如图,篮球架下的运动员原地垂直起跳扣篮,离地后重心上升的最大高度为H.上升第一个(H)/(4)所用的时间为t1,第四个(H)/(4)所用的时间为t2.不计空气阻力,则((t)_(2))/((t)_{1)}满足( ) A. 1<((t)_(2))/((t)_{1)}<2 B. 2<((t)_(2))/((t)_{1)}<3 C. 3<((t)_(2))/((t)_{1)}<4 D. 4<((t)_(2))/((t)_{1)}<5
如图,篮球架下的运动员原地垂直起跳扣篮,离地后重心上升的最大高度为H.上升第一个$\frac{H}{4}$所用的时间为t1,第四个$\frac{H}{4}$所用的时间为t2.不计空气阻力,则$\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}$满足( )- A. 1<$\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}$<2
- B. 2<$\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}$<3
- C. 3<$\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}$<4
- D. 4<$\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}$<5
题目解答
答案
解析
本题考查竖直上抛运动的时间分段问题。关键点在于理解物体上升过程中速度逐渐减小,相同位移段所用时间逐渐增加。需利用运动学公式,通过积分或分段计算时间,比较不同阶段的时间比值。
核心思路:
- 将上升过程分为四个相等的位移段,分析每段的时间。
- 利用速度位移关系式和积分法,精确计算每段的时间。
- 通过比值判断选项范围。
运动学分析
运动员上升阶段为匀减速直线运动,初速度为$v_0$,加速度为$-g$,最大高度$H = \frac{v_0^2}{2g}$。需计算第一个$\frac{H}{4}$段($t_1$)和第四个$\frac{H}{4}$段($t_2$)的时间比值。
时间积分计算
-
第一个$\frac{H}{4}$段:
位移$s$从$0$到$\frac{H}{4}$,速度$v = \sqrt{v_0^2 - 2gs}$。
时间积分:
$t_1 = \int_0^{\frac{H}{4}} \frac{ds}{\sqrt{v_0^2 - 2gs}} = \frac{\sqrt{2H}}{\sqrt{g}} \left(1 - \frac{\sqrt{3}}{2}\right)$ -
第四个$\frac{H}{4}$段:
位移$s$从$\frac{3H}{4}$到$H$,速度$v = \sqrt{v_0^2 - 2gs}$。
时间积分:
$t_2 = \int_{\frac{3H}{4}}^{H} \frac{ds}{\sqrt{v_0^2 - 2gs}} = \frac{\sqrt{2H}}{\sqrt{g}} \cdot \frac{1}{2}$
比值计算
$\frac{t_2}{t_1} = \frac{\frac{\sqrt{2H}}{\sqrt{g}} \cdot \frac{1}{2}}{\frac{\sqrt{2H}}{\sqrt{g}} \left(1 - \frac{\sqrt{3}}{2}\right)} = \frac{1}{2 \left(1 - \frac{\sqrt{3}}{2}\right)} \approx 3.73$