质点动力学和刚体力学.doc

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2-1解：因绳不可伸长，故滑轮两边绳子的加速度均为，其对于则为牵连加速度，又知对绳子的相对加速度为，故对地加速度，由图(b)可知，为①又因绳的质量不计，所以圆柱体受到的摩擦力在③联立①、②、③式，得讨论(1)若，则表示柱体与绳之间无相对滑动．(2)若，则，表示柱体与绳之间无任何作用力，此时,均作自由落体运动．题2-1图2-2解:物体置于斜面上受到重力，斜面支持力.建立坐标：取方向为轴，平行斜面与轴垂直方向为轴.如图2-2.题2-2图方向：①方向：②时由①、②式消去，得2-3当＝2 s时质点的(1)位矢；(2)速度．解：(1)于是质点在时的速度(2)2-4答:(1)∵分离变量，得即∴(2)(3)质点停止运动时速度为零，即t→∞，故有(4)当t=时，其速度为即速度减至的.2-5(1)设相对滑轮(即升降机)的加速度为，则对地加速度；因绳不可伸长，故对滑轮的加速度亦为，又在水平方向上没有受牵连运动的影响，所以在水平方向对地加速度亦为，由牛顿定律，有题2-5图联立，解得方向向下(2)对地加速度为方向向上在水面方向有相对加速度，竖直方向有牵连加速度，即∴，左偏上．2-6解:依题意作出示意图如题2-6图题2-6图在忽略空气阻力情况下，抛体落地瞬时的末速度大小与初速度大小相同，与轨道相切斜向下,而抛物线具有对轴对称性，故末速度与轴夹角亦为，则动量的增量为由矢量图知，动量增量大小为，方向竖直向下．2-7解:由题知，小球落地时间为．因小球为平抛运动，故小球落地的瞬时向下的速度大小为，小球上跳速度的大小亦为．设向上为轴正向，则动量的增量方向竖直向上，大小碰撞过程中动量不守恒．这是因为在碰撞过程中，小球受到地面给予的冲力作用．另外，碰撞前初动量方向斜向下，碰后末动量方向斜向上，这也说明动量不守恒．2-8解:(1)若物体原来静止，则,沿轴正向，若物体原来具有初速，则于是,同理，,这说明，只要力函数不变，作用时间相同，则不管物体有无初动量，也不管初动量有多大，那么物体获得的动量的增量(亦即冲量)就一定相同，这就是动量定理．(2)同上理，两种情况中的作用时间相同，即亦即解得，(舍去)2-9一质量为的质点在平面上运动，其位置矢量为求质点的动量及＝0到时间内质点所受的合力的冲量和质点动量的改变量．解:质点的动量为将和分别代入上式，得,,则动量的增量亦即质点所受外力的冲量为2-10解:(1)由题意，子弹到枪口时，有,得(2)子弹所受的冲量将代入，得(3)由动量定理可求得子弹的质量2-11+,-证明:设一块为，则另一块为，及于是得①又设的速度为,的速度为，则有②③联立①、③解得④将④代入②，并整理得于是有将其代入④式，有又，题述爆炸后，两弹片仍沿原方向飞行，故只能取证毕．2-12．解:(1)由题知，为恒力，∴(2)(3)由动能定理，2-13解:以木板上界面为坐标原点，向内为坐标正向，如题2-13图，则铁钉所受阻力为题2-13图第一锤外力的功为①式中是铁锤作用于钉上的力，是木板作用于钉上的力，在时，．设第二锤外力的功为，则同理，有②由题意，有③即所以，于是钉子第二次能进入的深度为2-14解:方向与位矢的方向相反，即指向力心．2-15解:弹簧及重物受力如题2-15图所示平衡时，有题2-15图又所以静止时两弹簧伸长量之比为弹性势能之比为2-16解:(1)设在距月球中心为处，由万有引力定律，有经整理，得=则点处至月球表面的距离为(2)质量为的物体在点的引力势能为2-17解:取点为重力势能零点，弹簧原长为弹性势能零点，则由功能原理，有式中为弹簧在点时比原长的伸长量，则联立上述两式，得题2-17图2-18解:取木块压缩弹簧至最短处的位置为重力势能零点，弹簧原长处为弹性势能零点。则由功能原理，有式中，，再代入有关数据，解得题2-18图再次运用功能原理，求木块弹回的高度代入有关数据，得,则木块弹回高度题2-19图2-19解:从上下滑的过程中，机械能守恒，以，，地球为系统，以最低点为重力势能零点，则有又下滑过程，动量守恒，以,为系统则在脱离瞬间，水平方向有联立，以上两式，得2-20证:两小球碰撞过程中，机械能守恒，有即①题2-20图(a)题2-20图(b)又碰撞过程中，动量守恒，即有亦即②由②可作出矢量三角形如图(b)，又由①式可知三矢量之间满足勾股定理，且以为斜边，故知与是互相垂直的．2-21解:由题知，质点的位矢为作用在质点上的力为所以，质点对原点的角动量为作用在质点上的力的力矩为2-22解:哈雷彗星绕太阳运动时受到太阳的引力——即有心力的作用，所以角动量守恒；又由于哈雷彗星在近日点及远日点时的速度都与轨道半径垂直，故有∴2-23物体质量为3kg，=0时位于,，如一恒力作用在物体上,求3秒后，(1)物体动量的变化；(2)相对轴角动量的变化．解:(1)(2)解(一)即,即,∴∴解(二)∵∴题2-24图2-24解:在只挂重物时，小球作圆周运动的向心力为，即①挂上后，则有②重力对圆心的力矩为零，故小球对圆心的角动量守恒．即③联立①、②、③得2-25(1)设＝100 N，问可使飞轮在多长时间内停止转动?在这段时间里飞轮转了几转?(2)如果在2s内飞轮转速减少一半，需加多大的力?解:(1)先作闸杆和飞轮的受力分析图(如图(b))．图中、是正压力，、是摩擦力，和是杆在点转轴处所受支承力，是轮的重力，是轮在轴处所受支承力．题2-25图（a）题2-25图(b)杆处于静止状态，所以对点的合力矩应为零，设闸瓦厚度不计，则有对飞轮，按转动定律有，式中负号表示与角速度方向相反．∵∴又∵∴①以等代入上式，得由此可算出自施加制动闸开始到飞轮停止转动的时间为这段时间内飞轮的角位移为可知在这段时间里，飞轮转了转．(2)，要求飞轮转速在内减少一半，可知用上面式(1)所示的关系，可求出所需的制动力为2-26(1)柱体转动时的角加速度；(2)两侧细绳的张力．解:设,和β分别为,和柱体的加速度及角加速度，方向如图(如图b)．题2-26(a)图题2-26(b)图(1),和柱体的运动方程如下：①②③式中而由上式求得(2)由①式由②式2-27解:分别以,滑轮为研究对象，受力图如图(b)所示．对,运用牛顿定律，有①②对滑轮运用转动定律，有③又，④联立以上4个方程，得题2-27(a)图题2-27(b)图题2-28图2-28解:(1)由转动定律，有∴(2)由机械能守恒定律，有∴题2-29图2-29解:(1)设小球的初速度为，棒经小球碰撞后得到的初角速度为，而小球的速度变为，按题意，小球和棒作弹性碰撞，所以碰撞时遵从角动量守恒定律和机械能守恒定律，可列式：①②上两式中，碰撞过程极为短暂，可认为棒没有显著的角位移；碰撞后，棒从竖直位置上摆到最大角度，按机械能守恒定律可列式：③由③式得由①式④由②式⑤所以求得(2)相碰时小球受到的冲量为由①式求得负号说明所受冲量的方向与初速度方向相反．题2-30图2-30解:(1)碎片离盘瞬时的线速度即是它上升的初速度设碎片上升高度时的速度为，则有令，可求出上升最大高度为(2)圆盘的转动惯量，碎片抛出后圆盘的转动惯量，碎片脱离前，盘的角动量为，碎片刚脱离后，碎片与破盘之间的内力变为零，但内力不影响系统的总角动量，碎片与破盘的总角动量应守恒，即式中为破盘的角速度．于是得(角速度不变)圆盘余下部分的角动量为转动动能为题2-31图2-31解:(1)射入的过程对轴的角动量守恒∴(2)2-32解:以重物、滑轮、弹簧、地球为一系统，重物下落的过程中，机械能守恒，以最低点为重力势能零点，弹簧原长为弹性势能零点，则有又故有题2-32图题2-33图2-33解:(1)小球与圆环系统对竖直轴的角动量守恒，当小球滑至点时，有①该系统在转动过程中，机械能守恒，设小球相对于圆环的速率为，以点为重力势能零点，则有②联立①、②两式，得(2)当小球滑至点时，∵∴故由机械能守恒，有∴请读者求出上述两种情况下，小球对地速度．。