例题1:一个物体从高为H的斜面顶端由静止开始滑下,滑到底端时的速度为v,则物体在滑到斜面底端时的动能和势能各是多少?
解析:物体从斜面滑下时,重力做功,重力势能转化为动能,所以物体的重力势能减少量等于动能增加量。
解:设物体质量为m,下滑过程中重力做功为W=mgH,重力势能减少量为ΔE=mgH,动能增加量为ΔEk=ΔE=mgH。
例题2:一个物体从高为H的平台上以初速度v0竖直向上抛出,空气阻力不计,已知物体落回原抛出点的速度大小为v,则下列说法正确的是( )
A. 上升过程中重力的平均功率大于下降过程中重力的平均功率
B. 上升过程中重力的冲量大小大于下降过程中重力的冲量大小
C. 上升过程和下降过程中物体动量的变化量大小相等
D. 上升过程和下降过程中物体机械能的变化量相等
解析:物体在上升和下降两个过程中,只有重力做功,机械能守恒,所以上升过程和下降过程物体的机械能变化量相等。根据动能定理可知,上升过程和下降过程中物体的动量变化量大小相等。根据运动学公式可知,上升过程和下降过程中物体的运动时间不等,所以上升过程中重力的平均功率小于下降过程中重力的平均功率。根据动量定理可知,上升过程中重力的冲量大小等于下降过程中重力的冲量大小。
解:$A$、上升过程和下降过程物体的机械能守恒,所以上升过程和下降过程物体的机械能变化量相等。根据动能定理可知,上升过程和下降过程中物体的动量变化量大小相等。根据运动学公式可知,上升过程时间大于下降过程时间,而重力做功相等,所以上升过程中重力的平均功率小于下降过程中重力的平均功率。故A错误,C正确。
$B$、根据动量定理得:$mgt = bigtriangleup P$,可知上升过程和下降过程中物体动量的变化量大小相等,故B错误;
$D$、根据动能定理可知,上升过程和下降过程中重力做功相等,所以上升过程和下降过程中物体的机械能变化量相等。故D正确。
故选:CD。
例题:
一物体在竖直面内做半径为0.5m的圆周运动,在最高点和最低点速度为2m/s,求向心力的最大值。
解题过程:
在最高点时,向心力最大,设向心力的最大值为$F_{max}$。根据向心力公式,有:
$F_{max} = mg + mfrac{v^{2}}{r}$
其中,$v = 2m/s$,$r = 0.5m$。代入数据可得:
$F_{max} = 12N$
所以,在最高点时,向心力的最大值为12N。
总结:
在竖直面内运动的物体,最高点和最低点是向心力最大的位置,需要注意速度和半径的关系。
高一物理中的竖直面运动是一个重要的主题,涉及到许多常见的运动形式和问题。以下是一些常见问题和解答:
1. 竖直面圆周运动的基本概念:在竖直面内运动的物体,如果受到的合外力方向始终指向圆心,使物体绕着圆心做曲线运动,这种运动形式叫做圆周运动。常见的竖直面圆周运动有:小球沿粗糙的斜面圆周运动、小物块在固定斜面上做圆周运动等。
问题:在竖直面内做圆周运动的物体,在什么情况下做匀速圆周运动?什么情况下做变速圆周运动?
解答:物体在竖直面内做匀速圆周运动时,合外力沿半径方向的分力等于重力沿半径方向的分力,即向心力为零,所以速度大小不变,但方向时刻变化,所以做变速圆周运动。
2. 竖直面内运动的常见问题:
(1)小球在斜面上做圆周运动时,为什么最高点速度不能为零?
解答:小球在斜面上做圆周运动时,受到重力、斜面的支持力和摩擦力三个力的作用。如果最高点速度为零,则重力沿斜面向下的分力为零,此时斜面支持力为零,根据牛顿第三定律,小球对斜面的压力也为零,摩擦力为零。由于小球和斜面之间没有相互作用力,小球无法继续沿着斜面做圆周运动。因此,小球在最高点必须有一定的速度才能继续沿着斜面做圆周运动。
(2)小球沿粗糙的斜面圆周运动时,为什么加速度的大小可能发生变化?
解答:小球沿粗糙的斜面圆周运动时,受到重力、支持力和摩擦力的作用。由于斜面的摩擦力作用,小球的运动方向不断变化,导致合外力的方向也时刻变化。根据牛顿第二定律,加速度的方向也时刻变化。当斜面的倾角较小时,摩擦力较大,加速度较大;当斜面的倾角较大时,摩擦力较小,加速度较小。因此,加速度的大小可能发生变化。
以上是一些常见的问题和解答,希望对你有所帮助。当然,解决竖直面运动的关键是要理解物体在竖直面内的受力情况和运动规律,并能够灵活运用所学知识解决实际问题。