题目内容

16.山地滑雪是人们喜爱的一项体育运动.一滑雪道ABC的底部是一个半径为R的圆,圆与雪道相切于C点,C的切线沿水平方向,到水平雪地之间是高为H的峭壁,D是圆的最高点,如图所示.运动员从A点由静止下滑,刚好经过圆轨道最高点D旋转一周,再滑到C点后被水平抛出,当抛出时间为t时,迎面遭遇一股强风,最终运动员落到了雪地上,落地时速度大小为υ.已知运动员连同滑雪装备总质量为m,重力加速度为g,不计遭遇强风前的空气阻力和雪道及道的摩擦阻力,求:
(1)运动员刚好能过D点,AC的高度差h;
(2)运动员刚遭遇强风时的速度大小及距地面的高度;
(3)强风对运动员所做的功.

分析 (1)由牛顿第二定律求的最高点的速度,由动能定理求的高度
(2)运动员做平抛运动,故在竖直方向自由落体运动,再结合动能定理即可求得
(3)由动能定理即可求得做功

解答 解:(1)运动员刚好做圆周运动的速度满足$mg=\frac{{mv}_{D}^{2}}{R}$
由动能定理得mg(h-2R)=$\frac{1}{2}{mv}_{D}^{2}$
联立解得h=$\frac{5}{2}R$
(2)运动员做平抛运动,在竖直方向的速度v′=gt
从A到C由动能定理得$mg•\frac{5}{2}R=\frac{1}{2}{mv}_{0}^{2}$
v=$\sqrt{{v}_{0}^{2}+v{′}^{2}}$
下落高度为${h}_{1}=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
距地面高速为${h}_{2}=H-{h}_{1}=H-\frac{1}{2}g{t}^{2}$
(3)由动能定理得${W}_{f}+mg(H+\frac{5}{2}R)=\frac{1}{2}m{v}^{2}$
${W}_{f}=\frac{1}{2}m{v}^{2}-mg(H+\frac{5}{2}R)$
答:(1)运动员刚好能过D点,AC的高度差h$\frac{5}{2}R$;
(2)运动员刚遭遇强风时的速度大小为$\sqrt{{v}_{0}^{2}+v{′}^{2}}$及距地面的高度$H-\frac{1}{2}g{t}^{2}$;
(3)强风对运动员所做的功$\frac{1}{2}m{v}^{2}-mg(H+\frac{5}{2}R)$.

点评 本题综合考查了定能定理、牛顿第二定律,同时本题又是一个多过程问题,关键理清物体的运动,选择合适的规律进行求解

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