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第1~2章 质点的运动、第二章 质点动力学

第1~2章 质点的运动、第二章	质点动力学
第1~2章 质点的运动、第二章	质点动力学

第一章 质点的运动

1-1已知质点运动方程为t R x ω-=sin ,)cos 1(t R y ω-=,式中R ,ω为常量,试求质点作什么运动,并求其速度和加速度。

解:

cos ,sin x y dx dy v Rw wt v Rw wt dt dt v Rw

=

=-==-∴==

222

sin ,cos y x

x y dv dv a Rw wt a Rw wt dt dt a Rw =

===∴==

sin ,(1cos )x R wt y R wt ==-

222()x y R R ∴+-=轨迹方程为

质点轨迹方程以R 为半径,圆心位于(0,R )点的圆的方程,即质点作匀速率圆

周运动,角速度为ω;速度v = R ω;加速度 a = R ω2

1-2竖直上抛运动的物体上升到高度h 处所需时间为t 1,自抛出经最高点再回到同一高度h 处所需时间为t 2,求证:h =gt 1 t 2/2

解:设抛出点的速度为v 0,从高度h 到最高点的时间为t 3,则

012132012221201112()0,2()/2()11

222

12

v g t t t t t v g t t t t h v t gt g t gt gt t -+=+=∴=++∴=-

=-= 1-3一艘正以v 0匀速直线行驶的汽艇,关闭发动机后,得到一个与船速反向大小与船速平方成正比的加速度,即a =-kv 2,k 为一常数,求证船在行驶距离x 时的速率为v=v 0e -kx .

解:取汽艇行驶的方向为正方向,则

020

0,,ln v x

v kx

dv

dx a kv v dt

dt

dv dv kvdt kdx v v dv kdx v v

kx v v v e -==-=

=-=-∴=-=-∴=?? 1-4行人身高为h ,若人以匀速v 0用绳拉一小车行走,而小车放在距地面高为H 的光滑平台上,求小车移动的速度和加速度。

解:人前进的速度V 0,则绳子前进的速度大小等于车移动的速度大小,

222

202

22203/222220()()()l v t H h dl

dt H h v d l dt H h v t =+-∴=

-=??-+??

所以小车移动的速度220

2

2

0)(t

v h H t

v v --=

小车移动的加速度[]

2/3220

2

2

2)

()(t

v h H v h H a +--=

1-5一质点由静止开始作直线运动,初始的加速度a 0,以后加速度以t b

a a a 0

0+=均匀增加(式中b 为一常数),求经t 秒后,质点的速度和位移。

解:

002

00000200223000000,()()2,2226v

t

t

x a a dv a a a t dv a t dt dt

b

b

a a t dv a t dt v a t

b b

a t dx

v vdt dx

a t dt dx

dt

b a t a t a t a t dt dx x b b

=

=+

∴=+

=+∴=+

??==∴+= ??

???

+=∴=+

???

????

1-6一足球运动员在正对球门前25.0m 处以20.0m·s -

1的初速率罚任意球,已知球门高

为3.44m 。若要在垂直于球门的竖直平面内将足球直接踢进球门,问他应在与地面成什么角度的范围内踢出足球?(足球可视为质点)

解:由运动方程2

1cos ,sin 2

x vt y vt gt θθ==-

,消去t 得轨迹方程, 222(1)2g

y xtg tg x v θθ=-

+ 以x =25.0m ,v =20.0ms -

1,以及3.440m y ≥≥代入后得

1269.9271.1118.8927.92

θθ≤≤≤≤

1-7一人扔石头的最大出手速率为v =25m/s ,他能击中一个与他的手水平距离L=50m ,高h=13m 的目标吗?在此距离上他能击中的最大高度是多少?

解:由运动方程2

1cos ,sin 2

x vt y vt gt θθ==-

,消去t 得轨迹方程 22

2(1)2g y xtg tg x v

θθ=-

+ 以x =05.0m ,v =25ms -1

代入后得

222

2250(1)50225

5020(1)5

20()11.25

4

g

y tg tg tg tg tg θθθθθ=-

+??=-+=--+ 取g =10.0,则当 1.25tg θ=时,max 11.25y =〈13

所以他不能射中,能射中得最大高度为max 11.25y = 1-8质点做半径为R 的圆周运动,其路程按规律2

2

1bt ct s -

=运动,式中b 、c 为常数,求:(1)t 时刻质点的角速度和角加速度;(2)当切向加速度等于法向加速度时,质点运动经历的时间。

解:(1)质点做圆周运动的速率ds

v c bt dt =

=- /c bt

w v R R R ∴==-角速度

切向加速度

22t d s

a b dt ==- t a b

R R

β∴==-角加速度

(2)法向加速度22

n ()v c bt a R R -==

当t n a a =时,2

()c bt b R

-=-

2()c bt Rb c t b ∴-==±

1-9一质点作半径为R 的圆周运动,初速为v 0,若其加速度a 与速度v 之间的夹角θ

恒定不变,求质点运动的速率随时间的变化v (t),及其切向加速度、法向加速度的大小。

解:速度沿着切向方向,加速度与速度成恒定的夹角,则

02

2

2

0sin ,cos 11n t t v v dv v a a a a dt R

dv

ctg dt R v dv ctg dt R v θθθθ====

∴==?? 00v R

v R v t ctg θ

∴=-?;

222

002

00()/()n v R v R v a R R R v t ctg R v t ctg θθ===

-?-?;

202

0()n t a v Rctg a tg R v t ctg θ

θθ==

-?

1-10飞机以100m·s -1的速度沿水平直线飞行,在离地面高为100m 时,驾驶员要把物品投到前方某一地面目标处。问:(1)此时目标在飞机下方前多远?(2)投放物品时,驾驶员看目标的视线和水平线成何角度?(3)物品投出2s 后,它的法向加速度和切向加速度各为多少? 解:

(1

21y gt t 2452x m ∴== =,(2) 5.12==θ

x

y

arctg

(3

)2222n v dv dt 1.96/,10.0(m 9.80/,10.0

(9.62/9.8)

t t

a a m s g a g

a m s g m s ∴====∴=== 2==

或1.88/s ,g=9.8)

或,g =

1-11一无风的下雨天,一列火车以v 1=20m/s 的速度匀速前进,在车内的旅客看见玻璃窗外的雨滴和垂线成75°角下降,求雨滴下落的速度v 2。(设下降的雨滴作匀速运动)

解:以地面为参考系,火车相对地面运动的速度为V 1,雨滴相对地面竖直下落的速度为V 2,旅客看到雨滴下落速度V 2’为相对速度,它们之间的关系为

221'v v v =+

121/75 5.36v v tg ms -∴==

1-12升降机以加速度a 0=1.22m·s -2上升,当上升速度为2.44m·s -1时,有一螺帽自升降机的天花板脱落,天花板与升降机的底面相距2.74m ,试求:(1)螺帽从天花板落到底面所需时间;(2)螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离。

解:(1)以升降机为参考系,此时,螺丝相对它的加速度为a ’=g+a,螺丝落到底面时,

2

1

0()2

0.705h g a t t s

=-+==

(2)由于升降机在t 时间内的高度为

2

01

'2h v t at =+

则'0.716d h h m =-=

1-13飞机A 相对地面以v A =1000km/h 的速率向南飞行,另一飞机B 相对地面以v B =800 km/h 的速率向东偏南30°方向飞行。求飞机A 相对飞机B 的速度。

解:

(1)

(2)

v’

u

(

)

1000,4001000400tg 4052',A B A B

v j v j v v v j j θθ==+=-+∴=

=

=-方向西偏南

916/v km h ==

1-14 一人能在静水中以1.10m·s 的速度划船前进,今欲横渡一宽为1000m 、水流速

度为0.55m·s -

1的大河。(1),那么应如何确定划行方向?到达正对岸需多少时间?(2)如果希望用最短的时间过河,应如何确定划行方向?船到达对岸的位置在什么地方?

解:如图(1)若要从出发点横渡该河而到达正对岸的一点,则划行速度和水流速度u 的合

速度的方向正对着岸,设划行速度v ' 合速度v 的夹角为α

sin sin 0.55/1.10.5cos v u u

v ααα'∴==

=='= 31.0510cos d d t s v v α

=

==?' 如图(2)用最短的时间过河,则划行速度的方向正对着岸

,500d d

t l ut u m v v ∴=

===''

1-15设有一架飞机从A 处向东飞到B 处,然后又向西飞回到A 处,飞机相对空气的速率为v ',而空气相对地面的速率为u ,A 、B 间的距离为l 。

(1)假定空气是静止的(即u =0),求飞机来回飞行的时间; (2)假定空气的速度向东,求飞机来回飞行的时间; (3)假定空气的速度向北,求飞机来回飞行的时间。

解:由相对速度的矢量关系'v v u =+ 有

(1)空气时静止的,即u =0,则往返时,飞机相对地面的飞行速度就等于飞机相对空

气的速度v ’(图(1)),故飞机来回飞行的时间

02'''

AB BA l l l

t t t v v v =+=

+= (2) 空气的速度向东时,当飞机向东飞行时,风速与飞机相对空气的速度同向;返回时,两者刚好相反(图(2)),故飞机来回飞行的时间为

21

102(1'''

AB BA

l l u t t t t v u v u v -=+=+=-+- (3) 空气的速度向北时,飞机相对地面的飞行速度的大小由'v v u =+

可得

v =

1

22202(1)'AB BA l l u t t t t v v v -=+=+==

=-

第二章 质点动力学

2-1一物体从一倾角为30?的斜面底部以初速v 0=10m·s -1向斜面上方冲去,到最高点后又沿斜面滑下,当滑到底部时速率v =7m·s -1,求该物体与斜面间的摩擦系数。

解:物体与斜面间的摩擦力f =uN =umgcos30?

物体向斜面上方冲去又回到斜面底部的过程由动能定理得

22011

2(1)

22

mv mv f s -=-?

物体向斜面上方冲到最高点的过程由动能定理得

201

0sin 302

mv f s mgh f s mgs -=-?-=-?-

2(2)

s ∴=

把式(2)代入式(1)得,

22

0.198

u =

2-2如本题图,一质量为m 的小球最初位于光滑圆形凹槽的A 点,然后沿圆弧ADCB 下滑,试求小球在C 点时的角速度和对圆弧表面的作用力,圆弧半径为r 。

解:小球在运动的过程中受到重力G 和轨道对它的支持力T

.取如图所示的自然坐标系,由牛顿定律得

22

sin (1)

cos (2)

t n dv F mg m

dt

v F T mg m R

αα=-==-=

由,,1ds rd rd v dt dt dt v

αα=

==得代入式(), A 并根据小球从点运动到点C 始末条件进行积分有,

90

2

n (sin )m cos 3cos '3cos ,e v vdv rg d v v

r

v mg mg r

mg α

αα

ωαα

α=-===+==-=-?

?

得则小球在点C 的角速度为

=由式(2)得 T 由此可得小球对园轨道得作用力为

T T 方向与反向

2-3如本题图,一倾角为θ 的斜面置于光滑桌面上,斜面上放一质量为m 的木块,两

习题2-2图

者间摩擦系数为μ,为使木块相对斜面静止,求斜面的加速度a 应满足的条件。

解:如图所示

()

1212min max sin ,cos cos sin (1)

sin cos 2(1)(2)(sin cos )(cos sin )

(sin cos )()

(cos sin )1(2)(1)(sin cos )(cos sin )

(sin cos a a a a N mg ma ma mg uN m a ma u g u a u g u g tg u a u utg u g u a u g u a θθθθθθ

θθθθθθθθθθθθθθθ==∴-==±==?+-=+--∴==

++-?+=-+∴=得,得,)()

(cos sin )1()()11g tg u u utg g tg u g tg u a utg utg θθθθθ

θθθθ

+=

---+∴≤≤+- 2-4如本题图,A 、B 两物体质量均为m ,用质量不计的滑轮和细绳连接,并不计摩擦,则A 和B 的加速度大小各为多少 。 解:如图由受力分析得

(1)(2)2(3)2(4)g

g

A A

B B A B A B

A B mg T ma T mg ma a a T T a a -=-===1

解得=-52=-5

2-5如本题图所示,已知两物体A 、B 的质量均为m=3.0kg ,物体A 以加速度a =1.0m/s 2

运动,求物体B 与桌面间的摩擦力。(滑轮与连接绳的质量不计)

解:分别对物体和滑轮受力分析(如图),由牛顿定律和动力学方程得,

()

()()

1f 111f (1)''(2)2'(3)'2(4)

5'6'7(4)7.22

A T A T

B T T A B T T T T m g F m a F F m a a a F F m m m F F F F mg m m a

F N

-=-======-+=

==解得

2-6质量为M 的三角形木块,放在光滑的水平桌面上,另一质量为m 的木块放在斜面上(如本题图所示)。如果所有接触面的摩擦均可忽略不计,求M 的加速度和m 相对M 的加

习题2-4图

习题2-5图

习题2-3图

m

a A

a B

速度。

解:(如图)m 相对M 的相对加速度为m

a ',则 cos ,sin ,mx

m my m a a a a θθ''''== 在水平方向,

cos mx

mx Mx mx mx

Mx m M a a a a a a a a θ'=-''∴=+=-+

在竖直方向

sin my

my my m

a a a a θ'='∴=

由牛顿定律可得,

sin cos cos sin sin mx m

M my m M

N ma ma ma mg N ma ma N Ma θθθθθ'-==-+'-===

解得θ

+θθ=

2

sin cos sin m M mg a M , 2()sin sin m M m g a M m θ

θ++= 2-7在一只半径为R 的半球形碗内,有一粒质量为m 的小钢球。当钢球以角速度ω在

水平面内沿碗内壁作匀速圆周运动时,它距碗底有多高?

解:取钢球为隔离体,受力分析如图所示,在图示坐标中列动力学方程得,

2sin sin cos cos ()/n F ma mR F mg R h R

θωθθθ====-

解得钢球距碗底的高度

2ω-

=g R h

2-8光滑的水平面上放置一半径为R 的固定圆环,物体紧贴环的内侧作圆周运动,其摩擦系数为μ。物体的初速率为v 0,求:(1)t 时刻物体的速率;(2)当物体速率从v 0减少到v 0/2时,物体所经历的时间及经过的路程。

解:(1)设物体质量为m ,取图示的自然坐标系,由牛顿定律得,

02

2

22t

v 2

v (1)

(2)(3)4dv 4dt u v N n f t f N

v F ma m R dv F m a m dt

F uF v dv

u R dt ===-=-=-

??0由上三式可得=()R 对()式积分得=-

习题2-6图

0Rv v R v t

μ∴=

+

(2) 当物体速率从v 0减少到v 0/2时,由上式0

0Rv v

R v t

μ∴=

+可得物体所经历的时间

0t R v μ

'=

经过的路程

t t 00

0vdt dt ln 2Rv R

s R v t μμ

''

=+??

==

2-9从实验知道,当物体速度不太大时,可以认为空气的阻力正比于物体的瞬时速度,

设其比例常数为k 。将质量为m 的物体以竖直向上的初速度v 0抛出。 (1)试证明物体的速度为

t m k

t

m k

e v e k

mg v --+-=0)1(

(2)证明物体将达到的最大高度为

)1ln(020mg

kv k g m k mv H +-=

(3)证明到达最大高度的时间为

)1ln(0mg

kv k m

t H +=

证明:由牛顿定律可得

000

002

2

0200ln (1)(2),()

ln(13t

v

v m

m

t t k k

x mg mg kv mdv dt mg kv

mg kv m mg t v e v e k mg kv k

mvdv

dx mg kv

mg kv u du kdv

k mgdu k mgdu

dx mdu dx mdu m u m u

mv kv m g x k k mg m t k --+-=++∴==-++=-

++==∴

=-+=-+∴=-+=?

?

?? dv

(1)-mg-kv=m ,

dt

,dv -mg-kv=mv ,dx 令,)

()0

ln

0t ln mg kv mg kv

mg kv m v k mg k +++∴=+当时,=即为到达最高点的时间

2-10质量为m 的跳水运动员,从距水面距离为h 的高台上由静止跳下落入水中。把跳

水运动员视为质点,并略去空气阻力。运动员入水后垂直下沉,水对其阻力为-b v 2,其中b

y

f =-kv

mg

v

为一常量。若以水面上一点为坐标原点O ,竖直向下为Oy 轴,求:(1)运动员在水中的速率v 与y 的函数关系;(2)跳水运动员在水中下沉多少距离才能使其速率v 减少到落水速率v 0的1/10?(假定跳水运动员在水中的浮力与所受的重力大小恰好相等)

解:运动员入水可视为自由落体运动,所以入水时的速度为

0v =,入水后如图由牛顿定律的

02

20//0100

mg-f-F=ma mg=F f=bv dv a=dt v dy (2)0.4,0.1m v

y ln 5.76m b y v v by m by m dv v dy dv

b mv

dy

b dv m v

v v e m v v v ---=∴-=-=====??b

将已知条件代入上式得,m

=-

2-11一物体自地球表面以速率v 0竖直上抛。假定空气对物体阻力的值为f =-km v 2,其中k 为常量,m 为物体质量。试求:(1)该物体能上升的高度;(2)物体返回地面时速度的值。

解:分别对物体上抛和下落时作受力分析(如图),

h

12

0m 1ln()2v 01

ln()

2(2)m v=v 1g

y

v

v v

vdv dy g k g k y k g k g k k g vdv

dy g k k =-++∴=-+∴+=-∴+

?

?

?

?

22

2

2

20max 22

2-/0dv mvdv

(1)-mg-k v =m

=,dt dy v v v 物体达到最高点时,=,故v h=y =dv mvdv

下落过程中,-mg+k v =m

=dt dy

-v v ()

2-12长为60cm 的绳子悬挂在天花板上,下方系一质量为1kg 的小球,已知绳子能承

受的最大张力为20N 。试求要多大的水平冲量作用在原来静止的小球上才能将绳子打断?

解:由动量定理得

000

I mv I v m

?=-?∴=

,如图受力分析并由牛顿定律得,

20

20

220/20

2.47mv T mg l mv T mg l

mg I l I Ns

-=

=+≥∴+?≥?≥

2-13一作斜抛运动的物体,在最高点炸裂为质量相等的两块,最高点距离地面为19.6m 。爆炸1.0s 后,第一块落到爆炸点正下方的地面上,此处距抛出点的水平距离为100m 。问第二块落在距抛出点多远的地面上?(设空气的阻力不计)

解:取如图示坐标系,根据抛体运动规律,爆炸前,物体在最高点得速度得水平分量为

(

)

1

010x 2x 12y 2x 0x (1),v 2mv mv 30mv mv 414v v 100x x v x t

==+=2

11112

1

物体爆炸后,第一块碎片竖直下落的运动方程为

1

y =h-v t-gt 2

当碎片落地时,y =0,t=t 则由上式得爆炸后第一块碎片抛出得速度为1h-gt 2

=()

t 又根据动量守恒定律,在最高点处有

1

=()

211

=-22联立以上()-()式得爆炸后第二块碎片抛出时的速度分量分别为=2=2x 11

212x 2222y 222214.7v t 5y =h+v t -60,x 500m

y ms v v ms gt y --====2

1

211h-gt 2t 爆炸后第二块碎片作斜抛运动,其运动方程为x =x +()

1()

2

落地时由式(5)和(6)可解得第二块碎片落地点得水平位置=

2-14质量为M 的人手里拿着一个质量为m 的物体,此人用与水平面成θ角的速率v 0

向前跳去。当他达到最高点时,他将物体以相对于人为u 的水平速率向后抛出。问:由于人抛出物体,他跳跃的距离增加了多少?(假设人可视为质点)

解:取如图所示坐标,把人和物视为一系统,当人跳跃到最高点处,在向左抛物得过程中,满足动量守恒,故有

()0000

0m cos ()

v u mu v cos m mu

v v- cos m sin t g m sin x vt u

m g

v Mv m v u v v v v v θθθθθ

=+-???+M 式中为人抛物后相对地面的水平速率,-为抛出物对地面得水平速率,得=+

+M

人的水平速率得增量为

==

+M

而人从最高点到地面得运动时间为=所以人跳跃后增加的距离为==(+M )

2-15铁路上有一静止的平板车,其质量为M ,设平板车可无摩擦地在水平轨道上运动。现有N 个人从平板车的后端跳下,每个人的质量均为m ,相对平板车的速度均为u 。问:在下列两种情况下,(1)N 个人同时跳离;(2)一个人、一个人地跳离,平板车的末速是多少?所得的结果为何不同,其物理原因是什么?

解:取平板车及N 个人组成的系统,以地面为参考系,平板车的运动方向为正方向,系统在该方向上满足动量守恒。

考虑N 个人同时跳车的情况,设跳车后平板车的速度为v ,则由动量守恒定律得 0=Mv+Nm (v -u )

v =Nmu/(Nm+M) (1)

又考虑N 个人一个接一个的跳车的情况。设当平板车上商有n 个人时的速度为v n ,跳下一个人后的车速为v n -1,在该次跳车的过程中,根据动量守恒有

(M+nm )v n =M v n -1+(n-1)m v n -1+m(v n -1-u) (2) 由式(2)得递推公式

v n -1=v n +mu/(M+nm) (3) 当车上有N 个人得时(即N =n ),v N =0;当车上N 个人完全跳完时,车速为v 0, 根据式(3)有, v N-1=0+mu/(Nm+M)

v N-2= v N-1+mu/((N-1)m+M) ………….

v 0= v 1+mu/(M+nm)

将上述各等式的两侧分别相加,整理后得,

0n 0mu v nm

,1,2,3....v v

M nm M Nm n N N +≤+=∑

N

=1=M+由于故有,即个人一个接一个地跳车时,平板车的末速度大于N 个人同时跳下车的末速度。这是因为N 个人逐一跳离车时,车对地的速度逐次增加,导致跳车者相对地面的速度也逐次增加,并对平板车所作的功也相应增大,因而平板车得到的能量也大,其车速也大。

2-16 A 、B 两船在平静的湖面上平行逆向航行,当两船擦肩相遇时,两船各自向对方平稳地传递50kg 的重物,结果是A 船停了下来,而B 船以3.4m/s 的速度继续向前驶去。A 、B 两船原有质量分别为500kg 和1000kg ,求在传递重物前两船的速度。(忽略水对船的阻力)

解:

设A 、B 两船原有的速度分别为vA 和vB ,传递重物后的速度分别为v ’A 和v ’B,由动量守恒定律可得

11

11m m v mv m v m m v mv m v v 0ms v 3.4ms m mv v 0.4ms m m m m m m m m v v 3.6ms m m m m m A B B B A A B A '-'-'''---'---A B A A B A B B

--A B

-B

A 2

-B B

B 2

()+=()+=将=,=代入上面两式,可解得-==()()-()==()()- 2-17一人从10m 深的井中提水,起始桶中装有10kg 的水,由于水桶漏水,每升高1m 要漏去0.2kg 的水。求水桶被匀速地从井中提到井口,人所作的功。

解:水桶在匀速上提的过程中,加速度为0,拉力和重力平衡,在图示坐标下,水桶重力随位置的变化关系为

G =mg -αgy

其中α=0.2kg/m,人对水桶的拉力的功为

10

(mg gy dy 882J W α=?-)=

2-18如本题图所示,A 和B 两块板用一轻弹簧连接起来,它们的质量分别为m 1和m 2。问在A 板上需加多大的压力,方可在力停止作用后,恰能使在跳起来时B 稍被提起。(设弹簧的劲度系数为k )

解:选取如图所示坐标系,取原点处为重力势能和弹性势能零点,作各种状态下物体的受力图。对A 板而言,当施以外力F 时,根据受力平衡有

11221122121212(1)

ky -mgy =12(3)F G F

ky mgy y y M N O F y F G G A N B +++''1211121

22221212=当外力撤除以后,由机械能守恒定律得,11

22

和为、两点对原点的位移。因为=ky ,F =k ,G =m g 上式可以写为,F -F =2G (2)

由()和()式可得=当板跳到点时,板刚被提起,此时弹性力F =G ,且F =F ,

由式(3)可得F =G +G =(m +m )g

2-19如本题图所示,质量为m 、速度为v 的钢球,射向质量为M 的靶,靶中心有一小孔,内有劲度系数为k 的弹簧,此靶最初处于静止状态,但可在水平面上作无摩擦滑动,求子弹射入靶内弹簧后,弹簧的最大压缩距离。

解:设弹簧得最大压缩量为x0。小球与靶共同运动得速度为v1。由动量守恒定律,有

1

222100()(1)

111mv ()kx 222212x mv m M v m M v =+++又由机械能守恒定律,有=()由()式和()式可得

2-20以质量为m 的弹丸,穿过如本题图所示的摆锤后,速率由v 减少到v/2。已知摆

锤的质量为M ,摆线长度为l ,如果摆锤能在垂直平面内完成一个完全的圆周运动,弹丸的速度的最小值应为多少?

解:

习题2-18图

习题2-19图

习题2-20图

2

h

h

22

h

v

mv m v'(1)

Mv'

g(2)

l

v'

1

v'2gl Mv'3

2

v

M

M M

+

由水平方向的动量守恒有,

2

为了使摆锤能在垂直平面内作圆周运动,在最高点时,摆线中的张力F=0,则,

M=

式中为摆线在圆周最高点的运动速率。

又由机械能守恒定律得

1

=+()

2

解上述三个方程,可得担丸所需速率的最小值为

2-21如本题图所示,一质量为M的物块放置在斜面的最底端A处,斜面的倾角为α,高度为h,物块与斜面的滑动摩擦因数为μ,今有一质量为m的子弹以速度v0 沿水平方向射入物块并留在其中,且使物块沿斜面向上滑动,求物块滑出顶端时的速度大小。

解:

01

2

cos()(1)

v

11

u(2)

22

12

v

mv M m v

α

α

α

=+

=+

2

22

21

在子弹与物块的撞击过程中,在沿斜面的方向上,根据动量守恒有

在物块上滑的过程中,若令物块刚滑出斜面时的速度为,并取A点的

重力势能为0。由系统的功能原理可得

h

-(m+M)gcos(m+M)v(m+M)gh-(m+M)v

sin

由()、()式可得

2-22如本题图所示,一个质量为m的小球,从内壁为半球形的容器边缘点A滑下。设容器质量为M,半径为R,内壁光滑,并放置在摩擦可以忽略的水平桌面上,开始时小球和容器都处于静止状态。当小球沿内壁滑到容器底部的点B时,受到向上的支持力为多大?

解:

习题2-21图

(

)22

m 0(1)11(2)22

,(3)m M m M m M m M m

m M v Mv mv mv mgR v v v v v v v -=+===

'=--=根据水平方向动量守恒定律以及小球在下滑过程中机械能守恒定律可分别得式中分别表示小球、容器相对桌面得速度。由式(1)、(2)可得由于小球相对地面运动的轨迹比较复杂,为此,可改以容器为参考系。在容器底部时,小球相对容器的运动速度为在容器底部2(4)

342(3)

m N N v F mg m R

m

F mg M

'-==+,小球所受惯性力为零,其法向方程为由()、()式可得小球此时所受到的支持力为

2-23如本题图所示,质量分别为m 1=10.0kg 和m 2=6.0kg 的两小球A 和B ,用质量可略去不计的刚性细杆连接,开始时它们静止在Oxy 平面上,在图示的外力F 1= (8.0N)i 和F 2 =(6.0N)j 的作用下运动。试求:(1) 它们质心的坐标与时间的函数关系;(2)系统总动量与时间的函数关系。

解:(1)选如图所示坐标,则t =0时,系统的质心坐标为

习题2-22图

习题2-23图

()()

2

02012

2

01012

112212111200

12

22120

12

1.51.9()(1)

()(2)

12(),3(),

4t 0x y

C C x x y y t v x x t

v y y m x x m

m m m y y m

m m dv

F F m m dt dv

F F m m dt

Ft F dt m m dv v m m F t F dt m m dv v m m x ==+=

=+==+==+=+=+=+=

+=????对小球与杆整体应用质心运动定律得

根据初始条件,分别对()、()式积分得根据初始条件=时,0

001

12

222

1

01220

12

2

22

2012120

,34(

) 1.5(0.25)2()

(

)1.9(0.19)2()

(2)()(C C C C C C x t

C x C C y t

C y C C t x y y Ft dx dt

m m Ft x x m m s t m m F t

dy dt

m m F t y y m m s t m m p p F F dt --==+=+=+?+=+=+=+?+=?=+=?

??

?? 对()、()式再次积分可得

及利用动量定理并考虑到系统从初始状态为静止,可得

22

8.0)(6.0)kg m s ti kg m s tj

--??+??

2-24质量为2×10-3kg 的子弹以500m·s -1的速率水平飞出,射入质量为1kg 静止在水平面上的木块,子弹从木块穿出后的速率为100m·s -1,而木块向前滑行了0.2m 。求:(1)木块与平面间的摩擦系数 (2)子弹动能和动量的减少量。

解:

002

2

22322k 003001

',0.8/0.2m 1

2110.820.163

19.80.2

11

(2)m m 2100.510050022

240p m m 210100500mv mv Mv v m s

uMgs Mv u E v v J v v =+∴=-=-??∴=??'????-'??? ---1

()在水平方向系统动量守恒,木块向前滑行了,由动能定理得

子弹动能的减少量=-=(-)=子弹动量得减少量=-=(-)=-0.8kgms 2-25如本题图所示,一质量为m 的钢球,系在一长为l 的绳一端,绳另一端固定,现

将球由水平位置静止下摆,当球到达最低点时与质量为M ,静止于水平面上的钢块发生弹性碰撞,求碰撞后m 和M 的速率。

解:

2222M M M m 1

mv mgl v 2

111

mv mv Mv 222mv mv Mv m M v m M v v '+'+'∴==由机械能守恒得,碰前的速度为=,由碰撞前后动能和动量守恒得==-=

+ 2-26一质量为m 的运动粒子与一质量为km 的静止靶粒子作弹性对心碰撞,求靶粒子获得最大动能时的k 值。

解:

习题2-25图

222

222

22

2

mv kmv mv(1)

111

mv kmv mv(2)

222

1v=v-kv

111

2kmv mv mv

222

1

mkvv k mv

2

k

m

1

k1

k

k

k

k

E

E

E

E

'''

+

'''

+

'''

'''

==

''

-

∴=

2

由动量和动能守恒得,

由()得

由()得-

2v

当=时,取最大值

2-27质量为m的中子与质量为M的原子核发生弹性碰撞,若中子的初动能为E0,求

证碰撞时中子可能损失的最大动能为

2

)

(

4

E

m

M

mM

+

解:设弹性碰撞前中子的动量为P0,碰撞前中子的动量为P1,原子核的动量为P2,由动量守恒的标量式可以得

2

2

2

222

21010

222

112200012

210

222222

0201

2222

0201

012

2cos,

2,2,2,

2

()4()44cos

4()4sin0

4

()

P P P P P

P mE P ME P mE E E E

ME mE mE

M m E m M m E E m E m E E

mME E M m E m E E

mME

E E E

M m

θ

θ

θ

θ

=+-

====+

∴=+-

+-++=

-+=≥

∴-=≤

+

2-28如本题图示,绳上挂有质量相等的两个小球,两球碰撞时的恢复系数e=0.5。球A 由静止状态释放,撞击球B,刚好使球B到达绳成水平的位置,求证球A释放前的张角θ应满足cosθ= 1/9。

证明:设球A到达最低点的速率为v,根据机械能守恒有

θ

2L

习题2-28图

A

B

C

L

2

212(1cos ),2

(1)

,,0.50.5(2)

(3)(2),(3)3(4)

1

(5)2

1451

cos 9

A B B A

B A B A B B mv mg l v A B v v v v e v

v v v A B mv mv mv v v mv mgl θθ=-=-=

=-=+===

所以,设碰撞后,两球的速率分别为由题意得:

即,两球碰撞时水平方向动量守恒:由式得

=4

碰撞后B 球机械能守恒,故有将(),()代入()得:

第二章 质点动力学

普通物理
黄 武 英
第二章
一.牛顿第一定律
质点动力学
三.牛顿第三定律
§2.1 牛顿定律
二.牛顿第二定律
§2.2 常见的力
一.万有引力 五.四种基本力 二.重力 三.弹力 四.摩擦力
牛顿定律应用举例
§2.3 单位制和量纲 §2.4 动量定理和动量守恒定律 §2.5 动能定理和功能原理 §2.6 能量守恒定律 §2.7 角动量定理和角动量守恒定律
物理与电子信息学院
§2.4 动量定理和动量守恒定律
一、质点的动量定理 二、动量定理的应用 三、质点系的动量定理 四、质心运动定理 五、质点系的动量守恒定律 六、变质量物体的运动方程
§2.5 动能定理和功能原理
一、动能及功的定义 三、功率 五、保守力和非保守力 六、质点的功能原理 七、质点系的动能定理和功能原理 二、动能定理
四、功的计算举例
§2.6 能量守恒定律
一、机械能守恒定律 二、守恒定律(机械能与动量) 的综合应用 三、能量转化及守恒定律 四、碰撞
§2.7角动量守恒定律
一、力矩 二、角动量 三、角动量守恒定律
四、动能定理
K rb G K 2 2 1 Wab = ∫K f ? dr = 1 2 mVb ? 2 mVa
ra
本章小结 G G dp d (mv ) G 一、牛顿第二定律 = =F dt dt
二、质点系的动量定理
五、质点系的功能原理和机械能守恒定律
Ekb + E pb ? ( Eka + E pa ) = W外 + W非保守内力
则: E kb + E pb = E ka + E pa 六、角动量定理和角动量守恒定律 K K dL 角动量定理 M= G dt 若 M =0 (条件)
功能原理
若外力和非保守内力都不作功或所作的总功为零(条件) 机械能守恒定律
G I =

t2
t1
G G G F合外 dt = ∑ mi vi (t 2 ) ? ∑ mi vi (t1 )
i i
三、质点系的动量守恒定律 若系统不受外力作用,或所受外力的矢量和为零(条件) n K K K K 则: ∑ miVi=m1V1 + m2V2 + " mnVn = 恒量
i =1
G

dL =0 dt
G L = 常矢量
角动量守恒定律

第2章 质点动力学

第2章 质点动力学 一、选择题 1. 如图1所示,物体在力F 作用下作直线运动, 如果力F 的量值逐渐减小, 则该物体的 (A) 速度逐渐减小, 加速度逐渐减小 (B) 速度逐渐减小, 加速度逐渐增大 (C) 速度继续增大, 加速度逐渐减小 (D) 速度继续增大, 加速度逐渐增大 [ ] 2. 一物体作匀速率曲线运动, 则 (A) 其所受合外力一定总为零 (B) 其加速度一定总为零 (C) 其法向加速度一定总为零 (D) 其切向加速度一定总为零 [ ] 3. 对一运动质点施加以恒力, 质点的运动会发生什么变化? (A) 质点沿着力的方向运动 (B) 质点仍表现出惯性 (C) 质点的速率变得越来越大 (D) 质点的速度将不会发生变化 [ ] 4. 用细绳系一小球使之在竖直平面内作圆周运动, 小球在任意位置 (A) 都有切向加速度 (B) 都有法向加速度 (C) 绳子的拉力和重力是惯性离心力的反作用力 (D) 绳子的拉力和重力的合力是惯性离心力的反作用力 [ ] 5. 如图2所示,三艘质量均为0m 的小船以相同的速度v 鱼贯而行.今从中间船上同时以速率u (与速度v 在同一直线上)把两个质量均为m 的物体分别抛到前后两船上. 水和空气的阻力均不计, 则抛掷后三船速度分别为 (A) v ,v ,v (B) u +v ,v ,u -v (C) u m m m 0++ v ,v ,u m m m +-v (D) u m m m 0++ v ,v ,u m m m 0 +-v [ ] 6. 质量为m 的铁锤竖直落下, 打在木桩上并停下. 设打击时间为?t , 打击前铁锤速率为 v ,则在打击木桩的时间内, 铁锤所受平均合外力的大小为 (A) t m ?v (B) mg t m -?v (C) mg t m +?v (D) t m ?v 2 [ ] 7. 用锤压钉不易将钉压入木块, 用锤击钉则很容易将钉击入木块, 这是因为 (A) 前者遇到的阻力大, 后者遇到的阻力小 (B) 前者动量守恒, 后者动量不守恒 (C) 后者锤的动量变化大, 给钉的作用力就大 (D) 后者锤的动量变化率大, 给钉的作用力就大 [ ] 8. 质点系的内力可以改变 (A) 系统的总质量 (B) 系统的总动量 图1 图2 v

力学第二章质点运动学思考题答案

第二章 质点运动学 思考题 2.1质点位置矢量方向不变,质点是否作直线运动?质点沿直线运动,其位置矢量是否一定方向不变? 答:质点位置矢量方向不变,质点沿直线运动。质点沿直线运动,质点位置矢量方向不一定不变。如图所示。 2.2若质点的速度矢量的方向不变仅大小改变,质点作何种运动?速度矢量的大小不变而方向改变作何种运动? 答:质点的速度矢量的方向不变仅大小改变,质点作变速率直线运动;速度矢量的大小不变而方向改变作匀速率曲线运动。 2.3“瞬时速度就是很短时间内的平均速度”这一说法是否正确?如何正确表述瞬时速度的定义?我们是否能按照瞬时速度的定义通过实验测量瞬时速度? 答:“瞬时速度就是很短时间内的平均速度”这一说法不正确。因为瞬时速度与一定的时刻相对应。瞬时速度的定义是质点在t 时刻的 瞬时速度等于t 至t+△t 时间内平均速度t /r ?? ,当△t →0时的极 限,即 dt r d t r lim v 0t = ??=→?。很难直接测量,在技术上常常用很短时间内的平均速度近似地表示瞬时速度,随着技术的进步,测量可以达到很高的精确度。 2.4试就质点直线运动论证:加速度与速度同号时,质点作加速运动;加速度与速度反号时,作减速运动。是否可能存在这样的直线运动,质点速度逐渐增加但加速度却在减小? 答: ,dt dv t v lim a x x 0 t x =??=→?加速度与速度同号时,就是说,0a ,0v 0a ,0v x x x x <<>>或以0a ,0v x x >>为例, 速度为正表示速度的方向与x 轴正向相同,加速度为正表示速度的

增量为正, t t ?+时刻的速度大于t 时刻的速度,质点作加速运动。 同理可说明 ,0a ,0v x x <<质点作加速运动。 质点在作直线运动中速度逐渐增加但加速度却在减小是可能存在的。例如初速度为x 0v ,加速度为 t 6a x -=,速度为 2 0t 0x 0x t 2 1t 6v dt )t 6(v v -+=-+=?, ,0v ,0a 6t x x >><时,速度逐渐增加。 2.5设质点直线运动时瞬时加速度=x a 常量,试证明在任意相等的 时间间隔内的平均加速度相等。 答:平均加速度 121 x 2x x t t v v a --= 由瞬时加速度 , dt a dv ,dt a dv ,dt dv a 2 1 2 x 1 x t t x v v x x x x x ??=== 得, 121x 2x x t t v v a --=,=x a 常量,即121 x 2x x t t v v a --= 为常 量。 2.6在参照系一定的条件下,质点运动的初始条件的具体形式是否与计时起点和坐标系的选择有关? 答:有关。 例子,以地面为参照系,研究物体的自由下落。

第01章质点运动学

第一章 质点运动学 一、选择题 1、某质点作直线运动的运动学方程为x =3t -5t 3 + 6 (SI),则该质点作 (A) 匀加速直线运动,加速度沿x 轴正方向. (B) 匀加速直线运动,加速度沿x 轴负方向. (C) 变加速直线运动,加速度沿x 轴正方向. (D) 变加速直线运动,加速度沿x 轴负方向. [ D ] 2、一质点沿x 轴作直线运动,其v -t 曲线如图所示,如t =0时,质点位于坐标原点,则t =4.5 s 时,质点在x 轴上的位置为 (A) 5m . (B) 2m . (C) -2 m . (D) 0. (E) -5 m. [ B ] 3、图中p 是一圆的竖直直径pc 的上端点,一质点从p 开始分别沿不同的弦无摩擦下滑时,到达各弦的下端所用的时间相比较是 (A) 到a 用的时间最短. (B) 到b 用的时间最短. (C) 到c 用的时间最短. (D) 所用时间都一样. [ D ] 4、几个不同倾角的光滑斜面,有共同的底边,顶点也在同一竖直面上.若使一物体(视为质点)从斜面上端由静止滑到下端的时间最短,则斜面的倾角应选 (A) 15°. (B) 30°. (C) 45°. (D) 60°. [ C ] 5、一质点作直线运动,某时刻的瞬时速度=v 2 m/s ,瞬时加速度2 /2s m a -=,则一秒钟后质点的速度 (A) 等于零. (B) 等于-2 m/s . (C) 等于2 m/s . (D) 不能确定. [ D ] 6、如图所示,湖中有一小船,有人用绳绕过岸上一定高度处的定滑轮拉湖中的船向岸边运 动.设该人以匀速率0v 收绳,绳不伸长、湖水静止,则小船的运动是 (A) 匀加速运动. (B) 匀减速运动. (C) 变加速运动. (D) 变减速运动. (E) 匀速直线运动. [ C ] 7、一质点在平面上运动,已知质点位置矢量的表示式为 j bt i at r 2 2 +=(其中a 、b 为常量), 则该质点作 - a p

大学物理2-1第二章(质点动力学)习题答案

习 题 二 2-1 质量为m 的子弹以速率0v 水平射入沙土中,设子弹所受阻力与速度反向,大小与速度成正比,比例系数为k ,忽略子弹的重力,求:(1)子弹射入沙土后,速度大小随时间的变化关系; (2)子弹射入沙土的最大深度。 [解] 设任意时刻子弹的速度为v ,子弹进入沙土的最大深度为s ,由题意知,子弹所受的阻力 f = - kv (1) 由牛顿第二定律 t v m ma f d d == 即 t v m kv d d ==- 所以 t m k v v d d -= 对等式两边积分 ??-=t v v t m k v v 0 d d 0 得 t m k v v -=0ln 因此 t m k e v v -=0 (2) 由牛顿第二定律 x v mv t x x v m t v m ma f d d d d d d d d ==== 即 x v mv kv d d =- 所以 v x m k d d =- 对上式两边积分 ??=-00 0d d v s v x m k 得到 0v s m k -=- 即 k mv s 0 = 2-2 质量为m 的小球,在水中受到的浮力为F ,当它从静止开始沉降时,受到水的粘滞阻力为f =kv (k 为常数)。若从沉降开始计时,试证明小球在水中竖直沉降的速率v 与时间的关系为 ??? ? ??--= -m kt e k F mg v 1 [证明] 任意时刻t 小球的受力如图所示,取向下为y 轴的正 方向,开始沉降处为坐标原点。由牛顿第二定律得 t v m ma f F mg d d ==--

即 t v m ma kv F mg d d ==-- 整理得 m t kv F mg v d d =-- 对上式两边积分 ??=--t v m t kv F mg v 00 d d 得 m kt F mg kv F mg -=---ln 即 ??? ? ??--= -m kt e k F mg v 1 2-3 跳伞运动员与装备的质量共为m ,从伞塔上跳出后立即伞,受空气的阻力与速率的平方成正比,即2kv F =。求跳伞员的运动速率v 随时间t 变化的规律和极限速率T v 。 [解] 设运动员在任一时刻的速率为v ,极限速率为T v ,当运动员受的空气阻力等于运动员及装备的重力时,速率达到极限。 此时 2 T kv mg = 即 k mg v = T 有牛顿第二定律 t v m kv mg d d 2=- 整理得 m t kv mg v d d 2= - 对上式两边积分 mgk m t kv mg v t v 21d d 00 2?? =- 得 m t v k mg v k mg = +-ln 整理得 T 22221 111v e e k mg e e v kg m t kg m t kg m t kg m t +-=+-=

大学物理第二章(质点动力学)习题答案

习题二 2-1 质量为m得子弹以速率水平射入沙土中,设子弹所受阻力与速度反向,大小与速度成正比,比例系数为k,忽略子弹得重力,求:(1)子弹射入沙土后,速度大小随时间得变化关系; (2)子弹射入沙土得最大深度。 [解] 设任意时刻子弹得速度为v,子弹进入沙土得最大深度为s,由题意知,子弹所受得阻力f= - kv (1) 由牛顿第二定律 即 所以 对等式两边积分 得 因此 (2) 由牛顿第二定律 即 所以 对上式两边积分 得到 即 2-2 质量为m得小球,在水中受到得浮力为F,当它从静止开始沉降时,受到水得粘滞阻力为f=kv(k为常数)。若从沉降开始计时,试证明小球在水中竖直沉降得速率v与时间得关系为 [证明] 任意时刻t小球得受力如图所示,取向下为y轴得正方向,开始沉降处为坐标原点。由牛顿第二定律得 即 整理得 对上式两边积分 得 即 2-3 跳伞运动员与装备得质量共为m,从伞塔上跳出后立即张伞,受空气得阻力与速率得平方成正比,即。求跳伞员得运动速率v随时间t变化得规律与极限速率。 [解] 设运动员在任一时刻得速率为v,极限速率为,当运动员受得空气阻力等于运动员及装备得重力时,速率达到极限。 此时 即 有牛顿第二定律 整理得 对上式两边积分 得 整理得 2-4 一人造地球卫星质量m=1327kg,在离地面m得高空中环绕地球作匀速率圆周运动。求:(1)卫星所受向心力f得大小;(2)卫星得速率v;(3)卫星得转动周期T。 [解] 卫星所受得向心力即就是卫星与地球之间得引力

由上面两式得()() () N 1082.71085.110 63781063788.9132732 6 3 2 32 e 2 e ?=?+??? ?=+=h R R mg f (2) 由牛顿第二定律 ()() s m 1096.61327 1085.11063781082.736 33e ?=?+???=+= m h R f v (3) 卫星得运转周期 ()() 2h3min50s s 1043.710 96.61085.1106378223 3 63e =?=??+?=+=ππv h R T 2-5 试求赤道上方得地球同步卫星距地面得高度。 [解] 设同步卫距地面高度为h ,距地心为R +h ,则 所以 代入第一式中 解得 2-6 两个质量都就是m 得星球,保持在同一圆形轨道上运行,轨道圆心位置上及轨道附近都没有其它星球。已知轨道半径为R ,求:(1)每个星球所受到得合力;(2)每个星球得运行周期。 [解] 因为两个星球在同一轨道上作圆周运动,因此,她们受到得合力必须指向圆形轨道得圆心,又因星球不受其她星球得作用,因此,只有这两个星球间得万有引力提供向心力。所以两个星球必须分布在直径得两个端点上,且其运行得速度周期均相同 (1)每个星球所受得合力 (2) 设运动周期为T 联立上述三式得 所以,每个星球得运行周期 2-7 2-8 2-9 一根线密度为得均匀柔软链条,上端被人用手提住,下端恰好碰到桌面。现将手突然松开,链条下落,设每节链环落到桌面上之后就静止在桌面上,求链条下落距离s 时对桌面得瞬时作用力。 [解] 链条对桌面得作用力由两部分构成:一就是已下落得s 段对桌面得压力,另一部分就是正在下落得段对桌面得冲力,桌面对段得作用力为。显然 时刻,下落桌面部分长s 。设再经过,有落在桌面上。取下落得段链条为研究对象,它在时

第二章 质点运动学

第二章质点运动学 习题解答 2.1.1质点的运动学方程为 (1);(2) 求质点的运动轨迹并用图表示。 解: (1) 则 轨迹为 y =5 的直线 (2 ) 则轨迹为 2.1.2质点运动学方程为(1).求质点轨迹。(2)求自t= -1至t= 1质点的位移。 解: (1) z=2 则xy=1 z=2即为轨迹 z=2 平面上的双曲线

(2)t=-1时, z=2 t=1时,,, 则位移 2.1.3质点的运动学方程为。 (1)求质点的轨迹。(2)求自t=0至t=1质点的位移。 解: (1) 轨迹为 (2)时 时 则 大小 方向与x轴夹角为26o36′ 2.2.1雷达站于某瞬时测得飞机位置为,度。

0.75S 后测得, 度,、均在铅直平面内。求飞机瞬时 速率的近似值和飞行方向(α角)。 解: 瞬时速率 飞行方向:由, 2.2.2一小圆柱体沿岸抛物线轨道运动,抛物线轨道为(长度:mm)。第一次观察到圆柱体在x=249米处,经过时间2ms后圆柱体移到x=234米处。求圆柱体瞬时速度的近似值。 解:由轨迹方程, , ,, 瞬时速度的方向: 2.2.3一人在北京音乐厅内听音乐,离演奏者17米,另一人在广州听同一演秦的转播,广州离北京2320km,收听者离收音机2米,问谁先听到声音?声速为340m/s。电磁波的传播速率为30万km/s。 解:

在广州的听众先听到。 2.2.5火车进入弯道时减速,最初列车向北以90km/h.速率行驶,3min后以70km/h速率向北偏西30度方向行驶.求列车的平均加求速度。 解: 方向:(正南 偏西) 2.2.6 (1) ,R为正常数.求(1)t=0,π/2时的速度和加速度。 (2).求t=0,1时的速度和加速度.(写出正交分解式)。 解:由 (1) t = 0 时,

大学物理第1章质点运动学知识点复习及练习

第1章质点运动学(复习指南) 一、基本要求 掌握参考系、坐标系、质点、运动方程与轨迹方程得概念,合理选择运动参考系并建立直角坐标系,理解将运动对象视为质点得条件、 掌握位矢、位移、速度、加速度得概念;能借助直角坐标系计算质点在平面内运动时得位移、平均速度、速度与加速度、会计算相关物理量得大小与方向、 二、基本内容 1.位置矢量(位矢) 位置矢量表示质点任意时刻在空间得位置,用从坐标原点向质点所在点所引得一条有向线段,用表示.得端点表示任意时刻质点得空间位置.同时表示任意时刻质点离坐标原点得距离及质点位置相对坐标轴得方位.位矢就是描述质点运动状态得物理量之一.对应注意: (1)瞬时性:质点运动时,其位矢就是随时间变化得,即.此式即矢量形式得质点运动方程. (2)相对性:用描述质点位置时,对同一质点在同一时刻得位置,在不同坐标系中可以就是不相同得.它表示了得相对性,也反映了运动描述得相对性. (3)矢量性:为矢量,它有大小,有方向,服从几何加法.在平面直角坐标系系中 位矢与x轴夹角正切值 ? 质点做平面运动得运动方程分量式:,. 平面运动轨迹方程就是将运动方程中得时间参数消去,只含有坐标得运动方程、 2.位移 得大小?. 注意区分:(1)与,前者表示质点位置变化,就是矢量,同时反映位置变化得大小与方位.后者就是标量,反映从质点位置到坐标原点得距离得变化.(2)与,表示时间内质点通过得路程,就是标量.只有当质点沿直线某一方向前进时两者大小相同,或时,. 3.速度 定义,在直角坐标系中 得方向:在直线运动中,表示沿坐标轴正向运动,表示沿坐标轴负向运动. 在曲线运动中,沿曲线上各点切线,指向质点前进得一方.

力学习题第二章质点动力学(含答案)

第二章质点动力学单元测验题 一、选择题 1.如图,物体A和B的质量分别为2kg和1kg,用跨过定滑轮的细线相连,静 止叠放在倾角为θ=30°的斜面上,各接触面的静摩擦系数均为μ=0.2,现有一沿斜面向下的力F作用在物体A上,则F至少为多大才能使两物体运动. A.3.4N; B.5.9N; C.13.4N; D.14.7N 答案:A 解:设沿斜面方向向下为正方向。A、B静止时,受力平衡。 A在平行于斜面方向:F m g sin T f f 0 A12 B在平行于斜面方向:1sin0 f m g T B 静摩擦力的极值条件:f1m g cos, B f m m g 2(B A)cos 联立可得使两物体运动的最小力F min满足: F min (m B m A)g sin (3m B m A )g cos=3.6N 2.一质量为m的汽艇在湖水中以速率v0直线运动,当关闭发动机后,受水的阻力为f=-kv,则速度随时间的变化关系为 A.v k t =v e m; B. v= -t k t v e m 0; C. v=v + k m t ; D. v=v - k m t 答案:B 解:以关闭发动机时刻汽艇所在的位置为原点和计时零点,以v0方向为正方向建立坐标系. 牛顿第二定律: dv ma m kv dt 整理: d v v k m dt

积分得:v= - v e k t m 3.质量分别为m和m( 12m m)的两个人,分别拉住跨在定滑轮(忽略质量)21 上的轻绳两边往上爬。开始时两人至定滑轮的距离都是h.质量为m的人经过t 1 秒爬到滑轮处时,质量为m的人与滑轮的距离为 2 m m1m-m1 1; C.1(h gt2)2h gt 1 2 A.0; B.h+; D.(+) m m2m2 222 答案:D 解:如图建立坐标系,选竖直向下为正方向。设人与绳之间的静摩擦力为f,当 质量为m的人经过t秒爬到滑轮处时,质量为m的人与滑轮的距离为h',对二者12 分别列动力学方程。 对m: 1 f m g m a m 11m1 1 dv m 1 dt 对m: 2 f m g m a m 22m2 2 dv m 2 dt 将上两式对t求积分,可得: fdt m gt m v m 11m1 1dy m 1 dt fdt m gt m v m 22m2 2dy m 2 dt 再将上两式对t求积分,可得: 1 fdt m gt 0m h 22 11 2 1 fdt m gt m h m h 22 222 2

第二章 质点运动学

第二章质点运动学(习题) 2.1.1 质点的运动学方程为 求质点轨迹并用图表示。 解:① . 轨迹方程为 y=5 ② 消去时间参量 t 得: 2.1.2 质点运动学方程为,( 1 ) . 求质点的轨迹;( 2 ) . 求自 t=-1 至 t=1 质点的位移。 解;① 消去 t 得轨迹: xy=1,z=2 ② , ,

2.1.3 质点运动学方程为,( 1 ) . 求质点的轨迹;( 2 ) . 求自 t=0 至t=1 质点的位移。 解:① . 消去 t 得轨迹方程 ② 2.2.1 雷达站于某瞬时测得飞机位置为 , 0.75s 后测得 均在铅直平面内。求飞机瞬时速率的近似值和飞行方向(α角)。 解 :

代入数值得: 利用正弦定理可解出 2.2.2 一小圆柱体沿抛物线轨道运动,抛物线轨道为 (长度 mm )。第一次观察到圆柱体在 x=249mm 处,经过时间 2ms 后圆柱体移到 x=234mm 处。求圆柱体瞬时速度的近似值。 解:

2.2.3 一人在北京音乐厅内听音乐,离演奏者 17m 。另一人在广州听同一演奏的转播,广州离北京2320km ,收听者离收音机 2m ,问谁先听到声音?声速为 340m/s, 电磁波传播的速度为。 解 : 在广州的人先听到声音。 2.2.4 如果不允许你去航空公司问讯处,问你乘波音 747 飞机自北京不着陆飞行到巴黎,你能否估计大约用多少时间?如果能,试估计一下(自己找所需数据)。 解 : 2.2.5 火车进入弯道时减速,最初列车向正北以 90km/h 速率行驶, 3min 后以 70km/h 速率向北 偏西方向行驶。求列车的平均加速度。 解,

大学物理第一章质点运动学

大学物理第一章质 点运动学 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

第一章章节测试题 一、选择题(每小题3分,共计15分) 1.以下四种运动形式中,a 保持不变的运动是 ( ) (A) 单摆的运动 (B) 匀速率圆周运动 (C) 行星的椭圆轨道运动 (D) 抛体运动 2.一物体从某一确定高度以0v 的速度水平抛出,已知它落地时的速度为t v , 那么它运动的时间是 ( ) (A) g t 0v v - (B) g t 20v v - (C) ()g t 2/120 2 v v - (D) ()g t 22/120 2 v v - 3.下列说法中,哪一个是正确的 ( ) (A) 一质点在某时刻的瞬时速度是2 m/s ,说明它在此后1 s 内一定要经过2 m 的路程 (B) 斜向上抛的物体,在最高点处的速度最小,加速度最大 (C) 物体作曲线运动时,有可能在某时刻的法向加速度为零 (D) 物体加速度越大,则速度越大 4.一质点沿x 轴运动,其运动方程为2353x t t =-,其中t 以s 为单位。当t=2s 时,该质点正在 ( ) (A )加速 (B )减速 (C )匀速 (D ) 静止 5.下列关于加速度的说法中错误的是 ( ) (A )质点加速度方向恒定,但其速度的方向仍可能在不断的变化着 (B )质点速度方向恒定,但加速度方向仍可能在不断的变化着 (C )某时刻质点加速度的值很大,则该时刻质点速度的值也必定很大 (D )质点作曲线运动时,其法向加速度一般不为零,但也有可能在某时刻法向加速度为零

二、填空题(每空2分,共计20分) 1.一辆作匀加速直线运动的汽车,在6 s 内通过相隔60 m 远的两点,已知汽车经过第二点时的速率为15 m/s ,则汽车通过第一点时的速率v 1 =______________。 2.质点沿半径为R 的圆周运动,运动学方程为 223t +=θ,则t时刻质点的法向加速度大小为a n = 。 3.一质点沿x 方向运动,其加速度随时间变化关系为:a = 3+2 t ,如果初始时刻质点的速度v 0为5 m/s ,则当t为3s 时,质点的速度 v = 。 4.已知质点的运动学方程为:j t t i t t r )3 14()2125(32++-+=,当t = 2 s 时,速度的大小=v ,加速度的大小a = 。 5.在x 轴上作变加速直线运动的质点,已知其初速度为0v ,初始位置为x 0,加速度2Ct a =(其中C 为常量),则其速度与时间的关系为=v ,位置与时间的关系为x= 。 6.一质点从静止出发沿半径R =1 m 的圆周运动,其角加速度随时间t 的变化规律是β =12t 2-6t ,则质点的角速度ω =____________________。 7.已知质点的运动学方程为24t r = i +(2t +3)j ,则该质点的轨道方程为_______________。 8.一质点沿x 轴作直线运动,它的运动学方程为x =3+5t +6t 2-t 3 (SI),则加速度为零时,该质点的速度=v __________________。 三、简答题(每题5分,共计25分) 1、分子的体积很小,所以可以看作质点,你认为这种说法对吗?为什么? 2、质点运动过程中,其加速度为负值,则说明质点是减速运动的,你认为这种说法对吗?说明原因 3、一个质点在做匀速率圆周运动时,其切向加速度、法向加速度是否变化? 4、瞬时速率是瞬时速度的大小,平均速率是平均速度的大小,这种说法对吗?举例说明

大学物理第一章质点运动学习题解(详细、完整)

第一章 质点运动学 1–1 描写质点运动状态的物理量是 。 解:加速度是描写质点状态变化的物理量,速度是描写质点运动状态的物理量,故填“速度”。 1–2 任意时刻a t =0的运动是 运动;任意时刻a n =0的运动是 运动;任意时刻a =0的运动是 运动;任意时刻a t =0,a n =常量的运动是 运动。 解:匀速率;直线;匀速直线;匀速圆周。 1–3 一人骑摩托车跳越一条大沟,他能以与水平成30°角,其值为30m/s 的初速从一边起跳,刚好到达另一边,则可知此沟的宽度为 ()m/s 102=g 。 解:此沟的宽度为 m 345m 10 60sin 302sin 220=??==g R θv 1–4 一质点在xoy 平面运动,运动方程为t x 2=,229t y -=,位移的单位为m ,试写出s t 1=时质点的位置矢量__________;s t 2=时该质点的瞬时速度为__________,此时的瞬时加速度为__________。 解:将s t 1=代入t x 2=,229t y -=得 2=x m ,7=y m s t 1=故时质点的位置矢量为 j i r 72+=(m ) 由质点的运动方程为t x 2=,229t y -=得质点在任意时刻的速度为 m/s 2d d ==t x x v ,m/s 4d d t t x y -==v s t 2=时该质点的瞬时速度为 j i 82-=v (m/s ) 质点在任意时刻的加速度为 0d d ==t a x x v ,2m/s 4d d -==t a y y v s t 2=时该质点的瞬时加速度为j 4-m/s 2 。

力学第二章质点运动学思考题答案

第二章质点运动学 思考题 质点位置矢量方向不变,质点是否作直线运动质点沿直线运动,其 位置矢量是否一定方向不变答:质点位置矢量方向不变,质点沿直线运动。质点沿直线运动, 质点位置矢量方向不一定不变。如图所示。 若质点的速度矢量的方向不变仅大小改变,质点作何种运动速度矢量的大小不变而方向改变作何种运动答:质点的速度矢量的方向不变仅大小改变,质点作变速率直线运 动;速度矢量的大小不变而方向改变作匀速率曲线运动。 “瞬时速度就是很短时间内的平均速度”这一说法是否正确如何正 确表述瞬时速度的定义我们是否能按照瞬时速度的定义通过实验测 量瞬时速度 答:“瞬时速度就是很短时间内的平均速度”这一说法不正确。因为瞬时速度与一定的时刻相对应。瞬时速度的定义是质点在t时刻的瞬时速度等于t至t+ △ t时间内平均速度r / t,当△ t-0时的极限,即卩 r dr v lim t 0t dt。很难直接测量,在技术上常常用很短时间内的平均速度近似地表示瞬时速度,随着技术的进步,测量可以达到很高

的精确度。 试就质点直线运动论证:加速度与速度同号时,质点作加速运动; 加速度与速度反号时,作减速运动。是否可能存在这样的直线运动, 质点速度逐渐增加但加速度却在减小 V x 0,a x 0或 V x Oa 0,以 V x 0,a x 0 为例, 速度为正表示速度 的方向与 x 轴正向相同,加速度为正表示速度的 增量为正,t t 时刻的速度 大于t 时刻的速度,质点作加速运动, 同理可说明 V x , a x 0 ,质点作加速运动。 质点在作直线运动中速度逐渐增加但加速度却在减小是可能存在 的。例如初速度为V 0x ,加速度为 a x 6 t ,速度为 t 1 2 V x v °x (6 t)dt v 。6t 2t t 6 时, a x , V x ,速度逐渐增加。 设质点直线运动时瞬时加速度 a x 间隔内的平均加速度相等。 常量,试证明在任意相等的时间 a x lim 丄 d- 答: 七0 t dt '加速度与速度同号时,就是说

第一章 质点运动学(答案)

一. 选择题: [ C ]1、[基础训练1]如图所示,湖中有一小船,有人用绳绕过岸上一定高度处的定滑轮拉湖中的船向岸边运动.设该人以匀速率0v 收绳,绳不伸长、湖水静止,则小船的 运动是 (A) 匀加速运动. (B) 匀减速运动. (C) 变加速运动. (D) 变减速运动. (E) 匀速直线运动. 【提示】如图建坐标系,设船离岸边x 米, 222l h x =+,22dl dx l x dt dt =, dx l dl dl dt x dt x dt ==,0dl v dt =-, 2 2 0dx h x v i v i dt +==- 2203v h dv dv dx a i dt dx dt x ==?=- 可见,加速度与速度同向,且加速度随时间变化。 [ B ]2、[基础训练2]一质点沿x 轴作直线运动,其v -t 曲线如图所示,如t =0时,质点位于坐标原点,则t =4.5 s 时,质点在x 轴上的位置为 (A) 5m . (B) 2m . (C) 0. (D) -2 m . (E) -5 m. 【提示】质点在x 轴上的位置即为这段时间内v-t 曲线下的面积的代数和。 4.50 (1 2.5)22(21)122()s x vdt m = =+?÷-+?÷=? [ D ]3、[基础训练4] 质点作曲线运动,r 表示位置矢量,v 表示速度,a 表示加速度,s 表示路程,t a 表示切向加速度分量,下列表达式中, (1) a t = d /d v , (2) v =t r d /d , (3) d d /t =s v , (4) t a t =d /d v . (A) 只有(1)、(4)是对的. (B) 只有(2)、(4)是对的. (C) 只有(2)是对的. (D) 只有(3)是对的. 【提示】根据定义式d d t =s v ,d d t a t =v ,d d a a t ==v 即可判断。 [ C ]4、[基础训练6]一飞机相对空气的速度大小为 200 km/h, 风速为56 km/h ,方向从西向东.地面雷达站测得飞机速度大小为 192 km/h ,方向是 -12

第二章 质点动力学习题答案

第二章 质点动力学习题答案 2-1一个质量为P 的质点,在光滑的固定斜面(倾角为α)上以初速度0v 运动,0v 的方向 与斜面底边的水平线AB 平行,如图所示,求这质点的运动轨道. 解: 物体置于斜面上受到重力mg ,斜面支持力N .建立坐标:取0v 方向为X 轴,平行 斜面与X 轴垂直方向为Y 轴.如图2-1. 图2-1 X 方向: 0=x F t v x 0= ① Y 方向: y y ma mg F ==αsin ② 0=t 时 0=y 0=y v 2 sin 2 1t g y α= 由①、②式消去t ,得 2 2 sin 21x g v y ?= α 2-2 质量为m 的物体被竖直上抛,初速度为0v ,物体受到的空气阻力数值为f KV =,K 为 常数.求物体升高到最高点时所用时间及上升的最大高度. 解:⑴研究对象:m ⑵受力分析:m 受两个力,重力P 及空气阻力f ⑶牛顿第二定律: 合力:f P F += a m f P =+ y 分量:dt dV m KV mg =-- dt KV mg mdV -=+? 即 dt m KV mg dV 1- =+ ? ? - = +t v v dt m KV mg dV 10

dt m KV mg KV mg K 1ln 10 - =++ )(0KV mg e KV mg t m K +?=+- mg K e KV mg K V t m K 1)(10- += ?- ① 0=V 时,物体达到了最高点,可有0t 为 )1ln(ln 00 0mg KV K m mg KV mg K m t + = += ② ∵ dt dy V = ∴ Vdt dy = dt mg K e KV mg K Vdt dy t t m K t y ? ?? ?? ????-+= = -0 1)(1 mgt K e KV mg K m y t m K 11)(02 -??????-+- =- 021()1K t m m mg KV e mgt K K -+--??=???? ③ 0t t = 时,max y y =, )1ln(11)(0)1ln(02 max 0mg KV K m mg K e KV mg K m y mg KV K m m K +?- ??? ?????-+= +?- )1ln(11)(0 2 2 002 mg KV g K m mg KV mg KV mg K m +-?? ??? ? ?????? +-+= )1ln() (02 20 002 mg KV g K m KV mg KV KV mg K m + - ++= )1ln(02 20mg KV g K m K mV + - = 2-3 一条质量为m ,长为l 的匀质链条,放在一光滑的水平桌面,链子的一端由极小的一 段长度被推出桌子边缘,在重力作用下开始下落,试求链条刚刚离开桌面时的速度.

第2章-质点动力学答案

% 2015-2016(2)大学物理A (1)第二次作业 第二章 质点动力学答案 [ A ] 1、【基础训练1 】 一根细绳跨过一光滑的定滑轮,一端挂一质量为M 的物体,另一端被人用双手拉着,人的质量M m 2 1 = .若人相对于绳以加速度a 0向上爬,则人相对于地面的加速度(以竖直向上为正)是 (A) 3/)2(0g a +. (B) )3(0a g --. (C) 3/)2(0g a +-. (D) 0a [解答]: ()()()()00000() ,/3, 2/3 Mg T Ma T mg m a a M m g M m a ma a g a a a g a -=-=+-=++=-∴+=+ 、 [ D ]2、【基础训练3】 图示系统置于以g a 2 1 = 的加速度上升的升降机内,A 、B 两物体质量相同均为m ,A 所在的桌面是水平的,绳子和定滑轮质量均不计,若忽略滑轮轴上和桌面上的摩擦并不计空气阻力,则绳中张力为 (A) mg . (B) mg 2 1. (C) 2mg . (D) 3mg / 4. [解答]: 设绳的张力为T ,F 惯=ma mg ?T +ma =ma‘, T =ma’, mg +mg /2=2ma’. 》 所以 a’=3g/4, T=3mg/4 [ B ] 3、【基础训练5】 光滑的水平桌面上放有两块相互接触的滑块,质量分别为m 1和m 2,且m 1 2F. … [解答]: 2F=(m 1+m 2)a, F+N=m 2a, B A a m 1 m 2F F

力学第二章质点运动学思考题答案

第二章 质点运动学 思考题 2、1质点位置矢量方向不变,质点就是否作直线运动?质点沿直线运动,其位置矢量就是否一定方向不变? 答:质点位置矢量方向不变,质点沿直线运动。质点沿直线运动,质点位置矢量方向不一定不变。如图所示。 2、2若质点的速度矢量的方向不变仅大小改变,质点作何种运动?速度矢量的大小不变而方向改变作何种运动? 答:质点的速度矢量的方向不变仅大小改变,质点作变速率直线运动;速度矢量的大小不变而方向改变作匀速率曲线运动。 2、3“瞬时速度就就是很短时间内的平均速度”这一说法就是否正确?如何正确表述瞬时速度的定义?我们就是否能按照瞬时速度的定义通过实验测量瞬时速度? 答:“瞬时速度就就是很短时间内的平均速度”这一说法不正确。因为瞬时速度与一定的时刻相对应。瞬时速度的定义就是质点在t 时 刻的瞬时速度等于t 至t+△t 时间内平均速度t /r ??ρ ,当△t →0时 的极限,即 dt r d t r lim v 0t ρρρ = ??=→?。很难直接测量,在技术上常常用很短时间内的平均速度近似地表示瞬时速度,随着技术的进步,测量可以达到很高的精确度。 2、4试就质点直线运动论证:加速度与速度同号时,质点作加速运动;加速度与速度反号时,作减速运动。就是否可能存在这样的直线运动,质点速度逐渐增加但加速度却在减小? 答: ,dt dv t v lim a x x 0 t x =??=→?加速度与速度同号时,就就是说,0a ,0v 0a ,0v x x x x <<>>或以0a ,0v x x >>为例, 速度为正表示速度的方向与x 轴正向相同,加速度为正表示速度的增量为正,t t ?+时刻的速度大于t 时刻的速度,质点作加速运动。同 理可说明 ,0a ,0v x x <<质点作加速运动。 质点在作直线运动中速度逐渐增加但加速度却在减小就是可能存在

第一章质点运动学

第一章 《大学物理学》辅导答疑 质点运动学 ~3~ 第一章 质点运动学 一、教材系统的安排和教学目的 本章从如何描写质点的运动谈起引入描写平动的四个基本物理量:位置矢量、位移、速度和加速度,进而讨论常见的几种运动情况。关于直线运动,分别用数学公式和图线加以表示,着重阐明已知运动方程,可用微分法求出各时间内的位移、各个时刻的位置、速度和加速度;已知速度(或加速度)与时间的关系和初始条件,可用积分法求出位移公式和运动方程;以及研究质点运动问题的基本思路和步骤。关于平面曲线运动,着重阐明对曲线运动问题的处理方法,主要讲述直角坐标分析法和圆周运动自然坐标分析法。本章的教学目的是:使学生明确如何描写物体(质点)的运动,确切理解位置矢量、位移、速度和加速度概念,掌握匀变速直线运动和圆周运动的规律,以及研究运动学问题的思路和方法,为学习动力学打下良好的基础。 二、教学要求 1、理解描写质点运动的四个基本物理量。 (1)位置矢量是描写质点在空间中位置的物理量,是描写质点状态的一个参量。位置矢量是一个矢量,它具有矢量性;选取不同的参照系,以及在同一参照系中建立不同的坐标系,它的数值和方向是不同的,它的描述具有相对性;在质点运动过程中,位置矢量是随时间改变的,在各个时刻的大小和方向一般是不同的,它具有瞬时性。 (2)位移是描写质点在给定时间内位置变动的大小和方向的物理量,是个过程量。要明确它的矢量性和相对性,并明确位移与路程的区别。 (3)速度是描写质点位置变动的快慢和方向的物理量,是个状态量。要明确速度的瞬时性、矢量性和相对性的性质。 (4)加速度是描写质点运动速度变化快慢的物理量。要明确它的物理意义及其瞬时性、矢量性和相对性。 2、关于运动的图象(x-t 图,v-t 图)表示,要求学生明确图上每一点和每一条线都表示什么物理内容,并学会用x-t 图,v-t 图表示每种直线运动及位移、速度和加速度。 3、明确运动方程的物理内容,会由运动方程求位移、速度和加速度;由速度(或加速度)和初始条件求运动方程。 4、牢固掌握匀变速直线运动的速度公式和位移公式:v=v 0+at 和x-x 0=v 0t+(1/2)at 2。利用这两个公式的解题思路和步骤是: (1)根据题意,确定研究对象。同时,要明确研究对象的物理过程(即做什么运动),必要时,最好做一个草图; (2)选定坐标原点,建立坐标系(如果研究直线运动,就要规定正方向); (3)根据运动过程的特征,列方程。有几个未知量,就是应列几个方程; (4)求解。必要时可进行分析、讨论 5、明确研究质点曲线运动的处理方法,并学会计算抛体运动和圆周运动的有关问题。平面曲线运动比直线运动要复杂些。作曲线运动的质点,不能用一个坐标的数值来描写它在空间中的位置,必须用两个坐标x,y 来描写。也可用另一种方法:从原点向质点所在位 置引有向线段 r ,如图1—1所示。 r 叫做位置矢量,简称为矢径。x,y 分别是位矢 r 在x,y

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