物理学答案第五版,上册马文蔚.doc

1 -1质点作曲线运动,在时刻t 质点的位矢为r,速度为v ,速率为v,t 至(t t)时间内的位移为r, 路程为s, 位矢大小的变化量为r ( 或称r),平均速度为,平均速率为(1) 根据上述情况,则必有()(A) r= s = r(B) r s r,当t0 时有dr= ds dr(C) r r s,当t0 时有dr= dr ds(D) r s r,当t0 时有dr= dr = ds(2) 根据上述情况,则必有()(A) = ,= (B) , (C) = , (D) ,= 分析与解(1) 质点在t 至(t t)时间内沿曲线从P 点运动到P点,各量关系如图所示, 其中路程s PP, 位移大小rPP,而r r-r表示质点位矢大小的变化量,三个量的物理含义不同,在曲线运动中大小也不相等(注：在直线运动中有相等的可能)但当t0 时,点P无限趋近P点,则有drds,但却不等于dr故选(B)(2) 由于r s,故,即但由于drds,故,即由此可见,应选(C)1 -2一运动质点在某瞬时位于位矢r(x,y)的端点处,对其速度的大小有四种意见,即(1)；(2)；(3)；(4)下述判断正确的是()(A) 只有(1)(2)正确 (B) 只有(2)正确(C) 只有(2)(3)正确 (D) 只有(3)(4)正确分析与解表示质点到坐标原点的距离随时间的变化率,在极坐标系中叫径向速率通常用符号vr表示,这是速度矢量在位矢方向上的一个分量；表示速度矢量；在自然坐标系中速度大小可用公式计算,在直角坐标系中则可由公式求解故选(D)1 -3质点作曲线运动,r 表示位置矢量, v表示速度,a表示加速度,s 表示路程, a表示切向加速度对下列表达式,即(1)d v /dt a；(2)dr/dt v；(3)ds/dt v；(4)d v /dta下述判断正确的是()(A) 只有(1)、(4)是对的 (B) 只有(2)、(4)是对的(C) 只有(2)是对的 (D) 只有(3)是对的分析与解表示切向加速度a,它表示速度大小随时间的变化率,是加速度矢量沿速度方向的一个分量,起改变速度大小的作用；在极坐标系中表示径向速率vr(如题1 -2 所述)；在自然坐标系中表示质点的速率v；而表示加速度的大小而不是切向加速度a因此只有(3) 式表达是正确的故选(D)1 -4一个质点在做圆周运动时,则有()(A) 切向加速度一定改变,法向加速度也改变(B) 切向加速度可能不变,法向加速度一定改变(C) 切向加速度可能不变,法向加速度不变(D) 切向加速度一定改变,法向加速度不变分析与解加速度的切向分量a起改变速度大小的作用,而法向分量an起改变速度方向的作用质点作圆周运动时,由于速度方向不断改变,相应法向加速度的方向也在不断改变,因而法向加速度是一定改变的至于a是否改变,则要视质点的速率情况而定质点作匀速率圆周运动时, a恒为零；质点作匀变速率圆周运动时, a为一不为零的恒量,当a改变时,质点则作一般的变速率圆周运动由此可见,应选(B) *1 -5如图所示,湖中有一小船,有人用绳绕过岸上一定高度处的定滑轮拉湖中的船向岸边运动设该人以匀速率v0 收绳,绳不伸长且湖水静止,小船的速率为v,则小船作()(A) 匀加速运动, (B) 匀减速运动, (C) 变加速运动,(D) 变减速运动, (E) 匀速直线运动,分析与解本题关键是先求得小船速度表达式,进而判断运动性质为此建立如图所示坐标系,设定滑轮距水面高度为h,t 时刻定滑轮距小船的绳长为l,则小船的运动方程为,其中绳长l 随时间t 而变化小船速度,式中表示绳长l 随时间的变化率,其大小即为v0,代入整理后为,方向沿x 轴负向由速度表达式,可判断小船作变加速运动故选(C)讨论有人会将绳子速率v0按x、y 两个方向分解,则小船速度,这样做对吗？1 -6已知质点沿x 轴作直线运动,其运动方程为,式中x 的单位为m,t 的单位为 s求：(1) 质点在运动开始后4.0 s内的位移的大小；(2) 质点在该时间内所通过的路程；(3) t4 s时质点的速度和加速度分析位移和路程是两个完全不同的概念只有当质点作直线运动且运动方向不改变时,位移的大小才会与路程相等质点在t 时间内的位移x 的大小可直接由运动方程得到：,而在求路程时,就必须注意到质点在运动过程中可能改变运动方向,此时,位移的大小和路程就不同了为此,需根据来确定其运动方向改变的时刻tp ,求出0tp 和tpt 内的位移大小x1 、x2 ,则t 时间内的路程,如图所示,至于t 4.0 s 时质点速度和加速度可用和两式计算解(1) 质点在4.0 s内位移的大小 (2) 由 得知质点的换向时刻为 (t0不合题意)则 所以,质点在4.0 s时间间隔内的路程为 (3) t4.0 s时1 -7一质点沿x 轴方向作直线运动,其速度与时间的关系如图(a)所示设t0 时,x0试根据已知的v-t 图,画出a-t 图以及x -t 图分析根据加速度的定义可知,在直线运动中v-t曲线的斜率为加速度的大小(图中AB、CD 段斜率为定值,即匀变速直线运动；而线段BC 的斜率为0,加速度为零,即匀速直线运动)加速度为恒量,在a-t 图上是平行于t 轴的直线,由v-t 图中求出各段的斜率,即可作出a-t 图线又由速度的定义可知,x-t 曲线的斜率为速度的大小因此,匀速直线运动所对应的x -t 图应是一直线,而匀变速直线运动所对应的xt 图为t 的二次曲线根据各段时间内的运动方程xx(t),求出不同时刻t 的位置x,采用描数据点的方法,可作出x-t 图解将曲线分为AB、BC、CD 三个过程,它们对应的加速度值分别为 (匀加速直线运动) (匀速直线运动) (匀减速直线运动)根据上述结果即可作出质点的a-t 图图(B)在匀变速直线运动中,有由此,可计算在02和46时间间隔内各时刻的位置分别为用描数据点的作图方法,由表中数据可作02和46时间内的x -t 图在24时间内, 质点是作的匀速直线运动, 其x -t 图是斜率k20的一段直线图(c)1 -8已知质点的运动方程为,式中r 的单位为m,t 的单位为求：(1) 质点的运动轨迹；(2) t 0 及t 2时,质点的位矢；(3) 由t 0 到t 2内质点的位移r 和径向增量r； *(4) 2 内质点所走过的路程s分析质点的轨迹方程为y f(x),可由运动方程的两个分量式x(t)和y(t)中消去t 即可得到对于r、r、r、s 来说,物理含义不同,可根据其定义计算其中对s的求解用到积分方法,先在轨迹上任取一段微元ds,则,最后用积分求解(1) 由x(t)和y(t)中消去t 后得质点轨迹方程为这是一个抛物线方程,轨迹如图(a)所示(2) 将t 0和t 2分别代入运动方程,可得相应位矢分别为 , 图(a)中的P、Q 两点,即为t 0和t 2时质点所在位置(3) 由位移表达式,得其中位移大小而径向增量*(4) 如图(B)所示,所求s 即为图中PQ段长度,先在其间任意处取AB 微元ds,则,由轨道方程可得,代入ds,则2内路程为1 -9质点的运动方程为式中x,y 的单位为m,t 的单位为试求：(1) 初速度的大小和方向；(2) 加速度的大小和方向分析由运动方程的分量式可分别求出速度、加速度的分量,再由运动合成算出速度和加速度的大小和方向解(1) 速度的分量式为当t 0 时, vox -10 m-1 , voy 15 m-1 ,则初速度大小为设vo与x 轴的夹角为,则12341(2) 加速度的分量式为 , 则加速度的大小为设a 与x 轴的夹角为,则-3341(或32619)1 -10一升降机以加速度1.22 m-2上升,当上升速度为2.44 m-1时,有一螺丝自升降机的天花板上松脱,天花板与升降机的底面相距2.74 m计算：(1)螺丝从天花板落到底面所需要的时间；(2)螺丝相对升降机外固定柱子的下降距离分析在升降机与螺丝之间有相对运动的情况下,一种处理方法是取地面为参考系,分别讨论升降机竖直向上的匀加速度运动和初速不为零的螺丝的自由落体运动,列出这两种运动在同一坐标系中的运动方程y1 y1(t)和y2 y2(t),并考虑它们相遇,即位矢相同这一条件,问题即可解；另一种方法是取升降机(或螺丝)为参考系,这时,螺丝(或升降机)相对它作匀加速运动,但是,此加速度应该是相对加速度升降机厢的高度就是螺丝(或升降机)运动的路程解1(1) 以地面为参考系,取如图所示的坐标系,升降机与螺丝的运动方程分别为当螺丝落至底面时,有y1 y2 ,即 (2) 螺丝相对升降机外固定柱子下降的距离为解2(1)以升降机为参考系,此时,螺丝相对它的加速度大小ag a,螺丝落至底面时,有(2) 由于升降机在t 时间内上升的高度为则 1 -11一质点P 沿半径R 3.0 m的圆周作匀速率运动,运动一周所需时间为20.0,设t 0 时,质点位于O 点按(a)图中所示Oxy 坐标系,求(1) 质点P 在任意时刻的位矢；(2)5时的速度和加速度分析该题属于运动学的第一类问题,即已知运动方程r r(t)求质点运动的一切信息(如位置矢量、位移、速度、加速度)在确定运动方程时,若取以点(0,3)为原点的Oxy坐标系,并采用参数方程xx(t)和yy(t)来表示圆周运动是比较方便的然后,运用坐标变换x x0 x和y y0 y,将所得参数方程转换至Oxy 坐标系中,即得Oxy 坐标系中质点P 在任意时刻的位矢采用对运动方程求导的方法可得速度和加速度解(1) 如图(B)所示,在Oxy坐标系中,因,则质点P 的参数方程为,坐标变换后,在Oxy 坐标系中有,则质点P 的位矢方程为(2) 5时的速度和加速度分别为 1 -12地面上垂直竖立一高20.0 m 的旗杆,已知正午时分太阳在旗杆的正上方,求在下午200 时,杆顶在地面上的影子的速度的大小在何时刻杆影伸展至20.0 m？分析为求杆顶在地面上影子速度的大小,必须建立影长与时间的函数关系,即影子端点的位矢方程根据几何关系,影长可通过太阳光线对地转动的角速度求得由于运动的相对性,太阳光线对地转动的角速度也就是地球自转的角速度这样,影子端点的位矢方程和速度均可求得解设太阳光线对地转动的角速度为,从正午时分开始计时,则杆的影长为shtgt,下午200 时,杆顶在地面上影子的速度大小为当杆长等于影长时,即s h,则即为下午300 时1 -13质点沿直线运动,加速度a4 -t2 ,式中a的单位为m-2 ,t的单位为如果当t 3时,x9 m,v 2 m-1 ,求质点的运动方程分析本题属于运动学第二类问题,即已知加速度求速度和运动方程,必须在给定条件下用积分方法解决由和可得和如aa(t)或v v(t),则可两边直接积分如果a 或v不是时间t 的显函数,则应经过诸如分离变量或变量代换等数学操作后再做积分解由分析知,应有得 (1)由 得 (2)将t3时,x9 m,v2 m-1代入(1) (2)得v0-1 m-1,x00.75 m于是可得质点运动方程为1 -14一石子从空中由静止下落,由于空气阻力,石子并非作自由落体运动,现测得其加速度aA -Bv,式中A、B 为正恒量,求石子下落的速度和运动方程分析本题亦属于运动学第二类问题,与上题不同之处在于加速度是速度v的函数,因此,需将式dv a(v)dt 分离变量为后再两边积分解选取石子下落方向为y 轴正向,下落起点为坐标原点(1) 由题意知 (1)用分离变量法把式(1)改写为 (2)将式(2)两边积分并考虑初始条件,有得石子速度 由此可知当,t时,为一常量,通常称为极限速度或收尾速度(2) 再由并考虑初始条件有得石子运动方程1 -15一质点具有恒定加速度a 6i 4j,式中a的单位为m-2 在t0时,其速度为零,位置矢量r0 10 mi求：(1) 在任意时刻的速度和位置矢量；(2) 质点在Oxy 平面上的轨迹方程,并画出轨迹的示意图分析与上两题不同处在于质点作平面曲线运动,根据叠加原理,求解时需根据加速度的两个分量ax 和ay分别积分,从而得到运动方程r的两个分量式x(t)和y(t)由于本题中质点加速度为恒矢量,故两次积分后所得运动方程为固定形式,即和,两个分运动均为匀变速直线运动读者不妨自己验证一下解由加速度定义式,根据初始条件t0 0时v0 0,积分可得又由及初始条件t0 时,r0(10 m)i,积分可得由上述结果可得质点运动方程的分量式,即x 103t2 y 2t2消去参数t,可得运动的轨迹方程 3y 2x -20 m这是一个直线方程直线斜率,3341轨迹如图所示1 -16一质点在半径为R 的圆周上以恒定的速率运动,质点由位置A 运动到位置B,OA 和OB 所对的圆心角为(1) 试证位置A 和B 之间的平均加速度为；(2) 当分别等于90、30、10和1时,平均加速度各为多少？ 并对结果加以讨论分析瞬时加速度和平均加速度的物理含义不同,它们分别表示为和在匀速率圆周运动中,它们的大小分别为, ,式中v可由图(B)中的几何关系得到,而t 可由转过的角度 求出由计算结果能清楚地看到两者之间的关系,即瞬时加速度是平均加速度在t0 时的极限值解(1) 由图(b)可看到v v2 -v1 ,故而所以 (2) 将90,30,10,1分别代入上式,得,以上结果表明,当0 时,匀速率圆周运动的平均加速度趋近于一极限值,该值即为法向加速度1 -17质点在Oxy 平面内运动,其运动方程为r2.0ti (19.0 -2.0t2 )j,式中r 的单位为m,t的单位为s求：(1)质点的轨迹方程；(2) 在t11.0s 到t2 2.0s 时间内的平均速度；(3) t1 1.0时的速度及切向和法向加速度；(4) t 1.0s 时质点所在处轨道的曲率半径分析根据运动方程可直接写出其分量式x x(t)和y y(t),从中消去参数t,即得质点的轨迹方程平均速度是反映质点在一段时间内位置的变化率,即,它与时间间隔t 的大小有关,当t0 时,平均速度的极限即瞬时速度切向和法向加速度是指在自然坐标下的分矢量a 和an ,前者只反映质点在切线方向速度大小的变化率,即,后者只反映质点速度方向的变化,它可由总加速度a 和a 得到在求得t1 时刻质点的速度和法向加速度的大小后,可由公式求解(1) 由参数方程x 2.0t,y 19.0-2.0t2消去t 得质点的轨迹方程：y 19.0 -0.50x2 (2) 在t1 1.00 到t2 2.0时间内的平均速度(3) 质点在任意时刻的速度和加速度分别为则t1 1.00时的速度v(t)t 12.0i -4.0j切向和法向加速度分别为(4) t 1.0质点的速度大小为则1 -18飞机以100 m-1 的速度沿水平直线飞行,在离地面高为100 m时,驾驶员要把物品空投到前方某一地面目标处,问：(1) 此时目标在飞机正下方位置的前面多远？ (2) 投放物品时,驾驶员看目标的视线和水平线成何角度？(3) 物品投出2.0后,它的法向加速度和切向加速度各为多少？分析物品空投后作平抛运动忽略空气阻力的条件下,由运动独立性原理知,物品在空中沿水平方向作匀速直线运动,在竖直方向作自由落体运动到达地面目标时,两方向上运动时间是相同的因此,分别列出其运动方程,运用时间相等的条件,即可求解此外,平抛物体在运动过程中只存在竖直向下的重力加速度为求特定时刻t时物体的切向加速度和法向加速度,只需求出该时刻它们与重力加速度之间的夹角或由图可知,在特定时刻t,物体的切向加速度和水平线之间的夹角,可由此时刻的两速度分量vx 、vy求出,这样,也就可将重力加速度g 的切向和法向分量求得解(1) 取如图所示的坐标,物品下落时在水平和竖直方向的运动方程分别为x vt,y 1/2 gt2飞机水平飞行速度v100 ms-1 ,飞机离地面的高度y100 m,由上述两式可得目标在飞机正下方前的距离(2) 视线和水平线的夹角为(3) 在任意时刻物品的速度与水平轴的夹角为取自然坐标,物品在抛出2s 时,重力加速度的切向分量与法向分量分别为1 -19如图(a)所示,一小型迫击炮架设在一斜坡的底端O 处,已知斜坡倾角为,炮身与斜坡的夹角为,炮弹的出口速度为v0,忽略空气阻力求：(1)炮弹落地点P 与点O 的距离OP；(2) 欲使炮弹能垂直击中坡面证明和必须满足并与v0 无关分析这是一个斜上抛运动,看似简单,但针对题目所问,如不能灵活运用叠加原理,建立一个恰当的坐标系,将运动分解的话,求解起来并不容易现建立如图(a)所示坐标系,则炮弹在x 和y 两个方向的分运动均为匀减速直线运动,其初速度分别为v0cos和v0sin,其加速度分别为gsin和gcos在此坐标系中炮弹落地时,应有y 0,则x OP如欲使炮弹垂直击中坡面,则应满足vx 0,直接列出有关运动方程和速度方程,即可求解由于本题中加速度g 为恒矢量故第一问也可由运动方程的矢量式计算,即,做出炮弹落地时的矢量图如图(B)所示,由图中所示几何关系也可求得 (即图中的r 矢量)(1)解1由分析知,炮弹在图(a)所示坐标系中两个分运动方程为 (1) (2)令y 0 求得时间t 后再代入式(1)得解2做出炮弹的运动矢量图,如图(b)所示,并利用正弦定理,有从中消去t 后也可得到同样结果(2) 由分析知,如炮弹垂直击中坡面应满足y 0 和vx 0,则 (3)由(2)(3)两式消去t 后得由此可知只要角和满足上式,炮弹就能垂直击中坡面,而与v0 的大小无关讨论如将炮弹的运动按水平和竖直两个方向分解,求解本题将会比较困难,有兴趣读者不妨自己体验一下1 -20一直立的雨伞,张开后其边缘圆周的半径为R,离地面的高度为h,(1) 当伞绕伞柄以匀角速旋转时,求证水滴沿边缘飞出后落在地面上半径为的圆周上；(2) 读者能否由此定性构想一种草坪上或农田灌溉用的旋转式洒水器的方案？分析选定伞边缘O 处的雨滴为研究对象,当伞以角速度旋转时,雨滴将以速度v 沿切线方向飞出,并作平抛运动建立如图(a)所示坐标系,列出雨滴的运动方程并考虑图中所示几何关系,即可求证由此可以想像如果让水从一个旋转的有很多小孔的喷头中飞出,从不同小孔中飞出的水滴将会落在半径不同的圆周上,为保证均匀喷洒对喷头上小孔的分布还要给予精心的考虑解(1) 如图(a)所示坐标系中,雨滴落地的运动方程为 (1) (2)由式(1)(2)可得 由图(a)所示几何关系得雨滴落地处圆周的半径为(2) 常用草坪喷水器采用如图(b)所示的球面喷头(0 45)其上有大量小孔喷头旋转时,水滴以初速度v0 从各个小孔中喷出,并作斜上抛运动,通常喷头表面基本上与草坪处在同一水平面上则以角喷射的水柱射程为为使喷头周围的草坪能被均匀喷洒,喷头上的小孔数不但很多,而且还不能均匀分布,这是喷头设计中的一个关键问题1 -21一足球运动员在正对球门前25.0 m 处以20.0 m-1 的初速率罚任意球,已知球门高为3.44 m若要在垂直于球门的竖直平面内将足球直接踢进球门,问他应在与地面成什么角度的范围内踢出足球？ (足球可视为质点) 分析被踢出后的足球,在空中作斜抛运动,其轨迹方程可由质点在竖直平面内的运动方程得到由于水平距离x 已知,球门高度又限定了在y 方向的范围,故只需将x、y 值代入即可求出解取图示坐标系Oxy,由运动方程,消去t 得轨迹方程以x 25.0 m,v 20.0 m-1 及3.44 my0 代入后,可解得71111 699227922 1889如何理解上述角度的范围？在初速一定的条件下,球击中球门底线或球门上缘都将对应有两个不同的投射倾角(如图所示)如果以7111或 18.89踢出足球,都将因射程不足而不能直接射入球门；由于球门高度的限制, 角也并非能取71.11与18.89之间的任何值当倾角取值为27.92 6992时,踢出的足球将越过门缘而离去,这时球也不能射入球门因此可取的角度范围只能是解中的结果1 -22一质点沿半径为R 的圆周按规律运动,v0 、b 都是常量(1) 求t 时刻质点的总加速度；(2) t 为何值时总加速度在数值上等于b？(3) 当加速度达到b 时,质点已沿圆周运行了多少圈？分析在自然坐标中,s 表示圆周上从某一点开始的曲线坐标由给定的运动方程s s(t),对时间t 求一阶、二阶导数,即是沿曲线运动的速度v 和加速度的切向分量a,而加速度的法向分量为anv2 /R这样,总加速度为a aeanen至于质点在t 时间内通过的路程,即为曲线坐标的改变量sst -s0因圆周长为2R,质点所转过的圈数自然可求得解(1) 质点作圆周运动的速率为其加速度的切向分量和法向分量分别为, 故加速度的大小为其方向与切线之间的夹角为(2) 要使ab,由可得(3) 从t0 开始到tv0 /b 时,质点经过的路程为因此质点运行的圈数为1 -23一半径为0.50 m 的飞轮在启动时的短时间内,其角速度与时间的平方成正比在t2.0 时测得轮缘一点的速度值为4.0 m-1求：(1) 该轮在t0.5的角速度,轮缘一点的切向加速度和总加速度；(2)该点在2.0内所转过的角度分析首先应该确定角速度的函数关系kt2依据角量与线量的关系由特定时刻的速度值可得相应的角速度,从而求出式中的比例系数k,(t)确定后,注意到运动的角量描述与线量描述的相应关系,由运动学中两类问题求解的方法(微分法和积分法),即可得到特定时刻的角加速度、切向加速度和角位移解因R v,由题意t2 得比例系数所以 则t0.5 时的角速度、角加速度和切向加速度分别为总加速度在2.0内该点所转过的角度1 -24一质点在半径为0.10 m的圆周上运动,其角位置为,式中 的单位为rad,t 的单位为(1) 求在t 2.0时质点的法向加速度和切向加速度(2) 当切向加速度的大小恰等于总加速度大小的一半时, 值为多少？(3) t 为多少时,法向加速度和切向加速度的值相等？分析掌握角量与线量、角位移方程与位矢方程的对应关系,应用运动学求解的方法即可得到解(1) 由于,则角速度在t 2 时,法向加速度和切向加速度的数值分别为(2) 当时,有,即得 此时刻的角位置为(3) 要使,则有t 0.551 -25一无风的下雨天,一列火车以v120.0 m-1 的速度匀速前进,在车内的旅客看见玻璃窗外的雨滴和垂线成75角下降求雨滴下落的速度v2 (设下降的雨滴作匀速运动)分析这是一个相对运动的问题设雨滴为研究对象,地面为静止参考系,火车为动参考系v1 为相对 的速度,v2 为雨滴相对的速度,利用相对运动速度的关系即