物理作业01-质点运动学

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01 质点运动学

一、选择题

(在下列各题中,均给出了4个~5个答案,其中有的只有1个是正确答案,有的则有几个是正确答案,请把正确答案的英文字母序号填在题后的括号内)

1.在下列关于质点速度的表述中,不可能出现的情况是:

A.一质点具有恒定的速率,但却有变化的速度; B.一质点向前的加速度减少了,其前进速度也随之减少; C.一质点加速度值恒定,而其速度方向不断改变;

D.一质点具有零速度,同时具有不为零的加速度。 ( B )

[知识点] 速度v与加速度a的关系。

[分析与解答] 速度v和加速度a是矢量,其大小或方向中任一项的改变即表示速度或加速度在变化,且当速度与加速度间的方向呈锐角时,质点速率增加,呈钝角时速率减少。

因为质点作匀速运动时速率不变,但速度方向时时在变化,因此,A有可能出现,

抛体运动(或匀速圆周运动)就是加速度值(大小)恒定,但速度方向不断改变的情形,故C也有可能出现。

竖直上抛运动在最高点就是速度为零,但加速度不为零的情形,故D也有可能出现。

向前的加速度减少了,但仍为正值,此时仍然与速度同方向,故速度仍在增大,而不可能减少,故选B。

2. 在下列关于加速度的表述中,正确的是:

A.质点沿x轴运动,若加速度a< 0,则质点必作减速运动; B.质点作圆周运动时,加速度方向总是指向圆心; C.在曲线运动中,质点的加速度必定不为零;

D.质点作曲线运动时,加速度方向总是指向曲线凹的一侧; E.若质点的加速度为恒失量,则其运动轨迹必为直线;

F.质点作抛物运动时,其法向加速度an和切向加速度aτ是不断变化的,因此,加速度

2a?an?aτ2也是变化的。 ( C、D )

[知识点] 加速度a及运动性质判据

[分析与解答] 因为判断作直线运动的质点作加速还是减速运动的判据是看a和v的方向关系,即a,v同向为加速运动,a,v反向则作减速运动,而不是只看a的正负。当a<0 时,若v<0,则质点是作反方向加速运动,故A错误。

平抛斜抛运动都是曲线运动,但其加速度却是恒矢量(大小、方向均不变),故E也错误。 作抛体运动时,虽然an和aτ是变化的,但合加速度a却是常数,等于g,故D也不成立。

在曲线运动中必向加速度an?v2?,故总加速度一定不为零,所以,C是正确的。

质点作匀速圆周运动时,加速度a的方向指向圆心,但作变速圆周运动时,由于aτ的存在,加速度a的方向如图1-1(a)所示,故B错误。

质点作曲线运动时,由于速度的方向是变化的,则加速度的方向总是指向曲线凹的一侧,如图1-1(b)所示,故D是正确。

yaOana?vAvAxAa?vBvBRO 图1-1(a) 图1-1(b) vB 图1-2

3. 如图1-2所示,质点作匀速圆周运动,其半径为R,从A点出发,经半个圆周而达到B点。则在下列表达式中,不正确的是:

A.速度增量?v?0,速率增量?v?0; B.速度增量?v??2vj,速率增量?v?0; C.位移大小

?r?2R,路程s?πR;

D.位移?r??2Ri,路程s?πR。 ( A ) [知识点] ?r与?v的分量表达方法,?v与?v、?r与s的计算

[分析与解答] 依题意,质点rA?Ri,rB?Ri,vA?vj,vB??vj,则从A点运动到B点时,速度的增量

Δv?vB?vA??vj?vj??2vj?0,而速率增量

?v?vB?vA?v?v?0;

位移?r?rB?rA??Ri?Ri??2Ri,位移的大小?r?2R,路程s?πR,故A不正确。

4. 一质点在xOy平面内作曲线运动,r为位置矢量,s为路程。在下列关于质点速率的表达式中,正确的是:

A.v?drdrds; B.v?; C.v?; dtdtdtdrdx2dy2 D.v?()?(); E. v?。 (B、C、D)

dtdtdt[知识点] 速率与径向速率 [分析与解答] v?drdrdsdrdr,它的大小等于瞬时速率v ;且为瞬时??v,而v?dtdtdtdtdtdydx,vy?是二维运动速度沿x,y轴的两个分量,且有 dtdt2速率的定义式;vx?2

?dy??dx?22????vx?vy ???dt??dt?即为瞬时速度的大小,它等于瞬时速率。

drdrdr是径向速率,是速度在r方向的分量,它只反映了r的大小变化,。 ?dtdtdt

5.如图1-3(a)所示,物块A与B分别置于高度差为h的水平面上,借一跨过滑轮的细绳连接,若A以恒定速度v0运动,则B在水平面上的运动为:

A.匀速运动,且v?v0; B.加速运动,且v?vo;

C.加速运动,且v?vo; D.减速运动。 ( B )

[知识点] 加速、减速判据,第Ⅰ类问题 [分析与解答]

v0A

Ohrxh?vBx 图1-3(a)

y 图1-3(b)

选坐标原点O在滑轮处,x轴水平向右,y轴竖直向下,如图1-3(b)所示。任意时刻物块B的位矢为 r?xi?hj 设物块B的速度为v v?drdxdhdxdh?i?j?i?vxi (?0,vy?0) dtdtdtdtdt任意时刻物块B到原点的距离x都满足 x? vx?r2?h2

dxdrdr ?r2?h2?22dtdtdtr?h按题意v0??drdr?0 是物块A的速率,因为绳长r随时间在缩短,故

dtdtx2?h2v0??v0 则有 vx??22xr?hrx2?h2v??v0i

x物块B的速度方向沿x轴负向。物块B的速率为

v?v?v0xx2?h2?v0?v0 cosθ物块B的加速度为 a?dvdvx?i dtdtdvxdx2?h2ax??(?v0)dtdtx 222hdx?v0h?v0?222dtx3xx?h22v0ha?axi??3i

x物块B的加速度方向沿x轴负向。v与a方向相同,物块B作变加速直线运动。

26.已知质点的运动方程为:x?Atcos??Btcos?,y?Atsin??Btsin?,式中A、B、?2均为恒量,且A?0,B?0,则质点的运动为:

A.圆周运动; B.抛体运动; C.椭圆运动;

D.匀加速直线运动; E.匀减速直线运动。 ( D )

[知识点] 轨道方程,加速、减速判据,第Ⅰ类问题

?x?Atcos??Bt2cos?[分析与解答] 质点的运动方程为 ? 2?y?Atsin??Btcos?由此可知

y?tan?, 即 y??tan??x x由于??恒量,所以上述轨道方程为直线方程。

?vx??A?2Bt?cos?又 ?

??v?A?2Btsin??y?ax?2Bcos??恒量 ?

a?2Bsin??恒量?y由于A?0,B?0,显然v与a同号,故质点作匀加速直线运动。

7.一质点沿x轴运动,其运动方程为x?4t?2t(SI),当质点再次返回原点时,其速度和

23加速度分别为:

A.8m/s,16m/s2; B.-8m/s,16m/s2;

C.-8m/s,-16m/s2; D.8m/s,-16m/s2。 ( C )

[知识点] 第Ⅰ类问题的数值计算 [分析与解答] 速度 v?dx?8t?6t2 dt加速度 a?dvdt?8?12t 当质点再次返回原点时,有 x?4t2?2t3?0 得 t?0(舍去)和t?2s 则此时的速度和加速度分别为 v?8x2?6x2??8m/s

a?8?12x2??16m/s

8.已知质点的运动方程为x??10?12t?2t2(SI),则在前5s内质点作:

A.减速运动,路程为36m; B.加速运动,位移为10m;

C.前3s作减速运动,后2s作加速运动,路程为26m;

D.变速运动,位移的大小和路程均为10m。 [知识点] 第Ⅰ类问题,转向点条件,加速、减速判据,路程与位移。 [分析与解答] 速度 v?dxdt?12?4t 加速度 a?dvdt?12m/s?0 质点直线运动的转向点时刻应满足 v?12?4t?0

则得 t?3s

当0 ≤ t < 3s时,v > 0,且a > 0,质点加速运动。

此段路程为s1?x2?x1???10?12?3?2?32????10??18m

当3 s< t ≤ 5s时,v < 0,且a > 0,质点减速运动。 此段路程为s2?x3?x2

?(?10?12?5?2?52)?(?10?12?3?2?32)?8m

则质点的总路程为 s?s1?s2?26m

C )

9.一质点沿半径R = 1m的圆轨道作圆周运动,其角位置与时间的关系为?则质点在t?1s时,其速度和加速度的大小分别为:

A.1m/s,1m/s2; B.1m/s,2m/s2; C.1m/s,

1,?t2?1(SI)

22m/s2; D.2m/s,2m/s2。 ( C )

d??t dt[知识点] 角量与线量关系。 [分析与解答] 角速度 ?? 角加速度 ??d?

?1rad/2sdt 速度的大小v??R?t?1?t

v2t2??t2 线向加速度an?R1切向加速度a?dv?1m/s2 dt22an?a??t4?1

总加速度 a?则当t=1s时,质点的速度和加速度的大小为 v?1m/s a?14?1?

10.A、B两船都以2m/s的速率匀速行驶,且A船沿x轴正向运动,B船沿y轴正向运动。则B船相对于A船的速度(以m/s为单位)为

A.2i?2j; B.?2i?2j;

C.?2i?2j; D.2i?2j。 ( B ) [知识点] 运动相对性,伽利略速度变换式。

[分析与解答] 取地面为静止参考系S系,A船为运动参考系S’系,B船为运动物体。 则绝对速度为 u = 2j 牵连速度 v = 2i

而B船相对于A船的相对速度为 u??u?v?2j?2i 即 u???2i?2j

2

二、填空题

1.一质点沿x轴方向运动,其运动方程为x?10?9t 质点前2s的位移为?r= ?2i m; 质点速度的表达式为v?

,则: ?6t2?t3(SI)

(?9?12t?3t3)i m/s;

质点沿x轴的最大速度值为vmax= 3 m/s。 [知识点] 第Ⅰ类问题,位移的计算。

[分析与解答] 已知运动方程为 x?10?9t?6t?t

t?0s的位矢 r0?10im

t?2s的位矢 r2?10?9?2?6?22?23i?8im 则前2s的位移 ?r?r2?r0??2im 质点的速度 v?23??dxi??9?12t?3t2im/s dt??质点的加速度的大小 a?当

dv?12?6t dtdv?12?6t?0时,质点具有最大速度,即t=2s时,最大速度值为 dt vmax??9?12t?3t2??9?12?2?3?22?3m/s

2.一质点在xOy平面内运动,其运动方程为x?2t,y?19?2t(SI)。则

2x2 质点的轨迹方程为 y? 19? ;

2 t?2s时的位矢为 r? 4i?11j m; t?2s时的速度为 v? 2i?8j m/s; 前2s内的平均速度为 v? 2i?4j m/s。 [知识点] 轨迹方程与运动方程,二维第Ⅰ类问题,矢量表达式。 [分析与解答] 已知质点的运动方程为

x?2t (1) y?19?2t (2) 由式(1)得t?2x,代入式(2)即可得 2x2质点的轨迹方程 y?19?

2质点的位矢为 r?2ti?19?2t2j

当t=2s时,质点的位矢为 r?2?2i?19?2?22j??4i?11j?m 质点的速度为 v?当t=2s时,质点的速度为

v?2i?4?2j??2i?8j?m/s 质点在前2s内的平均速度为 v?????dr?2i?4tj dt?rr2?r0? ?t2 ???2?2i??19?2?2?2 ??2i?4j?m/s

?1?2?j?19j??

?23.一质点沿x轴正方向运动,其速度为v?8?3tm/s,当t?8s时,质点位于原点左侧52m

处,则其运动方程为x?t3且可知当t?0时,原点的初始位置为x0? -628 m,?8t?628m;

初速度为v0= 8 m/s。 [知识点] 第Ⅱ类问题,初始条件。 [分析与解答] 一维质点运动 v?dx?8?3t2 (1) dt分离变量 dx?8?3tdt 积分,且注意t?8s时,x??52m,即

3?2??x?52dx???8?3t?

t283则 x?52?8t?t?8?8?8 即运动方程为 x?t?8t?628 (2) 将t?0代入式(2),则质点的初始位置为 x0??628m 将t?0代入式(1),则质点的初速度为 v0?8m/s

4.在质点曲线运动中,切向加速度aτ是反映质点运动速度 大小 变化的物理量;而法向加速度an是反映质点运动速度 方向 变化的物理量。

一质点在xOy平面内作抛物运动,如图1-4(a)所示,若不计空气阻力,试在图上标出P、Q两

3yPPv0O图1-4(a)

Qv0a=nganQ的

a?

x

g

图1-4(b)

切向加速度aτ和法向加速度an。 [知识点] 切向、法向加速度。

[分析与解答] 不计空气阻力,质点作抛体运动时,只受到竖直向下的重力作用,即加速度始终向下且大小为重力加速度g,因此最高点P只有法向加速度an?g,在Q点既有切向加速度aτ,又有法向加速度an,方向如图1-4(b)所示。

5.如图1-5(a)所示,一炮弹作抛体运动,在轨道的P点处,其速率为v,且v与水平面的夹角

vdv? ?gsin? ;P点处的曲率半径?? 为?,则该时刻质点的 。 dtgco?s[知识点] 自然坐标系, aτ、an。

[分析与解答] 如图1-5(b)所示,抛体运动的加速度就是重力加速度g,它的切向分量为

2aτ?dv??gsinθ,式中负号表示切向加速度aτ的方向与速度v方向相反。 dt法向加速度 an?gcoθs?v2?

v2则由此知P点处的曲率半径为 ??

gcos?yvv

PO?Pa? 图1-5(a)

?anx

g 图1-5(b)

6.一质点沿x轴作直线运动,其v~ t曲线如图1-6所示。如果t则t?4.5s时,质点的位置为x? m/s2。

[知识点] 图线运用,第Ⅱ类问题.

[分析与解答] 在v-t图上,曲线任一点的斜率表明是加速度,即

2?0时,质点位于坐标原点,

961 m,质点所行的路程为s? m,质点的加速度为a? 2 412v(m/s)103142图1-6 4.5t(s)dv a?tanθ?

dt-1 在v-t图中曲线所包围的面积表示的是质点运动的路程s,处于第Ⅰ象限的为+s,处于第Ⅳ象限的为-s(即沿相反方向运动的路程)。

依图示可得 v?v0?a?t?t0? 在2s≤t<3s内, a3??1?2??3m/s2,v30?2m/s

3?2则速度 v?2?3?t?2???3t?8 质点的转向点 v??3t?8?0 t?8s 3则从0~

8s内质点的路程为 s1?sABCD3?8??1???2113????m

2311m 3已知当t?0时,x0?0,而 s1?xD?x0?从

8s~4.5s内,质点的路程为 s2?sDEFG3??98???1??2?3???117??????m

212由于

817m s~4.5s内,质点作反方向运动,则 s2?xD?xG?3121711179???m 123124111761??m 31213则t = 4.5s时,质点的位置为 xG?xD?此时质点的路程为 s?s1?s2?由图求斜率得此时的加速度为 a?

1?2m/s 0.57.一汽车沿x轴正向行驶,其加速度与位置的关系为a?1?x(SI),已知汽车初始时刻在

x?0处的速度为v0 = 1m/s。则汽车在任一位置的速度为v? x?1 m/s,任一时刻的位置为x?

et?1 m。

[知识点] 第Ⅱ类问题,

dvdvdx?变量代换。 dtdxdtdvdvdxdv??v ⑴ dtdxdtdx[分析与解答] 由一维运动加速度定义有

a?

又由题意知 a?1?x ⑵ 由式⑴和式⑵得 vdv?1?x dx分离变量,积分并注意初始条件,则有

即 v2?v1vdv???1?x?dx

0x1211v??x?x2 222?x2?2x?1

得 v?x?1(舍去负值)

而由速度定义有 v?dx?x?1 dt则分离变量,积分并注意初始条件,则

?x0tdx?dt x?1?0 得 ln(x?1)?t 则任一时刻的位置为 x?e?1

8.如图1-7(a)所示,一辆货车的驾驶室后壁高度为h,车厢长为l,竖直下落的雨点速度为u,要使车厢中的货物不致淋雨,则车的速度v的大小必须满足的条件是 v?

tul 。 hhl?uvvuv'?

图1-7(a)

图1-7(b)

[知识点] 运动相对性,速度叠加。

[分析与解答] 如图1-7(a)所示,取地面为静止参考系,货车为运动参考系,雨点为运动物体,则绝对速度为u,方向竖直向下,牵连速度为v,方向水平向右,则雨点对货车的相对速度为

v??u?v 在图1-7(b)的速度三角形中,有 tan??u v当? 角小于车厢上的相应角度??(如图所示)时,即 tan??tan???h l亦即

uh? vl 即当v?

ul车厢上的货物不致淋雨。 h9.一小孩在车站站台上以初速度v0竖直向上抛出一小球,站台上的观测者S测得小球的运动方程为x?0,y1。此时,一列车以u?5m/s的速度沿x轴正方向驶过站台,?v0t?gt2(SI)

2则列车上的观测者S?(旅客)测得小球的运动方程为

x?? ?5t (SI),y?? v0t?12gt (SI) 2v0gx?2轨迹方程为 y??? (SI) 。 x??550[知识点] 运动描述的相对性,伽利略变换式。

[分析与解答] 取站台上的观测者S为静止参考系,列车上的观测者S?为运动参考系,小球为运动物体,S?系对S系的速度为u,则由伽利略时空变换关系为

?x'?x?ut? ?y'?y ⑴

?t'?t?且考虑x = 0,u?5m/s,y?v0t?12gt,则S?系测得小球运动方程为 2t??x'??512 ⑵ ?y'?v?gt0?2?由式⑵消去时间t ,得轨迹方程为

v0gx?2 y'??x'?

550

10.一质点从静止出发,作半径为R = 3.0m的圆周运动,其切向加速度的大小始终为

aτ?3m/s2。当质点的总加速度a与半径成450角时,质点所经过的时间为t? 1 s;在上述时间

内,质点所经过的路程为s? 1.5 m,角位移为??? 0.5 rad。 [知识点] 角量的第Ⅱ类问题,圆周运动中的aτ和an角量与线量的关系 [分析与解答] 已知aτ?3.0m/s,当??45?有

v2an?aτ??3

R则得此时 v?3m/s ⑴

而 aτ?dv?3 dt由题意知 t?0,v0?0,则 v?3t ⑵ 由式(1)和式(2)得 t?1s 又由 v?则 s?在一秒内的路程为 s?角位移为 ?θ?

ds?aτt dt1axt2 21?3?1?1.5m 2s1.5??0.5rad R3三、计算与证明题

1.一雨滴从高空云层由静止竖直下落,其加速度随速度的变化关系为a?m?nv(SI),式中m、n为常数。试求雨滴的下落速度v与时间t的函数关系,并讨论雨滴的运动情况。(假设雨滴在下落过程中质量不变。)

[分析与解答] 选雨滴的下落方向为y轴正方向,雨滴起点为坐标原点。 按题意t= 0时,y0?0,v0?0。 由 a?分离变量并积分得

dv?m?nv dt?v0vtdv1d(m?nv)?????dt 00m?nvnm?nvv?m(1?e?nt) n结果表明,雨滴速度随时间按指数规律增长,雨滴作加速运动。 当t

2.一质点以半径R?6m作圆周运动,其在自然坐标系中运动方程为:

??时,v?m= 常量,表明雨滴将以该极限速度作匀速运动。 n1s?bt?ct2(SI)

2式中,b?2.0m经历的时间。

[分析与解答] 由题设方程可知,质点圆周运动的速率为

s,c?1.0ms2。试求质点切向加速度与法向加速度大小相等之前,其所

v?ds?b?ct dtdv?c dt则其切向加速度的大小为 aτ?v2b2?c2t2?则其法向加速度的大小为 an? RR按题意有aτ?an,即

b2?c2t2?c R 代入b?2.0ms,c?1.0ms2,R?6m,得

t?2s

3.一小球沿x轴作直线运动,其x~t,v~t,a~t曲线分别如图1-8(a)(b)(c)所示。试求: (1)小球的运动方程;

(2)分析小球在0~3s内的运动情况; (3)3s内的位移和路程。

[分析与解答](1)由a~t曲线可知,a = -8m/s2,表明小球做匀变速直线运动,其标准方程为:

x?x0?v0t? 又由v~t和x~t曲线可知,当t12at(SI) 2?0时,x0?10m,v0?8ms。

x?10?8t?4t2(SI)

所以,小球的运动方程为: (2)在t减速运动;

?0时,x0?10m,v0?8ms,a??8ms2。此时,质点开始沿x轴正方向匀

s2,

在t?1s时,质点到达x轴正方向最远处,即x?14m,但此时v1?0,a??8m表明此时刻质点瞬间静止,处于换向点; 在1~3s内,速度v?0,a??8ms2,表明质点沿x轴反方向作匀加速直线运动。

在t?3s时,质点到达x??2m处。

(3)由x~t曲线上可以看出,在0~3s 内的位移为:

?x?x3?x0??2?10??12m

路程为:s?(x1?x0)?x3?x1?(14?10)??2?12?20m

v(m/s)x(m)141210864AB128C

a(m/s2)40-4-831v123t(s)v20123t(s)20-21-12Dt(s)-4-16v3-8(a)

(b) 图1-8

(c)

4.已知某行星的运动方程为r,式中A、B、?均为正的常数,?Acos?ti?Bsin?tj(SI)

且A?B,i、j分别为x、y轴的单位矢量。

(1)试证:该行星的运动轨迹为椭圆; (2)试求行星的加速度a;

(3)试说明:行星途径第二象限任一点M时(如图1-9所示),是加速还是减速运动? [分析与解答] (1)由题设可知,该行星运动方程的分量式为:

x?Acos?t, y?Bsin?t

消去t得

yMOxx2y2?2?1 2AB 表明行星是以2A为长轴,2B为短轴作椭圆轨道运动。

(2)因为

d2xax?2??A?2cos?t

dtd2yay?2??B?2sin?t

dt 则

图1-9

a?axi?ayj

??A?2cos?ti?B?2sin?tj ???2r

即a与r反向,表明a恒指向椭圆中心。

(3)因为 v?dr???Asinωti??Bcosωt j dta???2Acosωti??2Bsinωt j???2r

而 a?v?(??2Acosωti??2Bsinωt j)?(??Asinωti??Bcosωt j) ??3sinωtcosωt(A2?B2)

由题意知,此时行星在通过图中在第二象限的M点,有

sinωt?0,cosωt?0,且A?B,??0

则 a?v?0

a与v夹角为钝角,表明在M点切向加速度aτ的方向与速度v的方向相反。所以,质点在通过M点时速率会减小。

四、简答题

1.质点在xOy平面内运动,r为位置矢量。试说明

?r??r,并画出简图。

[答]:?r是位量矢量的模,它反映了r的大小、方向两个因素的变化。而?r=?r称为径向增量,它只反映r的大小变化,如图1-10所示。

2.一个作平面运动的质点,其切向加速度aτ和法向加速度an均不为零,试讨论在下列条件下质点的运动情况:

(1)加速度a?恒矢量; (2)加速度a随时间变化。

O图1-10

yA?rB?rr1r2x

[答]:(1)aτ、an不为零,表明质点速度的大小、方向均变化,但加速度a是恒矢量,表明质点作抛体运动。

(2)若a随时间变化,则质点作一般曲线运动。若其曲率半径?等于常量,则质点作变速圆周运动。

(3)因为 v?dr???Asinωti??Bcosωt j dta???2Acosωti??2Bsinωt j???2r

而 a?v?(??2Acosωti??2Bsinωt j)?(??Asinωti??Bcosωt j) ??3sinωtcosωt(A2?B2)

由题意知,此时行星在通过图中在第二象限的M点,有

sinωt?0,cosωt?0,且A?B,??0

则 a?v?0

a与v夹角为钝角,表明在M点切向加速度aτ的方向与速度v的方向相反。所以,质点在通过M点时速率会减小。

四、简答题

1.质点在xOy平面内运动,r为位置矢量。试说明

?r??r,并画出简图。

[答]:?r是位量矢量的模,它反映了r的大小、方向两个因素的变化。而?r=?r称为径向增量,它只反映r的大小变化,如图1-10所示。

2.一个作平面运动的质点,其切向加速度aτ和法向加速度an均不为零,试讨论在下列条件下质点的运动情况:

(1)加速度a?恒矢量; (2)加速度a随时间变化。

O图1-10

yA?rB?rr1r2x

[答]:(1)aτ、an不为零,表明质点速度的大小、方向均变化,但加速度a是恒矢量,表明质点作抛体运动。

(2)若a随时间变化,则质点作一般曲线运动。若其曲率半径?等于常量,则质点作变速圆周运动。

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