《力学》漆安慎答案03章.docx

力学漆安慎答案03章力学漆安慎习题解答 第三章 动量定理及其守恒定律 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 2 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 第三章 动量定理及其守恒定律 一、基本知识小结 1、牛顿运动定律适用于惯性系、质点，牛顿第二定律是核心。 rrvdvd2rv矢量式：F=ma=m=m2 dtdtFx=max,Fy=may,Fz=maz分量式： dvtv2Ft=mat=m,Fn=man=mdtr2、动量定理适用于惯性系、质点、质点系。 rvvdpr导数形式：F=；微分形式：Fdt=dp； dtrvr积分形式：I(=òFdt)=Dp 3、动量守恒定律适用于惯性系、质点、质点系。 若作用于质点或质点系的外力的矢量和始终为零，则质点或质点系的动量保持不变。即 vr若åF外=0，则p=恒矢量。 4、在非惯性系中，考虑相应的惯性力，也可应用以上规律解题。 r*r在直线加速参考系中：f=-ma0 r*v在转动参考系中：fc=mw2r,r*rfk=2mv'´w 5、质心和质心运动定理 mrc=åmirimvc=åmivimac=åmiai rvåF=mac vrrrrr 3 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 二、思考题解答 3.1试表述质量的操作型定义。 rDv0m=m0rkgDv 解答，r式中m0=1kg;Dv0：为m与m0碰撞m0的速度改变;Dv：为m与m0碰撞m的速度改变,这样定义的质量，其大小反映了质点在相互作用的过程中速度改变的难易程度，或者说，其量值反映了质量惯性的大小。这样定义的质量为操作型定义。 3.2如何从动量守恒得出牛顿第二、第三定律，何种情况下牛顿第三定律不成立？ 解答，由动量守恒 rrrrrrrr¢¢¢p¢+p=p+p, p-p=-(p-p2) 1212112rrrrdpdpDpDp1212rrDp1=-Dp2,Dt=-Dt，取极限dt=-dt 动量瞬时变化率是两质点间的相互作用力。 rrdpdrrF1=1=(m1v1)=m1a1,dtdt rrdpdrrrF2=2=(m2v2)=m2a2,rF1=-F2 dtdt对于运动电荷之间的电磁作用力，一般来说第三定律不成立。 3.3在磅秤上称物体重量，磅秤读数给出物体的“视重”或“表现重量”。现在电梯中测视重，何时视重小于重量？何时视重大于重量？在电梯中，视重可能等于零吗？能否指出另一种情况使视重等于零？ 解答，电梯加速下降视重小于重量； 电梯加速上升视重大于重量； 当电梯下降的加速度为重力加速度g时，视重为零； 飞行员在铅直平面内的圆形轨道飞行，飞机飞到最高点时， v2v2m=mg+N, N=m-mg=0, RRv=gR飞行员的视重为零 r3.4一物体静止于固定斜面上。 可将物体所受重力分解为沿斜面的下滑力和作用于斜面的正压力。 因物体静止，故下滑力mg sin与静摩擦力m0N相等。表示斜面倾角，N为作用于斜面的正压力，m0为静摩擦系数。以上两段话确切否？ 解答，不确切。 重力可以分解为沿斜面向下的和与斜面垂直的两个力。但不能说分解为沿斜面的下滑力和作用于斜面的正压力。 应该说，因物体静止，物体所受的力在斜面方向的分力的代数和为零。 4 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.5马拉车时，马和车的相互作用力大小相等而方向相反，为什么车能被拉动。分析马和车的受的力，分别指出为什么马和车能启动。 解答， 分析受力如图。地面反作用于马蹄子上的力使系统启动。 3.6分析下面例中绳内张力随假想横截面位置的改变而改变的规律： 长为质量为m的均质绳悬挂重量为W的重物而处于静止。 用长为质量为m的均质绳沿水平方向拉水平桌面上的物体加速前进和匀速前lr进。对两种情况均可用F表示绳作用于物体的拉力，不考虑绳因自重而下垂。 1l质量可以忽略不计的轻绳沿水平方向拉在水平桌面上运动的重物，绳对重物的拉rrrrFFF力为F，绳的另一端受水平拉力1，绳的正中间还受与的方向相同的拉力。 2长为质量为m的均质绳平直地放在光滑水平桌面上，其一端受沿绳的水平拉力rF而加速运动。 l长为质量为m的均质绳置于水平光滑桌面上，其一端固定，绳绕固定点在桌面上转动，绳保持平直，其角速率为w。 若绳保持平直，你能否归纳出在何种情况下绳内各假想横截面处张力相等。 解答，(1)y是在0至之间的任意位置。 T=W+mgmg(l-y)=W+mg-yll l匀速前进：F=mw，T=F 加速运动：F>mw,T=F+mxa lxlo<x<,T=F+F,12 2 (4)T=l<x<l, 2 T=F1, FmF(x)=xmll, 222l22lmmwmlxdm=dx, T=òwxdm=wòxdx=(-)(5)lll22 xx若绳保持平直，绳的两端受到大小相等方向相反的外力作用时，绳静止或匀速直线运动。这时张力处处相等。若绳保持平直，绳的两端受到大小不等方向相反的外力作用时，绳加速直线运动，这时在忽略绳的质量时，张力处处相等。 5 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.7两弹簧完全相同，把它们串联起来或并联起来，劲度系数将发生怎样的变化？ k¢=解答，如图，串联时：mg=F=kDl=k¢2Dl, 2 k并联时：mg=F=kDl=k¢Dl/2, k¢=2k。 3.8用两段同样的细线悬挂两物体，若突然向下拉下面物体，下面绳易断，若缓慢拉，上面线易断。为什么？ 解答，突然向下拉下面物体时，由于上面物体要保持静止状态，由于过程的时间极短，上面物体还没有来得及改变状态，下面的绳就断了。 若缓慢拉下面物体时，上面物体能够来得及改变状态，这样上面绳内的张力比下面绳内的张力大，所以上面绳易断。 3.9有三种说法：当质点沿圆周运动时， 质点所受指向圆心的力即向心力；维持质点作圆周运动的2力即向心力；mv/r即向心力。这三种说法是否正确？ 解答，以上说法都不确切。 r方向投影为向心力，向心力为åF如图F的n维持质点作圆周运动的力可能有åFinåFit。 in。 mv/r不是力，是外力对物体作用的瞬时效应。 2rrrdvdrrdpma是动量的变化率，ma=mdt=dt(mv)=dt。 3.10杂技演员表演水流星，演员持绳的一端，另端系水桶，内盛水，令桶在铅直平面内作圆周运动，水不流出。 桶到达最高点除受向心力外，还受一离心力，故水不流出； 水受到重力和向心力的作用，维持水沿圆周运动，故水不流出。 以上两种说法正确否？作出正确分析。 解答，以上两种说法不正确。 向心力不是独立于其它相互作用之外的力，向心力为åFin。离心力为åFin的反作用力，它不作用于桶上。 在惯性系内，水沿圆周运动，所受的力为重力和桶对水的作用v2N+mg=m力即 R v2F=m在非惯性系内，水除受重力和桶对水的作用力外，还受惯性离心力 cR 6 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.11游戏场中的车可在铅直圆环轨道上行驶，设车匀速前进。在图中标出的几个位置E、C、A、B、D上，何处乘客对坐位的压力最大？何处最小？ v2N+mgcosq=m,解答，R v2N=-mgcosq+m,R cosq=1, q=0 时，N最小 cosq=-1, q=p 时，N最大。在最下面。 可以得出D、E点N最大。 3.12下面的动力学方程哪些线性哪些非线性？ dxdxdx3d2xm2=2x+t2,m2=-t,m2=x2,非线性，dt线性，dt线性 dtdt22d2xdx2m2=,dtdt非线性 一次方程叫线性方程。n阶线性方程具有下列形式 x(n)+p1(t)xn-1+p2(t)xn-2+.+pn-1(t)x¢+pn(t)x=q(t) 对于2阶线性方程具有下列形式 x¢¢+p1(t)x¢+p2(t)x=q(t) 3.13尾部设有游泳池的轮船匀速直线航行，一人在游泳池的高台上朝船尾方向跳水，旁边的乘客担心他跳入海中，这种担心是否必要？若轮船加速行驶，这种担心有无道理？ 解答，不必要。由伽利略相对性原理可以解释 若轮船加速行驶，这种担心有道理。在加速平动的非惯性中人除了受到物体的相互作用力外，还受到与加速度方向相反的惯性力，此力有可能使他跳入海中。 3.14根据伽利略相对性原理，不可能借助于在惯性参照系中所作的力学实验来确定该参照系作匀速直线运动的速度。你能否借助于相对惯性系沿直线作变速运动的参照系中的力学实验来确定该参照系的加速度？如何作？ 解答， ma=Tsinq,mg=Tcosq,atgq=,ga=gtgq测出，a可求。 3.15在惯性系测得的质点的加速度是由相互作用力产生的，在非惯性系测得的加速度是惯性力产生的，对吗？ rrr¢， F+(-ma)=ma解答，不对。åi 7 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.16用卡车运送变压器，变压器四周用绳索固定在车厢内，卡车紧急制动时，后面拉紧的绳索断开了。分别以地面和汽车为参照系，解释绳索断开的原因。 解答，地面为参照系，变压器为研究对象，其加速度向后，所以作用在变压器上的合力向后，后面的绳索作用在变压器的力比前面的大。 汽车为参照系，变压器为研究对象，相互作用力和惯性力矢量和为零，可见，后面的绳索作用在变压器的力比前面的大。 3.17是否只要质点具有相对于匀速转动圆盘的速度，在以圆盘为参照系时，质点必受科里奥利力？ rrrr*f=2mv´w=-2mw´v相 相解答，科里奥利力k如图，质点具有相对于匀速转动圆盘的速度，在以圆盘为参照系时，质点不一定就受到科里奥利力。 3.18在北半球，若河水自南向北流，则东岸受到的冲刷严重，试由科里奥利力进行解释。又问，河水在南半球自南向北流，哪边河岸冲刷较严重？ rrrr*解答，科里奥利力：fk=2mv相´w=-2mw´v相 在北半球，若河水自南向北流，应用科里奥利力可判断东岸受到的冲刷严重。河水在南半球自南向北流时，西岸受到的冲刷严重。 见图。 3.19在什么情况下，力的冲量和力的方向相同？ 解答，冲量是矢量，元冲量的方向总是与力的方向相同；至于在一段较长时间内，力的冲量等于这段时间内各无穷小时间间隔元冲量的矢量和，因此，力的冲量方向决定于这段时间诸元冲量矢量和的方向，即 rtrI=òtFdt，不一定和某时刻力的方向相同。当在一段时间内，各无穷小时间间隔元冲量0方向都相同时，则这段时间内力的冲量和力的方向相同。另外冲量和平均力的方向总是一致的。 3.20飞机沿某水平面内的圆周匀速率地飞行了整整一周，对这一运动，甲乙二人展开讨论：甲：飞机既然作匀速圆周运动，速度没变，则动量是守恒的。乙：不对，由于飞行时，速度的方向不断变化，因此动量不守恒。根据动量定理，动量的改变来源于向心力的冲量。向心力就是mv2r2pr，飞行一周所用时间为v，飞行一周向心力的冲量等于v22prFDt=m=2pmv漆安慎课后答案 应该说：速率不变但速度方向不断变化，动量不守恒。 v2m乙的错误：“向心力就是r”；“飞行一周向心力的冲量等于 v22prFDt=m=2pmv” rvrrr应该说：飞行一周向心力的冲量等于零。根据动量定理，I=mv-mv0，飞行一周时，飞机动量改变为零。如图。 3.21棒球运动员在接球时为何要戴厚而软的手套？篮球运动员接急球时往往持球缩手，这是为什么？ rrrrrIòttFdtp-p0rF=解答，根据DtDtDt，Dt­F¯ 03.22“质心的定义是质点系质量集中的一点，它的运动即代表了质点系的运动，若掌握质点系质心的运动，质点系的运动状况就一目了然了。”对否？ 解答，不对。 质心运动情况不能说明质点系内各质点的运动情况。 3.23悬浮在空气中的气球下面吊有软梯，有一人站在上面。最初，均处于静止，后来，人开始向上爬，问气球是否运动？ 解答，运动。内力不影响质心的运动，人向上爬，气球向下运动，达到质点系的质心位置不变。 3.24跳伞运动员临着陆时用力向下拉降落伞，这是为什么？ 解答，可达到减少人着陆的速度，减轻地面对人的冲力。 3.25质点系动量守恒的条件是什么？在何种情况下，即使外力不为零，也可用动量守恒方程求近似解？ r解答，åFi外=0 外力远远小于内力；外力在某一方向上的投影代数和为零，则质点系的动量在该方向上守恒。 9 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 三、习题解答 r+(3t2+3t+1)j， 求证质点受恒力而运动，并求力的方向大小。 rrr2r2+12j 为一与时间无关的恒矢量，解：a=dr/dt=12i+6j, F=ma=24i质点受恒力而运动。 F=(242+122)1/2=125N，力与x轴之间夹角为： a=arctgFy/Fx=arctg0.5=26°34' 3.4.2 质量为m的质点在o-xy平面内运动，质点的运动学方程为：r+bsinwtr=acoswtij，a,b,为正常数，证明作用于质点的合力总指向原点。 rrr+bsinwtj)=-w2r 证明：a=d2r/dt2=-w2(acoswtirrrF=ma=-mw2r, 作用于质点的合力总指向原点。 3.4.3 在脱粒机中往往装有振动鱼鳞筛，一方面由筛孔漏出谷粒，一方面逐出秸杆，筛面微微倾斜，是为了从较低的一边将秸杆逐出，因角度很小，可近似看作水平，筛面与谷粒发生相对运动才可能将谷粒筛出，若谷粒与筛面静摩擦系数为0.4，问筛沿水平方向的加速度至少多大才能使谷物和筛面发生相对运动？ 解：以地为参考系，设谷物的质量为m，所受到的最大静摩擦力为 f=momg，谷物能获得的最大加速度为 a=f/m=mog=0.4´9.8=3.92m/s2 筛面水平方向的加速度至少等于3.92米/秒2，才能使谷物与筛面发生相对运动。 3.4.4 桌面上叠放着两块木板，质量各为m1 ,m2,如图所示，m2和桌面间的摩擦系数为2，m1和m2间的摩擦系数为1，问沿水平方向用多大的力才能把下面的木板抽出来。 解：以地为参考系，隔离m1、m2，其受力与运动情况如图所示， 其中，N1'=N1,f1'=f1=1N1,f2=2N2，选图示坐标系o-xy，对m1,m2分别应用牛顿二定律，有 m1N1=m1a1N1-m1g=0 解方程组，得 F-m1N1-m2N2=m2a2N2-N1-m2g=0a2=(F-m1m1g-m2m1g-m2m2g)/m2 a1=m1g要把木板从下面抽出来，必须满足a2>a1，即 F-m1m1g-m2m1g-m2m2g>m2m1gF>(m1+m2)(m1+m2)g 10 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.4.5 质量为m2的斜面可在光滑的水平面上滑动，斜面倾角为,质量为m1的运动员与斜面之间亦无摩擦，求运动员相对于斜面的加速度及其对斜面的压力。 x' y m1 解： N2 N1 m2 a2 x a' f*=m1a2 y' N1'=N1 m2g m1g 以相对地面向右作加速直线运动的斜面为参考系，取m1为研究对象，其受力及运动情况如左图所示，其中N1为斜面对人的支撑力，f*为惯性力，a'即人对斜面的加速度，方向显然沿斜面向下，选如图所示的坐标系o'-x'y',应用牛顿第二定律建立方程： ìN1-m1gcosa+m1a2sina=0L(1)í(2)îm1gsina+m1a2cosa=m1a'L再以地为参考系，取m2为研究对象，其受力及运动情况如右图所示，选图示坐标o-xy,应用牛顿第二定律建立方程： L(3)ìN1sina=m2a2 、联立，即可求得：íîN2-m2g-N1cosa=0L(4)N1=m1m2cosagm2+m1sin2aa'=(m1+m2)sinag m2+m1sin2a3.4.6在图示的装置中两物体的质量各为m1,m2，物体之间及物体与桌面间的摩擦系数都为，求在力F的作用下两物体的加速度及绳内张力，不计滑轮和绳的质量及轴承摩擦，绳不可伸长。 m1 解：以地为参考系，隔离m1,m2，受力及运动情况如图示，F m2 其中：f1=N1=m1g，f2=N2=(N1+m2g)=(m1+m2)g. 在水平方向对两个质点应用牛二定律： T-mm1g=m1aF-mm1g-m(m1+m2)g-T=m2a +可求得：a=F-2mm1g-mg m1+m2N1 T a f1 m1g T f2 f1 a N2 N1 m2g F m(F-2mm1g)T=1将a代入中，可求得： m1+m23.4.7在图示的装置中，物体A,B,C的质量各为m1,m2,m3，且两两不相等. 若物体A,B与桌面间的摩擦系数为，求三个物体的加速度及绳内的张力，不计绳和滑轮质量，不计轴承摩擦，绳不可伸长。 解：以地为参考系，隔离A,B,C，受力及运动情况如图A B C 11 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 示，其中：f1=N1=m1g，f2=N2=m2g，T'=2T，由于A的位移加B的位移除2等于C的位移，所以/2=a3. 对A,B,C分别在其加速度方向上应用牛顿第二定律： N1 T' N2 T-mm1g=m1a1T-mm2g=m2a2fT T f2 m 1 3g-2T=m3(a1+a2)/2am3 1g am2g 1 m3g a2 ,联立，可求得： aéê2m2m3(1+m)ù1=ë(mm-múg1+2)m3+4m1m2ûaé2m1m3(1+m)ù2=êë(m-múg 1+m2)m3+4m1m2ûaé(m1+m2)m3(1+m)ù3=êë(m-múg1+m2)m3+4m1m2û3.4.8天平左端挂一定滑轮，一轻绳跨过定滑轮，绳的两端分别系上质量为m1,m2的物体,天平右端的托盘上放有砝码. 问天平托盘和砝码共重若干，天平才能保持平衡？不计滑轮和绳的质量及轴承摩擦，绳不伸长。 解：隔离m1,m2及定滑轮，受力及运动情况如图示，应用牛顿第二定律： T'-m1g=m1am2g-T'=m2a 由可求得： T=2T'm1 m2 T'=2m1m2g2m1m2gm,T= 1+m2m1+m2a T' a T' T 所以，天平右端的总重量应该等于T，天平才能保持平衡。 m1g m2g T' T' 3.4.11棒球质量为0.14kg，用棒击棒球的力随时间的变化如图所示，设棒球被击前后速度增量大小为70m/s，求力的最大值，打击时，不计重力。 解：由Ft图可知： 当0£t£0.05时，F=tFF(N) 0.05Fmaxmax 当0.05£t£0.08时，F=0.08-t0.03Fmax斜截式方程y=kx+b，两点式方程 0 0.05 0.08 t(s) (y-y1)/(x-x1)=(y2-y1)/(x2-x1) 0.080.050.08由动量定理：mDv=òFdt=òFmaxFmax0.05tdt+0.030.08-t)dt000.ò(05可求得Fmax = 245N 12 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.4.12 沿铅直向上发射玩具火箭的推力随时间变化如图所示，火箭质量为2kg，t=0时处于静止，求火箭发射后的最大速率和最大高度。 解：根据推力F-t图像，可知F=4.9t F(N) ,令F=mg，即4.9t=2×9.8，t=4s 98 因此，火箭发射可分为三个阶段：t=04s t(s) 为第一阶段，由于推力小于重力，火箭静止，v=0,y=0；t=420s20 为第二阶段，火箭作变加速直线运动，设t=20s时，y = y1， v = vmax ；t20s 为第三阶段，火箭只受重力作用，作竖直上抛运动，设达最大高度时的坐标 y=y2. 第二阶段的动力学方程为：F- mg = m dv/dt dv=F/mdt-gdt=4.9/2tdt-9.8dtò0dv=4.9/2ò4tdt-9.8ò4dt(t£20)vttv=4.9/4t2-9.8t+4´4.9(t£20)vmax=v(20)=314m/sQdy=vdt=(4.9/4t2-9.8t+4´4.9)dtò01dy=4.9/4ò4t2dt-9.8ò4tdt+4´4.9ò4dty1=1672my202020第三阶段运动学方程 v=314-9.8(t-20)(1),y-y1=314(t-20)-4.9(t-20)2(2) 令v=0,由求得达最大高度y2时所用时间=32，代入中，得y2-y1=5030 y2=ymax=5030+1672=6702(m) 3.4.13抛物线形弯管的表面光滑，沿铅直轴以匀角速率转动，抛物线方程为y=ax2，a为正常数，小环套于弯管上。弯管角速度多大，小环可在管上任一位置相对弯管静止？若为圆形光滑弯管，情况如何？ 解：以固定底座为参考系，设弯管的角速度为，小环受力及运动情况如图示：为小环处切线与x轴夹角，压力N与切线垂直，加速度大小a=2x，方向垂直指向y轴。 在图示坐标下应用牛顿二定律的分量式： y Ncos(90°-a)=Nsina=mw2xNsin(90°-a)=Ncosa=mg a N x mg /得：tg=x/g ；由数学知识：tg=dy/dx=2ax； 所以，2ax=w2x/g,w2=2ag,w=2ag 若弯管为半径为R的圆形，圆方程为：x2 + (R-y)2 = R2，即 (R-y)2=R2-x2,R-y=(R2-x2)1/2,y=R-(R2-x2)1/2tga=dy/dx=-(R-x)1222-1/22×(-2x)=x/R-x22代入中，得：x/R2-x2=w2x/g,w=g/R-x22 13 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.4.14北京设有供实验用的高速列车环形铁路，回转半径为9km，将要建设的京沪列车时速250km/h，若在环路上作此项列车实验且欲使铁轨不受侧压力，外轨应比内轨x 高多少？设轨距1.435m. 解：以地为参考系，把车厢视为质点，受力及运动情况如图示：N 车厢速度v=250km/h=69.4m/s，加速度a=v2/R；设轨矩为l，外轨比内轨高h, 有cosa=l-h/l,sina=h/l 选图示坐标o-xy，对车箱应用牛顿第二定律： Ncosa=Nl2-h2/l=mg，Nsina=Nh/l=mv2/Rl2-h2/h=gR/v2，两边平方并整理，可求得h： 22y a mg l h /得：h=v2l/v4+g2R2=69.42´1.435/69.44+9.82´90002 =0.0782m=7.8cm3.4.15汽车质量为1.2×10kN，在半径为100m的水平圆形弯道上行驶，公路内外侧倾斜15°，沿公路取自然坐标，汽车运动学方程为s=0.5t3+20t (m)，自t=5s开始匀速运动，问公路面作用于汽车与前进方向垂直的摩擦力是由公路内侧指向外侧还是由外侧直向内侧？ 解：以地为参考系，把汽车视为质点，受力及运动情况如图示： v=ds/dt=1.5t2+20，v| t=5 =1.5×52+20=57.5m/s，an=v2/R=57.52/100=33 设摩擦力f方向指向外侧，取图示坐标o-xy，应用牛顿第二定律： Ncosa+fsina=mgx Ncosa=mg-fsina f Nsina-fcosa=manN Nsina=man+fcosay an mg /得：tga=(man+fcosa)/(mg-fsina) mgtga-fsinatga=man+fcosa,f=m(gtga-an)cosa+sinatga=15° Qgtga-an=9.8tg15°-33=-30.43<0,f<0，说明摩擦力方向与我们事先假设方向相反，指向内侧。 14 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 vj，又有与之垂直3.4.16速度选择器原理如图，在平行板电容器间有匀强电场E=Evv。现有带电粒子以速度v进入场中，问具的匀强磁场B=Bk=vix × × × × v + B y × × × × E 有何种速度的粒子方能保持沿x轴运动？此装置用于选出具有特定速度的粒子，并用量纲法则检验计算结果。 解：带电粒子在场中受两个力的作用：电场力F1=qE，方向向下；磁场力F2=qvB，方向向上。 粒子若沿x轴匀速运动，据牛顿定律：ENA-1T-1-1 =MTqE-qvB=0,v=E/Bdimv=MT,dim=-1-1BNAM-1F2=qvB F1=qE 3.4.17带电粒子束经狭缝S1,S2之选择，然后进入速度选择器，其中电场强度和磁感应强度各为E和B. 具有“合格”速度的粒子再进入与速度垂直的磁场B0中，并开始做圆周运动，经半周后打在荧光屏上.试证明粒子质量为：m=qBB0r/E，r和q分别表示轨道半径和粒子电荷。 B 解：由3.5.16题可知，通过速度选择器的粒子的速度 v B0 是v=E/B，该粒子在B0磁场中受到洛仑兹力的作用做匀速s s1 s2 E 圆周运动，其向心加速度为an=v2/r，由牛顿第二定律： qvB0=mv2/rm=qB0r/v=qrB0B/E r 3.4.18某公司欲开设太空旅馆。其设计为用32m长的绳联结质量相等的两客舱，问两客舱围绕两舱中点转动的角速度多大，可使客舱感到和在地面上那样受重力作用，而没有“失重”的感觉。 解：mg=mw2r,w=g/r=9.8/16»0.78rad/s 3.420 圆柱A重500N，半径RA=0.30m，圆柱B重1000N,半径RB=0.50m，都放置在宽度L=1.20m的槽内，各接触点都是光滑的，求A、B间的压力及A、B柱与槽壁和槽底间的压力。 NAB NA A NB' 解：隔离A、B,其受力情况如图所示，选图示坐标，运用质点平 B 衡方程，有 NBA (!)ìNA-NABsina=0(3)ìNABsina-NB=0íía-mAg=0(4)îNB'-mBg-NABcosa=0(2)îNABcos mAg NB L mBg 通过对ABC的分析，可知，sin=0.4/0.8=0.5 =30º, cos=3/2,分别代入、中，即可求得： NB = 288.5 N , NB'= 1500 N , NA = 288.5 N , NAB = 577 N. 15 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.5.21图表示哺乳动物的下颌骨，假如肌肉提供的力F1和F2均与水平方向成45°，食物作用于牙齿的力为F，假设F,F1和F2共点，求F1和F2的关系以及与F的关系。 解：建立图示坐标o-xy，应用共点力平衡条件：y F1 x åFx=0,åFy=0 x方向，F1cos-F2cos=0, F1= F2 y方向，F1sin+F2sin- F=0， F=2F1sina=2sin45°F1=2F1 F2 F 3.5.22四根等长且不可伸长的轻绳端点悬于水平面正方形的四个顶点处，另一端固结于一处悬挂重物，重量为W，线与铅垂线夹角为，求各线内张力。若四根线均不等长，知诸线之方向余弦，能算出线内张力吗？ 解：设四根绳子的张力为T1，T2，T3，T4，由于对称，显然，T1=T2=T3=T4=T；设结点下边的拉力为F，显然F=W. 在竖直方向上对结点应用平衡条件： 4Tcos-W=0， T=W/(4cos) 若四根线均不等长，则T1T2T3T4，由于有四个未知量，因此，即使知道各角的方向余弦，也无法求解，此类问题在力学中称为静不定问题。 3.5.1 小车以匀加速度a沿倾角为的斜面向下运动，摆锤相对小车保持静止，求悬线与竖直方向的夹角。 解：以地为参考系，小球受重力W和线拉力T的作用，加速度a沿斜面向下，建立图示坐标o-xy,应用牛顿第ìTsinq=macosa二定律：í îmg-Tcosq=masina 解得 tgq=acosa/(g-asina) 以小车为参考系，小球除受重力W、拉力T外，还受惯性力f*的作用(见上图虚线表示的矢量)，小球在三个力作用下静止，据牛顿第二定律： ìTsinq-macosa=0acosatgq= 解得 íg-asinaîmg-Tcosq-masina=0 16 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.5.2 升降机内有一装置如图示，悬挂的两物体的质量各为m1,m2且m1m2,若不计绳及滑轮质量，不计轴承处摩擦，绳不可伸长，求当升降机以加速度a运动时，两物体的加速度各是多少？绳内的张力是多少？ 解：以升降机为参考系,隔离m1,m2,受力及运动情况如图示,T为绳中张力，f1*=m1a,f2*=m2a, a1'=a2'=a'为m1、m2相对升降机的加速度. 以向下为正方向，由牛顿二定律，有： ìm1g-T-m1a=-m1a' 解得：ímg-T-ma=ma'22î2(m1-m2)a+(m2-m1)gìa'=ïm1+m2 íïT=2mm(g-a)/(m+m)1212î设m1、m2的加速度分别为a1、a2，根据相对运动的加速度公式， rrrvrra1=a1'+aa2=a2'+a 写成标量式：a1=-a'+a,a2=a'+a，将a代入，求得：2m2a-(m2-m1)gìa=ï1m1+m2ï íïa=2m1a+(m2-m1)g2ïm1+m2)î3.5.3图示为柳比莫夫摆，框架上悬挂小球，将摆移开平衡位置而后放手，小球随即摆动起来。当小球摆至最高位置时，释放框架使它沿轨道自由下落，如图a，问框架自由下落时，摆锤相对于框架如何运动？当小球摆至平衡位置时，释放框架，如图b，小球相对框架如何运动？小球质量比框架小得多。 解：以框架为参考系，小球在两种情况下的受力如图所示：设小球质量为m, 框架相对地自由落体的加速度为g，因此小球所受的惯性力f*=mg，方向向上，小球所受重力W=mg. 在两种情况下，对小球分别应用牛顿第二定律： 小球摆至最高位置时释放框架,小球相对框架速度v=0，所以法向加速度an=v/l=0；由于切向合力F=Wsin-f*sin=0，所以切向加速度a=0. 小球相对框架的速度为零，加速度为零，因此小球相对框架静止。 小球摆至平衡位置时释放框架，小球相对框架的速度不为零，法向加速度an=v2/l0，T=man ；在切向方向小球不受外力作用，所以切向加速度a=0，因此，小球速度的大小不变，即小球在拉力T的作用下相对框架做匀速圆周运动。 2a nT nf* f* W b T t t W 17 第3章 动量定理及其守恒定律 力学漆安慎课后答案 3.5.4摩托车选手在竖直放置圆筒壁内在水平面内旋转。筒内壁半径为3.0m，轮胎与壁面静摩擦系数为0.6，求摩托车最小线速度 解：设摩托车在水平面内旋转的最小角速度为，以摩托车本身为参考系，车受力情况如图示，运动状态静止。 在竖直方向应用平衡条件，0N = mg 在水平方向应用平衡条件，N = m2 r /得：m0=gf=0N N mg f*=m2r w2r,w=gm0r最小线速度 v=wr=rg/m0=3.0´9.8/0.6=7m/s 3.5.5一杂技演员令雨伞绕铅直轴转动，一小圆盘在雨伞上滚动但相对地面在原地转动，即盘中心不动。小盘相对于雨伞如何运动？以伞为参考系，小盘受力如何？若保持牛顿第二定律形式不变，应如何解释小盘的运动？ 解：可把小盘当作质点，小盘相对雨伞做匀速圆周运动，与伞相对地的转向相反。 以伞为参考系，小盘质点受5个力的作用：向下的重力W，与扇面垂直的支持力N，沿伞面向上的静摩擦力f0，此外还有离心惯性力fC*和科氏惯性力fk*，方向如图所示。把这些力都考虑进去，即可保持牛顿第二定律的形式不变，小盘正是在这些力的作用下相对伞做匀速圆周运动。 3.5.6设在北纬60°自南向北发射一弹道导弹，其速率为400m/s，打击6.0km远的目标，问该弹受地球自转影响否？如受影响，偏离目标多少? 解：以地球为参考系，导弹除受重力作用外，还要受离心惯性力和科氏惯性力的作用。离心惯性力的方向在速度与重力加速度平面内，不会使导弹前进方位偏离，而科氏惯性力的方向垂直速度、重力加速度平面，要使导弹偏离前进方向。 由于导弹速度较大，目标又不是很远，可近似认为导弹做匀速直线运动，导弹击中目标所需时间t=6000/400=15s，在此时间内导弹在科氏惯性力作用下偏离目标的距离： 11f*12