与ab 相切．在直轨道ab 上放着质量分别为m A =2kg 、m B =1kg 的物块A 、B （均可视为质点），用轻质细绳将A 、B 连接在一起，且A 、B 间夹着一根被压缩的轻质弹簧（未被拴接），其弹性势能E p =12J ．轨道左侧的光滑水平地面上停着一质量M =2kg 、长L =0.5m 的小车，小车上表面与ab 等高．现将细绳剪断，之后A 向左滑上小车，B 向右滑动且恰好能冲到圆弧轨道的最高点d 处．已知A 与小车之间的动摩擦因数µ满足0.1≤µ≤0.3，g 取10m /s 2，求
（1）A 、B 离开弹簧瞬间的速率v A 、v B ； （2）圆弧轨道的半径R ；
（3）A 在小车上滑动过程中产生的热量Q （计算结果可含有µ）．
【答案】（1）4m/s （2）0.32m(3) 当满足0.1≤μ<0.2时，Q 1=10μ ；当满足0.2≤μ≤0.3
时，
22111
()22A A m v m M v -+ 【解析】 【分析】
（1）弹簧恢复到自然长度时，根据动量守恒定律和能量守恒定律求解两物体的速度； （2）根据能量守恒定律和牛顿第二定律结合求解圆弧轨道的半径R ；
（3）根据动量守恒定律和能量关系求解恰好能共速的临界摩擦力因数的值，然后讨论求解热量Q. 【详解】
（1）设弹簧恢复到自然长度时A 、B 的速度分别为v A 、v B ， 由动量守恒定律：
0=A A B B m v m v - 由能量关系：22
11=22
P A A B B E m v m v -
解得v A =2m/s ；v B =4m/s
（2）设B 经过d 点时速度为v d ，在d 点：2d
B B v m g m R
=
由机械能守恒定律：22d 11=222
B B B B m v m v m g R +⋅ 解得R=0.32m
（3）设μ=μ1时A 恰好能滑到小车左端，其共同速度为v,由动量守恒定律：
=()A A A m v m M v +由能量关系：()2
211122
A A A A m gL m v m M v μ=
-+ 解得μ1=0.2
讨论：
（ⅰ）当满足0.1≤μ<0.2时，A 和小车不共速，A 将从小车左端滑落，产生的热量为
110A Q m gL μμ== （J ）
（ⅱ）当满足0.2≤μ≤0.3时，A 和小车能共速，产生的热量为
()221111
22
A A Q m v m M v =
-+，解得Q 2=2J
2．如图所示，竖直圆形轨道固定在木板B 上，木板B 固定在水平地面上，一个质量为3m 小球A 静止在木板B 上圆形轨道的左侧．一质量为m 的子弹以速度v 0水平射入小球并停留在其中，小球向右运动进入圆形轨道后，会在圆形轨道内侧做圆周运动．圆形轨道半径为R ，木板B 和圆形轨道总质量为12m ，重力加速度为g ，不计小球与圆形轨道和木板间的摩擦阻力．求：
(1)子弹射入小球的过程中产生的内能；
(2)当小球运动到圆形轨道的最低点时，木板对水平面的压力；
(3)为保证小球不脱离圆形轨道，且木板不会在竖直方向上跳起，求子弹速度的范围．
【答案】(1)2038mv (2) 2
164mv mg R
+
(3)042v gR ≤或04582gR v gR ≤≤【解析】
本题考察完全非弹性碰撞、机械能与曲线运动相结合的问题． (1)子弹射入小球的过程，由动量守恒定律得：01(3)mv m m v =+ 由能量守恒定律得：220111
422
Q mv mv =-⨯ 代入数值解得：2038
Q mv =
(2)当小球运动到圆形轨道的最低点时，以小球为研究对象，由牛顿第二定律和向心力公式
得2
11(3)(3)m m v F m m g R
+-+=
以木板为对象受力分析得2112F mg F =+ 根据牛顿第三定律得木板对水平的压力大小为F 2
木板对水平面的压力的大小20
2164mv F mg R
=+
(3)小球不脱离圆形轨有两种可能性： ①若小球滑行的高度不超过圆形轨道半径R 由机械能守恒定律得：()()211
332
m m v m m gR +≤+ 解得：042v gR ≤
②若小球能通过圆形轨道的最高点
小球能通过最高点有：2
2
(3)(3)m m v m m g R
++≤
由机械能守恒定律得：
221211(3)2(3)(3)22
m m v m m gR m m v +=+++ 代入数值解得：045v gR ≥
要使木板不会在竖直方向上跳起，木板对球的压力：312F mg ≤
在最高点有：2
3
3(3)(3)m m v F m m g R
+++=
由机械能守恒定律得：221311(3)2(3)(3)22
m m v m m gR m m v +=+++ 解得：082v gR ≤
综上所述为保证小球不脱离圆形轨道，且木板不会在竖直方向上跳起，子弹速度的范围是
042v gR ≤或04582gR v gR ≤≤
3．光滑水平面AB 与竖直面内的圆形导轨在B 点连接，导轨半径R ＝0.5 m ，一个质量m ＝2 kg 的小球在A 处压缩一轻质弹簧，弹簧与小球不拴接．用手挡住小球不动，此时弹簧弹性势能Ep ＝49 J ，如图所示．放手后小球向右运动脱离弹簧，沿圆形轨道向上运动恰能通过最高点C ，g 取10 m/s 2．求：
(1)小球脱离弹簧时的速度大小； (2)小球从B 到C 克服阻力做的功；
(3)小球离开C 点后落回水平面时的动能大小． 【答案】（1）7/m s （2）24J （3）25J 【解析】 【分析】 【详解】
(1)根据机械能守恒定律 E p ＝
2
11m ?2
v ①
v 1＝
2Ep
m
＝7m/s ② (2)由动能定理得－mg ·2R －W f ＝
22
211122
mv mv - ③ 小球恰能通过最高点，故22
v mg m R
= ④ 由②③④得W f ＝24 J
(3)根据动能定理：
2
2122
k mg R E mv =-
解得：25k E J =
故本题答案是：（1）7/m s （2）24J （3）25J 【点睛】
(1)在小球脱离弹簧的过程中只有弹簧弹力做功,根据弹力做功与弹性势能变化的关系和动能定理可以求出小球的脱离弹簧时的速度v;
(2)小球从B 到C 的过程中只有重力和阻力做功,根据小球恰好能通过最高点的条件得到小球在最高点时的速度,从而根据动能定理求解从B 至C 过程中小球克服阻力做的功; (3)小球离开C 点后做平抛运动,只有重力做功,根据动能定理求小球落地时的动能大小
4．如图所示，一位宇航员站一斜坡上A 点，沿水平方向以初速度v 0抛出一个小球，测得小球经时间t 落到斜坡上另一点B ，斜坡倾角为α，已知该星球的半径为R ，引力常量为G ，求：
（1）该星球表面的重力加速度g ； （2）该星球的密度ρ ． 【答案】（1）02tan v t α （2）03tan 2v RtG
α
π 【解析】
试题分析：平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做自由落体运动，根据平抛运动的规律求出星球表面的重力加速度．根据万有引力等于重力求出星球的质量，结合密度的公式求出星球的密度．
（1）小球做平抛运动，落在斜面上时有：tanα==
=
所以星球表面的重力加速度为：g=．
（2）在星球表面上，根据万有引力等于重力，得：mg=G
解得星球的质量为为：M=
星球的体积为：V=πR3．
则星球的密度为：ρ=
整理得：ρ=
点晴：解决本题关键为利用斜面上的平抛运动规律：往往利用斜面倾解的正切值进行求得星球表面的重力加速度，再利用mg=G和ρ=求星球的密度.
5．如图是节水灌溉工程中使用喷水龙头的示意图。

喷嘴离地面高为h，将水连续不断地以恒定速度水平喷出，其喷灌的水平射程为10h，喷嘴横截面积为S（设同一横截面上各点水流速度大小均相同），水的密度为ρ，空气阻力忽略不计。

重力加速度为g。

（1）求空中水的体积V；
（2）假如我们只研究其中一个质量为m的水滴，不计水滴间的相互影响，求它从喷嘴水平喷出后在空中运动过程中的动量变化量△p；
（3）假如水击打在水平地面上速度立即变为零，求水击打地面时竖直向下的平均作用力大小F。

【答案】（1）10hs （2）2
m gh（3）10ρhSg
【解析】
【详解】
（1）水喷出时速度：0
52 22
v gh
h h
g g
===
则空中水的体积：V＝v02h
g
＝10hs
（2）由动量定理得：△P＝mgt＝2h
g
＝2gh
（3）向下为正，在竖直向对由动量定理：F
＝﹣
102
2
hS gh
h
g
ρ⋅
＝﹣10ρhSg （因时间短，
则与地面作用时间内重力可略）
则由牛顿第三定律可得对地面的力为10ρhSg 。

6．如图所示，光滑水平面AB与竖直面内的半圆形导轨在B点相接，导轨半径为R．一个质量为m的物体将弹簧压缩至A点后由静止释放，在弹力作用下物体获得某一向右速度后脱离弹簧，当它经过B点进入导轨瞬间对导轨的压力为其重力的7倍，之后向上运动恰能完成半个圆周运动到达C点．试求：
（1）弹簧开始时的弹性势能．
（2）物体从B点运动至C点克服阻力做的功．
（3）物体离开C点后落回水平面时的速度大小．
【答案】(1)3mgR (2)0.5mgR (3)
5
2
mgR
【解析】
试题分析：（1）物块到达B点瞬间，根据向心力公式有：
解得：
弹簧对物块的弹力做的功等于物块获得的动能，所以有
（2）物块恰能到达C点，重力提供向心力，根据向心力公式有：
所以：
物块从B运动到C，根据动能定理有：
解得：
（3）从C点落回水平面，机械能守恒，则：
考点：本题考查向心力，动能定理，机械能守恒定律
点评：本题学生会分析物块在B点的向心力，能熟练运用动能定理，机械能守恒定律解相关问题．
7．如图所示，光滑的水平平台上放有一质量M=2kg，厚度d=0.2m的木板，木板的左端放有一质量m=1kg的滑块（视为质点），现给滑块以水平向右、的初速度，木板在滑块的带动下向右运动，木板滑到平台边缘时平台边缘的固定挡板发生弹性碰撞，当木板与挡板发生第二次碰撞时，滑块恰好滑到木板的右端，然后水平飞出，落到水平地面上的A点，已知木板的长度l=10m，A点到平台边缘的水平距离s=1.6m，平台距水平地面的高度h=3m，重力加速度，不计空气阻力和碰撞时间，求：
(1)滑块飞离木板时的速度大小；
(2)第一次与挡板碰撞时，木板的速度大小；（结果保留两位有效数字）
(3)开始时木板右端到平台边缘的距离；（结果保留两位有效数字）
【答案】(1) (2)v=0.67m/s (3)x=0.29m
【解析】
【分析】
【详解】
(1)滑块飞离木板后做平抛运动，则有：
解得
(2)木板第一次与挡板碰撞后，速度方向反向，速度大小不变，先向左做匀减速运动，再向右做匀加速运动，与挡板发生第二次碰撞，由匀变速直线运动的规律可知木板两次与挡板碰撞前瞬间速度相等．
设木板第一次与挡板碰撞前瞬间，滑块的速度大小为，木板的速度大小为v
由动量守恒定律有：，
木板第一与挡板碰后：
解得:v=0.67m/s
(3)由匀变速直线运动的规律：，
，
由牛顿第二定律：
解得:x=0.29m．
【点睛】
对于滑块在木板上滑动的类型，常常根据动量守恒定律和能量守恒定律结合进行研究．也可以根据牛顿第二定律和位移公式结合求出运动时间，再求木板的位移．
8．如图1所示是某游乐场的过山车，现将其简化为如图2所示的模型：倾角θ=37°、
L=60cm的直轨道AB与半径R=10cm的光滑圆弧轨道BCDEF在B处平滑连接，C、F为圆轨道最低点，D点与圆心等高，E为圆轨道最高点；圆轨道在F点与水平轨道FG平滑连接，整条轨道宽度不计，其正视图如图3所示．现将一质量m=50g的滑块(可视为质点)从A
端由静止释放．已知滑块与AB 段的动摩擦因数μ1=0.25，与FG 段的动摩擦因数μ2=0.5，sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度g =10m/s 2．
（1） 求滑块到达E 点时对轨道的压力大小F N ；
（2）若要滑块能在水平轨道FG 上停下，求FG 长度的最小值x ；
（3）若改变释放滑块的位置，使滑块第一次运动到D 点时速度刚好为零，求滑块从释放到它第5次返回轨道AB 上离B 点最远时，它在AB 轨道上运动的总路程s ． 【答案】（1）F N =0.1N （2）x =0.52m （3）93
m 160
s = 【解析】 【详解】
（1）滑块从A 到E ，由动能定理得：
()]2
11sin 1cos 2cos 2
E mg L R R mgL mv θθμθ⎡+---=
⎣ 代入数据得：30
E v =
滑块到达E 点：2N E
v mg F m R
+= 代入已知得：F N =0.1N （2）滑块从A 下滑到停在水平轨道FG 上，有
()12sin 1cos cos 0mg L R mgL mgx θθμθμ⎡⎤+---=⎣⎦
代入已知得：x =0.52m
（3）若从距B 点L 0处释放，则从释放到刚好运动到D 点过程有：
010sin +(1cos )]cos 0mg L R R mgL θθμθ---=[
代入数据解得：L 0=0.2m
从释放到第一次返回最高点过程，若在轨道AB 上上滑距离为L 1，则：
()()01101sin cos 0mg L L mg L L θμθ--+=
解得：11001sin
cos 1
sin cos 2
L L L θμθθμθ-=
=+
同理，第二次返回最高点过程，若在斜轨上上滑距离为L 2，有：
2
121101sin cos 11sin cos 22L L L L θμθθμθ-⎛⎫
=== ⎪+⎝⎭
故第5次返回最高点过程，若在斜轨上上滑距离为L 5，有： 5
5012L L ⎛⎫= ⎪⎝⎭
所以第5次返回轨道AB 上离B 点最远时，它在AB 轨道上运动的总路程
012345932222m 160
L L L L L L s =+++++=
9．如图所示，表面光滑的长方体平台固定于水平地面上，以平台外侧的一边为x 轴，在平台表面建有平面直角坐标系xoy ，其坐标原点O 与平台右侧距离为d=1.2m 。

平台足够宽，高为h=0.8m ，长为L=3.3m 。

一个质量m 1=0.2kg 的小球以v0=3m/s 的速度沿x 轴运动，到达O 点时，给小球施加一个沿y 轴正方向的水平力F 1，且F 1=5y （N ）。

经一段时间，小球到达平台上坐标为（1.2m ，0.8m ）的P 点时，撤去外力F1。

在小球到达P 点的同时，平台与地面相交处最内侧的M 点，一个质量m2=0.2kg 的滑块以速度v 在水平地面上开始做匀速直线运动，滑块与地面间的动摩擦因数μ=0.5，由于摩擦力的作用，要保证滑块做匀速运动需要给滑块一个外力F2，最终小球落在N 点时恰好与滑块相遇，小球、滑块均视为质点， 2
10/g m s =， sin370.6cos370.8︒=︒=，。

求：
（1）小球到达P 点时的速度大小和方向； （2）M 、N 两点间的距离s 和滑块速度v 的大小； （3）外力F 2最小值的大小（结果可用根式表示）
【答案】（1）5m/s 方向与x 轴正方向成53°（2）1.5m ；3.75m/s （325
N 【解析】（1）小球在平台上做曲线运动，可分解为沿x 轴方向的匀速直线运动和沿y 轴方向的变加速运动，设小球在P 点受到p v 与x 轴夹角为α 从O 点到P 点，变力1F 做功50.8
0.8 1.62
p y J J ⨯=⨯= 根据动能定理有22
110
1122
P W m v m v =
-，解得5/p v m s = 根据速度的合成与分解有0cos p v v α=，得53α=︒，小球到达P 点时速度与x 轴正方向成
53︒
（2）小球离开P 点后做平抛运动，根据平抛运动规律有2
12
h gt =，解得t=0.4s 小球位移在水平面内投影2p l v t m ==
设P 点在地面的投影为P '，则 2.5P P M L y m ='=-
由几何关系可得2222cos s P M l l P M θ=+-⋅⋅''，解得s=1.5m
滑块要与小球相遇，必须沿MN 连线运动，由s vt =，得 3.75/v m s = （3）设外力2F 的方向与滑块运动方向（水平方向）的夹角为β，根据平衡条件 水平方向有： 2cos F f β=，其中f N μ=，竖直方向有22sin N F m g β+= 联立解得22cos sin m g
F μβμβ
=
+
由数学知识可得()
2221sin F μβθ=
++，其最小值22min 2
25
1F N μ=
=
+。

10．如图所示，某同学在一辆车上荡秋千，开始时车轮被锁定，车的右边有一个和地面相平的沙坑，且右端和沙坑的左边缘平齐；当同学摆动到最大摆角θ=600时，车轮立即解除锁定，使车可以在水平地面无阻力运动，该同学此后不再做功，并可以忽略自身大小，已知秋千绳子长度L=4.5m ，该同学和秋千支架的质量M=200kg ，重力加速度g=10m/s 2，试求：
（1）该同学摆到最低点时的速率；
（2）在摆到最低点的过程中，绳子对该同学做的功；
（3）该同学到最低点时，顺势离开秋千板，他落入沙坑的位置距离左边界多远？已知车辆长度s=3.6m ，秋千架安装在车辆的正中央，且转轴离地面的高度H=5.75m.
【答案】（1）6m/s；（2）-225J；（3）0.421m
【解析】
（1）人向下运动的过程中，人与车在水平方向的动量守恒，选取向右为正方向，则：
人向下运动的过程中系统的机械能守恒，则：
代入数据，联立得：
（2）对人向下运动的过程中使用动能定理，得：
代入数据解得：
（3）人在秋千上运动的过程中，人与车组成的系统在水平方向的平均动量是守恒的，则：
由于运动的时间相等，则：
又：，联立得：，即车向左运动了
人离开秋千后做平抛运动，运动的时间为：
人沿水平方向的位移为：
所以人的落地点到沙坑边缘的距离为：
代入数据，联立得：。

点睛：该题中涉及的过程多，用到的知识点多，在解答的过程中要注意对情景的分析，尤其要注意人在秋千上运动的过程中，车不是静止的，而是向左运动。