大学物理,第二章,质点动力学
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大学物理第2章质点动力学习题解答-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第2章 质点动力学习题解答2-17 质量为2kg 的质点的运动学方程为 j t t i t r ˆ)133(ˆ)16(22+++-= (单位:米,秒), 求证质点受恒力而运动,并求力的方向大小。
解:∵j i dt r d a ˆ6ˆ12/22+== , j i a m F ˆ12ˆ24+== 为一与时间无关的恒矢量,∴质点受恒力而运动。
F=(242+122)1/2=125N ,力与x 轴之间夹角为:'34265.0/︒===arctg F arctgF x y α2-18 质量为m 的质点在o-xy 平面内运动,质点的运动学方程为:j t b i t a r ˆsin ˆcos ωω+= ,a,b,ω为正常数,证明作用于质点的合力总指向原点。
证明:∵r j t b it a dt r d a 2222)ˆsin ˆcos (/ωωωω-=+-== r m a m F2ω-==, ∴作用于质点的合力总指向原点。
2-19在图示的装置中两物体的质量各为m 1,m 2,物体之间及物体与桌面间的摩擦系数都为μ,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。
解:以地为参考系,隔离m 1,m 2,受力及运动情况如图示,其中:f 1=μN 1=μm 1g ,f 2=μN 2=μ(N 1+m 2g)=μ(m 1+m 2)g. 在水平方向对两个质点应用牛二定律:②①a m T g m m g m F a m g m T 221111)(=-+--=-μμμ①+②可求得:g m m gm F a μμ-+-=2112将a 代入①中,可求得:2111)2(m m g m F m T +-=μf 1N 1m 1TaFN 2 m 2TaN 1 f 1 f 22-20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m 1,m 2的物体(m 1≠m 2),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。
本章题头§2-1 牛顿运动定律英国物理学家, 经典物理学的奠基人.创立了经典力学的 基本体系光学,牛顿致力于光的颜色和光 的本性数学,建立了二项式定理,创立 了微积分牛顿 Issac Newton (1643-1727)天文学,发现了万有引力定律, 创制反射望远镜,初步观察到了 行星运动的规律。
一、牛顿第一定律 (Newton first law)惯性定律 任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态, 直到受到力的作用迫使它改变这种状态为止。
意义惯性以及力的概念 1、定义了物体(质点)的惯性;2、说明了力是物体运动状态改变的原因定义了惯性参考系二、牛顿第二定律 (Newton second law)质点加速度的大小与所受合力的大小成正比 , 与质点自身的质量成反比; 加速度方向与合力方向相同。
牛顿第二定律的数学形式为 Fma 原始形式:F dPd mv dmvm dvdtdtdtdt当 v c 时,m 为常量 Fm dvmadt宏观低速运动时1、瞬时性: 之间一一对应(同生、同向、同变、同灭) n 2、力的叠加性:F F1 F2 Fi Fii =13、矢量性:具体运算时应写成分量式直角坐标系中: Fma maximay jmaz k Fxmaxmdv x dt Fyma ymdv y dt Fzmazmdvz dt 自然坐标系中: Fmam at anF mdv dtFnmv24、说明了质量是物体惯性的量度5、在一般情况下力, F是一个变力常见的几中变力形式:F F x kx常见的几中变力形式:F F t F F v kv弹性力 打击力 阻尼力6、适用对象:质点 7、成立的参考系:惯性系 8、成立的条件:宏观低速10'T 三、牛顿第三定律(Newton third law)物体A 以力F AB 作用于物体B 时, 物体B 也必定同时以力F BA 作用于物体A , F AB 与F BA 大小相等, 方向相反, 并处于同一条直线上,(物体间相互作用规律)mmT P 'P 地球F AB = F BA作用力与反作用力:1、它们总是成对出现。
第2章质点动力学2.1 牛顿运动定律一、牛顿第一定律任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直到其他物体所作用的力迫使它改 变这种状态为止。
二、牛顿第二定律物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比,与物体的质量成反比, 方向与合外力的方向相同。
表示为f ma说明:⑵在直角坐标系中,牛顿方程可写成分量式f x ma *, f y ma y , f z ma z 。
⑶ 在圆周运动中,牛顿方程沿切向和法向的分量式f t ma t f n ma n⑷ 动量:物体质量m 与运动速度v 的乘积,用p 表示。
p mv动量是矢量,方向与速度方向相同。
由于质量是衡量,引入动量后,牛顿方程可写成dv m 一 dt 当 f 0时,r 0,dp 常量,即物体的动量大小和方向均不改变。
此结 论成为质点动量守恒定律三、 牛顿第三定律:物体间的作用力和反作用力大小相等,方向相反,且在同 一直线上。
物体同时受几个力f i ,f 2f n 的作用时,合力f 等于这些力的矢量和f n力的叠加原理d pdtf ma说明:作用力和反作用力是属于同一性质的力。
四、国际单位制量纲基本量与基本单位导出量与导出单位五、常见的力力是物体之间的相互作用。
力的基本类型:引力相互作用、电磁相互作用和核力相互作用。
按力的性质来分,常见的力可分为引力、弹性力和摩擦力。
六、牛顿运动定律的应用用牛顿运动定律解题时一般可分为以下几个步骤:隔离物体,受力分析。
建立坐标,列方程。
求解方程。
当力是变力时,用牛顿第二定律得微分方程形式求解。
例题例2-1如下图所示,在倾角为30°的光滑斜面(固定于水平面)上有两物体通过滑轮相连,已知叶3kg, m2 2kg,且滑轮和绳子的质量可忽略,试求每一物体的加速度a及绳子的张力F T(重力加速度g取9.80m • s 2)。
解分别取叶和m2为研究对象,受力分析如上图。
利用牛顿第二定律列方程:「m2g F TYL F T m1gsi n30o m1a绳子张力F T F T代入数据解方程组得加速度a 0.98m • s 2,张力F T 17.64N。
第2章 质点动力学一、基本要求1.理解冲量、动量,功和能等基本概念;2.会用微积分方法计算变力做功,理解保守力作功的特点;3.掌握运用动量守恒定律和机械能守恒定律分析简单系统在平面内运动的力学问题的思想和方法.二、基本内容(一)本章重点和难点:重点:动量守恒定律和能量守恒定律的条件审核、综合性力学问题的分析求解。
难点:微积分方法求解变力做功. (二)知识网络结构图:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧公式只有保守内力做功条件能量守恒定律公式合外力为条件动量守恒定律守恒定律动能定理动量定理基本定理能功冲量动量基本物理量)()0((三)容易混淆的概念: 1。
动量和冲量动量是质点的质量与速度的乘积;冲量是合外力随时间的累积效应,合外力的冲量等于动量增量。
2。
保守力和非保守力保守力是做功只与始末位置有关而与具体路径无关的力,沿闭合路径运动一周保守力做功为0;非保守力是做功与具体路径有关的力.(四)主要内容: 1.动量、冲量 动量:p mv = 冲量:⎰⋅=21t t dt F I2.动量定理:质点动量定理:⎰∆=-=⋅=2112t t v m P P dt F I质点系动量定理:dtPd F=3.动量守恒定律:当系统所受合外力为零时,即0=ex F时,或inex F F系统的总动量保持不变,即:∑===n i i i C v m P 14.变力做功:dr F r d F W BAB A⎰⎰=⋅=θcos (θ为)之间夹角与r d F直角坐标系中:)d d d ( z F y F x F W z y BAx ++=⎰5.动能定理:(1)质点动能定理:k1k221222121E E mv mv W -=-=(质点所受合外力做功等于质点动能增量。
)(2)质点系动能定理:∑∑==-=+ni n i E E W W1kio1ki inex(质点系所受外力做功和内力做功之和等于质点系动能增量。
习题二2-1质量为m 的子弹以速率0v 水平射入沙土中,设子弹所受阻力与速度反向,大小与速度成正比,比例系数为k ,忽略子弹的重力,求:(1)子弹射入沙土后,速度大小随时间的变化关系;(2)子弹射入沙土的最大深度。
[解]设任意时刻子弹的速度为v ,子弹进入沙土的最大深度为s ,由题意知,子弹所受的阻力f =-kv (1)由牛顿第二定律tv mma f d d == 即tv mkv d d ==- 所以t mk v v d d -=对等式两边积分⎰⎰-=tvv t m k v v 0d d 0得t mkv v -=0ln因此t mke v v -=0(2)由牛顿第二定律xv mv t x x v m t v m ma f d d d d d d d d ==== 即xvmv kv d d =- 所以v x mkd d =-对上式两边积分⎰⎰=-000d d v sv x mk 得到0v s m k-=-即kmv s 0=2-2质量为m 的小球,在水中受到的浮力为F ,当它从静止开始沉降时,受到水的粘滞阻力为f =kv (k 为常数)。
若从沉降开始计时,试证明小球在水中竖直沉降的速率v 与时间的关系为[证明]任意时刻t 小球的受力如图所示,取向下为y 轴的正方向,开始沉降处为坐标原点。
由牛顿第二定律得即tvm ma kv F mg d d ==--整理得mtkv F mg v d d =--对上式两边积分⎰⎰=--t vmt kv F mg v00d dy得mktF mg kv F mg -=---ln即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-m kte kFmg v 1 2-3跳伞运动员与装备的质量共为m ,从伞塔上跳出后立即张伞,受空气的阻力与速率的平方成正比,即2kv F =。
求跳伞员的运动速率v 随时间t 变化的规律和极限速率T v 。
[解]设运动员在任一时刻的速率为v ,极限速率为T v ,当运动员受的空气阻力等于运动员及装备的重力时,速率达到极限。