解1 (1) 以地面为参考系,取如图所示的坐标系,升降机与螺丝的运动方程分别为
1y1?v0t?at2
21y2?h?v0t?gt2
2当螺丝落至底面时,有y1 ＝y2 ,即
11v0t?at2?h?v0t?gt2
22t?2h?0.705s g?a12gt?0.716m 2 (2) 螺丝相对升降机外固定柱子下降的距离为
d?h?y2??v0t?解2 (1)以升降机为参考系,此时,螺丝相对它的加速度大小a′＝g ＋a,螺丝落至底面时,有
10?h?(g?a)t2
2t?2h?0.705s g?a(2) 由于升降机在t 时间内上升的高度为
1h??v0t?at2
2则 d?h?h??0.716m
题 1-8 图
1 -9 质点沿直线运动,加速度a＝4 -t2 ,式中a的单位为m·ｓ-2 ,t的单位为ｓ．如果当t ＝3ｓ时,x＝9 m,v ＝2 m·ｓ-1 ,求质点的运动方程．
分析 本题属于运动学第二类问题,即已知加速度求速度和运动方程,必须在给定条件下用积分方法解决．由a?dvdx和v?可得dv?adt和dtdtdx?vdt．如a＝a(t)或v ＝v(t),则可两边直接积分．如果a 或v不是时
间t 的显函数,则应经过诸如分离变量或变量代换等数学操作后再做积分．
解 由分析知,应有
?
由
vv0dv??adt
0t得 v?4t?t3?v0 (1)
13?xx0dx??vdt
0t得 x?2t2?14t?v0t?x0 (2) 12将t＝3ｓ时,x＝9 m,v＝2 m·ｓ-1代入(1)、(2)得
v0＝-1 m·ｓ-1, x0＝ m
于是可得质点运动方程为
x?2t2?14t?0.75 121 -10 一石子从空中由静止下落,由于空气阻力,石子并非作自由落体运动,现测得其加速度a＝A -Bv,式中A、B 为正恒量,求石子下落的速度和运动方程．
分析 本题亦属于运动学第二类问题,与上题不同之处在于加速度是速度v的函数,因此,需将式dv ＝a(v)dt 分离变量为积分．
解 选取石子下落方向为y 轴正向,下落起点为坐标原点． (1) 由题意知 a?用分离变量法把式(1)改写为
dv?A?Bv (1) dtdv?dt后再两边a(v)dv?dt (2) A?Bv将式(2)两边积分并考虑初始条件,有
tdvdv??v0A?Bv?0dt A得石子速度 v?(1?e?Bt)
BA由此可知当,t→∞时,v?为一常量,通常称为极限速度或收尾速度．
BdyA(2) 再由v??(1?e?Bt)并考虑初始条件有
dtBytA?Btdy?(1?e)dt ?0?0Bv得石子运动方程
y?AAt?2(e?Bt?1) BB1 -11 一质点具有恒定加速度a ＝6i ＋4j,式中a的单位为m·ｓ
-2
．在t＝0时,其速度为零,位置矢量r0 ＝10 mi．求：(1) 在任意时刻的速度和位置矢量；(2) 质点在Oxy 平面上的轨迹方程,并画出轨迹的示意图．
题 1-11 图
分析 与上两题不同处在于质点作平面曲线运动,根据叠加原理,求解时需根据加速度的两个分量ax 和ay分别积分,从而得到运动方程r的两个分量式x(t)和y(t)．由于本题中质点加速度为恒矢量,故两次积分后所得运动方程为固定形式,即x?x0?v0xt?axt2和y?y0?v0yt?ayt2,两
1212个分运动均为匀变速直线运动．读者不妨自己验证一下． 解 由加速度定义式,根据初始条件t0 ＝0时v0 ＝0,积分可得
?又由v?v0dv??adt??(6i?4j)dt
00ttv?6ti?4tj
dr及初始条件t＝0 时,r0＝(10 m)i,积分可得 dt?rr0dr??vdt??(6ti?4tj)dt
00ttr?(10?3t2)i?2t2j
由上述结果可得质点运动方程的分量式,即
x ＝10＋3t2
y ＝2t2
消去参数t,可得运动的轨迹方程
3y ＝2x -20 m 这是一个直线方程．直线斜率k?图所示．
1 -12 质点在Oxy 平面内运动,其运动方程为r＝ ＋ )j,式中r 的单位为m,t的单位为s．求：(1)质点的轨迹方程；(2) 在t1＝ 到t2 ＝ 时间内的平均速度；(3) t1 ＝ｓ时的速度及切向和法向加速度；(4) t ＝ 时质点所在处轨道的曲率半径ρ．
分析 根据运动方程可直接写出其分量式x ＝x(t)和y ＝y(t),从中消去参数t,即得质点的轨迹方程．平均速度是反映质点在一段时间内位
Δr,它与时间间隔Δt 的大小有关,当Δt→0 时,平Δtdr均速度的极限即瞬时速度v?．切向和法向加速度是指在自然坐标
dtdy2?tanα?,α＝33°41′．轨迹如dx3置的变化率,即v?下的分矢量aｔ 和an ,前者只反映质点在切线方向速度大小的变化率,即at?dvte,后者只反映质点速度方向的变化,它可由总加速度a 和aｔ dt得到．在求得t1 时刻质点的速度和法向加速度的大小后,可由公式
v2求ρ． an?ρ解 (1) 由参数方程
x ＝, y ＝消去t 得质点的轨迹方程：
y ＝
(2) 在t1 ＝ｓ 到t2 ＝ｓ时间内的平均速度
v?Δrr2?r1??2.0i?6.0j Δtt2?t1(3) 质点在任意时刻的速度和加速度分别为
v(t)?vxi?vyj?dxdyi?j?2.0i?4.0tj dtdtd2xd2ya(t)?2i?2j??4.0m?s?2j
dtdt则t1 ＝ｓ时的速度
v(t)｜t ＝1ｓ＝ 切向和法向加速度分别为
att?1s?dvd2?2et?(vx?v2)e?3.58m?set ytdtdtan?a2?at2en?1.79m?s?2en
(4) t ＝ｓ质点的速度大小为
2?1v?vx?v2y?4.47m?s
v2则ρ??11.17m
an1 -13 飞机以100 m·ｓ-1 的速度沿水平直线飞行,在离地面高为100 m时,驾驶员要把物品空投到前方某一地面目标处,问：(1) 此时目标在飞机正下方位置的前面多远 (2) 投放物品时,驾驶员看目标的视线和水平线成何角度(3) 物品投出ｓ后,它的法向加速度和切向加速度各为多少
题 1-13 图
物理学教程上册课后答案第一章
