题目
以初速率 v_0、抛射角 theta 抛出一物体,则其抛物线轨道最高点处的曲率半径为:________。
以初速率 $v_0$、抛射角 $\theta$ 抛出一物体,则其抛物线轨道最高点处的曲率半径为:________。
题目解答
答案
根据斜抛运动规律,物体在最高点的水平速度为 $v_x = v_0 \cos\theta$,此时竖直速度 $v_y = 0$,故最高点的速率 $v = v_x = v_0 \cos\theta$。
在最高点,物体仅受重力作用,其法向加速度 $a_n = g$。根据曲率半径公式 $R = \frac{v^2}{a_n}$,可得:
\[
R = \frac{(v_0 \cos\theta)^2}{g} = \frac{v_0^2 \cos^2\theta}{g}
\]
因此,最高点处的曲率半径为 $\frac{v_0^2 \cos^2\theta}{g}$。
答案:$\frac{v_0^2 \cos^2\theta}{g}$
解析
本题考查斜抛运动规律以及曲率半径公式的应用。解题思路如下:
- 首先,根据斜抛运动的特点,分析物体在抛物线轨道最高点的速度情况。在斜抛运动中,水平方向不受力,做匀速直线运动,竖直方向做匀变速直线运动。当物体到达最高点时,竖直方向的速度变为$0$,此时物体的速度只有水平方向的分量。
- 然后,确定物体在最高点的法向加速度。在最高点,物体仅受重力作用,重力方向竖直向下,而法向加速度是垂直于速度方向的加速度,此时法向加速度就等于重力加速度$g$。
- 最后,利用曲率半径公式$R = \frac{v^2}{a_n}$来计算最高点处的曲率半径,其中$v$是物体在最高点的速率,$a_n$是物体在最高点的法向加速度。
具体计算过程如下:
- 计算最高点的速率$v$:
在斜抛运动中,水平方向速度$v_x = v_0 \cos\theta$保持不变,竖直方向速度$v_y = v_0 \sin\theta - gt$。当物体到达最高点时,$v_y = 0$,所以最高点的速率$v = v_x = v_0 \cos\theta$。 - 确定最高点的法向加速度$a_n$:
在最高点,物体仅受重力作用,重力加速度为$g$,且此时重力方向与速度方向垂直,所以法向加速度$a_n = g$。 - 计算最高点处的曲率半径$R$:
将$v = v_0 \cos\theta$和$a_n = g$代入曲率半径公式$R = \frac{v^2}{a_n}$,可得:
$R = \frac{(v_0 \cos\theta)^2}{g} = \frac{v_0^2 \cos^2\theta}{g}$