高中物理曲线运动题20套(带答案)

高中物理曲线运动题20套(带答案)
一、高中物理精讲专题测试曲线运动
1．如图，在竖直平面内，一半径为R 的光滑圆弧轨道ABC 和水平轨道PA 在A 点相切．BC 为圆弧轨道的直径．O 为圆心，OA 和OB 之间的夹角为α，sinα=
3
5
，一质量为m 的小球沿水平轨道向右运动，经A 点沿圆弧轨道通过C 点，落至水平轨道；在整个过程中，除受到重力及轨道作用力外，小球还一直受到一水平恒力的作用，已知小球在C 点所受合力的方向指向圆心，且此时小球对轨道的压力恰好为零．重力加速度大小为g ．求：
（1）水平恒力的大小和小球到达C 点时速度的大小； （2）小球到达A 点时动量的大小； （3）小球从C 点落至水平轨道所用的时间． 【答案】（15gR
（223m gR （3355R g 【解析】
试题分析 本题考查小球在竖直面内的圆周运动、受力分析、动量、斜下抛运动及其相关的知识点，意在考查考生灵活运用相关知识解决问题的的能力．
解析（1）设水平恒力的大小为F 0，小球到达C 点时所受合力的大小为F ．由力的合成法则有
tan F mg
α=① 2220()F mg F =+②
设小球到达C 点时的速度大小为v ，由牛顿第二定律得
2
v F m R
=③
由①②③式和题给数据得
03
4
F mg =④
5gR
v =
（2）设小球到达A 点的速度大小为1v ，作CD PA ⊥，交PA 于D 点，由几何关系得 sin DA R α=⑥
(1cos CD R α=+）⑦
由动能定理有
220111
22
mg CD F DA mv mv -⋅-⋅=-⑧
由④⑤⑥⑦⑧式和题给数据得，小球在A 点的动量大小为 1232
m gR p mv ==
⑨ （3）小球离开C 点后在竖直方向上做初速度不为零的匀加速运动，加速度大小为g ．设小球在竖直方向的初速度为v ⊥，从C 点落至水平轨道上所用时间为t ．由运动学公式有
2
12
v t gt CD ⊥+
=⑩ sin v v α⊥=
由⑤⑦⑩
式和题给数据得
355R t g
=
点睛 小球在竖直面内的圆周运动是常见经典模型，此题将小球在竖直面内的圆周运动、受力分析、动量、斜下抛运动有机结合，经典创新．
2．如图所示，水平屋顶高H ＝5 m ，围墙高h ＝3.2 m ，围墙到房子的水平距离L ＝3 m ，围墙外空地宽x ＝10 m ，为使小球从屋顶水平飞出落在围墙外的空地上，g 取10 m/s 2.求： (1)小球离开屋顶时的速度v 0的大小范围； (2)小球落在空地上的最小速度．
【答案】(1)5 m/s≤v 0≤13 m/s ； (2)55m/s ； 【解析】 【分析】 【详解】
（1）若v 太大，小球落在空地外边，因此，球落在空地上，v 的最大值v max 为球落在空地最右侧时的平抛初速度，
如图所示，小球做平抛运动，设运动时间为t 1． 则小球的水平位移：L+x=v max t 1， 小球的竖直位移：H=gt 12 解以上两式得
v max=（L+x）=（10+3）×=13m/s．
若v太小，小球被墙挡住，因此，
球不能落在空地上，v的最小值v min
为球恰好越过围墙的最高点P落在空地上时的平抛初速度，设小球运动到P点所需时间为t2，
则此过程中小球的水平位移：L=v min t2
小球的竖直方向位移：H﹣h=gt22
解以上两式得v min=L=3×=5m/s
因此v0的范围是v min≤v0≤v max，
即5m/s≤v0≤13m/s．
（2）根据机械能守恒定律得：mgH+=
解得小球落在空地上的最小速度：v min′===5m/s
3．如图所示，光滑的水平地面上停有一质量，长度的平板车，平板车左端紧靠一个平台，平台与平板车的高度均为，一质量的滑块以水平速度从平板车的左端滑上平板车，并从右端滑离，滑块落地时与平板车的右端的水平距离。

不计空气阻力，重力加速度求：
滑块刚滑离平板车时，车和滑块的速度大小；
滑块与平板车间的动摩擦因数。

【答案】(1)， (2)
【解析】
【详解】
设滑块刚滑到平板车右端时，滑块的速度大小为，平板车的速度大小为，
由动量守恒可知：
滑块滑离平板车后做平抛运动，则有：
解得：，；
由功能关系可知：
解得：
【点睛】
本题主要是考查了动量守恒定律；对于动量守恒定律，其守恒条件是：系统不受外力作用
或某一方向不受外力作用；解答时要首先确定一个正方向，利用碰撞前系统的动量和碰撞后系统的动量相等列方程进行解答。

4．如图所示，将一小球从倾角θ=60°斜面顶端，以初速度v0水平抛出，小球落在斜面上的某点P，过P点放置一垂直于斜面的直杆(P点和直杆均未画出)。

已知重力加速度大小为g，斜面、直杆处在小球运动的同一竖直平面内，求：
(1)斜面顶端与P点间的距离；
(2)若将小球以另一初速度v从斜面顶端水平抛出，小球正好垂直打在直杆上，求v的大小。

【答案】（1）；（2）；
【解析】本题考查平抛与斜面相结合的问题，涉及位移和速度的分解。

（1）小球从抛出到P点，做平抛运动，设抛出点到P点的距离为L
小球在水平方向上做匀速直线运动，有：
在竖直方向上做自由落体运动，有：
联立以上各式，代入数据解得：
（2）设小球垂直打在直杆上时竖直方向的分速度为v y，有：
在水平方向上，有：
在竖直方向上，有：，
由几何关系，可得：
联系以上各式，得：
另解：小球沿斜面方向的分运动为匀加速直线运动， 初速度为：
，加速度为
小球垂直打在直杆上，速度为，有：
在斜面方向上，由匀变速运动规律得：
联立以上各式，得：
点睛：物体平抛运动可分解成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体；也可分解为沿斜面方向的匀变速直线运动和垂直斜面的匀变速直线运动。

5．如图所示，一质量M =4kg 的小车静置于光滑水平地面上，左侧用固定在地面上的销钉挡住。

小车上表面由光滑圆弧轨道BC 和水平粗糙轨道CD 组成，BC 与CD 相切于C ，圆弧BC 所对圆心角θ＝37°，圆弧半径R =2.25m ，滑动摩擦因数μ=0.48。

质量m =1kg 的小物块从某一高度处的A 点以v 0＝4m/s 的速度水平抛出，恰好沿切线方向自B 点进入圆弧轨道，最终与小车保持相对静止。

取g ＝10m/s 2，sin37°=0.6，忽略空气阻力，求:
（1）A 、B 间的水平距离；
（2）物块通过C 点时，轨道对物体的支持力； （3）物块与小车因摩擦产生的热量。

【答案】（1）1.2m （2）25.1N F N =（3）13.6J 【解析】 【详解】
（1）物块从A 到B 由平抛运动的规律得:
tan θ=0
gt v
x = v 0t 得x =1.2m
（2）物块在B 点时，由平抛运动的规律得：0
cos B v v θ
=
物块在小车上BC 段滑动过程中，由动能定理得： mgR (1－cos θ)＝
12mv C 2－1
2
mv B 2 在C 点对滑块由牛顿第二定律得 2C
N v F mg m R
-= 联立以上各式解得：25.1N F N =
（3）根据牛顿第二定律，对滑块有μmg ＝ma 1， 对小车有μmg ＝Ma 2
当滑块相对小车静止时，两者速度相等，即 v C －a 1t 1＝a 2t 1 由以上各式解得 134
t s =
， 此时小车的速度为v ＝a 2t 1＝
34
/m s 物块在CD 段滑动过程中由能量守恒定律得：12mv C 2＝1
2
（M ＋m ）v 2 + Q 解得：Q =13.6J
6．“抛石机”是古代战争中常用的一种设备，如图所示，为某学习小组设计的抛石机模型，其长臂的长度L = 2 m ，开始时处于静止状态，与水平面间的夹角α=37°；将质量为m =10.0㎏的石块装在长臂末端的口袋中，对短臂施力，当长臂转到竖直位置时立即停止转动，石块被水平抛出，其落地位置与抛出位置间的水平距离x =12 m 。

不计空气阻力， 重力加速度g 取10m/s²，取水平地面为重力势能零参考平面。

sin37°= 0.6，cos37°= 0.8。

求：
（1）石块在最高点的重力势能E P （2）石块水平抛出的速度大小v 0； （3）抛石机对石块所做的功W 。

【答案】（1）320J （2）15m/s （3）1445J
【解析】（1）石块在最高点离地面的高度：h =L +L sin α=2×（1+0.6）m = 3.2m 由重力势能公式：E P =mgh=320J （2）石块飞出后做平抛运动 水平方向 x = v 0t
竖直方向 2
12
h gt =
解得：v 0 = 15m/s
（3）长臂从初始位置转到竖直位置过程，
由动能定理得： 2012
W mgh mv -= 解得： Ｗ = 1445J
点睛：要把平抛运动分解水平方向上的匀速和竖直方向上的自由落体运动。

7．如图所示，圆弧轨道AB 是在竖直平面内的
1
4
圆周，B 点离地面的高度h =0.8m ，该处切线是水平的，一质量为m =200g 的小球（可视为质点）自A 点由静止开始沿轨道下滑（不计小球与轨道间的摩擦及空气阻力），小球从B 点水平飞出，最后落到水平地面上的D 点．已知小物块落地点D 到C 点的距离为x =4m ，重力加速度为g =10m /s 2．求：
（1）圆弧轨道的半径
（2）小球滑到B 点时对轨道的压力． 【答案】（1）圆弧轨道的半径是5m ．
（2）小球滑到B 点时对轨道的压力为6N ，方向竖直向下． 【解析】
（1）小球由B 到D 做平抛运动，有：h=12
gt 2 x =v B t 解得： 10410/220.8
B g v x
m s h ==⨯=⨯ A 到B 过程，由动能定理得：mgR=1
2
mv B 2-0 解得轨道半径 R =5m
（2）在B 点，由向心力公式得：2B
v N mg m R
-=
解得：N =6N
根据牛顿第三定律，小球对轨道的压力N =N =6N ，方向竖直向下
点睛：解决本题的关键要分析小球的运动过程，把握每个过程和状态的物理规律，掌握圆周运动靠径向的合力提供向心力，运用运动的分解法进行研究平抛运动．
8．如图所示，轻绳绕过定滑轮，一端连接物块A ，另一端连接在滑环C 上，物块A 的下端用弹簧与放在地面上的物块B 连接，A 、B 两物块的质量均为m ，滑环C 的质量为M ，开
始时绳连接滑环C 部分处于水平，绳刚好拉直且无弹力，滑轮到杆的距离为L ，控制滑块
C ，使其沿杆缓慢下滑，当C 下滑
4
3
L 时，释放滑环C ，结果滑环C 刚好处于静止，此时B 刚好要离开地面，不计一切摩擦，重力加速度为g ．
(1)求弹簧的劲度系数；
(2)若由静止释放滑环C ，求当物块B 刚好要离开地面时，滑环C 的速度大小． 【答案】（1）3mg L （2）(2)4875M m gL
m M
-+ 【解析】 【详解】
（1）设开始时弹簧的压缩量为x ，则 kx=mg
设B 物块刚好要离开地面，弹簧的伸长量为x′，则 kx′=mg 因此x ′＝x ＝
mg k
由几何关系得 2x 22
169
L L +L ＝2 3L
求得 x=3
L
得 k=3
mg
L
（2）弹簧的劲度系数为k ，开始时弹簧的压缩量为x 1＝3
mg L
k = 当B 刚好要离开地面时，弹簧的伸长量 x 2＝3
mg L
k = 因此A 上升的距离为 h ＝x 1+x 2＝
23
L
C 下滑的距离 2
2
4()3
L H L h L =+-＝ 根据机械能守恒 MgH −mgh ＝2222
11
(
2
2
m Mv H L +
+
求得 (2)10
4875M m gL
v m M
-=+
9．如图所示,粗糙水平地面与半径 1.6m R =的光滑半圆轨道BCD 在B 点平滑连接, O 点是半圆轨道BCD 的圆心, B O D 、、三点在同一竖直线上,质量2kg m =的小物块(可视为质点)静止在水平地面上的A 点.某时刻用一压缩弹簧(未画出)将小物块沿AB 方向水平弹出,小物块经过B 点时速度大小为10m/s (不计空气阻力).已知10m AB x =,小物块与水平地面间的
动摩擦因数=0.2μ,重力加速度大小2
10m/s g =.求：
(1)压缩弹簧的弹性势能；
(2)小物块运动到半圆轨道最高点时,小物块对轨道作用力的大小； (3)小物块离开最高点后落回到地面上的位置与B 点之间的距离. 【答案】(1)140J (2)25N (3)4.8m 【解析】
(1)设压缩弹簧的弹性势能为P E ，从A 到B 根据能量守恒，有
2
12
P B AB E mv mgx μ=
+ 代入数据得140J P E =
(2)从B 到D ，根据机械能守恒定律有
22
11222
B D mv mv mg R =+⋅ 在D 点，根据牛顿运动定律有2
D
v F mg m R
+=
代入数据解得25N F =
由牛顿第三定律知，小物块对轨道作用力大小为25N (3)由D 点到落地点物块做平抛运动竖直方向有2122
R gt = 落地点与B 点之间的距离为D x v t = 代入数据解得 4.8m x =
点睛：本题是动能定理、牛顿第二定律和圆周运动以及平抛运动规律的综合应用，关键是确定运动过程，分析运动规律，选择合适的物理规律列方程求解．
10．一轻质细绳一端系一质量为m =0.05吻的小球儿另一端挂在光滑水平轴O 上，O 到小球的距离为L = 0.1m ，小球跟水平面接触，但无相互作用，在球的两侧等距离处分别固定一个光滑的斜面和一个挡板，如图所示水平距离s=2m ，动摩擦因数为μ=0.25.现有一滑块B ，
质量也为m =0.05kg ，从斜面上高度h =5m 处滑下，与 小球发生弹性正碰，与挡板碰撞时不损失机械能.若不计空气阻力，并将滑块和小球都视为质点，（g 取10m/s 2，结果用根号表示），试问：
（1）求滑块B 与小球第一次碰前的速度以及碰后的速度. （2）求滑块B 与小球第一次碰后瞬间绳子对小球的拉力.
（3）滑块B 与小球碰撞后，小球在竖直平面内做圆周运动，求小球做完整圆周运动的次数.
【答案】（1）滑块B 95，碰后的速度为0；（2）滑块B 与小球第一次碰后瞬间绳子对小球的拉力48N ；（3）小球做完整圆周运动的次数为10次。

【解析】 【详解】
（1）滑块将要与小球发生碰撞时速度为v 1，碰撞后速度为v 1′，小球速度为v 2 根据能量守恒定律，得：
mgh =
21122
s mv mg μ+ 解得：
v 195
A 、
B 发生弹性碰撞，由动量守恒，得到:
mv 1=mv 1′+mv 2
由能量守恒定律，得到：
222
112111222
mv mv mv '=+
解得：
v 1′=0，v 295
即滑块B 95，碰后的速度为0 （2）碰后瞬间，有：
T-mg =m 2
2
v L
解得：
T =48N
即滑块B 与小球第一次碰后瞬间绳子对小球的拉力48N 。

（3）小球刚能完成一次完整的圆周运动，它到最高点的速度为v 0，则有：
mg =m 20v L
小球从最低点到最高点的过程机械能守恒，设小球在最低点速度为v ，根据机械能守恒有：
22011222
mv mgL mv =+ 解得：
v
滑块和小球最后一次碰撞时速度至少为v
，滑块通过的路程为s ′，根据能量守恒有:
mgh =
212mv mgs μ+ 解得：
s ′=19m
小球做完整圆周圆周运动的次数：
n =21s s s
'-
+= 10次 即小球做完整圆周运动的次数为10次。