2022年北京冬奥会自由式滑雪女子大跳台比赛中,中国队运动员谷爱凌力压世界排名第一的选手,最后一跳以向左偏轴转体1620°的动作完美逆转(如图1),获得个人首金。大跳台比赛比赛场地分为助滑区、起跳台、着陆坡和终点区域四个部分。图2是某技术公司对谷爱凌夺冠一跳的“高度-时间”分析。已知谷爱凌及身上的装置总质量为m=65kg。根据这些信息回答下述问题
(1)不考虑运动员转体的动作,将运动员看作质点。
a、设助滑出发区距地面高度为h1,运动员从静止出发,从起跳台起跳后能达到的最大高度距地面为h2,不计人体能量的消耗、不计一切摩擦,求运动员在最高点的速度大小v(用字母表示);
b、请你根据图2中的信息,估算v大小;
c、运动员落到着陆坡时,垂直坡面方向的速度在极短时间内减为0,因此运动员要承受极大的冲击力。设运动员在最高点速度约为v=20m/s,落到着陆坡时的速度方向与水平成α=45°,着陆坡的倾角θ=36°,雪板与坡面经大约Δt=0.05s的撞击时间后继续滑行。请根据以上条件估算运动员受到的冲击力。(保留1位有效数字)(可能会用到数据:sin36°=0.59,cos36°=0.81,sin9°=0.16,sin81°=0.99)(提示,先写表达式,再代数)。
(2)考虑运动员的转体动作。
a、若谷爱凌在空中腾空的时间约为3s,在空中转动的角速度几乎不变,求她在空中转动的角速度大小;
b、物体转动动能可以理解为各部分绕轴转动的动能之和。已知物体转动的惯性用物理量I来描述,它的名称为“转动惯量”,物体转动的快慢用角速度ω描述。请类比质点动能表达式Ek=12mv2,写出物体转动动能表达式;
c、若将谷爱凌在空中转动,理想化为一个半径约为0.20m的圆柱体的转动,已知圆柱体的转动惯量为I=12mR2(m为圆柱体质量,R为圆柱体半径),并假设谷爱凌在冲出跳台的瞬间(约0.02s)内获得足够的角速度,请问她瞬间转体爆发的功率大约多大?(保留1位有效数字)。

E
k
=
1
2
m
v
2
I
=
1
2
m
R
2
【答案】(1)a、运动员在最高点的速度大小;b、v大小为19.7m/s;c、运动员受到的冲击力4×104N
(2)a、她在空中转动的角速度大小3πrad/s;b、物体转动动能表达式;c、瞬间转体爆发的功率大约为3×103W。
v
=
2
(
h
1
-
h
2
)
g
(2)a、她在空中转动的角速度大小3πrad/s;b、物体转动动能表达式
E
K
=
1
2
I
ω
2
【解答】
【点评】
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