大学物理 1章作业 answers

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大学物理第一章答案

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大学物理第一章答案【篇一:大学物理第一章答案】(1)t = 2s时,它的法向加速度和切向加速度;(3)在哪一时刻,切向加速度和法向加速度恰有相等的值?[解答](1)角速度为法向加速度为角加速度为切向加速度为(2)总加速度为a = (at2 + an2)1/2,当at = a/2时,有4at2 = at2 + an2,即.由此得,即,解得.所以=3.154(rad).即 24t = (12t2)2,解得 t = (1/6)1/3 = 0.55(s).[解答]圆盘边缘的切向加速度大小等于物体a下落加速度.由于,所以物体下降3s末的速度为v = att = 0.6(m2s-1),这也是边缘的线速度,因此法向加速度为= 0.36(m2s-2).1.8 一升降机以加速度1.22m2s-2上升,当上升速度为2.44m2s-1时,有一螺帽自升降机的天花板上松落,天花板与升降机的底面相距2.74m.计算:(1)螺帽从天花板落到底面所需的时间;(2)螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离.[解答]在螺帽从天花板落到底面时,升降机上升的高度为;螺帽做竖直上抛运动,位移为.由题意得h = h1 - h2,所以,解得时间为= 0.705(s).算得h2 = -0.716m,即螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离为0.716m.[注意]以升降机为参考系,钉子下落时相对加速度为a + g,而初速度为零,可列方程 h = (a + g)t2/2,由此可计算钉子落下的时间,进而计算下降距离.第一章质点运动学1.1 一质点沿直线运动,运动方程为x(t) = 6t2 - 2t3.试求:(1)第2s内的位移和平均速度;(2)1s末及2s末的瞬时速度,第2s内的路程;(3)1s末的瞬时加速度和第2s内的平均加速度.[解答](1)质点在第1s末的位移大小为x(1) = 6312 - 2313 = 4(m).在第2s末的位移大小为x(2) = 6322 - 2323 = 8(m).在第2s内的位移大小为(2)质点的瞬时速度大小为v(t) = dx/dt = 12t - 6t2,因此v(1) = 1231 - 6312 = 6(m2s-1),v(2) = 1232 - 6322 = 0,(3)质点的瞬时加速度大小为a(t) = dv/dt = 12 - 12t,因此1s末的瞬时加速度为a(1) = 12 - 1231 = 0,第2s内的平均加速度为[注意]第几秒内的平均速度和平均加速度的时间间隔都是1秒.1.2 一质点作匀加速直线运动,在t = 10s内走过路程s = 30m,而其速度增为n = 5倍.试证加速度为.并由上述数据求出量值.[证明]依题意得vt = nvo,根据速度公式vt = vo + at,得a = (n – 1)vo/t,(1)根据速度与位移的关系式vt2 = vo2 + 2as,得a = (n2 – 1)vo2/2s,(2)(1)平方之后除以(2)式证得.计算得加速度为= 0.4(m2s-2).(1)矿坑有多宽?他飞越的时间多长?(2)他在东边落地时的速度?速度与水平面的夹角?取向上的方向为正,根据匀变速直线运动的速度公式vt - v0 = at,这里的v0就是vy0,a = -g;当他达到最高点时,vt = 0,所以上升到最高点的时间为 t1 = vy0/g = 2.49(s).再根据匀变速直线运动的速度和位移的关系式vt2 - v02 = 2as,可得上升的最大高度为h1 = vy02/2g = 30.94(m).他从最高点开始再做自由落体运动,下落的高度为h2 = h1 + h = 100.94(m).根据自由落体运动公式s = gt2/2,得下落的时间为= 4.49(s).因此他飞越的时间为t = t1 + t2 = 6.98(s).他飞越的水平速度为所以矿坑的宽度为x = vx0t = 419.19(m).(2)根据自由落体速度公式可得他落地的竖直速度大小为vy = gt = 69.8(m2s-1),落地速度为v = (vx2 + vy2)1/2 = 92.08(m2s-1),与水平方向的夹角为方向斜向下.方法二:一步法.取向上的方向为正,他在竖直方向的位移为y = vy0t - gt2/2,移项得时间的一元二次方程,解得.这里y = -70m,根号项就是他落地时在竖直方向的速度大小,由于时间应该取正值,所以公式取正根,计算时间为t = 6.98(s).由此可以求解其他问题.1.4一个正在沿直线行驶的汽船,关闭发动机后,由于阻力得到一个与速度反向、大小与船速平方成正比例的加速度,即dv/dt = -kv2,k为常数.(1)试证在关闭发动机后,船在t时刻的速度大小为;(2)试证在时间t内,船行驶的距离为.[证明](1)分离变量得,积分,可得.(2)公式可化为,由于v = dx/dt,所以积分.因此.证毕.[讨论]当力是速度的函数时,即f = f(v),根据牛顿第二定律得f = ma.由于a = d2x/dt2,而dx/dt = v,所以 a = dv/dt,分离变量得方程,解方程即可求解.在本题中,k已经包括了质点的质量.如果阻力与速度反向、大小与船速的n次方成正比,则dv/dt = -kvn.(1)如果n = 1,则得,积分得lnv = -kt + c.当t = 0时,v = v0,所以c = lnv0,因此lnv/v0 = -kt,得速度为v = v0e-kt.而dv = v0e-ktdt,积分得.当t = 0时,x = 0,所以c` = v0/k,因此.(2)如果n≠1,则得,积分得.当t = 0时,v = v0,所以,因此.如果n = 2,就是本题的结果.如果n≠2,可得,读者不妨自证.(1)t = 2s时,它的法向加速度和切向加速度;(3)在哪一时刻,切向加速度和法向加速度恰有相等的值? [解答](1)角速度为法向加速度为角加速度为切向加速度为(2)总加速度为a = (at2 + an2)1/2,当at = a/2时,有4at2 = at2 + an2,即.由此得,即,解得.所以=3.154(rad).即 24t = (12t2)2,解得 t = (1/6)1/3 = 0.55(s).[解答]建立水平和垂直坐标系,飞机的初速度的大小为加速度的大小为运动方程为,.即,.令y = 0,解得飞机回到原来高度时的时间为t = 0(舍去);(s).将t代入x的方程求得x = 9000m.[注意]选择不同的坐标系,例如x方向沿着a的方向或者沿着v0的方向,也能求出相【篇二:大学物理习题答案第一章】3 如题1-3图所示,汽车从a地出发,向北行驶60km到达b地,然后向东行驶60km到达c地,最后向东北行驶50km到达d地。

大学物理上册第一章习题解答

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习题1.1一质点沿直线运动,其运动方程为x=6t-t2(SI),求(1)t=4s时刻质点的速度和加速度;v=dx/dt=6-2t=-2m/s a=dv/dt=-2m/s2(2)在t由0至4s的时间间隔内,质点的位移大小和路程分别是多少?△x=x4-x0=24-16=8m令v=6-2t=0 则t=3s s=x3+(x3-x4)=18-9+9-8=10m1.2一遥控玩具赛车在一画有坐标系的场地运动,其位置坐标对时间的函数由下式给出:x=-0.31t2+7.2t+28,y=0.22t2-9.1t+30.试用单位矢量表示赛车在t=15s时刻的位矢,并求出其大小和其与x轴正向所夹的角度。

令t=15s 则x=66.25m y=-57m r=66.25→i-57→jr=(x2+y2)1/2=87.396m tana=y/x=-40.696。

1.3已知一质点的运动方程为x=2t,y=19-2t2,试求:(1)t=1s时的速度和加速度;→v=dx/dt →i+dy/dt→j=2→i-4t→j m/s→a=dv/dt=-4→j m/s2(2)何时质点的位置矢量和速度矢量垂直;→r=2t →i+(19-2t2)→j→r·→v=4t→i2+4t(2t2-19)→j2=4t+8t3-76t=8t3-72t=0t=0或t=3s(3)质点离原点最近的距离有多远。

r=(x2+y2)1/2=(4t2+361+4t4-76t2)1/2=(4t4-72t2+361)1/2=[(2t2-18)2+37]1/2当2t2-18=0时,r min=371/2=6.08m1.4一身高为l的人以速度v0在路上匀速行走,他经过一路灯继续往前匀速直线行走,路灯距地面的高度为h,求人影头顶的移动速度和影长增长的速度。

设人影头顶移动速度为v1,影长增长速度为v2,由比例关系得:h/l=v1t/(v1t-v0t) v1=h/(h-l)v0h/l=(v0t+v2t)/v2t v2=l/(h-l)v01.5距河岸500m处有一艘京静止的船,船上的探照灯以转速为n=1r/min转动,求当光束与岸边成60度角时,光束沿岸边移动的速度。

大学物理学-第1章习题解答

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大学物理简明教程(上册)习题选解第1章 质点运动学1-1 一质点在平面上运动,其坐标由下式给出)m 0.40.3(2t t x -=,m )0.6(32t t y +-=。

求:(1)在s 0.3=t 时质点的位置矢量;(2)从0=t 到s 0.3=t 时质点的位移;(3)前3s 内质点的平均速度;(4)在s 0.3=t 时质点的瞬时速度;(5)前3s 内质点的平均加速度;(6)在s 0.3=t 时质点的瞬时加速度。

解:(1)m )0.6()0.40.3(322j i r t t t t +-+-= 将s 0.3=t 代入,即可得到 )m (273j i r +-=(2)03r r r -=∆,代入数据即可。

(3)注意:0303--=r r v =)m/s 99(j i +-(4)dtd r=v =)m/s 921(j i +-。

(5)注意:0303--=v v a =2)m /s 38(j i +-(6)dtd va ==2)m /s 68(j -i -,代入数据而得。

1-2 某物体的速度为)25125(0j i +=v m/s ,3.0s 以后它的速度为)5100(j 7-i =v m/s 。

在这段时间内它的平均加速度是多少?解:0303--=v v a =2)m /s 3.3333.8(j i +-1-3 质点的运动方程为) 4(2k j i r t t ++=m 。

(1)写出其速度作为时间的函数;(2)加速度作为时间的函数; (3)质点的轨道参数方程。

解:(1)dtd r=v =)m/s 8(k j +t (2)dtd v a ==2m/s 8j ; (3)1=x ;24z y =。

1-4 质点的运动方程为t x 2=,22t y -=(所有物理量均采用国际单位制)。

求:(1)质点的运动轨迹;(2)从0=t 到2=t s 时间间隔内质点的位移r ∆及位矢的径向增量。

解:(1)由t x 2=,得2xt =,代入22t y -=,得质点的运动轨道方程为 225.00.2x y -=;(2)位移 02r r r -=∆=)m (4j i - 位矢的径向增量 02r r r -=∆=2.47m 。

大物第1章习题答案

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第九页,编辑于星期一:三点 四十六分。
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第十一页 四十六分。
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(完整版)大学物理学(课后答案)第1章

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(完整版)⼤学物理学(课后答案)第1章第1章质点运动学习题⼀选择题1-1 对质点的运动,有以下⼏种表述,正确的是[ ] (A)在直线运动中,质点的加速度和速度的⽅向相同(B)在某⼀过程中平均加速度不为零,则平均速度也不可能为零 (C)若某质点加速度的⼤⼩和⽅向不变,其速度的⼤⼩和⽅向可不断变化 (D)在直线运动中,加速度不断减⼩,则速度也不断减⼩解析:速度是描述质点运动的⽅向和快慢的物理量,加速度是描述质点运动速度变化的物理量,两者没有确定的对应关系,故答案选C 。

1-2 某质点的运动⽅程为)(12323m t t x +-=,则该质点作[ ] (A)匀加速直线运动,加速度沿ox 轴正向 (B)匀加速直线运动,加速度沿ox 轴负向 (C)变加速直线运动,加速度沿ox 轴正向 (D)变加速直线运动,加速度沿ox 轴负向解析:229dx v t dt ==-,18dva tdt==-,故答案选D 。

1-3 ⼀质点在平⾯上作⼀般曲线运动,其瞬时速度为v ,瞬时速率为v ,某⼀段时间内的平均速率为v ,平均速度为v ,他们之间的关系必定有[ ](A)v =v ,v =v (B)v ≠v ,v =v (C)v ≠v ,v ≠v (D)v =v ,v ≠v解析:瞬时速度的⼤⼩即瞬时速率,故v =v ;平均速率sv t=,⽽平均速度trv =,故v ≠v 。

答案选D 。

1-4 质点作圆周运动时,下列表述中正确的是[ ](A)速度⽅向⼀定指向切向,所以法向加速度也⼀定为零 (B)法向分速度为零,所以法向加速度也⼀定为零 (C)必有加速度,但法向加速度可以为零 (D)法向加速度⼀定不为零解析:质点作圆周运动时,2n t v dva a dtρ=+=+n t n t a e e e e ,所以法向加速度⼀定不为零,答案选D 。

1-5 某物体的运动规律为2dvkv t dt=-,式中,k 为⼤于零的常量。

当0t =时,初速为0v ,则速率v 与时间t 的函数关系为[ ](A)2012v kt v =+ (B)20112kt v v =+(C)2012v kt v =-+ (D)20112kt v v =-+解析:由于2dvkv t dt=-,所以020()vtv dv kv t dt =-?,得到20112kt v v =+,故答案选B 。

大学物理学第一章习题答案

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习题11、1选择题(1) 一运动质点在某瞬时位于矢径的端点处,其速度大小为(A)(B)(C)(D)[答案:D](2) 一质点作直线运动,某时刻的瞬时速度,瞬时加速度,则一秒钟后质点的速度(A)等于零(B)等于-2m/s(C)等于2m/s (D)不能确定。

[答案:D](3) 一质点沿半径为R的圆周作匀速率运动,每t秒转一圈,在2t时间间隔中,其平均速度大小与平均速率大小分别为(A)(B)(C) (D)[答案:B]1、2填空题(1) 一质点,以的匀速率作半径为5m的圆周运动,则该质点在5s内,位移的大小就是;经过的路程就是。

[答案: 10m;5πm](2) 一质点沿x方向运动,其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI),如果初始时刻质点的速度v0为5m·s-1,则当t为3s时,质点的速度v=。

[答案: 23m·s-1 ](3) 轮船在水上以相对于水的速度航行,水流速度为,一人相对于甲板以速度行走。

如人相对于岸静止,则、与的关系就是。

[答案:]1、3一个物体能否被瞧作质点,您认为主要由以下三个因素中哪个因素决定:(1) 物体的大小与形状;(2) 物体的内部结构;(3) 所研究问题的性质。

解:只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响,因此主要由所研究问题的性质决定。

1、4下面几个质点运动学方程,哪个就是匀变速直线运动?(1)x=4t-3;(2)x=-4t3+3t2+6;(3)x=-2t2+8t+4;(4)x=2/t2-4/t。

给出这个匀变速直线运动在t=3s时的速度与加速度,并说明该时刻运动就是加速的还就是减速的。

(x单位为m,t单位为s)解:匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。

加速度又就是位移对时间的两阶导数。

于就是可得(3)为匀变速直线运动。

其速度与加速度表达式分别为t=3s时的速度与加速度分别为v=20m/s,a=4m/s2。

因加速度为正所以就是加速的。

《大学物理学》第1-6章课后习题解答

《大学物理学》第1-6章课后习题解答

大学物理学习题答案习题一答案 习题一1.1 简要回答下列问题:(1) 位移和路程有何区别?在什么情况下二者的量值相等?在什么情况下二者的量值不相等?(2) 平均速度和平均速率有何区别?在什么情况下二者的量值相等?(3) 瞬时速度和平均速度的关系和区别是什么?瞬时速率和平均速率的关系和区别又是什么?(4) 质点的位矢方向不变,它是否一定做直线运动?质点做直线运动,其位矢的方向是否一定保持不变? (5) r ∆和r ∆有区别吗?v ∆和v ∆有区别吗?0dvdt =和0d v dt=各代表什么运动? (6) 设质点的运动方程为:()x x t =,()y y t =,在计算质点的速度和加速度时,有人先求出22r x y =+,然后根据drv dt= 及 22d r a dt =而求得结果;又有人先计算速度和加速度的分量,再合成求得结果,即22dx dy v dt dt ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 及 222222d x d y a dt dt ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭你认为两种方法哪一种正确?两者区别何在?(7) 如果一质点的加速度与时间的关系是线性的,那么,该质点的速度和位矢与时间的关系是否也是线性的?(8) “物体做曲线运动时,速度方向一定在运动轨道的切线方向,法向分速度恒为零,因此其法向加速度也一定为零.”这种说法正确吗?(9) 任意平面曲线运动的加速度的方向总指向曲线凹进那一侧,为什么?(10) 质点沿圆周运动,且速率随时间均匀增大,n a 、t a 、a 三者的大小是否随时间改变? (11) 一个人在以恒定速度运动的火车上竖直向上抛出一石子,此石子能否落回他的手中?如果石子抛出后,火车以恒定加速度前进,结果又如何?1.2 一质点沿x 轴运动,坐标与时间的变化关系为224t t x -=,式中t x ,分别以m 、s 为单位,试计算:(1)在最初s 2内的位移、平均速度和s 2末的瞬时速度;(2)s 1末到s 3末的平均加速度;(3)s 3末的瞬时加速度。

大学物理课后习题答案第一章

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第一章 质点运动学1.1 一质点沿直线运动,运动方程为x (t ) = 6t 2 - 2t 3.试求: (1)第2s 的位移和平均速度;(2)1s 末及2s 末的瞬时速度,第2s 的路程; (3)1s 末的瞬时加速度和第2s 的平均加速度.[解答](1)质点在第1s 末的位置为:x (1) = 6×12 - 2×13 = 4(m).在第2s 末的位置为:x (2) = 6×22 - 2×23 = 8(m). 在第2s 的位移大小为:Δx = x (2) – x (1) = 4(m),经过的时间为Δt = 1s ,所以平均速度大小为:=Δx /Δt = 4(m·s -1). (2)质点的瞬时速度大小为:v (t ) = d x /d t = 12t - 6t 2,因此v (1) = 12×1 - 6×12 = 6(m·s -1),v (2) = 12×2 - 6×22 = 0质点在第2s 的路程等于其位移的大小,即Δs = Δx = 4m . (3)质点的瞬时加速度大小为:a (t ) = d v /d t = 12 - 12t ,因此1s 末的瞬时加速度为:a (1) = 12 - 12×1 = 0,第2s 的平均加速度为:= [v (2) - v (1)]/Δt = [0 – 6]/1 = -6(m·s -2).[注意] 第几秒的平均速度和平均加速度的时间间隔都是1秒.1.2 一质点作匀加速直线运动,在t = 10s 走过路程s = 30m ,而其速度增为n = 5倍.试证加速度为,并由上述数据求出量值.[证明]依题意得v t = nv o ,根据速度公式v t = v o + at ,得a = (n – 1)v o /t , (1)根据速度与位移的关系式v t 2 = v o 2 + 2as ,得 a = (n 2 – 1)v o 2/2s ,(2) (1)平方之后除以(2)式证得:.计算得加速度为:= 0.4(m·s -2).1.3 一人乘摩托车跳越一个大矿坑,他以与水平成22.5°的夹角的初速度65m·s -1从西边起跳,准确地落在坑的东边.已知东边比西边低70m ,忽略空气阻力,且取g = 10m·s -2.问:(1)矿坑有多宽?他飞越的时间多长?(2)他在东边落地时的速度?速度与水平面的夹角? [解答]方法一:分步法.(1)夹角用θ表示,人和车(人)在竖直方向首先做竖直上抛运动,初速度的大小为v y 0 = v 0sin θ = 24.87(m·s -1).取向上的方向为正,根据匀变速直线运动的速度公式v t - v 0 = at ,这里的v 0就是v y 0,a = -g ;当人达到最高点时,v t = 0,所以上升到最高点的时间为t 1 = v y 0/g = 2.49(s).再根据匀变速直线运动的速度和位移的关系式:v t 2 - v 02 = 2a s , 可得上升的最大高度为:h 1 = v y 02/2g = 30.94(m).人从最高点开始再做自由落体运动,下落的高度为;h 2 = h 1 + h = 100.94(m). 根据自由落体运动公式s = gt 2/2,得下落的时间为:= 4.49(s). 因此人飞越的时间为:t = t 1 + t 2 = 6.98(s).人飞越的水平速度为;v x 0 = v 0cos θ = 60.05(m·s -1),v a 22(1)(1)n sa n t -=+22(1)(1)n sa n t -=+22(51)30(51)10a -=+222h t g=70m22.5º 图1.3所以矿坑的宽度为:x = v x 0t = 419.19(m).(2)根据自由落体速度公式可得人落地的竖直速度大小为:v y = gt = 69.8(m·s -1), 落地速度为:v = (v x 2 + v y 2)1/2 = 92.08(m·s -1),与水平方向的夹角为:φ = arctan(v y /v x ) = 49.30º,方向斜向下.方法二:一步法.取向上为正,人在竖直方向的位移为y = v y 0t - gt 2/2,移项得时间的一元二次方程, 解得:.这里y = -70m ,根号项就是人落地时在竖直方向的速度大小,由于时间应该取正值,所以公式取正根,计算时间为:t = 6.98(s).由此可以求解其他问题.1.4 一个正在沿直线行驶的汽船,关闭发动机后,由于阻力得到一个与速度反向、大小与船速平方成正比例的加速度,即d v /d t = -kv 2,k 为常数.(1)试证在关闭发动机后,船在t 时刻的速度大小为; (2)试证在时间t ,船行驶的距离为. [证明](1)分离变量得, 故 ,可得:. (2)公式可化为,由于v = d x/d t ,所以: 积分.因此 . 证毕.[讨论]当力是速度的函数时,即f = f (v ),根据牛顿第二定律得f = ma . 由于a = d 2x /d t 2, 而 d x /d t = v , a = d v /d t , 分离变量得方程:, 解方程即可求解.在本题中,k 已经包括了质点的质量.如果阻力与速度反向、大小与船速的n 次方成正比,则d v /d t = -kv n .(1)如果n = 1,则得, 积分得ln v = -kt + C .当t = 0时,v = v 0,所以C = ln v 0, 因此ln v/v 0 = -kt ,得速度为 :v = v 0e -kt .201sin 02gt v t y θ-+=0(sin t v g θ=011kt v v =+01ln(1)x v kt k=+2d d vk t v =-020d d v t v v k t v =-⎰⎰011kt v v =+001v v v kt=+00001d d d(1)1(1)v x t v kt v kt k v kt ==+++00001d d(1)(1)x tx v kt k v kt =++⎰⎰01ln(1)x v kt k=+d d ()m vt f v =d d vk t v=-而d v = v 0e -kt d t ,积分得:. 当t = 0时,x = 0,所以C` = v 0/k ,因此.(2)如果n ≠1,则得,积分得. 当t = 0时,v = v 0,所以,因此. 如果n = 2,就是本题的结果.如果n ≠2,可得,读者不妨自证.1.5 一质点沿半径为0.10m 的圆周运动,其角位置(以弧度表示)可用公式表示:θ = 2 + 4t 3.求:(1)t = 2s 时,它的法向加速度和切向加速度;(2)当切向加速度恰为总加速度大小的一半时,θ为何值? (3)在哪一时刻,切向加速度和法向加速度恰有相等的值? [解答](1)角速度为ω = d θ/d t = 12t 2 = 48(rad·s -1),法向加速度为 a n = rω2 = 230.4(m·s -2);角加速度为 β = d ω/d t = 24t = 48(rad·s -2), 切向加速度为 a t = rβ = 4.8(m·s -2). (2)总加速度为a = (a t 2 + a n 2)1/2,当a t = a /2时,有4a t 2 = a t 2 + a n 2,即.由此得,即 ,解得 .所以 =3.154(rad).(3)当a t = a n 时,可得rβ = rω2, 即: 24t = (12t 2)2,解得 : t = (1/6)1/3 = 0.55(s).1.6 一飞机在铅直面飞行,某时刻飞机的速度为v = 300m·s -1,方向与水平线夹角为30°而斜向下,此后飞机的加速度为a = 20m·s -2,方向与水平前进方向夹角为30°而斜向上,问多长时间后,飞机又回到原来的高度?在此期间飞机在水平方向飞行的距离为多少?[解答]建立水平和垂直坐标系,飞机的初速度的大小为 v 0x = v 0cos θ, v 0y = v 0sin θ.加速度的大小为a x = a cos α, a y = a sin α. 运动方程为, . 即 ,.令y = 0,解得飞机回到原来高度时的时间为:t = 0(舍去);(s).将t 代入x 的方程求得x = 9000m .0e `ktv x C k-=+-0(1-e )kt vx k -=d d n vk t v=-11n v kt C n -=-+-101n v C n-=-11011(1)n n n kt v v --=+-1(2)/(1)020{[1(1)]1}(2)n n n n n v kt x n v k----+--=-3n t a a =23r r ωβ=22(12)243t t =33/6t =3242(13/3)t θ=+=+32012x x x v t a t =+2012y y y v t a t =-+201cos cos 2x v t a t θα=⋅+⋅201sin sin 2y v t a t θα=-⋅+⋅02sin 103sin v t a θα== y xO α v 0θ a a xa yv 0x v 0y[注意]选择不同的坐标系,如x 方向沿着a 的方向或者沿着v 0的方向,也能求出相同的结果.1.7 一个半径为R = 1.0m 的轻圆盘,可以绕一水平轴自由转动.一根轻绳绕在盘子的边缘,其自由端拴一物体A .在重力作用下,物体A 从静止开始匀加速地下降,在Δt = 2.0s 下降的距离h = 0.4m .求物体开始下降后3s 末,圆盘边缘上任一点的切向加速度与法向加速度.[解答]圆盘边缘的切向加速度大小等于物体A 下落加速度.由于, 所以a t = 2h /Δt 2 = 0.2(m·s -2).物体下降3s 末的速度为v = a t t = 0.6(m·s -1),这也是边缘的线速度,因此法向加速度为= 0.36(m·s -2).1.8 一升降机以加速度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上松落,天花板与升降机的底面相距 2.74m .计算:(1)螺帽从天花板落到底面所需的时间;(2)螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离.[解答]在螺帽从天花板落到底面时,升降机上升的高度为;螺帽做竖直上抛运动,位移为. 由题意得h = h 1 - h 2,所以, 解得时间为= 0.705(s).算得h 2 = -0.716m ,即螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离为0.716m .[注意]以升降机为参考系,钉子下落时相对加速度为a + g ,而初速度为零,可列方程h = (a + g )t 2/2,由此可计算钉子落下的时间,进而计算下降距离.1.9 有一架飞机从A 处向东飞到B 处,然后又向西飞回到A 处.已知气流相对于地面的速度为u ,AB 之间的距离为l ,飞机相对于空气的速率v 保持不变.(1)如果u = 0(空气静止),试证来回飞行的时间为; (2)如果气流的速度向东,证明来回飞行的总时间为;(3)如果气流的速度向北,证明来回飞行的总时间为.[证明](1)飞机飞行来回的速率为v ,路程为2l ,所以飞行时间为t 0 = 2l /v . (2)飞机向东飞行顺风的速率为v + u ,向西飞行逆风的速率为v - u , 所以飞行时间为 . (3)飞机相对地的速度等于相对风的速度加风相对地的速度.为了使飞机沿着AB 之间的直线飞行,就要使其相对地的速度偏向北方,可作矢量三角形,其中沿AB 方向的速度大小为,所以飞行时间为212t h a t =∆2n v a R=21012h v t at =+22012h v t gt =-21()2h a g t =+2/()t h a g =+02l t v =1221/t t u v =-02221/t t u v=-1222l l vl t v u v u v u =+=+--022222/1/1/t l v u v u v==--22V v u =-RA图1.7AB AB vv + uv - uABvuuvv. 证毕.1.10 如图所示,一汽车在雨中沿直线行驶,其速度为v 1,下落雨的速度方向与铅直方向的夹角为θ,偏向于汽车前进方向,速度为v 2.今在车后放一长方形物体,问车速v 1为多大时此物体刚好不会被雨水淋湿?[解答]雨对地的速度等于雨对车的速度加车对地的速度,由此可作矢量三角形.根据题意得tan α = l/h .方法一:利用直角三角形.根据直角三角形得v 1 = v 2sin θ + v 3sin α,其中v 3 = v ⊥/cos α,而v ⊥ = v 2cos θ, 因此v 1 = v 2sin θ + v 2cos θsin α/cos α, 即 . 证毕. 方法二:利用正弦定理.根据正弦定理可得,所以:,即 . 方法三:利用位移关系.将雨滴的速度分解为竖直和水平两个分量,在t 时间,雨滴的位移为l = (v 1 – v 2sin θ)t , h = v 2cos θ∙t .两式消去时间t 即得所求. 证毕.22222222/1/l l l v t V v u u v ===--0221/t u v=-2v 3v 1v 12(sin cos )lv v hθθ=+12sin()sin(90)v v θαα=+︒-12sin()cos v v θαα+=2sin cos cos sin cos v θαθαα+=2(sin cos tan )v θθα=+12(sin cos )lv v hθθ=+v 1hl v 2θ图1.10v 1h lv 2θ v 3 α α v ⊥。

大学物理第一章课后习题答案

大学物理第一章课后习题答案

1.1 一质点在Oxy 平面内运动,运动方程为)SI (53+=t x ,)SI (432/2-+=t t y 。

(1)以时间t 为变量,写出质点位矢的表达式;(2)求出质点速度分量的表达式,并计算s 4=t 时,质点速度的大小和方向;(3)求出质点加速度分量的表达式,并计算出s 4=t 时,质点加速度的大小和方向。

解:(1))SI (53+=t x ,)SI (432/2-+=t t y 质点位矢的表达式为:j t t i t j y i x r )432/()53(2-+++=+=; (2)m/s 3)53(=+==t dt d dt dx v x ,m/s )3()432/(2+=-+==t t t dt d dt dy v ys 4=t ,m/s 3=x v ,m/s 7=y v ,m/s 6.7m/s 5822==+=y x v v v设θ是v 和x v 的夹角,则37tan ==x y v v θ,8.66=θ°; (3)2m/s 0)3(===dt d dt dv a x x ,2m/s 1)3(=+==t dt ddt dv a y ys 4=t ,2m/s 0=x a ,2m/s 1=y a ,222m/s 1=+=y x a a a方向沿y 轴方向。

1.2 质点在Oxy 平面内运动,运动方程为)SI (3t x =,)SI (22t y -=。

(1)写出质点运动的轨道方程;(2)s 2=t 时,质点的位矢、速度和加速度。

解:(1)质点运动方程)SI (3t x =,)SI (22t y -=,质点运动的轨道方程为:9/2)3(222x xy -=-=或2189x y -=;(2)j t i t j y i x r )2()3(2-+=+=,s 2=t 时: j i r 26-=j t i v 23-=,s 2=t 时:j i v43-=j a 2-=,s 2=t 时:j a2-=1.3质点沿直线运动,其坐标x 与时间t 有如下关系:)SI (cos t Ae x tωβ-=(A 和β皆为常量)。

大学物理第一章习题解答

大学物理第一章习题解答

习题一1.2. 一质点沿x 轴运动,坐标与时间的变化关系为224t t x -=,式中t x ,分别以m 、s 为单位,试计算(1)在最初s 2内的平均速度和s 2末的瞬时速度;(2)s 1末到s 3末的位移、平均速度;(3)s 1末到s 3末的平均加速度;此加速度是否可以 用式221a a a ave +=计算? (4)s 3末的瞬时加速度。

解:(1) 最初s 2内的平均速度为:)/(0200202s m x x t x v t t =-=-=∆∆=== (2) s 2末的瞬时速度为: s m t dt dxv t t /44422-=-==== s 1末到s 3末的位移、平均速度分别为:m x xx t t 82613-=--=-=∆== s m t x v /428-=-=∆∆= (3) s 1末到s 3末的平均加速度为213==-=∆∆=t t v v t v a 而 s m dtdxv t t /833-==== s m dtdx v t t /011==== 所以 2/4208s m a -=--= 而该质点的瞬时加速度为222222/4)24(s m dtt t d dt x d dt dv a -=-=== 保持不变,因此,加速度是否可以用式 221a a a ave +=计算, 事实上,该质点做匀加速直线运动。

1.3. 路灯距地面的高度为h ,一个身高为l 的人在路上匀速运动,速度为0v ,如图T1.3。

求(1)人影中头顶的移动速度;(2)影子长度增长的速率。

解:(1)人影中头顶位置应该在地面上做一维直线运动,设路灯的正下方为坐标原点O ,人影中头顶位置坐标为P ,根据三角形相似的原理,人影中头顶的移动速度为:0v lh h dt dOP v -== (2) 由于影子长度等于人影中头顶位置和人位置的水平距离,所以影子长度增长的速率为:00v l h l v v v -=-=' 1.4. 一质点的运动方程为k t j t i t r ++=24)(,式中r ,t 分别以m 、s 为单位。

大学物理第1章习题解答(全)

大学物理第1章习题解答(全)

a

at

an

dv dt
et

v2 R
en
1-6 已知质点沿x轴作直线运动,其运动方程为
x 2 6t 2 2t3
求(1)质点在运动开始后4.0s内的位移大小;
(2)质点在该时间内所通过的路程;
(3)t=4 s 时质点的速度和加速度。
解:(1)质点在4.0s内的位移大小
arctan[ (v0
bt)2 ]
at
Rb
(2)要使 a a b ,即
1 R
R2b2 (v0 bt)4 b
可得 t v0 b
v v0 bt
此时速率为零(即运动方向反向)
t 0 开始到 t v0 b
质点经过的路程 L
L

st

s0

st
0

小的一半时, 值为多少?
(3)t为多少时,法向加速度和切向加速度 相等?
解 (1)由 2 4t3 得: d 12t2
dt
d 12t 2
dt
法向:an 2r (12t 2 )2 r an t2s 2.30102 m s2
切向:
at
r d
x x4 x0 32 m
(2)由
dx 0 dt
(2)由
dx 12t 6t 2 0 dt
得知质点换向的时刻为t 2 s(t=0不合题意)
-30
02
x(m)
10
t=4
t=0
t=2
则 x1 x2 x0 8m x2 x4 x2 40m
t 4s的路程:s1 x1 x2 48m

大学物理第一章练习及答案

大学物理第一章练习及答案

一、判断题1. 在自然界中,可以找到实际的质点.[×]2. 同一物体的运动,如果选取的参考系不同,对它的运动描述也不同. ···················· [√]3. 运动物体在某段时间内的平均速度大小等于该段时间内的平均速率.[×]4. 质点作圆周运动时的加速度指向圆心.[×]5. 圆周运动满足条件d 0d r t =,而d 0d r t≠v . ···························································· [√] 6. 只有切向加速度的运动一定是直线运动.[√]7. 只有法向加速度的运动一定是圆周运动. ························································· [×]8. 曲线运动的物体,其法向加速度一定不等于零.[×]9. 质点在两个相对作匀速直线运动的参考系中的加速度是相同的. ·························· [√]10. 牛顿定律只有在惯性系中才成立. ·································································· [√]二、选择题11. 一运动质点在某时刻位于矢径(),r x y v 的端点处,其速度大小为:( C ) A. d d r t B.d d r tv C.d d r t vD.12. 一小球沿斜面向上运动,其运动方程为254SI S t t =+-(),则小球运动到最高点的时刻是:( B )A. 4s t =B.2s t =C.8s t =D. 5s t =13. 一质点在平面上运动,已知其位置矢量的表达式为22r at i bt j =+v v v (其中a 、b 为常量)则该质点作:( B )A. 匀速直线运动B.变速直线运动C.抛物线运动D. 一般曲线运动14. 某物体的运动规律为2d d v kv t t=-,式中的k 为大于0的常数。

大学物理:第1章习题参考答案

大学物理:第1章习题参考答案

习 题 解 答第一章 质点运动学1-1 (1) 质点t 时刻位矢为:j t t i t r ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=4321)53(2(m)(2) 第一秒内位移j y y i x x r)()(01011-+-=∆)(5.33)101(3)01(21)01(32m j i ji +=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--=(3) 前4秒内平均速度)s m (53)2012(411-⋅+=+=∆∆=j i j i t r V(4) 速度)s m ()3(3d d 1-⋅++==j t i t r V∴ )s m (73)34(314-⋅+=++=j i j i V(5) 前4秒平均加速度)s m (43704204-⋅=-=--=∆∆=j j V V t V a (6) 加速度)s m ()s m (d d 242--⋅=⋅==j a j tV a1-2 23d d 23++==t t txv c t t t c t v x x +++=+==⎰⎰241d d 34 当t =2时x =4代入求证 c =-12 即1224134-++=t t t x tt tv a t t v 63d d 23223+==++= 将t =3s 代入证)s m (45)s m (56)(414123133--⋅=⋅==a v m x1-3 (1) 由运动方程⎩⎨⎧+==ty t x 2342消去t 得轨迹方程0)3(2=--y x(2) 1秒时间坐标和位矢方向为 m y m x 5411==[4,5]m: ︒===3.51,25.1ααxytg(3) 第1秒内的位移和平均速度分别为)m (24)35()04(1j i j i r+=-+-=∆)s m (2411-⋅+=∆∆=j i tr V(4) 质点的速度与加速度分别为i t Va j i tr V8d d ,28d d ==+==故t =1s 时的速度和加速度分别为 2111s m 8,s m 28--⋅=⋅+==i a j i V1-4 该星云飞行时间为a 1009.2s 1059.61093.31074.21046.910177915⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯ 即该星云是101009.2⨯年前和我们银河系分离的. 1-5 实验车的加速度为g)(25m/s 1047.280.13600101600223≈⨯=⨯⨯==t v a 基本上未超过25g.1.80s 内实验车跑的距离为)(m 40080.13600210160023=⨯⨯⨯==t v s1-6 (1)设第一块石头扔出后t 秒未被第二块击中,则2021gt t v h -= 代入已知数得28.9211511t t ⨯-=解此方程,可得二解为s 22.1s,84.111='=t t第一块石头上升到顶点所用的时间为s 53.18.9/15/10===g v t m由于m t t >1,这对应于第一块石头回落时与第二块相碰;又由于m t t <'1这对应于第一块石头上升时被第二块赶上击中.以20v 和'20v 分别对应于在t 1和'1t 时刻两石块相碰时第二石块的初速度,则由于2111120)(21)(t t g t t v h ∆∆---= 所以184.1)184.1(8.92111)(2121121120--⨯⨯+=∆-∆-+=t t t t g h v m/s 2.17=同理.122.1)122.1(8.92111)(2121121120--⨯⨯+=-'-'+='t t t t g h v ∆∆ m/s)(1.51=(2) 由于'>=123.1t s t ∆,所以第二石块不可能在第一块上升时与第一块相碰.对应于t 1时刻相碰,第二块的初速度为3.184.1)3.184.1(8.92111)(2122122120--⨯⨯+=--+="t t t t g h v ∆∆ m/s)(0.23=1-7 以l 表示从船到定滑轮的绳长,则t l v d /d 0-=.由图可知22h l s -=于是得船的速度为习题1-7图02222d d d d v s h s t l hll t s v +-=-==负号表示船在水面上向岸靠近.船的加速度为3202022d d d d d d s v h tl v h l ll t v a -=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--== 负号表示a 的方向指向岸边,因而船向岸边加速运动.1-8 所求位数为522422221048.9601.0)106(44⨯=⨯⨯⨯==ππωg r n g r1-9 物体A 下降的加速度(如图所示)为222m/s 2.024.022=⨯==t h a 此加速度也等于轮缘上一点在s 3='t 时的切向加速度,即)m/s (2.02='t a在s 3='t 时的法向加速度为)m/s (36.00.1)32.0()(2222=⨯='='=R t a R v a t n1-10 2m/s 2.1=a ,s 5.00=t ,m 5.10=h .如图所示,相对南面,小球开始下落时,它和电梯的速度为m /s)(6.05.02.100=⨯==at v以t 表示此后小球落至底板所需时间,则在这段时间内,小球下落的距离为2021gt t v h += 电梯下降的距离为习题1-9图 习题1-10图2021at t v h +=' 又20)(21t a g h h h -='-= 由此得s 59.02.18.95.1220=-⨯=-=a g h t 而小球相对地面下落的距离为2021gt t v h += 259.08.92159.06.0⨯⨯+⨯= m 06.2= 1-11 人地风人风地v v v+=画出速度矢量合成图(a)又人地风人风地02v v v +'=,速度矢量合成如图(b )两图中风地v应是同一矢量.可知(a )图必是底角为︒45的等腰直角三角形,所以,风向应为西北风,风速为人地人地风地00245cos v v v =︒=)s m (23.41-⋅=1-12 (1) v LvL t 22==(2) 22212u v vLu v L u v L t t t -=++-=+= 1212-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=v u v L(3) v Lv L t t t '+'=+=21,如图所示风速u 由东向西,由速度合成可得飞机对地速度v u v+=',则22u v V -='.习题1-12图习题1-11图2221222⎪⎭⎫⎝⎛-=--='=v u v L uv L v L t 证毕1-13 (1)设船相对岸的速度为V '(如图所示),由速度合成得V u V +='V 的大小由图1.7示可得αβcos cos u V V +'=即332323cos cos -=⨯-=-='αβu V V 而1212sin sin =⨯=='αβu V 船达到B 点所需时间)s (1000sin =='='=D V DV OB t βAB 两点之距βββsin cos D Dctg S == 将式(1)、(2)代入可得m)(1268)33(=-=D S(2) 由αβsin 101sin 3u V D t ⨯='=船到对岸所需最短时间由极值条件决定0cos sin 11d d 2=⎪⎭⎫⎝⎛-=αααu t 即 2/,0cos παα==故船头应与岸垂直,航时最短.将α值代入(3)式得最短航时为s)(500105.021012/sin 101333min=⨯=⨯=⨯=s u t π (3) 设l OB =,则ααββsin cos 2sin sin 22u uV V u D V D V D l -+=''== 欲使l 最短,应满足极值条件.习题1-13图a a uV V u u D l '⎢⎢⎣⎡''-+-='cos sin cos 2d d 22αα 0cos 2sin sin 2222=⎥⎦⎤'-+''+αuV V u a a uV 简化后可得01cos cos 222=+'+-'αuVV u a 即 01cos 613cos 2=+'-'αa 解此方程得32cos ='α︒=='-2.4832cos 1α 故船头与岸成︒2.48,则航距最短.将α'值代入(4)式得最小航程为222222min 321232322321000cos 1cos 2⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯⨯-+='-'-+-=ααu uv v u D lkm )(5.1m 105.13=⨯= AB 两点最短距离为km)(12.115.122min min =-=-=D l S。

大学物理第一章习题参考答案

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θ
+
v = vmax / 2
(B) (D)
v = 3v max / 2
v0 r A
O
v = 2v max / 2 v = v max / 2
o
t=0
解:如图画出已知所对应矢量 A,可知 A 与 x 轴正向的夹角 为 θ = 60 ,则根据简谐运动与旋转矢量的对应关系可得
7.5 x(cm)
v = ωA sin θ = 3v max / 2
4. 一弹簧振子作简谐振动,总能量为 E1 ,如果简谐振动振幅增加为原来的两倍,重物的 质量增加为原来的四倍,则它的总能量 E 变为 [ D ] (A) E1 /4 (B) E1 /2 解:原来的弹簧振子的总能量 E1 = (C) 2 E1 (D) 4 E1
1 1 2 2 2 kA1 = m1ω1 A1 ,振动增加为 A2 = 2 A1 ,质量增 2 2
1 π 3

解: 由矢量图可知,x1 和 x2 反相,合成振动的振幅
A = A1 − A2 = 0.05 − 0.03 = 0.02(m) ,初相 ϕ = ϕ1 =
四、计算题: 1.一定滑轮的半径为 R,转动惯量为 J,其上挂一轻绳,绳的一端 系一质量为 m 的物体,另一端与一固定的轻弹簧相连,如图所示。 设弹簧的倔强系数为 k, 绳与滑轮间无滑动,且忽略摩擦力及空气的 阻力。现将物体 m 从平衡位置拉下一微小距离后放手,证明物体作 简谐振动,并求出其角频率。 解:取如图 x 坐标,平衡位置为坐标原点,向下为正方向。 m 在平衡位置,弹簧伸长 x0, 则有 mg = kx0 ……………………(1) 现将 m 从平衡位置向下拉一微小距离 x, m 和滑轮 M 受力如图所示。 由牛顿定律和转动定律列方程, mg − T1 = ma ………………… (2)

大学物理(上册)参考答案

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大学物理 第一章作业题P21 1.1; 1.2; 1.4;1.9 质点沿x 轴运动,其加速度和位置的关系为 a =2+62x ,a 的单位为2s m -⋅,x 的单位为 m. 质点在x =0处,速度为101s m -⋅,试求质点在任何坐标处的速度值. 解: ∵x v v t x x v t v a d d d d d d d d ===分离变量:x x adx d )62(d 2+==υυ 两边积分得 cx x v ++=322221 由题知,0=x 时,100=v ,∴50=c∴ 13s m 252-⋅++=x x v1.10已知一质点作直线运动,其加速度为 a =4+3t 2s m -⋅,开始运动时,x =5 m ,v =0,求该质点在t =10s 时的速度和位置.解:∵ t t va 34d d +==分离变量,得 t t v d )34(d +=积分,得 12234c t t v ++=由题知,0=t ,00=v ,∴01=c故2234t t v += 又因为2234d d t t t x v +==分离变量, tt t x d )234(d 2+=积分得 232212c t t x ++=由题知 0=t ,50=x ,∴52=c故 521232++=t t x所以s 10=t 时m70551021102s m 190102310432101210=+⨯+⨯=⋅=⨯+⨯=-x v1.11一质点沿半径为1 m 的圆周运动,运动方程为 θ=2+33t ,θ式中以弧度计,t 以秒计,求:(1) t =2 s 时,质点的切向和法向加速度;(2)当加速度的方向和半径成45°角时,其角位移是多少?解:t t t t 18d d ,9d d 2====ωβθω(1)s 2=t 时, 2s m 362181-⋅=⨯⨯==βτR a2222s m 1296)29(1-⋅=⨯⨯==ωR a n(2)当加速度方向与半径成ο45角时,有145tan ==︒na a τ即 βωR R =2亦即 t t 18)9(22= 则解得923=t 于是角位移为rad67.29232323=⨯+=+=t θ1.12 质点沿半径为R 的圆周按s =2021bt t v -的规律运动,式中s 为质点离圆周上某点的弧长,0v ,b 都是常量,求:(1)t 时刻质点的加速度;(2) t 为何值时,加速度在数值上等于b .解:(1)bt v t sv -==0d dR bt v R v a b tva n 202)(d d -==-==τ则 240222)(R bt v b a a a n -+=+=τ加速度与半径的夹角为20)(arctanbt v Rba a n --==τϕ(2)由题意应有2402)(R bt v b b a -+== 即 0)(,)(4024022=-⇒-+=bt v R bt v b b∴当b v t 0=时,b a =第二章作业题P612.9 质量为16 kg 的质点在xOy 平面内运动,受一恒力作用,力的分量为x f =6 N ,y f =-7 N ,当t =0时,==y x 0,x v =-2 m ·s -1,y v =0.求当t =2 s 时质点的 (1)位矢;(2)速度. 解:2s m 83166-⋅===m f a x x2s m 167-⋅-==mf a y y(1)⎰⎰--⋅-=⨯-=+=⋅-=⨯+-=+=20101200s m 872167s m 452832dt a v v dt a v v y y y x x x于是质点在s 2时的速度 1s m 8745-⋅--=ji v(2)m874134)167(21)4832122(21)21(220j i ji jt a i t a t v r y x --=⨯-+⨯⨯+⨯-=++=2.10 质点在流体中作直线运动,受与速度成正比的阻力kv (k 为常数)作用,t =0时质点的速度为0v ,证明(1) t 时刻的速度为v =t mk ev )(0-;(2) 由0到t 的时间内经过的距离为x =(k mv 0)[1-t mke )(-];(3)停止运动前经过的距离为)(0k m v ;(4)证明当k m t =时速度减至0v 的e 1,式中m 为质点的质量.答: (1)∵t v m kv a d d =-= 分离变量,得m tk v v d d -=即 ⎰⎰-=vv t m t k v v 00d dmkt e v v -=ln ln 0∴ tm k ev v -=0(2)⎰⎰---===tttm k m ke k mv t ev t v x 000)1(d d(3)质点停止运动时速度为零,即t →∞,故有⎰∞-=='00d k mv t ev x tm k(4)当t=k m时,其速度为e v e v ev v km m k 0100===-⋅-即速度减至0v 的e 1.2.11一质量为m 的质点以与地的仰角θ=30°的初速0v 从地面抛出,若忽略空气阻力,求质点落地时相对抛射时的动量的增量.解: 依题意作出示意图如题2-6图题2-6图在忽略空气阻力情况下,抛体落地瞬时的末速度大小与初速度大小相同,与轨道相切斜向下,而抛物线具有对y 轴对称性,故末速度与x 轴夹角亦为o30,则动量的增量为0v m v m p -=∆由矢量图知,动量增量大小为v m ,方向竖直向下.2.13 作用在质量为10 kg 的物体上的力为i t F)210(+=N ,式中t 的单位是s ,(1)求4s 后,这物体的动量和速度的变化,以及力给予物体的冲量.(2)为了使这力的冲量为200 N ·s ,该力应在这物体上作用多久,试就一原来静止的物体和一个具有初速度j6-m ·s -1的物体,回答这两个问题.解: (1)若物体原来静止,则it i t t F p t10401s m kg 56d )210(d -⋅⋅=+==∆⎰⎰,沿x 轴正向,i p I im p v111111s m kg 56s m 6.5--⋅⋅=∆=⋅=∆=∆若物体原来具有6-1s m -⋅初速,则⎰⎰+-=+-=-=t ttF v m t m F v m p v m p 000000d )d (,于是 ⎰∆==-=∆t p t F p p p 0102d,同理, 12v v∆=∆,12I I =这说明,只要力函数不变,作用时间相同,则不管物体有无初动量,也不管初动量有多大,那么物体获得的动量的增量(亦即冲量)就一定相同,这就是动量定理.(2)同上理,两种情况中的作用时间相同,即⎰+=+=tt t t t I 0210d )210(亦即 0200102=-+t t 解得s 10=t ,(s 20='t 舍去)3.14一质量为m 的质点在xOy 平面上运动,其位置矢量为j t b i t a rωωsin cos +=求质点的动量及t =0 到ωπ2=t 时间内质点所受的合力的冲量和质点动量的改变量. 解: 质点的动量为)cos sin (j t b i t a m v m pωωω+-==将0=t 和ωπ2=t 分别代入上式,得j b m pω=1,i a m p ω-=2,则动量的增量亦即质点所受外力的冲量为)(12j b i a m p p p I+-=-=∆=ω2.15 一颗子弹由枪口射出时速率为10s m -⋅v ,当子弹在枪筒内被加速时,它所受的合力为 F =(bt a -)N(b a ,为常数),其中t 以秒为单位:(1)假设子弹运行到枪口处合力刚好为零,试计算子弹走完枪筒全长所需时间;(2)求子弹所受的冲量.(3)求子弹的质量. 解: (1)由题意,子弹到枪口时,有0)(=-=bt a F ,得b a t =(2)子弹所受的冲量⎰-=-=tbt at t bt a I 0221d )(将b at =代入,得b a I 22=(3)由动量定理可求得子弹的质量202bv a v I m ==第三章作业题P88 3.1; 3.2; 3.7;3.13计算题2-27图所示系统中物体的加速度.设滑轮为质量均匀分布的圆柱体,其质量为M ,半径为r ,在绳与轮缘的摩擦力作用下旋转,忽略桌面与物体间的摩擦,设1m =50kg ,2m =200 kg,M =15kg, r =0.1 m解: 分别以1m ,2m 滑轮为研究对象,受力图如图(b)所示.对1m ,2m 运用牛顿定律,有a m T g m 222=- ① a m T 11= ②对滑轮运用转动定律,有β)21(212Mr r T r T =- ③又, βr a = ④联立以上4个方程,得2212s m 6.721520058.92002-⋅=++⨯=++=M m m g m a题2-27(a)图 题2-27(b)图题2-28图3.14 如题2-28图所示,一匀质细杆质量为m ,长为l ,可绕过一端O 的水平轴自由转动,杆于水平位置由静止开始摆下.求: (1)初始时刻的角加速度; (2)杆转过θ角时的角速度. 解: (1)由转动定律,有β)31(212ml mg=∴ l g23=β(2)由机械能守恒定律,有22)31(21sin 2ωθml l mg =∴ l g θωsin 3=题2-29图3.15 如题2-29图所示,质量为M ,长为l 的均匀直棒,可绕垂直于棒一端的水平轴O 无摩擦地转动,它原来静止在平衡位置上.现有一质量为m 的弹性小球飞来,正好在棒的下端与棒垂直地相撞.相撞后,使棒从平衡位置处摆动到最大角度=θ30°处. (1)设这碰撞为弹性碰撞,试计算小球初速0v 的值;(2)相撞时小球受到多大的冲量?解: (1)设小球的初速度为0v ,棒经小球碰撞后得到的初角速度为ω,而小球的速度变为v ,按题意,小球和棒作弹性碰撞,所以碰撞时遵从角动量守恒定律和机械能守恒定律,可列式:mvl I l mv +=ω0 ①2220212121mv I mv +=ω ②上两式中231Ml I =,碰撞过程极为短暂,可认为棒没有显著的角位移;碰撞后,棒从竖直位置上摆到最大角度o30=θ,按机械能守恒定律可列式:)30cos 1(2212︒-=lMg I ω ③由③式得2121)231(3)30cos 1(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡︒-=l g I Mglω由①式ml I v v ω-=0 ④由②式m I v v 2202ω-= ⑤所以22001)(2ωωm v ml I v -=-求得glmM m m M l ml I l v +-=+=+=31232(6)311(2)1(220ωω (2)相碰时小球受到的冲量为⎰-=∆=0d mvmv mv t F由①式求得ωωMl l I mv mv t F 31d 0-=-=-=⎰glM 6)32(6--=负号说明所受冲量的方向与初速度方向相反.第五章作业题P145 5.1; 5.2;5.7 质量为kg 10103-⨯的小球与轻弹簧组成的系统,按)SI ()328cos(1.0ππ+=x 的规律作谐振动,求:(1)振动的周期、振幅和初位相及速度与加速度的最大值;(2)最大的回复力、振动能量、平均动能和平均势能,在哪些位置上动能与势能相等?(3)s 52=t 与s 11=t 两个时刻的位相差;解:(1)设谐振动的标准方程为)cos(0φω+=t A x ,则知:3/2,s 412,8,m 1.00πφωππω===∴==T A 又 πω8.0==A v m 1s m -⋅ 51.2=1s m -⋅2.632==A a m ω2s m -⋅(2) N 63.0==m m a FJ 1016.32122-⨯==m mv E J 1058.1212-⨯===E E E k p当p k E E =时,有p E E 2=,即 )21(212122kA kx ⋅=∴ m 20222±=±=A x (3) ππωφ32)15(8)(12=-=-=∆t t5.8 一个沿x 轴作简谐振动的弹簧振子,振幅为A ,周期为T ,其振动方程用余弦函数表示.如果0=t 时质点的状态分别是:(1)A x -=0;(2)过平衡位置向正向运动;(3)过2Ax =处向负向运动; (4)过2Ax -=处向正向运动.试求出相应的初位相,并写出振动方程.解:因为 ⎩⎨⎧-==000sin cos φωφA v A x将以上初值条件代入上式,使两式同时成立之值即为该条件下的初位相.故有)2cos(1πππφ+==t T A x)232cos(232πππφ+==t T A x)32cos(33πππφ+==t T A x)452cos(454πππφ+==t T A x5.9 一质量为kg 10103-⨯的物体作谐振动,振幅为cm 24,周期为s 0.4,当0=t 时位移为cm 24+.求:(1)s 5.0=t 时,物体所在的位置及此时所受力的大小和方向; (2)由起始位置运动到cm 12=x 处所需的最短时间; (3)在cm 12=x 处物体的总能量.解:由题已知 s 0.4,m 10242=⨯=-T A ∴ 1s rad 5.02-⋅==ππωT又,0=t 时,0,00=∴+=φA x 故振动方程为m )5.0cos(10242t x π-⨯=(1)将s 5.0=t 代入得0.17mm )5.0cos(102425.0=⨯=-t x πN102.417.0)2(10103232--⨯-=⨯⨯⨯-=-=-=πωxm ma F方向指向坐标原点,即沿x 轴负向. (2)由题知,0=t 时,00=φ,t t =时 3,0,20πφ=<+=t v A x 故且 ∴ s 322/3==∆=ππωφt(3)由于谐振动中能量守恒,故在任一位置处或任一时刻的系统的总能量均为J 101.7)24.0()2(10102121214223222--⨯=⨯⨯⨯===πωA m kA E5.11 图为两个谐振动的t x -曲线,试分别写出其谐振动方程.题4-8图解:由题4-8图(a),∵0=t 时,s 2,cm 10,,23,0,0000===∴>=T A v x 又πφ 即 1s rad 2-⋅==ππωT故 m )23cos(1.0ππ+=t x a 由题4-8图(b)∵0=t 时,35,0,2000πφ=∴>=v A x 01=t 时,22,0,0111ππφ+=∴<=v x又 ππωφ253511=+⨯= ∴ πω65= 故 m t x b )3565cos(1.0ππ+= 5.12 一轻弹簧的倔强系数为k ,其下端悬有一质量为M 的盘子.现有一质量为m 的物体从离盘底h 高度处自由下落到盘中并和盘子粘在一起,于是盘子开始振动.(1)此时的振动周期与空盘子作振动时的周期有何不同? (2)此时的振动振幅多大?(3)取平衡位置为原点,位移以向下为正,并以弹簧开始振动时作为计时起点,求初位相并写出物体与盘子的振动方程. 解:(1)空盘的振动周期为k M π2,落下重物后振动周期为km M +π2,即增大.(2)按(3)所设坐标原点及计时起点,0=t 时,则kmgx -=0.碰撞时,以M m ,为一系统动量守恒,即0)(2v M m gh m +=则有 Mm ghm v +=20 于是gM m khk mg M m gh m k mg v x A )(21))(2()()(22222++=++=+=ω(3)gm M khx v )(2tan 000+=-=ωφ (第三象限),所以振动方程为 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++=g m M kh t M m k gM m khk mg x )(2arctan cos )(215.15 试用最简单的方法求出下列两组谐振动合成后所得合振动的振幅:(1) ⎪⎩⎪⎨⎧+=+=cm )373cos(5cm )33cos(521ππt x t x (2)⎪⎩⎪⎨⎧+=+=cm)343cos(5cm )33cos(521ππt x t x 解: (1)∵ ,233712πππφφφ=-=-=∆∴合振幅 cm 1021=+=A A A(2)∵ ,334πππφ=-=∆∴合振幅 0=A5.16 一质点同时参与两个在同一直线上的简谐振动,振动方程为⎪⎩⎪⎨⎧-=+=m)652cos(3.0m )62cos(4.021ππt x t x 试分别用旋转矢量法和振动合成法求合振动的振动幅和初相,并写出谐振方程。

大学物理第一章答案

大学物理第一章答案

1.5 一质点沿半径为0.10m的圆周运动,其角位置(以弧度表示)可用公式表示:θ= 2 + 4t3.求:(1)t = 2s时,它的法向加速度和切向加速度;(2)当切向加速度恰为总加速度大小的一半时,θ为何值?(3)在哪一时刻,切向加速度和法向加速度恰有相等的值?[解答](1)角速度为ω= dθ/dt = 12t2 = 48(rad·s-1),法向加速度为an = rω2 = 230.4(m·s-2);角加速度为β= dω/dt = 24t = 48(rad·s-2),切向加速度为at = rβ= 4.8(m·s-2).(2)总加速度为a = (at2 + an2)1/2,当at = a/2时,有4at2 = at2 + an2,即.由此得,即,解得.所以=3.154(rad).(3)当at = an时,可得rβ= rω2,即24t = (12t2)2,解得t = (1/6)1/3 = 0.55(s).1.7 一个半径为R = 1.0m的轻圆盘,可以绕一水平轴自由转动.一根轻绳绕在盘子的边缘,其自由端拴一物体A.在重力作用下,物体A从静止开始匀加速地下降,在Δt =2.0s内下降的距离h = 0.4m.求物体开始下降后3s末,圆盘边缘上任一点的切向加速度与法向加速度.[解答]圆盘边缘的切向加速度大小等于物体A下落加速度.由于,所以at = 2h/Δt2 = 0.2(m·s-2).物体下降3s末的速度为v = att = 0.6(m·s-1),这也是边缘的线速度,因此法向加速度为= 0.36(m·s-2).1.8 一升降机以加速度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上松落,天花板与升降机的底面相距2.74m.计算:(1)螺帽从天花板落到底面所需的时间;(2)螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离.[解答]在螺帽从天花板落到底面时,升降机上升的高度为;螺帽做竖直上抛运动,位移为.由题意得h = h1 - h2,所以,解得时间为= 0.705(s).算得h2 = -0.716m,即螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离为0.716m.[注意]以升降机为参考系,钉子下落时相对加速度为a + g,而初速度为零,可列方程h = (a + g)t2/2,由此可计算钉子落下的时间,进而计算下降距离.第一章质点运动学1.1 一质点沿直线运动,运动方程为x(t) = 6t2 - 2t3.试求:(1)第2s内的位移和平均速度;(2)1s末及2s末的瞬时速度,第2s内的路程;(3)1s末的瞬时加速度和第2s内的平均加速度.[解答](1)质点在第1s末的位移大小为x(1) = 6×12 - 2×13 = 4(m).在第2s末的位移大小为x(2) = 6×22 - 2×23 = 8(m).在第2s内的位移大小为Δx = x(2) –x(1) = 4(m),经过的时间为Δt = 1s,所以平均速度大小为=Δx/Δt = 4(m·s-1).(2)质点的瞬时速度大小为v(t) = dx/dt = 12t - 6t2,因此v(1) = 12×1 - 6×12 = 6(m·s-1),v(2) = 12×2 - 6×22 = 0,质点在第2s内的路程等于其位移的大小,即Δs = Δx = 4m.(3)质点的瞬时加速度大小为a(t) = dv/dt = 12 - 12t,因此1s末的瞬时加速度为a(1) = 12 - 12×1 = 0,第2s内的平均加速度为= [v(2) - v(1)]/Δt = [0 –6]/1 = -6(m·s-2).[注意]第几秒内的平均速度和平均加速度的时间间隔都是1秒.1.2 一质点作匀加速直线运动,在t = 10s内走过路程s = 30m,而其速度增为n = 5倍.试证加速度为.并由上述数据求出量值.[证明]依题意得vt = nvo,根据速度公式vt = vo + at,得a = (n –1)vo/t,(1)根据速度与位移的关系式vt2 = vo2 + 2as,得a = (n2 –1)vo2/2s,(2)(1)平方之后除以(2)式证得.计算得加速度为= 0.4(m·s-2).1.3一人乘摩托车跳越一个大矿坑,他以与水平成22.5°的夹角的初速度65m·s-1从西边起跳,准确地落在坑的东边.已知东边比西边低70m,忽略空气阻力,且取g = 10m·s-2.问:(1)矿坑有多宽?他飞越的时间多长?(2)他在东边落地时的速度?速度与水平面的夹角?[解答]方法一:分步法.(1)夹角用θ表示,人和车(他)在竖直方向首先做竖直上抛运动,初速度的大小为vy0 = v0sinθ= 24.87(m·s-1).取向上的方向为正,根据匀变速直线运动的速度公式vt - v0 = at,这里的v0就是vy0,a = -g;当他达到最高点时,vt = 0,所以上升到最高点的时间为t1 = vy0/g = 2.49(s).再根据匀变速直线运动的速度和位移的关系式vt2 - v02 = 2as,可得上升的最大高度为h1 = vy02/2g = 30.94(m).他从最高点开始再做自由落体运动,下落的高度为h2 = h1 + h = 100.94(m).根据自由落体运动公式s = gt2/2,得下落的时间为= 4.49(s).因此他飞越的时间为t = t1 + t2 = 6.98(s).他飞越的水平速度为vx0 = v0cosθ= 60.05(m·s-1),所以矿坑的宽度为x = vx0t = 419.19(m).(2)根据自由落体速度公式可得他落地的竖直速度大小为vy = gt = 69.8(m·s-1),落地速度为v = (vx2 + vy2)1/2 = 92.08(m·s-1),与水平方向的夹角为φ= arctan(vy/vx) = 49.30?,方向斜向下.方法二:一步法.取向上的方向为正,他在竖直方向的位移为y = vy0t - gt2/2,移项得时间的一元二次方程,解得.这里y = -70m,根号项就是他落地时在竖直方向的速度大小,由于时间应该取正值,所以公式取正根,计算时间为t = 6.98(s).由此可以求解其他问题.1.4一个正在沿直线行驶的汽船,关闭发动机后,由于阻力得到一个与速度反向、大小与船速平方成正比例的加速度,即dv/dt = -kv2,k为常数.(1)试证在关闭发动机后,船在t时刻的速度大小为;(2)试证在时间t内,船行驶的距离为.[证明](1)分离变量得,积分,可得.(2)公式可化为,由于v = dx/dt,所以积分.因此.证毕.[讨论]当力是速度的函数时,即f = f(v),根据牛顿第二定律得f = ma.由于a = d2x/dt2,而dx/dt = v,所以 a = dv/dt,分离变量得方程,解方程即可求解.在本题中,k已经包括了质点的质量.如果阻力与速度反向、大小与船速的n次方成正比,则dv/dt = -kvn.(1)如果n = 1,则得,积分得lnv = -kt + C.当t = 0时,v = v0,所以C = lnv0,因此lnv/v0 = -kt,得速度为v = v0e-kt.而dv = v0e-ktdt,积分得.当t = 0时,x = 0,所以C` = v0/k,因此.(2)如果n≠1,则得,积分得.当t = 0时,v = v0,所以,因此.如果n = 2,就是本题的结果.如果n≠2,可得,读者不妨自证.1.5 一质点沿半径为0.10m的圆周运动,其角位置(以弧度表示)可用公式表示:θ= 2 + 4t3.求:(1)t = 2s时,它的法向加速度和切向加速度;(2)当切向加速度恰为总加速度大小的一半时,θ为何值?(3)在哪一时刻,切向加速度和法向加速度恰有相等的值?[解答](1)角速度为ω= dθ/dt = 12t2 = 48(rad·s-1),法向加速度为an = rω2 = 230.4(m·s-2);角加速度为β= dω/dt = 24t = 48(rad·s-2),切向加速度为at = rβ= 4.8(m·s-2).(2)总加速度为a = (at2 + an2)1/2,当at = a/2时,有4at2 = at2 + an2,即.由此得,即,解得.所以=3.154(rad).(3)当at = an时,可得rβ= rω2,即24t = (12t2)2,解得t = (1/6)1/3 = 0.55(s).1.6 一飞机在铅直面内飞行,某时刻飞机的速度为v = 300m·s-1,方向与水平线夹角为30°而斜向下,此后飞机的加速度为a = 20m·s-2,方向与水平前进方向夹角为30°而斜向上,问多长时间后,飞机又回到原来的高度?在此期间飞机在水平方向飞行的距离为多少?[解答]建立水平和垂直坐标系,飞机的初速度的大小为v0x = v0cosθ,v0y = v0sinθ.加速度的大小为ax = acosα,ay = asinα.运动方程为,.即,.令y = 0,解得飞机回到原来高度时的时间为t = 0(舍去);(s).将t代入x的方程求得x = 9000m.[注意]选择不同的坐标系,例如x方向沿着a的方向或者沿着v0的方向,也能求出相同的结果.1.7 一个半径为R = 1.0m的轻圆盘,可以绕一水平轴自由转动.一根轻绳绕在盘子的边缘,其自由端拴一物体A.在重力作用下,物体A从静止开始匀加速地下降,在Δt =2.0s内下降的距离h = 0.4m.求物体开始下降后3s末,圆盘边缘上任一点的切向加速度与法向加速度.[解答]圆盘边缘的切向加速度大小等于物体A下落加速度.由于,所以at = 2h/Δt2 = 0.2(m·s-2).物体下降3s末的速度为v = att = 0.6(m·s-1),这也是边缘的线速度,因此法向加速度为= 0.36(m·s-2).1.8 一升降机以加速度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上松落,天花板与升降机的底面相距2.74m.计算:(1)螺帽从天花板落到底面所需的时间;(2)螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离.[解答]在螺帽从天花板落到底面时,升降机上升的高度为;螺帽做竖直上抛运动,位移为.由题意得h = h1 - h2,所以,解得时间为= 0.705(s).算得h2 = -0.716m,即螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离为0.716m.[注意]以升降机为参考系,钉子下落时相对加速度为a + g,而初速度为零,可列方程h = (a + g)t2/2,由此可计算钉子落下的时间,进而计算下降距离.1.9有一架飞机从A处向东飞到B处,然后又向西飞回到A处.已知气流相对于地面的速度为u,AB之间的距离为l,飞机相对于空气的速率v保持不变.(1)如果u = 0(空气静止),试证来回飞行的时间为;(2)如果气流的速度向东,证明来回飞行的总时间为;(3)如果气流的速度向北,证明来回飞行的总时间为.[证明](1)飞机飞行来回的速率为v,路程为2l,所以飞行时间为t0 = 2l/v.(2)飞机向东飞行顺风的速率为v + u,向西飞行逆风的速率为v - u,所以飞行时间为.(3)飞机相对地的速度等于相对风的速度加风相对地的速度.为了使飞机沿着AB之间的直线飞行,就要使其相对地的速度偏向北方,可作矢量三角形,其中沿AB方向的速度大小为,所以飞行时间为.证毕.1.10 如图所示,一汽车在雨中沿直线行驶,其速度为v1,下落雨的速度方向与铅直方向的夹角为θ,偏向于汽车前进方向,速度为v2.今在车后放一长方形物体,问车速v1为多大时此物体刚好不会被雨水淋湿?[解答]雨对地的速度等于雨对车的速度加车对地的速度,由此可作矢量三角形.根据题意得tanα= l/h.方法一:利用直角三角形.根据直角三角形得v1 = v2sinθ+ v3sinα,其中v3 = v⊥/cosα,而v⊥= v2cosθ,因此v1 = v2sinθ+ v2cosθsinα/cosα,即.证毕.方法二:利用正弦定理.根据正弦定理可得,所以,即.方法三:利用位移关系.将雨滴的速度分解为竖直和水平两个分量,在t时间内,雨滴的位移为l = (v1 –v2sinθ)t,h = v2cosθ?t.两式消去时间t即得所求.证毕.2.12 质量为m的物体,最初静止于x0,在力(k为常数)作用下沿直线运动.证明物体在x 处的速度大小v = [2k(1/x –1/x0)/m]1/2.[证明]当物体在直线上运动时,根据牛顿第二定律得方程利用v = dx/dt,可得,因此方程变为,积分得.利用初始条件,当x = x0时,v = 0,所以C = -k/x0,因此,即.证毕.[讨论]此题中,力是位置的函数:f = f(x),利用变换可得方程:mvdv = f(x)dx,积分即可求解.如果f(x) = -k/xn,则得.(1)当n = 1时,可得.利用初始条件x = x0时,v = 0,所以C = lnx0,因此,即.(2)如果n≠1,可得.利用初始条件x = x0时,v = 0,所以,因此,即.当n = 2时,即证明了本题的结果.2.13 一质量为m的小球以速率v0从地面开始竖直向上运动.在运动过程中,小球所受空气阻力大小与速率成正比,比例系数为k.求:(1)小球速率随时间的变化关系v(t);(2)小球上升到最大高度所花的时间T.[解答](1)小球竖直上升时受到重力和空气阻力,两者方向向下,取向上的方向为下,根据牛顿第二定律得方程,分离变量得,积分得.当t = 0时,v = v0,所以,因此,小球速率随时间的变化关系为.(2)当小球运动到最高点时v = 0,所需要的时间为.[讨论](1)如果还要求位置与时间的关系,可用如下步骤.由于v = dx/dt,所以,即,积分得,当t = 0时,x = 0,所以,因此.(2)如果小球以v0的初速度向下做直线运动,取向下的方向为正,则微分方程变为,用同样的步骤可以解得小球速率随时间的变化关系为.这个公式可将上面公式中的g改为-g得出.由此可见:不论小球初速度如何,其最终速率趋于常数vm = mg/k.2.14 如图所示:光滑的水平桌面上放置一固定的圆环带,半径为R.一物体帖着环带内侧运动,物体与环带间的滑动摩擦因数为μk.设物体在某时刻经A点时速率为v0,求此后时刻t物体的速率以及从A点开始所经过的路程.[解答]物体做圆周运动的向心力是由圆环带对物体的压力,即N = mv2/R.物体所受的摩擦力为f = -μkN,负号表示力的方向与速度的方向相反.根据牛顿第二定律得,即.积分得.当t = 0时,v = v0,所以,因此.解得.由于,积分得,当t = 0时,x = x0,所以C = 0,因此.2.15 如图所示,一半径为R的金属光滑圆环可绕其竖直直径转动.在环上套有一珠子.今逐渐增大圆环的转动角速度ω,试求在不同转动速度下珠子能静止在环上的位置.以珠子所停处的半径与竖直直径的夹角θ表示.[解答]珠子受到重力和环的压力,其合力指向竖直直径,作为珠子做圆周运动的向心力,其大小为F = mgtgθ.珠子做圆周运动的半径为r = Rsinθ.根据向心力公式得F = mgtgθ= mω2Rsinθ,可得,解得.2.16 如图所示,一小球在弹簧的弹力作用下振动.弹力F = -kx,而位移x = Acosωt,其中k,A和ω都是常数.求在t = 0到t = π/2ω的时间间隔内弹力予小球的冲量.[解答]方法一:利用冲量公式.根据冲量的定义得dI = Fdt = -kAcosωtdt,积分得冲量为,方法二:利用动量定理.小球的速度为v = dx/dt = -ωAsinωt,设小球的质量为m,其初动量为p1 = mv1 = 0,末动量为p2 = mv2 = -mωA,小球获得的冲量为I = p2 –p1 = -mωA,可以证明k =mω2,因此I = -kA/ω.2.17 一个质量m = 50g,以速率的v = 20m·s-1作匀速圆周运动的小球,在1/4周期内向心力给予小球的冲量等于多少?[解答]小球动量的大小为p = mv,但是末动量与初动量互相垂直,根据动量的增量的定义得,由此可作矢量三角形,可得.因此向心力给予小球的的冲量大小为= 1.41(N·s).[注意]质点向心力大小为F = mv2/R,方向是指向圆心的,其方向在不断地发生改变,所以不能直接用下式计算冲量.假设小球被轻绳拉着以角速度ω= v/R运动,拉力的大小就是向心力F = mv2/R = mωv,其分量大小分别为Fx = Fcosθ= Fcosωt,Fy = Fsinθ= Fsinωt,给小球的冲量大小为dIx = Fxdt = Fcosωtdt,dIy = Fydt = Fsinωtdt,积分得,,合冲量为,所前面计算结果相同,但过程要复杂一些.2.18用棒打击质量0.3kg,速率等于20m·s-1的水平飞来的球,球飞到竖直上方10m的高度.求棒给予球的冲量多大?设球与棒的接触时间为0.02s,求球受到的平均冲力?[解答]球上升初速度为= 14(m·s-1),其速度的增量为= 24.4(m·s-1).棒给球冲量为I = mΔv = 7.3(N·s),对球的作用力为(不计重力)F = I/t = 366.2(N).2.19 如图所示,3个物体A、B、C,每个质量都为M,B和C靠在一起,放在光滑水平桌面上,两者连有一段长度为0.4m的细绳,首先放松.B的另一侧则连有另一细绳跨过桌边的定滑轮而与A相连.已知滑轮轴上的摩擦也可忽略,绳子长度一定.问A和B起动后,经多长时间C也开始运动?C开始运动时的速度是多少?(取g = 10m·s-2)[解答]物体A受到重力和细绳的拉力,可列方程Mg –T = Ma,物体B在没有拉物体C之前在拉力T作用下做加速运动,加速度大小为a,可列方程T = Ma,联立方程可得a = g/2 = 5(m·s-2).根据运动学公式s = v0t + at2/2,可得B拉C之前的运动时间= 0.4(s).此时B的速度大小为v = at = 2(m·s-1).物体A跨过动滑轮向下运动,如同以相同的加速度和速度向右运动.A和B拉动C运动是一个碰撞过程,它们的动量守恒,可得2Mv = 3Mv`,因此C开始运动的速度为v` = 2v/3 = 1.33(m·s-1).2.22 如图所示,一匹马拉着雪撬沿着冰雪覆盖的弧形路面极缓慢地匀速移动,这圆弧路面的半径为R.设马对雪橇的拉力总是平行于路面.雪橇的质量为m,它与路面的滑动摩擦因数为μk.当把雪橇由底端拉上45°圆弧时,马对雪橇做了多少功?重力和摩擦力各做了多少功?[解答]取弧长增加的方向为正方向,弧位移的大小为ds = Rdθ.重力的大小为G = mg,方向竖直向下,与位移元的夹角为π+ θ,所做的功元为,积分得重力所做的功为.摩擦力的大小为f = μkN = μkmgcosθ,方向与弧位移的方向相反,所做的功元为,积分得摩擦力所做的功为.要使雪橇缓慢地匀速移动,雪橇受的重力、摩擦力和马的拉力就是平衡力,即,或者.拉力的功元为,拉力所做的功为.由此可见:重力和摩擦力都做负功,拉力做正功.2.23 一质量为m的质点拴在细绳的一端,绳的另一端固定,此质点在粗糙水平面上作半径为r的圆周运动.设质点最初的速率是v0,当它运动1周时,其速率变为v0/2,求:(1)摩擦力所做的功;(2)滑动摩擦因数;(3)在静止以前质点运动了多少圈?[解答] (1)质点的初动能为E1 = mv02/2,末动能为E2 = mv2/2 = mv02/8,动能的增量为ΔEk = E2 –E1 = -3mv02/8,这就是摩擦力所做的功W.(2)由于dW = -fds = -μkNds = -μkmgrdθ,积分得.由于W = ΔE,可得滑动摩擦因数为.(3)在自然坐标中,质点的切向加速度为at = f/m = -μkg,根据公式vt2 –vo2 = 2ats,可得质点运动的弧长为,圈数为n = s/2πr = 4/3.[注意]根据用动能定理,摩擦力所做的功等于质点动能的增量-fs = ΔE k,可得s = -ΔE k/f,由此也能计算弧长和圈数。

大学物理第一章课后习题答案

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第一章质点运动学1.1一质点沿y 方向运动,它在任意时刻t 的位置由式1052+=t y 给出,式中t 以s 计,y 以m 计算下列各段时间内质点的平均速度大小:(1)2s 到3s (2)2s 到2.1s (3)2s 到2.001s (4)2s 到2.0001s 解:(1)令质点的始末时刻为s t 21=,s t 32=,则质点的平均速度大小为:{}sm sm t t y y /25)23(]10)2(5[10)3(5221212=−+−+=−−=υ(2)令质点的始末时刻为s t 21=,s t 1.22=,则质点的平均速度大小为:{}sm sm t t y y /5.20)21.2(]10)2(5[10)1.2(5221211=−+−+=−−=υ(3)令质点的始末时刻为s t 21=,s t 001.22=,则质点的平均速度大小为:{}sm smt t y y /005.20)2001.2(]10)2(5[10)001.2(5221212=−+−+=−−=υ(4)令质点的始末时刻为s t 21=,s t 0001.22=,则质点的平均速度大小为:sm smt t y y /0005.20)20001.2(]10)2(510)0001.2(5[221212=−−−+=−−=υ1.2一质点沿Ox 轴运动,其运动方程为2653t t x +−=;式中t 以s 计,x 以m 计,试求:(1)质点的初始位置和初始速度;(2)质点在任一时刻的速度和加速度;(3)质点做什么运动;(4)做出t x −图和t −υ图;(5)质点做匀加速直线运动吗?解:(1)设质点初始时刻00=t ,则质点的初始位置为:mm x 3]06053[20=×+×−=即质点的初始位置在Ox 轴正方向3m 处。

因为质点的速度为:tdt dx125+−==υ所以质点的初始速度为:220/5/)0125(s m s m dt dxt −=×+−===υ质点的初始速度大小为2/5s m ,方向沿Ox 轴负方向。

大学物理学1章习题解答

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大学物理学1章习题解答-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN[第1章习题解答] P39页1-5 一质点沿直线L 运动,其位置与时间的关系为r =6t 2-2t 3,r 和t 的单位分别是米和秒。

求:(1)第二秒内的平均速度;(2)第三秒末和第四秒末的速度,(3)第三秒末和第四秒末的加速度。

解:取直线L 的正方向为x 轴,以下所求得的速度和加速度,若为正值,表示该速度或加速度沿x 轴的正方向,若为负值,表示该速度或加速度沿x 轴的反方向。

(1)第二秒内的平均速度 11121220.412)26()1624(--⋅=⋅----=--=s m s m t t x x v ; (2)第三秒末的速度因为2612t t dtdx v -==,将t=3 s 代入,就求得第三秒末的速度为 v 3=18m ·s -1;用同样的方法可以求得第口秒末的速度为V 4=48m s -1;(3)第三秒末的加速度因为t dtx d 1212a 22-==,将t=3 s 代入,就求得第三秒末的加速度为 a 3= -24m ·s -2;用同样的方法可“求得第四秒末的加速度为a 4= -36m ·s -21-7 质点沿直线运动,在时间t 后它离该直线上某定点0的距离s 满足关系式: s=(t -1)2(t- 2),s 和t 的单位分别是米和秒。

求(1)当质点经过O 点时的速度和加速度;(2)当质点的速度为零时它离开O 点的距离;(3)当质点的加速度为零时它离开O 点的距离;(4)当质点的速度为12ms-1时它的加速度。

解:取质点沿x轴运动,取坐标原点为定点O。

(1)质点经过O点时.即s=0,由式(t -1)2(t- 2)=0,可以解得t=1.0 s.t=2.0 s当t=1 s时.v=ds/dt=2(t-1)(t-2)+(t-1)2=0 ms-1a=dv/dt=4(t-1)+2(t-2)=-2. 0 ms-2当t=2 s时, v=1.0 ms-1, a=4.0 ms-2。

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第一章质点运动学
一. 选择题
1.某质点作直线运动的运动方程为(SI),则该质点做
(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
2.小球沿斜面向上运动,运动方程为(SI),则小球运动到最高点的时刻是
(A) (B)
(C) (D)
3.质点沿x轴作变速运动,加速度,已知时质点位于坐标原点且速度为零,则其运动方程为
(A)
(B)
(C)
(D)
4.运动质点某瞬时位于位矢的端点处,其速度大小为
(A) (B)
(C)(D)
5.一质点沿直径为 d 的圆周运动一周,运动过程中,位移的最大值和所走路程的最大值分别为
(A), (B),
(C),(D),
6.质点做半径为R的变速圆周运动,v表示任一时刻的速率,其加速度大小为
(A) (B)
(C)(D)
7. 下列说法正确的是
(A) 质点作圆周运动时加速度指向圆心
(B) 匀速率圆周运动的加速度为恒量
(C) 只有切向加速度的运动一定是直线运动
(D) 只有法向加速度的运动一定是圆周运动
二.填空题
8. 描述质点运动状态和运动状态变化的物理量是_______________和__________,二者关系的数学表示式为_________________.(速度,加速度,)
9.已知质点运动方程为,则速度随时间t变化的函数关系为
________________,时的加速度为____________.(,)
10.质点以加速度做直线运动,k为常数,设初速度为,则质点速度与时间的
关系是__________________________.()
11.质点做半径为R的圆周运动,运动方程为(SI),则t时刻质点法向加速度
a n=_______________,角加速度=______________.(,2 rad/s2 )
12.质点做半径为R的圆周运动,其路程S随时间变化规律为,其中和b 都是正常量,则t时刻质点速度大小为____________,加速度大小为_______________.
(,)
三.计算题
13. 质点的运动方程为:,,式中x、y以米计,t以秒计.试求:(1)初速度的大小和方向;(2)加速度的大小和方向.
解:(1)速度为

由得初速度,. 初速度大小为
方向应在第二象限,与x轴正向夹角为α
(2)加速度为

方向应在第四象限,与x轴正向夹角为β
14. 质点在水平面内沿半径的圆周运动,运动角速度ω与时间t的函数关系为
(k为常数);已知时,质点的速度为,试求时,质点速度与
加速度大小。

解:
由,可得
时。

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