大学物理基础教程答案第02章习题分析与解答

1、第二章 质点动力学习题解答2-1 如题图2-1中(a)图所示,质量为m 的物体用平行于斜面的细线联结置于光滑的斜面上,若斜面向左方作加速运动,当物体刚脱离斜面时,它的加速度的大小为(D)(A) gsin (B) gcos (C) gtan (D) gcot 2-2 用水平力FN把一个物体压着靠在粗糙的竖直墙面上保持静止当FN逐渐增大时,物体所受的静摩擦力Ff的大小(A)(A) 不为零,但保持不变(B) 随FN成正比地增大(C) 开始随FN增大,达到某一最大值后,就保持不变(D) 无法确定2-3 一段路面水平的公路,转弯处轨道半径为R,汽车轮胎与路面间的摩擦因数为,要使汽车不至于发生侧向打滑,汽

2、车在该处的行驶速率(C)(A) 不得小于(B) 必须等于习题2-4图 (C) 不得大于 (D) 还应由汽车的质量m 决定2-4 如习题2-4图所示，一物体沿固定圆弧形光滑轨道由静止下滑,在下滑过程中，则(B)(A) 它的加速度方向永远指向圆心,其速率保持不变(B) 它受到的轨道的作用力的大小不断增加(C) 它受到的合外力大小变化,方向永远指向圆心(D) 它受到的合外力大小不变,其速率不断增加Aa习题2-5图B2-5 习题2-5图所示，系统置于以a 1/4 g 的加速度上升的升降机内,A、B 两物体质量相同均为m，A所在的桌面是水平的,绳子和定滑轮质量均不计,若忽略滑轮轴上和桌面上的摩

3、擦,并不计空气阻力，则绳中张力为(A) (A) 5/8mg(B) 1/2mg(C) mg(D) 2mg2-6 对质点组有以下几种说法：(1) 质点组总动量的改变与内力无关；(2) 质点组总动能的改变与内力无关；(3) 质点组机械能的改变与保守内力无关下列对上述说法判断正确的是(C)(A) 只有(1)是正确的(B) (1)、(2)是正确的(C) (1)、(3)是正确的 (D) (2)、(3)是正确的2-7 有两个倾角不同、高度相同、质量一样的斜面放在光滑的水平面上,斜面是光滑的,有两个一样的物块分别从这两个斜面的顶点由静止开始滑下，则(D)(A) 物块到达斜面底端时的动量相等(B) 物块到达斜面

4、底端时动能相等(C) 物块和斜面(以及地球)组成的系统,机械能不守恒(D) 物块和斜面组成的系统水平方向上动量守恒2-8 对功的概念有以下几种说法：(1) 保守力作正功时,系统内相应的势能增加；(2) 质点运动经一闭合路径,保守力对质点作的功为零；(3) 作用力和反作用力大小相等、方向相反,所以两者所作功的代数和必为零下列上述说法中判断正确的是(C)(A) (1)、(2)是正确的(B) (2)、(3)是正确的(C) 只有(2)是正确的(D) 只有(3)是正确的习题2-9图 2-9 如图所示,质量分别为m1和m2的物体A和B，置于光滑桌面上，A和B之间连有一轻弹簧。另有质量为m1和m2

5、的物体C和D分别置于物体A与B之上，且物体A和C、B和D之间的摩擦因数均不为零。首先用外力沿水平方向相向推压A和B，使弹簧被压缩，然后撤掉外力，则在A和B弹开的过程中，对A、B、C、D以及弹簧组成的系统，有(D)(A) 动量守恒,机械能守恒(B) 动量不守恒,机械能守恒(C) 动量不守恒,机械能不守恒 (D) 动量守恒,机械能不一定守恒习题2-10图m2-10 如习题2-10图所示,子弹射入放在水平光滑地面上静止的木块后而穿出。以地面为参考系，下列说法中正确的说法是(C)(A) 子弹减少的动能转变为木块的动能(B) 子弹-木块系统的机械能守恒(C) 子弹动能的减少等于子弹克服木块阻力所作的功(

6、D) 子弹克服木块阻力所作的功等于这一过程中产生的热Oab习题2-14图2-11 质量为的物体放在质量为的物体之上，置于倾角为的斜面上，整个系统处于静止，若所有接触面的摩擦系数均为，则斜面给物体的摩擦力为（ ）。2-12 在合外力的作用下，质量为的物体沿轴运动，若时物体的状态为，则物体运动了时其加速度大小为（ ），速度大小为（ ）。2-13 一质量为的质点在力 的作用下（式中t为时刻），从静止开始()作直线运动，则当时质点的速率等于（ 0 ）。2-14 质量的物体，从静止开始沿固定的圆弧轨道下滑，如题图2-14所示。已知圆弧轨道半径为，物体滑至轨道末端b时的速率为，求摩擦力的功。分析 根据动能

7、定理，在小球下落过程中，摩擦力与重力在轨道切线方向的分力做功，轨道法向分量与轨道支持力不做功。2-15：删除。2-16 一质量为10 kg的质点，在力(N)作用下，沿一直线运动。在t=0时，质点在m处，其速度为m/s。求这质点在以后任意时刻的速度和位置。分析这是在变力作用下的动力学问题由于力是时间的函数,而加速度adv/dt,这时,动力学方程就成为速度对时间的一阶微分方程,解此微分方程可得质点的速度v (t)；由速度的定义vdx /dt,用积分的方法可求出质点的位置解因加速度adv/dt,在直线运动中,根据牛顿运动定律有依据质点运动的初始条件,即t0 0 时v0 6.0 m·-1 ,

8、运用分离变量法对上式积分,得v6.0+4.0t+6.0t2 又因vdx /dt,并由质点运动的初始条件：t0 0 时x0 5.0 m,对上式分离变量后积分,有x 5.0+6.0t+2.0t2 +2.0t3 2-17 质量为m的摩托车,在恒定的牵引力F的作用下工作,它所受的阻力与其速率的平方成正比,它能达到的最大速率是vm。试计算从静止加速到vm/2所需时间以及所走过的路程。分析该题依然是运用动力学方程求解变力作用下的速度和位置的问题,求解方法与前两题相似,只是在解题过程中必须设法求出阻力系数k由于阻力Fr kv2 ,且Fr又与恒力F 的方向相反；故当阻力随速度增加至与恒力大小相等时,加速度为零

9、,此时速度达到最大因此,根据速度最大值可求出阻力系数来但在求摩托车所走路程时,需对变量作变换解设摩托车沿x 轴正方向运动,在牵引力F和阻力Fr 同时作用下,由牛顿定律有 (1)当加速度a dv/dt 0 时,摩托车的速率最大,因此可得kF/vm2 (2)由式(1)和式(2)可得 (3)根据始末条件对式(3)积分,有则 又因式(3)中,再利用始末条件对式(3)积分,有。则 2-18 沿半球形碗的光滑的内面，质量为m的小球以角速度w在一水平面内作匀速圆周运动，如题图2-18所示。碗半径为R，求小球作匀速圆周运动的水平面离碗底高度为多少？分析维持钢球在水平面内作匀角速度转动时,必须使钢球受到一与向心

10、加速度相对应的力(向心力),而该力是由碗内壁对球的支持力FN 的分力来提供的,由于支持力FN 始终垂直于碗内壁,所以支持力的大小和方向是随而变的取图示Oxy 坐标,列出动力学方程,即可求解钢球距碗底的高度解取钢球为隔离体,其受力分析如图(b)所示在图示坐标中列动力学方程 (1) (2)且有 (3)由上述各式可解得钢球距碗底的高度为可见,h 随的变化而变化rRm习题2-18图q 习题2-19图2-19 火车在平直轨道上以匀加速度向前行驶。在车中用悬线挂一小球，悬线与竖直方向成q 角而静止，如图2-19所示，试分别以地面和车厢为参照系求q 角。分析 以地面为参照系，是惯性参照系，直接运动用牛顿第二

11、定律；以车厢为参照系，由于车厢加速运动，不是惯性参照系，因此不能直接运动牛顿第二定律。以地面：小球受到重力和拉力的作用，其合力产生加速度am1m2 习题2-20图m1m2a1习题2-21图即：最终结果为以车为参考系，小球相对于车厢静止，惯性力为F，则惯性力、拉力以及重力的合力平衡，结果同样是2-20 如图2-20所示，绳从圆柱体中m1中的小孔内穿过，已知绳与圆柱体有摩擦，且圆柱体相对于绳子向下滑动的加速度为a。求m2 对地的加速度及绳子的张力。分析：因绳不可伸长，故滑轮两边绳子的加速度相等，其对于m1则为牵连加速度，又知m1对绳子的相对加速度为a，故可求得m1对地加速度。解：设 m1对地加速度

12、为a2，绳的加速度为a1，则： 又因绳的质量不计，所以圆柱体受到的摩擦力在数值上等于绳的张力，由牛顿定律，有 联立、式，得习题2-22图 (b) (a) 2-21 如图2-21所示，升降机以向上的加速度a1运动，升降机内有一轻定滑轮。质量分别为m1和m2的两物体，由绕过定滑轮的轻绳连接,如图所示。若m1>m2，求两物体相对升降机的加速度和绳的张力。分析 m1向下运动，相对于地面的加速度为升降机加速度与相对于升降机的加速度矢量和，m2向上运动。分别列出动力学方程，联立求解。解： m1： m2：上两式联立：，2-22 一质量为m 的小球最初位于如图2-22(a)

13、所示的A 点,然后沿半径为r的光滑圆轨道ADCB下滑试求小球到达点C时的角速度和对圆轨道的作用力分析该题可由牛顿第二定律求解在取自然坐标的情况下,沿圆弧方向的加速度就是切向加速度a,与其相对应的外力F是重力的切向分量mgsin,而与法向加速度an相对应的外力是支持力FN 和重力的法向分量mgcos由此,可分别列出切向和法向的动力学方程Fmdv/dt和Fnman 由于小球在滑动过程中加速度不是恒定的,因此,需应用积分求解,为使运算简便,可转换积分变量 倡该题也能应用以小球、圆弧与地球为系统的机械能守恒定律求解小球的速度和角速度,方法比较简便但它不能直接给出小球与圆弧表面之间的作用力解小球在运动过

14、程中受到重力P 和圆轨道对它的支持力FN 取图(b)所示的自然坐标系,由牛顿定律得 (1) (2)由,得,代入式(1),并根据小球从点A 运动到点C 的始末条件,进行积分,有得 则小球在点C 的角速度为由式(2)得 由此可得小球对圆轨道的作用力为负号表示FN 与en 反向2-23 一架以3.0 ×102 m·s-1 的速率水平飞行的飞机,与一只身长为0.20 m、质量为0.50 kg 的飞鸟相碰设碰撞后飞鸟的尸体与飞机具有同样的速度,而原来飞鸟对于地面的速率甚小,可以忽略不计试估计飞鸟对飞机的冲击力(碰撞时间可用飞鸟身长被飞机速率相除来估算)根据本题的计算结果,你对于高速运

15、动的物体(如飞机、汽车)与通常情况下不足以引起危害的物体(如飞鸟、小石子)相碰后会产生什么后果的问题有些什么体会？分析由于鸟与飞机之间的作用是一短暂时间内急剧变化的变力,直接应用牛顿定律解决受力问题是不可能的如果考虑力的时间累积效果,运用动量定理来分析,就可避免作用过程中的细节情况在求鸟对飞机的冲力(常指在短暂时间内的平均力)时,由于飞机的状态(指动量)变化不知道,使计算也难以进行；这时,可将问题转化为讨论鸟的状态变化来分析其受力情况,并根据鸟与飞机作用的相互性(作用与反作用),问题就很简单了解以飞鸟为研究对象,取飞机运动方向为x 轴正向由动量定理得式中F为飞机对鸟的平均冲力,而身长为20cm

16、 的飞鸟与飞机碰撞时间约为t l /v,以此代入上式可得鸟对飞机的平均冲力为式中负号表示飞机受到的冲力与其飞行方向相反从计算结果可知,2.25 ×105 N的冲力大致相当于一个22 t 的物体所受的重力,可见,此冲力是相当大的若飞鸟与发动机叶片相碰,足以使发动机损坏,造成飞行事故2-24 质量为m 的物体,由水平面上点O 以初速为v0 抛出,v0与水平面成仰角若不计空气阻力,求：(1) 物体从发射点O 到最高点的过程中,重力的冲量；(2) 物体从发射点到落回至同一水平面的过程中,重力的冲量分析重力是恒力,因此,求其在一段时间内的冲量时,只需求出时间间隔即可由抛体运动规律可知,物体到达

17、最高点的时间,物体从出发到落回至同一水平面所需的时间是到达最高点时间的两倍这样,按冲量的定义即可求得结果另一种解的方法是根据过程的始、末动量,由动量定理求出解1物体从出发到达最高点所需的时间为则物体落回地面的时间为于是,在相应的过程中重力的冲量分别为解2根据动量定理,物体由发射点O 运动到点A、B 的过程中,重力的冲量分别为2-25 Fx 304t(式中Fx 的单位为N,t 的单位为s)的合外力作用在质量m10 kg 的物体上,试求：(1) 在开始2 内此力的冲量；(2) 若冲量I 300 N·s,此力作用的时间；(3) 若物体的初速度v1 10 m·s-1 ,方向与Fx

18、相同,在t6.86s时,此物体的速度v2 。分析本题可由冲量的定义式,求变力的冲量,继而根据动量定理求物体的速度v2解(1) 由分析知(2) 由I 300 30t 2t2 ,解此方程可得t 686 s(另一解不合题意已舍去)(3) 由动量定理,有I m v2- m v1由(2)可知t 686 s 时I 300 N·s ,将I、m 及v1代入可得习题2-27图  2-26 A、B 两船在平静的湖面上平行逆向航行,当两船擦肩相遇时,两船各自向对方平稳地传递50 kg 的重物,结果是A 船停了下来,而B 船以3.4 m·s-1的速度继续向前驶去A、B 两船原有质量分别为

19、0.5×103 kg 和1.0 ×103 kg,求在传递重物前两船的速度(忽略水对船的阻力)分析由于两船横向传递的速度可略去不计,则对搬出重物后的船A 与从船B 搬入的重物所组成的系统来讲,在水平方向上无外力作用,因此,它们相互作用的过程中应满足动量守恒；同样,对搬出重物后的船B 与从船A 搬入的重物所组成的系统亦是这样由此,分别列出系统、的动量守恒方程即可解出结果解设A、B两船原有的速度分别以vA 、vB 表示,传递重物后船的速度分别以vA 、vB 表示,被搬运重物的质量以m 表示分别对上述系统、应用动量守恒定律,则有 (1) (2)由题意知vA 0, vB 3.4 m&

20、#183;s-1 代入数据后,可解得也可以选择不同的系统,例如,把A、B 两船(包括传递的物体在内)视为系统,同样能满足动量守恒,也可列出相对应的方程求解 2-27 如图2-27所示，一质量为0.20 kg 的球,系在长为2.00 m 的细绳上,细绳的另一端系在天花板上把小球移至使细绳与竖直方向成30°角的位置,然后从静止放开求：(1) 在绳索从30°角到0°角的过程中,重力和张力所作的功；(2) 物体在最低位置时的动能和速率；(3) 在最低位置时的张力分析(1) 在计算功时,首先应明确是什么力作功小球摆动过程中同时受到重力和张力作用重力是保守力,根据小球下落的距

21、离,它的功很易求得；至于张力虽是一变力,但是,它的方向始终与小球运动方向垂直,根据功的矢量式,即能得出结果来(2) 在计算功的基础上,由动能定理直接能求出动能和速率(3) 在求最低点的张力时,可根据小球作圆周运动时的向心加速度由重力和张力提供来确定解(1) 如图所示,重力对小球所作的功只与始末位置有关,即在小球摆动过程中,张力F 的方向总是与运动方向垂直,所以,张力的功(2) 根据动能定理,小球摆动过程中,其动能的增量是由于重力对它作功的结果初始时动能为零,因而,在最低位置时的动能为小球在最低位置的速率为(3) 当小球在最低位置时,由牛顿定律可得2-28 一质量为m 的质点,系在细绳的一端,绳

22、的另一端固定在平面上此质点在粗糙水平面上作半径为r 的圆周运动设质点的最初速率是v0 当它运动一周时,其速率为v0 /2求：(1) 摩擦力作的功；(2) 动摩擦因数；(3) 在静止以前质点运动了多少圈？分析质点在运动过程中速度的减缓,意味着其动能减少；而减少的这部分动能则消耗在运动中克服摩擦力作功上由此,可依据动能定理列式解之解(1) 摩擦力作功为 (1)(2) 由于摩擦力是一恒力,且F mg,故有 (2)由式(1)、(2)可得动摩擦因数为(3) 由于一周中损失的动能为,则在静止前可运行的圈数为圈a b 习题2-29图 2-29 如图2-29(a)所示,有一自动卸

23、货矿车,满载时的质量为m,从与水平成倾角30.0°斜面上的点A 由静止下滑设斜面对车的阻力为车重的0.25 倍,矿车下滑距离l 时,与缓冲弹簧一道沿斜面运动当矿车使弹簧产生最大压缩形变时,矿车自动卸货,然后矿车借助弹簧的弹性力作用,使之返回原位置A 再装货试问要完成这一过程,空载时与满载时车的质量之比应为多大？ 分析矿车在下滑和返回的全过程中受到重力、弹力、阻力和支持力作用若取矿车、地球和弹簧为系统,支持力不作功,重力、弹力为保守力,而阻力为非保守力矿车在下滑和上行两过程中,存在非保守力作功,系统不满足机械能守恒的条件,因此,可应用功能原理去求解在确定重力势能、弹性势能时,应注意势能

24、零点的选取,常常选取弹簧原长时的位置为重力势能、弹性势能共同的零点,这样做对解题比较方便解取沿斜面向上为x 轴正方向弹簧被压缩到最大形变时弹簧上端为坐标原点O矿车在下滑和上行的全过程中,按题意,摩擦力所作的功为W (0.25mg 0.25mg)(l x) (1)式中m和m 分别为矿车满载和空载时的质量,x 为弹簧最大被压缩量根据功能原理,在矿车运动的全过程中,摩擦力所作的功应等于系统机械能增量的负值,故有W -E -(EPE )由于矿车返回原位时速度为零,故E0；而EP(m -m) g(l x) sin,故有W -(m -m) g(l x) sin (2)由式(1)、(2)可解得2-30一质量为m 的地球卫星,沿半径为3RE 的圆轨道运动,RE 为地球的半径已知地球的质量为mE求：(1) 卫星的动能；(2) 卫星的引力势能；(3) 卫星的机械能分析根据势能和动能的定义,只需知道卫星的所在位置和绕地球运动的速率,其势能和动能即可算出由于卫星在地球引力作用下作圆周运动,由此可算得卫星绕地球运动的速率和动能由于卫星的引力势能是属于系统(卫星和地球)的,要确定特定位置的势能时,必须规定势能的零点,通