2-5 分析与解 本题可考虑对A、B 两物体加上惯性力后,以电梯这个非惯性参考系进行求解．此时A、B 两物体受力情况如图(b)所示,图中a′为A、B 两物体相对电梯的加速度,ma′为惯性力．对A、B 两物体应用牛顿第二定律,可解得FＴ ＝5/8 mg．故选(A)．
讨论 对于习题2 -5 这种类型的物理问题,往往从非惯性参考系(本题为电梯)观察到的运动图像较为明确,但由于牛顿定律只适用于惯性参考系,故从非惯性参考系求解力学问题时,必须对物体加上一个虚拟的惯性力．如以地面为惯性参考系求解,则两物体的加速度aA 和aB 均应对地而言,本题中aA 和aB的大小与方向均不相同．其中aA 应斜向上．对aA 、aB 、
a 和a′之间还要用到相对运动规律,求解过程较繁．有兴趣的读者不妨自己尝试一下．
2-6 分析 动力学问题一般分为两类：(1) 已知物体受力求其运动情况；(2) 已知物体的运动情况来分析其所受的力．当然,在一个具体题目中,这两类问题并无截然的界限,且都是以加速度作为中介,把动力学方程和运动学规律联系起来．本题关键在列出动力学和运动学方程后,解出倾角与时间的函数关系α＝f(t),然后运用对t 求极值的方法即可得出数值来．
解 取沿斜面为坐标轴Ox,原点O 位于斜面顶点,则由牛顿第二定律有
mgsinα?mgμcosα?ma (1)
又物体在斜面上作匀变速直线运动,故有
l11?at2?g?sinα?μcosα?t2 则 t?cosα222l (2)
gcosα?sinα?μcosα?dt?0,由式(2)有 dα1?sinα?sinα?μcosα??cosα?cosα?μsinα??0 则可得 tan2α??,??49o
μ2l此时 t??0.99s
gcosα?sinα?μcosα?为使下滑的时间最短,可令
2-7 分析 预制板、吊车框架、钢丝等可视为一组物体．处理动力学问题通常采用“隔离体”的方法,分析物体所受的各种作用力,在所选定的惯性系中列出它们各自的动力学方程．根据连接体中物体的多少可列出相应数目的方程式．结合各物体之间的相互作用和联系,可解决物体的运动或相互作用力．
解 按题意,可分别取吊车(含甲、乙)和乙作为隔离体,画示力图,并取竖直向上为Oy 轴正方向(如图所示)．当框架以加速度a 上升时,有
FＴ -(m1 ＋m2 )g ＝(m1 ＋m2 )a (1) ,FN2 - m2 g ＝m2 a (2)
解上述方程,得
FＴ ＝(m1 ＋m2 )(g ＋a) (3) FN2 ＝m2 (g ＋a) (4)
(1) 当整个装置以加速度a ＝10 m·ｓ 上升时,由式(3)可得绳所受张力的值为
-2
FＴ ＝5.94 ×103 N
乙对甲的作用力为 F′N2 ＝-FN2 ＝-m2 (g ＋a) ＝-1.98 ×10 N (2) 当整个装置以加速度a ＝1 m·ｓ 上升时,得绳张力的值为 FＴ ＝3.24 ×10 N 此时,乙对甲的作用力则为 F′N2 ＝-1.08 ×103 N
由上述计算可见,在起吊相同重量的物体时,由于起吊加速度不同,绳中所受张力也不同,加速度大,绳中张力也大．因此,起吊重物时必须缓慢加速,以确保起吊过程的安全．
2-8 分析 该题为连接体问题,同样可用隔离体法求解．分析时应注意到绳中张力大小处处相等是有条件的,即必须在绳的质量和伸长可忽略、滑轮与绳之间的摩擦不计的前提下成立．同时也要注意到张力方向是不同的．
解 分别对物体和滑轮作受力分析［图(b)］．由牛顿定律分别对物体A、B 及滑轮列动力学方程,有 mA g -FＴ ＝mA a (1)
3
-2
3
F′Ｔ1 -Fｆ ＝mB a′ (2) F′Ｔ -2FＴ1 ＝0 (3)
考虑到mA ＝mB ＝m, FＴ ＝F′Ｔ , FＴ1 ＝F′Ｔ1 ,a′＝2a,可联立解得物体与桌面的摩擦力
Ff?mg??m?4m?a?7.2N 2讨论 动力学问题的一般解题步骤可分为：(1) 分析题意,确定研究对象,分析受力,选定坐标；(2) 根据物理的定理和定律列出原始方程组；(3) 解方程组,得出文字结果；(4) 核对量纲,再代入数据,计算出结果来．
2-9 分析 当木块B 平稳地轻轻放至运动着的平板A 上时,木块的初速度可视为零,由于它与平板之间速度的差异而存在滑动摩擦力,该力将改变它们的运动状态．根据牛顿定律可得到它们各自相对地面的加速度．换以平板为参考系来分析,此时,木块以初速度-v′(与平板运动速率大小相等、方向相反)作匀减速运动,其加速度为相对加速度,按运动学公式即可解得．
该题也可应用第三章所讲述的系统的动能定理来解．将平板与木块作为系统,该系统的动能由平板原有的动能变为木块和平板一起运动的动能,而它们的共同速度可根据动量定理求得．又因为系统内只有摩擦力作功,根据系统的动能定理,摩擦力的功应等于系统动能的增量．木块相对平板移动的距离即可求出．
解1 以地面为参考系,在摩擦力Fｆ ＝μmg 的作用下,根据牛顿定律分别对木块、平板列出动力学方程
Fｆ ＝μmg ＝ma1 F′ｆ ＝-Fｆ ＝m′a2
a1 和a2 分别是木块和木板相对地面参考系的加速度．若以木板为参考系,木块相对平板
的加速度a ＝a1 ＋a2 ,木块相对平板以初速度- v′作匀减速运动直至最终停止．由运动学规律有 - v′ ＝2as
由上述各式可得木块相对于平板所移动的距离为
2
m?v?2s?
2μg?m??m?解2 以木块和平板为系统,它们之间一对摩擦力作的总功为
W ＝Fｆ (s ＋l) -Fｆl ＝μmgs
式中l 为平板相对地面移动的距离．
由于系统在水平方向上不受外力,当木块放至平板上时,根据动量守恒定律,有
m′v′＝(m′＋m) v″
由系统的动能定理,有
11μmgs?m?v?2??m??m?v??2
22m?v?2由上述各式可得 s?
2μg?m??m?2-10 分析 维持钢球在水平面内作匀角速度转动时,必须使钢球受到一与向心加速度
相对应的力(向心力),而该力是由碗内壁对球的支持力FN 的分力来提供的,由于支持力FN 始终垂直于碗内壁,所以支持力的大小和方向是随ω而变的．取图示Oxy 坐标,列出动力学方程,即可求解钢球距碗底的高度．
解 取钢球为隔离体,其受力分析如图(b)所示．在图示坐标中列动力学方程
FNsinθ?man?mRω2sinθ (1)
FNcosθ?mg (2)
且有 cosθ??R?h? (3)
R由上述各式可解得钢球距碗底的高度为
h?R?g 2ω可见,h 随ω的变化而变化．
2-11 分析 如题所述,外轨超高的目的欲使火车转弯的所需向心力仅由轨道支持力的水平分量FNsinθ 提供(式中θ 角为路面倾角)．从而不会对内外轨产生挤压．与其对应的
是火车转弯时必须以规定的速率v0行驶．当火车行驶速率v≠v0 时,则会产生两种情况：如图所示,如v＞v0 时,外轨将会对车轮产生斜向内的侧压力F1 ,以补偿原向心力的不足,如v＜v0时,则内轨对车轮产生斜向外的侧压力F2 ,以抵消多余的向心力,无论哪种情况火车都将对外轨或内轨产生挤压．由此可知,铁路部门为什么会在每个铁轨的转弯处规定时速,从而确保行车安全．
解 (1) 以火车为研究对象,建立如图所示坐标系．据分析,由牛顿定律有
v2FNsinθ?m (1) FNcosθ?mg?0 (2)
R解(1)(2)两式可得火车转弯时规定速率为
v0?gRtanθ
(2) 当v＞v0 时,根据分析有 2 FNsinθ?F1cosθ?m解(3)(4)两式,可得外轨侧压力为
v (3) FNcosθ?F1sinθ?mg?0 (4) R?v2??F1?m?cosθ?gsinθ?R?
??当v＜v0 时,根据分析有
v2FNsinθ?F2cosθ?m (5) FNcosθ?F2sinθ?mg?0 (6)
R解(5)(6)两式,可得内轨侧压力为
??v2?F2?m?gsinθ?cosθ ??R??2-12 分析 杂技演员(连同摩托车)的运动可以看成一个水平面内的匀速率圆周运动和一个竖直向上匀速直线运动的叠加．其旋转一周所形成的旋线轨迹展开后,相当于如图(b)所示的斜面．把演员的运动速度分解为图示的v1 和v2 两个分量,显然v1是竖直向上作匀速直线运动的分速度,而v2则是绕圆筒壁作水平圆周运动的分速度,其中向心力由筒壁对演员的支持力FN 的水平分量FN2 提供,而竖直分量FN1 则与重力相平衡．如图(c)所示,其中φ角为摩
大学物理物理学(第五版)上册马文蔚课后答案东南大学
