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1、第一章 質(zhì)點的運(yùn)動
1-1什么是運(yùn)動的“絕對性”?什么是運(yùn)動的“相對性”?分別說明之。
答:運(yùn)動的“絕對性”是指宇宙中的任何物體都處于永恒的運(yùn)動中,絕對靜止的物體是不存在的。
運(yùn)動的“相對性”是指描述物體的運(yùn)動是相對的。是否就沒有意義。
1-2說明選取參考系、建立坐標(biāo)系的必要性;僅就描述質(zhì)點運(yùn)動而言,參考系應(yīng)該如何選擇?
答:為了描述運(yùn)動,被選中的物體(或幾個相對靜止的物體)作為研究運(yùn)動的參照物稱為參考系,沒有建立參考系,無法描述任何物體的運(yùn)動。
在參考系上建立坐標(biāo)系是為了定量的描述物體。一般來說參考系可以任意選擇。但在實際問題中,常選擇對觀察者靜止的物體作為參考系,如地球等。
2、東
A
B
C
D
1-3如題圖所示,汽車從A地出發(fā),向北行駛60km到達(dá)B地,然后向東行駛60km到達(dá)C地,最后向東北行駛50km到達(dá)D地。求汽車行駛的總路程和總位移。
解:
位移方向為東偏北。即A指向D點的方向。
1-4現(xiàn)有一矢量r是時間t的函數(shù),問 與在一般情況下是否相等?為什么?
答:一般情況是不相等的,
(為單位矢量)
只有當(dāng)=0時,=才成立。
1-5一質(zhì)點沿直線l運(yùn)動,其位置與時間的關(guān)系為 ,r和t的單位分別是米和秒。求:
(1)第二秒內(nèi)的平均速度;
(2)第三秒末和第四秒末的速度;
(3)第三秒末和第四秒末的加速度。
已知:
3、 質(zhì)點作直線運(yùn)動
求:
解:(1)第二秒內(nèi)質(zhì)點運(yùn)動產(chǎn)生的位移為
即得
(2)
(質(zhì)點作直線運(yùn)動)
故:
(負(fù)號表示與規(guī)定的正方向相反)
(3)
1-6一質(zhì)點作直線運(yùn)動,速度和加速度的大小分別為和,試證明:
(1) ;
(2)當(dāng)為常量時,式成立。
證明:(1)
(2)當(dāng)為常量時,上式兩邊積分得:
證畢
1-7質(zhì)點沿直線運(yùn)動,在t秒鐘后它離該直線上某定點o的距離s滿足關(guān)系式: 和的單位分別是米和秒。求:
(1)當(dāng)質(zhì)點經(jīng)過o點時的速
4、度和加速度;
(2)當(dāng)質(zhì)點的速度為零時它離開o點的距離;
(3)當(dāng)質(zhì)點的加速度為零時它離開o點的距離;
(4)當(dāng)質(zhì)點的速度為時它的加速度。
已知: 質(zhì)點作直線運(yùn)動
求:(1) (2)v=0時,
(3) (4)
解:
(1)當(dāng)時,或
此時:
(2)當(dāng)時, 或
此時:
(3)當(dāng)
此時:
(4)
1-8一質(zhì)點沿某直線作減速運(yùn)動,其加速
5、度為,是常量。若時質(zhì)點的速度為 ,并處于 的位置上,求任意時刻質(zhì)點的速度和位置。
已知:質(zhì)點作直線運(yùn)動: ,C是常量
求:
解:
兩邊積分得:
故得:
兩邊積分得:
1-9質(zhì)點作直線運(yùn)動,初速度為零,初始加速度為,質(zhì)點出發(fā)后每經(jīng)過時間,加速度均勻增加。求經(jīng)過時間后質(zhì)點的速度和加速度。
已知:質(zhì)點作直線運(yùn)動
求:
解:
加速度為
兩邊積分得:
1-10質(zhì)點沿直線 運(yùn)動,某時刻位于處,經(jīng)過了1.20s到達(dá)處。求質(zhì)點在此過程中的平均速度。
已知:質(zhì)點作直線運(yùn)動,沿直線 y=2x+1 (m)
求:
解:
6、
方向沿直線方向:
或:
1-11質(zhì)點運(yùn)動的位置與時間的關(guān)系為 , ,, 求第二秒末質(zhì)點的速度和加速度,長度和時間的單位分別是米和秒。
已知:
求:
解:
1-12設(shè)質(zhì)點的位置與時間的關(guān)系為,,在計算質(zhì)點的速度和加速度時,如果先求出 ,然后根據(jù)和 求得結(jié)果;還可以用另一種方法計算:先算出速度和加速度分量,再合成,得到的結(jié)果為和 。你認(rèn)為哪一組結(jié)果正確?為什么?
答:后一種方法正確。
是矢量,
因此前
7、一種方法是錯誤的,而后一種方法是利用疊加原理
1-13火車以勻加速運(yùn)動駛離站臺。當(dāng)火車剛開動時,站在第一節(jié)車廂前端相對應(yīng)的站臺位置上的靜止觀察者發(fā)現(xiàn),第一節(jié)車廂從其身邊駛過的時間是5.0 s。問第九節(jié)車廂駛過此觀察者身邊需要多少時間?
解:設(shè)火車的一節(jié)車廂長為。
火車作初速度為零的均加速運(yùn)動
故:第九節(jié)車廂駛過觀察者身邊需
1-14一架開始靜止的升降機(jī)以加速度上升,當(dāng)上升速度達(dá)到 時,有一螺帽自升降機(jī)的天花板上落下,天花板與升降機(jī)的底面
8、相距。計算:
(1)螺帽從天花板落到升降機(jī)的底面所需要的時間;
(2)螺帽相對升降機(jī)外固定柱子的下降距離。
已知:
求:,
解:螺帽離開天花板后做豎直上拋運(yùn)動初速度為:
設(shè):所需時間為t秒,螺帽落到升降機(jī)底面這段時間內(nèi)螺帽運(yùn)動產(chǎn)生的位移為:
即:
在t時間內(nèi)升降機(jī)上升的位移為:
(1)
(2)螺帽對外固定柱子下降距離為:
(負(fù)號表示方向向下的位移)
1-15設(shè)火箭引信的燃燒時間為6.0 s,今在與水平面成角的方向?qū)⒒鸺l(fā)射出去,欲使火箭在彈道的最高點爆炸,問必須以多大的初速度發(fā)射火箭?
解:火箭達(dá)到最大高度的
9、時間:
1-16傾斜上拋一小球,拋出時初速度與水平面成60°角,1.00秒鐘后小球仍然斜向上升,但飛行方向與水平面成角。試求:
(1)小球到達(dá)最高點的時間;
(2)小球在最高點的速度。
解:
(沿水平方向)
1-17質(zhì)點作曲線運(yùn)動,其角速度為常量,質(zhì)點位置的極徑與時間的關(guān)系可以表示為,其中r和都是常量。求質(zhì)點的徑向速度和徑向加速度,橫向速度和橫向加速度。
已知: (為常量) 角速度為
求:
解:
1-18質(zhì)點沿任意曲線運(yùn)動, t時刻質(zhì)點的極坐標(biāo)為,試求此時刻質(zhì)點的速度、加速度,并寫出質(zhì)點運(yùn)動的軌道方程。
已知:
求:
解:
10、
軌道方程為:
1-19質(zhì)點沿半徑為r的圓周運(yùn)動,角速度為,其中是常量。試在直角坐標(biāo)系和平面極坐標(biāo)系中分別寫出質(zhì)點的位置矢量、速度和加速度的表達(dá)式。
已知:質(zhì)點作半徑R的圓周運(yùn)動,
求:在直角坐標(biāo)系中:
平面極坐標(biāo)系中:
解:在平面極坐標(biāo)系中:
在平面直角坐標(biāo)系中:
1-20質(zhì)點按照的規(guī)律沿半徑為的圓周運(yùn)動,其中是質(zhì)點運(yùn)動的路程,、是大于零的常量,并且。問當(dāng)切向加速度與法向加速度大小相等時,質(zhì)點運(yùn)動了多少時間?
已知:路程 ;質(zhì)點作半徑為R的圓周運(yùn)動
求:
解:
故:
1-21質(zhì)
11、點從傾角為的斜面上的點被拋出,初速度的方向與水平線的夾角為, 如題圖所示,初速度的大小為。若忽略空氣的阻力,試求:
(1)質(zhì)點落在斜面上的b點離開點的距離;
(2)在時,質(zhì)點的速度、切向加速度和法向加速度。
已知:
求:
解:
當(dāng)質(zhì)點落在B時:
故得:
(與軸負(fù)方向的夾角)
1-22用繩子系一小球,使它在豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動。當(dāng)小球達(dá)到最高點時,有人認(rèn)為:“此時小球受到三個力作用:重力、繩子的張力和向心力?!?還有人認(rèn)為:“因為這三個力都是向下的,而小球并沒有下落,可見小球還受到一個方向向上的離心力與這些力平衡?!边@些看法是否正
12、確?試說明之。
T
答:兩個看法都是錯誤的,小球在豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動,到達(dá)最高點時的受力情況如圖示,小球愛重力和繩子張力兩個力作用,而這兩個力的合力為向心力。向心力是維持小球作圓周運(yùn)動的力,此時:(其中:為小球在最高點的速度,R為小球作圓周運(yùn)動的半徑)
1-23用繩子系一物體,使它在豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動。問物體在什么位置上繩子的張力最大?在什么位置上張力最???
解:如圖示為小球運(yùn)動過程中任一位置的受力情況,
向心力為:
當(dāng)時,小球運(yùn)動至最低點時的速度最大(由機(jī)械能守恒定律)
所以此時繩子的張力最大:
當(dāng)時,小球運(yùn)動至最高點,此時速度最小
故,此時繩子的張力最:
13、
1-24質(zhì)量為m的小球用長度為l的細(xì)繩懸掛于天花板之下,如題圖所示。當(dāng)小球被推動后在水平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動,角速度為w。求細(xì)繩與豎直方向的夾角j。
解:如圖示為小球的受力情況,小球在平面內(nèi)作圓周運(yùn)動,受到繩子的張力和重力作用,這兩個力的合力為圓周運(yùn)動的向心力。
故:
1-25在光滑的水平桌面上并排放置兩個物體a和b,它們互相接觸,質(zhì)量分別為ma = 2.0 kg,mb = 3.0 kg。今用f = 5.0 n的水平力按題1-25圖所示的方向作用于物體a,并通過物體a作用于物體b。求:
(1)兩物體的加速度;
(2) a對b的作用力;
(3) b對a的作用力。
解:如圖
14、示,為A、B兩物體的受力情況,由牛頓運(yùn)動定律:
B
A
得:
A對B的作用力水平從A指向B,大小為3.0牛頓;
B對A的作用力水平從B指向A,大小為3.0牛頓;
1-26有A和B兩個物體,質(zhì)量分別為,,放置于如題圖所示的裝置上。如果斜面與物體之間無摩擦,滑輪和繩子的質(zhì)量都可以忽略,問:
(1)物體如何運(yùn)動?
(2)物體運(yùn)動的加速度多大?
(3)繩子的張力為多大?
解:如圖示為A、B兩物體的受力情況
所以,B沿鈄面下滑,A沿鈄面上滑
得:
1-27在光滑的水平桌面上放著兩個用細(xì)繩連接
15、的木塊a和b,它們的質(zhì)量分別是和。今以水平恒力f作用于木塊b上,并使它們一起向右運(yùn)動,如題圖所示。求連接體的加速度和繩子的張力。
解:如圖示為A、B兩物體的受力情況
得:
故:
1-28質(zhì)量為m的物體放于斜面上,當(dāng)斜面的傾角為時,物體剛好勻速下滑。當(dāng)斜面的傾角增至?xí)r,讓物體從高度為處由靜止下滑,求物體滑到底部所需要的時間。
解:當(dāng)鈄面的傾角為時,物體剛好勻速下滑,由牛頓運(yùn)動定律:
即得:
當(dāng)鈄面的傾角為時
由牛頓運(yùn)動定律得:
物體沿斜面作勻速為0的勻加速直線運(yùn)動
故:
1-29用力F去推一個放置在水平地面上質(zhì)量為的物體,如果力與水平面的夾角
16、為,如題圖所示,物體與地面的摩擦系數(shù)為,試問:
(1)要使物體勻速運(yùn)動,F(xiàn)應(yīng)為多大?
(2)為什么當(dāng)角過大時,無論F多大物體都不能運(yùn)動?
(3)當(dāng)物體剛好不能運(yùn)動時,角的臨界值為多大?
解:如圖為物體的受力情況
由牛頓運(yùn)動定律:
當(dāng),物體勻加速運(yùn)動,
整理得:
當(dāng):時,無論F多大物體都不能運(yùn)動
1-30闡明伽利略相對性原理的物理涵義。
答:伽利略相對性原理描述為:對于描述運(yùn)動規(guī)律而言,所有慣性系都是等價的。
1-31什么是慣性參考系?說明慣性參考系在物理學(xué)中的意義。
答: 牛頓運(yùn)動定律成立的參考系(宏觀低速)稱為慣性參考系。在任何慣性系中,所有
17、力學(xué)的規(guī)律都是等價的。
1-32車廂在地面上作勻加速直線運(yùn)動,加速度為。車廂的天花板下用細(xì)線懸掛一小球,求小球懸線與豎直方向的夾角。
解:以車廂作參考系,小球受慣性力作用(如圖)小球受力情況
故:
1-33汽車以 的速率經(jīng)過公路彎道時,發(fā)現(xiàn)汽車天花板下懸掛小球的細(xì)線與豎直方向的夾角為。求公路彎道處的半徑。
解:以汽車作為參考系,小球受慣性力為:
如圖示為小球受力情況:
故:
1-34設(shè)地球是半徑為R、質(zhì)量為的均勻球體,自轉(zhuǎn)角速度為,求重力加速度g的數(shù)值與緯度的關(guān)系。(提示:先求出質(zhì)量為的物體處于地面上緯度為的地方的重量,然后根據(jù)重量求出重力加速度與緯度的關(guān)系。)
解:以物體m為參考系,物體在緯度為的地球表面上受到的慣性力為:
而:
由余弦定理:
(略去高階小量)
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