大学物理(上、下) 陈曙光 湖大出版上1-12

大学物理习题解答湖南大学应用物理系

第一章质点运动学

P26．

1．1 一质点沿直线运动，运动方程为x(t) = 6t2 - 2t3．试求：

（1）第2s内的位移和平均速度；

（2）1s末及2s末的瞬时速度，第2s 内的路程；

（3）1s末的瞬时加速度和第2s内的平均加速度．

[解答]（1）质点在第1s末的位移大小为

x(1) = 6×12 - 2×13 = 4(m)．

在第2s末的位移大小为

x(2) = 6×22 - 2×23 = 8(m)．

在第2s内的位移大小为

Δx = x(2)– x(1) = 4(m)，

经过的时间为Δt= 1s，所以平均速度大小为

v=Δx/Δt = 4(m·s-1)．

（2）质点的瞬时速度大小为

v(t) = d x/d t = 12t - 6t2，

因此v(1) = 12×1 - 6×12 = 6(m·s-1)，

v(2) = 12×2 - 6×22 = 0，

质点在第2s内的路程等于其位移的大小，即Δs = Δx = 4m．

（3）质点的瞬时加速度大小为

a(t) = d v/d t = 12 - 12t，

因此1s末的瞬时加速度为

a(1) = 12 - 12×1 = 0，

第2s内的平均加速度为

a= [v(2) - v(1)]/Δt = [0 – 6]/1 = -6(m·s-2)．[注意]第几秒内的平均速度和平均加速度的时间间隔都是1秒．

1．2 一质点作匀加速直线运动，在t = 10s内走过路程s = 30m，而其速度增为n = 5

倍．试证加速度为

2

2(1)

(1)

n s

a

n t

-

=

+

．

并由上述数据求出量值．

[证明]依题意得v t = nv o，

根据速度公式v t = v o + at，得

a = (n– 1)v o/t，(1)

根据速度与位移的关系式v t2 = v o2 + 2as，得

a = (n2– 1)v o2/2s，(2)

（1）平方之后除以（2）式证得

2

2(1)

(1)

n s

a

n t

-

=

+

．

计算得加速度为

2

2(51)30

(51)10

a

-

=

+

= 0.4(m·s-2)．

1．3 一人乘摩托车跳越一个大矿坑，他以与水平成22.5°的夹角的初速度65m·s-1从西边起跳，准确地落在坑的东边．已知东边比西边低70m，忽略空气阻力，且取g= 10m·s-2．问：

（1）矿

坑有多宽？

他飞越的时

间多长？

（2）他

在东边落地

时的速度？速度与水平面的夹角？

[解答]方法一：分步法．（1）夹角用θ表示，人和车（他）在竖直方向首先做竖直上抛运动，初速度的大小为

v y0 = v0sinθ = 24.87(m·s-1)．

取向上的方向为正，根据匀变速直线运动的速度公式

v t - v0 = at，

这里的v0就是v y0，a = -g；当他达到最高点

70m

22.5o

图1.3

1

2

时，v t = 0，所以上升到最高点的时间为

t 1 = v y 0/g = 2.49(s)．

再根据匀变速直线运动的速度和位移的关系式

v t 2 - v 02 = 2a s ，

可得上升的最大高度为

h 1 = v y 02/2g = 30.94(m)．

他从最高点开始再做自由落体运动，下落的高度为

h 2 = h 1 + h = 100.94(m)．

根据自由落体运动公式s = gt 2/2，得下落的时间为

2

22h t g

== 4.49(s)． 因此他飞越的时间为

t = t 1 + t 2 = 6.98(s)． 他飞越的水平速度为

v x 0 = v 0cos θ = 60.05(m·s -1)，

所以矿坑的宽度为

x = v x 0t = 419.19(m)．

（2）根据自由落体速度公式可得他落地的竖直速度大小为

v y = gt = 69.8(m·s -1)，

落地速度为

v = (v x 2 + v y 2)1/2 = 92.08(m·s -1)，

与水平方向的夹角为

υ = arctan(v y /v x ) = 49.30o， 方向斜向下．

方法二：一步法．取向上的方向为正，他在竖直方向的位移为y = v y 0t - gt 2/2，移项得时间的一元二次方程

2

01sin 02

gt v t y θ-+=， 解得

0220(sin sin 2)t v v gy g θθ=±-．

这里y = -70m ，根号项就是他落地时在竖直方向的速度大小，由于时间应该取正值，所以公式取正根，计算时间为

t = 6.98(s)．

由此可以求解其他问题．

1．4 一个正在沿直线行驶的汽船，关

闭发动机后，由于阻力得到一个与速度反向、大小与船速平方成正比例的加速度，即d v /d t = -kv 2，k 为常数．

（1）试证在关闭发动机后，船在t 时刻的速度大小为

11

kt v v =+； （2）试证在时间t 内，船行驶的距离为01

ln(1)x v kt k

=

+． [证明]（1）分离变量得

2d d v

k t v

=-， 积分 020

d d v

t

v v

k t v =-??，

可得

11

kt v v =+． （2）公式可化为0

01v v v kt

=+，

由于v = d x/d t ，所以

00001

d d d(1)1(1)

v x t v kt v kt k v kt =

=+++

积分

000

1

d d(1)(1)x

t

x v kt k v kt =++??

．

因此 01

ln(1)x v kt k

=

+． 证毕． [讨论]当力是速度的函数时，即f = f (v )，根据牛顿第二定律得f = ma ．

由于a = d 2x /d t 2， 而 d x /d t = v ， 所以 a = d v /d t ， 分离变量得方程

d d ()

m v

t f v =

， 解方程即可求解．

在本题中，k 已经包括了质点的质量．如果阻力与速度反向、大小与船速的n 次方成正比，则

d v /d t = -kv n ．

3

（1）如果n = 1，则得

d d v

k t v

=-， 积分得

ln v = -kt + C ．

当t = 0时，v = v 0，所以C = ln v 0，因此

ln v/v 0 = -kt ，

得速度为

v = v 0e -kt ．

而d v = v 0e -kt d t ，积分得

0e `kt v

x C k

-=+-．

当t = 0时，x = 0，所以C` = v 0/k ，因此

(1-e )kt v x k

-=

． （2）如果n ≠1，则得d d n v

k t v

=-，积分得

11n

v kt C n

-=-+-． 当t = 0时，v = v 0，所以

10

1n v C n

-=-，因此 1

10

11(1)n n n kt v

v

--=

+-．

如果n = 2，就是本题的结果． 如果n ≠2，可得

1

(2)/(1)02

0{[1(1)]1}

(2)n n n n n v kt x n v k

----+--=-， 读者不妨自证．

1．5 一质点沿半径为0.10m 的圆周运动，其角位置（以弧度表示）可用公式表示：θ = 2 + 4t 3．求：

（1）t = 2s 时，它的法向加速度和切向加速度；

（2）当切向加速度恰为总加速度大小的一半时，θ为何值？

（3）在哪一时刻，切向加速度和法向加速度恰有相等的值？

[解答]（1）角速度为

ω = d θ/d t = 12t 2 = 48(rad·s -1)，

法向加速度为

a n = rω2 = 230.4(m·s -2)；

角加速度为

β = d ω/d t = 24t = 48(rad·s -2)， 切向加速度为

a t = rβ = 4.8(m·s -2)．

（2）总加速度为a = (a t 2 + a n 2)1/2， 当a t = a /2时，有4a t 2 = a t 2 + a n 2，即

3n t a a =．

由此得23r r ωβ=， 即 22(12)243t t =，

解得 3

3/6t =． 所以

3242(13/3)t θ=+=+=3.154(rad)．

（3）当a t = a n 时，可得rβ = rω2， 即 24t = (12t 2)2，

解得 t = (1/6)1/3 = 0.55(s)．

1．6 一飞机在铅直面内飞行，某时刻飞机的速度为v = 300m·s -1，方向与水平线夹角为30°而斜向下，此后飞机的加速度为a = 203m·s -2，方向与水平前进方向夹角为30°而斜向上，问多长时间后，飞机又回到原来的高度？

在此期间

飞机在水

平方向飞行的距离为多少？

[解答]建立水平和垂直坐标系，飞机的初速度的大小为

v 0x = v 0cos θ，

v 0y = v 0sin θ． 加速度的大小为

a x = a cos α，

a y = a sin α． 运动方程为

y

x

O α v 0

θ a a x

a y

v 0x v 0y

4

201

2x x x v t a t =+，

201

2y y y v t a t =-+．

即 20

1

c o s c o s 2x v t a t θα=?+?， 201

sin sin 2

y v t a t θα=-?+?．

令y = 0，解得飞机回到原来高度时的时间为 t = 0（舍去）；02sin 103sin v t a θ

α=

=(s)．

将t 代入x 的方程求得x = 9000m ．

[注意]选择不同的坐标系，例如x 方向沿着a 的方向或者沿着v 0的方向，也能求出相同的结果．

1．7 一个半径为R = 1.0m 的轻圆盘，可以绕一水平轴自由转动．一根轻绳绕在盘子的边缘，其自由端拴一

物体A ．在重力作用下，物体A 从静止开始匀加速地下降，在Δt = 2.0s 内下降的距离h =

0.4m ．求物体开始下降

后3s 末，圆盘边缘上任

一点的切向加速度与法向加速度．

[解答]圆盘边缘的切向加速度大小等于物体A 下落加速度．

由于21

2

t h a t =

?，所以 a t = 2h /Δt 2 = 0.2(m·s -2)． 物体下降3s 末的速度为

v = a t t = 0.6(m·s -1)，

这也是边缘的线速度，因此法向加速度为

2

n v a R

== 0.36(m·s -2)．

1．8 一升降机以加速度1.22m·s -2上升，当上升速度为2.44m·s -1时，有一螺帽自升降机的天花板上松落，天花板与升降机的底面相距2.74m ．计算：

（1）螺帽从天花板落到底面所需的时

间；

（2）螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离．

[解答]在螺帽从天花板落到底面时，升降机上升的高度为

2101

2

h v t at =+；

螺帽做竖直上抛运动，位移为

2201

2

h v t gt =-．

由题意得h = h 1 - h 2，所以

21

()2

h a g t =

+， 解得时间为

2/()t h a g =+= 0.705(s)．

算得h 2 = -0.716m ，即螺帽相对于升降机外固定柱子的下降距离为0.716m ．

[注意]以升降机为参考系，钉子下落时相对加速度为a + g ，而初速度为零，可列方程

h = (a + g )t 2/2，

由此可计算钉子落下的时间，进而计算下降距离．

1．9 有一架飞机从A 处向东飞到B 处，然后又向西飞回到A 处．已知气流相对于地面的速度为u ，AB 之间的距离为l ，飞机相对于空气的速率v 保持不变．

（1）如果u = 0（空气静止），试证来回飞行的时间为02l t v

=

； （2）如果气流的速度向东，证明来回飞行的总时间为0

122

1/t t u v =

-；

（3）如果气流的速度向北，证明来回飞行的总时间为022

2

1/t t u v

=

-．

[证明]（1）飞机飞行来回的速率为v ，路程为2l ，所以飞行时间为t 0 = 2l /v ．

（2）飞机向东飞行顺风的速率为v + u ，向西飞行逆风的速率为v - u ，所以飞行

R

A

图1.7

5

时间为

12

2

2l l vl t v u v u v u =

+=+--

02222

2/1/1/t l v u v u v

=

=--． （3）飞机相对地的速度等于相对风的速度加风相对地的速度．为了使飞机沿着AB 之间的直线飞行，就要使其相对地的速度偏向北方，可作矢量三角形，其中沿AB 方向的速度大小为

22V v u =-，所以飞行时间为

22222

222/1/l l l v t V v u u v =

==--

02

2

1/t u v

=

-． 证毕．

1．10 如图所示，一汽车在雨中沿直线行驶，其速度为v 1，下落雨的速度方向与铅直方向的夹角

为θ，偏向于汽车前进方向，速

度为v 2．今在车后放一长方形物体，问车速

v 1为多大时此

物体刚好不会被雨水淋湿？

[解答]雨对地的速度2v

等于雨对车的速度3v

加车对地的速度1v

，由此可作矢

量三角形．根据题意得tan α = l/h ．

方法一：利用直角三角形．根据直角三角形得

v 1 = v 2sin θ + v 3sin α，

其中v 3 = v ⊥/cos α，而v ⊥ = v 2cos θ，

因此v 1 = v 2sin θ + v 2cos θsin α/cos α，

即 12(sin cos )l

v v h

θθ=+

． 证毕． 方法二：利用正弦定理．根据正弦定理可得

12

sin()sin(90)

v v θαα=

+?-， 所以

12

sin()

cos v v θαα

+=

2sin cos cos sin cos v θαθαα

+=

2(sin cos tan )v θθα=+，

即 12(sin cos )l

v v h

θθ=+． 方法三：利用位移关系．将雨滴的速度

分解为竖直和水平两个分量，在t 时间内，雨滴的位移为

l = (v 1 – v 2sin θ)t ， h = v 2cos θ?t ．

两式消去时间t 即得所求． 证毕．

第二章 质点力学的基本定律

P46．

2．1 如图所示，把一个质量为m 的木块放在与水平成θ角的固定斜面上，两者间的静摩擦因素μs 较

小，因此若不加支持，

木块将加速下滑．

（1）试证tan θ≧μs ；

（2）须施加多大的水平力F

，可使木

块恰不下滑？这时木块对斜面的正压力多大？

（3）如不断增大F

的大小，则摩擦力

和正压力将有怎样的变化？

（1）[证明]木块在斜面上时受到重力

G mg =

和斜面的支持力N 以及静摩擦力

A B

A

B v

v + u v - u

A

B

v

u

u

v

v v 1 h

l v 2

θ 图1.10

θ m

F

图2.1 v 1

h l v 2

θ v 3 α α v ⊥

6

f

，其中

f ≦ f s = μs N ， 而 N = G cos θ． 要使木块加速下滑，重力沿着斜面的分量不得小于

最大静摩擦力f s ．根据牛顿第二定律得

G sin θ - μs G cos θ = ma ≧0， 因此tan θ≧μs ． 证毕．

（2）[解答]

要使物体恰好不下滑，则有 G sin θ - μs N

- F cos θ = 0， （1）

N - G cos θ - F sin θ = 0． （2） （2）×μs +（1）得

G sin θ - μs G cos θ – F cos θ - μs F sin θ = 0， 解得

sin cos cos sin s s F mg θμθθμθ

-=+． （3）

上式代入（2）得

cos sin s mg

N θμθ

=

+．（4）

（3）[解答]当木块平衡时，一般情况下，有

G sin θ - f - F cos θ = 0，N - G cos θ - F sin θ = 0． 解得

f = G sin θ - F cos θ，N = G cos θ + F sin θ．

可知：○

1当F

的大小不断增加时，摩擦力将

不断减小；当F = G tan θ时，摩擦力为零；

当F 再增加时摩擦力将反向；至于木块是否向上做加速运动，则要进一步讨论．

○

2正压力将不断增加． [讨论]当tan θ < 1/μs 时，如果木块恰好不上滑，则摩擦力恰好等于最大静摩擦力，方向沿着斜面向下，用上面的方法列方程，可得

sin cos cos sin s s F mg θμθ

θμθ

+=

-．

将（3）式中的μs 改为-μs 就是这个结果．可见：当tan θ = 1/μs 时，F 趋于无穷大，只有当tan θ < 1/μs 时，才能增加F 的大小使木块向上加速滑动．

2．2 如图所示，设质量m = 10kg 的小球挂在倾角α = 30°的光滑斜面上，求：

（1）当斜面以加速

度a = g /3沿

图中所示的

方向运动时，

绳中的张力

及小球对斜面的正压力各是多大？

（2）当斜面的加速度至少为多大时小球对斜面的正压力为零？（g = 9.8m·s -2）

[解答]

（1）小球受到重力G ，斜

面的支持力N

和绳子的张力T ．建立坐标系，列方程得

N cos α + T sin α – mg = 0， T cos α - N sin α = ma ．

解得N = m (g cos α – a sin α) = 68.54(N)，

T = m (g sin α + a cos α) = 77.29(N)． （2）令N = 0，得加速度为 a = g ctg α = 16.97(m·s -2)．

2．3 物体A 和B 的质量分别为m A = 8kg ，m B = 16kg ，它们之间用绳子联结，在倾角α = 37°的斜面上向下滑动，如图所示．A 和B 与斜面的滑动摩擦因素分别为μkA = 0.2，μkB = 0.4，求：

（1）物体A 和B 的加速度； （2）绳子的

张力；

（3）如果将A 和B 互换位置，

则（1）和（2）的

结果如何？

[解答]根据角度关系可得sin α = 3/5 = 0.6，cos α = 4/5 = 0.8，tan α = 3/4 = 0.75．

θ G m N

f

θ G

m N f x

F θ y

α

a 图2.2 α G

x a y N T

α

A

B 图2.3

7

（1）如果物体A 和B 之间没有绳子，由于tan θ≧μs ，可知：A 和B 都要沿斜面做加速运动，而B 的加速度比较小．当A 和B 之间有绳子时，它们将以相同的加速度运动．

设绳子的

张力为T ，根据牛顿第二定律分别对A 和B 列运动方程：

m A g sin α – μkA m A g cos α - T = m A a ， T + m B g sin α – μkB m B g cos α = m B a ． 两式相加得

[(m A + m B )sin α – (μkA m A + μkB m B )cos α]g = (m A + m B )a ， 所以加速度为

[sin cos ]kA A kB B

A B

m m a g m m μμαα+=-

+

= 3.26(m·s -2)．

（2）将加速度a 的公式代入任一方程都可解得张力为

()cos kB kA A B A B

m m g T m m μμα

-=

+= 3.86(N)．

由此可见：当两物体的摩擦因素相等时，张力才为零，这是因为它们的加速度相等．

（3）将A 和B 互换位置后，由于A 的加速度比较大，所以绳子不会张紧，其张力为零．

A 的运动方程为

m A g sin α – μkA m A g cos α = m A a A ， 解得 a A = g (sin α – μkA cos α) = 4.12(m·s -2)． 同理得a B = g (sin α – μkB cos α) = 2.7(4m·s -2)．

2．4 一个重量为P 的质点，在光滑的固定斜面（倾角为α）上以初速度0v

运动，

0v

的方向与斜面

底边的水平约AB 平行，如图所示，

求这质点的运动轨道．

[解答]质点在斜上运动的加速度为a = g sin α，方向与初速度方向垂直．其运动方程为

x = v 0t ，2211

sin 22

y at g t α=

=?． 将t = x/v 0，代入后一方程得质点的轨道方程

为

2

2

sin g y x v α=

， 这是抛物线方程．

2．5 桌上有一质量M = 1kg 的平板，板上放一质量m = 2kg 的另一物体，设物体与板、板与桌面之间的滑动摩擦因素均为μk = 0.25，静摩擦因素为μs = 0.30．求：

（1）今以水平力F

拉板，使两者一起

以a = 1m·s -2的加速度运动，试计算物体与板、与桌面间的相互作用力；

（2）要将板从物体下面抽出，至少需要多大的力？

[解答]（1）物体与板之间有正压力和摩擦力的作用．

板对物体的支持大小等于物体的重力

N m = mg = 19.6(N)，

这也是板受物体的压力的大小，但压力方向相反．

物体受板摩擦力

做加速运动，摩擦力的

大小为

f m = ma = 2(N)，

这也是板受到的摩擦

力的大小，摩擦力方向也相反．

板受桌子的支持力大小等于其重力

N M = (m + M )g = 29.4(N)，

这也是桌子受板的压力的大小，但方向相反．

板在桌子上滑动，所受摩擦力的大小为

f M = μk N M = 7.35(N)．

这也是桌子受到的摩擦力的大小，方向也相反．

（2）设物体在最大静摩擦力作用下和板一起做加速度为a`的运动，物体的运动方

α

A

B

v 0 P

图2.4

α A

B

m A g N A f A T

T m B g

N B f B N m

f m

N M

f M a

8

程为

f =μs m

g = ma`，

可得 a` =μs g ．

板的运动方程为

F – f – μk (m

+ M )g = Ma`，

即 F = f + Ma` + μk (m + M )g

= (μs + μk )(m + M )g ，

算得 F = 16.17(N)．

因此要将板从物体下面抽出，至少需要16.17N 的力．

2．6 如图所示：已知F = 4N ，m 1 = 0.3kg ，m 2 = 0.2kg ，两物体与水平面的的摩擦因素匀为0.2．求质量为m 2的物体的加速度及绳子对它的拉力．（绳子和滑轮质量均

不计）

[解答]利用几何关系得两物体的加速度之间的关系为a 2 = 2a 1，而力的关系为T 1 = 2T 2．

对两物体列运动方程得

T 2 - μm 2g = m 2a 2， F – T 1 – μm 1g = m 1a 1． 可以解得m 2的加速度为

12212

(2)/22F m m g

a m m μ-+=

+= 4.78(m·s -2)，

绳对它的拉力为

2

112

(/2)/22m T F m g m m μ=-+= 1.35(N)．

2．7 两根弹簧的倔强系数分别为k 1和k 2．求证：

（1）它们串联起来时，总倔强系数k

与k 1和k 2．满足关系关系式

12

111

k k k =+； （2）它们并联起来时，总倔强系数k = k 1 + k 2．

[解答]当力F 将弹簧共拉长x 时，有F = kx ，其中k 为总倔强系数．

两个弹簧分别拉长x 1和x 2，产生的弹力分别为

F 1 = k 1x 1，F 2 = k 2x 2． （1）由于弹簧串联，所以 F = F 1 = F 2，x = x 1 + x 2， 因此

1212F F F k k k =+，即12

111k k k =+． （2）由于弹簧并联，所以 F = F 1 + F 2，x = x 1 = x 2，

因此 kx = k 1x 1 + k 2x 2，即k = k 1 + k 2．

2．8 如图所示，质量为m 的摆悬于架上，架固定于小车上，在下述各种情况中，求摆线的方向（即摆线与竖直线的夹角θ）及线中的张力T ．

（1）小车沿水平线作匀速运动； （2）小车以加速度1a

沿水平方向运动； （3）小车自由地从倾斜平面上滑下，斜面与水平面成υ角；

（4）用与斜面平

行的加速度1b

把小车

沿斜面往上推（设b 1 = b ）；

（5）以同样大小的加速度2b

（b 2 = b ），

将小车从斜面上推下来． [解答]（1）小车

沿水平方向做匀速直

线运动时，摆在水平

方向没有受到力的作

用，摆线偏角为零，线中张力为T = mg ．

（2）小车在水平N m

f N M f ` f F a` m 2

T 1

a 1 m 1

T 2 a 2 f 1

f 2

图 2.6

k 1

k 2

F

(a) k 1

k 2

F

图 2.7

(b) 图2.8

T mg

ma θ （2）

9

方向做加速运动时，重力和拉力的合力就是合外力．由于

tan θ = ma/mg ，

所以 θ = arctan(a/g )； 绳子张力等于摆所受的拉力

2222()()T ma mg m a g =+=+．

（3）小车沿斜面自由滑下时，摆仍然受到重力和拉力，合力沿斜面向下，所以

θ = υ；

T = mg cos υ．

（4）根据题意

作力的矢量图，将竖直虚线延长，与

水平辅助线相交，

可得一直角三角形，θ角的对边是mb cos υ，邻边是mg + mb sin υ，由此可得：

cos tan sin mb mg mb ?

θ?

=

+，

因此角度为

cos arctan

sin b g b ?

θ?

=+；

而张力为

2

2

()()2()()cos(/2)T mb mg mb mg ?=+-+π

22

2sin m b g bg ?=++．

（5）与上一问

相比，加速度的方

向反向，只要将上一结果中的b 改为-b 就行了．

2．9 如图所示：质量为m =

10kg 的小球，拴在长度l = 5m 的轻绳子的

一端，构成一个摆．摆动时，与竖直线的最大夹角为60°．求： （1）小球通过竖

直位置时的速度为多

少？此时绳的张力多

大？

（2）在θ < 60°

的任一位置时，求小球速度v 与θ的关系式．这时小球的加速度为多大？绳中的张力多大？

（3）在θ = 60°时，小球的加速度多大？绳的张力有多大？

[解答]（1）小球在运动中受到重力和

绳子的拉力，由于小球

沿圆弧运动，所以合力

方向沿着圆弧的切线方向，即F = -mg sin θ，

负号表示角度θ增加的方向为正方向．

小球的运动方程为

22d d s

F ma m t

==，

其中s 表示弧长．由于s = R θ = lθ，所以速度为

d d d d s v l t t

θ=

=， 因此

d d d d d d d d v v m v F m

m v t t l θθθ

===， 即 v d v = -gl sin θd θ， （1）

取积分

60d sin d B

v v v gl θθ?

=-?

?，

得 0

2

601cos 2

B v gl θ

?

=，

解得

B v gl == 2.21(m·

s -1)． 由于22B B

B v v T mg m m mg R l

-===， 所以T B = 2mg = 1.96(N)．

（2）由（1）式积分得

T

mg ma

υ θ （3）

T

mg mb

υ θ

υ

（4） T mg mb

υ θ （5） l

m θ B C O 图 2.9 l m θ B

C

O mg T

10

2

1cos 2

C v gl C θ=+， 当 θ = 60o时，v C = 0，所以C = -lg /2， 因此速度为

(2cos 1)C v gl θ=-．

切向加速度为

a t = g sin θ；

法向加速度为

2(2cos 1)C

n v a g R

θ==-．

由于T C – mg cos θ = ma n ，所以张力为 T C = mg cos θ + ma n = mg (3cos θ – 1)． （3）当 θ = 60o时，切向加速度为

3

2

t a g =

= 8.49(m·

s -2)， 法向加速度为

a n = 0， 绳子的拉力

T = mg /2 = 0.49(N)．

[注意]在学过机械能守恒定律之后，求解速率更方便．

2．10 一质量为m 的小球，最初静止于如图所示的A 点，然后沿半径为r 的光滑圆弧的内表面ADCB 下滑．试求小球在C 点时的角速度和对圆弧表面的作用力．

[解答]此题情形与上一题的数学

类型是相同的．

取上题中l = r ，对（1）式积分

90d sin d C

v v v gr α

θθ-?

=-?

?

，

得 2

901cos 2

C v rg α

θ

-?

=，

解得速度为

2cos C v gr α=，

角速度为

2cos C v g r r

α

ω=

=

． 由于N C – mg cos α = 2mg cos α，所以

N C = 3mg cos θ．

2．11 小石块沿

一弯曲光滑轨道上由静止滑下h 高度时，它的速率多大？（要求用牛顿第二定律积

分求解）

[解答]小石块在

运动中受到重力和轨

道的支持力，合力方向沿着曲线方向．设切线与竖直方向的夹角为θ，则

F = mg cos θ．

小球的运动方程为

22d d s

F ma m t

==，

s 表示弧长． 由于d d s

v t

=

，所以 22d d d d d d d ()d d d d d d d s s v v s v

v t t t t s t s

====， 因此 v d v = g cos θd s = g d h ， h 表示石下落的高度． 积分得

2

12

v g h C =+， 当h = 0时，v = 0，所以C = 0， 因此速率为 2v g h =．

2．12 质量为m 的物体，最初静止于x 0，在力2k

f x

=-

(k 为常数)作用下沿直线运动．证明物体在x 处的速度大小v = [2k (1/x – 1/x 0)/m ]1/2．

[证明]当物体在直线上运动时，根据牛顿第二定律得方程

222d d k x f ma m x t

=-==

r

D α

B C

A h θ m

N mg

图2.11

11

利用v = d x/d t ，可得

22d d d d d d d d d d x v x v v

v t t t x x

===， 因此方程变为

2

d d k x

mv v x =-

， 积分得

212k

m v C x

=+． 利用初始条件，当x = x 0时，v = 0，所

以C = -k /x 0，因此

20

12k k mv x x =-， 即 0

211

()k v m x x =

-． 证毕． [讨论]此题中，力是位置的函数：f = f (x )，利用变换可得方程：mv d v = f (x )d x ，积分即可求解．

如果f (x ) = -k/x n ，则得

21d 2n x mv k x

=-?． （1）当n = 1时，可得

2

1ln 2

mv k x C =-+． 利用初始条件x = x 0时，v = 0，所以C = ln x 0，因此

2

01ln 2x mv k x

=， 即 0

2ln x k v m x

=

． （2）如果n ≠1，可得

21121n k mv x C n

-=-+-． 利用初始条件x = x 0时，v = 0，所以

101

n

k C x n -=-

-， 因此 2110

111

()21n n k mv n x x --=

--， 即 110

211

()(1)n n k v n m x x --=--．

当n = 2时，即证明了本题的结果．

2．13 一质量为m 的小球以速率v 0从地面开始竖直向上运动．在运动过程中，小球所受空气阻力大小与速率成正比，比例系数为k ．求：

（1）小球速率随时间的变化关系v (t )； （2）小球上升到最大高度所花的时间T ．

[解答]（1）小球竖直上升时受到重力和空气阻力，两者方向向下，取向上的方向为下，根据牛顿第二定律得方程

d d v

f m

g kv m

t

=--=， 分离变量得

d d()

d v m mg kv t m

mg kv k mg kv +=-=-++，

积分得

ln ()m

t mg kv C k

=-

++． 当t = 0时，v = v 0，所以

0ln ()m

C mg kv k

=

+， 因此

00

/ln ln

/m mg kv m mg k v

t k mg kv k mg k v ++=-

=-++， 小球速率随时间的变化关系为

0()exp()mg kt mg

v v k m k

=+

--． （2）当小球运动到最高点时v = 0，所

需要的时间为

00/ln ln(1)/mg k v kv m m

T k mg k k mg

+=

=+． [讨论]（1）如果还要求位置与时间的关系，可用如下步骤．

由于v = d x/d t ，所以

0d [()exp()]d mg kt mg

x v t k m k

=+

--， 即

0(/)d d exp()d m v mg k kt mg

x t k m k

+=-

--，

12

积分得

0(/)exp()`m v mg k kt mg

x t C k m k

+=-

--+，

当t = 0时，x = 0，所以

0(/)`m v mg k C k

+=，

因此

0(/)[1exp()]m v mg k kt mg

x t k m k

+=

---．

（2）如果小球以v 0的初速度向下做直线运动，取向下的方向为正，则微分方程变为

d d v f mg kv m

t

=-=， 用同样的步骤可以解得小球速率随时间的变化关系为

0()exp()mg mg kt

v v k k m

=

---． 这个公式可将上面公式中的g 改为-g 得

出．由此可见：不论小球初速度如何，其最终速率趋于常数v m = mg/k ．

2．14 如图所示：光滑的水平桌面上放置一固定的圆环带，半径为R ．一物体帖着环带内侧运动，物体与环

带间的滑动摩擦因数为

μk ．设物体在某时刻经A 点时速率为v 0，求此后时

刻t 物体的速率以及从A 点开始所经过的路程．

[解答]物体做圆周运动的向心力是由圆环带对物体的压力，即

N = mv 2/R ．

物体所受的摩擦力为

f = -μk N ，

负号表示力的方向与速度的方向相反．

根据牛顿第二定律得

2d d k v v

f m m R t

μ=-=，

即 2

d d k

v

t R

v μ=-

． 积分得

1

k

t C R

v

μ=

+． 当t = 0时，v = v 0，所以

1C v =-

， 因此

11

k

t R v v μ=-． 解得 0

01/k v v v t R

μ=

+．

由于

0000d d(1/)

d 1/1/k k k k v t v t R R x v t R v t R

μμμμ+=

=

++， 积分得

0ln (1)`k k

v t

R

x C R

μμ=

+

+，

当t = 0时，x = x 0，所以C = 0，因此

0ln (1)k k

v t

R

x R

μμ=

+

．

*2．15

2．16 如图所示，

一半径为R 的金属光滑

圆环可绕其竖直直径转动．在环上套有一珠子．今逐渐增大圆环的转动角速度ω，试求在不同转动速度下珠子能静止

在环上的位置．以珠子所

停处的半径与竖直直径的夹角θ表示．

[解答]珠子受到重力和环的压力，其合力指向竖直直径，作为珠子做圆周运动的向心力，其大小为

F = mg tg θ．

珠子做圆周运动的半径为

r = R sin θ．

根据向心力公式得

A R

v 0

图2.14

m

R

ω θ r mg

图2.16

13

F = mg tg θ = mω2R sin θ， 可得

2cos mg

R ωθ

=， 解得 2

arccos g

R θω=±．

第三章 运动的守恒定律

P84．

3．1 如图所示，一小球在弹簧的弹力作用下振动．弹力F = -kx ，而位移x = A cos ωt ，其中k ，A 和ω都是常数．求在t = 0到t = π/2ω的

时间间

隔内弹

力予小球的冲量．

[解答]方法一：利用冲量公式．根据冲量的定义得

d I = F d t = -kA cos ωt d t ， 积分得冲量为

/20

(cos )d I kA t t ω

ω=-?

π，

/20

sin kA

kA

t

ω

ωω

ω

=-

=-

π

方法二：利用动量定理．小球的速度为

v = d x/d t = -ωA sin ωt ，

设小球的质量为m ，其初动量为

p 1 = mv 1 = 0，

末动量为

p 2 = mv 2 = -mωA ，

小球获得的冲量为

I = p 2 – p 1 = -mωA ，

可以证明k =mω2，因此

I = -kA /ω．

3．2 一个质量m = 50g ，以速率的v = 20m·s -1作匀速圆周运动的小球，在1/4周期内向心力给予小球的冲量等于多少？

[解答]小球动量的大小为

p = mv ，

但是末动量与初动量互相垂直，根据动量的增量的定义

21p p p ?=-

得21p p p =+?

，

由此可作矢量三角形，可得

22p p mv ?==．

因此向心力给予小球的的冲量大小为

I p =?= 1.41(N·s)．

[注意]质点向心力大小为F = mv 2/R ，方

向是指向圆心的，其方向在不断地发生改变，所以不能直接用下式计算冲量

24v T

I Ft m R ==

2/42

R T T mv

mv R ππ

==．

假设小球被轻绳拉着以角速度ω

= v/R 运动，拉力的

大小就是向心力 F = mv 2

/R = mωv ， 其分量大小分别为

F x = F cos θ = F cos ωt ，

F y = F sin θ = F sin ωt ， 给小球的冲量大小为

d I x = F x d t = F cos ωt d t ， d I y = F y d t = F sin ωt d t ， 积分得

/4

/4

cos d sin T T x F

I F t t t

ωωω

==

?

F

mv ω

=

=，

/4

/4

sin d cos T T y F

I F t t t

ωωω

==-

?

O x F x m 图 3.1 m R

p 1 p 2

Δp p 1

m

R F x y F F y

x O

14

F

mv ω

=

=，

合冲量为

22

2x y I I I mv =+=，

所前面计算结果相同，但过程要复杂一些．

3．3 用棒打击质量0.3kg ，速率等于20m·s -1的水平飞来的球，球飞到竖直上方10m

的高度．求棒给予球的冲量多大？设球与棒的接触时间为0.02s ，求球受到的平均冲力？

[解答]球上升初速度为

2y v gh == 14(m·

s -1)， 其速度的增量为

22

x y v v v ?=+= 24.4(m·s -1)．

棒给球冲量为

I = m Δv = 7.3(N·s)， 对球的作用力为（不计重力）

F = I/t = 366.2(N)．

3．4 如图所示，3个物体A 、B 、C ，每个质量都为M ，B 和C 靠在一起，放在光滑水平桌面上，两者连有一段长度为0.4m 的细绳，首先放松．B 的另一侧则连有另一细绳跨过桌边的定滑轮而与A 相连．已知滑轮轴上的摩擦也可忽略，绳子长度一定．问A 和B 起动

后，经多长时

间C 也开始运动？C 开始

运动时的速

度是多少？

（取g = 10m·s -2）

[解答]物体A 受到重力和细绳的拉力，可列方程

Mg – T = Ma ，

物体B 在没有拉物体C 之前在拉力T 作用下做加速运动，加速度大小为a ，可列方程

T = Ma ，

联立方程可得

a = g/2 = 5(m·s -2)．

根据运动学公式

s = v 0t + at 2/2，

可得B 拉C 之前的运动时间

2/t s a == 0.4(s)．

此时B 的速度大小为

v = at = 2(m·s -1)．

物体A 跨过动滑轮向下运动，如同以相同的加速度和速度向右运动．A 和B 拉动C 运动是一个碰撞过程，它们的动量守恒，可得

2Mv = 3Mv`，

因此C 开始运动的速度为

v` = 2v /3 = 1.33(m·s -1)．

3．5 一个原来静止的原子核，放射性蜕变时放出一个动量p 1 = 9.22×10-16g·cm·s -1的电子，同时还在垂直于此电子运动的方向上放出一个动量p 2 = 5.33×10-16g·cm·s -1的中微子．求蜕变后原子核的动量的大小和方向．

[解答]原子核蜕变后的总动量大小为

22

12p p p =

+= 10.65×10-16(g·cm·s -1)．

其方向与电子方向的夹角

为

θ = arctan(p 2/p 1) = 30°． 根据动量守恒定律，三个粒子总动量为零，

12`0p p p ++=

，

所以原子核的反冲动量为

12`()p p p p =-+=- ，

其大小与电子和中微子的合动量的大小相等，方向相反，与电子速度的夹角为

180 - θ = 150°．

3．6 一炮弹以速率v 0沿仰角θ的方向发射出去后，在轨道的最高点爆炸为质量相等的两块，一块沿此45°仰角上飞，一块沿45°俯角下冲，求刚爆炸的这两块碎片的速

C B A

图3.4 v x

Δv

v y p 1

p p 2

θ

15

率各为多少？

[解答] 炮弹在最高点的速度大小为

v = v 0cos θ，

方向沿水平方向．

根据动量守

恒定律，可知碎

片的总动量等于炮弹爆炸前的总

动量，可作矢量三角形，列方程得

/2`cos 452

m

mv v =?，

所以 v` = v /cos45° =

02cos v θ．

3．7 如图所示，一匹马拉着雪撬沿着冰雪覆盖的弧形路面极缓慢地匀速移动，这圆弧路

面的半径为R ．设马对雪橇的拉力总是平行于路

面．雪橇的质量为m ，它与路面的滑动摩擦因数为

μk ．当把雪橇由底端拉上

45°圆弧时，马对雪橇做了

多少功？重力和摩擦力各做了多少功？

[解答]取弧长增加的方向为正方向，弧位移d s

的大小为

d s = R d θ．

重力G

的大小为

G = mg ，

方向竖直向下，与位移元的夹角为π + θ，所做的功元为

1d d cos(/2)d W G s G s θ=?=+π

sin d mgR θθ=-，

积分得重力所做的功为

454510

(sin )d cos W mgR mgR θθθ

?

?

=-=?

2

(1)2

mgR =--

． 摩擦力f

的大小为

f = μk N = μk m

g cos θ，

方向与弧位移的方向相反，所做的功元为

2d d cos d W f s f s =?=π

cos d k u mg R θθ=-，

积分得摩擦力所做的功为

4520

(cos )d k W mgR μθθ?

=-?

450

2

sin 2

k k mgR mgR μθ

μ?

=-=-

． 要使雪橇缓慢地匀速移动，雪橇受的重

力G 、摩擦力f 和马的拉力F

就是平衡力，

即 0F G f ++=

，

或者 ()F G f =-+

． 拉力的功元为

d d (d d )W F s G s f s =?=-?+?

12(d d )W W =-+，

拉力所做的功为

12()W W W =-+

22(1)22

k mgR μ=-

+． 由此可见：重力和摩擦力都做负功，拉力做正功．

3．8 一质量为m 的质点拴在细绳的一端，绳的另一端固定，此质点在粗糙水平面上作半径为r 的圆周运动．设质点最初的速率是v 0，当它运动1周时，其速率变为v 0/2，求：

（1）摩擦力所做的功； （2）滑动摩擦因数；

（3）在静止以前质点运动了多少圈？ [解答] （1）质点的初动能为

E 1 = mv 02/2，

末动能为

R 45°

mg N θ F f

d s

图3.7 v 0 θ

v v` v`

45°

16

E 2 = mv 2/2 = mv 02/8，

动能的增量为

ΔE k = E 2 – E 1 = -3mv 02/8，

这就是摩擦力所做的功W ．

（2）由于

d W = -f d s = -μk N d s = -μk mgr d θ， 积分得

20

()d 2k k W mgr mgr π

μθπμ=-=-?．

由于W = ΔE ，可得滑动摩擦因数为

20

316k v gr

μ=

π． （3）在自然坐标中，质点的切向加速度为

a t = f/m = -μk g ，

根据公式v t 2 – v o 2 = 2a t s ，可得质点运动的弧长为

22008223

k v v r

s a g πμ===

， 圈数为 n = s/2πr = 4/3．

[注意]根据用动能定理，摩擦力所做的功等于质点动能的增量

-fs = ΔE k ，

可得 s = -ΔE k /f ， 由此也能计算弧长和圈数。

3．9 如图所示，物体A 的质量m = 0.5kg ，静止于光滑斜面上．它与固定在斜面底B 端的弹簧M 相距s = 3m ．弹簧的倔强系数k =

400N·m -1

．斜面倾角为45°．求当物体A 由静止下滑

时，能使弹簧长度产生的最大压缩

量是多大？ [解答]取弹簧自然伸长处为重力势能和弹性势能的零势点，由于物体A 和弹簧组成的系统只有保守力做功，所以机械能守恒，当弹簧压缩量最大时，可得方程

21

sin sin 2

mgs mgx kx θθ=-+，

整理和一元二次方程

2

1sin sin 02

kx mgx mgs θθ-+=， 解得

2sin (sin )2sin mg mg kmg x k

θθθ

±+=

= 0.24(m)（取正根）．

3．10 一个小球与另一质量相等的静止小球发生弹性碰撞．如果碰撞不是对心的，试证明：碰撞后两小球的运动方向彼此垂直．

[证明]设一个小球碰撞前后的速度大小分别为v 0和v 1，另一小球的在碰撞后的速度大小

为v 2，根据机械能守恒得

222

012111222

mv mv mv =+， 即 222

012

v v v =+； 根据动量守恒得

012p p p =+ ，

其中各动量的大小为

p 0 = mv 0、p 1 = mv 1和p 2 = mv 2， 对矢量式两边同时平方并利用

1212cos p p mv mv θ?=

得

222012122cos p p p p p θ=++， 即222222

2012122cos m v m v m v m v v θ=++

化简得

222

012122cos v v v v v θ=++，

结合机械能守恒公式得

2v 1v 2cos θ = 0，

由于v 1和v 2不为零，所以

θ = π/2，

即碰撞后两小球的运动方向彼此垂直．

θ = 45° A

B

s = 3m 图3.9

p 1 p 2 θ p 0

17

证毕．

3．11 如图所示，质量为1.0kg 的钢球m 1系在长为0.8m 的绳的一端，绳的另一端O 固定．把绳拉到

水平位置后，再把

它由静止释放，球在最低点处与质量为5.0kg 的钢块m 2

作完全弹性碰撞，

求碰撞后钢球继续

运动能达到的最大高度．

[解答]钢球下落后、碰撞前的速率为

12v gl =．

钢球与钢块碰撞之后的速率分别为v 1`和v 1`，根据机械能守恒和动量守恒得方程

222

111122111``222

m v m v m v =+， ``

111122

m v m v m v =+． 整理得22

211122(`)`m v v m v -=

``

11122

()m v v m v -=． 将上式除以下式得

v 1 + v 1` = v 2`，

代入整理的下式得

``

11112121

m v m v m v m v -=+， 解得 `

121

112

()m m v v m m -=

+．

碰撞后钢球继续运动能达到的最大高度为

`222112112

1()22v m m h v g g m m -==+

2

1212

(

)m m l m m -=+= 0.36(m)．

[讨论]如果两个物体的初速率都不为零，发生对心弹性碰撞时，同样可列出机械能和动量守恒方程

2222112211221111``2222

m v m v m v m v +=+， ``

11221122

m v m v m v m v +=+． 同理可得

``

1122

v v v v +=+． 从而解得

`12122

112

()2m m v m v v m m -+=

+，

或者

`11221112

2()

m v m v v v m m +=

-+；

将下标1和2对调得

`21211

212

()2m m v m v v m m -+=

+，

或者`

11222212

2()

m v m v v v m m +=

-+．

后一公式很好记忆，其中

1122

12

m v m v m m ++代表

质心速度．

3．12 一质量为m 的物体，从质量为M 的圆弧形槽顶端由静止滑下，设圆弧形槽的半径为R ，张角为π/2，如图所示，所有摩擦都忽略，求：

（1）物体

刚离开槽底端

时，物体和槽的

速度各是多少？

（2）在物

体从A 滑到B 的过程中，物体对

槽所做的功W ；

（3）物体到达B 时对槽的压力． [解答]（1）物体运动到槽底时，根据机械能定律守恒得

2211

22

mgR mv MV =

+， = 0.8m

m 2

m 1 O 图 3.11 m

M A

B R

v V 图3.12

18

根据动量守恒定律得

0 = mv + MV ．

因此 2211()22mgR mv MV M

=

+ 2211()22mv mv M

=+， 解得

2MgR

v M m

=

+，

从而解得

2()

gR

V m

M M m =-+．

（2）物体对槽所做的功等于槽的动能的增量

22

12m gR W MV M m

==+．

（3）物体在槽底相对于槽的速度为

`(1)m M m

v v V v v M M

+=-=+

= 2()M m gR M

+=

，

物体受槽的支持力为N ，则

2

`v N mg m R

-=，

因此物体对槽的压力为

2`2`(3)v m

N mg m mg R M

=+=+．

3．13 在实验室内观察到相距很远的一个质子（质量为m p ）和一个氦核（质量为4m p ）沿一直线相向运动；速率都是v 0，求两者能达到的最近距离．

[解答] 当两个粒子相距最近时，速度相等，根据动量守恒定律得

4m p v 0 - m p v 0 = (4m p + m p )v ， 因此v = 3v 0/5．

质子和氦核都带正电，带电量分别为e 和2e ，它们之间的库仑力是保守力．根据能量守恒定律得

2222

p 0p 0p m

1112e (4)(5)222m v m v m v k

r +=+， 因此

2222

p 0p 0

m 2e 58()25

k m v v m v r =-=， 所以最近距离为

2

m 2

p 0

5ke 4r m v =．

3．14 如图所示，有一个在竖直平面上摆动的单摆．问：

（1）摆球对悬挂点的角

动量守恒吗？

（2）求出t 时刻小球对悬挂点的角动量的方向，对于

不同的时刻，角动量的方向会

改变吗？

（3）计算摆球在θ角时对悬挂点角动量的变化率．

[解答]（1）由于单摆速度的大小在不断发生改变，而方向与弧相切，因此动量矩l 不变；由于角动量L =

mvl ，所以角动量不守恒．

（2）当单摆逆时针运

动时，角动量的方向垂直纸

面向外；当单摆顺时针运动时，角动量的方向垂直纸面向里，因此，在不同的时刻，角动量的方向会改变．

（3）质点对固定点的角动量的变化率等于质点所受合外力对同一点的力矩，因此角动量的变化率为

d sin d L

M F l mgl t

τθ===．

3．15 证明行星在轨道上运动的总能量为12

GMm

E r r =-

+．式中M 和m 分别为太阳l

θ m

图3.14 l mg N θ

19

和行星的质量，r 1和r 2分别为太阳和行星轨道的近日点和远日点的距离．

[证明]设

行星在近日点

和远日点的速

度分别为v 1和

v 2，由于只有保

守力做功，所

以机械能守恒，总能量为

211

12GMm

E mv r =-

（1） 和 222

12GMm

E mv r =

-

． （2） 它们所组成的系统不受外力矩作用，所

以行星的角动量守恒．行星在两点的位矢方向与速度方向垂直，可得角动量守恒方程

mv 1r 1 = mv 2r 2，

即 v 1r 1 = v 2r 2． (3)

将（1）式各项同乘以r 12得

Er 12 = m (v 1r 1)2/2 - GMmr 1， (4)

将（2）式各项同乘以r 22得

Er 22 = m (v 2r 2)2/2 - GMmr 2， (5)

将（5）式减（4）式，利用（3）式，可得

E (r 22 - r 12) = -GMm (r 2 - r 1)， (6)

由于r 1不等于r 2，所以

（r 2 + r 1)E = -GMm ， 故 12

GMm

E r r =-

+． 证毕． 3．16 我国第一颗人造地于卫星的质量为173kg ，其近地点高度为439km ，远地点高度为2 384km ，求它的轨道总能量．

[解答]地球半径R 0 = 6371km ，因此

r 1 = R 0 + h 1，r 2 = R 0 + h 2． 根据万有引力定律，在地球表面有

2

GMm

mg R =， 因此

2

GM gR =， 根据上题的结果可得卫星的轨道总能量为

2

012

2mgR E R h h =-

++= -4.42×109(J)．

*3．17

第四章 刚体定轴转动

P109． 4．1 质量为M 的空心圆柱体，质量均匀分布，其内外半径为R 1和R 2，求对通过其中心轴的

转动惯量．

[解答]设圆柱体的

高为H ，其体积为

V = π(R 22 – R 12)h ， 体密度为 ρ = M/V ．

在圆柱体中取一面积为S = 2πRH ，厚度为d r 的薄圆壳，体积元为

d V = S d r = 2πrH d r ，

其质量为

d m = ρd V ，

绕中心轴的转动惯量为

d I = r 2d m = 2πρHr 3d r ， 总转动惯量为

21

34

42112d ()2

R R I H r r H R R πρπρ==-?

22211

()2

m R R =+．

4．2 一矩形均匀薄板，边长为a 和b ，质量为M ，中心O 取为原点，坐标系OXYZ 如图所示．试证明：

（1）薄板对OX 轴的转动惯量为

21

12

OX I Mb =

； （2）薄板对OZ 轴的转动惯量为

221

()12

OZ I M a b =

+． r 1 r 2

v 1

v 2 R 1 R 2 O O` H

图4.1

20

[证明] 薄板的面积为

S = ab ， 质量面密度为 σ = M/S ． （1）在板

上取一长为a ，

宽为d y 的矩形元，其面积为

d S = a d y ，

其质量为

d m =σd S ，

绕X 轴的转动惯量为

d I OX = y 2d m = σay 2d y ，

积分得薄板对OX 轴的转动惯量为

/2/2

2

3

/2

/2

1

d 3b b OX

b b I a y y a y σσ--==?

3211

1212

ab Mb σ=

=． 同理可得薄板对OY 轴的转动惯量为

21

12

OY I Ma =

． （2）方

法一：平行轴

定理．在板上取一长为b ，宽为d x 的矩形元，其面积为 d S = b d x ， 质量为

d m = σd S ，

绕过质心的O`Z`轴的转动惯量等于绕OX 轴的转动惯量

d I O`Z` = b 2d m /12．

根据平行轴定理，矩形元对OZ 轴的转动惯量为

d I OZ = x 2d m + d I O`Z `

= σbx 2d x + b 2d m /12，

积分得薄板对OZ 轴的转动惯量为

/22

2/2

1

d d 12a M

OZ

a I

b x x b m σ-=+??

/2

3

2

/2

113

12

a a

b x b M σ-=+

221

()12

M a b =

+． 方法二：垂直轴定理．在板上取一质量元d m ，绕OZ 轴的转动惯量为

d I OZ = r 2d m ．

由于r 2 = x 2 + y 2，所以

d I OZ = (x 2 + y 2)d m = d I OY + d I OX ， 因此板绕OZ 轴的转动惯量为

221

()12

OZ OY OX I I I M a b =+=

+．

4．3 一半圆形细杆，半径为R ，质量为M ，求对过细杆二端AA `轴的转动惯量．

[解答]半圆的长度为 C = πR ， 质量的线密度为

λ = M/C ．

在半圆上取一弧元 d s = R d θ， 其质量为

d m = λd s ，

到AA `轴的距离为

r = R sin θ，

绕此轴的转动惯量为

d I = r 2d m = λR 3sin 2θd θ，

半圆绕AA `轴的转动惯量为

3

20sin d I R λθθ=?π

3

1

(1cos 2)d 2R

λθθ=-?π

321

22

R MR λ=

=π

4．4 如图所示，在质量为M ，半径为R 的匀质圆盘上挖出半径为r 的两个圆孔．圆孔中心在圆盘半径的中点．求剩余部分对大圆盘中心且与盘面垂直的轴线的转动惯量．

a O b

X

Y Z

图4.2

a O

b X Y Z Z` O` y

x

r θ

A A` R 图4.3

21

[解答]大圆的面积为 S = πR 2， 质量的面密度为

σ = M/S ．

大圆绕过圆心且与盘面垂直的轴线的转动惯量为

I M = MR 2/2．

小圆的面积为

s = πr 2，

质量为

m = σs ，

绕过自己圆心且垂直圆面的轴的转动惯量为

I C = mr 2/2，

根据平行轴定理，绕大圆轴的转动惯量为

I m = I C + m (R/2)2．

2221

()(2)24m C R I I m m r R =+=+

2221

(2)4

r r R σπ=+ 2

2221(2)4r M r R R

=+， 剩余部分的转动惯量为

422

2122()2M m r I I I M R r R

=-=--．

4．5 飞轮质量m = 60kg ，半径R = 0.25m ，绕水平中心轴O 转动，转速为900r·min -1．现利用一制动用的轻质闸瓦，在剖杆一端加竖直方向的制动力F

，可使飞轮减速．闸杆尺寸如图所示，闸瓦与飞

轮之间的摩擦因数μ

= 0.4，飞轮的转动惯量可按匀质圆盘计算．

（1）设F = 100N ，问可使飞轮在多长时间内停止转动？这段时间飞轮转了多少转？

（2）若要在2s 内使飞轮转速减为一半，需加多大的制动力F ？

[解答]设飞轮对闸瓦的支持力为N`，以左端为转动轴，在力矩平衡时有

0.5N` – 1.25F = 0，

所以

N`=2.5F = 250(N)． 闸瓦对飞轮的压力为

N = N`= 250(N)，

与飞轮之间摩擦力为

f = μN = 100(N)，

摩擦力产生的力矩为

M = fR ．

飞轮的转动惯量为 I = mR 2/2，

角加速度大小为

β = -M/I = -2f/mR = -40/3(rad·s -2)， 负号表示其方向与角速度的方向相反．

飞轮的初角速度为

ω0 = 30π(rad?s -1)．

根据公式ω = ω0 + βt ，当ω = 0时，

t = -ω0/β = 7.07(s)．

再根据公式ω2 = ω02 + 2βθ，可得飞轮转过的角度为

θ = -ω02/2β = 333(rad)，

转过的圈数为

n = θ/2π = 53r ．

[注意]圈数等于角度的弧度数除以2π． （2）当t = 2s ，ω = ω0/2时，角加速度为

β = -ω0/2t = -7.5π．

力矩为

M = -Iβ，

摩擦力为

f = M/R = -mRβ/2 = (7.5)2π．

闸瓦对飞轮的压力为

N = f /μ，

需要的制动力为

F = N /2.5 = (7.5)2π = 176.7(N)．

4．6 一轻绳绕于r = 0.2m 的飞轮边缘，以恒力F = 98N 拉绳，如图（a ）所示．已知飞轮的转动惯量I = 0.5kg·m 2，轴承无摩擦．求

（1）飞轮的角加速度．

O r R

r

图4.4

O

0.50 F

0.75

图4.5

F =98N P =98N

m

(a)

(b) (图4.6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ma1q.html