高中 | 动能定理的理解与一般应用 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理的理解与一般应用

投沙包游戏规则为:参赛者站在离得分区域边界$AB$一定的距离外将沙包抛出,每个得分区域的宽度$d=0.15\ \rm m$,根据沙包停止点判定得分。如图,某同学以大小$v_{0}=5\ \rm m/s$、方向垂直于$AB$且与水平地面夹角$53^\circ$的初速度斜向上抛出沙包,出手点距$AB$的水平距离$L=2.7\ \rm m$,距地面的高度$h=1\ \rm m$。落地碰撞瞬间竖直方向速度减为零,水平方向速度减小。落地后沙包滑行一段距离,最终停在$9$分、$7$分得分区的分界线上。已知沙包与地面的动摩擦因数$\mu =0.25$$\sin53^\circ=0.8$$\cos53^\circ=0.6$,取重力加速度大小$g=10\ \rm m/s^{2}$,空气阻力不计。求:

  

沙包从出手点到落地点的水平距离$x$

[["

$3\\ \\rm m$

"]]

沙包竖直上方的初速度为$v_{y}=v_{0}\sin 53^\circ =4\;\rm m/s$

沙包在竖直方向上减速到$0$,然后做自由落体运动,设竖直向上为正,则有$- h=v_{y}t-\dfrac{1}{2}gt^{2}$

代入数据解得$t=1\;\rm s$

沙包抛出的水平初速度为$v_{x}=v_{0}\cos 53^\circ =3\;\rm m/s$

所以从抛出到落地沙包的水平位移为$x=v_{x}t=3\;\rm m$

沙包与地面碰撞前、后动能的比值$k$

[["

$20$

"]]

沙包滑行的距离为$x_{0}=L+5d-x=0.45\;\rm m$

沙包滑行过程中,水平方向上有$f=\mu mg=ma$

的加速度大小$a=\mu g=2.5\;\rm m/s^{2}$

滑行的初速度有$v_{1}^{2}=2ax_{0}$

与地面碰撞后的动能$E_{\text{k2}}=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}=\dfrac{9}{8}m$

从抛出到落地根据动能定理有$mgh=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

解得落地瞬间的动能$E_{\text{k1}}=\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{45}{2}m$

所以$k=\dfrac{E_{\text{k1}}}{E_{\text{k2}}}=20$

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