2022年北京冬奧會自由式滑雪女子大跳臺比賽中,中國隊運動員谷愛凌力壓世界排名第一的選手,最后一跳以向左偏軸轉體1620°的動作完美逆轉(如圖1),獲得個人首金。大跳臺比賽比賽場地分為助滑區(qū)、起跳臺、著陸坡和終點區(qū)域四個部分。圖2是某技術公司對谷愛凌奪冠一跳的“高度-時間”分析。已知谷愛凌及身上的裝置總質量為m=65kg。根據(jù)這些信息回答下述問題
(1)不考慮運動員轉體的動作,將運動員看作質點。
a、設助滑出發(fā)區(qū)距地面高度為h1,運動員從靜止出發(fā),從起跳臺起跳后能達到的最大高度距地面為h2,不計人體能量的消耗、不計一切摩擦,求運動員在最高點的速度大小v(用字母表示);
b、請你根據(jù)圖2中的信息,估算v大小;
c、運動員落到著陸坡時,垂直坡面方向的速度在極短時間內減為0,因此運動員要承受極大的沖擊力。設運動員在最高點速度約為v=20m/s,落到著陸坡時的速度方向與水平成α=45°,著陸坡的傾角θ=36°,雪板與坡面經大約Δt=0.05s的撞擊時間后繼續(xù)滑行。請根據(jù)以上條件估算運動員受到的沖擊力。(保留1位有效數(shù)字)(可能會用到數(shù)據(jù):sin36°=0.59,cos36°=0.81,sin9°=0.16,sin81°=0.99)(提示,先寫表達式,再代數(shù))。
(2)考慮運動員的轉體動作。
a、若谷愛凌在空中騰空的時間約為3s,在空中轉動的角速度幾乎不變,求她在空中轉動的角速度大小;
b、物體轉動動能可以理解為各部分繞軸轉動的動能之和。已知物體轉動的慣性用物理量I來描述,它的名稱為“轉動慣量”,物體轉動的快慢用角速度ω描述。請類比質點動能表達式Ek=12mv2,寫出物體轉動動能表達式;
c、若將谷愛凌在空中轉動,理想化為一個半徑約為0.20m的圓柱體的轉動,已知圓柱體的轉動慣量為I=12mR2(m為圓柱體質量,R為圓柱體半徑),并假設谷愛凌在沖出跳臺的瞬間(約0.02s)內獲得足夠的角速度,請問她瞬間轉體爆發(fā)的功率大約多大?(保留1位有效數(shù)字)。

E
k
=
1
2
m
v
2
I
=
1
2
m
R
2
【答案】(1)a、運動員在最高點的速度大小;b、v大小為19.7m/s;c、運動員受到的沖擊力4×104N
(2)a、她在空中轉動的角速度大小3πrad/s;b、物體轉動動能表達式;c、瞬間轉體爆發(fā)的功率大約為3×103W。
v
=
2
(
h
1
-
h
2
)
g
(2)a、她在空中轉動的角速度大小3πrad/s;b、物體轉動動能表達式
E
K
=
1
2
I
ω
2
【解答】
【點評】
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