高考考點:第一宇宙速度,應用該模型可以解決其它問題

2020-12-05 葉老師物理

高考的腳步聲近了,高三學子的心情也緊張起來。

抵禦心情緊張的有效方法就是梳理自己的知識體系,這一點應該沒有問題,畢竟試卷的容量有限,常考的內容就那麼多。另外就是整理自己形成的解題方法,在整理的同時要注重其遷移應用。這樣做,你就會發現自己原來還是很「富有」的。下面研討的「第一宇宙速度」模型,帶你放飛緊張。

在地球表面,以速度V1水平拋出一質點,在不計空氣阻力的情況下,若質點不落回地面即繞地球做勻速圓周運動,如圖所示:

則有:

V1即為第一宇宙速度,從推導過程中可以看出,V1是發射人造地球衛星的最小速度,也是所有正在圍繞著地球運行著的「飛行器」的最大速度,這一點是許多考生迷糊的地方。

在圖示情景中,重力充當質點做勻速圓周運動的向心力——「第一宇宙速度」模型,可以應用於其它問題情景,比如:

例題:如圖甲、乙所示,質量為m的小球分別固定於長L輕杆、輕繩頂端,另一端都裝在光滑的軸O上,若兩球均恰好能達豎直面內的圓周最高點,則小球在最低點的速度分別是多大?

解析:小球在最高點所具有的最小速度對應著其在最低點時的速度。輕杆由於其剛性,小球在最高點時速度可以為零,根據機械能守恆定律,有:

V甲就是使小球恰好能達豎直面內的圓周最高點而在最低點時的速度。

與輕杆不同,若小球在輕繩最高點時速度為零,則小球將做自由落體運動。在此之前,小球所受重力和輕繩張力之合充當小球做圓周運動的向心力,小球在最高點的最小速度對應於輕繩的張力為零,即重力充當向心力——「第一宇宙速度」模型,設小球在最高點速度為V,最低點速度為V乙,則:

上述模型有時會隱含在綜合題裡,比如:

例題:長為L的細繩一端固定於O點,另一端拴住一個質量為m的小球,如圖所示。開始時讓繩水平伸直,然後釋放小球,當繩擺至豎直位置時,被懸點O正下方距離為h1=3L/4的光滑釘子A擋住,以後小球以A為圓心在豎直平面內作圓周運動,求:

(1)此後小球在最高點的速度和受繩的拉力的大小。

(2)要保證小球在豎直平面內完成圓周運動,釘子A到O點的距離h不得小於多少?

解析:由於不確定h1=3L/4時,小球是否會到達其圓周運動的最高點,因此,先做第二問是明智的選擇。

(2)設小球在其圓周運動的最高點時速度為V,則有:

可解得:h=3L/5

(1)由於h=3L/5<h1=3L/4,所以小球能通過最高點,設在最高點速度為V1,輕繩張力為F,則:

代入數據可得:

在考試前的複習中,形成應用模型解決問題的方法意識,定能提高解題能力。

祝同學們進步!

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