第二章习题

发布 2022-07-15 04:59:28 阅读 4445

2.5 已知质点沿x轴的运动方程x = f ( t) ,怎样求其位移和路程? 现有一质点按x = 3 t 2 - t 3 m 的规律运动。试求:

1) 画出x—t 图; (2) 最初4s 内的位移; (3) 最初4s 内的路程。

分析与解答] 在直线运动中,当确定了坐标x的正方向后,位移可由始、末两点的坐标之差来计算,即,其数值只与始末位置有关,并且可以是正值(位移与x轴正方向相同),也可以是负值(位移方向与x轴正方向相反);而路程是质点所走过路径的长度,它不仅与始末位置有关,而且与实际路径有关,并且总是正值。一般来说只有在单向直线运动中(无反向点)两者数值相同,但在有反向的直线运动中,两者数值就不相同了。

各时刻的数值如表所示。

2)最初4s是指从t=0到t=4s的时间间隔,其位移为。

式中负号表示位移的方向与x轴正方向相反。若写成矢量式为。

3)求路程时,应首先看有无速度反向点,若有,应求出速度反向的时刻和位置。

由 令v=0,得t=2s,此时刻 v=0,a=-12,即为反向点。此时的位置。

则最初4s内的路程

由以上计算表明:位移与路程是两个不同的概念。

2.11 一质点在xoy 平面上运动,运动方程为x = 5 t + 3 ,

式中t 以s 计,x、y 以m 计。

1) 以时间t为变量, 写出质点位置矢量的表示式;

2) 描画质点的运动轨迹;

3) 求出t = 1s 时刻和t = 2s 时刻的位置矢量和这段时间内质点的位移;

4) 求出质点速度的分量表示式, 计算t = 4s 时质点速度的大小和方向;

5) 求出质点加速度的分量表示式,计算t=4s 时质点加速度的大小和方向。

分析与解答] (1)m

2)轨迹方程为

3)m; m;m

则t=4s时,

则t=4s时,(沿y轴正方向)

2.16 一张cd光盘音轨区域的内半径= 2.2cm,外半径为= 5.

6cm,径向音轨密度为n= 650条/mm。在cd 唱机内,光盘每转一圈,激光头沿径向向外移动(扫描)一条音轨,激光束相对于光盘是以v =1.3m/s 的恒定速率运动的。

试问:1) 这张光盘的全部放音时间是多少?

2) 当激光束到达离盘心r = 5cm 处时, 光盘转动的角速度和角加速度各是多少?

分析与解答] (1)光盘上的音轨是一条间距很小的螺旋线(即阿基米德螺线)。为此,求其总长度时,可先求距光盘中心为r,宽度为dr内的音轨长度dl,即

激光束扫过dl所需时间dt为

故光盘的全部放音时间t为。

2)由得r=5.0cm处的为。

2.18 一水手在静水中能以v = 1.10m/s 的速度划船前进。今欲横渡一条宽为1000m, 水流速度u = 0.55m/s 的长江河段。试问:

1) 他若要从出发点a 横渡, 并到达正对岸的b 点, 他应如何确定划行方向? 到达正对岸需要多少时间?

2) 在划速不变的情况下, 如果希望用最短的时间过江, 他应如何确定划行方向? 船到达对岸的位置在何处?

分析与解答](1)根据题设条件,选船为研究对象(物),岸为静止参考系s,水为动参考系。 船对岸的绝对速度船为,水对岸的牵连速度为u,则船对水的相对速度应满足。

要使船能到达正对岸的b点,则必须使的方向垂直于对岸(即沿a-b的方向),于是,船的滑行方向就必须沿与v成角的方向才行。即。

船到达b点所需的时间为。

2)要使船过江所用的时间最短,在划速v不变的情况下,必须使有最大值。显然,此时[图2.18(b)所示]。则船过江的最短时间为。

设船到达下游的c点[如图2.18(b)],则m

2.23 已知质点在xoy 平面上的运动方程为, 试求:

1) 质点的运动轨迹; (2) t 时刻的速度v ; 3) t 时刻的加速度a。

分析与解答](1)已知

则,质点的运动轨迹为半径r=1的圆周。

2.24 质点沿x 轴正向运动, 加速度与速度成正比, 且方向相反, 即a = kv, k为常量, 设t = 0 时, ,试求:

1) 质点的速度v( t) ,并加以讨论; (2) 质点的运动方程x( t)。

分析与解答](1)质点作直线运动时

得。积分并代入上、下限后得整理得

由上式可知:速度v随时间t按指数规律衰减,即质点沿x轴正向作变减速运动。

2)由 得积分并整理得

由上式可知,质点运动的最远位置为。

2.25 质点在x 方向运动, 已知速度v = 8 + si ) 当t = 8 s 时, 质点在原点左边52m 处。试求:

( 1) 质点的加速度和运动方程;( 2) 初速度和初位置;( 3) 分析质点的运动性质。

分析与解答](1)加速度。由。得。

积分得。运动方程为。

2)当t=0时,

3)在t>0时,故质点从原点左侧628m处,以初速度,沿x轴正方向(向右)作变加速运动。

第三章习题。

3. 10 在一只半径为r 的半球形碗内, 有一粒质量为m 的小钢球, 沿碗的内壁作匀速圆周运动。试求: 当小钢球的角速度为ω时, 它距碗底的高度h 为多少?

分析与解答] 取小球为隔离体,受重力和支承力(如图??)其中,沿x轴方向的分力提供小球作圆周运动的向心力。有。

且。解得。

可见,h随ω的增大而增大。

3. 13质量为m 的物体在黏性介质中由静止开始下落, 介质阻力与速度成正比, 即= βv,β为常量。试。

1) 写出物体的牛顿运动方程。( 2) 求速度随时间的变化关系。

3) 其最大下落速度为多少? (4) 分析物体全程的运动情况。

分析与解答] (1)物体受向下的重力mg和向上的阻力f,则牛顿运动方程为。

2)由。分离变量并积分

得。整理后得。

3)当时,有最大下落速度

4)由。有。

得。物体由静止开始向下作加速运动,并逐渐趋近于最大速度为,此后趋于做匀速运动,物体在任意时刻开起点的距离由上式表示。

3.15质量为m的小球从点a由静止出发,沿半径为r的光滑圆轨道运动到点c(见图),求此时小球的角速度和小球对圆轨道的作用力。

分析与解答] 取小球为隔离体,受力情况如图。取自然坐标系,由牛顿运动定律分别列出切向和法向运动方程为。

由于,代入式①并分离变量后积分。

得。则小球在c点的角速度为

将式③代入式②,得。

其反作用力即为小球对轨道的作用力。

3.16 如图所示,在密度为的液体上方有一悬挂的长为l,密度为的均匀直棒,棒的下方恰与液面接触。今剪断挂线,棒在重力p和浮力f 作用下竖直下沉, 若》 ,求棒下落过程中的最大速度。

[分析与解答] 按题设条件,剪断细线后,杆在下沉过程只受重力和浮力的作用(不计液体的黏滞阻力),随着杆往下沉,浮力逐渐增大,当重力和浮力相等时,杆下沉的加速度a=0,此时速度最大。

取x坐标如图,根据牛顿第二定律,有。

式中,,浮力,故式①可写成。

对式②分离变量并积分,有。

得。设杆的速度最大时,杆进入液体的长度为x=l,则式 ③中的v即为最大速度。此时mg=f,即。

得。将式④代入式③,得杆的最大速度为

第二章习题

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