程稼夫力学篇-第三章习题参考解答

电磁学静电学1、 静电场的性质静电场是一个保守场，也是一个有源场。

F dl o ⋅=⎰ 高斯定理静电力环路积分等于零 iosq E ds E ⋅=∑⎰⎰电场强度与电势是描述同一静电场的两种办法，两者有联系ab E dr UU ⋅=-∑ ①过程 E dr dU ⋅=-一维情况下 x dUE dx dx=-x dUE dx=- ② 2、 几个对称性的电场（1） 球对称的电场均匀对电球面均匀带点球体例:一半径为1R 的球体均匀带电,体电荷密度为ρ,球内有一半径为2R 的小球形空腔,空腔中心与与球心相距为a ,如图(1)求空腔中心处的电场E(2)求空腔中心处的电势U解:(1)在空腔中任选一点p ,p E 可以看成两个均匀带电球体产生的电场强度之差,即 ()1212333p oooE r r r r E E E ρρρ=-=-令12a o o =这个与p 在空腔中位置无关,所以空腔中心处23o oE a E ρ=(2)求空腔中心处的电势电势也满足叠加原理p U 可以看成两个均匀带电球体产生电势之差即 ()()()222222212123303666o ooo U R a R R R a E E E ρρρ⎡⎤=---=--⎣⎦假设上面球面上,有两个无限小面原i j s s ,计算i s ,受到除了i s 上电荷之处,球面上其它电荷对i s 的静电力,这个静电力包含了j s 上电荷对i s 上电荷的作用力.同样j s 受到除了i s 上电荷以外,球面上其它电荷对j s 上电荷的作用力,这个力同样包含了i s 对j s 的作用力.如果把这里的i j s s 所受力相加,则,i j s s 之间的相互作用力相抵消。

出于这个想法，现在把上半球面分成无限小的面元，把每个面元上所受的静电力（除去各自小面元）相加，其和就是下半球面上的电荷对上半球面上电荷的作用力。

求法:222222=f 224o o o R Q F R R E E R σππππ⎛⎫=⋅==⎪⎝⎭再观察下,均匀带电球面上的电场强度=?通常谈论的表面上电场强度是指什么?例:求均匀带电球面(),Q R ,单位面积受到的静电力?o f =解:令()R R RR R →+≤过程无限缓慢得出此过程中静电力做功的表达式:或者算出2o of E E E σσ=⋅=表面表面而且可以推广到一般的面电荷()σ在此面上电场强度 ()1212E E E =+表面 例:一个半径为R,带电量为Q 的均匀带电球面,求上下两半球之间的静电力?解:原则上,这个作用力是上半球面上的电荷受到来自下半球面的电荷产生的电场强度的空间分布,对上半球面上各电荷作用力之和,由于下半球面上电荷所产生的电场强度分布,所以这样计较有困难.例:求半径为R,带电量为Q 的均匀带电球面,外侧的静电场能量密度.解:静电场(真空)能量密度 212o E E ω=本题球面外侧: 214o QE E R π=推论:如果在上述带电球体外侧无限空间中充满了相对电常数为r E 的多向同性均匀电合质,下面求张力:它等于右半球表面所收到的静电力之和前面求出过本小题:,03d E ρε=本题:导体球放在匀强电场中,产生感应电荷的分布,令为由于要求导体内0E =例:一个半径为R,原不带电的导体球放置于匀强电场o E 中,求由于静电感应所产生的感应电荷,所带来的两半球之间新增的张力.解:预备知识:⑴一个半径为R 的均匀各向同性介质在匀强电场中受到极化,求极化电荷的分布.解:o θ=时,o d σρ=⑵求极化介质球,由于极化电荷所产生的介质球内的电场强度,E 例:带电圈环:,R q (均匀带电)求图中带电圈环与带电半直线之间的相互作用力.解:这题取下面方法:先求均匀带电半直线产生的电场强度,对均匀带电圈处的电荷的作用力上图中圈环上的点离半直线两端点的距离为R,环上P点处的电场强度,可以用辅助14圈弧(λ)在P点产生的场强大小.圈环受到合力在,oqλ均为正值时，方向向左，大小为在达到静电平衡的整个空间中，如果有一个处于静电平衡的带电面，在计算此面上某处受到的静电力，无需用整个空间中的各带电体，面，线，点，计算对其作用之和，只需先求出此面上该处的电场强度，该表面受到的静电力。

[习题3--4] 已知挡土墙自重kNW400=，土压力kNF320=，水压力kNFP176=，如图3-26所示。

求这些力向底面中心O简化的结果；如能简化为一合力，试求出合力作用线的位置。

图中长度单位为m。

解:(1) 求主矢量)(134.6940cos32017640cos00kNFFFPRx-=-=-=)(692.60540sin32040040sin00kNFWFRy-=--=--=)(625.609)692.605()134.69(2222kNFFFRyRxR=-+-=+=RF与水平面之间的夹角:"'0182983134.69692.605arctanarctan=--==RxRyFFα(2) 求主矩)(321.296)60cos33(40sin32060sin340cos32021768.040000mkNMO⋅=-⨯-⨯+⨯-⨯=(3)把主矢量与主矩合成一个力)(486.0625.609321.296mFMdRO===)(498.05.83sin486.0sin0mdx===α[习题3－9] 求图示刚架支座A、B的反力，已知：图（a）中，M＝2.5ｋＮ·ｍ，m5.F ＝5ｋＮ；图（ｂ）中，ｑ＝１ｋＮ／ｍ，F ＝3ｋＮ。

解：图（a ）（1）以刚架ABCD 为研究对象，画出其受力图如图所示。

（2）因为AC 平衡，所以 ①0)(=∑i AF M02545.2532=⨯⨯-⨯⨯++⨯F F M R B085.75.22=-++B R )(1kN R B = ②0=∑ixF053=⨯-F R Ax )(3535kN R Ax=⨯=BR ③0=∑iyF054=⨯-+F R R B Ay )(38.05154kN F R R B Ay =⨯+-=⨯+-=解：图（b ）（1）以刚架ABCD 为研究对象，画出其受力图如图所示。

（2）因为AC 平衡，所以 ①0)(=∑i AF M02434=⨯⨯-⨯-⨯q F R B 0241334=⨯⨯-⨯-B R )(25.44/)89(kN R B =+= ②0=∑ixF0=+F R Ax )(3kN F R Ax -=-= ③0=∑iyF04=⨯-+q R R B Ay)(25.04125.44kN q R R B Ay -=⨯+-=⨯+-=AxR AyR AM AxR ByR BxR AyR [习题3－13] 悬管刚架受力如图。

《理论力学》第三章作业参考答案习题3-9解：力F在x 、y 坐标轴上的投影分别为：)(03.169100050301010222N F x =⨯++=)(09.507100050301030222N F y =⨯++=力F作用点的坐标为1500.15x m m m =-=-，(10050)0.15y mm m =+=。

所以，0.15507.090.15169.09101.4(.)Z y x M xF yF N m =-=-⨯-⨯≈-答: 力F对z 轴的力矩为-101.4Nm .习题3-11解：力F在x 、y 、z 坐标轴上的投影分别为：00cos 60cos 304x F F F ==1cos 60sin 304y F F F=-=-FF F Z 2360sin 0-=-=力F的作用点C 的坐标为1sin 302o x r r==，cos 302o y r ==，z h =。

所以，()Fr h F h F r zF yF My z X341412323-=⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=()F r h F r F h xF zF Mz x y+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-=4323243rF F r F r yF xF Mxy Z214323412-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=答：力F对x 、y 、z 轴的矩分别为：()134h r F -，)4h r F +，12rF-。

习题3-12解：以整个支架为研究对象。

由于各杆为二力杆，球铰链A 、B 、C 处的约束力A F 、B F 、C F 沿杆件连线汇交于D 端球铰链，与物块的重力P构成一空间汇交力系，其受力情况如图所示。

以O 为原点建立坐标系，列平衡方程，我们有⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===∑∑∑000z y x F F F⎪⎩⎪⎨⎧=-++=++=-015sin 30sin 45sin 30sin 45sin 015cos 30cos 45sin 30cos 45sin 045cos 45cos 000000000000P F F F F F F F F C B A C B A B A 解之得：()()()cos1526.39()2sin 45sin 3015cos1526.39()2sin 45sin 3015cos 3033.46()sin 3015o A o o ooB o o ooC o o P F kN P F kN F P kN ⎧⎪==-⎪⎪⎪==⎨-⎪⎪⎪=-=-⎪-⎩答：铰链A 、B 的约束力均等于26.39kN ，方向与图示相同，即为压力，铰链C 的约束力等于-33.46 kN ，方向与图示相反，即为拉力。

前言：特别感谢质心教育的题库与解析，以及“程稼夫力学、电磁学习题答案详解”的作者前辈和血色の寂宁前辈的资料.非习题部分：P314 积分中运用了近似，这里给出非近似解答：3-2先计算圆环上的电流3-又垂直于磁场方向粒子做圆周运动得当运动了时，电子一定会回到轴上.即若，则聚焦到了屏上.解得.3-4考虑出射角度为θ为粒子，其运动在垂直于磁场平面内的投影为一个过原点的圆.设半径为r，1)2)对应的立体角为比值为——前辈大神云：当年我没事练习积分的时候发现，找一个球面，沿垂直于一固定方向的平面切两刀，则无论如何切，两刀间的面积总是仅与两刀间的距离呈正比。

（具体证明请在X3-5（1得（2）沿TM方向不受力，速度分量恒为；垂直于磁场方向的平面上，粒子的投影是匀速圆周运动.动力学方程：解得欲经过M点，须在时，圆周运动回到了圆周运动的起点，即周运动抵达原点.由此设计，并考虑方向，可得答案：3-8当摆角为θ时，设摆的速度v，（1解得.（2）若，便不能达到，这时只需考虑最低点，因为那里最接近二次函数的极值点：解得前面的条件要求，故，解得.即时，在最低点恰好T=0，而时不会出现情况2)综上所述（2）出发后时，粒子第一次经过x轴代入解得.（3），为整数个周期，即粒子回到x轴此时即粒子回到原点.粒子运动中占据的空间为一圆柱，轴线长即x坐标最大值：半径即粒子匀速圆周运动的半径：体积为.3-10因为E垂直于平面而质子轨迹在平面内，所以质子的动能守恒.. 3-11如图，速度方向、电场方向和磁场方向两两垂直，洛伦兹力与电场力平衡得取一小段时间，这期间冲到靶上的粒子的电量为.这些粒子的质量为.由动量定理其中F是质子束受到的力.作用在靶上的力是它的反作用力.3-12（1）在垂直于磁场方向粒子做匀速圆周运动，动力学方程时，3-取，记，有可见是以为角速度的匀速圆周运动的速度.，解得，故有积分得到（3）粒子速度为零，即，由此解得，相（4x投影3-14设粒子距离磁极r，轨道半径为R，回旋角速度为ω.粒子受力如图，其中动力学方程可由力三角表示，以为直角边的三角形，斜边为解得，故有.3-15设圆运动半径为R3-16法一：建立空间直角坐标系如图.取，记，有可见是以为角速度的匀速圆周运动的速度.知圆运动这部分的半径，且与y轴相切，由几何关系临界是当..（2）根据运动的独立性，首先只考虑匀速圆周运动由速度合成可得.3-18撤去重力场，以等效的电场代之.动力学方程：取，记，有，记，有可见是以为角速度的匀速圆周运动的速度.由初始条件，知线速度速度最大时圆运动的速度与漂移速度同向，第二阶段的速度最大值为综上，整个过程最大速度.3-20方法一：记这一段导管长为l，它受到安培力为，于是两壁压差为3-由于把3-竖直方向只有重力作用，是上抛运动水平方向，得，有所以由二次函数性质，在时有最小值3-23设横向电场E2，纵向电场E1.由横向电场力与洛伦兹力平衡：于是有.3-24（1）由动力学方程：得到，又回旋加速器中粒子作圆周运动的周期即为电场的周期解得（2）.3-25（2）能够射出的电子，其轨迹圆心都在S的右半边.由于电子顺时针回旋，电子总是轨迹圆与MN 从较为靠上的交点射出.对于圆心在右下时，射出点在相切时最靠下.由几何关系对于圆心在右上时，射出点与S对径时最靠上.由几何关系所以（3）轨迹圆心在S右边的电子初速度方向是向上和斜向上的所有方向.故占. 3-26数据不足无法得到答案，这里提供解法：（1）初速度设为，由，解得3-28题设A的量纲明显不对，强行忽略就好了.动力学方程取，记，有可见是以为角速度的匀速圆周运动的速度.因为z方向无外力，故粒子会留在平面内，因为，所以圆周运动那部，依分离实部虚部得：电子在z方向的运动，由一个沿z方向的匀速直线运动和另一个同样沿z方向的谐振动叠加；电子运动在平面内的投影是一条旋轮线.。

《工程力学》第三章精选习题及解答提示3—1 图示空间三力5001=F N ，10002=F N ，7003=F N ，求此三力在x ，y ，z 轴上的投影；并写出三力矢量表达式。

【解】（1）求三力在x ，y ，z 轴上的投影。

力1F的投影： ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⨯=+⨯==⨯=+⨯-=N 224515002110N 447525002122211112211F F y xoz F F F F z y x 轴垂直）坐标面内，与位于—（———＝－－ 力2F 的投影（采用二次投影法）：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⨯=++⨯=-=⨯-=+⨯+++⨯-=⨯=+⨯+++⨯-=N 26714110003211N 802143100032132132N 53514210003223213222222222222222222222222F F F F F F z y x ＝－－ 力3F 的投影（3F 位于xoy 坐标面内，与x 轴平行同向）：⎪⎩⎪⎨⎧====00N 7003333z y x F F F F（2）写出三力的矢量表达式： k i k F j F i F F z y x ⋅+⋅-=⋅+⋅+⋅=2244471111 k j i k F j F i F F z y x ⋅+⋅-⋅-=⋅+⋅+⋅=2678025352222 i k F j F i F F z y x ⋅=⋅+⋅+⋅=7003333 3—2 半径为r 的斜齿轮，其上作用有力F ，如图所示。

已知角α和角β，求力F 沿坐标轴的投影及力F 对y 轴之矩。

【解】（1）求力在坐标轴的投影。

根据图中所示的力F 的位置关系，可知本题宜采用二次投影法：⎪⎩⎪⎨⎧⋅-=⋅⋅-=⋅⋅=αβαβαsin cos cos sin cos F F F F F F z y x（2）求力F 对y 轴之矩： 由图可知，力F 可分解为三个分力，分别是：轴向力a F ；径向力r F ；圆周力t F ，即： t r a F F F F ++=由合力矩定理得：βαβαsin cos sin cos 00)()()()(⋅⋅⋅=⋅⋅⋅++=++=r F r F F m F m F m F m t y r y a y y 3—3 铅垂力500=F N ，作用于曲柄上，如图所示，求该力对于各坐标轴之矩。

牛顿第三定律课后篇稳固提升合格考达标练1.(2021山西运城高一月考)如下图,一跳水运发动站在跳板上,图中F1表示人对跳板的弹力,F2表示跳板对人的弹力,那么()A.先有F1后有F2B.一旦人离开跳板,F2立即消失,F1依旧存在C.F1和F2大小相等、方向相反,是一对相互作用力D.因人离开跳板前具有向上的加速度,所以F2大于F1F1和跳板对人的弹力F2是一对作用力和反作用力,它们大小相等,方向相反,作用在不同物体上,同时产生,同时消失,应选C。

2.(2021甘肃白银高一期末)如下图,一个大人(甲)跟一个小孩(乙)站在水平地面上手拉手比力气,结果大人把小孩拉过来了。

对这个过程中作用于双方的力的关系,以下说法正确的选项是()A.大人拉小孩的力比小孩拉大人的力大B.大人与小孩间的拉力是一对平衡力C.大人拉小孩的力与小孩拉大人的力大小可能不相等D.大人与小孩之间的拉力是作用力和反作用力,大人拉小孩的力与小孩拉大人的力大小一定相等,选项A错误,C错误;大人拉小孩的力与小孩拉大人的力是一对作用力和反作用力,选项B错误,D正确。

3.(2021广西百色高一期末)2021年7月23日,搭载着中国首颗火星探测器天问一号的长征五号重型运载火箭在海南文昌发射场顺利发射升空。

火箭点火升空时,喷出的燃气以很大的速度从火箭喷口喷出,火箭获得推力而升空,如下图,那么()A.火箭获得的推力来自空气B.火箭对喷出燃气的作用力与喷出燃气对火箭的作用力是一对作用力和反作用力C.喷出的燃气对火箭的作用力与火箭的重力是一对作用力和反作用力D.喷出的燃气对火箭的作用力与火箭的重力是一对平衡力,燃气对火箭的反作用力:施力物体是喷出的燃气,受力物体是火箭,使火箭获得的推力,A错误;火箭对喷出燃气的作用力与喷出燃气对火箭的作用力是两个物体之间的相互作用,是一对作用力和反作用力,B正确;火箭喷出的燃气对火箭的作用力与火箭的重力都作用在火箭上,不是一对作用力和反作用力,C错误;火箭能加速上升,说明火箭喷出的燃气对火箭的作用力大于火箭的重力,D错误。

板块三限时规范特训时间：45分钟 100分一、选择题(本题共10小题，每小题7分，共70分。

其中1～6为单选，7～10为多选)1．16世纪末，伽利略用实验和推理，推翻了已在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力与运动的理论，开启了物理学发展的新纪元。

在以下说法中，与亚里士多德观点相反的是( )A ．四匹马拉的车比两匹马拉的车跑得快；这说明，物体受的力越大，速度就越大B ．一个运动的物体，如果不再受力了，它总会逐渐停下来，这说明，静止状态才是物体不受力时的“自然状态”C ．两物体从同一高度自由下落，较重的物体下落较快D ．一个物体维持匀速直线运动，不需要力答案 D解析 亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，力越大物体运动越快，因此A 、B 、C 三项均与亚里士多德的观点一致。

只有D 与亚里士多德的观点相反。

2．关于惯性，下列说法中正确的是( )A ．物体只有静止或做匀速直线运动时才有惯性B ．速度越大的物体惯性越大C ．已知月球上的重力加速度是地球上的16，故一个物体从地球移到月球惯性减小为16D ．质量越大的物体惯性越大答案 D解析 惯性是物体的固有属性，惯性的大小只与物体的质量有关，与物体的运动状态和所处的位置无关，故A 、B 、C 错误，D 正确。

3．在学习了牛顿第一定律后，四位同学分别列举实例提出了自己的不同认识，你认为以下四个选项中几位同学的研究结论，正确的是( )A ．甲同学研究从地面竖直向上跳起来的运动。

地球绕着地轴自西向东自转，他发现人跳起来后总是落回原处，经过思考，他认为这是因为人在空中滞留的时间太短，如果时间足够长，人应该落在起跳点的西侧B ．乙同学通过查阅资料，发现在轨道上的卫星不用火箭施加任何推力就能自行绕地球运转，他认为是惯性维持了卫星的这种运动C ．丙同学通过观察发现，让一列火车停下来比让一辆汽车停下来要困难得多，他认为根本原因是火车的惯性要比汽车的惯性大D ．丁同学观看战争资料片，研究飞机投弹轰炸，他认为若要投得准确，关键是当飞机飞到目标正上方时，准时地将炸弹释放答案 C解析 地球绕着地轴自西向东自转，甲同学研究从地面竖直向上跳起来的运动。