高考物理壓軸題通常包括電磁感應方面的綜合題、動量方面的綜合題、力電方面的綜合題、光學方面的綜合題以及力熱和原子物理方面的綜合題。
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題目:一個質量為 m 的小球,在距離地面高度為 H 的光滑斜面上自由滑下。已知斜面的傾角為 θ,小球在滑到底面的過程中,與地面碰撞時不損失能量,且每次碰撞后的速度都是反彈到原來的方向。求小球最終停在地面上的位置距離起始位置的高度。
解析:
1. 小球在斜面上滑下時,受到重力、斜面的支持力和摩擦力,但由于摩擦力很小,可以忽略不計,所以可以認為小球在斜面上做勻加速直線運動。
2. 小球與地面碰撞時,由于能量損失,所以每次碰撞后的速度都比反彈前的速度要小。但是,由于小球每次反彈后的速度都是反彈到原來的方向,所以小球在地面上的運動可以看作是勻減速直線運動。
根據以上分析,我們可以列出小球的初始速度和位移方程:
v0 = sqrt(2gh0) (1)
s = v0t + 1/2at^2 (2)
其中,v0是小球在斜面上的初始速度,h0是小球在地面上的初始位置高度,t是小球在地面上的運動時間,a是小球在地面上的加速度。
由于小球與地面碰撞時不損失能量,所以每次碰撞后的速度都是反彈到原來的方向。因此,小球的加速度可以表示為:
a = -gcosθ (3)
其中,g是重力加速度,cosθ是斜面的傾角。
將(3)式代入(2)式中,可以得到:
s = v0(t + t') + 1/2(-gcosθ)(t + t')^2 (4)
其中,t'是每次碰撞后的反彈時間。
由于小球最終停在地面上的位置距離起始位置的高度為 s' = 0,所以可以將(4)式中的 t 代換成 t' = 2t - t'' (5)
其中,t''是最后一次反彈后的靜止時間。
將(5)式代入(1)式中,可以得到:
h = h0 - v'^2/2g (6)
其中,v'是小球最終停在地面上的速度。
由于小球在地面上的運動是勻減速直線運動,所以可以寫出小球的末速度 v' 的表達式:
v' = v0 - g(t + t')cosθ (7)
將(7)式代入(6)式中,可以得到:
h = h0 - (v0t + 1/2gt^2) - g(t + t')cosθ^2/2 (8)
將(3)式代入(8)式中,可以得到:
h = h0 - sqrt((v0^2 + 2gH) - (gH/sinθ)^2) (9)
其中,H是斜面的高度。
最終結果為:h = h0 - sqrt((v0^2 + 2gH) - (gH/sinθ)^2) / sinθ sinθ + H (單位為米)。這個結果表示小球最終停在地面上的位置距離起始位置的高度。注意這個結果是一個近似值,因為題目中有些假設和簡化條件。