Часть 2. «Оптимальный бросок»
Теорема 1
«О медиане в треугольнике скоростей»
Докажите, что средняя скорость при равноускоренном движении V=s/t является медианой в треугольнике скоростей Vk = V0 + gt. Перемещение за время t движения задаётся уравнением S = V0t + gt2/2.
Теорема 2
«О квадратах скоростей»
Докажите, что квадраты конечной скорости и начальной скорости связаны только через разность высот начальной и конечной точки и не зависят от углов Vk2= V02 – 2gH
Теорема 3
«О площади треугольника скоростей»
Докажите, что площадь треугольника скоростей равна половине произведения дальности полета на ускорение свободного падения S = Lg/2
Теорема 4
«О настильной и навесной траектории»
Докажите, что соответствующие половинки треугольников скоростей для настильной и навесной траектории равны. Используйте признак равенства равновеликих треугольников: «два равновеликих треугольника с равным углом и равной противоположной стороной равны».
Теорема 5
«О максимальной площади»
Если задан угол треугольника и противолежащая к этому углу сторона, то максимальная площадь достигается в случае равнобедренного треугольника.
Теорема 6
«О минимальной стороне»
Если задана площадь и угол треугольника, то минимально возможная противолежащая к этому углу сторона достигается в случае равнобедренного треугольника.
Задача 1
Кот Леопольд, находясь на крыше дома, два раза выстрелил в противоположных направлениях с одинаковыми скоростями камушками из рогатки. Перед падением на землю скорости камушков были направлены перпендикулярно друг другу. Определите высоту h дома, если известно, что суммарное время полёта камушков t0=3c, а времена их движения отличаются в два раза. С какой скоростью камушки были выпущены из рогатки? (ВсОШ, 2021, Региональный этап, 9 кл)
Задача 2
Небольшую петарду подвесили на нити на высоте H над горизонтальной поверхностью. В результате взрыва она распалась на два осколка, которые полетели в противоположные стороны с одинаковыми начальными скоростями V0, направленными вдоль одной прямой. Какое наибольшее расстояние L может оказаться между осколками после их падения? С места падения осколки не смещаются. (ВсОШ, 2017, Региональный этап, 9 кл)
Краткая математическая справка: напомнить/рассказать школьнику о неравенстве Птолемея.
Краткая математическая справка: напомнить/рассказать школьнику о конических сечениях, фокусе, фокальном параметре, эксцентриситете и директрисе, записать уравнение конических сечений в полярных координатах, сделать акцент на параболе.
Определение границы досягаемости: геометрическое место точек, до которых можно добросить тело единственно возможным образом, бросая из одной точки всегда с постоянной скоростью (траектории навесная и настильная совпадают). Свойства границы досягаемости: координатным (традиционным) способом (ограниченные возможности для исследования).
Теорема 7
«Парабола безопасности (максимального удаления
Докажите с помощью треугольника скоростей, что:
1) в точке границы досягаемости скорость Vk всегда перпендикулярна скорости броска V0 и является касательной к границе досягаемости;
2) скорость V0 и Vk всегда направлены по биссектрисе между вертикалью и вектором перемещения, проведенным в точку границы досягаемости;
3) сумма модуля вектора перемещения S и высоты h для любой точки границы досягаемости – величина постоянная и прямо пропорциональна квадрату скорости броска;
4) граница досягаемости представляет собой параболоид (определите положение его фокуса, директрисы, величину фокального параметра).
«Неожиданно простые блиц задачи»
Задача 3
С некоторой высоты бросили горизонтально тело. Известно, что нулевой уровень потенциальной энергии откалиброван так, что потенциальная энергия равна кинетической энергии брошенного тела (ЕК = ЕП):
1) под каким углом тело пересечет нулевой уровень потенциальной энергии;
2) докажите, что высота Нmax, соответствующая уровню полной механической энергии, в два раза больше высоты Н горизонтального броска (Нmax=2H);
3) докажите, что дальность полета по горизонтали до точки пересечения уровня нулевой потенциальной энергии телом также равна Hmax (L=2Н);
4) докажите, что сумма радиус-вектора, проведенного из точки (0;0), и высоты, на которой находится в данный момент тело, величина постоянная и равная Нmax (r+h= Нmax);
5) докажите, что радиус-вектор, проведенный из точки (0;0), по модулю равен квадрату скорости тела в данный момент времени деленной на 2g (r=v2 /2g);
6) докажите, что расстояние от тела до уровня полной механической энергии в любой момент времени равно модулю радиус-вектора, проведенного из точки (0;0);
7) докажите, что скорость тела V в данный момент времени всегда направлена по биссектрисе угла между вертикалью и радиус-вектором, проведенным из точки (0;0);
8) определите зависимость радиус-вектора, проведенного из точки (0;0), от угла между вертикалью и этим радиус вектором;
9) где находится фокус параболы, по которой движется тело, и где находится её директриса.
Задача 4
Дана вертикаль, две точки в пространстве и отрезок длинной v2/2g. Определите геометрически, где расположена максимальная высота подъема тела, пролетающего через эти две точки, где V – это скорость одной из точек. Рассмотрите все принципиально различные ситуации.
Задача 5
Докажите теорему 7 используя геометрические свойства парабол.
Поздравляю, теперь у нас несколько принципиально различных способов решения задач на оптимальный бросок!
«Классическая задача о максимальной дальности полета»
Задача 6
При осаде древней крепости осаждённые вели стрельбу по наступающему противнику с помощью катапульт из-за крепостной стены высотой h=20,4 м. Начальная скорость снарядов V0=25 м/с. На каком максимальном расстоянии Lmax от стены находились цели, которых могли достигать снаряды катапульт? (ВсОШ, 2004, финал, 9кл)
Задача 7
Склон горы составляет угол α с горизонтом. На какое максимальное расстояние вниз вдоль склона можно забросить камень, если его начальная скорость равна V0?
Задача 8
С какой минимальной скоростью следует бросить камень с горизонтальной поверхности земли, чтобы он смог перелететь через дом с покатой крышей длинной S? Ближайшая стена имеет высоту h, задняя слева — высоту H.
Задача 9
В открытой прямоугольной коробке сидит кузнечик, который умеет прыгать с начальной скоростью V0=3 м/с под любым углом к горизонту. На какой минимальный угол к горизонту нужно наклонить коробку, чтобы кузнечик смог из неё выпрыгнуть? Считать, что каждая грань коробки является квадратом со стороной h=52 см. (МОШ, 2008, 10)
Задача 10
Плоская поверхность горы наклонена под углом α=300 к горизонту. Перпендикулярно поверхности установлен тонкий забор, высшая точка которого находится на расстоянии h=7 м от поверхности горы. Требуется перебросить через забор маленький камень, бросив его с поверхности горы. Найдите минимальную начальную скорость, при которой это можно сделать, если место броска и направление начальной скорости можно выбирать произвольно. («Физтех», 2011, 10 кл)
Задача 11
C вершины купола, имеющего форму полусферы радиуса R и стоящего на горизонтальной поверхности земли, бросают камень. С какой минимальной скоростью V0 можно бросить, чтобы в процессе своего полёта он не ударился о поверхность купола? Под каким углом a к горизонту его следует бросать при этом? (IPhO 2012)
Задача 12
В боковой вертикальной стенке широкого сосуда с водой, заполненным до уровня H, имеется небольшое отверстие, расположенное на расстоянии h от поверхности воды в сосуде. Стенка сосуда находится у подножия холма, плоский склон которого направлен под углом α к горизонту. Чему должна быть равна высота h, чтобы дальность полета струи воды, вытекающей из отверстия, была максимальна (фольклор для α=0).