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2020年大學(xué)物理學(xué)答案—第3版修訂
版—上冊(cè)—北京郵電大學(xué)完全版
大學(xué)物理習(xí)題及解答
習(xí)題一
drdrdv
1.6|Ar|與4有無(wú)不同?df和d7有無(wú)不同?df和
dv
我有無(wú)不同?其不同在哪里?試舉例說(shuō)明.
解:(1)M是位移的模,△「是位矢的模的增量,
即IM沙2-4,4=1司一同;
(2)?是速度的模,即廿
不只是速度在徑向上的分量.
drdrdr
???有(式中戶叫做單位矢),則丁丁+石
式中M就是速度徑向上的分量,
dri.dr
.?.力行不同如題1-1圖所示.
題
1-1圖
(3)扃dv表示加速度的模,即|_止|_d而v,d加v是加速度。在
切向上的分量.
???有一《表軌道節(jié)線方向單位矢),所以
dvdv?df
——=——r+v——
drdrdr
dv
式中而就是加速度的切向分量.
dr.df
(得與正的運(yùn)算較復(fù)雜,超出教材規(guī)定,故不予
討論)
1.7設(shè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為尸、①,在
計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度時(shí),有人先求出r=
drd2r
次+y,然后根據(jù)產(chǎn)dr,及4=W?而求得結(jié)果;又
有人先計(jì)算速度和加速度的分量,再合成求得結(jié)
你認(rèn)為兩種方法哪一種正確?為什么?兩者差別
何在?
解:,在平面直角坐標(biāo)系中,有尸="+爐,
_drdx-dy-t
?.v=—=—i+—/
drdrdr
_d2rd2x^d2y.
a=--=--i+--j
dt2d產(chǎn)d產(chǎn)
故它們的模即為
而前一種方法的錯(cuò)誤可能有兩點(diǎn),其一是概念上
的錯(cuò)誤,即誤把速度、加速度定義作
dr.d2
其二,可能是將了與正誤作速度與加速度的模。
在1-1題中已說(shuō)明*不是速度的模,而只是速度
在徑向上的分量,同樣,條也不是加速度的模,
它只是加速度在徑向分量中的一部分
產(chǎn)=出一1畝〃。或者概括性地說(shuō),前一種方法只
考慮了位矢尸在徑向(即量值)方面隨時(shí)間的變
化率,而沒(méi)有考慮位矢了及速度/的方向隨間的變
化率對(duì)速度、加速度的貢獻(xiàn)。
1.8一質(zhì)點(diǎn)在g平面上運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方程為
_i_
x=3f+5,y=2/2+3^-4.
式中,以s計(jì),以m計(jì).⑴以時(shí)間,為變量,
寫出質(zhì)點(diǎn)位置矢量的表示式;(2)求出尸1s時(shí)
刻和f=2s時(shí)刻的位置矢量,計(jì)算這1秒內(nèi)質(zhì)點(diǎn)
的位移;(3)計(jì)算「=0s時(shí)刻到「=4s時(shí)刻內(nèi)的
平均速度;(4)求出質(zhì)點(diǎn)速度矢量表示式,計(jì)算,
=4s時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速度;(5)計(jì)算r=Os至!b=4s內(nèi)
質(zhì)點(diǎn)的平均加速度;(6)求出質(zhì)點(diǎn)加速度矢量的
表示式,計(jì)算r=4s時(shí)質(zhì)點(diǎn)的加速度(請(qǐng)把位置
矢量、位移、平均速度、瞬時(shí)速度、平均加速度、
瞬時(shí)加速度都表示成直角坐標(biāo)系中的矢量
式).
解.(])/=(3f+5)f+(g產(chǎn)+3f—4)7皿
⑵將』,"2代入上式即有
^=81-0.5;m
弓=W+417m
△/=弓一片=37+4.57m
⑶V^=5]—4了/=177+16了
=Ar
v=——G-耳里押=37+5/3
△t4-0
dr--」
(4)/=擊=37+Q+3)/m.s
貝!|V4=37+7;ms
(5)\*v0=3i+3j,v4=3i+lj
/z>\ms
⑹a=——df=li
這說(shuō)明該點(diǎn)只有)方向的加速度,且為恒量。
1.9質(zhì)點(diǎn)沿工軸運(yùn)動(dòng),其加速度和位置的關(guān)系為
。=2+63”的單位為msrx的單位為m.質(zhì)點(diǎn)
在、=0處,速度為10ms1,試求質(zhì)點(diǎn)在任何坐標(biāo)
處的速度值.
dvdvdxdv
解:.dtdxdtdr
分離變量:udu=adx=(2-]-6x2)dx
兩邊積分得N=2X+2X?
由題知,x=0時(shí)f%=1。,;?c=5()
...v=2J/+%+25m-s-1
1.10已知一質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng),其加速度為a=
4+3ES-2,開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí),x=5m,v=0,求該質(zhì)
點(diǎn)在『=10s時(shí)的速度和位置.
解::"*4+夕
分離變量,得du=(4+3f)df
積分,得v=4t+~t2+C]
由題知,=0,%=0,???。=。
/32
故5廠
dx.32
又因?yàn)?了二4七廠
3
分離變量,2⑷+V)df
C213
積分得.2,+于+C2
由題知:0,、。=5,??.Q=5
故>2產(chǎn)+步+5
所以"10s時(shí)
2-1
v10=4xl0+-xl0=190m-s
23
x10=2xl0+-xl0+5=705m
一質(zhì)點(diǎn)沿半徑為1m的圓周運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方程
為。=2+3L。式中以弧度計(jì),,以秒計(jì),求:⑴
t=2s(2)當(dāng)
加速度的方向和半徑成45°角時(shí),其角位移是
多少?
解:”⑶
(l),=2s時(shí),q=R,=lxl8x2=36ms-2
22-2
an==lx(9x2)=129r6s
⑵當(dāng)加速度方向與半徑成45。角時(shí),有345°;今"
即R(D2=R(3亦即(“了二⑻
32
則解得r=9于是角位移為
2
9=2+3/=2+3x—=2.67ra
9
質(zhì)點(diǎn)沿半徑為A的圓周按s=卬一5”的規(guī)律運(yùn)動(dòng),
式中,為質(zhì)點(diǎn)離圓周上某點(diǎn)的弧長(zhǎng),。都是常
量,求:(1*時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的加速度;(2),為何值時(shí),
加速度在數(shù)值上等于。.
解:(1),哼=,。-初
d=(%一僅)
則
加速度與半徑的夾角為
(p=arctan—=----------
a”(v0-bt)
(2)由題意應(yīng)有
一4
4
?=/+仇一,),n(%_4)4=()
.??當(dāng)"力時(shí),a=b
一船以速率匕=30km?hT沿直線向東行駛,另
一小艇在其前方以速率「2=40km?h-1
沿直線向北行駛,問(wèn)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-2用,依題意作速
度矢量圖如題1-13圖(a)
(a)(b)
題1-13圖
v=yjv)2+vf=50km-h-1
由圖可知21
3
0=arctan—=arctan—=36.87°
v4
方向北偏西2
⑵小船看大船,則有%=『臉依題意作出速度
矢量圖如題1-13圖(b),同上法,得
匕2=50km-h-1
方向南偏東36.87°
習(xí)題二
一細(xì)繩跨過(guò)一定滑輪,繩的一邊懸有一質(zhì)量為
叫的物體,另一邊穿在質(zhì)量為%的圓柱體的豎直
細(xì)孔中,圓柱可沿繩子滑動(dòng).今看到繩子從圓柱
細(xì)孔中加速上升,柱體相對(duì)于繩子以勻加速度屋
下滑,求叫,性相對(duì)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(zhǎng),滑
輪的質(zhì)量及輪與軸間的摩擦不計(jì)).
解:因繩不可伸長(zhǎng),故滑輪兩邊繩子的加速度均
為由,其對(duì)于叫則為牽連加速度,又知必對(duì)繩子
的相對(duì)加速度為屋,故人對(duì)地加速度,由圖(b)可
知,為
二%一
a2Q,
①
又因繩的質(zhì)量不計(jì),所以圓柱體受到的摩擦力/
在數(shù)值上等于繩的張力7,由牛頓定律,有
m}g-T=m}a}
②
T-m2g=m2a2
③
聯(lián)立①、②、③式,得
_(J/一m2)8+加2優(yōu)
1
+m2
{m}-m2)g一呵壯
m}+m2
r_T_m]m2(2g-a)
叫+g
討論(1)若d=0,貝!h=生表示柱體與繩之間無(wú)相
對(duì)滑動(dòng).
⑵若"=2g,則T=/=0,表示柱體與繩之間無(wú)任何
作用力,此時(shí)叫,叫均作自由落體運(yùn)動(dòng).
(a)(b)
題2-1圖
一個(gè)質(zhì)量為p的質(zhì)點(diǎn),在光滑的固定斜面(傾角
為Q上以初速度%運(yùn)動(dòng),%的方向與斜面底邊的
水平線AB平行,如圖所示,求這質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌
道.
解:物體置于斜面上受到重力心,心取力。方向?yàn)?/p>
X軸,XY.
題2-2圖
X方向:工=。
x=vot①
F、,=mgsina=ma
y方向:v
②
v.=0
f=0時(shí)y=0w
1.2
y=—gsina/
由①、②式消去,,得2
2
y=-LgSma-X
2詔
質(zhì)量為16kg的質(zhì)點(diǎn)在x。平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),受一
恒力作用,力的分量為£=6N,4=-7N,當(dāng)/=
0時(shí),工=尸0,vv=-2m?s-1,v=0.求
當(dāng)「=2s⑴位矢;⑵速度.
A63
用牛.m168
久-7_2
a=—=——ms
'vm16
(1)
r23c5_i
v=v?+Iadt——24—x2=-m,s
XrXUnJorv84
「2—7c7_i
v=u0+Iadt=x2=—m,s
,>°J。>168
于是質(zhì)點(diǎn)在2s時(shí)的速度
_5「7=t
v=——i——/m-s
48
(2)
一/1,2、=12r
「=(%/+耳+2aytJ
,13:1一7i
(-2x2+-x-x4)z+—(—)x4y
2821o
48
2.10質(zhì)點(diǎn)在流體中作直線運(yùn)動(dòng),受與速度成
正比的阻力人a為常數(shù))作用,ko時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速度
為%,證明a),時(shí)刻的速度為-=%/5;(2)由o
到,的時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)的距離為
團(tuán)%k
x=(T)El-^1;(3)停止運(yùn)動(dòng)前經(jīng)過(guò)的距離
為嗚);(4)證明當(dāng)y〃必時(shí)速度減至”的:,式中H
為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量.
一kvdv
a=-----=—
答:⑴???mdt
分離變量,得
dv-kdt
vm
「dv_p/-kdt
即J%yJo
v-Ai
In—=Ine
%
kj
v—voe
x=jvdz=£v0e^dt-竺^(1-e/)
⑵ok
(3)質(zhì)點(diǎn)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)速度為零,即tf8,
故有心“山號(hào)
m
(4)當(dāng)廿7時(shí),其速度為
--1%
v=vemk=ve=—
ooe
即速度減至I。的上
加。二30。的初速環(huán)從地面拋出,若忽略空氣阻力,
求質(zhì)點(diǎn)落地時(shí)相對(duì)拋射時(shí)的動(dòng)量的增量.
解:依題意作出示意圖如題2-6圖
mv
在忽略空氣阻力情況下,拋體落地瞬時(shí)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(duì),軸對(duì)稱性,故末速度與X軸夾角
亦為3。。,則動(dòng)量的增量為
Ap=mv-mv^
由矢量圖知,動(dòng)量增量大小為所。I,方向豎直向
下.
一質(zhì)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1S,跳
回到原高度,速度仍是水平方向,速度大小也與
拋出時(shí)相等.求小球與桌面碰撞過(guò)程中,桌面給
予小球的沖量的大小和方向.并回答在碰撞過(guò)程
中,小球的動(dòng)量是否守恒?
解:由題知,小球落地時(shí)間為05s.因小球?yàn)槠?/p>
拋運(yùn)動(dòng),故小球落地的瞬時(shí)向下的速度大小為
「g"05g,小球上跳速度的大小亦為彩=05g.設(shè)向
上為,軸正向,則動(dòng)量的增量
邸=mv2-mv,方向豎直向上,
大小
|Ap|=mv2-(-mVj)=mg
碰撞過(guò)程中動(dòng)量不守恒.這是因?yàn)樵谂鲎策^(guò)程
中,小球受到地面給予的沖力作用.另外,碰撞
前初動(dòng)量方向斜向下,碰后末動(dòng)量方向斜向上,
這也說(shuō)明動(dòng)量不守恒.
作用在質(zhì)量為10kg的物體上的力為八(10+2NN,
式中,的單位是S,(1)求4s后,這物體的動(dòng)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200N?s,該力應(yīng)在這物體上
作用多久,試就一原來(lái)靜止的物體和一個(gè)具有初
速度-671n?s"的物體,回答這兩個(gè)問(wèn)題.
解:(1)若物體原來(lái)靜止,則
醞?=(戶山=£(10+2z)7dr=56kgm-s-l7沿,軸正向,
△%—=5.6m-s-lr
m
T]=Ap]=56kgrn-s-7
若物體原來(lái)具有-6mJ初速,則
?()=一加環(huán),"=機(jī)(一環(huán)+[:£由)=-mv0+工戶”于是
一="瓦"鼠=甄,
同理,AV2=Av,,I2=7,
這說(shuō)明,只要力函數(shù)不變,作用時(shí)間相同,則不
論物體有無(wú)初動(dòng)量,也不論初動(dòng)量有多大,那么
物體獲得的動(dòng)量的增量(亦即沖量)就一定相同,
這就是動(dòng)量定理.
(2)同上理,兩種情況中的作用時(shí)間相同,即
I=1(10+2r)dr=l(k+/
Jo
亦即r2+10?-200=0
解得"10s,(—20s舍去)
一質(zhì)量為粗的質(zhì)點(diǎn)在g平面上運(yùn)動(dòng),其位置矢
量為
r=acoscoti4-/?sincotj
71__________
求質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量及f=0到'F
的合力的沖量和質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的改變量.
解:質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量為
p=mv=mco(-asincoti+bcoscotj)
71
將-0和“方分別代入上式,得
p-mcobjp=-mcoai
則動(dòng)量的增量亦即x質(zhì)置所2受外務(wù)的沖量為
7=Ap=p2-pj=-mco{ai+bj)
一顆子彈由槍口射出時(shí)速率為%ms,當(dāng)子彈在
槍筒內(nèi)被加速時(shí),它所受的合力為F
二("")N(〃,b為常數(shù)),其中,以秒為單位:(1)假設(shè)
子彈運(yùn)行到槍口處合力剛好為零,試計(jì)算子彈走
完槍筒全長(zhǎng)所需時(shí)間;(2)求子彈所受的沖量.(3)
求子彈的質(zhì)量.
解:(1)由題意,子彈到槍口時(shí),有
_a
F=(a-ht)=0b
⑵子彈所受的沖量
/=[(6r-ht)dt=at--bt2
Jo2
將’4代人,得
1=匕
2b
(3)由動(dòng)量定理可求得子彈的質(zhì)量
Ia2
m--=------
%2。%
一炮彈質(zhì)量為機(jī),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(dòng)能為T,且一塊的質(zhì)量為另一塊質(zhì)量的攵倍,
如兩者仍沿原方向飛行,試證其速率分別為
2kT2T
v+vm,vkm
證明:設(shè)一塊為叫,則另一塊為〃%,
㈣=6%及+m2=m
kmm
m=-----,=-----
于是得1kA+\2k+\
又設(shè)町的速度為匕,%的速度為打,則有
T12121mv2
1=-m]Vj+—m2v2-~
②
mv=mxVj+m2v2
③
聯(lián)立①、③解得
v2=(k+\)v—kv]
④
將④代入②,并整理得
2T
(V,-V)2
km
2T
于是有V'=V±fc
將其代入④式,有
2kT
v2=v±y--
Vm
又,題述爆炸后,兩彈片仍沿原方向飛行,故只
能取
12kT2T
Vj=v+-----,v=v-
m2km
證畢.
設(shè)%=7f_6jN.(1)當(dāng)一質(zhì)點(diǎn)從原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到
r=-3i+4]+16km時(shí),求戶所作的功.(2)r,試求平均
功率.(3)如果質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為1kg,試求動(dòng)能的
變化.
解:(1)由題知,心為恒力,
人合=戶6=(7\6J)?(—3f+4)+16后)
=一21—24=-45J
(3)由動(dòng)能定理,^=A=-45J
以鐵錘將一鐵釘擊入木板,設(shè)木板對(duì)鐵釘?shù)淖?/p>
力與鐵釘進(jìn)入木板內(nèi)的深度成正比,在鐵錘擊第
一次時(shí),能將小釘擊入木板內(nèi)1cm,問(wèn)擊第二
次時(shí)能擊入多深,假定鐵錘兩次打擊鐵釘時(shí)的速
度相同.
解:以木板上界面為坐標(biāo)原點(diǎn),向內(nèi)為y坐標(biāo)正
向,如題2-13圖,則鐵釘所受阻力為
題2-13圖
f=-ky
第一錘外力的功為A
A=J/'dy=£-fdy=£kydy=1
①一
式中廣是鐵錘作用于釘上的力,/是木板作用于
釘上的力,在d—0時(shí),f1-f.
設(shè)第二錘外力的功為4,則同理,有
②
由題意,有
&=A=A(—mv2)
即
所以,
于是釘子第二次能進(jìn)入的深度為
Ay=y2-y,=V2-1=0.414cm
設(shè)已知一質(zhì)點(diǎn)(質(zhì)量為Q在其保守力場(chǎng)中位矢
為,點(diǎn)的勢(shì)能為Ep(r)=Ur",試求質(zhì)點(diǎn)所受保守力
的大小和方向.
方向與位矢尸的方向相反,即指向力心.
一根勁度系數(shù)為匕的輕彈簧A的下端,掛一根
勁度系數(shù)為七的輕彈簧入8的下端
一重物C,C的質(zhì)量為,求這一系統(tǒng)靜止時(shí)兩
彈簧的伸長(zhǎng)量之比和彈性勢(shì)
能之比.
解:A、BC,有
FA=FB=Mg
又FA=3
FB=k2^x2
所以靜止時(shí)兩彈簧伸長(zhǎng)量之比為
AXjk2
AXk、
2
彈性勢(shì)能之比為
E1/A2k,1
Pn?—心Ar?
2--
(1)試計(jì)算月球和地球?qū)Αǎ矬w的引力相抵消的
一點(diǎn)P,距月球表面的距離是多少?X1024kg,X
108m,X1022kg,X106m.(2)如果一個(gè)lkg的物
體在距月球和地球均為無(wú)限遠(yuǎn)處的勢(shì)能為零,那
么它在p點(diǎn)的勢(shì)能為多少?
解:(1)設(shè)在距月球中心為「處尸月引"地引,由萬(wàn)有
引力定律,有
「疝%j「疝%也
G-r^=GWrf
經(jīng)整理,得
,7.35x1()22
24
=75.98xlO+,7.35x1()22、3.48x1()8
=38.32x1()6m
則P點(diǎn)處至月球表面的距離為
67
h=r-rn=(38.32-1.74)xlO=3.66xl0m
(2)質(zhì)量為小的物體在p點(diǎn)的引力勢(shì)能為
y也-
E,r(R—r)
“rSil7.35X1O222r25.98X1024
=-6.67x10"x----------6.67x10"x----------——-
3.83xl07(38.4-3.83)xl07
=1.28xl()6j
,一物體質(zhì)量為2kg,以初速度1=3m?s】從斜
面A點(diǎn)處下滑,它與斜面的摩擦力為8N,到達(dá)B點(diǎn)
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(shì)
能零點(diǎn),彈簧原
長(zhǎng)處g彈性勢(shì)能零點(diǎn)。則由功能原理,有
zm
-frs=-1g12+mgssin37°)
12
mv+sin37°-frs
k2-------1------------
2
式中s=4.8+0.2=5m,x=0.2m,再代入有關(guān)數(shù)據(jù),解得
4=1390N-m-1
再次運(yùn)用功能原理,求木塊彈回的高度本
r1
-frs=mgs'sin37°--kx
代入有關(guān)數(shù)據(jù),得/=1.4m,
則木塊彈回高度
〃'=s'sin370=0.84m
質(zhì)量為M的大木塊具有半徑為R的四分之一弧
形槽,.質(zhì)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(wú)摩擦的運(yùn)
動(dòng),而且都從靜止開(kāi)始,求小木塊脫離大木塊時(shí)
的
解:心從〃上下滑的過(guò)程中,機(jī)械能守恒,以八
地球?yàn)橄到y(tǒng),以最低點(diǎn)為重力勢(shì)能零點(diǎn),則
有
11
mgR--mv?2+—MV92
又下滑過(guò)程,動(dòng)量守后,&加,加為系統(tǒng)則在〃,脫
離M瞬間,水平方向有
mv-MV=0
聯(lián)立,以上兩式,得
v=12Mg.
N(m+M)
一個(gè)小球與一質(zhì)量相等的靜止小球發(fā)生非對(duì)
心彈性碰撞,試證碰后兩小球的運(yùn)動(dòng)方向互相垂
直.
證:兩小球碰撞過(guò)程中,機(jī)械能守恒,有
~mvo=^mv\+;根田
即詔=V:+*
①
(a)(b)
(a)(b)
又碰撞過(guò)程中,動(dòng)量守恒,即有
mv0=mv1+mv2
亦即%=G+%
②
由②可作出矢量三角形如圖(b),又由①式可知
三矢量之間滿足勾股定理,且以記為斜邊,故知可
與當(dāng)是互相垂直的.
第三習(xí)題
一質(zhì)量為”的質(zhì)點(diǎn)位于(和必)處,速度為昨匕
質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)沿,負(fù)方向的力/的作用,求相對(duì)于
坐標(biāo)原點(diǎn)的角動(dòng)量以及作用于質(zhì)點(diǎn)上的力的力
矩.
解:由題知,質(zhì)點(diǎn)的位矢為
r=xJ+y]j
作用在質(zhì)點(diǎn)上的力為
f=-fi
所以,質(zhì)點(diǎn)對(duì)原點(diǎn)的角動(dòng)量為
Zo=rxmv
=(xj+yJ)x/7j(vJ+vyJ)
={xxrnvy-yxmvx}k
作用在質(zhì)點(diǎn)上的力的力矩為
==(x/+y7)x(-/T)=y〃
哈雷彗星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓.它離
太陽(yáng)最近距離為6=X10%時(shí)的速率是匕=x
104m?s-1,它離太陽(yáng)最遠(yuǎn)時(shí)的速率是I=義
102m?s-1少?(太陽(yáng)位
于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)。)
解:哈雷彗星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到太陽(yáng)的引力一
一即有心力的作用,所以角動(dòng)量守恒;又由于哈
雷彗星在近日點(diǎn)及遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)的速度都與軌道半
徑垂直,故有
匕=r2mv2
104
z]Vi_8.75xlOx5.46xl0l2
-7—■2).ZOX]Um
2
v29.08xio
物體質(zhì)量為3kg,尸0時(shí)位于「=4fm,v=7+67m-s-1,
如一恒力八5加作用在物體上,求3秒后,(1)物
體動(dòng)量的變化;(2)相對(duì)二軸角動(dòng)量的變化.
-1
解:(1)Ap=|fit=£5jdt=15Jkgm-s
⑵解(一)x=xO+%/=4+3=7
12zc15c,
y=+—at'=6x3+—x—x3~=25.5/
223
即斤=4f,弓=77+25.5)
Vx=V0,r=1
v=v+tzr=6+—x3=11
yv0n>v3
%=:i+6j,v=7+11]
即2
Z]=rxx/nv,=47x3(7+67)=721
L2=r2xmv2=(7?+25.5J)x3(1+11j)=154.5)1
2-1
AL=Z2-Z]=82.5^kg-m-s
,.dz
解(二)?:M=7
AZ=fAf-dr=f(rxF)dr
JoJo
=£(4+r)7+(6r+^)x|r2)Jx5;dz
2-1
=f5(4+t)kdt=82.5工kg-m-s
JO
題2-24圖
平板中央開(kāi)一小孔,質(zhì)量為加的小球用細(xì)線系
住,細(xì)線穿過(guò)小孔后掛一質(zhì)量為M的重物.小球
作勻速圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)半徑為%時(shí)重物達(dá)到平衡.今
在M的下方再掛一質(zhì)量為%的物體,如題2-24
圖.試問(wèn)這時(shí)小球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度〃和
半徑,為多少?
解:在只掛重物時(shí)M,小球作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力
為Mg,即
M}g=mrncoJ
①
掛上網(wǎng)后,則有
(M+^2)g=mr'①'2
②
重力對(duì)圓心的力矩為零,故小球?qū)A心的角動(dòng)量
守恒.
即=r'mv'
=>啰()=/①'
③
聯(lián)立①、②、③得
V〃叫
/_1M]g(M+用2)3
J叫%
,M,+M,I—M~
飛輪的質(zhì)量比=60kg,半徑R=,繞其水平中心
軸。轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速為900rev?mirf:現(xiàn)利用一制動(dòng)
的閘桿,在閘桿的一端加一豎直方向的制動(dòng)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)〃二,飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)
慣量可按勻質(zhì)圓盤計(jì)算.試求:
(1)設(shè)F=100N,問(wèn)可使飛輪在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)停止
轉(zhuǎn)動(dòng)?在這段時(shí)間里飛輪轉(zhuǎn)了幾轉(zhuǎn)?
(2)如果在2s內(nèi)飛輪轉(zhuǎn)速減少一半,需加多大的
力F?
解:(1)先作閘桿和飛輪的受力分析圖(如圖
(b)).圖中N、V是正壓力,F(xiàn),、7是摩擦力,F(xiàn),
和4是桿在A點(diǎn)轉(zhuǎn)軸處所受支承力,R是輪的重
力,P是輪在。軸處所受支承力.
(a)
桿處于靜止?fàn)顟B(tài),所以對(duì)A點(diǎn)的合力矩應(yīng)為零,
設(shè)閘瓦厚度不計(jì),則有
=0
F(l,+L)z-N'l.N=丘
'1Z1/
對(duì)飛輪,按轉(zhuǎn)動(dòng)定律有"-工式中負(fù)號(hào)表示夕
與角速度。方向相反.
?.*Fr=N=N'
J;"2
Fr-RN'-尸
I=-mR1,
又?:2
8=FrR_-24h+k)F
"IniRl,
①
以八100N等代入上式,得
-2x0.40x(0.50+0.75)-2
D—60x0.25x0.50X100=rad-s
3
由此可算出自施加制動(dòng)閘開(kāi)始到飛輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)
的時(shí)間為
一——900x2乃'3=7』
/760x40
這段時(shí)間內(nèi)飛輪的角位移為
°2604234
=53.1x2乃rad
可知在這段時(shí)間里,飛輪轉(zhuǎn)了53.1轉(zhuǎn).
2zr
⑵%=900x而rad',要求飛輪轉(zhuǎn)速在二2s內(nèi)減少一
半,可知
t2t2
用上面式⑴所示的關(guān)系,可求出所需的制動(dòng)力
為
FmRl^p
2〃(/1+4)
60x0.25x0.50x15^-
-2x0.40x(0.50+0.75)x2
=177N
固定在一起的兩個(gè)同軸均勻圓柱體可繞其光滑
的水平對(duì)稱軸。。轉(zhuǎn)動(dòng).設(shè)大小圓柱體的半徑分
別為R和,,質(zhì)量分別為M和機(jī).繞在兩柱體上的
細(xì)繩分別與物體叫和心相連,叫和飛則掛在圓柱體
的兩側(cè),.設(shè)R=,r=,〃?=4kg,M=10kg,
%=嗎=2kg,且開(kāi)始時(shí)叫,加2離地均為〃=2m?求:
(1)柱體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角加速度;
(2)兩側(cè)細(xì)繩的張力.
解:設(shè),”外和B分別為町,性和柱體的加速度及
角加速度,方向如圖(如圖b).
(a)圖(b)
圖
(1)叫,叫和柱體的運(yùn)動(dòng)方程如下:
T2-m2g=m2ci?
m1g-7;=機(jī)i%②
作-心=甲③
式中T:=T[,T;=12?2=r/3,ay=R/3
I=LMR2+-mr2
22
由上式求得
cRm.-rm
"EnE2+嗎9戶g
_0.2x2—0.1x2
-xl0x0.202+-x4x0.102+2x0.202+2x0.102
22
=6.13rad-s-2
⑵由①式
T2=m2rft+m2g=2x0.10x6.13+2x9.8=20.8N
由②式
T[=nt[g-m、R0=2x9.8-2x0.2.x6.13=17.1N
.設(shè)滑輪為質(zhì)量均勻分布的圓柱體,其質(zhì)量為
M,半徑為「,在繩與輪緣的摩擦力作用下旋轉(zhuǎn),
忽略桌面與物體間的摩擦,設(shè)叫=50kg,=
200kg,M=15kg,r=m
解:分別以叫,叫滑輪為研究對(duì)象,受力圖如圖(b)
所示.對(duì)〃儲(chǔ)叫運(yùn)用牛頓定律,有
m
iS-Ti=rn2aQ)
1=m\a(^)
對(duì)滑輪運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)定律,有
T2r-Tir=(—Mr~)/3
③2
又,”力
④
聯(lián)立以上4個(gè)方程,得
m-s-2
(a)圖(b)圖
,一勻質(zhì)細(xì)桿質(zhì)量為一長(zhǎng)為/,可繞過(guò)一端。的
水平軸自由轉(zhuǎn)動(dòng),桿于水平位置由靜止開(kāi)始擺
卜■?
(1)初始時(shí)刻的角加速度;
(2)桿轉(zhuǎn)過(guò)。角時(shí)的角速度.
解:(1)由轉(zhuǎn)動(dòng)定律,有
加gg=(;加廣)尸
B言I
(2)由機(jī)械能守恒定律,有
mggsin。=3(;山-)G2
3gsin9
co=
,質(zhì)量為長(zhǎng)為/的均勻直棒,可繞垂直于棒一
端的水平軸。無(wú)摩擦地轉(zhuǎn)動(dòng),它原來(lái)靜止在平衡
位置上.現(xiàn)有一質(zhì)量為機(jī)的彈性小球飛來(lái),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(dòng)到最大角度*30°處.
(1)設(shè)這碰撞為彈性碰撞,試計(jì)算小球初速%的
值;
(2)相撞時(shí)小球受到多大的沖量?
解:(D設(shè)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)樨鞍搭}
意,小球和棒作彈性碰撞,所以碰撞時(shí)遵從角動(dòng)
量守恒定律和機(jī)械能守恒定律,可列式:
mv()l-Ico+mvl
①
-mvl=-Ia)2+-mv2
2022
②
上兩式中碰撞過(guò)程極為短暫,可認(rèn)為棒
沒(méi)有顯著的角位移;碰撞后,棒從豎直位置上擺
到最大角度。=30。,按機(jī)械能守恒定律可列式:
1,I
-Ico2=Mg—(1-COS30。)
③22
由③式得
1l[J
r2
@=[竽(1—COS300)2=半(1一等)
由①式
1a)
"“一標(biāo)
④
由②式
i-生
m
⑤
所以
求得
個(gè)6(2—63m+M
12m
(2)相碰時(shí)小球受到的沖量為
JFdt=Amv=mv-mv0
由①式求得
f?JIco1J
Jrar=mv-mv0=———=
_j6(2-g)M.
6
負(fù)號(hào)說(shuō)明所受沖量的方向與初速度方向相反.
3
一個(gè)質(zhì)量為M、半徑為R并以角速度。轉(zhuǎn)動(dòng)著的
飛輪(可看作勻質(zhì)圓盤),在某一瞬時(shí)突然有一片
質(zhì)量為例的碎片從輪的邊緣上飛出,.假定碎片
脫離飛輪時(shí)的瞬時(shí)速度方向正好豎直向上.
(1)問(wèn)它能升高多少?
(2)求余下部分的角速度、角動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能.
解:(1)碎片離盤瞬時(shí)的線速度即是它上升的初
速度
v0=Ro)
設(shè)碎片上升高度〃時(shí)的速度為則有
/=詔-2gh
令「。,可求出上升最大高度為
⑵圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量碎片拋出后圓盤的
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量近,碎片脫離前,盤的角動(dòng)量
為口,碎片剛脫離后,碎片與破盤之間的內(nèi)力變
為零,但內(nèi)力不影響系統(tǒng)的總角動(dòng)量,碎片與破
盤的總角動(dòng)量應(yīng)守恒,即
Ico=rco,+mv^R
式中〃為破盤的角速度.于是
|MR2CO=(gMR2-mR2)口'+mv°R
(|MR2-mR2)co=(|MR2-mR2)co'
得角速度不變)
圓盤余下部分的角動(dòng)量為
1)
(-MR2-mR72)co
轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為
/=;(g/R2_加*)02
一質(zhì)量為,八半徑/A的自行車輪,假定質(zhì)量均
勻分布在輪緣上,可繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng).另一質(zhì)量為
外的子彈以速度嗎射入輪緣(如題3。17圖所示方
向).
(D開(kāi)始時(shí)輪是靜止的,在質(zhì)點(diǎn)打入后的角速度
為何值?
(2)用加/。和。表示系統(tǒng)(包括輪和質(zhì)點(diǎn))最后動(dòng)
能和初始動(dòng)能之比.
解:(1)射入的過(guò)程對(duì)。軸的角動(dòng)量守恒
Rsin。%%=(m+
..(m+m0)R
(2)
2
Ek2(m+nto)Rm0sin
『一
彈簧、,N?m-1;-m2,,時(shí),它的速率為
多大?假設(shè)開(kāi)始時(shí)物體靜止而彈簧無(wú)伸長(zhǎng).
解:以重物、滑輪、彈簧、地球?yàn)橐幌到y(tǒng),重
物下落的過(guò)程中,機(jī)械能守恒,以最低點(diǎn)為重力
勢(shì)能零點(diǎn),彈簧原長(zhǎng)為彈性勢(shì)能零點(diǎn),則有
meh=—mv2+—Ia>2+—khr
222
又co=vlR
(2mgh-kh2)k2
V=
故有vrf+/
_](2x6.0x9.8x0.
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