Question

5．一架在海疆上空勻速巡航的飛機計劃投彈轟炸侵入海疆的敵艦．飛機距離海面高度為h，以速度v₁勻速飛行，敵艦以速度v₂同向航行，v₁＞v₂，飛機與敵艦航線在同一豎直平面內(nèi)．不計炸彈受到的空氣阻力．
（1）為使從飛機上釋放的炸彈能擊中敵艦，釋放炸彈時，飛行員到敵艦的視線的俯角（即飛機和敵艦連線與水平方向夾角）應(yīng)為多大？（以反正切表示出俯角）；
（2）飛行員從釋放炸彈到聽到敵艦爆炸聲，經(jīng)歷的時間是多少？已知爆炸聲的傳播速度為v₃，v₃＞v₁，設(shè)炸彈擊中敵艦后敵艦立即爆炸；
（3）若釋放炸彈時，敵艦剛好關(guān)閉發(fā)動機，已知敵艦關(guān)閉發(fā)動機后所受阻力恒為f，敵艦質(zhì)量為m，飛行員在距離敵艦水平距離為多少時投放炸彈炸彈，炸彈能擊中敵艦？

Answer 1

分析 （1）炸彈釋放后做平拋運動，根據(jù)平拋運動的基本公式求出運動時間和水平位移，再根據(jù)幾何關(guān)系求出飛行員到敵艦的視線的俯角的正切值即可；
（2）先求出擊中敵艦時，敵艦到飛行員的距離，再求出聲音傳到飛行員的時間，而飛行員從釋放炸彈到聽到敵艦爆炸聲經(jīng)歷的時間為此時間加上炸彈飛行的時間；
（3）敵艦關(guān)閉發(fā)動機，做勻減速直線運動，求出敵艦運動的最長時間和最長位移，再分敵艦被擊中時是靜止還是運動兩種情況分析即可求解．

解答 解：（1）從釋放炸彈到擊中敵艦的過程：
炸彈平拋時間 $t=\sqrt{\frac{2h}{g}}$，
飛機水平位移${s}_{1}={v}_{1}t={v}_{1}\sqrt{\frac{2h}{g}}$，
敵艦水平位移  ${s}_{2}={v}_{2}t={v}_{2}\sqrt{\frac{2h}{g}}$，
可得tanθ=$\frac{h}{{s}_{1}-{s}_{2}}=\frac{\sqrt{gh}}{\sqrt{2}（{v}_{1}-{v}_{2}）}$．
所以θ=$arctan[\frac{\sqrt{gh}}{\sqrt{2}（{v}_{1}-{v}_{2}）}]$．
（2）設(shè)敵艦爆炸聲傳到飛機的時間為t′，則有：$（{v}_{3}t{′）}^{2}=（{v}_{1}t′）^{2}+{h}^{2}$，
可得$t′=\frac{h}{\sqrt{{{v}_{3}}^{2}-{{v}_{1}}^{2}}}$．
所以飛行員從釋放炸彈到聽到敵艦爆炸聲經(jīng)歷的時間為：
t_總=t+t′=$\sqrt{\frac{2h}{g}}+\frac{h}{\sqrt{{{v}_{3}}^{2}-{{v}_{1}}^{2}}}$．
（3）敵艦?zāi)軌蜻\動的最長時間為${t}_{1}=\frac{{v}_{2}}{\frac{f}{m}}=\frac{m{v}_{2}}{f}$，最長位移${s}_{3}=\frac{{{v}_{2}}^{2}}{2a}=\frac{m{{v}_{2}}^{2}}{2f}$．
a．t≥t₁，炸彈擊中敵艦時，敵艦已停止運動，△s=v₁t-s₃=${v}_{1}\sqrt{\frac{2h}{g}}-\frac{m{{v}_{2}}^{2}}{2f}$．
b．t＜t₁，炸彈擊中敵艦時，敵艦運動距離為：${s}_{4}={v}_{2}t-\frac{1}{2}a{t}^{2}$=${v}_{2}\sqrt{\frac{2h}{g}}-\frac{fh}{mg}$．
$△s={v}_{1}t-{s}_{4}=（{v}_{1}-{v}_{2}）\sqrt{\frac{2h}{g}}+\frac{fh}{mg}$．
答：（1）飛行員到敵艦的視線的俯角（即飛機和敵艦連線與水平方向夾角）應(yīng)為$arctan[\frac{\sqrt{gh}}{\sqrt{2}（{v}_{1}-{v}_{2}）}]$．
（2）飛行員從釋放炸彈到聽到敵艦爆炸聲，經(jīng)歷的時間是$\sqrt{\frac{2h}{g}}+\frac{h}{\sqrt{{{v}_{3}}^{2}-{{v}_{1}}^{2}}}$．
（3）t≥t₁，飛行員在距離敵艦水平距離為${v}_{1}\sqrt{\frac{2h}{g}}-\frac{m{{v}_{2}}^{2}}{2f}$．t＜t₁，飛行員在距離敵艦水平距離為$（{v}_{1}-{v}_{2}）\sqrt{\frac{2h}{g}}+\frac{fh}{mg}$．

點評 本題主要考查了平拋運動基本規(guī)律及運動學基本公式的直接應(yīng)用，抓住水平位移的關(guān)系列式求解，注意幾何關(guān)系在解題中的應(yīng)用，難度適中．