大学物理总习题答案

1.5 如下图所示，在河堤上安装一个高于水面 h 的定滑轮，用绳子通过滑轮将水面上的船拉向岸边，收 绳的速率 v0 均匀不变．当船到河堤的水平距离为 s 时，船速 vs 多大？（ 提示：船速是距离 s 缩短的快慢 −ds/dt，收绳的速率 v0 是绳子缩短的快慢 ）．
总习题 1-5 图
解答：令绳子的长度为 l ．由于绳子在缩短，所以 v0 = −dl/dt．根据几何关系有 l2 = s2 + h2
r × v = A cos ωt · ωB cos ωti × j − B sin ωt · ωA sin ωtj × i = ωAB(cos2 ωt + sin2 ωt)i × j = ωABk
1.11 质点沿直线运动，加速度 a = 4−t2 ，式中 a 的单位为 m/s2 ，t 的单位为 s．如果当 t = 3 s 时，x = 9 m，
对时间 t 求导数
dy 1 −2x dx
v2 = |vy| =
dt
=
√ 2 l2 − x2 dt
= tan θ v1
1.8 一个质点从静止出发，沿着半径 r = 3 m 的圆周运动，其切向加速度 at = 3 m/s2 ，当总加速度与半径 成 45◦ 角时，计算所用的时间以及此期间所经过的路程．
解答：根据 at = dv/dt 可得 dv = atdt，
1.4 半径为 R 的轮子沿着 x 轴滚动，其角速度是 ω ，轮子边缘某一个点 P 的轨迹称为“旋轮线”，其轨迹
方程为
{x = Rωt − R sin ωt
y = R − R cos ωt
—1—
总习题答案
第一章 质点力学
计算任意时刻的速率 v 、加速度 |a|
解答：速度
dx vx = dt = Rω − Rω cos ωt
F sin θ + N = mg
在水平方向，牛顿第二定律为
F cos θ − μN = ma
上述二式消去支持力 N 得
ma = F cos θ − μmg + μF sin θ
要使得加速度 a 最大，就是要求上式等号右侧取得极大値．根据微积分中的极値条件，
d (F cos θ − μmg + μF sin θ) = 0
总习题 1-17 图
解答：以桌子为参照系，则该非惯性系中需要添加竖直向下的惯性力 −ma0 ． 设重物系统相对于桌子的加速度为 a．对于 m1 列方程，
水平方向 T − μN = m1a 垂直方向 m1g + m1a0 = N
对于 m2 列方程 综合上述三个等式，可以得到
垂直方向 m2g + m2a0 − T = m2a
⇒
dv = − k v2
⇒
dv
dx
=
dv v
=
−
k
v2
mm
dt m
dx dt dx
m
dv k
dv k
ˆ v dv
ˆxk
⇒ = − v ⇒ = − dx ⇒
=−
dx
dx m
v
m
v0 v
0m
⇒
k ln(v/v0) = − m x
⇒
v = v0 e−kx/m
1.15 以初速度 v0 竖直上抛一个物体，除重力外，还受到空气阻力 f = −kv ，计算上升的最大高度 H ． 解答：以垂直向上为正方向，由 f = ma 得
dt 1 + 2t
v0 = 8, v2 = 1.6
根据定量定理，
I = Δp = mv2 − mv0 = −3.2 N · s
1.3 如下图所示，一个物体沿着 x 轴运动，其速度 v(t) 函数曲线分为三段．问：三个阶段的加速度各是多
少？三个阶段的位移各为多少？
总习题 1-3 图
解答：加速ˆ度 a = dv/dt，其几何意义就是图线 v(t) 切线的斜率； 位移 Δx = v(t)dt 是速度曲线下方的面积．
OA 阶段的加速度 a = Δv/Δt = 4/2 = 2 m/s2 ；
其中 l, s 都随着时间 t 变化，而 h 是常量．等式两边对时间 t 求导数得
d(l2) d(s2) d(h2)
=
+
dt
dt
dt
d(l2) dl d(s2) ds
=
+0
dl dt ds dt
化简得
dl
ds
2l = 2s
dt
dt
√
ds
l dl
s2 + h2
vs
=
− dt
=
− s dt
=
s
v0
1.6 如下图所示，路灯距离地面 H ，人的身高 h，若人以均匀的速率 v0 远离路灯，那么人头顶在水平地面 的阴影 D 以多大的速率 V 远离路灯杆？（ 提示：利用相似三角形 ）
0
0
设圆周的半径为 r ．当切向加速度与法向加速度大小时，
第一章 质点力学
|ω2r| = |βr|, ⇒ 10 e−t = 1, ⇒ t = ln 10 ≈ 2.30
根据 ω = dθ/dt，质点的角位移
ˆt Δθ = ω(t)dt = 10(1 − e−t)
0
从上式可以看出，随着时间的增加，角位移逐步增大．当 t → ∞，达到最大角位移 Δθ = 10．
ˆt
ˆt
v(t) = v0 + atdt = 0 + 3dt = 3t
0
0
角度为 45◦ 时，切向加速度与法向加速度大小相等．将 an = at 展开可得
v2
(3t)2
= 3, ⇒
= 3, ⇒ t = 1 s
r
3
根据 v = ds/dt 可知 ds = vdt，质点的位移
ˆ1
ˆ1
Δs = v(t)dt = 3tdt = 1.5 m
H=
mv0 k
−
m2g k2
ln v0 + mg/k mg/k
相对运动 1.16 如图所示，重力场中的升降梯携带一个定滑轮以 a0 加速上升．定滑轮的质量以及摩擦忽略不计．计 算绳子中的张力 T ．
总习题 1-16 图
解答：以定滑轮为参照系，则该非惯性系中需要添加竖直向下的惯性力 −ma0 ． 设重物系统相对于定滑轮的加速度大小为 a．对于 m1 列方程，
T − (m1g + m1a0) = m1a
对于 m2 列方程 综合上述两个等式，可以得到
m2g + m2a0 − T = m2a
a
=
m2 m1
− m1 (g + m2
+ a0)
—5—
总习题答案
T
=
2m1m2 (g m1 + m2
+ a0)
第一章 质点力学
1.17 如图所示，重力场中的升降梯携带一个桌子以 a0 加速上升．质量为 m1 的物体与桌面之间的摩擦系 数为 μ ，定滑轮的质量以及摩擦忽略不计．计算绳子中的张力 T ．
位移 Δx = OA 下方的面积 = 4 m AB 阶段的加速度 a = Δv/Δt = (6 − 4)/(4 − 2) = 1 m/s2 位移 Δx = AB 下方的面积 = 10 m BC 阶段的加速度 a = Δv/Δt = (2 − 6)/(6 − 4) = −2 m/s2 位移 Δx = BC 下方的面积 = 8 m
0
0
0
将 t = 10 代入得 v(10) = 190 m/s
任意时刻源自文库坐标
ˆt x(t) = x0 + v(t)dt = 5 + 2t2 + 0.5t3
0
将 t = 10 代入得 x(10) = 705 m
1.2 质点从坐标原点开始沿着 x 轴运动，其速度为 v(t) = 4t − π sin πt (SI)，计算该物体在 t = 10 s 时的加
dt
v
m
v
kt
ln v = − t
v0
m0
⇒
v
=
v0
e−
k m
t
1.14 质量为 m 的快艇在速度达到 v0 时关闭发动机，受到阻力而减速，阻力大小与速度的平方成正比，即 f = −kv2 ．证明它在水面上再行驶距离 x 时的速度为 v = v0 e−kx/m ．
解答：利用隐函数的求导法则
f a=
= − k v2
v = 2 m/s，求质点的运动方程．
解答：在这里，t0 = 3，x0 = 9，v0 = 2，
v(t)
=
ˆt
v0 + a(t)dt =
t0
ˆt
x(t) = x0 +
t0
ˆt 2 + (4
3
v(t)dt =
− t2)dt 3 4 −t+
= 4t − 1 t3 3
2t2 − 1 t4 12
−
1
m/s
牛顿定律 1.12 粗糙的水平路面上放置质量 m 的重物，摩擦系数 μ ．用大小恒定的力 F 拽拉，拉力与水平方向的夹 角 θ 可以变化，问 θ 多大时重物获得的加速度最大？ 解答：设地面向上的支持力大小为 N ．在垂直方向受力平衡
总习题答案 February 17, 2014
第一章 质点力学
运动学
1.1 一个物体沿着直线运动，其加速度 a = 4 + 3t (SI)，若 x0 = 5, v0 = 0，计算该物体在 t = 10 s 时的速
度和坐标．
解答：任意时刻的速度
ˆt
ˆt
t
v(t) = v0 + adt = (4 + 3t)dt = (4t + 1.5t2) = 4t + 1.5t2
dθ
求解得
θ = arctan μ
1.13 质量为 m 的子弹以 v0 的初速度水平射入沙土墙壁中，进入墙壁后，它受到与速度成正比的水平摩擦 阻力 f = −kv ．计算子弹的速度随时间变化的函数关系．
—4—
总习题答案
第一章 质点力学
解答：由 f = ma 得 积分得
dv dv k
−kv = m ⇒ = − dt
v0
V =,
H−h H
H V = H − h v0
1.7 长度为 l 的梯子搭在直角墙边，在某时刻，梯子与墙壁的角度为 θ ，且梯子的下端向外移动的瞬时速率 是 v1 ，此刻梯子的上端向下滑动的速率 v2 多大？
总习题 1-7 图
解答：设梯子的水平跨度为 x，垂直高度为 y ，则
dx
dy
v1 = |vx| =
−kv
−
mg
=
m
dv dt
左右两边都乘以高度的微分 dh 得
−(kv
+
mg)dh
=
m
dv dt
dh
=
m
dh dt
dv
=
mv d v
分离变量得
mv dv = −dh
k v + mg/k
积分
m ˆ 0 (v + mg/k) − mg/k
ˆH
dv = − dh
k v0
v + mg/k
0
注意上式中积分上下限的对应．计算得
, dt
v2 = |vy| = dt
将等式 x2 + y2 = l2 两边对时间 t 求导数
dx dy
2x + 2y = 0
dt
dt
即
x
2xvx + 2yvy = 0, ⇒ v2 = y v1 = tan θ v1
令解：设梯子的水平跨度为 x，垂直高度为 y ，则 √
y = l2 − x2 = (l2 − x2)1/2
1.10 某质点的运动规律为 x = A cos ωt, y = B sin ωt，其中 A, B, ω 都是常量．证明 r × v 是常矢量．
解答：
r = ix + jy = iA cos ωt + jB sin ωt
v
=
dx i+
dt
dy j
dt
= −iωA sin ωt + jωB cos ωt
0
0
1.9 以国际单位制度量，某质点以初始角速度 ω0 = 10 做圆周运动，其角加速度 β = −10 e−t ．（ 1 ）何时切 向加速度与法向加速度大小相等？（ 2 ）质点转过的最大角位移是多少？
—3—
总习题答案
解答：根据 β = dω/dt，任意时刻的角速度
ˆt
ˆt
ω(t) = ω0 + βdt = 10 − 10 e−t dt = 10 e−t
dy vy = dt = Rω sin ωt
速率
√
√
v = vx2 + vy2 = Rω (1 − cos ωt)2 + sin2 ωt
√
ωt
= Rω 2 − 2 cos ωt = 2Rω sin 2
加速度
ax
=
dvx dt
=
Rω2 sin ωt
ay
=
dvy √dt
=
Rω2 cos ωt
|a| = a2x + a2y = Rω2
速度和坐标．
解答：加速度 任意时刻的坐标
dv a(10) =
= 4 − π2 cos πt
= 4 − π2
dt t=10
t=10
ˆt
ˆt
x(t) = x0 + v(t)dt = (4t − π sin πt)dt
0
0
t
= (2t2 + cos πt) = 2t2 + cos πt − 1
0
将 t = 10 代入得 x(10) = 200 m
a
=
m2 − μm1 (g m1 + m2
+
a0)
T
=
m1m2(1 + μ) (g m1 + m2
+ a0)
动量
1.18 质量 m = 0.5 kg 的物体沿直线运动，其位移 x = 4 ln(1 + 2t) SI．计算 0 < t < 2 时间内物体受到的
冲量．
解答：物体的速度 带入时间得
dx
8
v(t) = =
总习题 1-6 图
—2—
总习题答案
第一章 质点力学
解答：从图中可以看出人的速度就是 AB 的变化率 v0 = dAB/dt，影子 D 的速率就是 CD 的变化率 V = dCD/dt．
由三角形相似 △SAB ～ △SCD，可得到
AB = CD H−h H 注意到 H, h 都是常量，上式两边对时间求导可得