第一章 质点运动学1.已知一质点的运动方程为22(2)r ti t j =+-(SI 制)。
(1) 求出1t s =,和2t s =时质点的位矢; (2) 求出1s 末和2s 末的速度; (3) 求出加速度。
解:(1)1t s =时 12r i j =+ ,2t s =时 242r i j =-(2)质点的运动的速度22dr v i t j dt==-:1t s =时 122v i j =- ,2t s =时 224v i j =- (3)质点运动的加速度2dv a j dt==-2.一质点沿y 轴作直线运动,其速度大小283y v t =+,单位为SI 制。
质点的初始位置在y 轴正方向10m 处,试求:(1)2t s =时,质点的加速度;(2)质点的运动方程。
解:根据题意可知,0t s =时,108m s v -=,010m y = (1)质点在2t s =时的加速度y a 为2612msy y dv a t dt-===(2)质点的运动方程y 为y dy v dt =,两边积分210(83)ytdy t dt =+⎰⎰,因此 3108y t t =++3.某质点在xoy 平面上作加速运动,加速度232(m /s )a i j =+ 。
在零时刻的速度为零,位置矢量05m r i =。
试求:(1) t 时刻的速度和位矢;(2) 质点在平面上的轨迹方程。
解:(1)t 时刻的速度v 为(32)dv adt i j dt ==+,积分得 0(32)vtdv i j dt =+⎰⎰因此 1(32)m sv ti tj -=+; t 时刻的位矢r 为(32)dr vdt ti tj dt ==+积分得00(32)rtr dr ti tj dt =+⎰⎰ ,因此2222013(32)(5)22r r t i t j t i t j =++=++(2)由r 的表达式可得质点的运动方程22352x t y t ⎧=+⎪⎨⎪=⎩消去两式中的t ,便得轨迹方程 21033y x =-4.一汽艇以速率0v 沿直线行驶。
发动机关闭后,汽艇因受到阻力而具有与速度v 成正比且方向相反的加速度a kv =-,其中k 为常数。
求发动机关闭后,(1) 在时刻t 汽艇的速度;(2) 汽艇能滑行的距离。
解:本题注意根据已知条件在计算过程中进行适当的变量变换。
(1)因为dv a kv dt==-, 可得kdt vdv -=,所以⎰⎰-=tvv kdtvdv 0,积分得 kt v v -=0ln,即:ktev v -=0(2)因为dv dv ds dv vkv dtds dtds===-,所以 000sv dv k ds =-⎰⎰,0v ks =发动机关闭后汽艇能滑行的距离为0v s k=。
如利用ds vdt =进行计算,t 的积分上下限取∞与0,可得同样结果。
想一想其合理性。
5.一物体沿X 轴作直线运动,其加速度2a kv =-,k 是常数。
在0t =时,0v v =,0x =。
(1)求速率随坐标变化的规律;(2)求坐标和速率随时间变化的规律。
解:本题注意变量变换。
(1)因为2dv dv dx dv a vkv dtdx dtdx====-,所以 0v xv dv k dx v=-⎰⎰得0ln v kx v =-,即 0kxv v e -=(2)因为2dv a kv dt==-,所以02vtv dv kdt v=-⎰⎰可得 00/(1)v vv kt =+又因为 dx v dt=,所以0001x t t v dx vdt dt v kt ==+⎰⎰⎰,可得 01ln(1)x v kt k=+6.已知质点作半径为0.10m R =的圆周运动,其角位置与时间的关系为324t θ=+(其中θ的单位为rad ,t 的单位为s )。
试求:(1)当2t s =时,角速度ω和角加速度;(2)当2t s =时,切向加速度t a 和法向加速度n a 。
解:(1)质点的角速度及角加速度为212d t dtθω==,24d t dtωα==当2t s =时, 21112248rad s rad s ω--=⨯= , 2224248rad s rad s α--=⨯=(2)质点的切向加速度和法向加速度为24t a R Rt α==,24144n a R Rt ω==当2t s =时,22240.12 4.8t a R m sm sα--==⨯⨯=4221440.12230.4n a m sm s --=⨯⨯=7.一球以30m.s -1的速度水平抛出,试求5s 钟后加速度的切向分量和法向分量。
解:由题意可知,小球作平抛运动,它的运动方程为 2021 gt y t v x ==将上式对时间求导,可得速度在坐标轴上的分量为gtgt dtd dtdy v v t v dt d dt dx v y x ======)21()(200因而小球在t 时刻速度的大小为22022)(gt v v v v y x +=+=故小球在t 时刻切向加速度的大小为2t dv a dt===由因为小球作加速度a =g 的抛体运动,所以在任意时刻,它的切向加速度与法向加速度满足:τa a g n+=且互相垂直。
由三角形的关系,可求得法向加速度为:22022)(gt v gv a ga n +=-=τ代入数据,得228.36ta m S-==⋅,22212.5)58.9(30308.9-⋅=⨯+⨯=Sm a n在计算法向加速度时,可以先写出它的轨迹方程,再算出曲率半径和速度大小,最后算出法向加速度。
但是这样计算是相当复杂的。
在本题中,已经知道总的加速度和切向加速度,可以利用它们三者之间的关系求解。
8.如图所示,一卷扬机的鼓轮自静止开始作匀角加速度转动,水平绞索上的A 点经3s 后到达鼓轮边缘B 点处。
已知45.0=AB m ,鼓轮的半径为5.0=R m 。
求A 到达最低点C 时的速度与加速度。
解:A 点的加速度也为卷扬机边缘的切向加速度t a ,由2221t a S t=以及AB S =可得:10.022==tSa t m.s -2 设到达最低点的速度为v , 于是 :()636.022=+='=R S a S a v t t π m.s -1方向为沿点C 的切向方向向左。
808.02==Rva n m.s -2841.022=+=n t a a a m.s -2,7582'== tn a aarctg θ9.一质点在水平面内以顺时针方向沿半径为2m 的圆形轨道运动。
此质点的角速度与运动的时间的平方成正比,即2Kt =ω(SI 制)。
式中K 为常数。
已知质点在第2秒末的线速度为32m/s ,试求0.50s 时质点的线速度和加速度。
解:由已知322242232-=⨯===sRtv tK ω, 所以24t =ω,24RtR v ==ω当s t 50.0=, 242==Rtv m/s ,88===Rt dtdv a t m/s 2, 22222===Rva n m/s 225.8282222=+=+=n t a a a m/s 2,6.1325.82tantan11===--aa n θ10.一无风的雨天,以20m.s -1匀速前进的汽车中一乘客看见窗外雨滴和垂线成75角下降。
求雨滴下落的速度。
(设雨滴看作匀速下降)解:十分简单的一个相对运动问题。
分清合速度和分速度即可。
21v v v += 36.512==tg75v v m.s -111.当风以130m s -⋅的速率由西吹向正东方向时,相对于地面,向东、向西和向北传播的声音的速率各是多大?(已知声音在空气中传播的速率为1344m s -⋅。
) 解:已知风的速率为 1130m sv -=⋅,声音在空气中的速率为12344m sv -=⋅,则向东传播的声音的速率为:1112(30344)m s 374m sE v v v --=+=+⋅=⋅向西传播的声音的速率为:1121(34430)m s 314m sW v v v --=-=-⋅=⋅向北传播的声音的速率为:11s343m s N v --==⋅=⋅。