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1、物理学答案第五版，上册马文蔚 - 3 -1 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 以下对上述说法判断正确的选项是( ) (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 分析p 与解 在质点组中内力总是成对出现的,它们是作用力与反作用力由于一对内力的冲量恒为零,故内力不会改变质点组的总动量但由于互相有作用力的两个质点的位移大小以及位移与力的夹角一般不同,故一对内力所作功之和不一定为零,应作详细分析p ,如一对弹性
2、内力的功的代数和一般为零,一对摩擦内力的功代数和一般不为零,对于保守内力来说,所作功能使质点组动能与势能互相转换,因此保守内力即使有可能改变质点组的动能,但也不可能改变质点组的机械能综上所述(1)(3)说法是正确的应选(C) 3 -2 有两个倾角不同、高度一样、质量一样的斜面放在光滑的程度面上,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场滑下,那么( ) (A) 物块到达斜面底端时的动量相等 (B) 物块到达斜面底端时动能相等 (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程度方向上动量守恒 分析p 与解 对题述系统来说,由题意知并无外力
3、和非保守内力作功,故系统机械能守恒物体在下滑过程中,一方面通过重力作功将势能转化为动能,另一方面通过物体与斜面之间的弹性内力作功将一局部能量转化为斜面的动能,其大小取决其中一个内力所作功由于斜面倾角不同,故物体沿不同倾角斜面滑至底端时动能大小不等动量自然也就不等(动量方向也不同)故(A)(B)(C)三种说法均不正确至于说法(D)正确,是因为该系统动量虽不守恒(下滑前系统动量为零,下滑后物体与斜面动量的矢量和不可能为零由此可知,此时向上的地面支持力并不等于物体与斜面向下的重力),但在程度方向上并无外力,故系统在程度方向上分动量守恒 3 -3 对功的概念有以下几种说法： (1) 保守力作正功时,系
4、统内相应的势能增加； (2) 质点运动经一闭合途径,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 以下上述说法中判断正确的选项是( ) (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 分析p 与解 保守力作正功时,系统内相应势能应该减少由于保守力作功与途径无关,而只与始末位置有关,如质点环绕一周过程中,保守力在一段过程中作正功,在另一段过程中必然作负功,两者之和必为零至于一对作用力与反作用力分别作用于两个质点所作功之和未必为零(详见习题3 -2 分析p ),由此可见只有说
5、法(2)正确,应选(C) 3 -4 如下图,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 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程度方向相向推压A 和B,使弹簧被压缩,然后撤掉外力,那么在A和B 弹开的过程中,对A、B、C、D 以及弹簧组成的系统,有( ) (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 分析p 与解 由题意知,作用在题述系统上的合外力为零,故系统动量守恒,但机械能未必守恒
6、,这取决于在A、B 弹开过程中C 与A 或D 与B 之间有无相对滑动,如有那么必然会因摩擦内力作功,而使一局部机械能转化为热能,应选(D) 3 -5 如下图,子弹射入放在程度光滑地面上静止的木块后而穿出以地面为参考系,以下说法中正确的说法是( ) (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制木块阻力所作的功 (D) 子弹克制木块阻力所作的功等于这一过程中产生的热 分析p 与解 子弹-木块系统在子弹射入过程中,作用于系统的合外力为零,故系统动量守恒,但机械能并不守恒这是因为子弹与木块作用的一对内力所作功的代数和不为零(这是因为子弹
7、对地位移大于木块对地位移所致),子弹动能的减少等于子弹克制阻力所作功,子弹减少的动能中,一局部通过其反作用力对木块作正功而转移为木块的动能,另一局部那么转化为热能(大小就等于这一对内力所作功的代数和)综上所述,只有说法(C)的表述是完全正确的 3 -6 一架以3.0 102 m-1 的速率程度飞行的飞机,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)根据此题的计算结果,你对于高速运动的物体(如飞机、汽车)与通常情况下缺乏以引起危害的物
8、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p 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假如考虑力的时间累积效果,运用动量定理来分析p ,就可防止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,使计算也难以进展；这时,可将问题转化为讨论鸟的状态变化来分析p 其受力情况,并根据鸟与飞机作用的互相性(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 F?t?mv?0此代入上式可得 式中F为飞机对鸟的平均冲力,而身长为20cm
9、的飞鸟与飞机碰撞时间约为t l /v,以mv2F-?2.55?105N l鸟对飞机的平均冲力为 F-F-?2.55?105N 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,此冲力是相当大的假设飞鸟与发动机叶片相碰,足以使发动机损坏,造成飞行事故 3 -7 质量为m 的物体,由程度面上点O 以初速为v0 抛出,v0与程度面成仰角假设不计空气阻力,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程度面的过程中,重力的冲量 分析p 重力是恒力,因此,求其在一段时间内的冲量时
10、,只需求出时间间隔即可由抛体运动规律可知,物体到达最高点的时间t1?v0sin,物体从出发到落回至同一程度面所需的时g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 t1?那么物体落回地面的时间为 v0sin gt2?2t1?v0sin g于是,在相应的过程中重力的冲量分别为 I1-Fdt-mgt1j-mv0sinj t1I2-Fdt-mgt2j-2mv0sinj t2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 I1?mvAyj?mv0yj-mv0sinj
11、I2?mvByj?mv0yj-2mv0sinj 3 -8 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) 在开场2 内此力的冲量；(2) 假设冲量I 300 Ns,此力作用的时间；(3) 假设物体的初速度v1 10 ms-1 ,方向与Fx 一样,在t6.86s时,此物体的速度v2 分析p 此题可由冲量的定义式I?速度v2 解 (1) 由分析p 知 2I-?30?4t?dt?30t?2t20?68N?s 02t2?t1Fdt,求变力的冲量,继而根据动量定理求物体的(2) 由I 300 30t 2t2 ,解此方程可得 t 686 s(另
12、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 Ns ,将I、m 及v1代入可得 v2?I?mv1?40m?s?1 m 3 -9 高空作业时系平安带是非常必要的假设一质量为51.0 kg 的人,在操作时不慎从高空竖直跌落下来,由于平安带的保护,最终使他被悬挂起来此时人离原处的间隔 为2.0 m ,平安带弹性缓冲作用时间为0.50 s 求平安带对人的平均冲力 分析p 从人受力的情况来看,可分两个阶段：在开场下落的过程中,只受重力作用,人体可看成是作自由落体运动；在平安带保护的缓冲过程中,那么人体同时受重力和平安带冲力的作用,其合力
13、是一变力,且作用时间很短为求平安带的冲力,可以从缓冲时间内,人体运动状态(动量)的改变来分析p ,即运用动量定理来讨论事实上,动量定理也可应用于整个过程但是,这时必须分清重力和平安带冲力作用的时间是不同的；而在过程的初态和末态,人体的速度均为零这样,运用动量定理仍可得到一样的结果 解1 以人为研究对象,按分析p 中的两个阶段进展讨论在自由落体运动过程中,人跌落至2 m 处时的速度为 v1?2gh (1) 在缓冲过程中,人受重力和平安带冲力的作用,根据动量定理,有 ?F?P?t?mv2?mv1 (2) 由式(1)、(2)可得平安带对人的平均冲力大小为 F?mg?2gh?mv-mg-1.14?10
14、3N tt解2 从整个过程来讨论根据动量定理有 F?mg2h/g?mg?1.14?103N t3 -10 质量为m 的小球,在合外力F -kx 作用下运动,x Acost,其中k、A 均为正常量,求在t 0 到t? 时间内小球动量的增量 2分析p 由冲量定义求得力F 的冲量后,根据动量原理,即为动量增量,注意用式分前,应先将式中x 用x Acost代之,方能积分 解 力F 的冲量为 t2t2/2?t2t1Fdt积I-Fdt-?kxdt-?t1t10kAcostdt-kA 即 ?mv-?kA 3 -11 如下图,在程度地面上,有一横截面S 0.20 m2 的直角弯管,管中有流速为v 3.0 m-
15、1 的水通过,求弯管所受力的大小和方向 分析p 对于弯曲局部AB 段内的水而言,由于流速一定,在时间t 内,从其一端流入的水量等于从另一端流出的水量因此,对这局部水来说,在时间t 内动量的增量也就是流入与流出水的动量的增量pm(vB -vA )；此动量的变化是管壁在t时间内对其作用冲量I 的结果根据动量定理可求得该段水受到管壁的冲力F；由牛顿第三定律,自然就得到水流对管壁的作用力F-F 解 在t 时间内,从管一端流入(或流出) 水的质量为m St,弯曲局部AB 的水的动量的增量那么为 pm(vB -vA ) St (vB -vA ) 根据动量定理I p,得到管壁对这局部水的平均冲力 第 页 共 页
