物理学教程第三版第一章质点运动学.doc

第一章　质点运动学

1 -1　质点作曲线运动,在时刻t 质点的位矢为r,速度为v ,速率为v,t 至(t ＋Δt)时间内的位移为Δr, 路程为Δs, 位矢大小的变化量为Δr ( 或称Δ｜r｜),平均速度为,平均速率为．
(1) 根据上述情况,则必有(　　)
(A) ｜Δr｜= Δs = Δr
(B) ｜Δr｜≠ Δs ≠ Δr,当Δt→0 时有｜dr｜= ds ≠ dr
(C) ｜Δr｜≠ Δr ≠ Δs,当Δt→0 时有｜dr｜= dr ≠ ds
(D) ｜Δr｜≠ Δs ≠ Δr,当Δt→0 时有｜dr｜= dr = ds
(2) 根据上述情况,则必有(　　)
(A) ｜｜= ,｜｜= 　　　 (B) ｜｜≠,｜｜≠
(C) ｜｜= ,｜｜≠ (D) ｜｜≠,｜｜=

分析与解　(1) 质点在t 至(t ＋Δt)时间内沿曲线从P 点运动到P′点,各量关系如图所示, 其中路程Δs ＝PP′, 位移大小｜Δr｜＝PP′,而Δr ＝｜r｜-｜r｜表示质点位矢大小的变化量,三个量的物理含义不同,在曲线运动中大小也不相等(注：在直线运动中有相等的可能)．但当Δt→0 时,点P′无限趋近P点,则有｜dr｜＝ds,但却不等于dr．故选(B)．
(2) 由于｜Δr ｜≠Δs,故,即｜｜≠．
但由于｜dr｜＝ds,故,即｜｜＝．由此可见,应选(C)．
1 -2　一运动质点在某瞬时位于位矢r(x,y)的端点处,对其速度的大小有四种意见,即
(1)；　(2)；　(3)；　(4)．
下述判断正确的是(　　)
(A) 只有(1)(2)正确　　　 　(B) 只有(2)正确
(C) 只有(2)(3)正确 (D) 只有(3)(4)正确
分析与解　表示质点到坐标原点的距离随时间的变化率,在极坐标系中叫径向速率．通常用符号vr表示,这是速度矢量在位矢方向上的一个分量；表示速度矢量；在自然坐标系中速度大小可用公式计算,在直角坐标系中则可由公式求解．故选(D)．
1 -3　质点作曲线运动,r 表示位置矢量, v表示速度,a表示加速度,s 表示路程, aｔ表示切向加速度．对下列表达式,即
(1)d v /dt ＝；(2)dr/dt ＝v；(3)ds/dt ＝v；(4)d v /dt｜＝aｔ．
下述判断正确的是(　　)
(A) 只有(1)、(4)是对的 (B) 只有(2)、(4)是对的
(C) 只有(2)是对的 (D) 只有(3)是对的
分析与解　表示切向加速度aｔ,它表示速度大小随时间的变化率,是加速度矢量沿速度方向的一个分量,起改变速度大小的作用；在极坐标系中表示径向速率vr(如题1 -2 所述)；在自然坐标系中表示质点的速率v；而表示加速度的大小而不是切向加速度aｔ．因此只有(3) 式表达是正确的．故选(D)．
1 -4　一个质点在做圆周运动时,则有(　　)
(A) 切向加速度一定改变,法向加速度也改变
(B) 切向加速度可能不变,法向加速度一定改变
(C) 切向加速度可能不变,法向加速度不变
(D) 切向加速度一定改变,法向加速度不变
分析与解　加速度的切向分量aｔ起改变速度大小的作用,而法向分量an起改变速度方向的作用．质点作圆周运动时,由于速度方向不断改变,相应法向加速度的方向也在不断改变,因而法向加速度是一定改变的．至于aｔ是否改变,则要视质点的速率情况而定．质点作匀速率圆周运动时, aｔ恒为零；质点作匀变速率圆周运动时, aｔ为一不为零的恒量,当aｔ改变时,质点则作一般的变速率圆周运动．由此可见,应选(B)．
1 -7　已知质点沿x 轴作直线运动,其运动方程为,式中x 的单位为m,t 的单位为 s．求：
(1) 质点在运动开始后4.0 s内的位移的大小；
(2) 质点在该时间内所通过的路程；
(3) t＝4 s时质点的速度和加速度．
分析　位移和路程是两个完全不同的概念．只有当质点作直线运动且运动方向不改变时,位移的大小才会与路程相等．质点在t 时间内的位移Δx 的大小可直接由运动方程得到：,而在求路程时,就必须注意到质点在运动过程中可能改变运动方向,此时,位移的大小和路程就不同了．为此,需根据来确定其运动方向改变的时刻tp ,求出0～tp 和tp～t 内的位移大小Δx1 、Δx2 ,则t 时间内的路程,如图所示,至于t ＝4.0 s 时质点速度和加速度可用和两式计算．

题 1-5 图
解　(1) 质点在4.0 s内位移的大小

(2) 由
得知质点的换向时刻为
(t＝0不合题意)
则

所以,质点在4.0 s时间间隔内的路程为

(3) t＝4.0 s时

1 -8　已知质点的运动方程为,式中r 的单位为m,t 的单位为ｓ．求：
(1) 质点的运动轨迹；
(2) t ＝0 及t ＝2ｓ时,质点的位矢；
(3) 由t ＝0 到t ＝2ｓ内质点的位移Δr 和径向增量Δr；
分析　质点的轨迹方程为y ＝f(x),可由运动方程的两个分量式x(t)和y(t)中消去t 即可得到．对于r、Δr、Δr、Δs 来说,物理含义不同,(详见题1-1分析).
解　(1) 由x(t)和y(t)中消去t 后得质点轨迹方程为

这是一个抛物线方程,轨迹如图(a)所示．
(2) 将t ＝0ｓ和t ＝2ｓ分别代入运动方程,可得相应位矢分别为
,
图(a)中的P、Q 两点,即为t ＝0ｓ和t ＝2ｓ时质点所在位置．
(3) 由位移表达式,得

其中位移大小
而径向增量

题 1-6 图
　　1 -9　质点的运动方程为

式中x,y 的单位为m,t 的单位为ｓ．
试求：(1) 初速度的大小和方向；(2) 加速度的大小和方向．
分析　由运动方程的分量式可分别求出速度、加速度的分量,再由运动合成算出速度和加速度的大小和方向．
解　(1) 速度的分量式为

当t ＝0 时, v0x ＝-10 m·ｓ-1 , v0y ＝15 m·ｓ-1 ,则初速度大小为

设v0与x 轴的夹角为α,则

α＝123°41′
(2) 加速度的分量式为
,
则加速度的大小为

设a 与x 轴的夹角为β,则

β＝-33°41′(或326°19′)
1 -11　质点沿直线运动,加速度a＝4 -t2 ,式中a的单位为m·ｓ-2 ,t的单位为ｓ．如果当t ＝3ｓ时,x＝9 m,v ＝2 m·ｓ-1 ,求质点的运动方程．
分析　本题属于运动学第二类问题,即已知加速度求速度和运动方程,必须在给定条件下用积分方法解决．由和可得和．如a＝a(t)或v ＝v(t),则可两边直接积分．如果a 或v不是时间t 的显函数,则应经过诸如分离变量或变量代换等数学操作后再做积分．
解　由分析知,应有

得 (1)

由
得 (2)
将t＝3ｓ时,x＝9 m,v＝2 m·ｓ-1代入(1)、(2)得
v0＝-1 m·ｓ-1, x0＝0.75 m
于是可得质点运动方程为

1 -20　一半径为0.50 m 的飞轮在启动时的短时间内,其角速度与时间的平方成正比．在t＝2.0ｓ 时测得轮缘一点的速度值为4.0 m·ｓ-1．求：(1) 该轮在t′＝0.5ｓ的角速度,轮缘一点的切向加速度和总加速度；(2)该点在2.0ｓ内所转过的角度．
分析　首先应该确定角速度的函数关系ω＝kt2．依据角量与线量的关系由特定时刻的速度值可得相应的角速度,从而求出式中的比例系数k,ω＝ω(t)确定后,注意到运动的角量描述与线量描述的相应关系,由运动学中两类问题求解的方法(微分法和积分法),即可得到特定时刻的角加速度、切向加速度和角位移．
解　因ωR ＝v,由题意ω∝t2 得比例系数

所以
则t′＝0.5ｓ 时的角速度、角加速度和切向加速度分别为

总加速度

在2.0ｓ内该点所转过的角度

1 -21　一质点在半径为0.10 m的圆周上运动,其角位置为,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？
分析　掌握角量与线量、角位移方程与位矢方程的对应关系,应用运动学求解的方法即可得到．
解　(1) 由于,则角速度．在t ＝2 ｓ 时,法向加速度和切向加速度的数值分别为

(2) 当时,有,即

得
此时刻的角位置为

(3) 要使,则有

t ＝0.55ｓ