Question

13．某校舉行托乒乓球跑步比賽，賽道為水平直道，比賽距離為S，比賽時(shí)，某同學(xué)將球置于球拍中心，以大小為a的加速度從靜止開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到v₀時(shí)，再以v₀做勻速直線運(yùn)動(dòng)跑至終點(diǎn)．整個(gè)過(guò)程中球一直保持在球拍中心不動(dòng)．比賽中，該同學(xué)在勻速直線運(yùn)動(dòng)階段保持球拍的傾角為θ₀，如圖所示．設(shè)球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的空氣阻力與其速度大小成正比，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，不計(jì)球與球拍之間的摩擦，球的質(zhì)量為m，重力加速度為g．則：
（1）空氣阻力大小與球速大小的比例系數(shù)k為$\frac{mgtan{θ}_{0}}{{v}_{0}}$．
（2）整個(gè)勻速跑階段，若該同學(xué)速率仍為v₀，而球拍的傾角比θ₀大了β并保持不變，不計(jì)球在球拍上的移動(dòng)引起的空氣阻力的變化，為保證到達(dá)終點(diǎn)前球不從球拍上距離中心為r的下邊沿掉落，求β應(yīng)滿足的條件sinβ≤$\frac{2rcos{θ}_{0}}{g{（\frac{s}{{v}_{0}}-\frac{{v}_{0}}{2a}）}^{2}}$．

Answer 1

分析 （1）在勻速運(yùn)動(dòng)階段，受力平衡，根據(jù)平衡條件列式即可求解；
（2）根據(jù)牛頓第二定律求出球沿球拍面下滑的加速度，當(dāng)球運(yùn)動(dòng)的位移小于等于r時(shí)，球不從球拍上掉落，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本公式列式即可求解．

解答 解：（1）在勻速運(yùn)動(dòng)階段，有mgtanθ₀=kv₀
得k=$\frac{mgtan{θ}_{0}}{{v}_{0}}$；
（3）以速度v₀勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)空氣阻力與重力的合力為F，
有F=$\frac{mg}{cos{θ}_{0}}$，
球拍傾角為θ₀+β時(shí)，空氣阻力與重力的合力不變，設(shè)球沿球拍面下滑的加速度大小為a′，
有：Fsinβ=ma′
設(shè)勻速跑階段所用時(shí)間為t，有t=$\frac{s}{{v}_{0}}$-$\frac{{v}_{0}}{2a}$，
球不從球拍上掉落的條件$\frac{1}{2}$a′t²≤r
得sinβ≤$\frac{2rcos{θ}_{0}}{g{（\frac{s}{{v}_{0}}-\frac{{v}_{0}}{2a}）}^{2}}$．
故答案為：$\frac{mgtan{θ}_{0}}{{v}_{0}}$；sinβ≤$\frac{2rcos{θ}_{0}}{g{（\frac{s}{{v}_{0}}-\frac{{v}_{0}}{2a}）}^{2}}$．

點(diǎn)評(píng) 對(duì)于牛頓第二定律的綜合應(yīng)用問(wèn)題，關(guān)鍵是弄清楚物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和受力情況，利用牛頓第二定律或運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算公式求解加速度，再根據(jù)題目要求進(jìn)行解答；知道加速度是聯(lián)系靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的橋梁．