竖直上抛和竖直下抛运动1

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υ0t-1/2 gt2=υ0t-2υ0- gt2+2gt-2g 化简整理后可得: t= =6(s) 答:经6秒钟两石子在空中相遇
问题:对于不可忽略空气阻力和空气浮力的 “竖直上抛”运动的问题应如何处理?
总的来说,不能直接套用“竖直上抛”的运动公 式.应当根据牛顿第二定律F=ma先求出a,再代入一般的 匀变速直线运动公式求解.处理“竖直上抛”问题时应当 注意,空气阻力向下与重力同向、空气浮力向上与重力反 向.
能力· 思维· 方法
【例8】在竖直的井底,将一物块以11m/s 的速度竖直地向上抛出,物体冲出井口再 落到井口时被人接住,在被人接住前1s内 物体的位移是4m,位移方向向上,不计空 气阻力,g取10m/s2,求: (1)物体从抛出到被人接住所经历的时间;
(2)竖直井的深度.
能力· 思维· 方法
【解析】(1)设人接住物块前1s时刻速度为v,
分析:首先,要将跳水这一实际问题转化为理想化 的物理模型,将运动员看成一个质点,则运动员的 跳水过程就抽象为质点的竖直上抛运动.
(t1+t2=0.3+1.45=1.75s)
竖直下抛运动——可以把它看成是一种初速 不为零的匀加速直线运动。
特点:v=vo+gt S=vot+1/2gt2
相遇问题
例4:球A从高H处自由下落,与此同时,在球A下方 的地面上,B球以初速度v0竖直上抛,不计阻力,设 v0=40m/s,g=10m/s2.试问: (1)若要在B球上升时两球相遇,或要在B球下落时 两球相遇,则H的取值范围各是多少?
“准备活动”(解题所需的知识与技能) 这是一个二体对遇问题,首先需要分析两个石 子的运动状态,然后再找出两个石子间的相互联系, 才能顺利求解. 第一个石子竖直减速向上运动到最大高度,然后 以自由落体状态下落;第二个石子尚未达到最大高度, 在上升过程中就与返回的第一个石子相遇了.
两个石子在空间相遇时距地面的高度h是相等的; 它们运动的时间也是有关系的,如果设第一个石子运 动的时间为t,则第二个石子运动的时间就应是(t-2) 了.通过h和t就可把两个石子的关系式结合成联立方 程,也就可以解出答案了.
(2)相遇时vA=gt1=10×0.6m/s=6m/s vB=v -gt1=(20-10×0.6)m/s=14m/s ∵hA=1/2gt2A ∴tA= 2hA 2 12 =±1.55s g 10
OB
故tA=1.55s
t′A=-1.55s(舍去)
OB上抛,它在空中飞行的时间为tB=2v′OB
例题2.以υ0=20m/s的初速度从地面竖直向上抛出一个实 心小铁球,问:经过3秒钟小铁球距地面的高度是多少 米?(g取10m/s2,可以忽略空气阻力和浮力的影响.)
启发性问题:
1.题目中说“实心小铁球”的目的是什么?
2.你能说出这个小铁球在3秒钟的运动状态吗?
ห้องสมุดไป่ตู้
3.你会用几种方法解答这个问题?
4.竖直上抛运动的位移和路程的数值是否永远 相等?
竖直上抛运动的处理方法
①分段法:把竖直上抛运动分为匀减速上升运 动和自由落体运动两个过程研究 ②整体法:从整个过程看,利用匀减速运动规 律来处理.
③对称法:在竖直上抛运动中,速度、时间都 具有对称性,分析问题时,请注意利用对称性. 如上升、下落经过同一位置时的速度大小相等、 方向相反.从该位置到最高点的上升时间与从最 高点落回的时间相等.
则0<H<320m. 题目变形:若H是定值,而v0不确定,试问:
(1)若要在B球上升时两球相遇,或要在B球下 落时两球相遇,v0应满足什么条件?
(2)若要两球在空中相遇,v0应满足什么条件?
例题5.在同一地点以相同的初速度υ0=49m/s先后竖直 向上抛出两个石子,第二个石子比第一个石子晚抛出 2秒,问:第一个石子抛出后,经几秒钟两个石子在 空中相遇?(石子所受的空气阻力和空气浮力可忽略 不计)
解法二──“位移法”
将υ0、t、g的值直接代入“竖直上抛运动”的位移 矢量式中可以解出: S=υ0t- gt2 =20×3- ×10×32
=60-45=15(m)
解后思考:
在3秒钟内小铁球通过的路程是多少?
(提示:25米)
应用时,不论质点处于上升阶段还是处于下落阶段,运动 学的公式都适用,只需注意各物理量符号(意义)即可.例如, 物体从某一高度开始竖直上抛,取竖直向上为正,则初速度为 正值,而加速度g则应取负值.当物体在抛出点以上时,位移为 正值;当物体在抛出点以下时,位移则为负值.应用上述公式 处理竖直上抛运动较分步计算(上升阶段按匀减速直线运动计 算;下降阶段按自由落体运动计算)简单.
(2)若要两球在空中相遇,则H的取值范围又是多 少? 解答:(1)算出B球上升到最高点的时间 t1=v0/g=40/10=4(s) 则B球在最高点处两球相遇
B球在落地前瞬间两球相遇时:
所以:要在B球上升时两球相遇,则0<H<160m
要在B球下落时两球相遇,则160m<H<320m.
(2)由上可知,若要两球在空中相遇,
vt v0 gt
2 t 2 0
1 2 s v0t gt 2
v v 2gh
由上述公式可知: 1)最高点的瞬时速度υ t=0,加速度仍为g,从抛出到 最大高度的时间和上升高度为 t=υ 0/g hm=υ 02/2g 2)从抛出点到落回抛出点的时间和落回抛出点的瞬时
速度为 t′=2υ 0/g υ t=-υ 0
例题7、 在一架电梯内,用绳子将一只小球悬挂在 顶板上,小球离底板高为h=2.5m,使电梯从静止开 始,以加速度a=10m/s2竖直向上运动,在电梯运动 过程中,悬挂小球的绳突然断掉.求(g=10m/s2)
1)小球落到底板所需要的时间是多少? 2)若是在电梯运动1s后断开的,那么在小球落向底 板的时间内,从地面上的人看来,小球是怎样运动 的?位移是多少?
图像法
例题1.将物体竖直向上抛出后,能正确表示其速率υ随时间t变化 关系的图线是如图2中所示的A、B、C、D中的哪种?
思维基础:“竖直上抛运动”是一种匀减速直线运动,在上升过程中速率υ逐 渐减小,当减到υ=0时,物体也就达到了最大高度.接下来,物体就开始作 自由落体运动,速率υ逐渐增大.(注:物体上升时,速度 的方向是向上的; 物体下落时,速度 是向下的.但是本题写明是“速率”υ,所以看图线时, 只需看υ大小的变化,而不必考虑方向的变化.) 解题思路:根据前面的分析,物体先上升后下落,速率的变化应是υ0 →υ→ υ0,只有图线(D)反映出了这种现象,而其它三种图线都是不对 的.(注:在图线D中,图线与纵轴υ的交点,就表示物体上抛的初速度υ0的 大小.)
分析与说明: 1.我们先运用前面导出的“上升时间”公式t= ( υt υ0 )/g,算出小铁球经2秒钟已达到最大高度,随后就以 自由落体的状态下落了.所以在3秒钟内,小铁球的运 动状态是──前2秒作竖直上抛运动,第3秒作自由落体 运动.
2.本题可以用“分段法”和“位移法”两种方法求 解,具体的解法详见后面解题过程中的“解法一”和 “解法二”.
方法2:从统一的匀减速运动考虑.
从绳子断裂开始计时,经时间t最后物体落至抛出点 下方,规定初速方向为正方向,则物体在时间t内的 位移h=-175m.由位移公式
合理解,得t=7s.
所以重物的落地速度为vt=v0-gt=10m/s-10×7m /s=-60m/s.
其负号表示方向向下,与初速方向相反.
说明 从统一的匀减速运动考虑,比分段计算方便
4.从12m高的平台边缘有一小球A自由落下, 此时恰有一小球B在A球正下方从地面上以 20m/s的初速度竖直上抛,求:
(1)经过多长时间两球在空中相遇; (2)相遇时两球的速度vA、vB;
(3)若要使两球能在空中相遇,B球上抛的 初速度v′OB最小必须为多少?(取g=10m/s2)
延伸· 拓展
【解析】A、B相遇可能有两个时刻,即B球在上升过 程中与A相遇,或B上升到最高点后在下落过程中A从 后面追上B而相遇.若要使A、B两球能在空中相遇,则 B球在空中飞行的时间至少应比A球下落12m的时间长. (1)B球上升到最高点的高度为 H=v2OB/2g=202/(2×10)m=20m, 此高度大于平台的高度hA=12m,故A、B两球一定是在 B球上升的过程中相遇,相遇时 vOBt1-1/2gt12=hA-1/2gt2 t1=hA/vOB=12/20s=0.6s
得多,只是在应用时,需注意位移、速度等物理量 的方向.这个物体从绳子断裂到落地过程中的v-t图 如图所示.
例题6、(1999年高考题)一跳水运动员从离水面10m 高的平台上向上跃起,举双臂直体离开台面,此时其 重心位于从手到脚全长的中点,跃起后重心升高0.45m 达到最高点,落水时身体竖直,手先入水(在此过程 中运动员水平方向的运动忽略不计),从离开跳台到 手触水面,他可用于完成空中动作的时间是 ______s.(计算时,可以把运动员看作全部质量集中 在重心的一个质点.g取10m/s2,结果保留二位数字.)
(3)若B球以v′
/g
要使A、B球相遇,必须有tB>tA,即
2v′OB/g>1.55s
∴v′
OB
>7.75m/s
自由落体运动
1.概念:物体只在重力作用下,从静止开始下落的 运动. 2.自由落体运动的规律 (1)一般规律:
速度公式vt=gt
位移公式h=gt2/2
vt2=2gh
解题过程:
解法一──“分段法”
设:小铁球上升时间为t上,自由落下的时间为t下; 上升的最大高度为h上,自由下落的距离为S下;经3秒钟 小铁球距地面的高度为h. 则:据前面导出的各“竖直上抛运动”的公式可以 写出以下关系式 t上= t = =2(s)

h上 =
=
=20(m)
t下=3s-2s=1s
S下= gt下2= ×10×12=5(m) ∴h=h上-S下=20m-5m=15m
则有h′=vt′-(1/2)gt′2即4=v×1-(1/2)×10×12
解得v=9m/s
则物块从抛出到接住所用总时间为
t=(v-v0)/(-g)+t′=(9-11)/(-10)+1=1.2s (2)竖直井的深度即抛出到接住物块的位移. h=v0t-(1/2)gt2=11×1.2-1/2×10×1.22=6m
解:设第一个石子运动的时间为t,则第二个石子运 动的时间为(t-2);两个石子在空中相遇时的高度为 h. 根据匀速直线运动的位移公式可写出下列二式: h=υ0t-1/2 gt2 ① h=υ0(t-2)-1/2 g(t-2)2 ②
①、②两式的右端相等.
υ0t-1/2 gt2=υ0(t-2)-1/2 g(t-2)2
解 方法1 分成上升阶段和下落阶段两过程考 绳子断裂后重物可继续上升的时间和上升的高度 虑. 分别为
知 识 点 应 用
故重物离地面的最大高度为 H=h+h1=175m+5m=180m.
重物从最高处自由下落,落地时间和落地速度分 别为
所以从绳子突然断裂到重物落地共需时间 t=t1+t2=1s+6s=7s
复习:自由落体运动
1.概念:物体只在重力作用下,从静止开始下落的 运动. 2.自由落体运动的规律 (1)一般规律:
速度公式vt=gt
位移公式h=gt2/2
vt2=2gh
(2)特殊规律:初速度为0的匀加速运动所有特殊 规律对自由落体运动均适用.
竖直上抛运动——匀减速直线运动.
规律:遵守匀变速直线运动的规律.
例题3: 气球下挂一重物,以v0=10m/s匀速上升, 当到达离地高h=175m处时,悬挂重物的绳子突然断 裂,那么重物经多少时间落到地面?落地的速度多 大?空气阻力不计,取g=10m/s2.
分析
这里的研究对象是重物,原来它随气球以 速度v0匀速上升.绳子突然断裂后,重物不会立 即下降,将保持原来的速度做竖直上抛运动,直 至最高点后再自由下落.
练习:1 在离地面30米高处,将一小球竖直上抛,当 它达到最大高度的3/4时速度是10米/秒,则小 球抛出后5秒末的速度大小为多少?在前5秒内 的饿位移大小是多少? 2 一火箭从地面竖直向上发射,加速度为8米/秒 2,10秒末从火箭上掉下一物体,求:1)物体着地 时的速度为多少? 2) 假设火箭掉下物体后加速度不变,则物体着 地时火箭上升多少?
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