大物第一章课后习题答案.docx
《大物第一章课后习题答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大物第一章课后习题答案.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
大物第一章课后习题答案
简答题
1.1关于行星运动的地心说和日心说的根本区别是什么？
答：
地心说和日心说的根本区别在于描述所观测运动时所选取的参考系不同。
1.2牛顿是怎样统一了行星运动的引力和地面的重力？
答：
用手向空中抛出任一物体，按照惯性定律，物体应沿抛出方向走直线，但是它最终却还会落到地面上。
这说明地球对地面物体都有一种吸引力。
平抛物体的抛速越大，落地时就离起点越远，惯性和地球吸引力使它在空中划出一条曲线。
地球吸引力也应作用于月球，但月球的不落地，牛顿认为这不过是月球下落运动曲线的弯曲度正好与地球表面的弯曲程度相同。
这样牛顿就把地球对地面物体的吸引力和地球对月球的吸引力统一起来了。
牛顿认为这种引力也作用在太阳和行星、行星与行星之间，称为万有引力。
并认为物体所受的重力就等于地球引力场的引力。
这样牛顿就统一了行星运动的引力和地面的重力。
1.3什么是惯性？
什么是惯性系？
答：
任何物体都有保持静止或匀速直线运动状态的特性，这种特性叫惯性。
我们把牛顿第一定律成立的参考系叫惯性系。
而相对于已知惯性系静止或做匀速直线运动的参考系也是惯性系。
1.4人推动车的力和车推人的力是作用力与反作用力，为什么人可以推车前进呢？
答：
人推动车的力和车推人的力是作用力与反作用力，这是符合牛顿第三定律的。
但这两两个力是分别作用在两个物体上的。
对于车这个研究对象来说，它就只受到人推动车的力（在不考虑摩擦力的情况下），所以人可以推车前进。
1.5摩擦力是否一定阻碍物体的运动？
答：
不一定。
例如汽车前进时，在车轮与路面之间实际上存在着两种摩擦力：
静摩擦和滚动摩擦。
前者是驱使汽车前进的驱动力，后者是阻碍汽车前进的阻力。
再如，拖板上放上一物体，拉动拖板，物体可以和拖板一起运动，其原因就是拖板给予了物体向前的摩擦力。
1.6用天平测出的物体的质量，是引力质量还是惯性质量？
两汽车相撞时，其撞击力的产生是源于引力质量还是惯性质量?
答：
用天平测出的物体的质量和引力有关，是地球对物体和砝码的引力对天平刀口支撑点力矩平衡测出的质量，所以是引力质量。
两汽车相撞，其撞击力源于物体运动，是惯性质量。
1.7什么是SI单位制？
SI单位制中的基本量是什么？
质量的单位是什么？
“物质的量”单位又是什么？
答：
在确定各物理量的单位时，总是根据它们之间的相互联系选定少数几个物理量作为基本量，并人为地规定它们的单位。
这样的单位叫基本单位。
其它的物理量都可以根据一定的关系从基本量导出，这些物理量叫导出量。
导出量的单位都是基本单位的组合，叫导出单位。
基本单位和由它们组成的导出单位构成一套单位制。
1960年第11界国际计量大会通过并建议世界各国采用的单位制叫国际单位制，简称SI单位制。
SI单位制中力学基本单位是米（m），千克（kg）,秒（s）。
质量的单位是千克（kg）。
“物质的量”单位是摩尔。
1.8位移和路程有什么不同？
什么情况下位移的大小能和同时间内质点所经过的路程相等？
答：
位移是矢量，路程是标量。
位移是物体初、末位置矢量之间的之差，表示物体位置的改变，一般并不是物体所经历的实际路径。
路程是物体运动经历的实际路径。
在同方向的直线运动中以及览＞0的曲线运动中位移的大小和同时间内质点所经过的路程相等。
1.9匀速率圆周运动中质点的加速度是否是常量？
速率增加的圆周运动中质点的加速度方向又如何？
答：
匀速率圆周运动中质点的加速度不是常量，其切向加速度为零，法向加速度指向圆心。
方向一直在变化。
速率增加的圆周运动中质点的有切向加速度和法向加速度。
切向加速度沿切向，法向加速度指向圆心，其合成后总加速度的方向总指向凹进的那一侧。
1.10切向加速度和法向加速度各对质点的运动状态产生什么影响？
答：
切向加速度的大小表示质点速率变化的快慢，法向加速度的大小表示质点加速度方向变化的快慢。
1.11速度为零的时刻，加速度是否一定为零？
加速度为零的时刻，速度是否一定为零？
物体的加速度不断减小，而速度却不断增大，可能吗?
答：
速度为零的时刻，加速度不一定为零。
加速度为零的时刻，速度不一定为零。
因为加速度是速度对时间的变化率，速度为零的时刻其变化率不一定为零，速度不为零时不能保证其变化率不为零。
例如水平弹簧振子，相对平衡位置有最大位移时其速度为零，而加速度不为零;平衡位置时速度最大而其加速度为零。
物体的加速度不断减小，而速度却不断增大，这是可能的。
例如加速直线运动，物体的加速度可以不断减小，只要与速度的方向一致，物体仍然是加速运动，速度仍不断增大。
1.12一物体在地球表面的重量和在月球表面的重量相同吗？
质量相同吗？
答：
一物体在地球表面的重量和在月球表面的重量不相同。
一物体在地球表面的重量大约是此物体在月球表面的重量的6倍。
质量是相同的。
1.13有一单摆如图1-75所示。
摆球到达最低点P和最高点P2时，摆线中张力是否等于摆球重力在摆线方向的分力大小？
答：
在最低点R,张力大于摆球重力，差值为摆球的向心力。
在最高点F2时，张力等于重力在摆线方向的分力mgcost。
因
为在最高点时，摆球的速度为零。
1.14海水的潮汐现象是什么原因引起的？
答：
潮汐是海水的周期性涨落现象。
是海水所受太阳和月亮的引力造成的。
1.15图1-76，一单摆固定在一块重木板上，板可以沿竖直方向的导轨自由下落，。
使单摆摆动起来，如果当摆球达到最低点时使木板自由下落，在木板下落过程中，摆球相对于木板的运动形式将如何？
如果当摆球到达最高位置时使木板自由下落，摆球相对于木板的运动形式又将如何？
（忽略空气阻力）
答：
摆球在最低点时，具有一定的速度。
此时摆球受到竖直向下的
所以摆球
重力mg,摆线的拉力T,还有竖直向上的惯性力mg。
由于重力和惯性力相互平衡,仅受与其速度v垂直的拉力T的作用。
因此，摆球相对于木板作匀速率的圆周运动。
若当摆球到达最高位置时，木板自由下落，摆球的重力mg与惯性力一mg相平衡，而且摆球的速度为零，绳的拉力也瞬间消失，所以摆球相对于木板静止。
1.16有一个弹簧，其一端连有一小铁球，你能否做一个在汽车内测量汽车加速度的“加速度计”？
根据什么原理？
答：
可以。
将弹簧竖直自由地悬挂于车顶，当汽车加速前进时，小铁球受到垂直向下的重
力、弹簧的拉力以及和运动方向相反的惯性力作用。
当受力平衡时，测出弹簧与竖直线之间的夹角，就可以由a=gtanv的关系式，测出不计弹簧质量时汽车的加速度，小球偏转反方向就是汽车的加速度方向。
1.17匀加速平动参照系中惯性力有反作用力吗？
答：
匀加速平动参照系中惯性力没有反作用力。
因为惯性力是一个虚拟的力。
在匀加速平动参照系中加上惯性力，就可以应用牛顿第二定律的数学形式。
1.18什么是牛顿力学的相对性原理？
为什么说牛顿力学是绝对时空观？
答：
牛顿力学的相对性原理的内容是：
对于力学定律来说，一切惯性系都是等价的。
由于在牛顿力学中认为时间的测量与参考系无关，物体的长度的空间测量也与参考系无
关。
这就是绝对的时空观。
所以说牛顿力学是绝对时空观的。
1.19躺在地上的人身上压着一块重石板，用重锤猛击石板，石板碎裂而下面的人毫无损伤。
何故?
答：
重锤猛击石板，“猛击”之意是二者间碰撞力很大而作用时间
图1-77题1.20用图
很短。
碰撞力很大会使得石板碎裂，碰撞时间很短说明石板获得的动量很小（石板质量》重锤质量）。
在此瞬间过程，由于石板惯性很大，它还来不及向下运动造成人的损伤。
在时间相对较长的人体和重石板相互作用的过程中，化解重石板动量的变化而引起石板对人体的作用力不是很大，所以石板下面的人也会毫无损伤。
1.20如图1-77所示，一重球的上下两边系着的是同样的线。
用手向下拉下边的一根线，如果向下猛一抻，则下面的线断而球未动。
如果用
力慢慢拉线，则上面的线断，为什么？
答：
如果向下猛一抻，给予下面的线一冲量，由于作用时间极短，线受到的冲力就很大，足以大到线所允许的最大张力而使下面的线断开。
再由于重球惯性很大，在一刹那间还来不及运动，下面的线就已断开，即下面的线受到的冲力传不到上面的线，故球末动而上面的线也末断。
若缓慢地增加拉力，下面的线、上面的线及重球在“缓慢作用”下可认为它们时刻都处于力平衡，下面的线中的张力就是受到的拉力。
而上面的线除了受到拉力作用外，还受到重球的重力的作用，其拉力大于下面的线的拉力。
所以，当慢慢地增加拉力，上面的线所承受的力先到达所允许的最大张力的极限而先断。
1.21两个质量相同的物体从同一高度自由下落，与水平地面相碰，一个反弹回去，另一个却贴在地上，问哪一个物体给地面的冲量大？
答：
两个质量相同的物体从同一高度自由下落，和地面相接触的瞬间动量一样。
设其为
Pi=-Pij。
反弹回去物体具有反弹动量p2=p2j，而另一个反弹动量为零。
动量的增量就
是所受的冲量，反弹物体受到的冲量h=（口'p2）j，贴在地上物体受到的冲量|2二p-ij。
因为I1I2，所以反弹回去物体受到的冲量大，也就是它给地面的冲量大。
1.22内力对改变系统的总动量有作用吗？
内力对系统内各质点的动量改变有作用吗？
答：
内力对改变系统的总动量没有作用。
内力的作用是改变着系统内相互作用各质点的动量，但这种改变对系统的总动量没有影响。
如果系统总动量发生变化，内力负责各质点动量的再分配。
图1-78问题1.23用图
1.23如图1-78，行星绕日运行时，从近日点p向远日点A运行的过程中，太阳对它的引力做正功还是做负功？
从远日点A向近日点p运动的过程中，太阳引力做正功还是做负功？
行星的动能以及行星和太阳系统的引力势能在这两阶段运动中各是增加还是减少?
答：
从近日点p向远日点A运行的过程中，由于行星在有心力的反向有位移，太阳对行
星的引力做负功；从远日点A向近日点p运动的过程中，太阳对行星的引力做正功。
行星和太阳是保守系统，保守力（引力）做功等于系统引力势能增量的负值，所以行星从近日点p向
远日点A运行的过程中，弓I力的负功说明引力势能在增加；而行星和太阳系统的机械能守恒，
所以次过程动能减少。
而行星从远日点A向近日点p运动的过程中，保守力的正功说明系统
势能在减少，机械能守恒说明行星动能在增加。
也就是A、B间的一■
1.24如图1-79所示，物体A放在斜面B上，斜面放在一光滑水平面上。
当物体A下滑时，物体B也将运动。
在运动过程中，A、B间的一对摩擦力做功之和是正还是负？
A、B间的一对正压力做功之和又如何？
答：
在运动过程中，A、B间的一对摩擦力做功等于站在物体B上的A受到的摩擦力对A做的功，此摩擦力对A做的功为负,对摩擦力做功为负。
A站在物体B上，B对A的正压力对A做功为零，所以A、B间的一对正压力做功之和为零。
1.25一个力的功、一对内力的功、动能、势能、机械能这些物理量中谁与参考系的选择有关？
答：
一对内力的功只与相对的位置有关，所以与参考系的选择无关。
因为位置、速度都是参考系的选择有关，所以一个力的功、动能、势能、机械能这些物理量与参考系的选择都有关。
1.26对质点系有下列几种说法：
（1）质点系总动量的改变与内力无关；
（2）质点系总动能的改变与内力无关；（3）质点系机械能的改变与保守内力无关。
在上述说法中正确的是（B）。
（A）只有
（1）是正确的；（B）
（1）（3）是正确的；
（C）
（1）
（2）是正确的；（D
（2）（3）是正确的。
1.27下述三种说法中，
（1）不受外力作用的系统，它的动量和机械能必然同时都守恒。
（2）内力都是保守力的系统，当所受的合外力为零时，其机械能必然守恒。
（3）只有保守内力而无外力作用的系统，它的动量和机械能必然都守恒。
正确的是（C）。
（A）
图1-80问题1.28用图
（1）正确；（B）
（2）正确；
（C）（3）正确；（D都正确。
1.28一般人造地球卫星的轨道是一个椭圆，地心0是椭圆轨道的一个焦点（图1-80）。
卫星经过近地点和远地点时的速率V2—样大小吗？
写出它们近地点和远地点时离地心的距离A、「2与它们速率之间的关系式。
答：
卫星经过近地点和远地点时的速率不一样。
卫星受地球的引力指向地心，这是有心力场下角动量守恒问题。
对于地心，角动量守恒，则有r/mv^r2mv2，得两者的关系为v^-r2v2。
1.29一个0（粒子飞过一金原子核而被散射，金核基本上未动（图1-81示）。
在这一过程
中，对金核中心来说，〉粒子的角动量是否守恒？
为什么？
二粒子的动量是否守恒？
答：
对金核中心点和〉粒子，〉粒子受到的散射力
（电场力）总是沿着它们的连线，是有心力，其力矩对金核中心为零。
所以，对金核中心来说〉粒子的角动量守恒。
由于「粒子受到金原子核的散射力作用，所以其动量是不守恒的。
1.30如图1-82所示的由轻质弹簧和两个小球组成的系统，放在了水平光滑平面上。
如果拉长弹簧然后松手，在两小球来回运动中，对桌面讲两球的动量是否都改变？
它们的动能是否都改变？
系统的机械能是否改变？
答：
由于系统受合外力为零，系统动量不发生变化；因弹簧内力做功，所以系统动能改变;
又因为系统所受外力不做功，且没有非保守力，所以系统的机械能不改变。
1.31一力学系统由两个质点组成，它们之间只有引力作用。
若两质点所受外力的矢量和为零，则此系统中（C）。
（A）动量、机械能以及对一固定点的角动量都守恒；
（B）动量、机械能守恒，但对一固定点的角动量是否守恒还不能断定；
（C）动量守恒，但机械能和对一固定点的角动量是否守恒还不能断定；
（D）动量和对一固定点的角动量守恒，但机械能是否守恒还不能断定。
1.32关于角动量有如下四种说法，其中正确的是（B）。
（A）质点系的总动量为零，总角动量一定为零；
（B）—质点作直线运动，相对于直线上的任一点，质点的角动量一定为零；
（C）一质点作直线运动，质点的角动量一定不变；
（D）—质点作匀速率圆周运动，其动量不断改变，它相对圆心的角动量也不断改变。
1.33什么是物理规律的对称性？
答：
如果是某一物理规律经过一定操作（变换）其形式保持不变，就称为物理规律的对称性。
1.34冈U体的平动有什么特点？
刚体的定轴转动有什么特点？
答：
所谓平动是刚体的所有质点的运动情况都完全一样的运动，用数学语言描述就是任意连接刚体内两点的直线在各时刻位置都保持彼此平行的运动，其中任意一点（通常选择质心）的运动都可代表刚体的平动。
如果转轴对参考系是固定的，刚体的转动称为定轴转动。
刚体的定轴转动只有一个自由度，只要一个方程（转动定律）就能解决问题，比较简单。
1.35对于刚体的定轴转动，为什么只考虑轴向力矩？
答：
对于刚体的定轴转动，其力矩可分解为轴向力矩和垂直于轴向的力矩。
而垂直于轴向的力矩只能引起轴的变形，对转动无贡献。
所以对于刚体的定轴转动，只须考虑轴向力矩即可。
1.36转动惯量代表了刚体的什么性质?
答：
当刚体所受的总外力矩一定时，转动惯量愈大，角速度就愈小。
这意味着愈难改变其角速度，或者说刚体愈能保持其原来的转动状态。
反之，转动惯量愈小，角速度愈大，即愈易改变其角速度，或者说刚体愈易改变其原来的运动状态。
所以，转动惯量是量度定轴刚体转动惯性的物理量。
1.37刚体转动中的力矩功的含义是什么？
答:
外力对刚体所做的功等于相应的力矩和角位移乘积的积分。
在刚体转动时，作用力可以作用在刚体的不同质点上，各个质点的位移也不相同。
只有将各个力对各个相应质点作的功加起来，才能求得力对刚体所做的功。
由于在转动的研究中，使用角量比使用线量方便，因此在功的表达式中力以力矩的形式出现，力做的功也就是力矩做的功。
1.38一个人站在旋转平台的中央，两臂侧平举，整个系统以2二rad/s的角速度旋转，转动惯量为6.0kg/m2;如果将两臂收回，该系统的转动惯量变为2.0kg/m2。
此时
系统的转动动能与原来的转动动能之比为（C）。
（A）2;（B）2;（C）3;
（D）3。
1.39
对一个绕固定水平O轴匀速转动的转盘，沿如图
1-83所示的同一水平直线从相反
方向射入两粒质量相同、速率相等的子弹，并留在盘中。
则子弹射入后转盘的角速度应（E）。
（A）增大；（B）减小；
（C）不变.；（D）无法确定。
1.40均匀细棒OA可绕通过其一端O而与棒垂直的水平固定光滑轴转动，如图所示。
今
使棒从水平位置由静止开始下落。
在棒摆动到竖直位置的过程中，应有（A）。
（A）角速度从小到大，角加速度从大到小;
（B）角速度从小到大，角加速度从小到大;
（C）角速度从大到小，角加速度从大到小;
图1-84问题1.40用图
（D）角速度从大到小，角加速度从小到大。
1.41关于力矩有以下几种说法，其中正确的是（E）。
（A）内力矩会改变刚体对某个定轴的角动量；
（B）作用力和反作用力对同一轴的力矩之和必为零。
（C）角速度的方向一定与外力矩的方向相同。
（D）质量相等、形状不同的两个刚体，在相同力矩作用下，它们的角加速度一定相等。
1.42有些矢量是相对于一定点（或轴）而确定的，有些矢量是与定点（或轴）的选择无关的。
请指出下面这些矢量各属于哪一类：
位矢、位移、速度、动量、角动量、力、力矩。
答：
相对于一定点（或轴）的矢量有：
位矢，角动量，力矩。
与定点（或轴）的选择无关的矢量；位移，速度，动量，力。
图1-85（a），身体就会向左
图1-85问题1.44用图
1.43花样滑冰运动员想高速旋转时，先把一条腿和双
臂伸开，并用脚蹬冰使自己转动起来，然后再收拢腿和臂，这时她的转速就明显地加快了。
这是利用了什么原理？
答：
利用了角动量守恒原理。
人体一条腿和双臂伸开时对旋转轴的转动惯量大，当收拢腿和臂，人体对旋转轴的转动惯量变小，因角动量守恒其旋转角速度变大。
1.44宇航员悬立在飞船座舱内时，只要用右脚顺时针转；当两臂伸直向后划圈时，图1-85（b）,身体又会向前转。
这是什么道理？
答：
是系统角动量守恒的道理。
因为宇航员悬立在飞船座舱内的空中时，本身不受外力，当然所受力矩为零，本身是一个角动量守恒的系统。
宇航员用右脚顺时针划圈时身体向左转，当两臂伸直向后划圈时，身体又会向前转，都是以身体的转动提供大小相等、方向相反的角动量以保持整个身体系统的角动量守恒。
课后习题
1.1地面上质量为1kg的小物体受到地球的重力是多大？
距一米远处的质量为100kg
的质量均匀球体对它的引力多大？
从数量级上估算月球和太阳对它的引力是地球对它引力的多少倍。
（地球的质量约是月球质量的80倍，月球的轨道半径约是地球半径的60倍；太阳质量约
是地球质量的3.3105倍，地球轨道半径约是地球半径的2.4104倍）
解：
地面上质量为1kg的小物体受到地球的重力为：
F=mg=19.8=9.8N
距一米远处的质量为100kg的质量均匀球体对它的引力为：
mim21111009,
F=G—2-=6.671026.6710N
R1
月球对它的引力为：
F^Gmm月
月R月2
太阳对它的引力为：
F太=Gm1-太
R太
地球对它的引力为：
F地工Gmm学
地D2
rb
月球对它的引力与地球对它的引力之比为：
旦先甩=310上；
F地Rim地
太阳对它的引力与地球对它的引力之比为：
F匕与旦地=610,。
F地RtmB
1.2一质点做直线运动，其运动方程为x=3，2t-t2，式中t以秒计，x以米计。
求t=0、
t=4s时的位置矢量以及此时间间隔内质点的位移和走过的路程。
解：
t=0时的位置矢量为：
x-i=3im。
t-4s时的位置矢量为：
x^=-5im。
在此时间间隔内质点的位移为：
r=&「x：
）二-8im。
由v=（2-2t）i可知，当t=1时速度为零，所以在此时间间隔内的路程由两部分形成，
即：
在此时间间隔内质点走过的路程为：
S=（Xr—Xq）亠（焉—xj=10m。
1.3一质点在x、y平面内运动，其运动方程为r=（2t_l"（3t—5）j（SI）。
求在任意
时刻t质点运动的速度、加速度，求切向加速度的大小和法向加速度的大小。
解：
在任意时刻t质点的速度为v=绷•3j（SI）。
在任意时刻t质点的加速度为：
a=4i（SI）。
切向加速度的大小为：
dv16t
a（SI）。
”dtJ16t2+9
法向加速度的大小为：
/~2212
an.aa2（SI）
J16t2+9
1.4一质点在平面上运动，
其运动方程为x=3t-4t2（m）、y--6t2t3（m）。
求
（1）t=3s时质点的位置矢量；
（2）从t=0到t=3s这段时间内质点的位移；
（3）t=3s时质点的速度和加速度。
解：
（1）t=3s时x--27m,y--27m。
质点的位置矢量为r--27i-27j（m）。
⑵从t=0到t=3s这段时间内质点的位移为：
.讦=-27i-27j（m）。
vx=3—8t=-21m/s
（3）t=3s时质点的速度为2
Vy=-12t+3t2=-9m/s
所以：
v3=-21i-9j（m/s）
t=3s时质点的加速度为a3=-8i6j（m/s2）
1.5一质点沿x轴运动，其加速度a=4t。
已知t=0时，质点位于x0处且初速度v0=0。
求其位置与时间的关系式。
解：
由加速度的定义得:
tv
。
抽二严，且…。
所以，v。
由速度的定义得：
t2x23
2tdtdx，得：
xtx0。
0X）
1.6已知某物体作直线运动，其加速度a=「kvt式中k为常量；当t=0时，初速度为v0,求任一时刻t物体的速度。
tvdv
解：
由加速度的定义得：
-ktdt—，
b^0v
kt2/2
得：
v=v0e
1.7一质点作半径R=0.1m的圆周运动。
其相对圆心的位矢转动的角度是随时间变化的函数v-2t3t3rad，求质点的角速度、角加速度和t=2s时的切向加速度和法向加速度的大小。
d日21
解：
质点的角速度•=-29t2s；
dt
、dec
质点的角加速度18t（rad/s）；
dt
由：
v=R⑷=0.2+0.9t2mfS
质点的切向加速度的大小为：
a==3.6（m/s2）
”dt
22
质点的法向加速度的大小为：
an=R「=144.4m/s
1.8一质量0.50kg的质点在平面上运动，其运动方程为X=2COS二t、（SI）。
求t=2秒时该质点所受的合力F是多少？
解：
由运动方程知:
vX二一2二sin二t
vy=4
a*=-2.2cos二t
ay=0
t=2秒时该质点所受的合力为：
F二maxi--二2i（SI）
1.9一质量为10kg的质点，在力F=120t40N作用下，沿一直线运动。
在t=0时,质点在x0=5m处，其速度为v0=6m/s，求以后任意时刻质点的速度和位置。
F2
解：
由牛顿第二定律可知，a12t4（m/s2）
m
vt
由加速度的定义，有vdv二o（12t4）
升级会员 