Question

5．翼型飛行器有很好的飛行性能．其原理是通過對(duì)降落傘的調(diào)節(jié)，使空氣升力和空氣阻力都受到影響．同時(shí)通過控制動(dòng)力的大小而改變飛行器的飛行狀態(tài)．已知：飛行器的動(dòng)力F始終與飛行方向相同，空氣升力F₁與飛行方向垂直，大小與速度的平方成正比，即F₁=C₁v²；空氣阻力F₂與飛行方向相反，大小與速度的平方成正比，即F₂=C₂v²．其中C_l、C₂相互影響，可由運(yùn)動(dòng)員調(diào)節(jié)，滿足如圖甲所示的關(guān)系．飛行員和裝備的總質(zhì)量為90kg．（重力加速度取g=10m/s²）

（1）若飛行員使飛行器以v₁=10$\sqrt{3}$m/s速度在空中沿水平方向勻速飛行，如圖乙（a）所示．則飛行器受到動(dòng)力F大小為多少？
（2）若飛行員關(guān)閉飛行器的動(dòng)力，使飛行器勻速滑行，且滑行速度v₂與地平線的夾角θ=30°，如圖乙（b）所示，則速度v₂的大小為多少？（結(jié)果可用根式表示）
（3）若飛行員使飛行器在空中的某一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖乙（c）所示，在此過程中C₂只能在1.75～2.5N•s²/m²之間調(diào)節(jié)，且C_l、C₂的大小與飛行器的傾斜程度無關(guān)．則飛行器繞行一周動(dòng)力F做功的最小值為多少？

Answer 1

分析 （1）物體做直線運(yùn)動(dòng)的條件是所受的合力方向與速度方向在一條直線上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員和翼型傘的受力情況進(jìn)行判斷；
（2）由①位置的受力分析，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)重力進(jìn)行分解，根據(jù)平衡條件求解；
（3）豎直方向勻速運(yùn)動(dòng)，水平方向做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)力的做功表達(dá)式，結(jié)合前面條件，即可求解．

解答 解：（1）由受力分析可知：$mg={C_1}v_1^2$
得C₁=3N•s²/m²，由C_l、C₂關(guān)系圖象可得  C₂=2.5N•s²/m²
動(dòng)力  $F={F_2}={C_2}v_1^2$
所以   F=750N             
（2）由受力分析可知
   $mgcosθ={C_1}v_2^2$
    $mgsinθ={C_2}v_2^2$
解得  ${C_1}=\sqrt{3}{C_2}$
在右圖中過原點(diǎn)作直線正確得到直線與曲線的交點(diǎn)．C₂=2.3N•s²/m²，C₁=4N•s²/m²，得 v₂約為$\sqrt{195}$m/s．
   
（3）設(shè)此時(shí)飛行器飛行速率為v，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R，
F₁與豎直方向夾角為α，則有：
豎直方向合力為零  $mg={C_1}{v^2}cosα$
水平方向合力提供向心力  ${C_1}{v^2}sinα=\frac{{m{v^2}}}{R}$
動(dòng)力  $F={F_2}={C_2}{v^2}$
繞行一周動(dòng)力做的功為  $W=F•2πR=\frac{{2π{C_2}{m^2}g}}{C_1^2sinα．cosα}$
當(dāng)C₂=1.75N•s²/m²，C₁=6N•s²/m²，α=45°時(shí)，
W有最小值．W_min=49455J
答：（1）飛行器受到動(dòng)力F大小為750N；
（2）速度v₂的大小為$\sqrt{195}$m/s；
（3）飛行器繞行一周動(dòng)力F做功的最小值為49455J．

點(diǎn)評(píng) 能正確地理解題目所提示的信息，并有一定的數(shù)據(jù)解讀能力是解決該題的關(guān)鍵，能建立物理模型，來簡(jiǎn)化實(shí)際問題．