题目内容

13.某校举行托乒乓球跑步比赛,赛道为水平直道,比赛距离为S,比赛时,某同学将球置于球拍中心,以大小为a的加速度从静止开始做匀加速运动,当速度达到v0时,再以v0做匀速直线运动跑至终点.整个过程中球一直保持在球拍中心不动.比赛中,该同学在匀速直线运动阶段保持球拍的倾角为θ0,如图所示.设球在运动过程中受到的空气阻力与其速度大小成正比,方向与运动方向相反,不计球与球拍之间的摩擦,球的质量为m,重力加速度为g.则:
(1)空气阻力大小与球速大小的比例系数k为$\frac{mgtan{θ}_{0}}{{v}_{0}}$.
(2)整个匀速跑阶段,若该同学速率仍为v0,而球拍的倾角比θ0大了β并保持不变,不计球在球拍上的移动引起的空气阻力的变化,为保证到达终点前球不从球拍上距离中心为r的下边沿掉落,求β应满足的条件sinβ≤$\frac{2rcos{θ}_{0}}{g{(\frac{s}{{v}_{0}}-\frac{{v}_{0}}{2a})}^{2}}$.

分析 (1)在匀速运动阶段,受力平衡,根据平衡条件列式即可求解;
(2)根据牛顿第二定律求出球沿球拍面下滑的加速度,当球运动的位移小于等于r时,球不从球拍上掉落,根据运动学基本公式列式即可求解.

解答 解:(1)在匀速运动阶段,有mgtanθ0=kv0
得k=$\frac{mgtan{θ}_{0}}{{v}_{0}}$;
(3)以速度v0匀速运动时,设空气阻力与重力的合力为F,
有F=$\frac{mg}{cos{θ}_{0}}$,
球拍倾角为θ0+β时,空气阻力与重力的合力不变,设球沿球拍面下滑的加速度大小为a′,
有:Fsinβ=ma′
设匀速跑阶段所用时间为t,有t=$\frac{s}{{v}_{0}}$-$\frac{{v}_{0}}{2a}$,
球不从球拍上掉落的条件$\frac{1}{2}$a′t2≤r
得sinβ≤$\frac{2rcos{θ}_{0}}{g{(\frac{s}{{v}_{0}}-\frac{{v}_{0}}{2a})}^{2}}$.
故答案为:$\frac{mgtan{θ}_{0}}{{v}_{0}}$;sinβ≤$\frac{2rcos{θ}_{0}}{g{(\frac{s}{{v}_{0}}-\frac{{v}_{0}}{2a})}^{2}}$.

点评 对于牛顿第二定律的综合应用问题,关键是弄清楚物体的运动过程和受力情况,利用牛顿第二定律或运动学的计算公式求解加速度,再根据题目要求进行解答;知道加速度是联系静力学和运动学的桥梁.

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