理论力学第三版(周衍柏)习题答案.doc

第一章 质点力学第一章习题解答1.1 由题可知示意图如题1.1.1图:设开始计时的时刻速度为,由题可知枪弹作匀减速运动设减速度大小为.则有:由以上两式得再由此式得 证明完毕.1.2 解 由题可知,以灯塔为坐标原点建立直角坐标如题1.2.1图.设船经过小时向东经过灯塔,则向北行驶的船经过小时经过灯塔任意时刻船的坐标，船坐标，则船间距离的平方即对时间求导 船相距最近，即，所以即午后45分钟时两船相距最近最近距离km1.3 解 如题1.3.2图由题分析可知，点的坐标为又由于在中，有（正弦定理）所以联立以上各式运用由此可得得得化简整理可得此即为点的轨道方程.（2）要求点的速度，分别求导其中又因为对两边分别求导故有所以1.4 解 如题1.4.1图所示，绕点以匀角速度转动，在上滑动，因此点有一个垂直杆的速度分量点速度又因为所以 点加速度1.5 解 由题可知，变加速度表示为由加速度的微分形式我们可知代入得对等式两边同时积分可得 ：（为常数）代入初始条件：时，，故即又因为所以对等式两边同时积分，可得：1.6 解 由题可知质点的位矢速度①沿垂直于位矢速度又因为 ， 即即（取位矢方向，垂直位矢方向）所以 故 即 沿位矢方向加速度 垂直位矢方向加速度 对③求导 对④求导 把③④⑦⑧代入⑤⑥式中可得1.7 解 由题可知 ①②对①求导 ③对③求导 ④对②求导 ⑤对⑤求导 ⑥对于加速度，我们有如下关系见题1.7.1图即 ⑦--⑧对⑦⑧俩式分别作如下处理：⑦，⑧即得 ⑨--⑩⑨+⑩得 ⑾把④⑥代入 ⑾得同理可得1.8解 以焦点为坐标原点，运动如题1.8.1图所示]则点坐标对两式分别求导故 如图所示的椭圆的极坐标表示法为对求导可得（利用）又因为 即 所以 故有 即 （其中为椭圆的半短轴）1.9证 质点作平面运动，设速度表达式为令为位矢与轴正向的夹角，所以所以 又因为速率保持为常数，即为常数对等式两边求导所以即速度矢量与加速度矢量正交.1.10解 由题可知运动轨迹如题1.10.1图所示，则质点切向加速度法向加速度，而且有关系式 ①又因为 ② 所以 ③ ④联立①②③④ ⑤又把两边对时间求导得又因为 所以 ⑥把⑥代入⑤既可化为对等式两边积分所以1.11解 由题可知速度和加速度有关系如图1.11.1所示两式相比得即 对等式两边分别积分即 此即质点的速度随时间而变化的规律.1.12证 由题1.11可知质点运动有关系式 ①②所以 ，联立①②，有又因为所以 ，对等式两边分别积分，利用初始条件时，1.13 证（）当，即空气相对地面上静止的，有.式中质点相对静止参考系的绝对速度， 指向点运动参考系的速度， 指运动参考系相对静止参考系的速度.可知飞机相对地面参考系速度：=，即飞机在舰作匀速直线运动.所以飞机来回飞行的总时间 .（）假定空气速度向东，则当飞机向东飞行时速度飞行时间 当飞机向西飞行时速度飞行时间故来回飞行时间即 同理可证，当空气速度向西时，来回飞行时间（c）假定空气速度向北.由速度矢量关系如题1.13.1图所以来回飞行的总时间 同理可证空气速度向南时，来回飞行总时间仍为1.14解 正方形如题1.14.1图。

由题可知设风速,,当飞机，故飞机沿此边长6正方形飞行一周所需总时间 1.15 解 船停止时，干湿分界线在蓬前3，由题画出速度示意图如题.15.1图 故又因为，所以由图可知所以=81.16解 以一岸边为轴，垂直岸的方向为轴.建立如题1.16.1图所示坐标系.所以水流速度又因为河流中心处水流速度为所以当时，即 ①--②得，两边积分 ③联立②③，得 ④同理，当时，即 ⑤由④知，当时，代入⑤得有 ，所以船的轨迹船在对岸的了；靠拢地点，即时有1.17 解 以为极点，岸为极轴建立极坐标如题.17.1图.船沿垂直于的方向的速度为，船沿径向方向的速度为和沿径向的分量的合成，即 ①--②②/①得 ，对两积分：设为常数，即代入初始条件时，.设有得 1.18 解 如题1.18.1图质点沿下滑，由受力分析我们可知质点下滑的加速度为.设竖直线，斜槽，易知，由正弦定理即 ① 又因为质点沿光滑面下滑，即质点做匀速直线运动.所以 ②有①② 欲使质点到达点时间最短，由可知，只需求出的极大值即可，令把对求导 极大值时，故有由于是斜面的夹角，即所以1.19 解 质点从抛出到落回抛出点分为上升和下降阶段.取向上为正各力示意图如题1.19.1图，上升时 下降时题1.19.1图则两个过程的运动方程为：上升 ①下降： ②对上升阶段:即 对两边积分所以 ③即质点到达的高度.对下降阶段：即 ④由③=④可得1.20解 作子弹运动示意图如题1.20.1图所示.题1.20.1图水平方向不受外力，作匀速直线运动有 ①竖直方向作上抛运动，有 ②由①得 ③代入化简可得因为子弹的运动轨迹与发射时仰角有关，即是的函数，所以要求的最大值.把对求导，求出极值点.即 所以，代入的表达式中可得： 此即为子弹击中斜面的地方和发射点的距离的最大值1.21 解 阻力一直与速度方向相反，即阻力与速度方向时刻在变化，但都在轨道上没点切线所在的直线方向上，故用自然坐标比用直角坐标好.轨道的切线方向上有： ①轨道的法线方向上有： ②由于角是在减小的，故 ③由于初末状态由速度与水平方向夹角来确定，故我们要想法使①②变成关于的等式由①即 ④把代入可得 ⑤用④⑤可得 即，两边积分得 ⑥代入初始条件时，即可得代入⑥式，得 ⑦又因为所以 ⑧把⑦代入⑧积分后可得 1.22 各量方向如题1.22.1图.电子受力则电子的运动微分方程为 ②-③-④由②，即⑤代入③整理可得 ⑥对于齐次方程的通解非齐次方程的特解所以非齐次方程的通解代入初始条件：时，得 时，得,故⑦同理，把⑦代入⑤可以解出把⑦代入⑤代入初条件时，，得.所以）1.23证 （a）在1.22题中，时，则电子运动受力电子的运动微分方程 ①-②-③对②积分 ④对④再积分 又故（为一常数）此即为抛物线方程.当时则电子受力 则电子的运动微分方程为 ①-②-③同1.22题的解法，联立①-②解之，得于是 及电子轨道为半径的圆.1.24 解以竖直向下为正方向，建立如题1.24.2图所示坐标， 题1.24.1图 题1.24.2图以①开始所在位置为原点.设①-②-③处物体所处坐标分别为，则3个物体运动微分方程为： ①-②-③由②于③与、之间是，即不可伸长轻绳连接，所以有，即 ④之间用倔强系数弹性绳联结.故有 ⑤由①⑤得 ⑥由②③④得 ⑦代入①，有 ⑧代入⑥，有 ⑨此即为简谐振动的运动方程.角频率所以周期解⑨得以初始时③为原点，时，.所以 ⑩代入①得联立-③④⑧⑩得1.25解，选向下为正方向，滑轮刚停时物体所在平衡位置为坐标原点.建立如题.25.1图所示坐标系.题2.15.1图原点的重力势能设为0.设弹簧最大伸长.整个过程中，只有重力做功，机械能守恒： ①-②联立①②得 弹簧的最大张力即为弹簧伸长最长时的弹力，为最大张力，即1.26解 以绳顶端为坐标原点.建立如题1.26.1图所示坐标系.题1.26.1图设绳的弹性系数为,则有 ①当 脱离下坠前，与系统平衡.当脱离下坠前，在拉力作用下上升，之后作简运.运动微分方程为 ②联立①② 得 ③齐次方程通解非齐次方程③的特解所以③的通解代入初始条件：时，得；故有即为在任一时刻离上端的距离.1.27解对于圆柱凸面上运动的质点受力分析如图1-24.运动的轨迹的切线方向上有: ①法线方向上有： ②对于①有（为运动路程，亦即半圆柱周围弧长）即又因为 即 ③设质点刚离开圆柱面时速度，离开点与竖直方向夹角，对③式两边积分 ④刚离开圆柱面时即 ⑤联立④⑤ 得即为刚离开圆柱面时与竖直方向夹角.1.28解 建立如题1.28.1图所示直角坐标.椭圆方程 ①从滑到最低点，只有重力做功.机械能守恒.即 ②设小球在最低点受到椭圆轨道对它的支持力为则有： ③为点的曲率半径.的轨迹：得； 又因为 所以故根据作用力与反作用力的关系小球到达椭圆最低点对椭圆压力为方向垂直轨道向下.1.29 解质点作平面直线运动，运动轨迹方程为 ①-②由曲线运动质点的受力分析，我们可以得到： ③-④因为曲线上每点的曲率 ⑤所以 ⑥ ⑦把⑥⑦代入曲率公式⑤中所以 ⑧由④即，又有数学关系可知，即所以 ⑨把⑧⑨代入①1.30 证当题1.29所述运动轨迹的曲线不光滑时，质点的运动方程为： ①②③④⑤由1.29题可知 ②由数学知识知 ③把①③④代入② ⑤这是一个非齐次二阶微分方程.解为当时，得即当，时，即故有1.31证：单摆运动受力分析如图1.31.1图所示。

因为①即所以又单摆摆角很小，有=上式即化为：②此即为一个标准的有阻尼振动方程设为固有频率，又由于，即阻力很小的情况方程②的解为所以单摆振动周期结。