大学物理学(第三版)课后习题-答案~.doc
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1、-_1-4 在离水面高h米的岸上,有人用绳子拉船靠岸,船在离岸S处,如题1-4图所示当人以(m)的速率收绳时,试求船运动的速度和加速度的大小0v1s图1-4解: 设人到船之间绳的长度为 ,此时绳与水面成角,由图可知l222shl将上式对时间 求导,得t题 1-4 图tsstlldd2dd2根据速度的定义,并注意到 ,是随 减少的,lst tsvvtlvdd,dd0船绳即 cosdd dd0 0vvsl tl sl tsv船或 svsh slvv02/122 0)(船将再对 求导,即得船的加速度船vt1-6 已知一质点作直线运动,其加速度为 4+3 ,开始运动时,5 m,at2smx-_=0,求
2、该质点在 10s 时的速度和位置vt解: ttva34dd分离变量,得 ttvd)34(d积分,得 12 234cttv由题知,, ,0t00v01c故 2 234ttv又因为 2 234ddtttxv分离变量, tttxd)234(d2积分得 232 212cttx由题知 , ,0t50x52c故 521232ttx所以时s10tm70551021102sm190102310432 1012 10xv1-10 以初速度20抛出一小球,抛出方向与水平面成幔60的夹角,0v1sm求:(1)球轨道最高点的曲率半径;(2)落地处的曲率半径1R2R-_(提示:利用曲率半径与法向加速度之间的关系)解:设
3、小球所作抛物线轨道如题 1-10 图所示题 1-10 图 (1)在最高点,o 0160cosvvvx2 1sm10 gan又 12 11van m1010)60cos20(22 1 11 nav(2)在落地点,,2002 vv1sm而 o60cos 2 gan m8060cos10)20(22 2 22nav1-13 一船以速率30kmh-1沿直线向东行驶,另一小艇在其前方以速率40kmh-11v2v沿直线向北行驶,问在船上看小艇的速度为何?在艇上看船的速度又为何?解:(1)大船看小艇,则有,依题意作速度矢量图如题 1-13 图(a)1221vvv-_题 1-13 图由图可知 12 22 12
4、1hkm50vvv方向北偏西 87.3643arctanarctan21 vv(2)小船看大船,则有,依题意作出速度矢量图如题 1-13 图(b),同上法,得2112vvv5012v1hkm2-2 一个质量为的质点,在光滑的固定斜面(倾角为)上以初速度运动,的方向P0v0v与斜面底边的水平线平行,如图所示,求这质点的运动轨道AB解: 物体置于斜面上受到重力,斜面支持力.建立坐标:取方向为轴,平行斜mgN0vX面与轴垂直方向为轴.如图 2-2.XY题 2-2 图方向: X0xFtvx0方向: YyymamgFsin时 0t0y0yv-_2sin21tgy由、式消去 ,得t2 2 0sin21xg
5、vy2-4 质点在流体中作直线运动,受与速度成正比的阻力(为常数)作用, =0时质点的kvkt速度为,证明(1) 时刻的速度为;(2) 由0到 的时间内经过的距离为0vtvtmk ev)(0t()1-;(3)停止运动前经过的距离为;(4)证明当时速xkmv0tmk e)()(0kmvkmt 度减至的,式中m为质点的质量0ve1答: (1) tv mkvadd分离变量,得mtk vvdd即 vvtmtk vv00ddmktevv lnln0 tmkevv0(2) tttmk mkekmvtevtvx 00 0)1 (dd(3)质点停止运动时速度为零,即 t,故有 00 0dkmvtevxtmk-
6、_(4)当 t=时,其速度为kmevevevvkm mk01 00即速度减至的.0ve12-10 一颗子弹由枪口射出时速率为,当子弹在枪筒内被加速时,它所受的合力为 1 0smvF =()N(为常数),其中 以秒为单位:(1)假设子弹运行到枪口处合力刚好为零,bta ba,t试计算子弹走完枪筒全长所需时间;(2)求子弹所受的冲量(3)求子弹的质量解: (1)由题意,子弹到枪口时,有,得0)(btaFbat (2)子弹所受的冲量tbtattbtaI 02 21d)(将代入,得bat baI22 (3)由动量定理可求得子弹的质量0202bva vIm2-13 以铁锤将一铁钉击入木板,设木板对铁钉的
7、阻力与铁钉进入木板内的深度成正比,在 铁锤击第一次时,能将小钉击入木板内1 cm,问击第二次时能击入多深,假定铁锤两次打 击铁钉时的速度相同解: 以木板上界面为坐标原点,向内为坐标正向,如题 2-13 图,则铁钉所受阻力为y-_题 2-13 图kyf第一锤外力的功为1A sskykyyfyfA1012ddd式中是铁锤作用于钉上的力,是木板作用于钉上的力,在时,f f0d tf f设第二锤外力的功为,则同理,有2A212 22221dykkyykyA由题意,有2)21(2 12kmvAA即 22212 2kkky所以, 22y于是钉子第二次能进入的深度为cm414. 01212yyy2-15 一
8、根劲度系数为的轻弹簧的下端,挂一根劲度系数为的轻弹簧,的下1kA2kBB端一重物,的质量为,如题2-15图求这一系统静止时两弹簧的伸长量之比和弹性CCM-_势 能之比解: 弹簧及重物受力如题 2-15 图所示平衡时,有BA、C题 2-15 图MgFFBA又 11xkFA22xkFB所以静止时两弹簧伸长量之比为1221 kk xx弹性势能之比为122 222 11 121212kkxkxkEEpp 2-17 由水平桌面、光滑铅直杆、不可伸长的轻绳、轻弹簧、理想滑轮以及质量为和1m的滑块组成如题2-17图所示装置,弹簧的劲度系数为,自然长度等于水平距离,2mkBC与桌面间的摩擦系数为,最初静止于点
9、,绳已拉直,现令滑2m1mAABBCh-_块落下,求它下落到处时的速率1mB解: 取点为重力势能零点,弹簧原长为弹性势能零点,则由功能原理,有B)(21)(212 12 212lkghmvmmghm式中为弹簧在点时比原长的伸长量,则lAhBCACl) 12(联立上述两式,得2122 21122 mmkhghmmv题 2-17 图2-19 质量为的大木块具有半径为的四分之一弧形槽,如题2-19图所示质量为MR 的小立方体从曲面的顶端滑下,大木块放在光滑水平面上,二者都作无摩擦的运动,而m 且都从静止开始,求小木块脱离大木块时的速度解: 从上下滑的过程中,机械能守恒,以,地球为系统,以最低点为重力
10、mMmM 势能零点,则有22 21 21MVmvmgR又下滑过程,动量守恒,以,为系统则在脱离瞬间,水平方向有mMmM0 MVmv-_联立,以上两式,得MmMgRv2习题八习题八8-1 电量都是 的三个点电荷,分别放在正三角形的三个顶q点试问:(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷,就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系?解: 如题 8-1 图示(1) 以 处点电荷为研究对象,由力平衡知:为负电荷Aq20220)33(4130cos412aqq aq解得 qq33(2)与三角形边长无关题 8-1 图 题 8-2 图-_
11、8-2 两小球的质量都是,都用长为 的细绳挂在同一点,ml它们带有相同电量,静止时两线夹角为2 ,如题8-2图所示设小球的半径和线的质量都可以忽略不计,求每个小球所带的电量解: 如题 8-2 图示220)sin2(41sincoslqFTmgTe解得 tan4sin20mglq 8-3 根据点电荷场强公式,当被考察的场点距源点2 04rqE电荷很近(r0)时,则场强,这是没有物理意义的,对此应如何理解?解: 仅对点电荷成立,当时,带电体不能再02 04rrqE0r视为点电荷,再用上式求场强是错误的,实际带电体有一定形状大小,考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大8-4 在真空中有 ,
12、两平行板,相对距离为 ,板面积为 ,ABdS其带电量分别为+ 和- 则这两板之间有相互作用力 ,qqf有人说 =,又有人说,因为 =,,所以f2 024dq fqESqE0=试问这两种说法对吗?为什么? 到底应等于多少?fSq02f-_解: 题中的两种说法均不对第一种说法中把两带电板视为点电荷是不对的,第二种说法把合场强看成是一个SqE0带电板在另一带电板处的场强也是不对的正确解答应为一个板的电场为,另一板受它的作用力SqE02,这是两板间相互作用的电场力Sq Sqqf020228-5 一电偶极子的电矩为,场点到偶极子中心O点的距l qp离为 ,矢量 与 的夹角为 ,(见题8-5图),且试证P
13、rrllr 点的场强 在 方向上的分量和垂直于 的分量分别为ErrErE=, =rE3 02cos rp E3 04sin rp 证: 如题 8-5 所示,将 分解为与 平行的分量和垂直prsinp于 的分量rsinp lr 场点 在 方向场强分量Pr3 02cos rpEr垂直于 方向,即 方向场强分量r3 004sin rpE-_题 8-5 图 题 8-6 图8-6 长 =15.0cm的直导线AB上均匀地分布着线密度l=5.0x10-9Cm-1的正电荷试求:(1)在导线的延长线上与导线B端相距=5.0cm处 点的场强;(2)在导线的垂直1aP平分线上与导线中点相距=5.0cm 处 点的场强
14、2dQ解: 如题 8-6 图所示(1)在带电直线上取线元,其上电量在 点产生场强为xdqdP2 0)(d 41dxaxEP 2220)(d 4dxaxEEllPP212140lala )4(22 0lal 用,, 代入得15lcm9100 . 51mC5 .12acm方向水平向右21074. 6PE1CN(2)同理 方向如题 8-6 图所示2 22 0dd 41dxxEQ 由于对称性,即只有 分量, lQxE0dQEy-_ 2 2222 22 0dd dd 41d xxxEQy 22 4dd lQyQyEE 2223 2 22)d(dll xx2 22 0d42 ll以, ,代入得9100 .
15、 51cmC15lcm5d2cm,方向沿 轴正向21096.14QyQEE1CNy8-7 一个半径为 的均匀带电半圆环,电荷线密度为 ,求R环心处 点的场强O解: 如 8-7 图在圆上取Rddl 题 8-7 图,它在 点产生场强大小为dddRlqO方向沿半径向外2 04ddRRE则 dsin4sindd0REExdcos4)cos(dd0REEy积分RREx0002dsin40dcos400REy-_ ,方向沿 轴正向REEx 02x8-8 均匀带电的细线弯成正方形,边长为 ,总电量为 (1)求lq这正方形轴线上离中心为 处的场强 ;(2)证明:在处,rElr 它相当于点电荷 产生的场强qE解
16、: 如 8-8 图示,正方形一条边上电荷 在 点产生物强4qP方向如图,大小为PEd44coscosd 2 2 021 lrEP 22cos 2 21lrl12coscos 244d 2 22 2 0lrllrEP在垂直于平面上的分量PEdcosddPEE 4244d 2 22 22 2 0lrrlrlrlE 题 8-8 图由于对称性, 点场强沿方向,大小为POP-_2)4(44d4 2 22 2 0lrlrlrEEP lq 4 方向沿2)4(42 22 2 0lrlrqrEPOP8-9 (1)点电荷 位于一边长为a的立方体中心,试求在该q点电荷电场中穿过立方体的一个面的电通量;(2)如果该场
17、源点电荷移动到该立方体的一个顶点上,这时穿过立方体各面的电通量是多少?*(3)如题8-9(3)图所示,在点电荷的电场中取半径为R的圆平面 在该平面轴线上的 点处,qqA求:通过圆平面的电通量()xRarctan解: (1)由高斯定理0dqSE s立方体六个面,当 在立方体中心时,每个面上电通量相等q 各面电通量06qe(2)电荷在顶点时,将立方体延伸为边长的立方体,使a2处于边长的立方体中心,则边长的正方形上电通量qa2a206qe对于边长 的正方形,如果它不包含 所在的顶点,则aq,024qe如果它包含 所在顶点则q0e-_如题 8-9(a)图所示题 8-9(3)图题 8-9(a)图 题 8
18、-9(b)图 题 8-9(c)图(3)通过半径为 的圆平面的电通量等于通过半径为R的球冠面的电通量,球冠面积*22xR 1)(2 2222 xRxxRS )(422 00 xRSq 02q 221 xRx*关于球冠面积的计算:见题 8-9(c)图 0dsin2rrS 02dsin2 r)cos1 (22r8-10 均匀带电球壳内半径6cm,外半径10cm,电荷体密度为2Cm-3求距球心5cm,8cm ,12cm 各点的场强510解: 高斯定理,0dqSE s024qrE当时,,5rcm0q0E时, 8rcmq34p3(r)3 内r-_ , 方向沿半径向外2 023434rrr E内 41048
19、. 31CNcm 时,12r34q3(外r)内3r 沿半径向外. 4 2 0331010. 4434 rrr E内外1CN8-11 半径为和( )的两无限长同轴圆柱面,单位1R2R2R1R长度上分别带有电量 和- ,试求:(1) ;(2) r1R1Rr;(3) 处各点的场强2Rr2R解: 高斯定理 0dqSE s取同轴圆柱形高斯面,侧面积rlS2则 rlESE S2d对(1) 1Rr 0, 0Eq(2) 21RrRlq 沿径向向外rE02(3) 2Rr 0q 0E题 8-12 图8-12 两个无限大的平行平面都均匀带电,电荷的面密度分别为和,试求空间各处场强12解: 如题 8-12 图示,两带
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