题目内容

13.2015年12月,国际雪联自由式滑雪空中技巧世界杯赛在我国国家体育场举行.如图所示,比赛场地由出发区AB、助滑坡BC、第一过渡区CD、跳台DE、第二过渡区EF、着陆坡FG和终点区GH组成,第一过渡区的最低点和终点区在同一水平地面上,出发区距地面的高度hB=8.4m,跳台最高点E和着陆坡最高点F离地面的高度均为hF=4.0m,着陆坡坡度为θ=37°.运动员从助滑坡顶端B由静止滑下,离开跳台在空中完成预定动作后到达F点正上方,此时速度v=4.0m/s,方向水平.若第一过渡区是半径R=42m的圆弧滑道,运动员连同滑雪板的总质量m=100kg,取重力加速度g=10m/s2,不计滑道和空气的阻力.求:
(1)运动员到达第一过渡区CD的最低点时受到的支持力FN;
(2)运动员到达F点正上方时离地面的高度h;
(3)运动员落到着陆坡时的速度大小v1.

分析 (1)运动员从B到过渡区CD最低点的过程,由机械能守恒定律求出到最低点的速度,在最低点,由牛顿第二定律求支持力.
(2)对从B到F点正上方的过程,运用机械能守恒定律列方程,求解h.
(3)从F点正上方到着陆坡运动员做平抛运动,由水平分位移和竖直分位移的关系列式,求出时间,再得到运动员落到着陆坡时的速度.

解答 解:(1)运动员从B到过渡区CD最低点的过程,由机械能守恒定律得:
mghB=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
在过渡区CD的最低点,由牛顿第二定律得:
FN-mg=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{R}$
联立解得:FN=mg(1+$\frac{2{h}_{B}}{R}$)=1400N
(2)从B到F点正上方的过程,运用机械能守恒定律得:
mg(hB-h)=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
解得:h=hB-$\frac{{v}^{2}}{2g}$=7.6m
(3)从F点正上方到着陆坡运动员做平抛运动,则有:
x=vt
y=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$
又有 xtan37°+(h-hF)=y
即有:vttan37°+(h-hF)=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$
代入得:4×t×$\frac{3}{4}$+(7.6-4)=5t2,
解得:t=1.2s(另一负值舍去)
则运动员落到着陆坡时的速度大小为:v1=$\sqrt{{v}^{2}+(gt)^{2}}$=4$\sqrt{10}$m/s
答:(1)运动员到达第一过渡区CD的最低点时受到的支持力FN是1400N
(2)运动员到达F点正上方时离地面的高度h是7.6m;
(3)运动员落到着陆坡时的速度大小v1是4$\sqrt{10}$m/s.

点评 机械能守恒定律常常要综合平抛或牛顿第二定律进行考查,在做题时要注意明确运动的过程,正确选择物理规律求解.对于运动员落在斜坡上的过程,关键要明确两个分位移之间的关系.

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