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1、大 学 物 理 学(上册)习题解答师大学物理学与信息技术学院基础物理教学组2006-6-26第2章 运动学21 一质点作直线运动,其运动方程为 , x以m计,t以s计。试求:(1)质点从t = 0到t = 3 s时间的位移;(2)质点在t = 0到t = 3 s时间所通过的路程解 (1)t = 0时,x0 = 2 ;t =3时,x3 = 1;所以, (2)本题需注意在题设时间运动方向发生了变化。对x求极值,并令 可得t = 1s ,即质点在t = 0到t = 1s沿x正向运动,然后反向运动。分段计算 , 路程为 22 已知质点沿x轴作直线运动,其运动方程为。试求:(1)质点在最初4s位移;(2
2、)质点在最初4s时间所通过的路程解 (1)t = 0时,x0 = 2 ;t = 4时,x4 = 30所以,质点在最初4s位移的大小 (2)由 可求得在运动中质点改变运动方向的时刻为 t1 = 2 s , t2 = 0 (舍去)则 ,所以,质点在最初4 s时间间隔的路程为 23 在星际空间飞行的一枚火箭,当它以恒定速率燃烧它的燃料时,其运动方程可表示为 ,其中是喷出气流相对于火箭体的喷射速度, 是与燃烧速率成正比的一个常量。试求:(1)t = 0时刻,此火箭的速度和加速度;(2)t = 120 s时,此火箭的速度和加速度解 ;(1)t = 0时, v = 0 ,(2)t = 120s时, vxl
3、v0h24 如图所示,湖中有一只小船,岸上有人用绳跨过定滑轮拉船靠岸。设滑轮距水面高度为h ,t = 0时,船与滑轮间的绳长为l0 。试求:当人以匀速v0拉绳时,船在距岸边x处的速度和加速度。解 (1) 设任意时刻 t ,绳长为l,由题意;船到岸边的水平距离为x ,则 小船的运动速度为 负号表示小船在水面上向岸靠近。小船的运动速度为 负号表示加速度的方向指向岸边,小船在水面上加速靠岸。25 一升降机以加速度上升,当上升速度为时,有一螺丝从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)螺丝从升降机的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
4、.解 (1)以地面为参考系,取Oy坐标轴向上 ,升降机的运动方程为 螺丝的运动方程为 当螺丝落至底面时,有 y1 = y2 ,即 所以 (2)螺丝相对升降机外固定柱子下降的距离为 26 已知一质点的运动方程为 (SI)。试求:(1)质点的运动轨迹;(2)t = 1s和t = 2 s时刻,质点的位置矢量;(3)1s末和2 s末质点的速度;(4)质点的加速度。解 (1)质点在x 、y方向运动方程的分量形式为 x = 2t , y = 2t 2消去时间t , 可得 其运动轨迹为一抛物线(2)时 ;时 (3)质点运动的速度 v 时 v1即 ,(q1为v1与x 轴的夹角) 时 v2即 ,(q2为v2与x
5、 轴的夹角)(4)质点运动的加速度 27 一质点在Oxy平面上运动,其运动方程为 试求:(1)质点的轨迹方程;(2)质点的速度、加速度。解 (1) 质点运动方程的分量式为,消去时间参数t,可得运动的轨迹方程 (2)速度 v加速度 28 一质点在Oxy平面上运动,其运动方程为试求质点在5s时的速度和加速度 。解 速度 v加速度 t = 5 s时的速度为 加速度 29 一质点从坐标原点开始沿抛物线 y = 0.5 x2 运动,它在Ox轴上分速度为一恒量,试求:(1)质点的运动方程;(2)质点位于x = 2 m处的速度和加速度 。解 (1)因为常数,故ax = 0 。当t = 0时,x = 0 ,可
6、得质点在x方向的运动方程为 又由质点的抛物线方程,有 所以 (2)任意时刻 ; 由和x = 2,可得 t = 0.5 s所以,当质点位于x = 2.0 m时,其速度 ,加速度 210 一汽艇以速率沿直线行驶。发动机关闭后,汽艇因受到阻力而具有与速度v 成正比且方向相反的加速度,其中k为常数。试求发动机关闭后,(1)任意时刻t汽艇的速度;(2)汽艇能滑行的距离。解 本题注意根据已知条件在计算过程中进行适当的变量变换。(1)由 , 得 (2)因为 , 所以 发动机关闭后汽艇能滑行的距离为 211 一物体沿x轴作直线运动,其加速度为,k是常数。在t = 0时,。试求(1)速率随坐标变化的规律;(2)
7、坐标和速率随时间变化的规律。解 本题注意变量变换。(1)因为 ; 所以 (2)因为 , 可得 又因为 , 所以 212 一质点沿 x 轴作直线运动,其速度大小,(SI制)。质点的初始位置在 x 轴正方向10 m处,试求:(1)时,质点的加速度;(2)质点的运动方程;(3)第二秒的平均速度。解 根据题意可知,时, ,(1)质点的加速度 时, (2) 由 两边积分 因此,质点的运动方程为 (3)第二秒的平均速度为 213 质点作圆周运动,轨道半径r = 0.2 m,以角量表示的运动方程为 (SI)。试求:(1)第3s末的角速度和角加速度;(2)第3s 末的切向加速度和法向加速度的大小。解 (1)因
8、为 故 , 以t = 3s代入, ,(2) , 214 一质点在半径为r = 0.10m的圆周上运动,其角位置为。(1)在 t = 2.0s时,质点的法向加速度和切向加速度各为多少?(2)t为多少时,法向加速度和切向加速度的量值相等?解 (1)由于,则 ,法向加速度 切向加速度 t = 2.0s时, (2)要使,则有 所以 t = 0.55 s215 一汽车发动机曲轴的转速,在12 s由20 r/s均匀地增加到45 r/s 。试求:(1)发动机曲轴转动的角加速度;(2)在这段时间,曲轴转过的圈数。解 (1)由于角速度(n为单位时间的转数),根据角加速度的定义,在匀速转动中角加速度为 (2)发动
9、机曲轴转过的角度为 在12 s曲轴转过的圈数为 圈216 某种电机启动后转速随时间变化的关系为,式中。求:(1) t = 6 s时的转速;(2) 角加速度随时间变化的规律;(3) 启动后6 s转过的圈数。解 (1)根据题意,将t = 6 s代入,即得 (2)角加速度随时间变化的规律为 (3)t = 6 s时转过的角度为 则t = 6 s时电动机转过的圈数 圈217 半径为r = 0.50m的飞轮在启动时的短时间,其角速度与时间的平方成正比,在t = 2 s时,测得轮缘上一点的速度值为。求:(1)该轮在t = 0.5s的角速度,轮缘上一点的切向加速度和总加速度;(2)该点在2s所转过的角度。解
10、由题意 ,因R = v ,可得比例系数 所以 (1) 则t= 0.5s时,角速度为 角加速度 切向加速度 总加速度 (2) 在2 s该点所转过的角度 218 一质点在水平面以顺时针方向沿半径为2 m 的圆形轨道运动。已知质点的角速度与时间的平方成正比,即(SI制)。式中k为常数。已知质点在第2 s末的速度为32 m /s 。试求t = 0.5 s时质点的速度和加速度。解 首先确定常数k 。已知t = 2 s时,v = 32 m/s , 则有 故 ,当t 0.5 s , , ,219 由山顶上以初速度v0水平抛出一小球,若取山顶为坐标原点,沿v0方向为x 轴正方向,竖直向下为 y 轴正方向,从小
11、球抛出瞬间开始计时。试求:(1)小球的轨迹方程;(2)在t 时刻,小球的切向加速度和法向加速度。解 (1)小球在x轴作匀速直线运动 , y轴上作自由落体 上述两方程联立消t,可得小球的轨迹方程 (2) , t时刻,小球的速率 t时刻,小球的切向加速度 因为 ,所以,法向加速度 220 已知声音在空气中传播的速率为344 m/s 。当正西方向的风速为30 m/s时,声音相对于地面向东、向西和向北传播的速率各是多大? 解 , 向东传播的声音的速率 向西传播的声音的速率 向北传播的声音的速率 221 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A、B间的距离为l,空气相对地面的速率为u,
12、飞机相对空气的速率v 保持不变。试证:(1)假定空气是静止的(即u0),飞机往返飞行时间为;(2)假定空气的速度方向向东,飞机往返飞行时间为;(3)假定空气的速度方向向北,飞机往返飞行的时间为。试证:由速度关系 v = u + v (1)u0时,飞机往返飞行时间为 (2)空气相对地面的速度为u向东,从A B 所需时间为从B A 所需时间为所以,飞机往返飞行时间为 (3)空气相对地面的速度为u向北,如图221所示,vvu( a )Avvu( b )B习题 221从A B,飞机相对地面的速度为;从B A飞机相对地面的速度的大小与从A B等值,但方向相反。所以,飞机往返飞行的时间为第3章 牛顿定律及其在随机性3-1 一木块能在与水平面成q 角的斜面上匀速下滑。若使它以速率v0沿此斜面向上滑动,试证明它能沿该斜面向上滑动的距离为 v02/(4gsin)。上滑fmgN下滑fmgN解 选定木块为研究对象,取沿斜面向上为x轴正向, 下滑 (1)上滑 (2)由式(2)知,加速度为一常量,有 (3)解上述方程组,可得木块能上滑的距离 3-2 在一水平直路上,一辆车速的汽车的刹车距离为s = 35 m 。如果路面相同,只是有1:10的下降斜度,这辆汽车的刹