大学物理力学答案3

第三章基本知识小结⒈牛顿运动定律适用于惯性系、质点，牛顿第二定律是核心。

矢量式：22dtr d m dt v d m a m F分量式：（弧坐标）（直角坐标）2,,,v m ma F dt dv m ma F ma F ma F ma F n n z z y y x x⒉动量定理适用于惯性系、质点、质点系。

导数形式：dt pd F微分形式：p d dt F积分形式：p dt F I)( （注意分量式的运用）⒊动量守恒定律适用于惯性系、质点、质点系。

若作用于质点或质点系的外力的矢量和始终为零，则质点或质点系的动量保持不变。

即恒矢量。

则，若外p F0 （注意分量式的运用）⒋在非惯性系中，考虑相应的惯性力，也可应用以上规律解题。

在直线加速参考系中：0*a m f在转动参考系中：'2,*2*mv f r m f k c⒌质心和质心运动定理 ⑴ i i c i i c i i ca m a m v m v m r m r m⑵ c a m F（注意分量式的运用）3.5.1 质量为2kg 的质点的运动学方程为j t t i t r ˆ)133(ˆ)16(22 （单位：米，秒）， 求证质点受恒力而运动，并求力的方向大小。

解：∵j i dt r d a ˆ6ˆ12/22 , j ia m F ˆ12ˆ24 为一与时间无关的恒矢量，∴质点受恒力而运动。

F=(242+122)1/2=125N ，力与x 轴之间夹角为：'34265.0/ arctg F arctgF x y3.5.2 质量为m 的质点在o-xy 平面内运动，质点的运动学方程为：j t b i t a r ˆsin ˆcos，a,b,ω为正常数，证明作用于质点的合力总指向原点。

证明：∵r j t b i t a dt r d a2222)ˆsin ˆcos (/r m a m F2 , ∴作用于质点的合力总指向原点。

3.5.3 在脱粒机中往往装有振动鱼鳞筛，一方面由筛孔漏出谷粒，一方面逐出秸杆，筛面微微倾斜，是为了从较低的一边将秸杆逐出，因角度很小，可近似看作水平，筛面与谷粒发生相对运动才可能将谷粒筛出，若谷粒与筛面静摩擦系数为0.4，问筛沿水平方向的加速度至少多大才能使谷物和筛面发生相对运动？解：以地为参考系，设谷物的质量为m ，所受到的最大静摩擦力为 mgf o ，谷物能获得的最大加速度为2/92.38.94.0/s m g m f a o ∴筛面水平方向的加速度至少等于3.92米/秒2，才能使谷物与筛面发生相对运动。

μ1μ23.5.3 题图 3.5.4题图3.5.4 桌面上叠放着两块木板，质量各为m 1 ,m 2,如图所示，m 2和桌面间的摩擦系数为μ2，m 1和m 2间的摩擦系数为μ1，问沿水平方向用多大的力才能把下面的木板抽出来。

解：以地为参考系，隔离m 1、m 2，其受力与运动情况如图所示，其中，N 1'=N 1,f 1'=f 1=μ1N 1,f 2=μ2N 2，选图示坐标系o-xy ，对m 1,m 2分别应用牛顿二定律，有0212222211111111 g m N N a m N N F g m N a m N 解方程组，得2221211211/m g m g m g m F a ga要把木板从下面抽出来，必须满足12a a ，即gm g m g m g m F 12221211 g m m F 21213.5.5 质量为m 2的斜面可在光滑的水平面上滑动，斜面倾角为α,质量为m 1的运动员与斜面之间亦无摩擦，求运动员相对于斜面的加速度及其对斜面的压力。

解：以相对地面向右作加速直线运动的斜面为参考系（非惯性系，设斜面相对地的加速度为a 2），取m 1为研究对象，其受力及运动情况如左图所示，其中N 1为斜面对人的支撑力，f *为惯性力，a'即人对斜面的加速度，方向显然沿斜面向下，选如图所示的坐标系o'-x'y',应用牛顿第二定律建立方程：)2('cos sin )1(0sin cos 12112111a m a m g m a m g m N再以地为参考系，取m 2为研究对象，其受力及运动情况如右图所示，选图示坐标o-xy,应用牛顿第二定律建立方程：)4(0cos )3(sin 122221 N g m N a m N （1）、（2）、（3）联立，即可求得：g m m m m a g m m m m N21221212211sin sin )('sin cos3.5.6在图示的装置中两物体的质量各为m 1,m 2，物体之间及物体与桌面间的摩擦系数都为μ，求在力Fm 1gf 1N 1a 1a 2 xya 21 2f*=m 1a 2的作用下两物体的加速度及绳内张力，不计滑轮和绳的质量及轴承摩擦，绳不可伸长。

解：以地为参考系，隔离m 1,m 2，受力及运动情况如图示，其中：f 1=μN 1=μm 1g ，f 2=μN 2=μ(N 1+m 2g)=μ(m 1+m 2)g. 在水平方向对两个质点应用牛二定律：②①a m T g m m g m F a m g m T 221111)(①+②可求得：g m m gm F a2112将a 代入①中，可求得：2111)2(m m g m F m T3.5.7在图示的装置中，物体A,B,C 的质量各为m 1,m 2,m 3，且两两不相等. 若物体A,B 与桌面间的摩擦系数为μ，求三个物体的加速度及绳内的张力，不计绳和滑轮质量，不计轴承摩擦，绳不可伸长。

解：以地为参考系，隔离A,B,C ，受力及运动情况如图示，其中：f 1=μN 1=μm 1g ，f 2=μN 2=μm 2g ，T'=2T ，由于A 的位移加B 的位移除2等于C 的位移，所以（a 1+a 2）/2=a 3.对A,B,C 分别在其加速度方向上应用牛顿第二定律：③②①2/)(22133222111a a m T g m a m g m T a m g m T①,②,③联立，可求得：gm m m m m m m m a g m m m m m m m a gm m m m m m m a21321321321321312213213214)()1()(4)()1(24)()1(23.5.8天平左端挂一定滑轮，一轻绳跨过定滑轮，绳的两端分别系上质量为m 1,m 2的物体（m 1≠m 2）,天平右端的托盘上放有砝码. 问天平托盘和砝码共重若干，天平才能保持平衡？不计滑轮和绳的质量及轴承摩擦，绳不伸长。

解：隔离m 1,m 2及定滑轮，受力及运动情况如图示，应用牛顿第二定律：'2''2211T T a m T g m a m g m T ②① 由①②可求得：212121212,2'm m gm m T m m g m m T所以，天平右端的总重量应该等于T ，天平才能保持平衡。

3.5.11棒球质量为0.14kg ，用棒击棒球的力随时间的变化如图所示，设棒球被击前后速度增量大小为70m/s ，求力的最大值，打击时，不计重力。

解：由F —t 图可知：max03.008.0max05.008.005.005.00F F t F F t t t时，当时，当[斜截式方程y=kx+b ，两点式方程 (y-y 1)/(x-x 1)=(y 2-y 1)/(x 2-x 1)]由动量定理：08.005.003.005.0005.008.00)08.0(max max dtt tdt Fdt v m F F可求得F max = 245N3.5.12 沿铅直向上发射玩具火箭的推力随时间变化如图所示，火箭质量为2kg ，t=0时处于静止，求火箭发射后的最大速率和最大高度（注意，推力大于重力f 1N 1m 1gTaFN 2 m 2gTaN 1 f 1 f 2Tf 1 N 1m 1ga 1 T f 2N 2m 2ga 2T' m 3g3T'm 1gaT'm2g aF时才启动）。

解：根据推力F-t 图像，可知F=4.9t （t ≤20）,令F=mg ，即4.9t=2×9.8，t=4s 因此，火箭发射可分为三个阶段：t=0—4s为第一阶段，由于推力小于重力，火箭静止，v=0,y=0；t=4—20s 为第二阶段，火箭作变加速直线运动，设t=20s 时，y = y 1，v = v max ；t ≥20s 为第三阶段，火箭只受重力作用，作竖直上抛运动，设达最大高度时的坐标 y=y 2.第二阶段的动力学方程为：F- mg = m dv/dtmy dttdt dt t dy dt t t vdt dy sm v v t t t v t dt tdt dv dt tdt gdt dt m F dv yttv16729.448.94/9.4)9.448.94/9.4(/314)20(209.448.94/9.4208.92/9.48.92/9.4/1204204204202max 24401第三阶段运动学方程)2()20(9.4)20(314),1()20(8.931421 t t y y t v令v=0,由（1）求得达最大高度y 2时所用时间（t-20）=32，代入（2）中，得y 2-y 1=5030 y 2=y max =5030+1672=6702(m)3.5.13抛物线形弯管的表面光滑，沿铅直轴以匀角速率转动，抛物线方程为y=a x 2，a 为正常数，小环套于弯管上。

⑴弯管角速度多大，小环可在管上任一位置相对弯管静止？⑵若为圆形光滑弯管，情况如何？解：以固定底座为参考系，设弯管的角速度为ω，小环受力及运动情况如图示：α为小环处切线与x 轴夹角，压力N 与切线垂直，加速度大小a=ω2x ，方向垂直指向y 轴。

在图示坐标下应用牛顿二定律的分量式：②①mg N N x m N N cos )90sin(sin )90cos(2①/②得：tg α=ω2x/g ③；由数学知识：tg α=dy/dx=2a x ； 所以，ag ag g x ax 2,2,/222若弯管为半径为R的圆形，圆方程为：x 2+(R-y)2=R 2，即222/122212/1222/122222/)2()(/)(,)(,)(x R x x x R dx dy tg x R R y x R y R x R y R代入③中，得：22222/,//x R g g x x R x3.5.14北京设有供实验用的高速列车环形铁路，回转半径为9km ，将要建设的京沪列车时速250km/h ，若在环路上作此项列车实验且欲使铁轨不受侧压力，外轨应比内轨高多少？设轨距1.435m.解：以地为参考系，把车厢视为质点，受力及运动情况如图示：车厢速度v=250km/h=69.4m/s ，加速度a =v 2/R ；设轨矩为l ，外轨比内轨高h, 有l h l h l /sin ,/cos 22选图示坐标o-xy ，对车箱应用牛顿第二定律：②①，R mv l Nh N mg l h l N N //sin /cos 222 ①/②得：222//v gR h h l ，两边平方并整理，可求得h ：cmm R g v l v h 8.70782.090008.94.69/435.14.69/224222423.5.15汽车质量为1.2×10kN ，在半径为100m 的水平圆形弯道上行驶，公路内外侧倾斜15°，沿公路取自然坐标，汽车运动学方程为s=0.5t 3+20t (m)，自t=5s 开始匀速运动，问公路面作用于汽车与前进方向垂直的摩擦力是由公路内侧指向外侧还是由外侧直向内侧？解：以地为参考系，把汽车视为质点，受力及运动情况如图示： v=ds/dt=1.5t 2+20，v| t=5 =1.5×52+20=57.5m/s ，a n =v 2/R=57.52/100=33 设摩擦力f 方向指向外侧，取图示坐标o-xy ，应用牛顿第二定律：②①cos sin cos sin sin cos sin cos f ma N ma f N f mg N mg f N n n②/①得：)sin /()cos (f mg f ma tg ntg a gtg m f f ma tg f mgtg n n sin cos )(,cos sin0,043.3033158.9 f tg a gtg n ，说明摩擦力方向与我们事先假设方向相反，指向内侧。