(15 分)航模兴趣小组设计出一架遥控飞行器,其质量 m…——2009 高考物理第 13 题答案解析

2009_江苏 Paper

2009 Jiangsu Question 13 Free-response Differentiating
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13.(15 分)航模兴趣小组设计出一架遥控飞行器,其质量 $\mathrm { m } { = } 2 \mathrm { k g }$ ,动力系统提供的恒定升力 $\mathrm { F } { = } 2 8 \mathrm { N }$ .试飞时,飞行器从地面由静止开始竖直上升.设飞行器飞行时所受的阻力大小不变,g 取 $1 0 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$

(1)第一次试飞,飞行器飞行 $\mathrm { t } _ { 1 } = 8 \mathrm { s }$ 时到达高度 $_ { \mathrm { H } } { = } 6 4 \mathrm { m }$ .求飞行器所阻力f的大小;

(2)第二次试飞,飞行器飞行 $\mathrm { t } _ { 2 } = 6 \mathrm { s }$ 时遥控器出现故障,飞行器立即失去升力.求飞行器能达到的最大高度h;

(3)为了使飞行器不致坠落到地面,求飞行器从开始下落到恢复升力的最长时间 $\mathbf { t } _ { 3 }$

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(1)设第一次试飞时飞行器的加速度为 $a_1$。
由运动学公式 $H = \frac{1}{2}a_1 t_1^2$,代入数据 $64 = \frac{1}{2} a_1 \times 8^2$,解得:
$$ a_1 = 2 \, \mathrm{m/s^2} $$
对飞行器进行受力分析,受到竖直向上的升力 $F$、竖直向下的重力 $mg$ 和阻力 $f$。根据牛顿第二定律有:
$$ F - mg - f = ma_1 $$
代入数据 $28 - 2 \times 10 - f = 2 \times 2$,解得:
$$ f = 4 \, \mathrm{N} $$

(2)第二次试飞中,前 $t_2=6\,\mathrm{s}$ 内飞行器做匀加速直线运动。
失去升力时的速度 $v_1$ 为:
$$ v_1 = a_1 t_2 = 2 \times 6 = 12 \, \mathrm{m/s} $$
此阶段上升的高度 $s_1$ 为:
$$ s_1 = \frac{1}{2} a_1 t_2^2 = \frac{1}{2} \times 2 \times 6^2 = 36 \, \mathrm{m} $$
失去升力后,飞行器仅受重力和阻力作用,做匀减速直线运动直至速度为零。设加速度大小为 $a_2$,根据牛顿第二定律:
$$ mg + f = ma_2 $$
代入数据 $20 + 4 = 2 a_2$,解得:
$$ a_2 = 12 \, \mathrm{m/s^2} $$
此阶段继续上升的高度 $s_2$ 为:
$$ s_2 = \frac{v_1^2}{2a_2} = \frac{12^2}{2 \times 12} = 6 \, \mathrm{m} $$
飞行器能达到的最大高度 $h$ 为:
$$ h = s_1 + s_2 = 36 + 6 = 42 \, \mathrm{m} $$

(3)飞行器从最高点开始下落,先做匀加速直线运动,恢复升力后做匀减速直线运动。为使飞行器不致坠落到地面,临界情况是到达地面时速度恰好减为零。
设下落阶段(未恢复升力)的加速度大小为 $a_3$,恢复升力后的加速度大小为 $a_4$,恢复升力瞬间的速度为 $v_3$,下落时间为 $t_3$。

在下落阶段,由牛顿第二定律:
$$ mg - f = ma_3 $$
代入数据 $20 - 4 = 2 a_3$,解得:
$$ a_3 = 8 \, \mathrm{m/s^2} $$

在恢复升力后的减速阶段,升力向上,阻力向上(因速度向下),重力向下。由牛顿第二定律:
$$ F + f - mg = ma_4 $$
代入数据 $28 + 4 - 20 = 2 a_4$,解得:
$$ a_4 = 6 \, \mathrm{m/s^2} $$

整个下落过程的总位移等于最大高度 $h=42\,\mathrm{m}$。根据运动学公式,加速下落位移与减速下落位移之和为 $h$:
$$ \frac{v_3^2}{2a_3} + \frac{v_3^2}{2a_4} = h $$
代入数据:
$$ \frac{v_3^2}{16} + \frac{v_3^2}{12} = 42 $$
通分计算:
$$ \frac{3v_3^2 + 4v_3^2}{48} = 42 \implies \frac{7v_3^2}{48} = 42 \implies v_3^2 = \frac{42 \times 48}{7} = 6 \times 48 = 288 $$
解得恢复升力时的速度:
$$ v_3 = \sqrt{288} = 12\sqrt{2} \, \mathrm{m/s} $$

由 $v_3 = a_3 t_3$,可得最长时间 $t_3$:
$$ t_3 = \frac{v_3}{a_3} = \frac{12\sqrt{2}}{8} = \frac{3\sqrt{2}}{2} \, \mathrm{s} $$

✅ 来源:2009年 · 江苏 · 2009_江苏卷 · 第 13 题 · 本题已通过全部自动发布校验
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