大学物理教程第二版-第1章答案

1 -5 已知质点沿x 轴作直线运动,其运动方程为3
2262t t x -+=,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：
0Δx x x t -=,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
0d d =t
x
来确定其运动方向改变的时刻t p ,求出0～t p 和t p ～t 内的位移大小Δx 1 、Δx 2 ,则t 时间内的路程21x x s ∆+∆=,如图所示,至于t ＝4.0 s 时
质点速度和加速度可用t
x d d 和22d d t x
两式计算．
题 1-5 图
解 (1) 质点在4.0 s 内位移的大小
m 32Δ04-=-=x x x
(2) 由 0d d =t
x
得知质点的换向时刻为
s 2=p t (t ＝0不合题意)
则
m 0.8Δ021=-=x x x
m 40Δ242-=-=x x x
所以,质点在4.0 s 时间间隔内的路程为
m 48ΔΔ21=+=x x s
(3) t ＝4.0 s 时
1s
0.4s m 48d d -=⋅-==
t t x
v
2s
0.422m.s 36d d -=-==t t x a
1 -6 已知质点的运动方程为j i r )2(22
t t -+=,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
24
12x y -
= 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
j r 20= , j i r 242-=
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
j i j i r r r 24)()(Δ020212-=-+-=-=y y x x
其中位移大小m 66.5)(Δ)(ΔΔ22=+=
y x r
而径向增量m 47.2ΔΔ2020222202=+-+=
-==y x y x r r r r
题 1-6 图
1 -9 质点沿直线运动,加速度a ＝4 -t
2 ,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t a d d v =
和t
x
d d =v 可得t a d d =v 和t x d d v =．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
⎰⎰
=t
t a 0
d d 0
v
v v
得 03
3
14v v +-=t t (1)
由
⎰⎰
=t
x
x t x 0
d d 0
v
得 004
2
12
12x t t t x ++-
=v (2) 将t ＝3ｓ时,x ＝9 m,v ＝2 m·ｓ-1代入(1)、(2)得
v 0＝-1 m·ｓ-1, x 0＝0.75 m
于是可得质点运动方程为
75.012
124
2+-
=t t x 1 -10 一石子从空中由静止下落,由于空气阻力,石子并非作自由落体运动,现测得其加速度a ＝A -B v ,式中A 、B 为正恒量,求石子下落的速度和运动方程．
分析 本题亦属于运动学第二类问题,与上题不同之处在于加速度是速度v 的函数,因此,需将式d v ＝a (v )d t 分离变量为
t a d )
(d =v v
后再两边积分． 解 选取石子下落方向为y 轴正向,下落起点为坐标原点．
(1) 由题意知 v v
B A t
a -==
d d (1) 用分离变量法把式(1)改写为
t B A d d =-v
v
(2)
将式(2)两边积分并考虑初始条件,有
⎰⎰
=-t t B A 0d d d 0
v v
v
v
v
得石子速度 )e 1(Bt B
A
--=v 由此可知当,t →∞时,B
A
→v 为一常量,通常称为极限速度或收尾速度． (2) 再由)e 1(d d Bt B
A
t y --==
v 并考虑初始条件有 t B
A y t Bt y d )e 1(d 00⎰⎰--= 得石子运动方程
)1(e 2-+=
-Bt B
A
t B A y 1 -12 质点在Oxy 平面内运动,其运动方程为r ＝2.0t i ＋(19.0 -2.0t 2 )j ,式中r 的单位为m,t 的单位为s ．求：(1)质点的轨迹方程；(2) 在t 1＝1.0s 到t 2 ＝2.0s 时间内的平均速度；(3) t 1 ＝1.0ｓ时的速度及切向和法向加速度；(4) t ＝1.0s 时质点所在处轨道的曲率半径ρ．
分析 根据运动方程可直接写出其分量式x ＝x (t )和y ＝y (t ),从中消去参数t ,即得质点的轨迹方程．平均速度是反映质点在一段时间内位置的变化率,即t
ΔΔr
=v ,它与时间间隔Δt 的大小有关,当Δt →0 时,平均速度的极限即瞬时速度t
d d r =
v ．切向和法向加速度是指在自然坐标下的分矢量a ｔ 和a n ,前者只反映质点在切线方向速度大小的变化率,即t
t t
e a d d v =,后者只
反映质点速度方向的变化,它可由总加速度a 和a ｔ 得到．在求得t 1 时刻质点的速度和法向加
速度的大小后,可由公式ρ
a n 2v =求ρ．
解 (1) 由参数方程
x ＝2.0t , y ＝19.0-2.0t 2
消去t 得质点的轨迹方程：
y ＝19.0 -0.50x 2
(2) 在t 1 ＝1.00ｓ 到t 2 ＝2.0ｓ时间内的平均速度
j i r r 0.60.2ΔΔ1
21
2-=--==
t t t r v (3) 质点在任意时刻的速度和加速度分别为
j i j i j i t t
y t x t y x 0.40.2d d d d )(-=+=
+=v v v j j i a 22222s m 0.4d d d d )(-⋅-=+=t
y
t x t
则t 1 ＝1.00ｓ时的速度
v (t )｜t ＝1ｓ＝2.0i -4.0j
切向和法向加速度分别为
t t y x t t t
t
t e e e a 222s
1s m 58.3)(d d d d -=⋅=+==
v v v n n t n a a e e a 222s m 79.1-⋅=-=
(4) t ＝1.0ｓ质点的速度大小为
122s m 47.4-⋅=+=y x v v v
则m 17.112
==n
a ρv
1 -18 一质点在半径为0.10 m 的圆周上运动,其角位置为3
42t θ+=,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3
42t θ+=,则角速度212d d t t
θ
ω==．在t ＝2 ｓ 时,法向加速度和切向加速度的数值分别为
22s
2s m 30.2-=⋅==ωr a t n
2s
2s m 80.4d d -=⋅==t
ω
r
a t t
(2) 当222
12/t n t a a a a +=
=时,有2
23n
t a a =,即 ()()
4
222
12243t r rt =
得 3
213
=t
此时刻的角位置为
rad 15.3423=+=t θ
(3) 要使t n a a =,则有
()()
4
222
12243t r rt =
t ＝0.55ｓ。