(16分)在游乐节目中,选手需要于借助悬挂在高处的绳飞越到…——2010 高考物理第 14 题答案解析

2010_江苏 Paper

2010 Jiangsu Question 14 Free-response Differentiating
2010_江苏 Paper

14.(16分)在游乐节目中,选手需要于借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小舒和小程观看后对此进行了讨论.如图所示,他们将选手简化为质量 m=60kg 的质点,选手抓住绳由静止开始摆动,此时绳与竖直方向夹角 $\alpha = 5 3 ^ { \circ }$ ,绳的悬挂点 O 距水面的高度为 $\mathrm { H } { = } 3 \mathrm { m }$ .(不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深.取重力加速度 $\mathrm { g } { = } 1 0 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 } , \sin 5 3 ^ { \circ } = 0 . 8 , \cos 5 3 ^ { \circ } = 0 . 6 )$

(1)求选手摆到最低点时对绳拉力的大小 $\mathrm { F } ;$

(2)若绳长 $1 { = } 2 \mathrm { m }$ ,选手摆到最高点时松手落入水中.设水对选手的平均浮力 $\mathrm { f } _ { 1 } =$ 800N,平均阻力 $\mathrm { f } _ { 2 } { = } 7 0 0 \mathrm { N }$ ,求选手落入水中的深度d;

(3)若选手摆到最低点时松手,小舒认为绳越长,在浮台上的落点距岸边越远;小程认为绳越短,落点距岸边越远,请通过推算说明你的观点

Answer key

See explanation

查看原卷 →

完整解析 · 逐步详解

(1)选手从静止摆动到最低点的过程中,只有重力做功,机械能守恒。设绳长为 $l$,摆到最低点时的速度为 $v$,根据机械能守恒定律有:
$$mg l(1 - \cos\alpha) = \frac{1}{2}mv^2$$
在最低点,选手做圆周运动,受重力 $mg$ 和绳子拉力 $F'$ 作用,合力提供向心力,由牛顿第二定律得:
$$F' - mg = m\frac{v^2}{l}$$
联立上述两式解得:
$$F' = (3 - 2\cos\alpha)mg$$
代入数据 $\alpha = 53^\circ, \cos53^\circ = 0.6, m = 60\text{kg}, g = 10\text{m/s}^2$,得:
$$F' = (3 - 2 \times 0.6) \times 60 \times 10 = 1080\text{N}$$
根据牛顿第三定律,选手对绳的拉力大小 $F = F' = 1080\text{N}$。

(2)选手从开始下落到落入水中速度减为零的全过程,应用动能定理。
在此过程中,重力做正功,浮力 $f_1$ 和阻力 $f_2$ 做负功。
重力做功的位移为从初始位置到水下深度 $d$ 处的竖直高度差。初始位置距悬挂点竖直距离为 $l\cos\alpha$,悬挂点距水面 $H$,故初始位置距水面高度为 $H - l\cos\alpha$。总下落高度为 $H - l\cos\alpha + d$。
浮力和阻力仅在水中作用,位移为 $d$。
由动能定理得:
$$mg(H - l\cos\alpha + d) - (f_1 + f_2)d = 0$$
整理得:
$$mg(H - l\cos\alpha) + mgd - (f_1 + f_2)d = 0$$
$$d(f_1 + f_2 - mg) = mg(H - l\cos\alpha)$$
$$d = \frac{mg(H - l\cos\alpha)}{f_1 + f_2 - mg}$$
代入数据 $l=2\text{m}, H=3\text{m}, f_1=800\text{N}, f_2=700\text{N}$:
$$d = \frac{60 \times 10 \times (3 - 2 \times 0.6)}{800 + 700 - 60 \times 10} = \frac{600 \times 1.8}{1500 - 600} = \frac{1080}{900} = 1.2\text{m}$$

(3)选手在最低点松手后做平抛运动。
设水平位移为 $x$,运动时间为 $t$。
竖直方向做自由落体运动,下落高度为 $h = H - l$,则:
$$H - l = \frac{1}{2}gt^2 \implies t = \sqrt{\frac{2(H - l)}{g}}$$
水平方向做匀速直线运动,速度为第一问中求得的 $v = \sqrt{2gl(1 - \cos\alpha)}$,则:
$$x = vt = \sqrt{2gl(1 - \cos\alpha)} \cdot \sqrt{\frac{2(H - l)}{g}}$$
化简得:
$$x = 2\sqrt{l(H - l)(1 - \cos\alpha)}$$
要使 $x$ 最大,需使 $l(H - l)$ 最大。根据数学不等式知识,当 $l = H - l$,即 $l = \frac{H}{2}$ 时,$l(H - l)$ 取最大值。
已知 $H = 3\text{m}$,故当 $l = 1.5\text{m}$ 时,水平位移 $x$ 最大,落点距岸边最远。
因此,小舒和小程的观点均不正确。

✅ 来源:2010年 · 江苏 · 2010_江苏卷 · 第 14 题 · 本题已通过全部自动发布校验
题目指纹

这道题真正考什么?

关键能力
力学
difficulty
Differentiating

同类专题与考点

返回上层