理论力学期末复习题

1、 理论力学基础期末复习题一、填空题1. 在介质中上抛一质量为的小球，已知小球所受阻力，若选择坐标轴x铅直向上，则小球的运动微分方程为_。2. 质点在运动过程中，在下列条件下，各作何种运动？，（答）： ；，（答）： ；，（答）： ；，（答）： 。3. 质量为的质点，受水平力的作用，在光滑水平面上运动，设（以计，以计），初瞬间（）质点位于坐标原点，且其初速度为零。则时，质点的位移等于_，速度等于_。4. 在平面极坐标系中，质点的径向加速度为_；横向加速度为_。5. 哈密顿正则方程用泊松括号表示为 ， 。6. 质量的重物，挂在长的细绳下端，重物受到水平冲击后获得了速度，则此时绳子的拉力等于 。7.

2、平面自然坐标系中的切向加速度为 ，法向加速度为 。8. 如果，则力所作的功与 无关，只与 的位置有关。9. 在南半球地面附近自南向北的气流有朝 的偏向；而北半球的河流 岸冲刷较为严重。10. 已知力的表达式为，。则该力做功与路径_ （填“有关”或“无关”），该力_ 保守力（填“是”或“不是”）。OxyzPvma11. 一质量组由质量分别为、2、3的三个质点组成，某时刻它们的位矢和速度分别为、。则该时刻质点组相对于坐标原点的动量等于 ，相对于坐标原点的动量矩等于_ 。12. 一光滑水平直管中有一质量为的小球，直管以恒定角速度绕通过管子一端的竖直轴转动，若某一时刻，小球到达距O点的距离为a的P点，

3、取x轴沿管，y轴竖直向上，并垂直于管，z轴水平向前，并于管面垂直，如图所示，此时小球相对于管子的速度为v，则惯性离心力大小为 ，方向为 ，科里奥利力大小为 ，方向为 。13. 边长为a的正方形，某瞬时以角速度在自身平面内转动，顶点A的速度为，由A指向相邻顶点B，则B点此时的速度大小等于 。14. 已知力的表达式为，则该力做功与路径_ （填“有关”或“无关”），该力_ 保守力（填“是”或“不是”）。CyADBM115. 图示矩形板ABCD以角速度绕z轴转动，动点M1沿对角线BD以速度相对于板运动，动点M2沿CD边以速度相对于板运动。若取动系与矩形板固连，则动点M1和M2的科氏加速度、的大小分别为

4、 ， 。图1-1BA16. 作用在刚体上任意力系可以简化为作用在某指定点P的一个力及一个力偶矩为的力偶，叫主矢，等于 ，叫 ，等于诸力在原位置对P点的力矩之和，P点称为 。17. 动点由静止开始作平面曲线运动，设每一瞬时的切向加速度，法向加速度，则该动点的运动轨迹为 。AB图1-218. 如图1-1所示平面机构，AB杆的A端靠在铅直墙面上，B端铰接在滑块上，滑块沿水平面向右运动。若选AB杆的端点A为动点，动系固连于滑块，定系固连于地面，则动点的相对运动为 ，绝对运动为 ，牵连运动为 。19. 长的AB杆作平面运动，在某瞬时B点的速度大小，方向如图1-2所示，则在该瞬时A点可能有的速度最小值 ，

5、此时杆的角速度 。20. 一圆轮在水平面上作纯滚动，轮心O的速度，方向水平向右，直角形杆OAB轮心O铰接，在如图1-3所示位置时其OA段铅直，AB段水平，它转动的角速度，该杆端焊上一重的钢球。己知OA=30cm AB=40cm，此时钢球B的动量大小_。图1-3BAO21长2a，重P的均匀杆，其上端A靠在光滑的墙上，下端则联一不能伸长的线BC，线的上端固结于墙上C点，C与A在同一垂直线上，设杆与墙所成之角为，线与墙所成之角度为，如图1-4所示，则平衡时墙给杆的反作用力_。图3-4BAPC22. 物块A和B的质量分别为mA和mB，两物块间用一不计质量的弹簧连接，物块B保持静止在水平面上，设A在铅直

6、方向的运动规律为（其中为常量），则在物块A运动过程中,水平面所受压力的大小_ .(坐标原点取在弹簧自然长度处，,正方向竖直向上)23. 质点的质量是，它运动时的速度，质点的动能为 ，当质点以上述速度运动到点时，它对轴的动量矩是_。24. 雨点开始自由下落时的质量为，在下落过程中，单位时间内凝结在它上面的水汽质量为，略去空气阻力，写出该变质量系统的动力学方程 。25. 作用于刚体的任意力系最终可简化为_。26. 刚体做 运动时，刚体内任一点的线速度可写为。27. 在转动参照系中，科氏力等于零的条件是_。28. 质量为的质点作平抛运动，试写出其拉氏函数 其中循环坐标为 物理意义是 。29. 质点系

7、内力功等于零的条件是 。30. 力学体系中的广义坐标是指 。31. 如图圆盘以角速度绕定轴逆时针转动，动点以匀速度沿圆盘直径运动，当动点到达圆盘是中心点时，其所受科氏力大小和方向为 。32. 由于地球自转的影响，北半球地面附近的贸易风是 ，南半球的贸易风是 。答案：1. 。2.（1）匀速直线； （2）变速直线； （3）匀速曲线； （4）变速曲线3. ； 。4. ； 。5. ,。 6. 119.6N。 7. 。 8. 路径； 始末位置。 9. 西； 右。 10. 有关；不是。11. ； 。12. ； x轴正向； ； z轴正向。 13. 。14. 有关； 不是。 15. ； 。16. 力系中所有力

8、的矢量和；主矩； 简化中心。 17. 半径为3m的圆周。18. 为以B点为圆心，以AB长为半径的圆周运动；为沿墙面向下的直线运动；为向右的平动。 19. ； 。 20. 。21. 。 22. 。23.；。 24. 。25. 过基点的一个主矢和一个主矩。 26. 定轴转动和定点转动。27.或或与共线。 28. ；水平方向上动量守恒。 29. 相对位移为零。30. 能够独立描述力学体系位置的独立变量。 31. ；向右。32. 东北贸易风；东南贸易风。二、选择题1. 已知某点的运动方程为（以米计,以秒计，、为常数），则点的轨迹为（ ）。A、是直线； B、是曲线； C、不能确定； D、抛物线。图2-1

9、2. 在图2-1所示圆锥摆中，球的质量为，绳长，若角保持不变，则小球的法向加速度为（ ）。A、； B、；C、； D、。3. 求解质点动力学问题时，质点的初始条件是用来（ ）。A、分析力的变化规律； B、建立质点运动微分方程；图2-2C、确定积分常数； D、分离积分变量。4. 如图2-2所示距地面的质点，具有水平初速度，则该质点落地时的水平距离与（ ）成正比。A、； B、； C、；D、。图2-35. 一质量为的小球和地面碰撞，开始瞬时的速度为，碰撞结束瞬时的速度为（如图2-3），若，则碰撞前后质点动量的变化值为（ ）。A、 ； B、 ； C、； D、 0。6. 一动点作平面曲线运动，若其速率不变

10、，则其速度矢量与加速度矢量（ ）。 A、平行； B、垂直； C、夹角随时间变化； D、不能确定。7. 三棱柱重，放在光滑的水平面上，重的匀质圆柱体静止释放后沿斜面作纯滚动，则系统在运动过程中（ ）。A、沿水平方向动量守恒，机械能守恒； B、动量守恒，机械能守恒；C、沿水平方向动量守恒，机械能不守恒； D、均不守恒。8. 动点沿其轨迹运动时，下列几种情况中，正确的应该是（ ）。A、若始终有，则必有的大小等于常量；B、若始终有，则点M必作匀速圆周运动；C、若某瞬时有，则点M的轨迹必为直线；D、若某瞬时有的大小为零，且点M作曲线运动，则此时速度必等于零。9. 某瞬时，平面运动刚体的绝对角速度和角加速

11、度分别为和，相对某基点A转动角速度和角加速度分别为和，相对基点B转动角速度和角加速度分别为和，则应有（ ）。A、，； B、，；C、，； D、，。10. 刚体绕同平面内任意二根轴转动的合成运动（ ）。A、一定是平面运动； B、一定是平动； C、一定是定轴转动； D、是绕瞬轴的转动。11. 匀质杆AB重G，其A端置于光滑水平面上，B端用绳悬挂，如图2-4所示，取坐标系O-xy，此时该杆质心C的x坐标，若将绳剪断，则（ ）。图2-4OACByA、杆倒向地面的过程中，其质心C运动的轨迹为圆弧；B、杆倒至地面后, ； C、杆倒至地面后, ；D、杆倒至地面后, 。C图2-5OBAD12. 如图所示平面机构

12、，CD连线铅直，杆BC=BD，在如图2-5所示瞬时，角，杆AB水平，则该瞬时点A和点C的虚位移大小之间的关系为 （ ）。A、； B、； C、； D、。13. 匀质圆盘半径为，质量为m，在半径为R的固定圆柱面内纯滚动,如图2-6所示,则圆盘的动能为（ ）。rAOR图2-6A、 ； B、 ； C、 ； D、。AO图2-714. 一匀质杆与匀质圆盘在圆盘中心处铰接，在如图2-7示位置时，杆绕固定轴转动的角速度为，圆盘相对于杆的角速度为，设杆与圆盘的质量均为, 圆盘的半径为，杆长，则此时该系统对固定轴的动量矩大小为（ ）。A、 B、 C、 D、解：利用质点系对某一固定点的动量矩，等于其质心的动量对该点

13、的矩与质点系相对于质心的动量矩之矢量和，即 ，求圆盘对的动量矩，为注明：质点系相对于质心的动量矩也要用绝对速度来计算。而 ，又因与方向相同，则15. 某瞬时，刚体上任意两点A、B的速度分别为、，则下述结论正确的是（ ）A、当时，刚体必作平动；B、当刚体作平动时，必有，但与的方向可能不同； C、当刚体作平动时，必有；D、当刚体作平动时，与的方向必然相同，但可能。答案：1.C； 2.C； 3.C； 4.B； 5.A； 6.B； 7.A； 8.A； 9.B； 10.D； 11.C； 12.C；13.D；14.C；15.C。 三、是非题1. 只要知道作用在质点上的力，那么质点在任一瞬间的运动状态就完全

14、确定了。（ ）2. 在惯性参考系中，不论初始条件如何变化，只要质点不受力的作用，则该质点应保持静止或等速直线运动状态。（ ）3. 一个质点只要运动，就一定受有力的作用，而且运动的方向就是所受力的方向。（ ）4. 同一运动的质点，在不同的惯性参考系中运动，其运动的初始条件是不同。（ ）5. 在自然坐标系中，如果速度=常数，则加速度=0。（ ）6刚体平动时，若刚体上任一点的运动已知，则其它各点的运动随之确定。（ ）7若刚体内各点均作圆周运动，则此刚体的运动必是定轴转动。（ ）8. 在任意初始条件下，刚体不受力的作用、则应保持静止或作等速直线平动。（ ）9作用于刚体的力可沿其作用线移动而不改变其对刚

15、体的运动效应。（ ）10三力平衡定理指出：三力汇交于一点，则这三个力必然互相平衡。（ ）11. 作平面运动刚体的动能等于它随基点平动的动能和绕基点转动动能之和。( )12. 如果某质点系的动能很大，则该质点系的动量也很大。（ ）13. 作用在一个刚体上的任意两个力成平衡的必要与充分条件是：两个力的作用线相同，大小相等，方向相反。（ ）14. 在刚体运动过程中，若其上有一条直线始终平行于它的初始位置，这种刚体的运动就是平动。（ ）15. 质点系的内力不能改变质点系的动量与动量矩。（ ）16. 牵连运动是指动系上在该瞬时与动点重合的点对于定系的运动。（ ）17. 刚体处于瞬时平动状态时，刚体的角速

16、度和角加速度在该瞬时都等于零。（ ）18. 如果作用于质点系上的外力对固定点O的主矩不为零，那么质点系的动量矩一定不守恒。（ ）19. 不论刚体作何种运动，其惯性力系向任一点简化的主矢都等于刚体的质量与其质心加速度的乘积，而取相反方向，即。（ ）20. 因为构成力偶的两个力满足，所以力偶的合力等于零。（ ）21. 因为实位移和虚位移都是约束所许可的无限小位移，所以实位移必定总是诸虚位移中的一个。（ ）22. 广义坐标不能在动参考系中选取。（ ）23. 任何其它的动力学方程都可由动力学普遍方程推导出来。（ ）24. 力是保守力。（ ）25. 对于平动参考系，绝对速度一定大于相对速度。（ ）26.

17、 在基本形式的拉格郎日方程中，广义力既包含主动力也包含约束力。（ ）27. 质点在有心力作用下，一定是角动量守恒、机械能守恒。（ ）28. 平面平行运动的刚体，其转动角速度与基点的选择无关。（ ）答案：1. 错； 2. 对； 3. 错； 4. 对； 5. 错； 6. 对； 7. 错； 8. 错； 9. 对； 10. 错； 11.错；12. 错；13. 对；14. 错；15. 对；16. 错；17. 错；18. 错；19. 对；20. 错；21. 错；22.错；23.对；24. 对；25. 错；26. 错；27. 对；28. 对。四、证明题1. 证明：变换 ,是正则变换。解：由题意， ,; 以此

18、代入正则变换关系式，则 母函数 问题得证。2. 均质实心圆球和一外形相等的空心球壳沿着一斜面同时自同一高度自由滚下，证明它们经过相等距离所需的时间比是。解：设空心球角加速度为，实心球角加速度为，则； ； 又 3.质量为的小环，套在半径为的光滑圆圈上，并可沿着圆圈滑动。如果圆圈在水平面内以匀角速绕圈上某点转动,证明小环沿圆圈切线方向的运动微分方程为： 证：以地面为参考系，则小环的运动微分方程为：其中为与圆心的连线和通过点的直径间所夹的角化简得 或用平面转动非惯性系动力学求解。4.一光滑球A与另一静止的光滑球B发生斜碰。如两者均为完全弹性体，且两球的质量相等，则两球碰撞后的速度互相垂直，试证明之。

19、证：以连线建立坐标轴。设以初始速度为沿轴正向与相碰，碰撞后，、速度分别为、，其与轴正向夹角分别为、。以、为研究对象，系统不受外力，动量守恒。方向： （1）垂直轴方向： （2）因 ，则 （3）整个碰撞过程只有系统内力做功，系统机械能守恒： （4）由（3）、（4）得 即两球碰撞后速度相互垂直，结论得证。5. 试证质点受有心力作用而作圆的运动时，则。证明：； 代入比耐公式 得 五、计算题1. 质量为的质点，沿倾角为的光滑直角劈滑下，劈的本身质量为，又可在光滑水平面上自由滑动。试求：（）质点水平方向的加速度；（）劈的加速度。解：把视为一个系统，系统在轴方向动量守恒 （1） （2） 图5-1求导： （3

20、）； （4）；且 （5） 所以， （6）； （7）由（3）（6）（7）式可解得：；图5-22. 半径为的均质圆球，自半径为的固定圆球的顶端无初速地滚下，试由哈密顿正则方程求动球球心下降的切向加速度。解：设为球绕其球心旋转的角速度。 ， ， A球球心下降的切向加速度：图5-33. 质量为，半径为的均质圆柱体放在粗糙水平面上。柱的外面绕有轻绳，绳子跨过一个很轻的滑轮，并悬挂一质量为的物体。设圆柱体只滚不滑，并且圆柱体与滑轮间的绳子是水平的。求圆柱体质心的加速度，物体的加速度及绳中张力。解：如图，设圆柱体的转动角速度为，设它受到地面的摩擦力为，由动量定理和动量矩定理知： （1） （2） 对于滑块，由

21、动量定理知： （3）又由无滑滚动条件知：，两边对时间求导得： （4）以为基点： 假设绳不可拉伸。则 故 （5）联立求解，得：图5-4 4. 一轮的半径为，以匀速无滑动地沿一直线滚动。求轮缘上任一点的速度及加速度及最高点与最低点的速度、加速度各等于多少？哪一点是转动瞬心？解：如题图所示坐标系。由于球作无滑滚动，球与地面的接触点点为转动瞬心。以为基点。设球的角速度，则 设轮缘上任意一点，与轴交角为，则故当时，得最高点的速度 当时，得最低点的速度 图5-5当和时分别得到最高点和最低点的加速度, 5. 半径为质量为的圆柱体，沿着倾角为的粗糙斜面无滑动地滚下。试求质心沿斜面运动的加速度。解：方法1 ，在

22、图中，为重力，为约束反作用力的法向分量，为约束反作用力的切向分量（即摩擦阻力）；，为圆柱体的质心在时间内的位移（当时，圆柱体自斜面的最高点开始下滚），而则为其所转过的角度。因为无滑动地滚下，则有约束方程 （1）令为圆柱体对轴线的回转半径，则因，故动能为 而 ，故 （2）至于势能（取静止时的势能为零）则为 （3）由 得 （4）式中为总能，是一常数。将（4）式对求导，得方法2，取消约束后，约束反作用力的法向分量及切向分量和重力都是外力，故由 和 ，得圆柱体的动力学方程为图5-6因 ，故由第一式和第三式将消去，得6.点离开圆锥顶点，以速度沿母线作匀速运动，此圆锥则以匀角速绕其轴转动。求开始秒后点绝对

23、加速度的量值，假定圆锥体的半顶角为。解：如图所示，直角坐标的原点位于圆锥顶点，轴过圆锥的对称轴。为点在轴上对应的一点，且有轴，所以点的绝对加速度 故 7. 如图所示，一质量为半径为的均质圆球，被握着静止在另一半径等于的固定圆球的顶点。其后把手放开，使其自由滚下。求：（1）判断该体系属于刚体中的哪种运动形式，并说出该运动的自由度是几个？（2）当两球分开时，两球的联心线和竖直向上的直线间所成的角度。解:（1）平面平行运动，3个自由度。（2）小球满足机械能守恒（如图选择零势能参考点） 由于是纯滚动故 代入上式得 当小球离开球面时，小球与大球的作用力等于，因此质心运动的法向方程为整理得 8. 在光滑水

24、平管内，有一质量为的小球 。管以恒定的角速度绕过管端的竖直轴转动，开始时小球相对于管静止在距转轴为处。求此后小球相对于管的运动规律和对管的压力。解：通过受力分析可得其运动微分方程 从而得 其通解为 当， 代入上两式得则 故 对管的压力大小为 方向为垂直纸面向外 方向竖直向下9. 如图所示，质量为的质点被限制在固定的光滑直线上滑动，另一质量为的质点，以一长度为的无质量杆和相连，设杆仅在通过固定直线的竖直平面内运动，且二质点仅受重力作用。（1）试写出拉氏函数，并判断是否含有循环坐标，判断的依据是什么？（2）用拉格朗日方程求其动力学方程。解：（1） ，为广义坐标。设任意时刻，与的夹角为，距原点为，则

25、 .所以，动能为 选择轴所在平面为零势能参考点，故 由上式可知不显含，为循环坐标。判断依据为 。（2）代入保守系的拉格朗日方程得 六、问答题1. 在极坐标系中，为什么？而非，为什么？而非，为什么？请说出中的和中另一个出现的原因和它们的物理意义吗？答：质点运动时，径向速度和横向速度的大小、方向都改变，而中的只反映了本身大小的改变，中的只是本身大小的改变。事实上，横向速度方向的改变会引起径向速度大小大改变，就是反映这种改变的加速度分量；经向速度的方向改变也会引起大小的改变，另一个即为反映这种改变的加速度分量，故，。这表示质点的径向与横向运动在相互影响，它们一起才能完整地描述质点的运动变化情况。2.

26、 在怎样的运动中只有而无？在怎样的运动中又只有而无？在怎样的运动中既有又有？答：质点在直线运动中只有而无，质点的匀速曲线运动中只有而无；质点作变速曲线运动时既有又有。3. 某人以一定的功率划船，逆流而上；当船经过一桥时，船上的渔竿不慎落入河中；两分钟后，此人才发现，立即返棹追赶；追到渔竿之处是在桥的下游的地方，问河水的流速是多大？答：设人发觉渔竿落水时，船已上行，船的相对速度为（根据题意为一常数），上行时船的绝对速度，则 船反向追赶竿的速度，设船反向追上竿共用时间，则 又竿与水同速，则 联立求解得 4. 一均匀物体假如由几个有规则的物体并合（或剜去）而成，你觉得怎样去求它的质心？答：因均匀物体

27、质量密度处处相等，规则形体的几何中心即为质心，故先找出各规则形体的质心把它们看作质点组，然后求质点组的质心即为整个物体的质心。对被割去的部分，先假定它存在，后以其负质量代入质心公式即可。5. 水面上浮着一只小船。船上一人如何向船尾走去，则船将向前移动。这是不是与质心运动定理相矛盾？试解释之。答：不矛盾。因人和船组成的系统在人行走前后受到的合外力为零（忽略水对船的阻力），且开船时系统质心的初速度也为零，故人行走前后系统质心相对地面的位置不变。当人向船尾移动时，系统的质量分布改变，质心位置后移，为抵消这种改变，船将向前移动，这是符合质心运动定理的。6. 秋千何以能越荡越高？这时能量的增长是从哪里来

28、的？答：秋千受绳的拉力和重力的作用，在运动中绳的拉力提供圆弧运动的向心力，此力不做功，只有重力做功。重力是保守力，故重力势能与动能相互转化。当秋千荡到铅直位置向上去的过程中，人站起来提高系统重心的位置，人克服重力做功使系统的势能增加；当达到最高点向竖直位置折回过程中，人蹲下去，内力做功降低重心位置使系统的动能增大，这样循环往复，系统的总能不断增大，秋千就可以越荡越高。这时能量的增长是人体内力做功，消耗人体内能转换而来的。7. 刚体一般是由（是一个很大得数目）个质点组成。为什么刚体的独立变量却不是而是6或者更少？答：确定一质点在空间中得位置需要3个独立变量，只要确定了不共线三点的位置刚体的位置也

29、就确定了，故须九个独立变量，但刚体不变形，此三点中人二点的连线长度不变，即有三个约束方程，所以确定刚体的一般运动不需个独立变量，有6个独立变量就够了.若刚体作定点转动，只要定出任一点相对定点的运动刚体的运动就确定了，只需3个独立变量；确定作平面平行运动刚体的代表平面在空间中的方位需一个独立变量，确定任一点在平面上的位置需二个独立变量，共需三个独立变量；知道了定轴转动刚体绕转动轴的转角，刚体的位置也就定了，只需一个独立变量；刚体的平动可用一个点的运动代表其运动，故需三个独立变量。8. 简化中心改变时，主矢和主矩是不是也随着改变？如果要改变，会不会影响刚体的运动？答：主矢是力系各力的矢量和，他完全取决于力系中各力的大小和方向，故主矢不随简化中心的位置而改变，被称为力系的主矢；简化中心的位置不同，各力对简化中心的位矢也就不同，则各力对简化中心的力矩也就不同，故主矩随简化中心的位置而变，被称之为力系对简化中心的主矩。主矢不变，表明刚体的平动效应不变，主矩随简化中心的位置改变，表明力系的作用对刚体上不同点有不同的转动效应，但不改变整个刚体的转动规律或者说不影响刚体绕质心的转动。设和对质心的位矢分别为和，则，把点的主矢，主矩移到点得力系对质心的主矩把为简化中心得到的主矢和主矩移到点可得简化中心的改变引起主矩的改变并不影响刚体的运动。事实上，简化中心的选取不过人为