高考物理一轮复习讲义练习第四章　第1讲　曲线运动　运动的合成与分解

这是一份高考物理一轮复习讲义练习第四章　第1讲　曲线运动　运动的合成与分解，共16页。试卷主要包含了曲线运动，运动的合成与分解等内容，欢迎下载使用。

1．曲线运动
(1)速度方向：质点在某一点的速度方向，沿曲线上该点的切线方向。
(2)运动性质：做曲线运动的物体，速度的方向时刻改变，故曲线运动一定是变速运动，即必然具有加速度。
(3)曲线运动的条件
①运动学角度：物体的加速度方向跟速度方向不在同一条直线上。
②动力学角度：物体所受合力的方向跟速度方向不在同一条直线上。
③当物体的初速度v0和所受合力F分别满足下列给定的条件时，写出物体的运动情况。
a．v0＝0，F＝0：静止；
b．v0≠0，F＝0：匀速直线运动；
c．v0≠0，F≠0且恒定，两者方向相同：匀加速直线运动；
d．v0≠0，F≠0且恒定，两者方向相反：匀减速直线运动；
e．v0≠0，F≠0且恒定，两者方向不在一条直线上：匀变速曲线运动；
f．v0≠0，F≠0不恒定，且大小、方向都随着时间变化：变速曲线运动。
(4)合力方向与轨迹的关系
物体做曲线运动的轨迹一定夹在合力方向与速度方向之间，速度方向与轨迹相切，合力方向指向轨迹的凹(选填“凹”或“凸”)侧。
教材链接·想一想 根据人教版教材必修第二册P4“做一做”——用飞镖显示曲线运动的速度方向，试说明：曲线运动的速度方向与轨迹曲线有何关系？
提示：曲线运动的速度方向与轨迹曲线相切。
2．运动的合成与分解
(1)分运动和合运动的关系
①等时性、独立性、等效性、同一性
各分运动与合运动总是同时开始，同时结束，经历的时间一定相等；各分运动各自独立，不受其他分运动的影响；各分运动的叠加与合运动具有相同的效果；各分运动与合运动是指同一物体参与的分运动和实际发生的运动，不是几个不同物体发生的不同运动。
②合运动的性质是由分运动的性质决定的。
(2)运动的合成与分解
①运动的合成：由几个分运动求合运动，合成的方法是平行四边形定则。
②运动的分解：已知合运动求分运动，分解时应根据运动的效果确定两分运动的方向，然后由平行四边形定则确定大小，分解时也可按正交分解法分解，运动的分解与合成是互逆运算。
1．速度发生变化的运动，一定是曲线运动。( × )
2．做曲线运动的物体受到的合力一定是变力。( × )
3．做曲线运动的物体所受合力的方向一定指向轨迹的凹侧。( √ )
4．合运动的速度一定比分运动的速度大。( × )
5．只要两个分运动为直线运动，合运动一定是直线运动。( × )
6．分运动的位移、速度、加速度与合运动的位移、速度、加速度间满足平行四边形定则。( √ )
考点一 曲线运动的条件和轨迹分析
1．曲线运动的条件及特点
2.合力方向与速率变化的关系
【典例1】 (多选)如图所示，将六块塑料板拼接成一弯曲轨道置于放在水平桌面的白纸之上，让一沾上墨水的小铁球从中滚过，留下曲线OABC，下列说法正确的是( ABD )
A．小球在B点的速度方向沿切线方向
B．小球离开C点后做直线运动
C．若拆去5、6两塑料板，小球离开B点后仍沿原曲线运动
D．若拆去3、4、5、6塑料板，小球离开A点后将做直线运动
【解析】 小球做曲线运动的速度方向沿所在位置轨迹的切线方向，故A正确；小球离开C点后，所受合力(摩擦力)方向与速度方向在同一直线上，所以小球离开C点后做直线运动，故B正确；若拆去5、6两塑料板，小球离开B点后将沿离开时的速度方向做直线运动，故C错误；若拆去3、4、5、6塑料板，小球离开A点后将沿离开时的速度方向做直线运动，故D正确。
1．(2025·山东济南高三阶段检测)如图所示，曲线表示足球(视为质点)在空中飞行的轨迹，其中一条虚线是轨迹的切线。下列表示足球在飞行过程中所受重力和空气阻力的示意图，正确的是( C )
解析：重力方向竖直向下，速度方向为轨迹的切线方向，阻力方向与速度方向相反，故选C。
2．(多选)光滑水平面上一运动质点以速度v0通过点O，如图所示，与此同时给质点加上沿x轴正方向的恒力Fx和沿y轴正方向的恒力Fy，则( CD )
A．因为有Fx，质点一定做曲线运动
B．如果Fy＜Fx，质点向y轴一侧做曲线运动
C．如果Fy＝Fx tan α，质点做直线运动
D．如果Fx tan α＞Fy，质点向x轴一侧做曲线运动
解析：如果Fx、Fy二力的合力沿v0方向，即Fy＝Fx tan α，则质点做直线运动，A错误，C正确；若Fx tan α＞Fy，则合力方向在v0方向与x轴正方向之间，所以运动轨迹向x轴一侧弯曲，质点做曲线运动，若Fx tan α＜Fy，则合力方向在v0方向与y轴正方向之间，所以运动轨迹向y轴一侧弯曲，质点做曲线运动，因不知α的大小，所以只凭Fx、Fy的大小关系不能确定F合与v0的方向关系，故B错误，D正确。
考点二 运动的合成与分解
1．合运动和分运动的关系
(1)等时性：各个分运动与合运动总是同时开始，同时结束，经历的时间相等(不同时间的运动不能合成)。
(2)独立性：一个物体同时参与几个分运动时，各分运动独立进行，互不影响。
(3)等效性：各分运动叠加起来与合运动有完全相同的效果。
(4)同一性：各分运动与合运动是指同一物体参与的分运动和实际发生的运动，不是几个不同物体发生的不同运动。
2．运动的合成与分解的运算法则
运动的合成与分解是指描述运动的各物理量即位移、速度、加速度的合成与分解，由于它们均是矢量，所以合成与分解都遵守平行四边形定则。
3．合运动的性质判断
加速度(或合力) eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(变化：非匀变速运动,不变：匀变速运动))
eq \(\s\up7(加速度(或合力)),\s\d5(方向与速度方向)) eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(共线：直线运动,不共线：曲线运动))
加速度(或合力)为0：匀速直线运动
【典例2】 质量为2 kg的物体在xOy平面内运动，它在x方向的速度—时间图像和y方向的位移—时间图像如图甲、乙所示，下列说法正确的是( C )
A．物体的初速度大小为4 m/s
B．2 s末物体速度大小为6 m/s
C．物体所受的合力大小为3 N
D．物体2 s内运动的位移大小为9 m
【解析】 由v－t图像知，在x方向上初速度大小为vx0＝3 m/s，由s－t图像知，在y方向上初速度大小为vy＝ eq \f(8,2) m/s＝4 m/s，根据运动的合成，则物体的初速度大小为v0＝ eq \r(32＋42) m/s＝5 m/s，故A错误；由v－t图像知，2 s末该物体在x方向上速度大小为vx＝6 m/s，由s－t图像知，在y方向上速度大小为vy＝ eq \f(8,2) m/s＝4 m/s，根据运动的合成，则此时物体速度的大小为v＝ eq \r(62＋42) m/s＝2 eq \r(13) m/s，故B错误；由v－t图像知物体的加速度大小为a＝ eq \f(Δv,Δt)＝ eq \f(6－3,2) m/s2＝1.5 m/s2，根据牛顿第二定律有F＝ma＝2×1.5 N＝3 N，故C正确；物体2 s内在x方向的位移大小为x＝ eq \f(3＋6,2)×2 m＝9 m，在y方向的位移大小为s＝(8－0)m＝8 m，所以物体2 s内运动的位移大小为s＝ eq \r(x2＋y2)＝ eq \r(92＋82) m＝ eq \r(145) m，故D错误。
3．(多选)跳伞表演是观赏性很强的体育项目，当运动员从直升机上由静止跳下后，在下落过程中会受到水平风力的影响，如图所示，下列说法中正确的是( BC )
A．风力越大，运动员下落时间越长
B．风力越大，运动员着地速度越大
C．运动员下落时间与风力无关
D．运动员着地速度与风力无关
解析：运动员下落过程中同时参与两个分运动，由于竖直分运动不受水平分运动的干扰，故下落时间与风速无关，故A错误，C正确；运动员落地速度由水平分速度和竖直分速度合成，水平分速度由风速决定，故风速越大，合速度越大，故B正确，D错误。
4．在杂技表演中，猴子沿竖直杆向上做初速度为零、加速度为a的匀加速运动，同时人顶着直杆以速度v0水平匀速移动，经过时间t，猴子沿杆向上移动的高度为h，人顶杆沿水平地面移动的距离为s，如图所示。关于猴子的运动情况，下列说法中正确的是( D )
A．猴子相对地面的运动轨迹为直线
B．猴子相对地面做变加速曲线运动
C．t时刻猴子对地的速度大小为v0＋at
D．t时间内猴子对地的位移大小为 eq \r( s2＋h2)
解析：猴子沿杆竖直向上做匀加速直线运动，人顶杆水平向右做匀速直线运动，其合运动是匀变速曲线运动，A、B错误；t时刻猴子对地的速度大小为v＝ eq \r(v eq \\al(2,0)＋a2t2)，C错误；t时间内猴子对地的位移是指合位移，其大小为 eq \r(s2＋h2)，D正确。
考点三 小船渡河模型
1．三种速度：船在静水中的速度v船、水的流速v水、船的实际速度v合。
2．三种情境
【典例3】 小船在200 m宽的河中横渡，水流速度为2 m/s，船在静水中的速度为4 m/s。
(1)若小船的船头始终正对对岸，它将在何时、何处到达对岸？
(2)要使小船到达正对岸，应如何航行？历时多长？
(3)若水流速度是5 m/s，船在静水中的速度是3 m/s，则怎样渡河才能使船漂向下游的距离最短？最短距离是多少？
【解析】 (1)小船渡河时参与了两个分运动，即船随水漂流的运动和船在静水中的运动。因为分运动之间具有独立性和等时性，故小船渡河的时间等于垂直于河岸方向的分运动的时间，即t＝ eq \f(d,v船)＝ eq \f(200,4) s＝50 s，小船沿水流方向的位移s水＝v水t＝2×50 m＝100 m，即船将在正对岸下游100 m处靠岸。
(2)要使小船到达正对岸，合速度v的方向应垂直于河岸，如图所示，则cs θ＝ eq \f(v水,v船)＝ eq \f(2,4)＝ eq \f(1,2)，故θ＝60°，即船头的指向与上游河岸成60°角，渡河时间t′＝ eq \f(d,v)＝ eq \f(200,4sin 60°) s＝ eq \f(100\r(3),3) s。
(3)因为v′船＝3 m/s＜v′水＝5 m/s，所以船不可能垂直河岸横渡，不论航向如何，总被水流冲向下游。如图所示，设船头的指向(v′船)与上游河岸成β角，合速度v′的方向与下游河岸成α角，可以看出：α角越大，船漂向下游的距离x′越短。以v′水的矢尖为圆心，以v′船的大小为半径画圆，当合速度v′与圆相切时，α角最大。则cs β＝ eq \f(v′船,v′水)＝ eq \f(3,5)，故船头的指向与上游河岸的夹角β＝53°，又 eq \f(x′,d)＝ eq \f(v′,v′船)＝ eq \f(\r(v′ eq \\al(2,水)－v′ eq \\al(2,船)),v′船)，代入数据解得x′≈ eq \f(800,3) m。
【答案】 见解析
求解小船渡河问题的三点注意
(1)船的航行方向是船头指向，是分运动；船的运动方向是船的实际运动方向，是合运动，一般情况下与船头指向不一致。
(2)渡河时间只与船垂直于河岸方向的分速度有关，与水流速度无关。
(3)船渡河位移最小值与v船和v水大小关系有关，v船＞v水时，河宽即为最小位移；v船＜v水时，应利用图解求极值的方法处理。
5．近年来，我国各地都有组织游泳横渡江河的活动以倡导环保意识和体育精神。在一次横渡河流的游泳活动中，人在静水中的速度为1.25 m/s，要渡过宽为500 m、水流速度为1.0 m/s的河流，sin 53°＝0.8，cs 53°＝0.6，则下列说法正确的是( A )
A．人游到对岸的最短时间为400 s
B．人面对正对岸游动，其实际路线是曲线
C．人沿着与上游河岸夹角53°的方向游泳时，可以到达正对岸
D．人不可能垂直游到正对岸
解析：合运动和分运动之间具有等时性，所以当人沿着垂直河岸的方向游泳时，游到对岸用时最短，最短时间为tmin＝ eq \f(d,v人)＝ eq \f(500,1.25) s＝400 s，故A正确；人在静水中的速度恒定(匀速)，水流速度恒定(匀速)，其合运动一定是匀速直线运动，故B错误；因为v人>v水，则人沿着斜向上游方向游泳时，可以使沿河岸方向的速度为零，合速度方向垂直河岸从而垂直过河，设人游泳的方向与上游河岸的夹角为θ，有v人cs θ＝v水，解得cs θ＝0.8，即θ＝37°，故C、D错误。
6．(多选)潜艇从海水的高密度区驶入低密度区过程称为“掉深”。如图甲所示，某潜艇在高密度区水平向右匀速航行，t＝0时，该潜艇开始“掉深”。图乙为其竖直方向的vy－t图像，水平速度vx＝10 m/s保持不变。潜艇可视为质点，则 “掉深”后的0～30 s内，潜艇( CD )
A．做匀变速直线运动
B．0～10 s内的速度变化量为0
C．5 s末的速度大小为10 eq \r(2) m/s
D．0～30 s内的位移大小为300 eq \r(2) m
解析：由于潜艇在竖直方向做变速运动，在水平方向做匀速运动，所以潜艇做曲线运动，故A错误；根据vy－t图像可知，0～10 s内潜艇的加速度大小为a＝ eq \f(20,10) m/s＝2 m/s2，则0～10 s内潜艇的速度变化量为Δv＝at＝2×10 m/s＝20 m/s，故B错误；根据vy－t图像可知，5 s末潜艇的竖直分速度为vy＝10 m/s，则5 s末潜艇的速度大小为v＝ eq \r(vx2＋vy2)＝ eq \r(102＋102) m/s＝10 eq \r(2) m/s，故C正确；根据vy－t图像可知，0～30 s内潜艇的竖直分位移大小为y＝ eq \f(1,2)×20×30 m＝300 m，水平分位移大小为x＝10×30 m＝300 m，则0～30 s内潜艇的位移大小为s＝ eq \r(x2＋y2)＝ eq \r(3002＋3002) m＝300 eq \r(2) m，故D正确。
考点四 绳(杆)端速度分解模型
1．模型分析
(1)“绳杆模型”：绳或杆两端物体沿绳或沿杆方向的速度分量大小相等。
(2)“接触模型”：垂直于接触面方向上的速度相等。
2．常见的模型分解示例(如图所示)
【典例4】 如图甲所示为一款发动机的机械传动装置的示意图，可简化为图乙，曲轴OA绕固定的O点自由转动，通过连杆AB使活塞左右滑动。已知曲轴OA长为0.2 m，连杆AB长为0.6 m，曲轴绕O点沿顺时针方向匀速转动的角速度为60π rad/s，下列说法正确的是( D )
A．活塞的最大速度为12π m/s
B．当OA与AB共线时，活塞的加速度为0
C．当OA杆与AB垂直时，活塞的速度小于12π m/s
D．当OA杆与AB垂直时，活塞的速度大于12π m/s
【解析】 当曲轴OA与连杆AB夹角为α，连杆AB与水平方向夹角为β时，速度分解如图所示，根据运动的合成与分解，沿杆方向的分速度vA1＝vA cs (α－90°)，vB1＝vB cs β，vA＝ωlOA，二者沿杆方向的分速度是相等的，即vA1＝vB1，解得vB＝ eq \f(ωlOAsin α,cs β)，当α＝90°时，此时连杆AB与圆相切，其中cs β＝ eq \f(AB,\r(AB2＋OA2))＝ eq \f(3\r(10),10)，解得vB＝4 eq \r(10)π m/s>12π m/s，可知12π m/s并不是最大速度，故A、C错误，D正确；当OA与AB共线时，A点沿AB方向的瞬时速度为零，B点的瞬时速度大小为零，运动方向改变，即此时活塞的加速度不为零，故B错误。
7．如图所示，重物M沿竖直杆下滑，并通过一根不可伸长的细绳带动小车沿水平面向右运动。若当滑轮右侧的绳与竖直方向成β角，且重物下滑的速率为v时，滑轮左侧的绳与水平方向成α角，则小车的速度为( D )
A． eq \f(v sin β,sin α) B． eq \f(v sin β,cs α)
C． eq \f(v cs β,sin α) D． eq \f(v cs β,cs α)
解析：将速度v按运动效果分解，如图甲所示，则沿绳方向v1＝v cs β，同理分解小车的速度，如图乙所示，沿绳方向v3＝v车cs α，因为绳不可伸长，故沿绳方向速度大小相等，即v1＝v3，所以v车cs α＝v cs β，解得v车＝ eq \f(v cs β,cs α)，故选D。
课时作业20
1．(5分)关于物体做曲线运动的条件，下列说法正确的是( C )
A．物体在恒力作用下不可能做曲线运动
B．做曲线运动的物体，在一段时间内路程可能为零
C．合力的方向与物体速度的方向既不相同又不相反时，物体一定做曲线运动
D．变速运动都是曲线运动
解析：物体在恒力作用下可做曲线运动，如匀变速曲线运动，故A错误；路程是指物体实际运动轨迹的长度，所以做曲线运动的物体在一段时间内路程不可能为零，故B错误；合力的方向与物体速度的方向既不相同、也不相反，即合力与速度不在同一条直线上时，物体做曲线运动，故C正确；变速运动可能是直线运动，也可能是曲线运动，故D错误。
2．(5分)(2023·全国乙卷)小车在水平地面上沿轨道从左向右运动，动能一直增加。如果用带箭头的线段表示小车在轨道上相应位置处所受合力，下列四幅图可能正确的是( D )
解析：小车做曲线运动，所受合力指向曲线的凹侧，故A、B错误；小车沿轨道从左向右运动，动能一直增加，故合力方向与速度方向的夹角为锐角，C错误，D正确，故选D。
3．(5分)(多选)如图所示为一质点做匀变速运动的轨迹示意图，质点运动到D点时速度方向与加速度方向恰好垂直，则质点从A点运动到E点的过程中，下列说法正确的是( AD )
A.质点经过C点的速率比D点的大
B．质点经过A点时的动能小于经过D点时的动能
C．质点经过D点时的加速度比B点的加速度大
D．质点从B到E过程中加速度方向与速度方向的夹角一直减小
解析：质点运动到D点时速度方向与加速度方向恰好互相垂直，速度方向沿D点轨迹的切线方向，则知加速度的方向斜向左上方，合力的方向也斜向左上方，质点做匀变速曲线运动，合力恒定不变，质点由A到D过程中做减速运动，合力做负功，由动能定理可得，质点在C点的速度比在D点的速度大，质点经过A点时的动能大于经过D点时的动能，故A正确，B、C错误；质点从B到E过程中加速度方向与速度方向的夹角一直减小，故D正确。
4．(5分)某市进行防溺水安全演练，消防员计划以一定的速度驾驶皮艇用最短时间救援被困于礁石上的人员，如图所示，假设河中各处水流速度相等，下列关于救援时皮艇位置及头部指向的说法正确的是( A )
A．应在河岸A处沿v1方向进行救援
B．应在河岸A处沿v2方向进行救援
C．应在河岸B处沿v3方向进行救援
D．应在河岸B处沿v4方向进行救援
解析：若救援所用时间最短，则皮艇的头部指向应与河岸垂直，且出发点应位于礁石上游，故选A。
5．(5分)植树可以绿化和美化家园，还可以扩大山林资源、防止水土流失、保护农田、调节气候、促进经济发展，是一项利于当代造福子孙的宏伟工程。如图所示，在某次植树活动中，工作人员先把树根部放入土坑中，再用双手把树扶起到竖直状态，工作人员以速度v向左匀速运动扶正树苗时，可认为树苗绕和地面的接触点O做圆周运动。手与树苗接触点的高度为h，若某时刻树苗与地面的夹角为θ，树苗转动的角速度ω为( B )
A． eq \f(v cs θsin θ,h) B． eq \f(v sin2θ,h)
C． eq \f(v,h) D． eq \f(v tanθ,h)
解析：该工作人员的两手与树苗的接触位置始终距地面高度为h，双手的实际速度水平向左，将手的速度按如图所示方向进行分解，可得vy＝v sin θ，手握树苗的位置到O点距离为r＝ eq \f(h,sin θ)，vy＝ωr，联立解得ω＝ eq \f(v sin2θ,h)，故选B。
6．(5分)如图所示，工厂生产流水线上的工件以3m/s的速度连续不断地向右匀速运动，在切割工序的P处，割刀的速度大小为6 m/s(相对地)。为了使割下的工件都成规定尺寸的矩形，关于割刀相对工件的速度大小和方向，下列判断正确的是( B )
A．大小为3 eq \r(3) m/s，方向与工件的边界成60°角
B．大小为3 eq \r(3) m/s，方向与工件的边界垂直
C．大小为3 eq \r(5) m/s，方向与工件的边界成60°角
D．大小为3 eq \r(5) m/s，方向与工件的边界垂直
解析：为了使割下的工件都成规定尺寸的矩形，割刀相对工件的速度方向必须和工件的边界垂直，故A、C错误；割刀相对工件的速度和工件的速度都是分速度，割刀相对地的速度是合速度，所以割刀相对工件的速度大小为 eq \r(62－32) m/s＝3 eq \r(3) m/s，故B正确，D错误。
7．(5分)(2023·江苏卷)达·芬奇的手稿中描述了这样一个实验：一个罐子在空中沿水平直线向右做匀加速运动，沿途连续漏出沙子。若不计空气阻力，则下列图中能反映空中沙子排列的几何图形的是( D )
解析：设罐子运动的加速度大小为a，某时刻漏出某粒沙子时的速度为v0，之后在时间t内这粒沙子下落的高度h＝ eq \f(1,2)gt2，水平向右运动的距离x＝v0t，比这粒沙子晚Δt(Δt