物理学教程（第二版）上册第三章课后答案

第三章 动量守恒定律和能量守恒定律

3 -3 对功的概念有以下几种说法：

(1) 保守力作正功时,系统内相应的势能增加；

(2) 质点运动经一闭合路径,保守力对质点作的功为零；

(3) 作用力和反作用力大小相等、方向相反,所以两者所作功的代数和必为零． 下列上述说法中判断正确的是( )

(A) (1)、(2)是正确的 (B) (2)、(3)是正确的 (C) 只有(2)是正确的(D) 只有(3)是正确的

分析与解 保守力作正功时,系统内相应势能应该减少．由于保守力作功与路径无关,而只与始末位置有关,如质点环绕一周过程中,保守力在一段过程中作正功,在另一段过程中必然作负功,两者之和必为零．至于一对作用力与反作用力分别作用于两个质点所作功之和未必为零(详见习题3 -2 分析),由此可见只有说法(2)正确,故选(C)．

3 -4 如图所示,质量分别为m1和m2的物体A和B,置于光滑桌面上,A和B之间连有一轻弹簧．另有质量为m1和m2的物体C和D分别置于物体A与B 之上,且物体A和C、B和D之间的摩擦因数均不为零．首先用外力沿水平方向相向推压A和B,使弹簧被压缩,然后撤掉外力,则在A和B弹开的过程中,对A、B、C、D 以及弹簧组成的系统,有( ) (A) 动量守恒,机械能守恒 (B) 动量不守恒,机械能守恒 (C) 动量不守恒,机械能不守恒 (D) 动量守恒,机械能不一定守恒

分析与解 由题意知,作用在题述系统上的合外力为零,故系统动量守恒,但机械能未必守恒,这取决于在A、B 弹开过程中C 与A 或D 与B 之间有无相对滑动,如有则必然会因摩擦内力作功,而使一部分机械能转化为热能,故选(D)．

3 -5 如图所示,子弹射入放在水平光滑地面上静止的木块后而穿出．以地面为参考系,下列说法中正确的说法是( )

(A) 子弹减少的动能转变为木块的动能 (B) 子弹-木块系统的机械能守恒

(C) 子弹动能的减少等于子弹克服木块阻力所作的功 (D) 子弹克服木块阻力所作的功等于这一过程中产生的热

分析与解 子弹-木块系统在子弹射入过程中,作用于系统的合外力为零,故系统动量守恒,但机械能并不守恒．这是因为子弹与木块作用的一对内力所作功的代数和不为零(这是因为子弹对地位移大于木块对地位移所致),子弹动能的减少等于子弹克服阻力所作功,子弹减少的动能中,一部分通过其反作用力对木块作正功而转移为木块的动能,另一部分则转化为热能(大小就等于这一对内力所作功的代数和)．综上所述,只有说法(C)的表述是完全正确的． 3 -6 一架以3.0 ×10m·ｓ的速率水平飞行的飞机,与一只身长为0.20 m、质量为0.50 kg的飞鸟相碰．设碰撞后飞鸟的尸体与飞机具有同样的速度,而原来飞鸟对于地面的速率甚小,可以忽略不计．试估计飞鸟对飞机的冲击力(碰撞时间可用飞鸟身长被飞机速率相除来估算)．根据本题的计算结果,你对于高速运动的物体(如飞机、汽车)与通常情况下不足以引起危害的物体(如飞鸟、小石子)相碰后会产生什么后果的问题有些什么体会？

分析 由于鸟与飞机之间的作用是一短暂时间内急剧变化的变力,直接应用牛顿定律解决受力问题是不可能的．如果考虑力的时间累积效果,运用动量定理来分析,就可避免作用过程中的细节情况．在求鸟对飞机的冲力(常指在短暂时间内的平均力)时,由于飞机的状态(指动量)变化不知道,使计算也难以进行；这时,可将问题转化为讨论鸟的状态变化来分析其受力情况,并根据鸟与飞机作用的相互性(作用与反作用),问题就很简单了． 解 以飞鸟为研究对象,取飞机运动方向为x 轴正向．由动量定理得 F?Δt?mv?02-1

式中F?为飞机对鸟的平均冲力,而身长为20cm的飞鸟与飞机碰撞时间约为Δt ＝l /v,以此代入上式可得

F??mvl2?2.55?10N

5鸟对飞机的平均冲力为

F??F???2.55?105N

式中负号表示飞机受到的冲力与其飞行方向相反．从计算结果可知,2.25 ×105 N的冲力大致相当于一个22 t 的物体所受的重力,可见,此冲力是相当大的．若飞鸟与发动机叶片相碰,足以使发动机损坏,造成飞行事故．

3 -7 如图所示，质量为m的物体,由水平面上点O以初速为v0抛出,v0与水平面成仰角α．若不计空气阻力,求：(1) 物体从发射点O到最高点的过程中,重力的冲量；(2) 物体从发射点到落回至同一水平面的过程中,重力的冲量．

分析 重力是恒力,因此,求其在一段时间内的冲量时,只需求出时间间隔即可．由抛体运动规律可知,物体到达最高点的时间Δt1?v0sinαg,物体从出发到落回至同一水平面所需的时间是

到达最高点时间的两倍．这样,按冲量的定义即可求得结果． 另一种解的方法是根据过程的始、末动量,由动量定理求出． 解1 物体从出发到达最高点所需的时间为

Δt1?v0sinαg

则物体落回地面的时间为

Δt2?2Δt1?于是,在相应的过程中重力的冲量分别为

2v0sin?g

I1?I2???Δt1Fdt??mgΔt1j??mv0sin?j Fdt??mgΔt2j??2mv0sin?j

Δt2解2 根据动量定理,物体由发射点O运动到点A、B的过程中,重力的冲量分别为

I1?mvAyj?mv0yj??mv0sinαj I2?mvByj?mv0yj??2mv0sinαj

3 -8 Fx＝30＋4t(式中Fx的单位为N,t 的单位为s)的合外力作用在质量m＝10 kg的物体上,试求：(1) 在开始2ｓ内此力的冲量；(2) 若冲量I＝300 N·s,此力作用的时间；(3) 若物体的初速度v1＝10 m·s-1 ,方向与Fx相同,在t＝6.86s时,此物体的速度v2． 分析 本题可由冲量的定义式I?v2．

解 (1) 由分析知

2??30?4tdt?30t?2t?02t2?t1Fdt,求变力的冲量,继而根据动量定理求物体的速度

I?20?68N?s

(2) 由I ＝300 ＝30t＋2t2 ,解此方程可得

t＝6.86 s(另一解不合题意已舍去)

(3) 由动量定理,有

I ＝m v2- m v1

由(2)可知t＝6.86 s 时I＝300 N·s ,将I、m及v1代入可得

v2?I?mv1m?40m?s?1

3 -9 高空作业时系安全带是非常必要的．假如一质量为51.0 kg的人,在操作时不慎从高空竖直跌落下来,由于安全带的保护,最终使他被悬挂起来．已知此时人离原处的距离为2.0 m ,安全带弹性缓冲作用时间为0.50 s ．求安全带对人的平均冲力．

分析 从人受力的情况来看,可分两个阶段：在开始下落的过程中,只受重力作用,人体可看成是作自由落体运动；在安全带保护的缓冲过程中,则人体同时受重力和安全带冲力的作用,其合力是一变力,且作用时间很短．为求安全带的冲力,可以从缓冲时间内,人体运动状态(动量)的改变来分析,即运用动量定理来讨论．事实上,动量定理也可应用于整个过程．但是,这时必须分清重力和安全带冲力作用的时间是不同的；而在过程的初态和末态,人体的速度均为零．这样,运用动量定理仍可得到相同的结果．

解1 以人为研究对象,按分析中的两个阶段进行讨论．在自由落体运动过程中,人跌落至2 m处时的速度为

v1?2gh (1)

在缓冲过程中,人受重力和安全带冲力的作用,根据动量定理,有

?F由式(1)、(2)可得安全带对人的平均冲力大小为

F?mg?Δ?mv?Δt?mg??P?Δt?mv2?mv1 (2)

Δ2ghΔt?1.14?103N

解2 从整个过程来讨论．根据动量定理有

F?mgΔt2h/g?mg?1.14?10N

33 -10 质量为m 的小球,在合外力F＝-kx 作用下运动,已知x ＝Acosωt,其中k、ω、A均为正常量,求在t ＝0 到t?π2ω时间内小球动量的增量．

t2分析 由冲量定义求得力F的冲量后,根据动量原理,即为动量增量,注意用式?Fdt积分前,

t1应先将式中x用x ＝Acosωt代之,方能积分． 解 力F的冲量为

I?即Δ?mv???kAω?t2t1Fdt??t2t1?kxdt???π/2?0kAcos?tdt??kA?

?13 -11 一只质量m1?0.11kg的垒球以v1?17m?s水平速率扔向打击手，球经球棒击

出后，具有如图（a）所示的速度且大小v2?34m?s?1，若球与棒的接触时间为0.025 s,求：

（1）棒对该球平均作用力的大小；（2）垒球手至少对球作了多少功？

分析第（1）问可对垒球运用动量定理，既可根据动量定理的矢量式，用几何法求解，如图（b）所示；也可建立如图（a）所示的坐标系，用动量定量的分量式求解，对打击、碰撞一类作用时间很短的过程来说，物体的重力一般可略去不计.

题 3-11 图

解（1）解 1由分析知，有

F?t?mv2?mv1

其矢量关系如图（b）所示，则

(F?t)?(mv1)?(mv2)?2(mv1)(mv2)cos(180?60)

解之得F?197.9N 解 2由图（a）有

222??Fx?t?mv2x?mv1x

2yFy?t?mv?0

将v1x?v,v2x??v2cos60?及v2y?v2sin60?代入解得Fx和Fy，则

F?(2) 由质点动能定理，得

Fx?F22y?197.9N

W?12mv22?12mv1?47.7J

23 -12 如图所示,在水平地面上,有一横截面S＝0.20 m2的直角弯管,管中有流速为v＝3.0 m·ｓ

-1

的水通过,求弯管所受力的大小和方向．

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