大学物理答案第1～2章

第一章 质点的运动

1－1已知质点运动方程为t R x ω-=sin ，)cos 1(t R y ω-=，式中R ，ω为常量，试求质点作什么运动，并求其速度和加速度。

解：

cos ,sin x y dx dy v Rw wt v Rw wt dt dt v Rw

=

=-==-∴==

222

sin ,cos y x

x y dv dv a Rw wt a Rw wt dt dt a Rw =

===∴==

sin ,(1cos )x R wt y R wt ==-

222()x y R R ∴+-=轨迹方程为

质点轨迹方程以R 为半径，圆心位于（0，R ）点的圆的方程，即质点作匀速率圆

周运动，角速度为ω；速度v = R ω；加速度 a = R ω2

1－2竖直上抛运动的物体上升到高度h 处所需时间为t 1，自抛出经最高点再回到同一高度h 处所需时间为t 2，求证：h =gt 1 t 2/2

解：设抛出点的速度为v 0，从高度h 到最高点的时间为t 3，则

012132012221201112()0,2()/2()11

222

12

v g t t t t t v g t t t t h v t gt g t gt gt t -+=+=∴=++∴=-

=-= 1－3一艘正以v 0匀速直线行驶的汽艇，关闭发动机后，得到一个与船速反向大小与船速平方成正比的加速度，即a ＝-kv 2，k 为一常数，求证船在行驶距离x 时的速率为v=v 0e -kx .

解：取汽艇行驶的方向为正方向，则

020

0,,ln v x

v kx

dv

dx a kv v dt

dt

dv dv kvdt kdx v v dv kdx v v

kx v v v e -==-=

∴

=-=-∴=-=-∴=?? 1－4行人身高为h ，若人以匀速v 0用绳拉一小车行走，而小车放在距地面高为H 的光滑平台上，求小车移动的速度和加速度。

解：人前进的速度V 0，则绳子前进的速度大小等于车移动的速度大小，

222

202

22203/222220()()()l v t H h dl

dt H h v d l dt H h v t =+-∴=

-=??-+??

所以小车移动的速度220

2

2

0)(t

v h H t

v v --=

小车移动的加速度[]

2/3220

2

2

2)

()(t

v h H v h H a +--=

1－5一质点由静止开始作直线运动，初始的加速度a 0，以后加速度以t b

a a a 0

0+=均匀增加（式中b 为一常数），求经t 秒后，质点的速度和位移。

解：

002

00000200223000000,()()2,2226v

t

t

x a a dv a a a t dv a t dt dt

b

b

a a t dv a t dt v a t

b b

a t dx

v vdt dx

a t dt dx

dt

b a t a t a t a t dt dx x b b

=

=+

∴=+

=+∴=+

??==∴+= ??

???

+=∴=+

???

????

1－6一足球运动员在正对球门前25.0m 处以20.0m·s －

1的初速率罚任意球，已知球门高

为3.44m 。若要在垂直于球门的竖直平面内将足球直接踢进球门，问他应在与地面成什么角度的范围内踢出足球？（足球可视为质点）

解：由运动方程2

1cos ,sin 2

x vt y vt gt θθ==-

,消去t 得轨迹方程， 222(1)2g

y xtg tg x v θθ=-

+ 以x ＝25.0m ，v ＝20.0ms －

1，以及3.440m y ≥≥代入后得

1269.9271.1118.8927.92

θθ≤≤≤≤

1－7一人扔石头的最大出手速率为v ＝25m/s ，他能击中一个与他的手水平距离L=50m ，高h=13m 的目标吗？在此距离上他能击中的最大高度是多少？

解：由运动方程2

1cos ,sin 2

x vt y vt gt θθ==-

,消去t 得轨迹方程 22

2(1)2g y xtg tg x v

θθ=-

+ 以x ＝05.0m ，v ＝25ms －1

代入后得

222

2250(1)50225

5020(1)5

20()11.25

4

g

y tg tg tg tg tg θθθθθ=-

+??=-+=--+ 取g ＝10.0，则当 1.25tg θ=时，max 11.25y =〈13

所以他不能射中，能射中得最大高度为max 11.25y = 1－8质点做半径为R 的圆周运动，其路程按规律2

2

1bt ct s -

=运动，式中b 、c 为常数，求:（1）t 时刻质点的角速度和角加速度；（2）当切向加速度等于法向加速度时，质点运动经历的时间。

解：（1）质点做圆周运动的速率ds

v c bt dt =

=- /c bt

w v R R R ∴==-角速度

切向加速度

22t d s

a b dt ==- t a b

R R

β∴==-角加速度

（2）法向加速度22

n ()v c bt a R R -==

当t n a a =时，2

()c bt b R

-=-

2()c bt Rb c t b ∴-==±

1－9一质点作半径为R 的圆周运动，初速为v 0，若其加速度a 与速度v 之间的夹角θ

恒定不变，求质点运动的速率随时间的变化v (t)，及其切向加速度、法向加速度的大小。

解：速度沿着切向方向，加速度与速度成恒定的夹角，则

02

2

2

0sin ,cos 11n t t v v dv v a a a a dt R

dv

ctg dt R v dv ctg dt R v θθθθ====

∴==?? 00v R

v R v t ctg θ

∴=-?；

222

002

00()/()n v R v R v a R R R v t ctg R v t ctg θθ===

-?-?；

202

0()n t a v Rctg a tg R v t ctg θ

θθ==

-?

1－10飞机以100m·s -1的速度沿水平直线飞行，在离地面高为100m 时，驾驶员要把物品投到前方某一地面目标处。问：（1）此时目标在飞机下方前多远？（2）投放物品时，驾驶员看目标的视线和水平线成何角度？（3）物品投出2s 后，它的法向加速度和切向加速度各为多少？ 解：

（1

）

21y gt t 2452x m ∴== ＝，（2） 5.12==θ

x

y

arctg

（3

）2222n v dv dt 1.96/,10.0(m 9.80/,10.0

(9.62/9.8)

t t

a a m s g a g

a m s g m s ∴====∴=== 2＝＝

或1.88/s ,g=9.8）

或，g ＝

1－11一无风的下雨天，一列火车以v 1=20m/s 的速度匀速前进，在车内的旅客看见玻璃窗外的雨滴和垂线成75°角下降，求雨滴下落的速度v 2。（设下降的雨滴作匀速运动）

解：以地面为参考系，火车相对地面运动的速度为V 1,雨滴相对地面竖直下落的速度为V 2，旅客看到雨滴下落速度V 2’为相对速度，它们之间的关系为

221'v v v =+

121/75 5.36v v tg ms -∴==

1－12升降机以加速度a 0=1.22m·s -2上升，当上升速度为2.44m·s -1时，有一螺帽自升降机的天花板脱落，天花板与升降机的底面相距2.74m ，试求：（1）螺帽从天花板落到底面所需时间；（2）螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离。

解：（1）以升降机为参考系，此时，螺丝相对它的加速度为a ’=g+a,螺丝落到底面时，

有

2

1

0()2

0.705h g a t t s

=-+==

（2）由于升降机在t 时间内的高度为

2

01

'2h v t at =+

则'0.716d h h m =-=

1－13飞机A 相对地面以v A =1000km/h 的速率向南飞行，另一飞机B 相对地面以v B =800 km/h 的速率向东偏南30°方向飞行。求飞机A 相对飞机B 的速度。

解：

(1)

(2)

v’

u

(

)

1000,4001000400tg 4052',A B A B

v j v j v v v j j θθ==+=-+∴=

=

＝－方向西偏南

916/v km h ==

1－14 一人能在静水中以1.10m·s 的速度划船前进，今欲横渡一宽为1000m 、水流速

度为0.55m·s －

1的大河。（1），那么应如何确定划行方向？到达正对岸需多少时间？（2）如果希望用最短的时间过河，应如何确定划行方向？船到达对岸的位置在什么地方？

解：如图（1）若要从出发点横渡该河而到达正对岸的一点，则划行速度和水流速度u 的合

速度的方向正对着岸，设划行速度v ' 合速度v 的夹角为α

sin sin 0.55/1.10.5cos v u u

v ααα'∴==

=='= 31.0510cos d d t s v v α

=

==?' 如图（2）用最短的时间过河，则划行速度的方向正对着岸

,500d d

t l ut u m v v ∴=

===''

1－15设有一架飞机从A 处向东飞到B 处，然后又向西飞回到A 处，飞机相对空气的速率为v '，而空气相对地面的速率为u ，A 、B 间的距离为l 。

（1）假定空气是静止的（即u =0），求飞机来回飞行的时间； （2）假定空气的速度向东，求飞机来回飞行的时间； （3）假定空气的速度向北，求飞机来回飞行的时间。

解：由相对速度的矢量关系'v v u =+ 有

（1）空气时静止的，即u ＝0，则往返时，飞机相对地面的飞行速度就等于飞机相对空

气的速度v ’（图（1）），故飞机来回飞行的时间

02'''

AB BA l l l

t t t v v v =+=

+= (2) 空气的速度向东时，当飞机向东飞行时，风速与飞机相对空气的速度同向；返回时，两者刚好相反（图（2）），故飞机来回飞行的时间为

21

102(1'''

AB BA

l l u t t t t v u v u v -=+=+=-+- (3) 空气的速度向北时，飞机相对地面的飞行速度的大小由'v v u =+

可得

为

v =

1

22202(1)'AB BA l l u t t t t v v v -=+=+==

=-

第二章 质点动力学

2－1一物体从一倾角为30?的斜面底部以初速v 0=10m·s -1向斜面上方冲去，到最高点后又沿斜面滑下，当滑到底部时速率v =7m·s -1,求该物体与斜面间的摩擦系数。

解：物体与斜面间的摩擦力f ＝uN ＝umgcos30?

物体向斜面上方冲去又回到斜面底部的过程由动能定理得

22011

2(1)

22

mv mv f s -=-?

物体向斜面上方冲到最高点的过程由动能定理得

201

0sin 302

mv f s mgh f s mgs -=-?-=-?-

2(2)

s ∴=

把式（2）代入式（1）得，

22

0.198

u =

2－2如本题图，一质量为m 的小球最初位于光滑圆形凹槽的A 点，然后沿圆弧ADCB 下滑，试求小球在C 点时的角速度和对圆弧表面的作用力，圆弧半径为r 。

解：小球在运动的过程中受到重力G 和轨道对它的支持力T

.取如图所示的自然坐标系，由牛顿定律得

22

sin (1)

cos (2)

t n dv F mg m

dt

v F T mg m R

αα=-==-=

由,,1ds rd rd v dt dt dt v

αα=

==得代入式（）， A 并根据小球从点运动到点C 始末条件进行积分有，

90

2

n (sin )m cos 3cos '3cos ,e v vdv rg d v v

r

v mg mg r

mg α

αα

ωαα

α=-===+==-=-?

?

得则小球在点C 的角速度为

＝由式（2）得 T 由此可得小球对园轨道得作用力为

T T 方向与反向

2－3如本题图，一倾角为θ 的斜面置于光滑桌面上，斜面上放一质量为m 的木块，两

习题2－2图

者间摩擦系数为μ，为使木块相对斜面静止，求斜面的加速度a 应满足的条件。

解：如图所示

()

1212min max sin ,cos cos sin (1)

sin cos 2(1)(2)(sin cos )(cos sin )

(sin cos )()

(cos sin )1(2)(1)(sin cos )(cos sin )

(sin cos a a a a N mg ma ma mg uN m a ma u g u a u g u g tg u a u utg u g u a u g u a θθθθθθ

θθθθθθθθθθθθθθθ==∴-==±==?+-=+--∴==

++-?+=-+∴=得，得，)()

(cos sin )1()()11g tg u u utg g tg u g tg u a utg utg θθθθθ

θθθθ

+=

---+∴≤≤+- 2－4如本题图，A 、B 两物体质量均为m ，用质量不计的滑轮和细绳连接，并不计摩擦，则A 和B 的加速度大小各为多少 。 解：如图由受力分析得

(1)(2)2(3)2(4)g

g

A A

B B A B A B

A B mg T ma T mg ma a a T T a a -=-===1

解得＝－52＝－5

2－5如本题图所示，已知两物体A 、B 的质量均为m=3.0kg ，物体A 以加速度a =1.0m/s 2

运动，求物体B 与桌面间的摩擦力。（滑轮与连接绳的质量不计）

解：分别对物体和滑轮受力分析（如图），由牛顿定律和动力学方程得，

()

()()

1f 111f (1)''(2)2'(3)'2(4)

5'6'7(4)7.22

A T A T

B T T A B T T T T m g F m a F F m a a a F F m m m F F F F mg m m a

F N

-=-======-+=

=＝解得

2－6质量为M 的三角形木块，放在光滑的水平桌面上，另一质量为m 的木块放在斜面上(如本题图所示)。如果所有接触面的摩擦均可忽略不计，求M 的加速度和m 相对M 的加

习题2-4图

习题2－5图

习题2-3图

m

a A

a B

速度。

解：（如图）m 相对M 的相对加速度为m

a '，则 cos ,sin ,mx

m my m a a a a θθ''''== 在水平方向，

cos mx

mx Mx mx mx

Mx m M a a a a a a a a θ'=-''∴=+=-+

在竖直方向

sin my

my my m

a a a a θ'='∴=

由牛顿定律可得，

sin cos cos sin sin mx m

M my m M

N ma ma ma mg N ma ma N Ma θθθθθ'-==-+'-===

解得θ

+θθ=

2

sin cos sin m M mg a M ， 2()sin sin m M m g a M m θ

θ++＝ 2－7在一只半径为R 的半球形碗内，有一粒质量为m 的小钢球。当钢球以角速度ω在

水平面内沿碗内壁作匀速圆周运动时，它距碗底有多高？

解：取钢球为隔离体，受力分析如图所示，在图示坐标中列动力学方程得，

2sin sin cos cos ()/n F ma mR F mg R h R

θωθθθ====-

解得钢球距碗底的高度

2ω-

=g R h

2－8光滑的水平面上放置一半径为R 的固定圆环，物体紧贴环的内侧作圆周运动，其摩擦系数为μ。物体的初速率为v 0，求：（1）t 时刻物体的速率；（2）当物体速率从v 0减少到v 0/2时，物体所经历的时间及经过的路程。

解：（1）设物体质量为m ，取图示的自然坐标系，由牛顿定律得，

02

2

22t

v 2

v (1)

(2)(3)4dv 4dt u v N n f t f N

v F ma m R dv F m a m dt

F uF v dv

u R dt ===-=-=-

??0由上三式可得＝（）R 对（）式积分得＝－

习题2-6图

0Rv v R v t

μ∴=

+

（2） 当物体速率从v 0减少到v 0/2时，由上式0

0Rv v

R v t

μ∴=

+可得物体所经历的时间

0t R v μ

'=

经过的路程

t t 00

0vdt dt ln 2Rv R

s R v t μμ

''

=+??

＝＝

2－9从实验知道，当物体速度不太大时，可以认为空气的阻力正比于物体的瞬时速度，

设其比例常数为k 。将质量为m 的物体以竖直向上的初速度v 0抛出。 （1）试证明物体的速度为

t m k

t

m k

e v e k

mg v --+-=0)1(

(2)证明物体将达到的最大高度为

)1ln(020mg

kv k g m k mv H +-=

(3)证明到达最大高度的时间为

)1ln(0mg

kv k m

t H +=

证明：由牛顿定律可得

000

002

2

0200ln (1)(2),()

ln(13t

v

v m

m

t t k k

x mg mg kv mdv dt mg kv

mg kv m mg t v e v e k mg kv k

mvdv

dx mg kv

mg kv u du kdv

k mgdu k mgdu

dx mdu dx mdu m u m u

mv kv m g x k k mg m t k --+-=++∴==-++=-

++==∴

=-+=-+∴=-+=?

?

?? dv

(1)-mg-kv=m ，

dt

，dv -mg-kv=mv ，dx 令，）

（）0

ln

0t ln mg kv mg kv

mg kv m v k mg k +++∴=+当时，＝即为到达最高点的时间

2－10质量为m 的跳水运动员，从距水面距离为h 的高台上由静止跳下落入水中。把跳

水运动员视为质点，并略去空气阻力。运动员入水后垂直下沉，水对其阻力为－b v 2，其中b

y

f ＝－kv

mg

v

为一常量。若以水面上一点为坐标原点O ，竖直向下为Oy 轴，求：（1）运动员在水中的速率v 与y 的函数关系；（2）跳水运动员在水中下沉多少距离才能使其速率v 减少到落水速率v 0的1/10？（假定跳水运动员在水中的浮力与所受的重力大小恰好相等）

解：运动员入水可视为自由落体运动，所以入水时的速度为

0v =，入水后如图由牛顿定律的

02

20//0100

mg-f-F=ma mg=F f=bv dv a=dt v dy (2)0.4,0.1m v

y ln 5.76m b y v v by m by m dv v dy dv

b mv

dy

b dv m v

v v e m v v v ---=∴-=-=====??b

将已知条件代入上式得，m

＝－

＝

2－11一物体自地球表面以速率v 0竖直上抛。假定空气对物体阻力的值为f ＝－km v 2，其中k 为常量，m 为物体质量。试求：（1）该物体能上升的高度；（2）物体返回地面时速度的值。

解：分别对物体上抛和下落时作受力分析（如图），

h

12

0m 1ln()2v 01

ln()

2(2)m v=v 1g

y

v

v v

vdv dy g k g k y k g k g k k g vdv

dy g k k =-++∴=-+∴+=-∴+

?

?

?

?

22

2

2

20max 22

2－/0dv mvdv

(1)-mg-k v =m

＝，dt dy v v v 物体达到最高点时，＝，故v h=y ＝dv mvdv

下落过程中，-mg+k v =m

＝dt dy

－v v （）

2－12长为60cm 的绳子悬挂在天花板上，下方系一质量为1kg 的小球，已知绳子能承

受的最大张力为20N 。试求要多大的水平冲量作用在原来静止的小球上才能将绳子打断？

解：由动量定理得

000

I mv I v m

?=-?∴=

，如图受力分析并由牛顿定律得，

20

20

220/20

2.47mv T mg l mv T mg l

mg I l I Ns

-=

=+≥∴+?≥?≥

2－13一作斜抛运动的物体，在最高点炸裂为质量相等的两块，最高点距离地面为19.6m 。爆炸1.0s 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100m 。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：取如图示坐标系，根据抛体运动规律，爆炸前，物体在最高点得速度得水平分量为

(

)

1

010x 2x 12y 2x 0x (1),v 2mv mv 30mv mv 414v v 100x x v x t

==+=2

11112

1

物体爆炸后，第一块碎片竖直下落的运动方程为

1

y =h-v t-gt 2

当碎片落地时，y =0,t=t 则由上式得爆炸后第一块碎片抛出得速度为1h-gt 2

＝（）

t 又根据动量守恒定律，在最高点处有

1

＝（）

211

＝－22联立以上（）－（）式得爆炸后第二块碎片抛出时的速度分量分别为＝2＝2x 11

212x 2222y 222214.7v t 5y =h+v t -60,x 500m

y ms v v ms gt y --====2

1

211h-gt 2t 爆炸后第二块碎片作斜抛运动，其运动方程为x ＝x +（）

1（）

2

落地时由式（5）和（6）可解得第二块碎片落地点得水平位置＝

2－14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θ角的速率v 0

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，把人和物视为一系统，当人跳跃到最高点处，在向左抛物得过程中，满足动量守恒，故有

()0000

0m cos ()

v u mu v cos m mu

v v- cos m sin t g m sin x vt u

m g

v Mv m v u v v v v v θθθθθ

=+-???+M 式中为人抛物后相对地面的水平速率，－为抛出物对地面得水平速率，得＝+

+M

人的水平速率得增量为

＝＝

+M

而人从最高点到地面得运动时间为＝所以人跳跃后增加的距离为＝＝（+M ）

2－15铁路上有一静止的平板车，其质量为M ，设平板车可无摩擦地在水平轨道上运动。现有N 个人从平板车的后端跳下，每个人的质量均为m ，相对平板车的速度均为u 。问：在下列两种情况下，（1）N 个人同时跳离；（2）一个人、一个人地跳离，平板车的末速是多少?所得的结果为何不同，其物理原因是什么?

解：取平板车及N 个人组成的系统，以地面为参考系，平板车的运动方向为正方向，系统在该方向上满足动量守恒。

考虑N 个人同时跳车的情况，设跳车后平板车的速度为v ，则由动量守恒定律得 0＝Mv+Nm （v －u ）

v ＝Nmu/(Nm+M) (1)

又考虑N 个人一个接一个的跳车的情况。设当平板车上商有n 个人时的速度为v n ，跳下一个人后的车速为v n －1，在该次跳车的过程中，根据动量守恒有

（M+nm ）v n =M v n －1+(n-1)m v n －1+m(v n －1-u) (2) 由式（2）得递推公式

v n －1=v n +mu/(M+nm) (3) 当车上有N 个人得时（即N ＝n ），v N ＝0；当车上N 个人完全跳完时，车速为v 0， 根据式（3）有， v N-1=0+mu/(Nm+M)

v N-2= v N-1+mu/((N-1)m+M) ………….

v 0= v 1+mu/(M+nm)

将上述各等式的两侧分别相加，整理后得，

0n 0mu v nm

,1,2,3....v v

M nm M Nm n N N +≤+=∑

N

＝1＝M+由于故有，即个人一个接一个地跳车时，平板车的末速度大于N 个人同时跳下车的末速度。这是因为N 个人逐一跳离车时，车对地的速度逐次增加，导致跳车者相对地面的速度也逐次增加，并对平板车所作的功也相应增大，因而平板车得到的能量也大，其车速也大。

2－16 A 、B 两船在平静的湖面上平行逆向航行，当两船擦肩相遇时，两船各自向对方平稳地传递50kg 的重物，结果是A 船停了下来，而B 船以3.4m/s 的速度继续向前驶去。A 、B 两船原有质量分别为500kg 和1000kg ，求在传递重物前两船的速度。(忽略水对船的阻力)

解：

设A 、B 两船原有的速度分别为vA 和vB ，传递重物后的速度分别为v ’A 和v ’B,由动量守恒定律可得

11

11m m v mv m v m m v mv m v v 0ms v 3.4ms m mv v 0.4ms m m m m m m m m v v 3.6ms m m m m m A B B B A A B A '-'-'''---'---A B A A B A B B

－－A B

－B

A 2

－B B

B 2

（）+=（）+=将＝，＝代入上面两式，可解得－＝＝（）（）－（）＝＝（）（）－ 2－17一人从10m 深的井中提水，起始桶中装有10kg 的水，由于水桶漏水，每升高1m 要漏去0.2kg 的水。求水桶被匀速地从井中提到井口，人所作的功。

解：水桶在匀速上提的过程中，加速度为0，拉力和重力平衡，在图示坐标下，水桶重力随位置的变化关系为

G ＝mg －αgy

其中α＝0.2kg/m,人对水桶的拉力的功为

10

(mg gy dy 882J W α=?－）＝

2－18如本题图所示，A 和B 两块板用一轻弹簧连接起来，它们的质量分别为m 1和m 2。问在A 板上需加多大的压力，方可在力停止作用后，恰能使在跳起来时B 稍被提起。（设弹簧的劲度系数为k ）

解：选取如图所示坐标系，取原点处为重力势能和弹性势能零点，作各种状态下物体的受力图。对A 板而言，当施以外力F 时，根据受力平衡有

11221122121212(1)

ky -mgy =12(3)F G F

ky mgy y y M N O F y F G G A N B +++''1211121

22221212＝当外力撤除以后，由机械能守恒定律得，11

22

和为、两点对原点的位移。因为＝ky ,F =k ,G =m g 上式可以写为，F -F =2G (2)

由（）和（）式可得＝当板跳到点时，板刚被提起，此时弹性力F =G ,且F =F ,

由式（3）可得F ＝G +G =(m +m )g

2－19如本题图所示，质量为m 、速度为v 的钢球，射向质量为M 的靶，靶中心有一小孔，内有劲度系数为k 的弹簧，此靶最初处于静止状态，但可在水平面上作无摩擦滑动，求子弹射入靶内弹簧后，弹簧的最大压缩距离。

解：设弹簧得最大压缩量为x0。小球与靶共同运动得速度为v1。由动量守恒定律，有

1

222100()(1)

111mv ()kx 222212x mv m M v m M v =+++又由机械能守恒定律，有＝（）由（）式和（）式可得

2－20以质量为m 的弹丸，穿过如本题图所示的摆锤后，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，弹丸的速度的最小值应为多少？

解：

习题2－18图

习题2－19图

习题2－20图

2

h

h

22

h

v

mv m v'(1)

Mv'

g(2)

l

v'

1

v'2gl Mv'3

2

v

M

M M

+

由水平方向的动量守恒有，

＝

2

为了使摆锤能在垂直平面内作圆周运动，在最高点时，摆线中的张力F=0,则，

M＝

式中为摆线在圆周最高点的运动速率。

又由机械能守恒定律得

1

＝+（）

2

解上述三个方程，可得担丸所需速率的最小值为

2－21如本题图所示，一质量为M的物块放置在斜面的最底端A处，斜面的倾角为α，高度为h，物块与斜面的滑动摩擦因数为μ，今有一质量为m的子弹以速度v0 沿水平方向射入物块并留在其中，且使物块沿斜面向上滑动，求物块滑出顶端时的速度大小。

解：

01

2

cos()(1)

v

11

u(2)

22

12

v

mv M m v

α

α

α

=+

=+

2

22

21

在子弹与物块的撞击过程中，在沿斜面的方向上，根据动量守恒有

在物块上滑的过程中，若令物块刚滑出斜面时的速度为，并取A点的

重力势能为0。由系统的功能原理可得

h

－(m+M)gcos(m+M)v(m+M)gh-(m+M)v

sin

由（）、（）式可得

2－22如本题图所示，一个质量为m的小球，从内壁为半球形的容器边缘点A滑下。设容器质量为M，半径为R，内壁光滑，并放置在摩擦可以忽略的水平桌面上，开始时小球和容器都处于静止状态。当小球沿内壁滑到容器底部的点B时，受到向上的支持力为多大？

解：

习题2－21图

(

)22

m 0(1)11(2)22

,(3)m M m M m M m M m

m M v Mv mv mv mgR v v v v v v v -=+===

'=--=根据水平方向动量守恒定律以及小球在下滑过程中机械能守恒定律可分别得式中分别表示小球、容器相对桌面得速度。由式（1）、（2）可得由于小球相对地面运动的轨迹比较复杂，为此，可改以容器为参考系。在容器底部时，小球相对容器的运动速度为在容器底部2(4)

342(3)

m N N v F mg m R

m

F mg M

'-==+，小球所受惯性力为零，其法向方程为由（）、（）式可得小球此时所受到的支持力为

2－23如本题图所示，质量分别为m 1=10.0kg 和m 2=6.0kg 的两小球A 和B ，用质量可略去不计的刚性细杆连接，开始时它们静止在Oxy 平面上，在图示的外力F 1= (8.0N)i 和F 2 =(6.0N)j 的作用下运动。试求：(1) 它们质心的坐标与时间的函数关系；（2）系统总动量与时间的函数关系。

解：（1）选如图所示坐标，则t ＝0时，系统的质心坐标为

习题2－22图

习题2－23图

()()

2

02012

2

01012

112212111200

12

22120

12

1.51.9()(1)

()(2)

12(),3(),

4t 0x y

C C x x y y t v x x t

v y y m x x m

m m m y y m

m m dv

F F m m dt dv

F F m m dt

Ft F dt m m dv v m m F t F dt m m dv v m m x ==+=

=+==+==+=+=+=+=

+=????对小球与杆整体应用质心运动定律得

根据初始条件，分别对（）、（）式积分得根据初始条件＝时，0

001

12

222

1

01220

12

2

22

2012120

,34(

) 1.5(0.25)2()

(

)1.9(0.19)2()

(2)()(C C C C C C x t

C x C C y t

C y C C t x y y Ft dx dt

m m Ft x x m m s t m m F t

dy dt

m m F t y y m m s t m m p p F F dt --==+=+=+?+=+=+=+?+=?=+=?

??

?? 对（）、（）式再次积分可得

及利用动量定理并考虑到系统从初始状态为静止，可得

22

8.0)(6.0)kg m s ti kg m s tj

--??+??

2－24质量为2×10-3kg 的子弹以500m·s -1的速率水平飞出，射入质量为1kg 静止在水平面上的木块，子弹从木块穿出后的速率为100m·s -1，而木块向前滑行了0.2m 。求：(1)木块与平面间的摩擦系数 (2)子弹动能和动量的减少量。

解：

002

2

22322k 003001

',0.8/0.2m 1

2110.820.163

19.80.2

11

(2)m m 2100.510050022

240p m m 210100500mv mv Mv v m s

uMgs Mv u E v v J v v =+∴=-=-??∴=??'????-'??? －－-1

（）在水平方向系统动量守恒，木块向前滑行了，由动能定理得

子弹动能的减少量＝－＝（－）＝子弹动量得减少量＝－＝（－）=-0.8kgms 2－25如本题图所示，一质量为m 的钢球，系在一长为l 的绳一端，绳另一端固定，现

将球由水平位置静止下摆，当球到达最低点时与质量为M ，静止于水平面上的钢块发生弹性碰撞，求碰撞后m 和M 的速率。

解：

2222M M M m 1

mv mgl v 2

111

mv mv Mv 222mv mv Mv m M v m M v v '+'+'∴==由机械能守恒得，碰前的速度为＝，由碰撞前后动能和动量守恒得＝＝－＝

+ 2－26一质量为m 的运动粒子与一质量为km 的静止靶粒子作弹性对心碰撞，求靶粒子获得最大动能时的k 值。

解：

习题2－25图

222

222

22

2

mv kmv mv(1)

111

mv kmv mv(2)

222

1v=v-kv

111

2kmv mv mv

222

1

mkvv k mv

2

k

m

1

k1

k

k

k

k

E

E

E

E

'''

+

'''

+

'''

∴

'''

==

''

-

∴=

∴

2

由动量和动能守恒得，

＝

＝

由（）得

由（）得－

＝

＝

2v

当＝时，取最大值

2－27质量为m的中子与质量为M的原子核发生弹性碰撞，若中子的初动能为E0，求

证碰撞时中子可能损失的最大动能为

2

)

(

4

E

m

M

mM

+

。

解：设弹性碰撞前中子的动量为P0，碰撞前中子的动量为P1，原子核的动量为P2，由动量守恒的标量式可以得

2

2

2

222

21010

222

112200012

210

222222

0201

2222

0201

012

2cos,

2,2,2,

2

()4()44cos

4()4sin0

4

()

P P P P P

P mE P ME P mE E E E

ME mE mE

M m E m M m E E m E m E E

mME E M m E m E E

mME

E E E

M m

θ

θ

θ

θ

=+-

====+

∴=+-

+-++=

-+=≥

∴-=≤

+

2－28如本题图示，绳上挂有质量相等的两个小球，两球碰撞时的恢复系数e=0.5。球A 由静止状态释放，撞击球B，刚好使球B到达绳成水平的位置，求证球A释放前的张角θ应满足cosθ= 1/9。

证明：设球A到达最低点的速率为v，根据机械能守恒有

θ

2L

习题2－28图

A

B

C

L

2

212(1cos ),2

(1)

,,0.50.5(2)

(3)(2),(3)3(4)

1

(5)2

1451

cos 9

A B B A

B A B A B B mv mg l v A B v v v v e v

v v v A B mv mv mv v v mv mgl θθ=-=-=

=-=+===

所以，设碰撞后，两球的速率分别为由题意得：

即，两球碰撞时水平方向动量守恒：由式得

＝4

碰撞后B 球机械能守恒，故有将（），（）代入（）得：