物理學(xué)教程(第二版)上冊(cè)課后答案

1、第一章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)1 -1質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動(dòng),在時(shí)刻t 質(zhì)點(diǎn)的位矢為r,速度為v ,速率為v,t 至(t t)時(shí)間內(nèi)的位移為r, 路程為s, 位矢大小的變化量為r ( 或稱r),平均速度為,平均速率為(1) 根據(jù)上述情況,則必有()(A) r= s = r(B) r s r,當(dāng)t0 時(shí)有dr= ds dr(C) r r s,當(dāng)t0 時(shí)有dr= dr ds(D) r s r,當(dāng)t0 時(shí)有dr= dr = ds(2) 根據(jù)上述情況,則必有()(A) = ,= (B) , (C) = , (D) ,= 分析與解(1) 質(zhì)點(diǎn)在t 至(t t)時(shí)間內(nèi)沿曲線從P 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn),各量關(guān)系如圖所示, 其中路程s P

2、P, 位移大小rPP,而r r-r表示質(zhì)點(diǎn)位矢大小的變化量,三個(gè)量的物理含義不同,在曲線運(yùn)動(dòng)中大小也不相等(注：在直線運(yùn)動(dòng)中有相等的可能)但當(dāng)t0 時(shí),點(diǎn)P無限趨近P點(diǎn),則有drds,但卻不等于dr故選(B)(2) 由于r s,故,即但由于drds,故,即由此可見,應(yīng)選(C)1 -2一運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在某瞬時(shí)位于位矢r(x,y)的端點(diǎn)處,對(duì)其速度的大小有四種意見,即(1)；(2)；(3)；(4)下述判斷正確的是()(A) 只有(1)(2)正確 (B) 只有(2)正確(C) 只有(2)(3)正確 (D) 只有(3)(4)正確分析與解表示質(zhì)點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離隨時(shí)間的變化率,在極坐標(biāo)系中叫徑向速率通常用符號(hào)

3、vr表示,這是速度矢量在位矢方向上的一個(gè)分量；表示速度矢量；在自然坐標(biāo)系中速度大小可用公式計(jì)算,在直角坐標(biāo)系中則可由公式求解故選(D)1 -3質(zhì)點(diǎn)作曲線運(yùn)動(dòng),r 表示位置矢量, v表示速度,a表示加速度,s 表示路程, a表示切向加速度對(duì)下列表達(dá)式,即(1)d v /dt ；(2)dr/dt v；(3)ds/dt v；(4)d v /dta下述判斷正確的是()(A) 只有(1)、(4)是對(duì)的 (B) 只有(2)、(4)是對(duì)的(C) 只有(2)是對(duì)的 (D) 只有(3)是對(duì)的分析與解表示切向加速度a,它表示速度大小隨時(shí)間的變化率,是加速度矢量沿速度方向的一個(gè)分量,起改變速度大小的作用；在極坐標(biāo)系

4、中表示徑向速率vr(如題1 -2 所述)；在自然坐標(biāo)系中表示質(zhì)點(diǎn)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) 式表達(dá)是正確的故選(D)1 -4一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),則有()(A) 切向加速度一定改變,法向加速度也改變(B) 切向加速度可能不變,法向加速度一定改變(C) 切向加速度可能不變,法向加速度不變(D) 切向加速度一定改變,法向加速度不變分析與解加速度的切向分量a起改變速度大小的作用,而法向分量an起改變速度方向的作用質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),由于速度方向不斷改變,相應(yīng)法向加速度的方向也在不斷改變,因而法向加速度是一定改變的至于a是否改變,則要視質(zhì)點(diǎn)的速率情況而定質(zhì)點(diǎn)作勻速率圓

5、周運(yùn)動(dòng)時(shí), a恒為零；質(zhì)點(diǎn)作勻變速率圓周運(yùn)動(dòng)時(shí), a為一不為零的恒量,當(dāng)a改變時(shí),質(zhì)點(diǎn)則作一般的變速率圓周運(yùn)動(dòng)由此可見,應(yīng)選(B) 1 -5已知質(zhì)點(diǎn)沿x 軸作直線運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方程為,式中x 的單位為m,t 的單位為 s求：(1) 質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)開始后4.0 s內(nèi)的位移的大??；(2) 質(zhì)點(diǎn)在該時(shí)間內(nèi)所通過的路程；(3) t4 s時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度分析位移和路程是兩個(gè)完全不同的概念只有當(dāng)質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)方向不改變時(shí),位移的大小才會(huì)與路程相等質(zhì)點(diǎn)在t 時(shí)間內(nèi)的位移x 的大小可直接由運(yùn)動(dòng)方程得到：,而在求路程時(shí),就必須注意到質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中可能改變運(yùn)動(dòng)方向,此時(shí),位移的大小和路程就不同了為此,需根據(jù)

6、來確定其運(yùn)動(dòng)方向改變的時(shí)刻tp ,求出0tp 和tpt 內(nèi)的位移大小x1 、x2 ,則t 時(shí)間內(nèi)的路程,如圖所示,至于t 4.0 s 時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度和加速度可用和兩式計(jì)算題 1-5 圖解(1) 質(zhì)點(diǎn)在4.0 s內(nèi)位移的大小 (2) 由 得知質(zhì)點(diǎn)的換向時(shí)刻為 (t0不合題意)則所以,質(zhì)點(diǎn)在4.0 s時(shí)間間隔內(nèi)的路程為 (3) t4.0 s時(shí)1 -6已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為,式中r 的單位為m,t 的單位為求：(1) 質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；(2) t 0 及t 2時(shí),質(zhì)點(diǎn)的位矢；(3) 由t 0 到t 2內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位移r 和徑向增量r； 分析質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程為y f(x),可由運(yùn)動(dòng)方程的兩個(gè)分量式x(t)和y(t)

7、中消去t 即可得到對(duì)于r、r、r、s 來說,物理含義不同,(詳見題1-1分析).解(1) 由x(t)和y(t)中消去t 后得質(zhì)點(diǎn)軌跡方程為這是一個(gè)拋物線方程,軌跡如圖(a)所示(2) 將t 0和t 2分別代入運(yùn)動(dòng)方程,可得相應(yīng)位矢分別為 , 圖(a)中的P、Q 兩點(diǎn),即為t 0和t 2時(shí)質(zhì)點(diǎn)所在位置(3) 由位移表達(dá)式,得其中位移大小而徑向增量題 1-6 圖1 -7質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為式中x,y 的單位為m,t 的單位為試求：(1) 初速度的大小和方向；(2) 加速度的大小和方向分析由運(yùn)動(dòng)方程的分量式可分別求出速度、加速度的分量,再由運(yùn)動(dòng)合成算出速度和加速度的大小和方向解(1) 速度的分量式為當(dāng)t

8、 0 時(shí), v0x -10 m·-1 , v0y 15 m·-1 ,則初速度大小為設(shè)v0與x 軸的夾角為,則123°41(2) 加速度的分量式為 , 則加速度的大小為設(shè)a 與x 軸的夾角為,則-33°41(或326°19)1 -8一升降機(jī)以加速度1.22 m·-2上升,當(dāng)上升速度為2.44 m·-1時(shí),有一螺絲自升降機(jī)的天花板上松脫,天花板與升降機(jī)的底面相距2.74 m計(jì)算：(1)螺絲從天花板落到底面所需要的時(shí)間；(2)螺絲相對(duì)升降機(jī)外固定柱子的下降距離分析在升降機(jī)與螺絲之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下,一種處理方法是取地面為參考系,

9、分別討論升降機(jī)豎直向上的勻加速度運(yùn)動(dòng)和初速不為零的螺絲的自由落體運(yùn)動(dòng),列出這兩種運(yùn)動(dòng)在同一坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程y1 y1(t)和y2 y2(t),并考慮它們相遇,即位矢相同這一條件,問題即可解；另一種方法是取升降機(jī)(或螺絲)為參考系,這時(shí),螺絲(或升降機(jī))相對(duì)它作勻加速運(yùn)動(dòng),但是,此加速度應(yīng)該是相對(duì)加速度升降機(jī)廂的高度就是螺絲(或升降機(jī))運(yùn)動(dòng)的路程解1(1) 以地面為參考系,取如圖所示的坐標(biāo)系,升降機(jī)與螺絲的運(yùn)動(dòng)方程分別為當(dāng)螺絲落至底面時(shí),有y1 y2 ,即 (2) 螺絲相對(duì)升降機(jī)外固定柱子下降的距離為解2(1)以升降機(jī)為參考系,此時(shí),螺絲相對(duì)它的加速度大小ag a,螺絲落至底面時(shí),有(2) 由

10、于升降機(jī)在t 時(shí)間內(nèi)上升的高度為則 題 1-8 圖1 -9質(zhì)點(diǎn)沿直線運(yùn)動(dòng),加速度a4 -t2 ,式中a的單位為m·-2 ,t的單位為如果當(dāng)t 3時(shí),x9 m,v 2 m·-1 ,求質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程分析本題屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)第二類問題,即已知加速度求速度和運(yùn)動(dòng)方程,必須在給定條件下用積分方法解決由和可得和如aa(t)或v v(t),則可兩邊直接積分如果a 或v不是時(shí)間t 的顯函數(shù),則應(yīng)經(jīng)過諸如分離變量或變量代換等數(shù)學(xué)操作后再做積分解由分析知,應(yīng)有得 (1)由 得 (2)將t3時(shí),x9 m,v2 m·-1代入(1)、(2)得v0-1 m·-1, x00.75 m于是可

11、得質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為1 -10一石子從空中由靜止下落,由于空氣阻力,石子并非作自由落體運(yùn)動(dòng),現(xiàn)測(cè)得其加速度aA -Bv,式中A、B 為正恒量,求石子下落的速度和運(yùn)動(dòng)方程分析本題亦屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)第二類問題,與上題不同之處在于加速度是速度v的函數(shù),因此,需將式dv a(v)dt 分離變量為后再兩邊積分解選取石子下落方向?yàn)閥 軸正向,下落起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(1) 由題意知 (1)用分離變量法把式(1)改寫為 (2)將式(2)兩邊積分并考慮初始條件,有得石子速度 由此可知當(dāng),t時(shí),為一常量,通常稱為極限速度或收尾速度(2) 再由并考慮初始條件有得石子運(yùn)動(dòng)方程1 -11一質(zhì)點(diǎn)具有恒定加速度a 6i 4j,式中a的單

12、位為m·-2 在t0時(shí),其速度為零,位置矢量r0 10 mi求：(1) 在任意時(shí)刻的速度和位置矢量；(2) 質(zhì)點(diǎn)在Oxy 平面上的軌跡方程,并畫出軌跡的示意圖題 1-11 圖分析與上兩題不同處在于質(zhì)點(diǎn)作平面曲線運(yùn)動(dòng),根據(jù)疊加原理,求解時(shí)需根據(jù)加速度的兩個(gè)分量ax 和ay分別積分,從而得到運(yùn)動(dòng)方程r的兩個(gè)分量式x(t)和y(t)由于本題中質(zhì)點(diǎn)加速度為恒矢量,故兩次積分后所得運(yùn)動(dòng)方程為固定形式,即和,兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)均為勻變速直線運(yùn)動(dòng)讀者不妨自己驗(yàn)證一下解由加速度定義式,根據(jù)初始條件t0 0時(shí)v0 0,積分可得又由及初始條件t0 時(shí),r0(10 m)i,積分可得由上述結(jié)果可得質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程的分量

13、式,即x 103t2y 2t2消去參數(shù)t,可得運(yùn)動(dòng)的軌跡方程3y 2x -20 m這是一個(gè)直線方程直線斜率,33°41軌跡如圖所示1 -12質(zhì)點(diǎn)在Oxy 平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方程為r2.0ti (19.0 -2.0t2 )j,式中r 的單位為m,t的單位為s求：(1)質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程；(2) 在t11.0s 到t2 2.0s 時(shí)間內(nèi)的平均速度；(3) t1 1.0時(shí)的速度及切向和法向加速度；(4) t 1.0s 時(shí)質(zhì)點(diǎn)所在處軌道的曲率半徑分析根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程可直接寫出其分量式x x(t)和y y(t),從中消去參數(shù)t,即得質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程平均速度是反映質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)位置的變化率,即,它與時(shí)間

14、間隔t 的大小有關(guān),當(dāng)t0 時(shí),平均速度的極限即瞬時(shí)速度切向和法向加速度是指在自然坐標(biāo)下的分矢量a 和an ,前者只反映質(zhì)點(diǎn)在切線方向速度大小的變化率,即,后者只反映質(zhì)點(diǎn)速度方向的變化,它可由總加速度a 和a 得到在求得t1 時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的速度和法向加速度的大小后,可由公式求解(1) 由參數(shù)方程x 2.0t,y t2消去t 得質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程：y 19.0 -0.50x2 (2) 在t1 1.00 到t2 2.0時(shí)間內(nèi)的平均速度(3) 質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的速度和加速度分別為則t1 1.00時(shí)的速度v(t)t 12.0i -4.0j切向和法向加速度分別為(4) t 1.0質(zhì)點(diǎn)的速度大小為則1 -13飛機(jī)以

15、100 m·-1 的速度沿水平直線飛行,在離地面高為100 m時(shí),駕駛員要把物品空投到前方某一地面目標(biāo)處,問：(1) 此時(shí)目標(biāo)在飛機(jī)正下方位置的前面多遠(yuǎn)？ (2) 投放物品時(shí),駕駛員看目標(biāo)的視線和水平線成何角度？(3) 物品投出2.0后,它的法向加速度和切向加速度各為多少？題 1-13 圖分析物品空投后作平拋運(yùn)動(dòng)忽略空氣阻力的條件下,由運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性原理知,物品在空中沿水平方向作勻速直線運(yùn)動(dòng),在豎直方向作自由落體運(yùn)動(dòng)到達(dá)地面目標(biāo)時(shí),兩方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)間是相同的因此,分別列出其運(yùn)動(dòng)方程,運(yùn)用時(shí)間相等的條件,即可求解此外,平拋物體在運(yùn)動(dòng)過程中只存在豎直向下的重力加速度為求特定時(shí)刻t時(shí)物體的切向加

16、速度和法向加速度,只需求出該時(shí)刻它們與重力加速度之間的夾角或由圖可知,在特定時(shí)刻t,物體的切向加速度和水平線之間的夾角,可由此時(shí)刻的兩速度分量vx 、vy求出,這樣,也就可將重力加速度g 的切向和法向分量求得解(1) 取如圖所示的坐標(biāo),物品下落時(shí)在水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)方程分別為x vt,y 1/2 gt2飛機(jī)水平飛行速度v100 m·s-1 ,飛機(jī)離地面的高度y100 m,由上述兩式可得目標(biāo)在飛機(jī)正下方前的距離(2) 視線和水平線的夾角為(3) 在任意時(shí)刻物品的速度與水平軸的夾角為取自然坐標(biāo),物品在拋出2s 時(shí),重力加速度的切向分量與法向分量分別為1 -14為迎接香港回歸，特技演員柯

17、受良在1997年6月1日駕車飛越黃河壺口，如圖所示，柯駕車從跑道東端啟動(dòng)，到達(dá)跑道終端時(shí)速度大小為 ，他隨即以仰角沖出，飛越跨度達(dá)57 m，安全著陸在西岸木橋上，求：題 1-14 圖（1） 柯飛車跨越黃河用了多長(zhǎng)時(shí)間？（2） 若起飛點(diǎn)高出河面10 m，柯駕車飛行的最高點(diǎn)距河面為幾米？（3） 西岸木橋和起飛點(diǎn)的高度差為多少？分析 由題意知，飛車作斜上拋運(yùn)動(dòng)，對(duì)包含拋體在內(nèi)的一般曲線運(yùn)動(dòng)來說，運(yùn)用疊加原理是求解此類問題的普適方法，操作程序是：建立一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹苯亲鴺?biāo)系，將運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)相互正交的直線運(yùn)動(dòng)，由于在拋體運(yùn)動(dòng)中，質(zhì)點(diǎn)的加速度恒為g，故兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)均為勻變速直線運(yùn)動(dòng)或其中一個(gè)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，直

18、接列出相關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程即可求解，本題可建立圖示坐標(biāo)系，圖中分別表示飛車的最大高度和飛躍跨度.解 在圖示坐標(biāo)系中，有 （1） （2） （3） (1) 由式（1），令 m，得飛躍時(shí)間 s（2）由式（3），令，得飛行到最大高度所需時(shí)間將代入式（2），得飛行最大高度m則飛車在最高點(diǎn)時(shí)距河面距離為 m m（3）將 s 代入式（2），得西岸木橋位置為 y = - 4.22 m“-”號(hào)表示木橋在飛車起飛點(diǎn)的下方.討論 本題也可以水面為坐標(biāo)系原點(diǎn)，則飛車在 y方向上的運(yùn)動(dòng)方程應(yīng)為 m + 1 -15如圖所示，從山坡底端將小球拋出，已知該山坡有恒定傾角，球的拋射角，設(shè)球被拋出時(shí)的速率v0 19.6 m·

19、;-1，忽略空氣阻力，問球落在山坡上處離山坡底端的距離為多少？此過程經(jīng)歷多長(zhǎng)時(shí)間？題 1-15 圖分析 求解方法與上題類似，但本題可將運(yùn)動(dòng)按兩種方式分解，如圖（a）和圖（b）所示.在圖（a）坐標(biāo)系中，兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)均為勻減速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小分別為-g 和-g ，看似復(fù)雜，但求解本題確較方便，因?yàn)槁涞貢r(shí)有y=0,對(duì)應(yīng)的時(shí)間t和x的值即為本題所求.在圖（b）坐標(biāo)系中，分運(yùn)動(dòng)看似簡(jiǎn)單，但求解本題還需將落地點(diǎn)P的坐標(biāo)y與x的關(guān)系列出來.解 1 由分析知，在圖（a）坐標(biāo)系中，有 （1） （2）落地時(shí)，有y=0，由式（2）解得飛行時(shí)間為s將 t 值代入式（1），得m解 2 由分析知，在圖（b）坐標(biāo)系中，對(duì)

20、小球 （1） （2）對(duì)點(diǎn)P （3）由式（1）、（2）可得球的軌道方程為 （4）落地時(shí)，應(yīng)有，即解之得落地點(diǎn)P的x坐標(biāo)為 （5）則 m聯(lián)解式（1）和式（5）可得飛行時(shí)間 s討論 比較兩種解法，你對(duì)如何靈活運(yùn)用疊加原理有什么體會(huì)?1 -16一質(zhì)點(diǎn)沿半徑為R 的圓周按規(guī)律運(yùn)動(dòng),v0 、b 都是常量(1) 求t 時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的總加速度；(2) t 為何值時(shí)總加速度在數(shù)值上等于b？(3) 當(dāng)加速度達(dá)到b 時(shí),質(zhì)點(diǎn)已沿圓周運(yùn)行了多少圈？分析在自然坐標(biāo)中,s 表示圓周上從某一點(diǎn)開始的曲線坐標(biāo)由給定的運(yùn)動(dòng)方程s s(t),對(duì)時(shí)間t 求一階、二階導(dǎo)數(shù),即是沿曲線運(yùn)動(dòng)的速度v 和加速度的切向分量a,而加速度的法向分量

21、為anv2 /R這樣,總加速度為a aeanen至于質(zhì)點(diǎn)在t 時(shí)間內(nèi)通過的路程,即為曲線坐標(biāo)的改變量sst -s0因圓周長(zhǎng)為2R,質(zhì)點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)自然可求得解(1) 質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)的速率為其加速度的切向分量和法向分量分別為, 故加速度的大小為其方向與切線之間的夾角為(2) 要使ab,由可得(3) 從t0 開始到tv0 /b 時(shí),質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過的路程為因此質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行的圈數(shù)為1 -17一半徑為0.50 m 的飛輪在啟動(dòng)時(shí)的短時(shí)間內(nèi),其角速度與時(shí)間的平方成正比在t2.0 時(shí)測(cè)得輪緣一點(diǎn)的速度值為4.0 m·-1求：(1) 該輪在t0.5的角速度,輪緣一點(diǎn)的切向加速度和總加速度；(2)該點(diǎn)在2.0內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度分析首先應(yīng)該確定角速度的函數(shù)關(guān)系kt2依據(jù)角量與線量的關(guān)系由特定時(shí)刻的速度值可得相應(yīng)的角速度,從而求出式中的比例系數(shù)k,(t)確定后,注意到運(yùn)動(dòng)的角量描述與線量描述的相應(yīng)關(guān)系,由運(yùn)動(dòng)學(xué)中兩類問題求解的方法(微分法和積分法),即可得到特定時(shí)刻的角加速度、切向加速度和角位移解因R v,由題意t2 得比例系數(shù)所以 則t0.5 時(shí)的角速度、角加速度和切向加速度分別為總加速度在2.0內(nèi)該點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度1 -18一質(zhì)點(diǎn)在半徑