大学物理(上)期末复习题
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1-6已知质点沿x 轴作直线运动,其运动方程为x26t 22t 3,式中x 的单位为m,t 的单位为s .求:(1) 质点在运动开始后4.0s 内的位移的大小; (2) 质点在该时间内所通过的路程; (3) t =4s 时质点的速度和加速度.2-21-13 质点沿直线运动 ,加速度a =4-t,式中a 的单位为m ·s ,t 的单位为s.如果当t = -13s时,x =9m,v =2m ·s ,求质点的运动方程.1-14一石子从空中由静止下落 ,由于空气阻力,石子并非作自由落体运动 ,现测得其加速度a =A-Bv,式中A 、B 为正恒量,求石子下落的速度和运动方程.解选取石子下落方向为 y 轴正向,下落起点为坐标原点.(1)由题意知a dv ABv(1) dt用分离变量法把式 (1)改写为dv dt (2) ABv将式(2)两边积分并考虑初始条件,有dvv dv t A dt v 0 Bv得石子速度 vA(1e Bt)A B由此可知当,t →∞时,v为一常量,通常称为极限速度或收尾速度. B(2)再由vdy A(1 e Bt )并考虑初始条件有dt B y t A Bt )dtdy (1e0 0B得石子运动方程y A t A (eBt 1)BB 21-22一质点沿半径为R 的圆周按规律s v 0t 1bt 2 运动,v0 、b 都是常量.(1)求t 2时刻质点的总加速度; (2)t 为何值时总加速度在数值上等于b ?(3) 当加速度达到b 时,质点 已沿圆周运行了多少圈?解 (1)质点作圆周运动的速率为vds b tv 0dt其加速度的切向分量和法向分量分别为d2s v2(v0bt)2a t2 b,a nRdt R故加速度的大小为a a n2a t2a t2b2(v0bt)4R其方向与切线之间的夹角为θarctan a narctan(v0bt)2 a t Rb(2)要使|a|=b,由 1 R2b2(v0bt)4b可得Rt v0b(3)从t=0开始到t=v0/b时,质点经过的路程为v02s s t s02b因此质点运行的圈数为n sv022πR4πbR1-24一质点在半径为 0.10m的圆周上运动,其角位置为θ 2 4t3,式中θ的单位为rad,t的单位为s.(1)求在t=2.0s时质点的法向加速度和切向加速度.(2)当切向加速度的大小恰等于总加速度大小的一半时,θ值为多少?(3)t为多少时,法向加速度和切向加速度的值相等?解(1)由于θ 2 4t3,则角速度ωdθ12t2.在t=2s时,法向加速度和切向dt加速度的数值分别为a nt2s rω2 2.30msatt2s r dω4.80msdt 2 2(2) 当a t a/2 1 a n2a t2时,有3a t2a n2,即2324rt 2212t24 r得t312 3此时刻的角位置为θ2 4t3 3.15rad (3) 要使a n a t,则有324rt 2 r212t24t=0.55s2-15轻型飞机连同驾驶员总质量为 1.0 10×3kg.飞机以55.0ms·-1的速率在水平跑道上着陆后,驾驶员开始制动,若阻力与时间成正比,比例系数α=5.0×102N·s-1,空气对飞机升力不计,求:(1)10s后飞机的速率;(2) 飞机着陆后10s内滑行的距离.解以地面飞机滑行方向为坐标正方向,由牛顿运动定律及初始条件,有Fdvmdtv tv 0dv得vv0αt22mtαt dt m因此,飞机着陆10s后的速率为v=30ms·-1x tαt2又dx v0dtx0 02m故飞机着陆后10s内所滑行的距离sx x vt αt3467m0 06m2-20质量为45.0kg的物体,由地面以初速60.0 m·s-1竖直向上发射,物体受到空气的-1求物体发射到最大高度所需的时间.(2)最大高阻力为Fr=kv,且k=0.03N/(ms·).(1)度为多少?解(1) 物体在空中受重力mg和空气阻力Fr=kv作用而减速.由牛顿定律得根据始末条件对上式积分 ,有t vdt mv0mgkv m dv (1)dtdvvmg kvt m ln1 kv0 6.11s k mg(2)利用dv v dv的关系代入式(1),可得dt dydvmg kv mv分离变量后积分y 0 dy0 v0mvdv mg kv故m mgln1kv0v0183m yk mgk2-35质量为m的子弹以速度v0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,速度随时间变化的函数式;(2)子弹进入沙土的最大深度。
3-7质量为m的物体,由水平面上点O以初速为v0抛出,v0与水平面成仰角α.若不计空气阻力,求:(1)物体从发射点O到最高点的过程中,重力的冲量;(2)物体从发射点到落回至同一水平面的过程中,重力的冲量.3-10质量为m的小球,在合外力F=-kx作用下运动,已知x=Acosωt,其中k、ω、A均π时间内小球动量的增量.为正常量,求在t=0到t2ω3-12一作斜抛运动的物体,在最高点炸裂为质量相等的两块,最高点距离地面为19.6 m.爆炸1.00s后,第一块落到爆炸点正下方的地面上,此处距抛出点的水平距离为1.00×102m.问第二块落在距抛出点多远的地面上.(设空气的阻力不计)解取如图示坐标,根据抛体运动的规律,爆炸前,物体在最高点A的速度的水平分量为v0x x1x1gt0(1)2h物体爆炸后,第一块碎片竖直落下的运动方程为y 1 hv 1t 1gt 22当该碎片落地时,有y 1 =0,t =t1,则由上式得爆炸后第一块碎片抛出的速度h 1gt 2v 1 2 (2) t 1又根据动量守恒定律,在最高点处有m v0x 1m(3) 2 v2x1mv1mv 2y (4)2 1 2联立解式(1)、(2)、(3) 和(4),可得爆炸后第二块碎片抛出时的速度分量分别为v2x 2 2x g100ms 1v0x 1 2h2y h1gt 1214.7ms 1v 1 2v t 1爆炸后,第二块碎片作斜抛运动 ,其运动方程为x 2 x 1 v2x t2(5)y 2 hv2y t 21gt 22 (6)2落地时,y2=0,由式(5)、(6)可解得第二块碎片落地点的水平位置x2=500m3-14质量为m ′的人手里拿着一个质量为 m 的物体,此人用与水平面成α角的速率v0向前跳去.当他达到最高点时,他将物体以相对于人为 u 的水平速率向后抛出.问:由于人 抛出物体,他跳跃的距离增加了多少? (假设人可视为质点)解取如图所示坐标.把人与物视为一系统,当人跳跃到最高点处,在向左抛物的过程中,满足动量守恒,故有m mv0cosαmv mv u式中v 为人抛物后相对地面的水平速率 ,v-u 为抛出物对地面的水平速率.得mv0 v0cos α um m 人的水平速率的增量为mv v v0cos αum m而人从最高点到地面的运动时间为tv0sin αg所以,人跳跃后增加的距离mv 0sin αxvtm mg3-19一物体在介质中按规律x =ct 3作直线运动,c 为一常量.设介质对物体的阻力正比于速度的平方.试求物体由x0=0运动到x =l 时,阻力所作的功.(已知阻力系数为 k)解 由运动学方程x =ct 3,可得物体的速度v dx 3ct 2dt 按题意及上述关系 ,物体所受阻力的大小为F kv 29kc 2t 49kc2/3x 4/3则阻力的功为llcos180odx l2/3x 4/3dx 27kc 2/3l 7/3WF d x F 9kc0 00 73-20一人从10.0m 深的井中提水,起始桶中装有10.0kg的水,由于水桶漏水,每升高1.00m 要漏去0.20kg 的水.水桶被匀速地从井中提到井口,求所作的功.解 水桶在匀速上提过程中 ,a =0,拉力与水桶重力平衡 ,有F +P =0在图示所取坐标下 ,水桶重力随位置的变化关系为P =mg-αgy其中α=0.2kg/m,人对水桶的拉力的功为W l F d y 10 882J 0 mgagydy3-22一质量为m 的质点,系在细绳的一端,绳的另一端固定在平面上. 此质点在粗糙水平面上作半径为r 的圆周运动.设质点的最初速率是 v0.当它运动一周时,其速率为v0/2.求: (1) 摩擦力作的功;(2)动摩擦因数;(3)在静止以前质点运动了多少圈?解 (1)摩擦力作功为WEk Ek0 1 mv2 1 mv02 3 m v02 (1)2 2 8(2)由于摩擦力是一恒力,且Ff=μmg,故有W F f scos180o2πrμmg (2) 由式(1)、(2)可得动摩擦因数为μ3v0216πrg(3)由于一周中损失的动能为 3 mv02,则在静止前可运行的圈数为8n Ek0 4圈W 33-30质量为m的弹丸A,穿过如图所示的摆锤B后,速率由v减少到v/2.已知摆锤的质量为m′,摆线长度为l,如果摆锤能在垂直平面内完成一个完全的圆周运动,弹丸速度v的最小值应为多少?解由水平方向的动量守恒定律,有mv m v mv (1)2为使摆锤恰好能在垂直平面内作圆周运动,在最高点时,摆线中的张力FT=0,则m2mgv h(2)l式中v′h为摆锤在圆周最高点的运动速率.又摆锤在垂直平面内作圆周运动的过程中,满足机械能守恒定律,故有1mv 2mgl1mvh2(3)2 2解上述三个方程,可得弹丸所需速率的最小值为v2mm5gl5-1电荷面密度均为+σ的两块“无限大”均匀带电的平行平板如图间各点电场强度E(设电场强度方向向右为正、向左为负)随位置坐标(A)放置,其周围空x变化的关系曲线为图(B)中的( )5-10一半径为R的半球壳,均匀地带有电荷,电荷面密度为σ,求球心处电场强度的大小.分析这仍是一个连续带电体问题,求解的关键在于如何取电荷元.现将半球壳分割为一组平行的细圆环,如图所示,从教材第5 -3节的例1可以看出,所有平行圆环在轴线上P处的电场强度方向都相同,将所有带电圆环的电场强度积分,即可求得球心O处的电场强度. 解将半球壳分割为一组平行细圆环,任一个圆环所带电荷元dq2 ,在点O激发的电场强度为δdSδ2πRsinθdθd E1xdq4πεx2r22/3i由于平行细圆环在点O激发的电场强度方向相同,利用几何关系x,统RcosθrRsinθ一积分变量,有1 xdq 1RcosθδπR2 θθdE 4πε0x2r22/34πε0R3 2 sind δsinθcosθdθ2ε积分得π/2 δθcosθdθδE sin4ε0 02ε05-12两条无限长平行直导线相距为r0,均匀带有等量异号电荷,电荷线密度为λ.(1)求两导线构成的平面上任一点的电场强度( 设该点到其中一线的垂直距离为x);(2)求每一根导线上单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力.分析(1) 在两导线构成的平面上任一点的电场强度为两导线单独在此所激发的电场的叠加.(2)由F=q E,单位长度导线所受的电场力等于另一根导线在该导线处的电场强度乘以单位长度导线所带电量,即:F=λE.应该注意:式中的电场强度E是另一根带电导线激发的电场强度,电荷自身建立的电场不会对自身电荷产生作用力.解(1)设点P在导线构成的平面上,E+、E-分别表示正、负带电导线在P点的电场强度,则有EE Eλ1 12πε0x ir0xλr0i0 xr0x2πε(2) 设F+、F-分别表示正、负带电导线单位长度所受的电场力,则有FλEλi2πεr002FλEλi2πεr00显然有F+=F-,相互作用力大小相等,方向相反,两导线相互吸引.5-17设在半径为R的球体内,其电荷为球对称分布,电荷体密度为ρkr 0 r Rρ0 r Rk为一常量.试分别用高斯定理和电场叠加原理求电场强度E与r的函数关系.解1 因电荷分布和电场分布均为球对称,球面上各点电场强度的大小为常量,由高斯定理1E d SρdV得球体内(0≤r≤R)ε4π2 1 π 4Err r kr4πrdrε0ε0 0E r kr2e r4ε0球体外(r>R)Er4πr 21kr4πr2dr π 4Rε0 ε0 0E r kR2e r4ε0解2 将带电球分割成球壳,球壳带电dq ρdV kr4πr2dr 由上述分析,球体内(0≤r≤R)E rr1 kr4πr2dre rkr2e r 04πε0r24ε球体外(r>R)E r R1 kr4πr2dr kR204πε0r2er4ε0r2e r5-21两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面,半径分别为R1和R2>R1),单位长度上的电荷为λ.求离轴线为r 处的电场强度:(1)r <R1,(2) R1<r<R2,(3)r>R2.分析电荷分布在无限长同轴圆柱面上,电场强度也必定沿轴对称分布,取同轴圆柱面为高斯面,只有侧面的电场强度通量不为零,且E d S E2πrL,求出不同半径高斯面内的电荷q.即可解得各区域电场的分布.解作同轴圆柱面为高斯面,根据高斯定理E2πrL q/εr<R1,q0E10在带电面附近,电场强度大小不连续,电场强度有一跃变R1<r<R2,q λLE2λ2πεrr>R2,q0E30在带电面附近,电场强度大小不连续,电场强度有一跃变EλλL ζ2π2πεε0r ε0rL 0 这与5 -20题分析讨论的结果一致.5-25一个球形雨滴半径为0.40mm,带有电量1.6pC,它表面的电势有多大?两个这样的雨滴相遇后合并为一个较大的雨滴,这个雨滴表面的电势又是多大?分析取无穷远处为零电势参考点,半径为R带电量为q的带电球形雨滴表面电势为V1 qR4πε当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后,半径增大为 3 2R,代入上式后可以求出两雨滴相遇合并后,雨滴表面的电势.解根据已知条件球形雨滴半径R1=0.40mm,带有电量q1=1.6pC,可以求得带电球形雨滴表面电势V11 q136V 4πε0R1当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后,雨滴半径R232R1,带有电量q2=2q1,雨滴表面电势V21 2q157V 4 πε32R15-30两个很长的共轴圆柱面(R1=3.0×10-2m,R2=0.10m),带有等量异号的电荷,两者的电势差为450V.求:(1) 圆柱面单位长度上带有多少电荷?(2)r=0.05 m处的电场强度.解(1)由习题5-21的结果,可得两圆柱面之间的电场强度为Eλ2πε0r根据电势差的定义有λln R2U12R2E2d lR12πεR1解得λ2πε0U12/ln R2 2.1 108Cm1R1(2) 解得两圆柱面之间 r=0.05m处的电场强度E λ7475Vm12πε0r6-9在一半径为R1=6.0cm 的金属球A 外面套有一个同心的金属球壳B.已知球壳B的内、外半径分别为R2=8.0cm,R3 =10.0cm.设球A 带有总电荷QA =3.0×10-8C,球壳B带有总电荷QB =2.0×10-8C.(1)求球壳B 内、外表面上所带的电荷以及球A和球壳B 的电势;(2)将球壳 B 接地然后断开,再把金属球A接地,求金属球 A 和球壳B 内、外表面上所带的电荷以及球A和球壳 B 的电势.分析(1)根据静电感应和静电平衡时导体表面电荷分布的规律,电荷Q A均匀分布在球A表面,球壳B内表面带电荷-Q A,外表面带电荷Q B+Q A,电荷在导体表面均匀分布[图(a)],由带电球面电势的叠加可求得球明导体与大地等电势(大地电势通常取为零).球壳A 和球壳B的电势.(2)导体接地,表B接地后,外表面的电荷与从大地流入的负电荷中和,球壳内表面带电-QA [图(b)].断开球壳B的接地后,再将球A接地,此时球A的电势为零.电势的变化必将引起电荷的重新分布,以保持导体的静电平衡.不失一般性可设此时球A带电qA,根据静电平衡时导体上电荷的分布规律,可知球壳B内表面感应-qA,外表面带电qA-QA [图(c)].此时球A的电势可表示为V Aq A q A q A Q A4π4π4πε0R1ε0R2ε0R3由V A=0 可解出球A所带的电荷q A,再由带电球面电势的叠加,可求出球A和球壳B 的电势.解(1)由分析可知,球A的外表面带电3.0×10-8C,球壳B内表面带电-3.010×-8C,外表面带电5.0×10-8 C.由电势的叠加,球A 和球壳B 的电势分别为V A q A Q A Q A Q A 5.6103V 4πε0R14πε0R24πε0R3V B Q A Q B 4.5103V4πε0R3(2)将球壳B接地后断开,再把球A 接地,设球A带电q A,球A和球壳B的电势为q A q A Q A q AVA4πε0R24πε0R34πε0R1Q A q AV B4πεR0 3解得q A R1R2Q AR1R32.12108CR1R2R2R3即球A 外表面带电2.12-8B内表面带电-2.1210×-8×10C,由分析可推得球壳C,外表面带电-0.9 ×10-8C.另外球A和球壳B 的电势分别为V A0V B7.29 102V导体的接地使各导体的电势分布发生变化,打破了原有的静电平衡,导体表面的电荷将重新分布,以建立新的静电平衡.7-10如图所示,有两根导线沿半径方向接触铁环的a、b两点,并与很远处的电源相接。