高考物理二轮专题复习 模型讲解 运动学模型

2013年高考二轮专题复习之模型讲解运动学模型【模型概述】在近年的高考中对各类运动的整合度有所加强，如直线运动之间整合，曲线运动与直线运动整合等，不管如何整合，我们都可以看到共性的东西，就是围绕着运动的同时性、独立性而进行。

【模型回顾】 一、两种直线运动模型匀速直线运动：两种方法（公式法与图象法） 匀变速直线运动：20021at t v s at v v t +=+=，，几个推论、比值、两个中点速度和一个v-t 图象。

特例1：自由落体运动为初速度为0的匀加速直线运动，a=g ；机械能守恒。

特例2：竖直上抛运动为有一个竖直向上的初速度v 0；运动过程中只受重力作用，加速度为竖直向下的重力加速度g 。

特点：时间对称（下上t t =）、速率对称（下上v v =）；机械能守恒。

二、两种曲线运动模型平抛运动：水平匀速、竖直方向自由落体 匀速圆周运动：ωωmv mr rmv ma F F =====22向向法【模型讲解】一、匀速直线运动与匀速直线运动组合例1.一路灯距地面的高度为h ，身高为l 的人以速度v 匀速行走，如图1所示。

（1）试证明人的头顶的影子作匀速运动； （2）求人影的长度随时间的变化率。

图1解法1：（1）设t=0时刻，人位于路灯的正下方O 处，在时刻t ，人走到S 处，根据题意有OS=vt ，过路灯P 和人头顶的直线与地面的交点M 为t 时刻人头顶影子的位置，如图2所示。

OM 为人头顶影子到O 点的距离。

图2由几何关系，有OS OM lOM h -=联立解得t lh hvOM -=因OM 与时间t 成正比，故人头顶的影子作匀速运动。

（2）由图2可知，在时刻t ，人影的长度为SM ，由几何关系，有SM=OM-OS ，由以上各式得t lh lv SM -=可见影长SM 与时间t 成正比，所以影长随时间的变化率lh lvk -=。

解法2：本题也可采用“微元法”。

设某一时间人经过AB 处，再经过一微小过程)0(→∆∆t t ，则人由AB 到达A ’B ’，人影顶端C 点到达C ’点，由于t v S AA ∆=∆'则人影顶端的移动速度：图3hH Hvt S h H HtS v AA t CC t C -=∆∆-=∆∆=→∆→∆'0'0lim lim可见C v 与所取时间t ∆的长短无关，所以人影的顶端C 点做匀速直线运动。

评点：本题由生活中的影子设景，以光的直进与人匀速运动整合立意。

解题的核心是利用时空将两种运动组合，破题的难点是如何借助示意图将动态过程静态化，运用几何知识解答。

二、匀速直线运动与匀速圆周运动组合例2.一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为2mm 的均匀狭缝。

将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束。

在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经处理后画出相应图线。

图4（a ）为该装置示意图，图4（b ）为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中s t s t 3231108.0100.1--⨯=∆⨯=∆，。

（1）利用图（b ）中的数据求1s 时圆盘转动的角速度； （2）说明激光器和传感器沿半径移动的方向； （3）求图（b ）中第三个激光信号的宽度△t 3。

解析：（1）由图线读得，转盘的转动周期s T 8.0=， 角速度s rad s rad T /85.7/8.028.62===πω （2）激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动（理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动）。

（3）设狭缝宽度为d ，探测器接收到第i 个脉冲时距转轴的距离为r i ，第i 个脉冲的宽度为△t i ，激光器和探测器沿半径的运动速度为v 。

)11(2)11(22232312121223t t dT r r t t dT r r vT r r r r Tr dt i i ∆-∆=-∆-∆=-=-=-=∆πππ，，由以上式联立解得s t t t t t 3212131067.02-⨯=∆-∆∆∆=∆评点：将直线运动与圆周运动组合，在近年高考中出现率极高，如2000年全国高考中“激光束转动测小车的速度”等，破题的关键是抓住时间、空间的关联。

三、匀加速直线运动与匀加速运动组合例3.如图5是某种静电分选器的原理示意图。

两个竖直放置的平行金属板带有等量异号电荷，形成匀强电场，分选器漏斗的出口与两板上端处于同一高度，到两板距离相等。

混合在一起的a 、b 两种颗粒从漏斗出口下落时，a 种颗粒带上正电，b 种颗粒带上负电。

经分选电场后，a 、b 两种颗粒分别落到水平传送带A 、B 上。

已知两板间距d=0.1m ，板的度m l 5.0=，电场仅局限在平行板之间；各颗粒所带电量大小与其质量之比均为kg C /1015-⨯。

设颗粒进入电场时的初速度为零，分选过程中颗粒大小及颗粒间的相互作用力不计。

要求两种颗粒离开电场区域时，不接触到极板但有最大偏转量。

重力加速度g 取2/10s m 。

（1）左右两板各带何种电荷？两极板间的电压多大？（2）若两带电平行板的下端距传送带A 、B 的高度H=0.3m ，颗粒落至传送带时的速度大小是多少？（3）设颗粒每次与传送带碰撞反弹时，沿竖直方向的速度大小为碰撞前竖直方向速度大小的一半。

写出颗粒第n 次碰撞反弹高度的表达式。

并求出经过多少次碰撞，颗粒反弹的高度小于0.01m 。

解析：（1）左板带负电荷，右板带正电荷。

依题意，颗粒在平行板间的竖直方向上满足221gt l =在水平方向上满足：2212t dmUq d s ==两式联立得V lqgmd U 421012⨯==（2）根据动能定理，颗粒落到水平传送带上满足sm H l g mUq v mv H l mg Uq /4)(221)(212≈++==++（3）在竖直方向颗粒作自由落体运动，它第一次落到水平传送带上沿竖直方向的速度s m H l g v /4)(21=+=反弹高度)2)(41(2)5.0(21211gv g v h ==根据题设条件，颗粒第n 次反弹后上升的高度：m g v h n n n 8.0)41()2()41(21⨯==当4=n 时，m h n 01.0<四、匀速圆周运动与匀速圆周运动组合例4. 侦察卫星在通过地球两极上空的圆轨道上运行，它的运行轨道距地面高为h ，要使卫星在一天的时间内将地面上赤道各处在日照条件下的情况全部都拍摄下来，卫星在通过赤道上空时，卫星上的摄影像机至少应拍地面上赤道圆周的弧长是多少？设地球半径为R ，地面处的重力加速度为g ，地球自转的周期为T 。

解析：设卫星周期为T 1，那么：)(4)(2122h R T m h R Mm G +=+π ①又mg R MmG=2②有gR h R T 31)(2+=π ③地球自转角速度为Tπω2=④在卫星绕行地球一周的时间T 1内，地球转过的圆心角为112T TT πωθ== ⑤那么摄像机转到赤道正上方时摄下圆周的弧长为R s θ=⑥由①②③④⑤⑥得gR h T s 32)(4+=π 五、匀速圆周运动与平抛运动组合例5.如图6所示，一对杂技演员（都视为质点）乘秋千（秋千绳处于水平位置）从A 点由静止出发绕O 点下摆，当摆到最低点B 时，女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出，然后自己刚好能回到高处A 。

求男演员落地点C 与O 点的水平距离s 。

已知男演员质量m 1和女演员质量m 2之比221=m m ，秋千的质量不计，秋千的摆长为R ，C 点比O 点低5R 。

图6解析：设分离前男女演员在秋千最低点B 的速度为0v ，由机械能守恒定律，22121)(21)(v m m gR m m +=+ 设刚分离时男演员速度的大小为1v ，方向与0v 相同；女演员速度的大小为2v ，方向与0v 相反，由动量守恒，2211021)(v m v m v m m -=+分离后，男演员做平抛运动，设男演员从被推出到落在C 点所需的时间为t ，根据题给条件，由运动学规律，t v s gt R 12214==， 根据题给条件，女演员刚好回A 点，由机械能守恒定律，222221v m gR m =，已知212m m =，由以上各式可得R s 8=。

【模型演练】在广场游玩时，一个小孩将一充有氢气的气球用细绳系于一个小石块上，并将小石块放置于水平地面上。

已知小石块的质量为1m ，气球（含球内氢气）的质量为2m ，气球体积为V ，空气密度为ρ（V 和ρ均视作不变量），风沿水平方向吹，风速为v 。

已知风对气球的作用力ku f =（式中k 为一已知系数，u 为气球相对空气的速度）。

开始时，小石块静止在地面上，如图7所示。

（1）若风速v 在逐渐增大，小孩担心气球会连同小石块一起被吹离地面，试判断是否会出现这一情况，并说明理由。

图7（2）若细绳突然断开，已知气球飞上天空后，在气球所经过的空间中的风速v 保持不变量，求气球能达到的最大速度的大小。

答案：（1）将气球和小石块作为一个整体；在竖直方向上，气球（包括小石块）受到重力G 、浮力F 和地面支持力F N 的作用，据平衡条件有：gV g m m F N ρ-+=)(21由于式中F N 是与风速v 无关的恒力，而0>N F ，故气球连同小石块不会一起被吹离地面。

（2）气球的运动可分解成水平方向和竖直方向的两个分运动，达到最大速度时气球在水平方向做匀速运动，有v v x =气球在竖直方向做匀速运动，有：gV kv g m y ρ=+2气球的最大速度：22yx m v v v += 联立求解得：222)(kgm gV v v m -+=ρ。