专题01 运动学的基础内容（竞赛精练）-2024-2025学年高中物理竞赛能力培优专练（高一上学期）

这是一份专题01 运动学的基础内容（竞赛精练）-2024-2025学年高中物理竞赛能力培优专练（高一上学期），文件包含专题01运动学的基础内容竞赛精练-2024-2025学年高中物理竞赛能力培优专练高一上学期原卷版docx、专题01运动学的基础内容竞赛精练-2024-2025学年高中物理竞赛能力培优专练高一上学期解析版docx等2份试卷配套教学资源，其中试卷共30页， 欢迎下载使用。
1．（2024·全国竞赛）下列哪一个人必须是非惯性观察者？将地面视为惯性系，应考虑空气摩擦力（ ）
Ⅰ．一个人的位置被另一个观察者描述为
Ⅱ．坐在固定在地面上旋转的旋转木马边缘的人
Ⅲ．一个人垂直向上跳跃，而此刻，当人处于最高位置时
Ⅳ．一个人垂直向上跳跃，而此刻，人还在上升的时候
Ⅴ．一个戴着打开的降落伞进行跳伞的人。
A．只有Ⅰ，Ⅳ和V
B．只有Ⅰ和Ⅱ
C．只有Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ
D．只有Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ
E．Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ
【答案】D
【详解】非惯性系是指相对地面惯性系做加速运动的物体。由题知将地面视为惯性系，且考虑空气摩擦力。
Ⅰ．一个人的位置被另一个观察者描述为，如果观察者是静止的，观察者为惯性观察者，如果被观察者是静止的，观察者加速度不为零，观察者为非惯性观察者，不符合题意。
Ⅱ．坐在固定在地面上旋转的旋转木马边缘的人，观察者受到圆周运动向心力，加速度一定不为零，木马边缘的人作为观察者为非惯性观察者，符合题意。
Ⅲ．一个人垂直向上跳跃，而此刻，当人处于最高位置时，人的速度为零，加速度一定不为零，最高位置人作为观察者为非惯性观察者，符合题意。
Ⅳ．一个人垂直向上跳跃，而此刻，人还在上升的时候，加速度一定不为零，人作为观察者为非惯性观察者，符合题意。
Ⅴ．一个戴着打开的降落伞进行跳伞的人。跳伞的人做减速运动时，加速度一定不为零，人作为观察者为非惯性观察者，当重力等于降落伞受到空气阻力时，跳伞的人做匀速运动，人作为观察者为惯性观察者，不符合题意。
故选D。
2．（2007·全国竞赛）在地球赤道上的A处静止放置一个小物体。现在设想地球对小物体的万有引力突然消失，则在数小时内，小物体相对于A点处的地面来说，将（ ）
A．水平向东飞去
B．原地不动，物体对地面的压力消失
C．向上并渐偏向西方飞去
D．向上并渐偏向东方飞去
E．一直垂直向上飞去
【答案】C
【详解】
从地球外面的惯性参照系来看，物体沿切线方向向东匀速直线飞去（如图）。A为开始飞出点，B、C、D…为经过2h、4h、6.h…后的A点位置。b、c，d…为经过2h、4h、6h…后物体在空间的位置。Bb、Cc、Dd…为地面观察者观看物体的视线。
在地面上A点的观察者来看，这些视线相对于他的方向和距离如图所示。将A、b、c、d…用光滑的曲线连接起来就是从地球上观察到的物体的运动轨迹Abcd…即2h后物体到b点处，4h后物体到c点处，6h后物体到d点处…所以从地球上观察，小物体相对于A点处的地面来说从原地向上升起并渐偏向西方飞去。
故C正确，ABDE错误。
故选C。
3．（2024·郑州竞赛）一运动质点在某瞬时位于矢径的端点处，其速度大小为（ ）
A．B．C．D．
【答案】D
【详解】用、表示速度沿、轴的分量式，则有
于是的大小为
故选D。
4．（2023·郑州竞赛）某质点的运动方程为（采用SI单位制），则t=1秒时该质点运动的切向加速度大小为（单位：米/秒2）（ ）
A．0B．C．D．
【答案】D
【详解】对运动方程求导，可得其速度方程
再对速度方程
当t=1秒时，其切向加速度为
大小为
故C正确。
故选C。
5．（2023·郑州竞赛）运动质点在某瞬时位于位矢的端点处，对其速度的大小有四种意见，即
（1） （2） （3） （4）
下述判断正确的是（ ）
A．只有（1）（2）正确B．只有（2）正确
C．只有（2）（3）正确D．只有（3）（4）正确
【答案】D
【详解】在自然坐标系中，速度的大小为
在直角坐标系中有
是位矢的大小r的变化率，是矢量，故（1）（2）错误，（3）（4）正确，故选D。
6．（2023·安阳竞赛）一个质点在Oxy平面上运动，已知质点的运动方程为（SI），则该质点作（ ）
A．匀速直线运动B．变速直线运动
C．抛物线运动D．一般曲线运动
【答案】B
【详解】根据
可得
，
结合
，
可知质点沿方向做初速度为零的匀变速直线运动，沿方向做初速度为零的匀变速直线运动，故质点的合运动为匀变速直线运动。
故选B。
7．（2022·河西竞赛）站在电梯内的一个人，看到用细线连结的质量不同的两个物体跨过电梯内的一个无摩擦的定滑轮而处于“平衡”状态。由此，他断定电梯作加速运动，其加速度为（ ）
A．大小为g，方向向上B．大小为g，方向向下
C．大小为，方向向上D．大小为，方向向下
【答案】B
【详解】质量不等的两个物体跨过电梯内的一个无摩擦的定滑轮而处于“平衡”状态即物体自身重力恰好提供各自加速度，且加速度相等，根据牛顿第二定律可知绳子没有拉力，即处于完全失重状态，可知电梯作加速运动，其加速度为。
故选B。
二、多选题
8．（2020·全国竞赛）甲、乙两车在同一平直公路上以相同速度30m/s同向行驶，甲车在前，乙车在后，两车距离100m。从时起，甲、乙两车的加速度随时间变化如图所示。取运动方向为正方向，下面说法正确的是（ ）
A．t = 3s时刻两车距离最近
B．t = 9s时刻两车距离为100m
C．3~9s内乙车做匀减速运动
D．t = 9s时刻乙车速度为零
【答案】CD
【详解】A．图像的面积表示速度变化量，因此在３s末甲车的速度变化量为
可知此时甲车的速度为零，甲车的位移为
乙车的位移为
则此时两车之间的距离为
此时乙车没追赶上甲车，乙车速度比甲车速度大，因此距离进一步缩小，A错误；
BCD．甲车9s末的速度为
乙车9s末的速度为
乙车在3~9s做匀减速运动，说明甲乙两车在3~9s互逆向运动，因此位移大小相等，因此9s的距离和3s末相同为55m，故B错误CD正确；
故选CD。
三、解答题
9．（2022·全国竞赛）一质量为的封闭车厢在水平地面上运动。车厢内底面水平。车厢内一乘客试通过车厢内的实验来研究车厢在水平地面上的运动。他在车厢底面上建立与底面固连的平面直角坐标系（xOy系），并在坐标原点O放置一质量为的物块A。在时，A从静止开始运动。在时间段内，A在xOy系中x、y方向上的速度、与时间t的关系分别如图a、b所示。已知物块A与车厢内底面之间滑动摩擦系数为，重力加速度大小。
（1）求时，物块A在xOy系中的位置；
（2）在地面上建立静止的坐标系，使轴、轴分别与系的x轴、y轴方向两两相同。求在坐标系中，车厢在方向所受到的合力在整个过程中的冲量。
【答案】（1）（，）；（2），方向沿轴负方向
【详解】（1）在系中，由图a、b所示速度图线，可知，在阶段Ⅰ（），物块A做匀加速直线运动，它在x、y方向的加速度分别为
在阶段Ⅱ，A做匀速直线运动。在阶段Ⅲ，A做类斜抛运动，它在y方向做匀速直线运动，在x方向做匀加速直线运动，加速度为
由速度图线，可知，在系中，物块A在内时间段沿x、y方向的位移分别为
在时，物块A在系中的位置为（，）。
（2）设车厢相对于水平地面在方向的加速度为。设在某一时刻物块A速度方向与y轴夹角为。物体A在系中x方向上受到摩擦力和惯性力的作用，由牛顿第二定律有
同理，在系中，车厢在方向所受到的合力满足
车厢在方向所受到的合力在整个过程中的冲量为
整理有
由加速度的定义有
在阶段Ⅰ、Ⅱ，物体A相对车厢做初速度为零的直线运动，因此角度保持不变，其值为
在阶段Ⅲ，在系中，有
考虑到，物块A在阶段Ⅲ做类斜抛运动，随时间改变，但在抛物线顶点两侧的对称点上恰好反号。于是有
这意味着在阶段Ⅲ滑动摩擦力在x方向上的冲量为零，实际上滑动摩擦力与物块速度方向相反；在阶段Ⅲ的前一半和后一半，物块在x方向上的速度方向相反，因此，作用在物块上的滑动摩擦力方向相反；再由运动轨迹的对称性可知，在阶段Ⅲ的前一半和后一半，滑动摩擦力在x方向上的冲量正好相互抵消。由上述各式得
解得
方向沿轴负方向。
10．（2021·全国竞赛）6个小朋友在操场上玩追逐游戏。开始时，6个小朋友两两间距离相等，构成一正六边形。然后每个小朋友均以不变的速率v追赶前面的小朋友（即小朋友1追2、2追3、3追4、4追5、5追6、6追1），在此过程中，每个小朋友的运动方向总是指向其前方的小朋友。已知某一时刻t0=0，相邻两个小朋友的距离为l，如图所示。试问：
（1）从t0时刻开始，又经过多长时间后面的小朋友可追到前面的小朋友；
（2）从t0时刻开始，直至追上前面的小朋友，每个小朋友又跑了多少路程；
（3）在t0时刻，每个小朋友的加速度大小是多少。
【答案】（1）；（2）2l；（3）
【详解】由对称性知，每个小朋友运动情况是一样的，以小朋友1为例
（1）在从小朋友1到小朋友的2连线方向上，小朋友1相对于小朋友2的速度分量为

小朋友1追上2的时间为

（2）从t0时刻开始，直至追上前面的小朋友每个小朋友所跑的路程为

（3）取小朋友1的运动轨迹为自然坐标系，其切向加速度为

如解题图所示，设经dt时间小朋友1运动到1′点，小朋友2运动到2′点，小朋友1的速度方向变为从1′点指向2′点，转过的角度为dθ。
由余弦定理得
由正弦定理得

式中dθ为中两边与之间的夹角。小朋友1运动的角速度为

小朋友1运动的法向加速度为

则小朋友1的加速度大小为
11．（2019·泉州竞赛）共享单车极大地方便了人们的出行。如图所示，单车在水平地面上行驶的速度为v，单车与人的总质量为m，合质心离地高度为y，质心离前后轮的水平距离分别为，车轮与水平地面间的动摩擦因数为，若前后车轮同时刹车，同时被“抱死”。
（1）求地面对前、后轮的支持力大小N1、N2，及车能滑行的距离；
（2）若车速较快，为保证刹车时不发生危险，y与x1应满足什么关系？
【答案】（1），，；（2）
【详解】（1）自行车刹车时，合质心的合外力矩为零，则
其中
解得
根据牛顿第二定律可得自行车刹车时的加速度大小为
根据位移速度关系可得车能滑行的距离为
（2）若车速较快，刹车时后轮有离地趋势，为保证刹车时不发生危险，应有
解得
12．（2007·全国竞赛）如图所示，B是质量为mB、半径为R的光滑半球形碗，放在光滑的水平桌面上。A是质量为mA的细长直杆，被固定的光滑套管C约束在竖直方向，A可自由上下运动。碗和杆的质量关系为：mB =2mA。初始时，A杆被握住，使其下端正好与碗的半球面的上边缘接触（如图）。然后从静止开始释放A，A、B便开始运动．设A杆的位置用θ表示，θ为碗面的球心O至A杆下端与球面接触点的连线方向和竖直方向之间的夹角。求A与B速度的大小（表示成θ的函数）。
【答案】；
【详解】由题设条件知，若从地面参考系观测，则任何时刻，A沿竖直方向运动，设其速度为vA，B沿水平方向运动，设其速度为vB．若以B为参考系，从B观测，则A杆保持在竖直方向，它与碗的接触点在碗面内作半径为R的圆周运动，速度的方向与圆周相切，设其速度为VA．杆相对地面的速度是杆相对碗的速度与碗相对地面的速度的合速度，速度合成的矢量图如图中的平行四边形所示．由图得
（1）
（2）
因而
（3）
由能量守恒
（4）
由（3）、（4） 两式及得
（5）
（6）
13．（2007·全国竞赛）有一只狐狸以不变速度沿着直线逃跑，一猎犬以不变的速率紧迫，其运动方向始终对准狐狸。某时刻狐狸在处，猎犬在处，，且（如图），试求此时猎犬的加速度的大小。
【答案】
【详解】猎犬做匀速率曲线运动，其加速度的大小与方向在不断改变。从所讨论的时刻开始考虑一段很短的时间Δt，在这段时间内猎犬运动的轨迹可近似看作是一段圆弧，设其半径为，则加速度是
①
其方向与速度的方向垂直。如图6'-7所示，设在这Δt时间内狐狸与猎犬分别到达与，猎犬的速度方向转过的角度为
②
而狐狸跑过的距离是
③
（Δt越小，此式越精确。）因而
④
此题要求学生能就一个具体问题讨论匀速曲线运动中加速度与速度方向的改变的关系，可检查学生对速度、加速度概念的理解。学生如能采用以下解法就更好。
设猎犬在处时加速度为（图6'-8），则在Δt时间内其速度由（方向指向）变为（方向指向），速度增加了，结果是速度大小不变，方向改变的角度为
（Δt越小，上式越准确。）由此立即可得
如果学生对于曲线运动中速度与加速度关系概念不清，则对此题常无从下手，或乱用公式不得要领。
14．（2024·天津竞赛）摩托车以速度v1沿平直公路行驶，突然驾驶员发现正前方x处有一辆汽车正以v2 （v2