Question

3．某運(yùn)動(dòng)員做跳傘訓(xùn)練，他從懸停在空中的直升飛機(jī)上由靜止跳下，做自由落體運(yùn)動(dòng)，跳離飛機(jī)一段時(shí)間后打開(kāi)降落傘做減速下落，然后做勻速運(yùn)動(dòng)落到地面，他打開(kāi)降落傘的速度圖線如圖a．降落傘用8根對(duì)稱(chēng)的繩懸掛運(yùn)動(dòng)員，每根繩與中軸線的夾角均為37°，如圖b．已知他打開(kāi)降落傘落到地面所用時(shí)間為t=20s，人的質(zhì)量為m₁=60kg，降落傘質(zhì)量為m₂=10kg，不計(jì)人所受的阻力，打開(kāi)傘后所受阻力f與速度v成正比，即f=kv（g取10m/s²，sin37²=0.6，cos37°=0.8），求：
（1）阻力系數(shù)k和打開(kāi)傘瞬間的加速度a的大小和方向？
（2）懸繩能夠承受的拉力至少為多少？
（3）人下落的距離為多大？

Answer 1

分析 （1）抓住平衡，根據(jù)kv=（m₁+m₂）g求出阻力系數(shù)，根據(jù)牛頓第二定律求出加速度的大小；
（2）對(duì)人分析，根據(jù)牛頓第二定律求出拉力的大��；
（3）根據(jù)速度位移公式求出打開(kāi)降落傘前人下落的高度，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律求出打開(kāi)降落傘后人做變加速運(yùn)動(dòng)下落的高度，二者相加即為人下落的距離．

解答 解：（1）由圖a可知，當(dāng)速度v=5m/s時(shí)，物體做勻速運(yùn)動(dòng)，受力平衡，
則有：kv=（m₁+m₂）g，
k=$\frac{（{m}_{1}+{m}_{2}）g}{v}$=140N•s/m．
打開(kāi)傘瞬間對(duì)整體，根據(jù)牛頓第二定律可得，
kv₀-（m₁+m₂）g=（m₁+m₂）a
解得：a=$\frac{k{v}_{0}}{{m}_{1}+{m}_{2}}$-g=30m/s²，方向豎直向上．
（2）設(shè)每根繩拉力為T(mén)，以運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，根據(jù)牛頓第二定律可得，
則有：8Tcos37°-m₁g=m₁a，
解得：T=$\frac{{m}_{1}（g+a）}{8cos37°}$=375N，
由牛頓第三定律得，懸繩能承受的拉力為至少為375N．
（3）由v-t圖知，人打開(kāi)降落傘時(shí)速度v₀=20m/s，
則打開(kāi)降落傘前人下落的距離為：
h₀=$\frac{{v}_{0}^{2}}{2g}$=20m，
設(shè)人和傘的總質(zhì)量為m，打開(kāi)降落傘后人做變加速運(yùn)動(dòng)，任意取無(wú)限小的一段時(shí)間△t，
則有：△h=v△t------①
又因?yàn)関=$\frac{f}{k}$------②
根據(jù)牛頓第二定律可得，
mg-f=ma------③
聯(lián)立①②③可解得：△h=$\frac{mg-ma}{k}$△t，
由于a△t=△v，
則有：△h=$\frac{mg}{k}$△t-$\frac{m}{k}$△v，
兩邊求和：h₁=$\frac{mg}{k}$t-$\frac{m}{k}$[（v₁-v₀）+（v₂-v₁）+…+（v_n-v_n-1）]，
解得：h₁=107.5m，
則人下落的距離h=h₀+h₁=127.5m．
答：（1）阻力系數(shù)k為140N•s/m；打開(kāi)傘瞬間的加速度a的大小為30m/s²，方向豎直向上；
（2）懸繩能夠承受的拉力至少為375N；
（3）人下落的距離為127.5m．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了共點(diǎn)力平衡和牛頓第二定律的基本運(yùn)用，關(guān)鍵合理地選擇研究的對(duì)象，通過(guò)圖象能夠得出人和降落傘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用牛頓第二定律即可進(jìn)行求解，難度不大．