精品文档 ---------------------------------------------------- 习题 3-1. 如图,一质点在几个力作用下沿半径为R=20m的圆周运动,其中有一恒力F=0.6iN,求质点从A开始沿逆时针方向经3/4圆周到达B的过程中,力F所做的功。
解:ji2020ABrrr 由做功的定义可知:JW12)2020(6.0••jiirF
3-2. 质量为m=0.5kg的质点,在xOy坐标平面内运动,其运动方程为x=5t2,y=0.5(SI),从t=2s到t=4s这段时间内,外力对质点的功为多少?
ijiji60)5.020()5.080(24rrr 22//10ddtddtia vr 105mmiiFa 由做功的定义可知:560300WJ••iiFr
3-3.劲度系数为k的轻巧弹簧竖直放置,下端悬一小球,球的质量为m,开始时弹簧为原长而小球恰好与地接触。今将弹簧上端缓慢提起,直到小球能脱离地面为止,求此过程中外力的功。 根据小球是被缓慢提起的,刚脱离地面时所受的力为F=mg,mgxk
可得此时弹簧的伸长量为:kmgx
由做功的定义可知:kgmkxkxdxWkmgx22122020 3-4.如图,一质量为m的质点,在半径为R的半球形容器中,由静止开始自边缘上的A点滑下,到达最低点B时,它对容器的正压力数值为N,求质点自A滑到B的过程中,摩擦力对其做的功。
分析:Wf直接求解显然有困难,所以使用动能定理,那就要知道它的末速度的情况。 精品文档 ---------------------------------------------------- 解:求在B点的速度: N-G=Rvm2 可得:RGNmv)(21212
由动能定理:RmgNmgRRGNWmvWmgRff)3(21)(210212 3-5.一弹簧并不遵守胡克定律,其弹力与形变的关系为iF)4.388.52(2xx,其中F和x单位分别为N和m.
(1)计算当将弹簧由m522.01x拉伸至m34.12x过程中,外力所做之功; (2)此弹力是否为保守力? 解: (1)由做功的定义可知:
JxxxxdxxxdWxx2.69)(6.12)(4.26)4.388.52(31322122234.1522.021•xF
(2)由计算结果可知,做功与起点和终点的位置有关,与其他因素无关,所以该弹力为保守力。
3-6. 一质量为m的物体,在力)(2jiFbtat的作用下,由静止开始运动,求在任一时刻t此力所做功的功率为多少。 解:要求功率就必须知道力和速度的情况,由题意:
)3121(1)(1322jijibtatmdtbtatmtmFv 所以功率为: )3121(1)3121(1)(5232322tbtambtatmbtatN••jijiVF 精品文档 ---------------------------------------------------- 3-7. 一质点在三维力场中运动.已知力场的势能函数为 czbxyaxE2p.
(1)求作用力F; (2)当质点由原点运动到3x、3y、3z位置的过程中,试任选一路径,
计算上述力所做的功。其中pE的单位为J,zyx、、的单位为m,F的单位为N.
解:(1)由作用力和势能的关系:
kjiFcbxbyaxrczbxyaxrEP)2()(2
(2)取一个比较简单的积分路径:kjirdzdydx,则积分可得: )(])2[(kjikjidrFdzdydxcbxbyaxW•• =9a-9b-3c
3-8. 轻弹簧AB的上端A固定,下端B悬挂质量为m的重物。已知弹簧原长为0l,劲度系数为k,重物在O点达到平衡,此时弹
簧伸长了0x,如图所示。取x轴向下为正,且坐标原点位于:弹簧原长位置O;力的平衡位置O。若取原点为重力势能和弹性势能的势能零点,试分别计算重物在任一位置P时系统的总势能。 解:(1)取弹簧原长位置O为重力势能和弹性势能的势能零点,则重物在任
一位置P(坐标设为x)时系统的总势能:2P21Exkxmg (2)取力的平衡位置O为重力势能和弹性势能的势能零点,则重物在任一精品文档 ---------------------------------------------------- 位置P(坐标设为x)时系统的总势能:02020P2121Ekxmgkxxxkmgx而)( 所以22020P212121Ekxkxxxkmgx)( 3-9. 在密度为1的液面上方,悬挂一根长为l,密度为2的均匀棒AB,棒的B端刚和液面接触如图所示,今剪断细绳,设细棒只在浮力和重
力作用下运动,在1212的条件下,求细棒下落过程中
的最大速度maxv,以及细棒能进入液体的最大深度H。 解:分析可知,棒下落的最大速度是受合力为零的时候,所以:
hsglsg12 ,则lh12。
在下落过程中,利用功能原理:2221012hslvsglhgsydy
所以:2max1vgl 进入液体的最大深度H为细棒运动的速度为零时: 210
Hsglhgsydy 所以1122lH•
3-10. 若在近似圆形轨道上运行的卫星受到尘埃的微弱空气阻力f的作用,设阻力与速度的大小成正比,比例系数k为常数,即kvf,试求质量为m的精品文档 ---------------------------------------------------- 卫星,开始在离地心Rr40(R为地球半径)陨落到地面所需的时间。 解:根据题意,假设在离地心Rr40处质点的速度为v1,地面上的速度为
v2。提供卫星运动的力为万有引力:202rMmGrvm,所以2012Rrvv 在这个过程中阻力的作用时间可通过动量定理求出: mdvkvdtfdt
通过分离变量取积分,可
得:2121lnln2vvvmmmtdtdvkvkvk
3-11. 一链条放置在光滑桌面上,用手揿住一端,另一端有四分之一长度由桌边下垂,设链条长为L,质量为m,试问将链条全部拉上桌面要做多少功? 解:直接考虑垂下的链条的质心位置变化,来求做功,则: 1114832PWEmglmgl
3-12. 起重机用钢丝绳吊运质量为m的物体时以速率0v匀速下降,当起重机突然刹车时,因物体仍有惯性运动使钢丝绳有微小伸长。设钢丝绳劲度系数为k,求它伸长多少?所受拉力多大?(不计钢丝绳本身质量) 解:当起重机忽然刹车时,物体的动能将转换为钢
丝绳的弹性势能:由2202121kxmv,可得:
0vkmx 精品文档 ---------------------------------------------------- 分析物体的受力,可得到绳子的拉力为: 0vmkmgkxmgT
3-13. 在光滑水平面上,平放一轻弹簧,弹簧一端固定,另一端连一物体A、A边上再放一物体B,它们质量分别为Am和Bm,弹簧劲度系数为k,原长为
l.用力推B,使弹簧压缩0x,然后释放。求:
(1)当A与B开始分离时,它们的位置和速度; (2)分离之后.A还能往前移动多远? 解:(1)当A和B开始分离时,两者具有相同的速度,根据能量守恒,可得
到:20221)(21kxvmmBA,所以:0xmmkvBA;xl (2)分离之后,A的动能又将逐渐的转化为弹性势能,所以: 22212
1kxvmA ,则: 0AAABmxxmm
3-14. 已知地球对一个质量为m的质点的引力为rF3ermGm(ee,Rm为地球的质量和半径)。 (1)若选取无穷远处势能为零,计算地面处的势能; (2)若选取地面处势能为零,计算无穷远处的势能.比较两种情况下的势能差. 解:(1)取无穷远处势能为零,计算地面处的势能为:
ee211bearPeRr
EfdrGmmdrGmmrR•
(2)若选取地面处势能为零,计算无穷远处的势能为: 精品文档 ---------------------------------------------------- ee211ebaRrerEfdrGmmdrGmmrR
•
两种情况下势能差是完全一样的。 3-15. 试证明在离地球表面高度为eRhh处,质量为m的质点所具有的引力势能近似可表示为mgh. 解:由万有引力的势能函数值,在离地球表面高度为eRhh处,质量为m的质点所具有的引力势能为:
)()()()()(20200hRmghRRMmGhRhRMmGhRMmGeeeeee
如果以地面作为零电势处,则质点所具有的引力势能近似可表示为mgh. 思考题3 3-1. 求证:一对内力做功与参考系的选择无关。 证明:对于系统里的两个质点而言,一对内力做功可表示为:
A=2211rdfrdf•• 由于外力的存在,质点1.2的运动情况是不同的。
2121,ffrdrd
上式可写为:A=)(212211rdrdfrdfrdf••• 也就是内力的功与两个质点的相对位移有关,与参考系的选择无关。
3-2. 叙述质点和质点组动能变化定理,写出它们的表达式,指出定理的成立条件。
质点的动能变化定理:物体受外力F作用下,从A运动B,其运动状态变化,