习 题 二
2-1 质量为m的子弹以速率水平射入沙土中,设子弹所受阻力与速度反向,大小与速度成正比,比例系数为k,忽略子弹的重力,求:(1)子弹射入沙土后,速度大小随时间的变化关系; (2)子弹射入沙土的最大深度。
[解] 设任意时刻子弹的速度为v,子弹进入沙土的最大深度为s,由题意知,子弹所受的阻力 f= - kv
(1) 由牛顿第二定律
即
所以
对等式两边积分
得
因此
(2) 由牛顿第二定律
即
所以
对上式两边积分
得到
即
2-2 质量为m的小球,在水中受到的浮力为F,当它从静止开始沉降时,受到水的粘滞阻力为f=kv(k为常数)。若从沉降开始计时,试证明小球在水中竖直沉降的速率v与时间的关系为
[证明] 任意时刻t小球的受力如图所示,取向下为y轴的正方向,开始沉降处为坐标原点。由牛顿第二定律得
即
整理得
对上式两边积分
得
即
2-3 跳伞运动员与装备的质量共为m,从伞塔上跳出后立即张伞,受空气的阻力与速率的平方成正比,即。求跳伞员的运动速率v随时间t变化的规律和极限速率。
[解] 设运动员在任一时刻的速率为v,极限速率为,当运动员受的空气阻力等于运动员及装备的重力时,速率达到极限。
此时
即
有牛顿第二定律
整理得
对上式两边积分
得
整理得
2-4 一根线密度为的均匀柔软链条,上端被人用手提住,下端恰好碰到桌面。现将手突然松开,链条下落,设每节链环落到桌面上之后就静止在桌面上,求链条下落距离s时对桌面的瞬时作用力。
[解] 链条对桌面的作用力由两部分构成:一是已下落的s段对桌面的压力,另一部分是正在下落的段对桌面的冲力,桌面对段的作用力为。显然
时刻,下落桌面部分长s。设再经过,有落在桌面上。取下落的段链条为研究对象,它在时间之内速度由变为零,根据动量定理
(1)
(2)
(3)
由(2)、(3)式得
故链条对桌面的作用力为
2-5 一半径为R的半球形碗,内表面光滑,碗口向上固定于桌面上。一质量为m的小球正以角速度沿碗的内面在水平面上作匀速率圆周运动。求小球的运动水平面距离碗底的高度。
[分析] 小钢球沿碗内壁作圆周运动,其向心力是由内壁对它的支承力的分力提供的,而支承力的方向始终与该点内壁相垂直,显然,不同的角速度对应不同大小和方向的支承力。
[解] 设小球的运动水平面距碗底的高度为h,小球受力如图所示,则
由以上四式得
2-6 一飞车运动员在一个呈锥形内表面的演出舱内进行表演。若人与车的质量为m,锥面的半顶角为。飞车运动员恰好在一水平面内作匀速率圆周运动,其速率为。忽略摩擦阻力,试作飞车运动员及车的受力图,并将圆周的半径用、g和表示之。
[解] 飞车运动员的及车的受力如图所示,设其距锥面顶点的高度为h,则
联立两式得
2-7 在光滑的竖直圆环上,套有两个质量均为m的小球A和B,并用轻而不易拉伸的绳子把两球联结起来。两球由图示位置开始释放,试求此时绳上的张力。
[解] 小球A和B受力如图,因绳子不可伸长,开始释放时球的速度为零,小球A和B的切向加速度相等,法向加速度为零,则
对A球
对B球
由上面两式得
2-8 一人造地球卫星质量m=1327kg,在离地面m的高空中环绕地球作匀速率圆周运动。求:(1)卫星所受向心力f的大小;(2)卫星的速率v;(3)卫星的转动周期T。
[解] 卫星所受的向心力即是卫星和地球之间的引力
由上面两式得
(2) 由牛顿第二定律
(3) 卫星的运转周期
2-9 试求赤道上方的地球同步卫星距地面的高度。
[解] 设同步卫距地面高度为h,距地心为R+h,则
所以
代入第一式中
解得
2-10 自动步枪连发时每分钟射出120发子弹,每颗子弹的质量为m=7.90g,出口速率为735,求射击时(以分钟计)抢托对肩的平均压力。
[解] 取时间之内射出的子弹为研究对象,作用在子弹上的平均力为,根据动量定理得
所以
故枪托对肩部的平均压力为
2-11 水力采煤是利用高压水枪喷出的强力水柱冲击煤层。设水柱直径为D=30mm,水速v=56,水柱垂直射到煤层表面上,冲击煤层后速度变为零。求水柱对煤层的平均冲力。
[解] 取长为dx的一段水柱为研究对象,设它受到的煤层的作用力为,根据动量定理
所以
故水柱对煤层的平均冲力
2-12 F=30+4t的力作用在质量为10kg的物体上,求: (1)在开始两秒钟内,此力的冲量是多少?(2)要使冲量等于 300,此力作用的时间为多少?(3)若物体的初速度为10
,方向与F相同,在t=6.86s时,此物体的速度是多少?
[解] 根据冲量定义
(1)开始两秒钟此力的冲量
(2) 当时
解得
(3) 当时,,根据动量定理
word/media/image97_1.png因此
2-13 质量为m的质点,以不变速率v沿图示三角形ABC的水平光滑轨道运动。求质点越过角A时,轨道作用于质点冲量的大小。
[解] 如图所示,质点越过A角时动量的改变为
由图知的大小
根据动量定理
2-14 质量为m的质点在xOy平面内运动,其运动方程,试求:(1)质点的动量;(2)从t=0到这段时间内质点受到的合力的冲量;(3)在上述时间内,质点的动量是否守恒?为什么?
[解] 质点的速度
(1)
(1) 质点的动量
(2) 由(1)式得时,质点的速度
时,质点的速度为
根据动量定理
解法二:
(3) 质点的动量不守恒,因为由第一问结果知动量随时间t变化。
2-15 将一空盒放在台秤盘上,并将台秤的读数调节到零,然后从高出盒底h处将石子以每秒n个的速率连续注入盒中,每一石子的质量为m。假定石子与盒子的碰撞是完全非弹性的,试求石子开始落入盒后t秒时,台秤的读数。
[解] t秒钟后台秤的读数包括下面两部分,一部分是已落入盒中的石子对称盘的压力,另一部分是正下落的石子对秤的冲力,显然
取时间下落的石子为研究对象,设它们所受到的平均冲力为,根据动量定理
所以
故时间下落的石子对称的冲力
因此秤的读数为
2-16 以速度前进的炮车,向后发射一炮弹,已知炮车的仰角为,炮弹和炮车的质量分别为m和M,炮弹相对炮车的出口速率为v,如图所示。求炮车的反冲速率是多大?
[解] 以大地为参照系,取炮弹与炮弹组成的系统为研究对象,系统水平方向的动量守恒。由图可知炮弹相对于地面的速度的水平分量为,根据动量守恒定律
所以
此即为炮车的反冲速率。
2-17 一质点的运动轨迹如图所示。已知质点的质量为20g,在A、B两位置处的速率都是20,与x轴成角,与y轴垂直,求质点由 A点运动到B点这段时间内,作用在质点上外力的总冲量。
[解] 由题意知,质点由A点到B点动量的改变为
根据动量定理,作用在质点上的外力的冲量
所以
冲量与x轴之间的夹角
2-18 若直升飞机上升的螺旋浆由两个对称的叶片组成,每一叶片的质量m=136kg,长l=3.66m。当它的转速n=320时,求两个叶片根部的张力(设叶片是均匀薄片)。
[解一] 设叶片的根部为原点O ,作径向Or轴,在叶片上距O点为r处取一线元,则,其两边所受的张力如图所示。根据圆周运动沿径向的动力学方程,有
即
对上式积分,并考虑到叶片的外端r趋近于l时,张力,则
因此距O点为r处叶片中的张力为
式中负号表明T指向O点。取r=0,代入题中所给数据,得叶片根部张力
[解二] 任意时刻t叶片的动量
经过dt时间,叶片动量的改变
叶片根部所受的作用力
2-19 如图所示,砂子从h=0.8m处下落到以3的速率沿水平向右运动的传输带上,若每秒钟落下100kg的砂子,求传输带对砂子作用力的大小和方向。
[解] 如图所示,设时间内落下的砂子的质量为,则的动量改变
显然有
由图可知
根据动量定理
所以
2-20 矿砂从传输带A落到另一传输带B,其速度大小为=4,=2方向如图所示。设传输带的运送量=2000,求矿砂作用在传输带B上的力的大小和方向。
[解] 取时间内落下的矿砂为研究对象,建立如图所示的坐标系,其动量的改变为
根据动量定理
所以
故矿砂作用在传输带B上的力
与竖直方向的夹角
2-21 质量为M的平板车,在水平地面上无摩擦地运动。若有N个人,质量均为m,站在车上。开始时车以速度向右运动,后来人相对于车以速度u向左快跑。试证明:(1)N个人一同跳离车以后,车速为
(2)车上N个人均以相对于车的速度u向左相继跳离,N个人均跳离后,车速为
[证明] (1) 取车和人组成的系统为研究对象,以地面为参照系,系统的水平方向的动量守恒。人相对于地面的速度为,则
所以
(2) 设第个人跳离车后,车的速度为,第x个人跳离车后,车的速度为,根据动量守恒定律得
所以
此即车速的递推关系式,取得
……………………
将上面所有的式子相加得
此即为第N个人跳离车后的速度,即
2-22 求半圆形的均匀薄板的质心。
[解] 设圆半径为R,质量为m,建立如图所示的坐标
系,设质心坐标为,取图示面积元,
则,由对称性知:
所以质心的坐标为
2-23 水分子的结构如图所示。两个氢原子与氧原子的中心距离都是0.958Å,它们与氧原子中心的连线的夹角为,求水分子的质心。
[解] 建立如图所示坐标系,设质心坐标为,则
Å
所以水分子的质心坐标为(0,0.0648)
2-24 三个质点组成的系统,其中=4kg,坐标为(1,3); =8kg,坐标为(4,1); =4kg,坐标为(-2,2)(SI)。设它们分别受力=14N,沿x方向; =16N,沿y方向;=6N,沿负x方向。质点间无相互作用力。求:(1)各质点的加速度;(2)开始时质心的坐标;(3)质心的加速度。
[解] (1) 各质点的加速度
(2) 设开始时质心的坐标为,则
(3),和所组成的系统所受的合力
所以质心的加速度是
2-25 两个质量都是m的星球,保持在同一圆形轨道上运行,轨道圆心位置上及轨道附近都没有其它星球。已知轨道半径为R,求:(1)每个星球所受到的合力;(2)每个星球的运行周期。
[解] 因为两个星球在同一轨道上作圆周运动,因此,他们受到的合力必须指向圆形轨道的圆心,又因星球不受其他星球的作用,因此,只有这两个星球间的万有引力提供向心力。所以两个星球必须分布在直径的两个端点上,且其运行的速度周期均相同
(1)每个星球所受的合力
(2) 设运动周期为T
联立上述三式得
所以,每个星球的运行周期
2-26 如图所示,浮吊的质量M=20t,从岸上吊起m=2t的重物后,再将吊杆与竖直方向的夹角由转到,设杆长l=8m,水的阻力与杆重略而不计,求浮吊在水平方向上移动的距离。
[解法一] 取吊车和重物组成的系统为研究对象,系统所受的合外力为零,因此在由转到时,质心的位置不变。取质心为坐标原点,如图所示。设在在由转到时吊车在水平方向上移动的距离为x,重物在水平方向上移动的距离为y,则
=时
Ma-mb=0
a+b=lsin
=时
M(a-x)-m(b-y)=0
(a-x)+ (b-y)=lsin
联立上述四式得
[解法二] 以岸边为参考系,选如图坐标系,因水的阻力不计,因此浮吊在x方向动量守恒。该M以V向岸边靠拢,m相对M以u向左运动,相对岸边的速度为u-V。
吊杆转动角度前后,在水平方向动量守恒,
即
依题意,m在水平方向相对浮吊移动的距离为
经历时间
在t时间内,M在x方向移动的距离为
2-27 某弹道火箭初始总质量t,内装m=9.0t的燃料,由静止开始发射。发射时喷气速率,喷气流量为q=125,二者都是常量。不计重力及空气阻力,求火箭受到的反推力和它在燃料烧尽后的速度。
[解] 取dt时间内喷出的气体为研究对象,根据动量定理
所以
火箭受到的反推力 (1)
设燃料燃烧尽后火箭的速度为v,根据动量定理
(2)
燃料燃烧时间 (3)
联立(1)、(2)两式得 (4)
将上式积分得 (5)
联立(3)、(5)两式得
2-28 初始质量为的火箭,在地面附近空间以相对于火箭的速率u垂直向下喷射高温气体,每秒钟消耗的燃料量为常量C。设初速为零,试求火箭上升速度与时间的函数关系。
[解] 经过时间t后,火箭的速度为v,由第27题知,火箭受的反推力
根据动量定理
联立两式得
对上式积分得
因此
此式即火箭的速度与时间t的函数关系式。
2-29 依靠火箭将卫星进入轨道。发射前火箭和卫星的总质量为t。其中燃料质量m=9.0t。若希望在燃料烧尽后火箭能达到第一宇宙速度v=7.9,不计空气阻力和重力,则燃料喷气相对于火箭的速率u应为多大?
[解] 由第27题知,火箭最终速率
所以
2-30 有一个二级火箭,每一级的喷气速率相对于火箭体都是u。发射前第一级火箭质量为,包括内装燃料质量,第二级火箭质量为,包括内装燃料;火箭由静止开始发射,当第一级火箭燃料用完时,其外壳即脱离开火箭体,设不计空气阻力和重力,求证当两级燃料全部燃烧完后,火箭达到的速度大小为
[证明] 由第27题知,第一级火箭燃料烧尽时火箭的速率
(1)
第二级火箭燃料燃尽时,火箭的速度为,火箭受的反推力
(q为喷气量) (2)
根据动量定理 (3)
联立(2)、(3)式
将上式两边积分得
所以
(4)
联立(1)、(4)式得
这就是火箭的最终速度。
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