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- 2021-05-24 发布
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1、如图 6 所示,宇宙飞船在距火星表面 H高度处作匀速圆周运动,火星半径为 R 。当飞船运行到 P 点
时,在极短时间内向外侧点喷气,使飞船获得一径向速度,其大小为原来速度的 α 倍。因 α 很小,所以
飞船新轨道不会与火星表面交会。飞船喷气质量可以不计。
(1)试求飞船新轨道的近火星点 A 的高度 h 近 和远火星点 B 的高度 h 远 ;
(2)设飞船原来的运动速度为 v 0 , 试计算新轨道的运行周期 T 。
2、有一个摆长为 l 的摆(摆球可视为质点,摆线的质量不计) ,在过悬
挂点的竖直线上距悬挂点 O的距离为 x 处( x<l )的 C点有一固定的钉
子,如图所示,当摆摆动时,摆线会受到钉子的阻挡.当 l 一定而 x 取
不同值时,阻挡后摆球的运动情况将不同.现将摆拉到位于竖直线的左
方(摆球的高度不超过 O点) ,然后放
手,令其自由摆动,如果摆线被钉子阻挡后,摆球恰巧能够击中钉子,试
求 x 的最小值.
3、如图所示, 一根长为 L 的细刚性轻杆的两端分别连结小球 a 和
b ,它们的质量分别为 ma 和 mb. 杆可绕距 a 球为 L/4 处的水平定
轴 O 在竖直平面内转动. 初始时杆处于竖直位置. 小球 b 几乎接
触桌面.在杆的右边水平桌面上,紧挨着细杆放着一个质量为 m
的立方体匀质物块, 图中 ABCD为过立方体中心且与细杆共面的截
面.现用一水平恒力 F 作用于 a 球上,使之绕 O 轴逆时针转动,
求当 a 转过 角时小球 b 速度的大小.设在此过程中立方体物
块没有发生转动,且小球 b 与立方体物块始终接触没有分离.不
计一切摩擦.
4、把上端 A封闭、下端 B开口的玻璃管插入水中 , 放掉部分空气后放手 , 玻璃管可以竖直地浮在水中 ( 如下
图 ). 设玻璃管的质量 m=40克, 横截面积 S=2厘米 2, 水面以上部分的长度 b=1厘米 , 大气压强 P0=105帕斯卡 .
a
O
b A
B C
D
F
玻璃管壁厚度不计 , 管内空气质量不计 .
(1) 求玻璃管内外水面的高度差 h.
(2) 用手拿住玻璃管并缓慢地把它压入水中 , 当管的 A端在水面下超过某一深度时 , 放手后玻璃
管不浮起 . 求这个深度 .
(3) 上一小问中 , 放手后玻璃管的位置是否变化如何变化 ( 计算时可认为管内空气的温度不变 )
5、一个光滑的圆锥体固定在水平的桌面上 , 其轴线沿竖直方向 , 母线与轴线之间的夹角θ =30°( 如
右图 ). 一条长度为 l 的绳 ( 质量不计 ), 一端的位置固定在圆锥体的顶点 O处 , 另一端拴着一个
质量为 m的小物体 ( 物体可看作质点 , 绳长小于圆锥体的母线 ). 物体以速率 v绕圆锥体的轴线
做水平匀速圆周运动 ( 物体和绳在上图中都没画出 ).
6、一辆车通过一根跨过定滑轮的绳 PQ提升井中质量为 m的物体 , 如图所示 . 绳的 P端拴在车后的挂钩
上 ,Q端拴在物体上 . 设绳的总长不变 , 绳的质量、定滑轮的质量和尺寸、滑轮上的摩擦都忽略不
计.
开始时 , 车在 A点 , 左右两侧绳都已绷紧并且是竖直的 , 左侧绳长为 H. 提升时 , 车加速向左
运动 , 沿水平方向从 A经过 B驶向 C. 设A到 B的距离也为 H, 车过 B点时的速度为 vB. 求在车由 A移到 B
的过程中 , 绳 Q端的拉力对物体做的功 .
7、在两端封闭、内径均匀的直玻璃管内 , 有一段水银柱将两种理想气体 a和 b隔开 . 将管竖立着 ,
达到平衡时 , 若温度为 T, 气柱 a和 b的长度分别为 l a和 l b; 若温度为 T', 长度分别为 l 抋和 l 抌. 然
后将管平放在水平桌面上 , 在平衡时 , 两段气柱长度分别为 l 攁和 l 攂. 已知 T、T挕
8、如图所示,质量为 KgM 9 的小车放在光滑的水平面上,其中 AB 部分为半径 R=的光滑
4
1 圆
弧, BC部分水平且不光滑,长为 L=2m,一小物块质量 m=6Kg,由 A 点静止释放,刚好滑到 C 点静止(取
g=10 2s
m ),求:
①物块与 BC间的动摩擦因数
②物块从 A 滑到 C过程中,小车获得的最大速度
9、如图所示,在光滑水平面上放一质量为 M、边长为 l 的正方体木块,木块上搁有一长为 L 的轻质光
滑棒,棒的一端用光滑铰链连接于地面上 O点,棒可绕 O点在竖直平面内自由转动,另一端固定一质量为
m的均质金属小球.开始时,棒与木块均静止,棒与水平面夹角为 角.当棒绕 O点向垂直于木块接触边
方向转动到棒与水平面间夹角变为 的瞬时,求木块速度的大小.
10 、 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.
11、如图所示,一木块从斜面 AC的顶端 A点自静止起滑下,经过水平面 CD后,又滑上另一个斜面 DF,到
m
R
ω
θ
r
mg
图
A θ
达顶端 F 点时速度减为零。 两斜面倾角不同,但木块与所有接触面间的摩擦系数相同, 若 AF连线与水平面
夹角为θ,试求木块与接触面间的滑动摩擦系数μ。
12. 图中的 AOB 是游乐场中的滑道模型, 它位于竖直平面内 , 由两个半径都是 R的 1/4 圆周连接而成,
它们的圆心 1O 、 2O 与两圆弧的连接点 O 在同一竖直线上. BO 2 沿水池的水面.一小滑块可由弧 AO 的
任意点从静止开始下滑.
1.若小滑块从开始下滑到脱离滑道过程中,在两个圆弧上滑过的弧长相等,则小滑块开始下滑时
应在圆弧 AO 上的何处(用该处到 1O 的连线与竖直线的夹角表示) .
2.凡能在 O 点脱离滑道的小滑块,其落水点到 2O 的距离如何
详解:
1 参考解答:
对圆轨道应用动力学,有: v0 =
HR
GM ①
则椭圆轨道上 P 点的速度: vP = 2
0
2
0 )v(v = 21
HR
GM ②
对 P→ A 过程,机械能守恒:
2
1 m 2
Pv -
HR
GmM =
2
1 m 2
Av -
Ar
GmM ③
比较 P、 A 两点,用开普勒第二定律(此处特别注意, P 点的速度取垂直矢径的分速度) :
v 0r P = v Ar A ④
解①②③④四式可得: r A =
1
HR
同理,对 P 和 B 用能量关系和开普勒第二定律,可得: r B =
1
HR
椭圆的长半轴: a =
2
rr BA =
21
HR
最后对圆轨道和椭圆轨道用开普勒第三定律可得椭圆运动的周期。
A
F
CB
θ
D E
答: h 近 =
1
RH ,h 远 =
1
RH ; T =
0v
)HR(2 2
3
2 )
1
1( 。
2. 参考解答
摆线受阻后在一段时间内摆球作圆周运动,若摆球的质量为 m ,则
摆球受重力 mg 和摆线拉力 T 的作用, 设在这段时间内任一时刻的速度为
v ,如图预解 20-5 所示。用 表示此时摆线与重力方向之间的夹角,则
有方程式
2
cos mvT mg
l x
( 1)
运动过程中机械能守恒,令 表示摆线在起始位置时与竖直方向的夹角,
取 O 点为势能零点,则有关系
21cos [ ( )cos )]
2
mgl mv mg x l x (2)
摆受阻后,如果后来摆球能击中钉子,则必定在某位置时摆线开始松弛,此时 T =0,此后摆球仅在
重力作用下作斜抛运动。设在该位置时摆球速度 0v v ,摆线与竖直线的夹角 0 ,由式( 1)得
2
0 0( )cosv g l x , ( 3)
代入( 2)式,求出
02 cos 3( )cos 2l x l x ( 4)
要求作斜抛运动的摆球击中 C 点,则应满足下列关系式:
0 0 0( )sin cosl x v t , (5)
2
0 0 0
1( )cos sin
2
l x v t gt (6)
利用式( 5)和式( 6)消去 t ,得到
2
2 0
0
0
( )sin
2cos
g l xv ( 7)
由式( 3)、( 7)得到
0
3cos
3
( 8)
代入式( 4),求出
43l
Fa
O
b
A
B C
D
(2 3) 3arccos
2
x l
l
( 9)
越大, cos 越小, x 越小, 最大值为 / 2,由此可求得 x 的最小值:
(2 3) 3x l ,
所以
(2 3 3) 0.464x t l ( 10)
3.. 参考答案:如图所示,用 bv 表示 a 转过 角时 b 球速度的大小, v 表示此时立方体速度的大小,则有
vv cosb ( 1)
由于 b 与正立方体的接触是光滑的,相互作用
力总是沿水平方向,而且两者在水平方向的位移相
同,因此相互作用的作用力和反作用力做功大小相
同,符号相反,做功的总和为 0.因此在整个过程
中推力 F 所做的功应等于球 a 、b 和正立方体机械
能的增量.现用 av 表示此时 a 球速度的大小,因
为 a 、 b 角速度相同, lOa
4
1
, lOb
4
3
,所
以得
ba vv
3
1 (2)
根据功能原理可知
222
2
1cos
4
3
4
3
2
1cos
442
1sin
4
vvv m
llgmmllgmmlF bbbaaa (3)
将( 1)、(2)式代入可得
22
2
)cos(
2
1cos
4
3
4
3
2
1cos
443
1
2
1sin
4 bbbbaba mllgmmllgmmlF vvv
解得 2cos18182
cos13sin9
mmm
gmmFl
ba
ba
bv
4. 玻璃管 A端浮在水面上方时 , 管受力平衡 . 设管中空气压强为 P1, 则管所受内外空气压力之差 (竖直
方向 ) 是
f=(P 1-P 0)S0 (a)
用ρ表示水的密度 ,
P1=P0+ρ gh, (b)
则 : f=ρ ghS. (c)
f 应与管所受重力平衡 :
ρghS=mg. (d)
(2) 管竖直没入水中后 , 设管 A端的深度为 H,管内气柱长度为 l , 则 A端所在处水内压强为 :
PA=P0+Hρ g, (f)
管内气压 , 由管内水面在水下的深度可知 : 为:
P2=P0+Hρ g+l ρ g. (g)
管所受两者压力之差 ( 竖直方向 ) 为:
f '=(P 2-P A)S=l ρgS. (h)
随着管的下降 , 管内水面也必下降 , 即管内水面在水下的深度增大〔若管内水面的深度不
变 ( 或减小 ), 则 P2不变 ( 或减小 ), 而因管 A端的下降 , 管内空气的体积却减小了 , 这与玻 - 马定律
不符〕 . 因此 ,P2增大 ,l 减小 , 故 f '减小 . 当管 A端到达某一深度 H0时 ,f ' 与管所受重力相等 , 超
过这一深度后 ,f ' 小于重力 , 放手后管不浮起 . 由此 , 当 H=H0时 ,
f '=l ρgS=mg, (i)
这时 , 由玻 - 马定律 :
P2lS=P1(b+h)S. (k)
代入数值后 ,
(3) 由上一小问解答的分析可知 , 当管 A端的深度超过 H0时 ,f ' vb时 , 物体不再与锥面接触 .
或 :T=.
只受重力和绳子拉力作用 ( 如图 2所示 ). 用 表示绳与圆锥体轴线之间的夹角 , 将力沿水平方
向和竖直方向分解 , 按牛顿定律得 :
Tcos =mg. (e)
2T2-3mgT-2m2g2=0
解此方程 , 取合理值 , 得 :
T=2mg.
6、设绳的 P端到达 B处时 , 左边绳与水平地面所成夹角为θ , 物体从井底上升的高度为 h, 速度为 v, 所
求的功为 W,则 :
因绳总长不变 , 所以 :
v=vBcosθ. (c)
将 (b) 、 (c) 两式代入 (a) 式 , 得 :
评分说明 : 全题 13分.
列出 (a) 式的 , 给3分 . 列出 (b) 式的 , 给 3分 . 列出 (c) 式的 , 给 5分 . 列出 (d) 式的 , 给 1分 .
最后结果正确的 , 再给 1分 .
7、对于 a段气体 , 有:
对于 b段气体 , 有 :
压强关系有 :p b-p a=p抇 b-p 抇 a, (e)
pa=pb. (f)
由以上各式可得 :
8.解:由 A 点滑到 C点,物块静止,由于系统水平方向动量守恒, C处车也静止。故重力势能的减少
转化为热能。
mgR=μmgL, μ=R/L=
物块由 A 到 B,小车向左加速; 由 B到 C, 物块速度减小, 车速也减小。 故 B 处车速最大, 设为 v , 有 M v=mu
由能量守恒 mgRmuMv 22
2
1
2
1
解得
8 /
3
v m s
9
解答:设杆和水平面成 角时,木块速度为 v,水球速度为 v m,杆上和木块接触点 B 的速度为 vB,因 B
点和 m在同一杆上以相同角速度绕 O点转动, 所以有:
B
m
v
v =
OB
L =
sin/l
L = sin
l
L .B 点在瞬间的
速度水平向左,此速度可看作两速度的合成,即 B 点绕 O转动速度 v ⊥ = v B 及 B 点沿杆方向向 m滑动的速度
v∥ ,所以 v B = vsin .故 vm = v B sin
l
L = 2sinvl
L .因从初位置到末位置的过程中只有小球重力对小
球、轻杆、木块组成的系统做功,所以在上述过程中机械能守恒:
mgL(sin sin )= 22
2
1
2
1 Mvmvm 综合上述得 v = l 422 sin
)sin(sin2
mLMl
mgL .
10[ 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 = mgtg θ.
珠子做圆周运动的半径为 r = R sin θ.
根据向心力公式得 F = mgtg θ = m ω2
Rsin θ,
可得
2
cos
mg R
,
解得
2arccos g
R .
11.解: 如图所示, A→ F 过程
重力所做的功为: AGG mghW
摩擦阻力所做功为:
])cos()cos([ DFCDACf smgmgssmgW
][ DECDBC mgsmgsmgs
GFBE mgsmgs
根据动能定理有:
0fG WW
即: 0GFAG mgsmgh
解之得: tan
GF
AG
s
h
A
F
CB
θ
D E
α β
θG