大學物理學答案 (第3版-修訂版) 上冊 北京郵電大學(完全版).doc

zz大學物理習題及解答習題一16 與有無不同?和有無不同? 和有無不同?其不同在哪里?試舉例說明解：（1）是位移的模，是位矢的模的增量，即，；（2）是速度的模，即.只是速度在徑向上的分量.有（式中叫做單位矢），則式中就是速度徑向上的分量，不同如題1-1圖所示. 題1-1圖 (3)表示加速度的模，即，是加速度在切向上的分量.有表軌道節(jié)線方向單位矢），所以式中就是加速度的切向分量.(的運算較復雜，超出教材規(guī)定，故不予討論)17 設質點的運動方程為=()，=()，在計算質點的速度和加速度時，有人先求出r，然后根據(jù)=，及而求得結果；又有人先計算速度和加速度的分量，再合成求得結果，即 =及= 你認為兩種方法哪一種正確？為什么？兩者差別何在？解：后一種方法正確.因為速度與加速度都是矢量，在平面直角坐標系中，有，故它們的模即為而前一種方法的錯誤可能有兩點，其一是概念上的錯誤，即誤把速度、加速度定義作其二，可能是將誤作速度與加速度的模。在1-1題中已說明不是速度的模，而只是速度在徑向上的分量，同樣，也不是加速度的模，它只是加速度在徑向分量中的一部分?；蛘吒爬ㄐ缘卣f，前一種方法只考慮了位矢在徑向（即量值）方面隨時間的變化率，而沒有考慮位矢及速度的方向隨間的變化率對速度、加速度的貢獻。18 一質點在平面上運動，運動方程為=3+5, =2+3-4.式中以 s計，,以m計(1)以時間為變量，寫出質點位置矢量的表示式；(2)求出=1 s 時刻和2s 時刻的位置矢量，計算這1秒內(nèi)質點的位移；(3)計算0 s時刻到4s時刻內(nèi)的平均速度；(4)求出質點速度矢量表示式，計算4 s 時質點的速度；(5)計算0s 到4s 內(nèi)質點的平均加速度；(6)求出質點加速度矢量的表示式，計算4s 時質點的加速度(請把位置矢量、位移、平均速度、瞬時速度、平均加速度、瞬時加速度都表示成直角坐標系中的矢量式)解：（1） (2)將,代入上式即有 (3) (4) 則 (5) (6) 這說明該點只有方向的加速度，且為恒量。19 質點沿軸運動，其加速度和位置的關系為 2+6，的單位為，的單位為 m. 質點在0處，速度為10,試求質點在任何坐標處的速度值解： 分離變量： 兩邊積分得 由題知，時，, 110 已知一質點作直線運動，其加速度為 4+3，開始運動時，5 m，=0，求該質點在10s 時的速度和位置 解： 分離變量，得 積分，得 由題知，,故 又因為 分離變量， 積分得 由題知 ,故 所以時1.11 一質點沿半徑為1 m 的圓周運動，運動方程為 =2+3，式中以弧度計，以秒計，求：(1) 2 s時，質點的切向和法向加速度；(2)當加速度的方向和半徑成45角時，其角位移是多少? 解： (1)時， (2)當加速度方向與半徑成角時，有即 亦即 則解得 于是角位移為1.12 質點沿半徑為的圓周按的規(guī)律運動，式中為質點離圓周上某點的弧長,，都是常量，求：(1)時刻質點的加速度；(2) 為何值時，加速度在數(shù)值上等于解：（1） 則 加速度與半徑的夾角為(2)由題意應有即 當時，1.14 一船以速率30kmh-1沿直線向東行駛，另一小艇在其前方以速率40kmh-1沿直線向北行駛，問在船上看小艇的速度為何?在艇上看船的速度又為何? 解：(1)大船看小艇，則有，依題意作速度矢量圖如題1-13圖(a)題1-13圖由圖可知 方向北偏西 (2)小船看大船，則有，依題意作出速度矢量圖如題1-13圖(b)，同上法，得方向南偏東習題二2.7 一細繩跨過一定滑輪，繩的一邊懸有一質量為的物體，另一邊穿在質量為的圓柱體的豎直細孔中，圓柱可沿繩子滑動今看到繩子從圓柱細孔中加速上升，柱體相對于繩子以勻加速度下滑，求，相對于地面的加速度、繩的張力及柱體與繩子間的摩擦力(繩輕且不可伸長，滑輪的質量及輪與軸間的摩擦不計)解：因繩不可伸長，故滑輪兩邊繩子的加速度均為，其對于則為牽連加速度，又知對繩子的相對加速度為，故對地加速度，由圖(b)可知，為 又因繩的質量不計，所以圓柱體受到的摩擦力在數(shù)值上等于繩的張力，由牛頓定律，有 聯(lián)立、式，得討論 (1)若，則表示柱體與繩之間無相對滑動(2)若，則，表示柱體與繩之間無任何作用力，此時, 均作自由落體運動題2-1圖2.8 一個質量為的質點，在光滑的固定斜面（傾角為）上以初速度運動，的方向與斜面底邊的水平線平行，如圖所示，求這質點的運動軌道解: 物體置于斜面上受到重力，斜面支持力.建立坐標：取方向為軸，平行斜面與軸垂直方向為軸.如圖2-2.題2-2圖方向： 方向： 時 由、式消去，得2.9 質量為16 kg 的質點在平面內(nèi)運動，受一恒力作用，力的分量為6 N，-7 N，當0時，0，-2 ms-1，0求當2 s時質點的 (1)位矢；(2)速度解： (1)于是質點在時的速度(2)210 質點在流體中作直線運動，受與速度成正比的阻力(為常數(shù))作用，=0時質點的速度為，證明(1) 時刻的速度為；(2) 由0到的時間內(nèi)經(jīng)過的距離為()1-；(3)停止運動前經(jīng)過的距離為；(4)證明當時速度減至的，式中m為質點的質量答: (1) 分離變量，得即 (2) (3)質點停止運動時速度為零，即t，故有 (4)當t=時，其速度為即速度減至的.2.11一質量為的質點以與地的仰角=30的初速從地面拋出，若忽略空氣阻力，求質點落地時相對拋射時的動量的增量解: 依題意作出示意圖如題2-6圖題2.11圖在忽略空氣阻力情況下，拋體落地瞬時的末速度大小與初速度大小相同，與軌道相切斜向下,而拋物線具有對軸對稱性，故末速度與軸夾角亦為，則動量的增量為由矢量圖知，動量增量大小為，方向豎直向下2.12 一質量為的小球從某一高度處水平拋出，落在水平桌面上發(fā)生彈性碰撞并在拋出1 s，跳回到原高度，速度仍是水平方向，速度大小也與拋出時相等求小球與桌面碰撞過程中，桌面給予小球的沖量的大小和方向并回答在碰撞過程中，小球的動量是否守恒?解: 由題知，小球落地時間為因小球為平拋運動，故小球落地的瞬時向下的速度大小為，小球上跳速度的大小亦為設向上為軸正向，則動量的增量方向豎直向上，大小 碰撞過程中動量不守恒這是因為在碰撞過程中，小球受到地面給予的沖力作用另外，碰撞前初動量方向斜向下，碰后末動量方向斜向上，這也說明動量不守恒2.13 作用在質量為10 kg的物體上的力為N，式中的單位是s，(1)求4s后，這物體的動量和速度的變化，以及力給予物體的沖量(2)為了使這力的沖量為200 Ns，該力應在這物體上作用多久，試就一原來靜止的物體和一個具有初速度ms-1的物體,回答這兩個問題解: (1)若物體原來靜止，則,沿軸正向，若物體原來具有初速，則于是,同理， ,這說明，只要力函數(shù)不變，作用時間相同，則不管物體有無初動量，也不管初動量有多大，那么物體獲得的動量的增量(亦即沖量)就一定相同，這就是動量定理(2)同上理，兩種情況中的作用時間相同，即亦即 解得，(舍去)2.14 一質量為的質點在平面上運動，其位置矢量為求質點的動量及0 到時間內(nèi)質點所受的合力的沖量和質點動量的改變量解: 質點的動量為將和分別代入上式，得,則動量的增量亦即質點所受外力的沖量為2.15 一顆子彈由槍口射出時速率為，當子彈在槍筒內(nèi)被加速時，它所受的合力為 F =()N(為常數(shù))，其中以秒為單位：(1)假設子彈運行到槍口處合力剛好為零，試計算子彈走完槍筒全長所需時間；(2)求子彈所受的沖量(3)求子彈的質量解: (1)由題意，子彈到槍口時，有,得(2)子彈所受的沖量將代入，得(3)由動量定理可求得子彈的質量2.16 一炮彈質量為，以速率飛行，其內(nèi)部炸藥使此炮彈分裂為兩塊，爆炸后由于炸藥使彈片增加的動能為，且一塊的質量為另一塊質量的倍，如兩者仍沿原方向飛行，試證其速率分別為+, -證明: 設一塊為，則另一塊為，及于是得 又設的速度為, 的速度為，則有 聯(lián)立、解得 將代入，并整理得于是有 將其代入式，有又，題述爆炸后，兩彈片仍沿原方向飛行，故只能取證畢2.17 設(1) 當一質點從原點運動到時，求所作的功(2)如果質點到處時需0.6s，試求平均功率(3)如果質點的質量為1kg，試求動能的變化解: (1)由題知，為恒力， (2) (3)由動能定理，2.18 以鐵錘將一鐵釘擊入木板，設木板對鐵釘?shù)淖枇εc鐵釘進入木板內(nèi)的深度成正比，在鐵錘擊第一次時，能將小釘擊入木板內(nèi)1 cm，問擊第二次時能擊入多深，假定鐵錘兩次打擊鐵釘時的速度相同解: 以木板上界面為坐標原點，向內(nèi)為坐標正向，如題2-13圖，則鐵釘所受阻力為題2-13圖第一錘外力的功為 式中是鐵錘作用于釘上的力，是木板作用于釘上的力，在時，設第二錘外力的功為，則同理，有 由題意，有 即 所以， 于是釘子第二次能進入的深度為2.19 設已知一質點(質量為)在其保守力場中位矢為點的勢能為, 試求質點所受保守力的大小和方向解: 方向與位矢的方向相反，即指向力心2.20 一根勁度系數(shù)為的輕彈簧的下端，掛一根勁度系數(shù)為的輕彈簧，的下端一重物，的質量為，如題2.20圖求這一系統(tǒng)靜止時兩彈簧的伸長量之比和彈性勢能之比解: 彈簧及重物受力如題2.20圖所示平衡時，有題2.20圖又 所以靜止時兩彈簧伸長量之比為彈性勢能之比為2.21 (1)試計算月球和地球對物體的引力相抵消的一點，距月球表面的距離是多少?地球質量5.981024kg，地球中心到月球中心的距離3.84108m，月球質量7.351022kg，月球半徑1.74106m(2)如果一個1kg的物體在距月球和地球均為無限遠處的勢能為零，那么它在點的勢能為多少? 解: (1)設在距月球中心為處，由萬有引力定律，有經(jīng)整理，得= 則點處至月球表面的距離為 (2)質量為的物體在點的引力勢能為2.22 如題2.22圖所示，一物體質量為2kg，以初速度3ms-1從斜面點處下滑，它與斜面的摩擦力為8N，到達點后壓縮彈簧20cm后停止，然后又被彈回，求彈簧的勁度系數(shù)和物體最后能回到的高度解: 取木塊壓縮彈簧至最短處的位置為重力勢能零點，彈簧原長處為彈性勢能零點。則由功能原理，有式中，再代入有關數(shù)據(jù)，解得題2.22圖再次運用功能原理，求木塊彈回的高度代入有關數(shù)據(jù)，得 ,則木塊彈回高度 題2.23圖2.23 質量為的大木塊具有半徑為的四分之一弧形槽，如題2.23圖所示質量為的小立方體從曲面的頂端滑下，大木塊放在光滑水平面上，二者都作無摩擦的運動，而且都從靜止開始，求小木塊脫離大木塊時的速度解: 從上下滑的過程中，機械能守恒，以，地球為系統(tǒng)，以最低點為重力勢能零點，則有又下滑過程，動量守恒，以,為系統(tǒng)則在脫離瞬間，水平方向有聯(lián)立，以上兩式，得2.24 一個小球與一質量相等的靜止小球發(fā)生非對心彈性碰撞，試證碰后兩小球的運動方向互相垂直證: 兩小球碰撞過程中，機械能守恒，有即 題2.24圖(a) 題2.24圖(b)又碰撞過程中，動量守恒，即有亦即 由可作出矢量三角形如圖(b)，又由式可知三矢量之間滿足勾股定理，且以為斜邊，故知與是互相垂直的第三習題3.7 一質量為的質點位于()處，速度為, 質點受到一個沿負方向的力的作用，求相對于坐標原點的角動量以及作用于質點上的力的力矩解: 由題知，質點的位矢為作用在質點上的力為所以，質點對原點的角動量為作用在質點上的力的力矩為3.8 哈雷彗星繞太陽運動的軌道是一個橢圓它離太陽最近距離為8.751010m 時的速率是5.46104ms-1，它離太陽最遠時的速率是9.08102ms-1這時它離太陽的距離多少?(太陽位于橢圓的一個焦點。)解: 哈雷彗星繞太陽運動時受到太陽的引力即有心力的作用，所以角動量守恒；又由于哈雷彗星在近日點及遠日點時的速度都與軌道半徑垂直，故有 3.10 物體質量為3kg，=0時位于, ，如一恒力作用在物體上,求3秒后，(1)物體動量的變化；(2)相對軸角動量的變化 解: (1) (2)解(一) 即 ,即 , 解(二) 題2-24圖3.10 平板中央開一小孔，質量為的小球用細線系住，細線穿過小孔后掛一質量為的重物小球作勻速圓周運動，當半徑為時重物達到平衡今在的下方再掛一質量為的物體，如題2-24圖試問這時小球作勻速圓周運動的角速度和半徑為多少?解: 在只掛重物時，小球作圓周運動的向心力為，即 掛上后，則有 重力對圓心的力矩為零，故小球對圓心的角動量守恒即 聯(lián)立、得3.11 飛輪的質量60kg，半徑0.25m，繞其水平中心軸轉動，轉速為900revmin-1現(xiàn)利用一制動的閘桿，在閘桿的一端加一豎直方向的制動力，可使飛輪減速已知閘桿的尺寸如題2-25圖所示，閘瓦與飛輪之間的摩擦系數(shù)=0.4，飛輪的轉動慣量可按勻質圓盤計算試求：(1)設100 N，問可使飛輪在多長時間內(nèi)停止轉動?在這段時間里飛輪轉了幾轉?(2)如果在2s內(nèi)飛輪轉速減少一半，需加多大的力?解: (1)先作閘桿和飛輪的受力分析圖(如圖(b)圖中、是正壓力，、是摩擦力，和是桿在點轉軸處所受支承力，是輪的重力，是輪在軸處所受支承力題3.11圖（a）題3.11圖(b)桿處于靜止狀態(tài)，所以對點的合力矩應為零，設閘瓦厚度不計，則有對飛輪，按轉動定律有，式中負號表示與角速度方向相反 又 以等代入上式，得由此可算出自施加制動閘開始到飛輪停止轉動的時間為這段時間內(nèi)飛輪的角位移為可知在這段時間里，飛輪轉了轉(2)，要求飛輪轉速在內(nèi)減少一半，可知用上面式(1)所示的關系，可求出所需的制動力為3.12 固定在一起的兩個同軸均勻圓柱體可繞其光滑的水平對稱軸轉動設大小圓柱體的半徑分別為和，質量分別為和繞在兩柱體上的細繩分別與物體和相連，和則掛在圓柱體的兩側，如題3.12圖所示設0.20m, 0.10m，4 kg，10 kg，2 kg，且開始時，離地均為2m求：(1)柱體轉動時的角加速度；(2)兩側細繩的張力解: 設,和分別為,和柱體的加速度及角加速度，方向如圖(如圖b)題3.12(a)圖 題3.12(b)圖(1) ,和柱體的運動方程如下： 式中 而 由上式求得 (2)由式由式3.13 計算題3.13圖所示系統(tǒng)中物體的加速度設滑輪為質量均勻分布的圓柱體，其質量為，半徑為，在繩與輪緣的摩擦力作用下旋轉，忽略桌面與物體間的摩擦，設50kg，200 kg,M15 kg, 0.1 m解: 分別以,滑輪為研究對象，受力圖如圖(b)所示對,運用牛頓定律，有 對滑輪運用轉動定律，有 又， 聯(lián)立以上4個方程，得題3.13(a)圖 題3.13(b)圖題3.14圖3.14 如題3.14圖所示，一勻質細桿質量為，長為，可繞過一端的水平軸自由轉動，桿于水平位置由靜止開始擺下求：(1)初始時刻的角加速度；(2)桿轉過角時的角速度.解: (1)由轉動定律，有 (2)由機械能守恒定律，有 題3.15圖3.15如題3.15圖所示，質量為，長為的均勻直棒，可繞垂直于棒一端的水平軸無摩擦地轉動，它原來靜止在平衡位置上現(xiàn)有一質量為的彈性小球飛來，正好在棒的下端與棒垂直地相撞相撞后，使棒從平衡位置處擺動到最大角度30處(1)設這碰撞為彈性碰撞，試計算小球初速的值；(2)相撞時小球受到多大的沖量?解: (1)設小球的初速度為，棒經(jīng)小球碰撞后得到的初角速度為，而小球的速度變?yōu)椋搭}意，小球和棒作彈性碰撞，所以碰撞時遵從角動量守恒定律和機械能守恒定律，可列式： 上兩式中，碰撞過程極為短暫，可認為棒沒有顯著的角位移；碰撞后，棒從豎直位置上擺到最大角度，按機械能守恒定律可列式： 由式得由式 由式 所以求得(2)相碰時小球受到的沖量為由式求得負號說明所受沖量的方向與初速度方向相反題3.16圖3.16 一個質量為M、半徑為并以角速度轉動著的飛輪(可看作勻質圓盤)，在某一瞬時突然有一片質量為的碎片從輪的邊緣上飛出，見題3.16圖假定碎片脫離飛輪時的瞬時速度方向正好豎直向上(1)問它能升高多少?(2)求余下部分的角速度、角動量和轉動動能解: (1)碎片離盤瞬時的線速度即是它上升的初速度設碎片上升高度時的速度為，則有令，可求出上升最大高度為(2)圓盤的轉動慣量，碎片拋出后圓盤的轉動慣量，碎片脫離前，盤的角動量為，碎片剛脫離后，碎片與破盤之間的內(nèi)力變?yōu)榱?，但?nèi)力不影響系統(tǒng)的總角動量，碎片與破盤的總角動量應守恒，即式中為破盤的角速度于是得(角速度不變)圓盤余下部分的角動量為轉動動能為題3.17圖3.17 一質量為、半徑為R的自行車輪，假定質量均勻分布在輪緣上，可繞軸自由轉動另一質量為的子彈以速度射入輪緣(如題3。17圖所示方向)(1)開始時輪是靜止的，在質點打入后的角速度為何值?(2)用,和表示系統(tǒng)(包括輪和質點)最后動能和初始動能之比 解: (1)射入的過程對軸的角動量守恒 (2) 3.18 彈簧、定滑輪和物體的連接如題3.18圖所示，彈簧的勁度系數(shù)為2.0 Nm-1；定滑輪的轉動慣量是0.5kgm2，半徑為0.30m ，問當6.0 kg質量的物體落下0.40m 時，它的速率為多大? 假設開始時物體靜止而彈簧無伸長解: 以重物、滑輪、彈簧、地球為一系統(tǒng)，重物下落的過程中，機械能守恒，以最低點為重力勢能零點，彈簧原長為彈性勢能零點，則有又 故有 題3.18圖 習題四4.3 慣性系S相對另一慣性系沿軸作勻速直線運動，取兩坐標原點重合時刻作為計時起點在S系中測得兩事件的時空坐標分別為=6104m,=210-4s，以及=12104m,=110-4s已知在S系中測得該兩事件同時發(fā)生試問：(1)S系相對S系的速度是多少? (2) 系中測得的兩事件的空間間隔是多少?解: 設相對的速度為，(1) 由題意 則 故 (2)由洛侖茲變換 代入數(shù)值， 4.4 長度=1 m的米尺靜止于S系中，與軸的夾角=30，S系相對S系沿軸運動，在S系中觀測者測得米尺與軸夾角為45 試求：(1)S系和S系的相對運動速度.(2)S系中測得的米尺長度 解: (1)米尺相對靜止，它在軸上的投影分別為：，米尺相對沿方向運動，設速度為，對系中的觀察者測得米尺在方向收縮，而方向的長度不變，即故 把及代入則得 故 (2)在系中測得米尺長度為45兩個慣性系中的觀察者和以0.6c(c表示真空中光速)的相對速度相互接近，如果測得兩者的初始距離是20m，則測得兩者經(jīng)過多少時間相遇?解: 測得相遇時間為測得的是固有時 ， ， ，或者，測得長度收縮，4.6 觀測者甲乙分別靜止于兩個慣性參考系和中，甲測得在同一地點發(fā)生的兩事件的時間間隔為 4s，而乙測得這兩個事件的時間間隔為 5s求：(1) 相對于的運動速度(2)乙測得這兩個事件發(fā)生的地點間的距離解: 甲測得,乙測得，坐標差為(1) 解出 (2) 負號表示 4.7 6000m 的高空大氣層中產(chǎn)生了一個介子以速度=0.998c飛向地球假定該介子在其自身靜止系中的壽命等于其平均壽命210-6s試分別從下面兩個角度，即地球上的觀測者和介子靜止系中觀測者來判斷介子能否到達地球解: 介子在其自身靜止系中的壽命是固有(本征)時間，對地球觀測者，由于時間膨脹效應，其壽命延長了衰變前經(jīng)歷的時間為這段時間飛行距離為因，故該介子能到達地球或在介子靜止系中，介子是靜止的地球則以速度接近介子，在時間內(nèi)，地球接近的距離為經(jīng)洛侖茲收縮后的值為：，故介子能到達地球4.8 設物體相對S系沿軸正向以0.8c運動，如果S系相對S系沿x軸正向的速度也是0.8c，問物體相對S系的速率是多少?解: 根據(jù)速度合成定理，, 49 飛船以0.8c的速度相對地球向正東飛行，飛船以0.6c的速度相對地球向正西方向飛行當兩飛船即將相遇時飛船在自己的天窗處相隔2s發(fā)射兩顆信號彈在飛船的觀測者測得兩顆信號彈相隔的時間間隔為多少?解: 取為系，地球為系，自西向東為()軸正向，則對系的速度，系對系的速度為，則對系(船)的速度為發(fā)射彈是從的同一點發(fā)出，其時間間隔為固有時，題3-14圖中測得的時間間隔為： 4.10 (1)火箭和分別以0.8c和0.6c的速度相對地球向+和-方向飛行試求由火箭測得的速度(2)若火箭相對地球以0.8c的速度向+方向運動，火箭的速度不變，求相對的速度 解: (1)如圖，取地球為系，為系，則相對的速度，火箭相對的速度，則相對()的速度為：或者取為系，則，相對系的速度，于是相對的速度為：(2)如圖，取地球為系，火箭為系，系相對系沿方向運動，速度，對系的速度為,由洛侖茲變換式相對的速度為：相對的速度大小為速度與軸的夾角為題3-15圖4.11 靜止在S系中的觀測者測得一光子沿與軸成角的方向飛行另一觀測者靜止于S系，S系的軸與軸一致，并以0.6c的速度沿方向運動試問S系中的觀測者觀測到的光子運動方向如何?解: 系中光子運動速度的分量為由速度變換公式，光子在系中的速度分量為光子運動方向與軸的夾角滿足在第二象限為在系中，光子的運動速度為 正是光速不變4.12 (1)如果將電子由靜止加速到速率為0.1c，須對它作多少功?(2)如果將電子由速率為0.8c加速到0.9c，又須對它作多少功?解: (1)對電子作的功，等于電子動能的增量，得J=(2) ) 4.13 子靜止質量是電子靜止質量的207倍，靜止時的平均壽命=210-6s，若它在實驗室參考系中的平均壽命= 710-6s，試問其質量是電子靜止質量的多少倍?解: 設子靜止質量為，相對實驗室參考系的速度為，相應質量為，電子靜止質量為，因由質速關系，在實驗室參考系中質量為：故 4.14 一物體的速度使其質量增加了10%，試問此物體在運動方向上縮短了百分之幾?解: 設靜止質量為，運動質量為，由題設 由此二式得 在運動方向上的長度和靜長分別為和，則相對收縮量為：4.15 氫原子的同位素氘(H)和氚(H)在高溫條件下發(fā)生聚變反應，產(chǎn)生氦(He)原子核和一個中子(n)，并釋放出大量能量，其反應方程為H + HHe + n已知氘核的靜止質量為2.0135原子質量單位(1原子質量單位1.60010-27kg)，氚核和氦核及中子的質量分別為3.0155，4.0015，1.00865原子質量單位求上述聚變反應釋放出來的能量解: 反應前總質量為反應后總質量為質量虧損 由質能關系得 習題五5.3 符合什么規(guī)律的運動才是諧振動?分別分析下列運動是不是諧振動：(1)拍皮球時球的運動；(2)如題4-1圖所示，一小球在一個半徑很大的光滑凹球面內(nèi)滾動(設小球所經(jīng)過的弧線很 短)題4-1圖解：要使一個系統(tǒng)作諧振動，必須同時滿足以下三個條件：一 ，描述系統(tǒng)的各種參量，如質量、轉動慣量、擺長等等在運動中保持為常量；二，系統(tǒng) 是在 自己的穩(wěn)定平衡位置附近作往復運動；三，在運動中系統(tǒng)只受到內(nèi)部的線性回復力的作用或者說，若一個系統(tǒng)的運動微分方程能用描述時，其所作的運動就是諧振動(1)拍皮球時球的運動不是諧振動第一，球的運動軌道中并不存在一個穩(wěn)定的平衡位置；第二，球在運動中所受的三個力：重力，地面給予的彈力，擊球者給予的拍擊力，都不是線 性回復力(2)小球在題4-1圖所示的情況中所作的小弧度的運動，是諧振動顯然，小球在運動過程中，各種參量均為常量；該系統(tǒng)(指小球凹槽、地球系統(tǒng))的穩(wěn)定平衡位置即凹槽最低點，即系統(tǒng)勢能最小值位置點；而小球在運動中的回復力為，如題4-1圖(b)所示題 中所述，故0，所以回復力為.式中負號，表示回復力的方向始終與角位移的方向相反即小球在點附近的往復運動中所受回復力為線性的若以小球為對象，則小球在以為圓心的豎直平面內(nèi)作圓周運動，由牛頓第二定律，在凹槽切線方向上有令，則有5.7 質量為的小球與輕彈簧組成的系統(tǒng)，按的規(guī)律作諧振動，求：(1)振動的周期、振幅和初位相及速度與加速度的最大值；(2)最大的回復力、振動能量、平均動能和平均勢能，在哪些位置上動能與勢能相等?(3)與兩個時刻的位相差；解：(1)設諧振動的標準方程為，則知：又 (2) 當時，有，即 (3) 5.8 一個沿軸作簡諧振動的彈簧振子，振幅為，周期為，其振動方程用余弦函數(shù)表示如果時質點的狀態(tài)分別是：(1)；(2)過平衡位置向正向運動；(3)過處向負向運動；(4)過處向正向運動試求出相應的初位相，并寫出振動方程解：因為 將以上初值條件代入上式，使兩式同時成立之值即為該條件下的初位相故有5.9 一質量為的物體作諧振動，振幅為，周期為，當時位移為求：(1)時，物體所在的位置及此時所受力的大小和方向；(2)由起始位置運動到處所需的最短時間；(3)在處物體的總能量解：由題已知 又，時，故振動方程為 (1)將代入得方向指向坐標原點，即沿軸負向(2)由題知，時，時 (3)由于諧振動中能量守恒，故在任一位置處或任一時刻的系統(tǒng)的總能量均為5.10 有一輕彈簧，下面懸掛質量為的物體時，伸長為用這個彈簧和一個質量為的小球構成彈簧振子，將小球由平衡位置向下拉開后 ，給予向上的初速度，求振動周期和振動表達式解：由題知而時， ( 設向上為正)又 5.11 圖為兩個諧振動的曲線，試分別寫出其諧振動方程題5.11圖解：由題5.11圖(a)，時，即 故 由題5.11圖(b)時，時，又 故 5.12 一輕彈簧的倔強系數(shù)為，其下端懸有一質量為的盤子現(xiàn)有一質量為的物體從離盤底高度處自由下落到盤中并和盤子粘在一起，于是盤子開始振動(1)此時的振動周期與空盤子作振動時的周期有何不同?(2)此時的振動振幅多大?(3)取平衡位置為原點，位移以向下為正，并以彈簧開始振動時作為計時起點，求初位相并寫出物體與盤子的振動方程解：(1)空盤的振動周期為，落下重物后振動周期為，即增大(2)按(3)所設坐標原點及計時起點，時，則碰撞時，以為一系統(tǒng)動量守恒，即則有 于是（3） (第三象限)，所以振動方程為5.13 有一單擺，擺長，擺球質量，當擺球處在平衡位置時，若給小球一水平向右的沖量，取打擊時刻為計時起點，求振動的初位相和角振幅，并寫出小球的振動方程解：由動量定理，有 按題設計時起點，并設向右為軸正向，則知時， 0 又 故其角振幅小球的振動方程為5.14 有兩個同方向、同頻率的簡諧振動，其合成振動的振幅為，位相與第一振動的位相差為，已知第一振動的振幅為，求第二個振動的振幅以及第一、第二兩振動的位相差題5.14圖解：由題意可做出旋轉矢量圖如下由圖知 設角，則即 即，這說明，與間夾角為，即二振動的位相差為.5.15 試用最簡單的方法求出下列兩組諧振動合成后所得合振動的振幅：(1) (2)解： (1) 合振幅 (2) 合振幅 5.16 一質點同時參與兩個在同一直線上的簡諧振動，振動方程為試分別用旋轉矢量法和振動合成法求合振動的振動幅和初相，并寫出諧振方程。解： 其振動方程為(作圖法略)*5.17 如題5.17圖所示，兩個相互垂直的諧振動的合振動圖形為一橢圓，已知方向的振動方程為，求方向的振動方程題5.17圖解：因合振動是一正橢圓，故知兩分振動的位相差為或；又，軌道是按順時針方向旋轉，故知兩分振動位相差為.所以方向的振動方程為習題六6.6 振動和波動有什么區(qū)別和聯(lián)系?平面簡諧波動方程和簡諧振動方程有什么不同?又有什么聯(lián)系?振動曲線和波形曲線有什么不同? 解: (1)振動是指一個孤立的系統(tǒng)(也可是介質中的一個質元)在某固定平衡位置附近所做的往復運動，系統(tǒng)離開平衡位置的位移是時間的周期性函數(shù)，即可表示為；波動是振動在連續(xù)介質中的傳播過程，此時介質中所有質元都在各自的平衡位置附近作振動，因此介質中任一質元離開平衡位置的位移既是坐標位置，又是時間的函數(shù)，即(2)在諧振動方程中只有一個獨立的變量時間，它描述的是介質中一個質元偏離平衡位置的位移隨時間變化的規(guī)律；平面諧波方程中有兩個獨立變量，即坐標位置和時間，它描述的是介質中所有質元偏離平衡位置的位移隨坐標和時間變化的規(guī)律當諧波方程中的坐標位置給定后，即可得到該點的振動方程，而波源持續(xù)不斷地振動又是產(chǎn)生波動的必要條件之一(3)振動曲線描述的是一個質點的位移隨時間變化的規(guī)律，因此，其縱軸為，橫軸為；波動曲線描述的是介質中所有質元的位移隨位置，隨時間變化的規(guī)律，其縱軸為，橫軸為每一幅圖只能給出某一時刻質元的位移隨坐標位置變化的規(guī)律，即只能給出某一時刻的波形圖，不同時刻的波動曲線就是不同時刻的波形圖6.7 波源向著觀察者運動和觀察者向波源運動都會產(chǎn)生頻率增高的多普勒效應，這兩種情況有何區(qū)別?解: 波源向著觀察者運動時，波面將被擠壓，波在介質中的波長，將被壓縮變短，(如題6.7圖所示)，因而觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完整數(shù)目()會增多，所以接收頻率增高；而觀察者向著波源運動時，波面形狀不變，但觀察者測到的波速增大，即，因而單位時間內(nèi)通過觀察者完整波的數(shù)目也會增多，即接收頻率也將增高簡單地說，前者是通過壓縮波面(縮短波長)使頻率增高，后者則是觀察者的運動使得單位時間內(nèi)通過的波面數(shù)增加而升高頻率題6.7 圖多普勒效應6.8 已知波源在原點的一列平面簡諧波，波動方程為=cos()，其中，為正值恒量求：(1)波的振幅、波速、頻率、周期與波長；(2)寫出傳播方向上距離波源為處一點的振動方程；(3)任一時刻，在波的傳播方向上相距為的兩點的位相差 解: (1)已知平面簡諧波的波動方程 ()將上式與波動方程的標準形式比較，可知：波振幅為，頻率，波長，波速，波動周期(2)將代入波動方程即可得到該點的振動方程(3)因任一時刻同一波線上兩點之間的位相差為 將，及代入上式，即得6.9 沿繩子傳播的平面簡諧波的波動方程為=0.05cos(10)，式中,以米計，以秒計求：(1)波的波速、頻率和波長；(2)繩子上各質點振動時的最大速度和最大加速度；(3)求=0.2m處質點在=1s時的位相，它是原點在哪一時刻的位相?這一位相所代表的運動狀態(tài)在=1.25s時刻到達哪一點? 解: (1)將題給方程與標準式相比，得振幅，頻率，波長，波速(2)繩上各點的最大振速，最大加速度分別為(3)m處的振動比原點落后的時間為故,時的位相就是原點()，在時的位相，即 設這一位相所代表的運動狀態(tài)在s時刻到達點，則6.10 如題6.10圖是沿軸傳播的平面余弦波在時刻的波形曲線(1)若波沿軸正向傳播，該時刻，各點的振動位相是多少?(2)若波沿軸負向傳播，上述各點的振動 位相又是多少? 解: (1)波沿軸正向傳播，則在時刻，有題6.10圖對于點：，對于點：，對于點：，對于點：，(取負值：表示點位相，應落后于點的位相)(2)波沿軸負向傳播，則在時刻，有對于點：，對于點：，對于點：，對于點：