力学 第二章习题答案.docx

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力学第二章习题答案

第二章质点运动学（习题）

2.1.1质点的运动学方程为

求质点轨迹并用图表示。

解:

①.

轨迹方程为y=5

②

消去时间参量t得：

2.1.2质点运动学方程为

，

（1）.求质点的轨迹；

（2）.求自t=-1至t=1质点的位移。

解;①

消去t得轨迹：

xy=1,z=2

②

2.1.3质点运动学方程为

，

（1）.求质点的轨迹；

（2）.求自t=0至t=1质点的位移。

解:

①.

消去t得轨迹方程

②

2.2.1雷达站于某瞬时测得飞机位置为

，0.75s后测得

均在铅直平面内。

求飞机瞬时速率的近似值和飞行方向（α角）。

解:

代入数值得：

利用正弦定理可解出

2.2.2一小圆柱体沿抛物线轨道运动，抛物线轨道为

（长度mm）。

第一次观察到圆柱体在

x=249mm处，经过时间2ms后圆柱体移到x=234mm处。

求圆柱体瞬时速度的近似值。

解:

2.2.3一人在北京音乐厅内听音乐，离演奏者17m。

另一人在广州听同一演奏的转播，广州离北京2320km，收听者离收音机2m，问谁先听到声音？

声速为

340m/s,电磁波传播的速度为

。

解:

在广州的人先听到声音。

2.2.4如果不允许你去航空公司问讯处，问你乘波音

747飞机自北京不着陆飞行到巴黎，你能否估计大约用多少时间？

如果能，试估计一下（自己找所需数据）。

解:

2.2.5火车进入弯道时减速，最初列车向正北以90km/h速率行驶，3min后以70km/h速率向北偏西

方向行驶。

求列车的平均加速度。

解，

2.2.6

（1）

R为正常数。

求t=0,π/2时的速度和加速度。

（2）

求t=0,1时的速度和加速度（写出正交分解式）。

解：

（1）

当t=0时，

当t=π/2时，

（2）

当t=0时，

当t=1时，

2.3.1图中a、b和c表示质点沿直线运动三种不同情况下的x-t图，试说明三种运动的特点（即速度，计时起点时质点的坐标，位于坐标原点的时刻）。

解:

a直线的斜率为速度

b直线的斜率为速度

c直线的斜率为速度

2.3.2质点直线运动的运动学方程为x=acost,a为正常数。

求质点速度和加速度并讨论运动特点（有无周期性，运动范围，速度变化情况等）。

解:

质点受力

，是线性恢复力，质点做简谐振动，振幅为a，运动范围在

，速度具有周期性。

2.3.3跳伞运动员的速度为

v铅直向下，β、q为正常量。

求其加速度。

讨论当时间足够长时（即t→∞），速度和加速度的变化趋势。

解:

2.3.4直线运动的高速列车在电子计算机控制下减速进站。

列车原行驶速度为

，其速度变化规律如图所示。

求列车行驶至x=1.5km时加速度的大小。

解:

当x=1.5km时，

2.3.5在水平桌面上放置A、B两物体，用一不可伸长的绳索按图示的装置把它们连接起来。

C点与桌面固定。

已知物体A的加速度

，求物体B的加速度。

解:

以C为坐标原点，建立一维坐标系o-x。

设绳的总长度为

，B的坐标为

，A的坐标为

，则得

两端对t求导

2.3.6质点沿直线的运动学方程为

。

（1）将坐标原点沿ox轴正方向移动2m，运动学方程如何？

初速度有无变化？

（2）将计时起点前移1s，运动学方程如何？

初始坐标和初始速度都发生怎样的变化？

加速度变不变？

解:

（1）

，代入上式得：

初速度不变。

（2）

代入上式得：

初坐标

由0变为-7m.

初速度由10m/s变为4m/s.

加速度不变，都是

.

以下四题用积分

2.4.1质点由坐标原点出发时开始计时，沿x轴运动，其加速度

，求在下列两种情况下质点的运动学方程、出发后6s时质点的位置、在此期间所走过的位移及路程：

（1）初速度

；

（2）初速度

的大小为9cm/s,方向与加速度方向相反。

解:

（1）

，

，

当t=6s时，

质点运动的路程：

（2）

当t=6s时，

质点运动的路程如图，

，

，

质点运动的路程：

2.4.2质点直线运动瞬时速度的变化规律为

求

至

时间内的位移。

解:

，

2.4.3一质点作直线运动，其瞬时加速度的变化规律为

在t=0时，

其中

均为正常数，求此质点的运动学方程。

解:

，

，

2.4.4飞机着陆时为尽快停止采用降落伞制动。

刚着陆时，t=0时速度为

且坐标为x=0.假设其加速度为

，b=常量，求此质点的运动学方程。

解:

，

，

解以下四题中匀变速直线运动时应明确写出所选的坐标系、计时起点和初始条件。

2.4.5在195m长的坡道上，一人骑自行车以18km/h的速度和-20cm/s2的加速度上坡，另一自行车同时以5.4km/h的初速度和0.2m/s2的加速度下坡。

问

（1）经过多长时间两人相遇；

（2）两人相遇时，各走过多少路程。

解:

建立坐标系o-x,原点为质点1的初始位置。

对上坡的质点1:

t=0,v10=5m/s,x10=0,a1=-0.2m/s2,

对下坡的质点2:

t=0,v20=-1.5m/s,x20=195m,

a2=-0.2m/s2,

相遇时，x1=x2,所需时间设为t，则

质点1的速度表达式为：

，所以质点1的路程为两段路程之和，如图所式。

前25s的路程：

后5s的路程：

质点2的路程：

195-62.5+2.5=135（m）

2.4.6站台上送行的人，在火车开动时站在第一节车厢的最前面。

火车开动后经过△t=24s，第一节车厢的末尾从此人的面前通过。

问第七节车厢驶过他面前需要多长时间？

火车作匀加速运动。

解:

设火车第六节末尾经过此人的时间为t6，

火车第七节末尾经过此人的时间为t7，

2.4.7在同一铅直线上相隔h的两点以同样的速率v0上抛二石子，但在高处的石子早t0秒被抛出。

求此二石子何时何处相遇。

解:

解出t得：

，

将t代入

，得

2.4.8电梯以1.0m/s的匀速率下降，小孩在电梯中跳离地板0.50m高，问当小孩再次落到地板上时，电梯下降了多长距离？

解:

建立基本坐标系o-x,原点固结在地面上，建立运动坐标系

原点固结在电梯的地板。

小孩相对运动参照系

（电梯）跳起到落回地板所需时间设为t，则

解出td得，

这段时间电梯下降的距离为

2.5.1质点在o-xy平面内运动，其加速度为

位置和速度的初始条件为t=0时

，求质点的运动学方程并画出轨迹（本题用积分）。

解:

由

得

初始条件：

t=0时,v0x=0,v0y=1,x0=1,y0=0

轨道方程：

2.5.2在同竖直值面内的同一水平线上A、B两点分别以300、600为发射角同时抛出两小球欲使两小球相遇时都在自己的轨道的最高点，求A、B两点的距离。

已知小球在A点的发射速率

解:

，

2.5.3迫击炮弹的发射角为600,发射速率150m/s.炮弹击中倾角300的山坡上的目标，发射点正在山脚。

求弹着点到发射点的距离OA.

解:

由几何关系：

将

（2）、（3）式代入

（1）式

2.5.4轰炸机沿与铅直方向成

俯冲时，在763m高度投放炸弹，炸弹离开飞机5.0s时击中目标。

不计空气阻力。

（1）轰炸机的速率是多少？

（2）炸弹在飞行中经过的水平距离是多少？

（3）炸弹击中目标前一瞬间的速度沿水平和铅直方向的分量是多少？

解:

以投放炸弹处为坐标原点

（1）

（2）

（3）

2.5.5雷达观测员正在监视一越来越近的抛射体，在某一时刻，靠他得到这样的信息：

（1）抛射体达到最大高度且以速率v沿水平方向运动；

（2）观察者到抛射体的直线距离为

；（3）观测员观察抛体的视线与水平方向成

角。

问：

（1）抛射体命中点到观察者的距离D等于多少？

（2）何种情况下抛体飞越观察者的头顶以后才击中目标？

何种情况下抛体在未达到观测员以前就命中目标？

解:

（1）

，

，命中点，

观测者

抛射体命中点到观察者的距离

（2）

当

，飞越观察者的头顶击中目标，即

当

，抛体在未达到观测员以前就命中目标，即

2.6.1列车在圆弧形轨道上自东转向北行驶，在我们所讨论的时间范围内，其运动学方程为

（长度：

m时间：

s）。

t=0时，列车在图中o点，此圆弧形轨道的半径r=1500m.求列车驶过o点以后前进至1200m处的速率及加速度。

 解:

采用自然坐标系，o为自然坐标系的原点。

由

得

，

，

当s=1200m时，由

得

（舍去）因为当t=60时，

当

，即列车驶过o点以后前进至1200m处的速率为40m/s.

过o点以后前进至1200m处的加速度：

可以算出

与

的夹角为1520。

2.6.2火车以200km/h的速度驶入圆弧形轨道，其半径为300m。

司机一进入圆弧形轨道立即减速，减速度为2g。

求火车在何处的加速度最大？

最大加速度是多少？

解:

，

由上式可见t=0时（刚进入圆弧形轨道时），a最大。

代入数值得

2.6.3斗车在位于铅直平面内上下起伏的轨道运动。

当斗车达到图中所示位置时，轨道曲率半径为150m，斗车速率为50km/h,切向加速度aτ=0.4g.求斗车的加速度。

解，

加速度与水平方向的夹角

2.8.1飞机在某高度的水平面上飞行。

机身的方向是自东北向西南，与正西夹150角，风以100km/h的速率自西南向东北方向吹来，与正南夹450角，结果飞机向正西方向运动。

求飞机相对于风的速度及相对地面的速度。

解:

基本参照系：

地面

运动参照系：

风

研究对象：

飞机

绝对速度：

，相对速度：

，牵连速度：

=

+

（1）

（2）

2.8.2飞机在静止空气中的飞行速率是235km/h，

它朝正北的方向飞行，使整个飞行的时间内都保持在一条南北向的公路上空。

地面观察者利用通讯设备告诉驾驶员正在刮着速率等于70km/h的风，但飞机仍能以235km/h的速率沿公路方向飞行。

（1）风的方向是怎样的？

（2）飞机的头部指向哪个方向？

也就是说，飞机的轴线和公路成怎样的角度？

解:

基本参照系：

地面

运动参照系：

风

研究对象：

飞机

绝对速度：

，相对速度：

，牵连速度：

=

+

2.8.3一辆卡车在平直路面上以恒定速率30m/s行驶，在此车上射出一抛体，要求在车前进60m时，抛体仍落回到车上原抛出点，问抛体射出时相对于卡车的初速度的大小和方向，空气阻力不计。

解:

以卡车为参照系，以起抛点为坐标原点，建立直角坐标系o-xy,如图所示。

以抛出时刻为计时起点。

得：

由已知，

代入

表明：

抛射体相对卡车以9.8m/s的速率竖直上抛时，当卡车前进了60m，抛体落回抛射点。

2.8.4河的两岸互相平行，一船由A点朝与岸垂直的方向匀速行驶，经10min到达对岸的C点。

若船从A点出发仍按第一次渡河速率不变但垂直地到达彼岸B点，需要12.5min。

已知BC=120m.求

（1）河宽ι，

（2）第二次渡河时船的速率u，（3）水流速度v

解:

第一次

第二次

由

（1）式得

由（3）（5）得

由

（2）（4）得

由

（1）式

2.8.5圆弧公路与沿半径方向的东西向公路相交如图。

某瞬时汽车甲向东以20km/h的速率行驶；汽车乙在

的位置向东北方向以速率20km/h行驶。

求此瞬时甲车相对乙车的速度。

解:

基本参照系：

地面

运动参照系：

乙车

研究对象：

甲车。

（东偏南

）