㈠ 求武漢大學出版社的《大學物理學》習題答案
第一章 質點力學
1.1 找出下列表達式中的錯誤, 寫出正確表達:
(1) r = x + y
解答:r = xi + yj
(2) v = v x i + v y j
解答:v = v x i + v y j
(3) v = v x i + v y j
解答:v = v x i + v y j
(4) v = v x i + v y j
解答:v = v x i + v y j
(5) v = (v 2
x + v
2
y
+ v 2
z )
1/2
解答:v = (v 2
x + v
2
y
+ v 2
z )
1/2
1.2 已知r = 2ti − 4t 2 j, 第1秒內的位移 Δr = 2i − 4j , 任意時刻的速度v(t) = 2i − 8tj , 加速度
a(t) = −8j , 軌跡方程為 y = −x 2
1.3 平拋物體的運動學方程x = 5t, y = 5t 2 , 則任意時刻的位矢r = 5ti + 5t 2 j , 速度v(t) = 5i + 10tj ,
加速度a(t) = 10j , 軌道方程為 x 2 = 5y
1.4 直線運動的點, 其速度v(t) = e −t , 初始位置為x 0 = 2, 則x(t) = 3 − e −t
解答:x(t) = x 0 +
ˆ
t
0
e −t dt = 2 + (−e −t )
?
t
0
= 2 + (−e −t +1)
1.5 從地面上拋一個物體, 其高度h = 10t−5t 2 , 任意時刻的速度v(t) = 10 − 10t , 到達最高點的時刻
是t = 1
解答:從物理⾓度來看, 在最⾼點處, 物體的速度為零v = dh/dt = 10 − 10t = 0, 得t = 1.
從數學⾓度理解,h(t)是時間的函數, 該函數取得極値的條件是 dh/dt = 0.
1.6 判定正誤:
(1) 直線運動的物體達到最小速度時, 加速度一定為零; · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(2) 直線運動的物體達到最大位置時, 速度一定為零; · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
1.7 選擇: 若質點的位矢為r, 速度為v, 速率為v, 路程為s, 則必有 【 B 】
A.|Δr| = Δs = Δr
B.|Δr| ̸= Δs ̸= Δr, 當Δt → 0 時, 有|dr| = ds ̸= dr
C.|Δr| ̸= Δs ̸= Δr, 當Δt → 0 時, 有|dr| = dr ̸= ds
D.|Δr| ̸= Δs ̸= Δr, 當Δt → 0 時, 有|dr| = dr = ds
1.8 選擇: 根據上題的符號, 則必有 【 C 】
A.|v| = v, |v| = v B.|v| ̸= v, |v| ̸= v
C.|v| = v, |v| ̸= v D.|v| ̸= v, |v| = v
1.9 選擇: 質點在某瞬時位於位矢r = (x,y)處, 其速度大小v 的計算錯誤的為 【 A 】
A. dr
dt
B.
?
dr
dt
? C. ds
dt
D.
√ (
dx
dt
) 2
+
( dy
dt
) 2
1.10 直徑為40 cm的定滑輪上纏繞著一條細鋼絲繩, 繩的另一端吊著一個重物, 若某時刻重物下落的
加速度為1 m/s 2 , 速度為0.3 m/s, 則此刻滑輪的角加速度為 5 rad/s 2 , 角速度為 1.5
·1·
課堂練習答案 第1章 質點力學
rad/s
解答:物體下落的距離等於滑輪邊緣轉動的距離, 物體下落的速度就是滑輪邊緣的線速度, 物體下落的加
速度等於滑輪邊緣的切線加速度.
1.11 半徑為 0.1 m 的軌道上有一個質點,它的角位置 θ = π + t 2 , 則任意時刻的切線加速度
a t = 0.2 , 法線加速度a n = 0.4t 2
解答:ω =
dθ
dt
= 2t,β =
dω
dt
= 2,
a t = Rβ,a n = Rω 2
1.12 半徑為 1 m 的軌道上有一個質點,它的路程 s = 2t − 0.5t 2 , 則任意時刻的切線加速度
a t = −1 , 法線加速度a n = (2 − t) 2
解答:v =
ds
dt
= 2 − t,
a t =
dv
dt
= −1,a n =
v 2
R
1.13 判定正誤:
(1) 以圓心為坐標原點的圓周運動滿足 dr/dt = 0且 dr/dt ̸= 0;· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(2) 勻速率圓周運動滿足 dv/dt = 0且 dv/dt = 0;........................................... [×]
(3) 勻速率曲線運動滿足 dv/dt = 0且 dv/dt ̸= 0; · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(4) 法線加速度的效果是改變速度的方向;· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(5) 切線加速度的效果是改變速度的大小;· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(6) 圓周運動中, 若a n 是常量, 則a t 為零; · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(7) 圓周運動中, 若a t 是常量, 則a n 也是常量;...............................................[×]
1.14 物體下落, 受到重力mg 以及空氣阻力f = kv, 則終極速度v T = mg/k , 若阻力f = kv 2 , 則
終極速度v T =
√
mg/k
1.15 判定正誤:
(1) 物體質量越大, 慣性越大;· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · [✓]
(2) 物體的速度越大, 慣性越大;............................................................. [×]
1.16 選擇: 用水平力F N 把一個物體壓著靠在粗糙的豎直牆面上保持靜止, 當F N 逐漸增大時, 物體所受
的靜摩擦力F f 的大小 【 A 】
A.不為零, 但保持不變; B.隨F N 成正比地增大;
C.達到某一最大值後, 就保持不變;
1.17 選擇: 一段路面水平的公路, 轉彎處軌道半徑為R, 汽車輪胎與路面間的摩擦因數為 μ, 要使汽車不
至於發生側向打滑, 汽車在該處的行駛速率 【 C 】
A.不得小於
√
μgR; B.必須等於
√
μgR;
C.不得大於
√
μgR; D.還需汽車的質量m決定;
1.18 選擇: 小物體沿固定的圓弧形光滑軌道由靜止下滑, 在下滑過程中 【 B 】
A.它的加速度方向永遠指向圓心, 速率不變;
B.軌道的支撐力的大小不斷增加;
C.它受到的合外力大小變化, 方向永遠指向圓心;
D.它受到的合外力大小不變, 速率不斷增加;
1.19 在東北天坐標系中,A車向東運動v A = 2i m/s,B車向北運動,v B = 3j m/s; 則B相對於A的速
度v BA = (3j − 2i) m/s
1.20 穩定的南風風速v 1 = 2 m/s, 某人向西快跑, 速率v 2 = 4 m/s. 此人感受到的風速大小為
√
2 2 + 4 2 =
√
20 m/s
其他的在附件里
㈡ 考慮考慮盡快。看看。kl.kl。kl.kl。
我沒看懂你的答案,你看看我的過程:
沖量是-kdvdt求和,dvdt求和後是L,所以沖量是-kL,
mva-kL=mv末,
v末=k(va-kl/m)
所以W=0.5m(va方-v末方)
化簡後和你的答案正好是相反數啊,你確定你的答案沒錯?
㈢ 高三磁場
(1),(2)題都很基本
(1)求滑動摩擦力,沒有摩擦因數,但有運動方程
設摩擦力為f,因為PQ棒不在磁場中,所以只受拉力和摩擦力
設PQ加速度為a=(F-f)/m
則運動方程如下:
(a*t^2)/2=x
代入a解得f=F-[(2mx)/(t^2)]
(2)電荷量,直接用公式:Q=磁通變化量/總電阻
本題中,磁通變化量=B*正對面積變化量=BLx0
代入得Q=BLx0/R
不清楚你們能不能直接用這個公式,給你大致推導一下吧:
設t為時間
感應電動勢E=磁通變化量/t
I=E/R
Q=I*t=(E/R)*t=磁通變化量/R
(3)設安培力為FA,末速度為V
在此過程中安培力是一個非線性的變力,所以需要用到積分。
設線框的瞬時速度為Vt(t是下標,千萬別理解為V*t)
則瞬時安培力FAt可表達為FAt=[(B^2*L^2)/R]*Vt
則線框所受合外力「F合」可表達為F合=f-FA(f為第一問所求摩擦力)
根據沖量定理F合*t=m*△V可得:
(f-FA)*t=m0*V
以下是積分過程:
將t時間微元為dt,速度的微小變化為dV
所以(f-FA)*dt=m0*dV
f*dt-FA*dt=m0*dV
f*dt-[(B^2*L^2)/R]*(Vt*dt)=m0*dV
將等式兩邊同時積分:
f*∑dt-[(B^2*L^2)/R]*∑(Vt*dt)=m0*∑dV
dt積分後得t,(Vt*dt)積分後得x0,dV積分後得末速度V
所以,上式即:f*t-[(B^2*L^2)/R]*x0=m0*V
代入(1)中解得的f得下式:
[F-(2mx/t^2)]*t-[(B^2*L^2)/R]*x0=m0*V
解得V=(F*t)/m0-(2mx)/(m0*t)-[(B^2*L^2)*x0]/(R*m0)
這一題嘛我原來想用能量積分,最後用動能定理,但做時發現出現了(dV^2)*dt這樣的積分,高中生就不太好處理了,有興趣可以自己嘗試一下這個思路,或許還能找出什麼方法把dV^2處理掉。
同是高考生,與君共勉吧。
㈣ 大學物理質點運動學求導問題
X(t)=(l*l-h*h)^0.5, 表示建立質點(輪船)的運動方程,速度就是對X(t)求一階導數,注意h是常數,l(大寫為L)是變數,是時間的函數,採用復合函數求導的規則進行。v=dX/dt=(dX/dl)*(dl/dt),
由於dl是減小的,v0是其大小,速度是矢量,一維運動或投影形式(解析形式)則既有大小又有符號,因此得了dl/dt=-v0。同理加速度。
㈤ 熱的傳遞方式
地球是一個龐大的熱庫,熱量從地球內部源源不斷地傳輸到地表,使得地球表面具有約63mW/m2的大地熱流值。那麼,熱量是以什麼方式傳輸到地面的,也就是地球中熱的傳遞方式如何,是一個必須討論的重要問題。
和自然界中的一般規律一樣,地球中熱的傳遞也有三種形式:傳導、輻射和對流。傳導傳熱控制著幾乎整個地殼乃至岩石圈的熱狀態。這是因為岩石圈的溫度相對不高,而溫度梯度大,輻射不可能起主要作用,且岩石圈較堅硬不具備對流的條件。但是,隨著深度增加溫度增高,而溫度梯度卻大幅減小,因此在下地幔和內核中經典傳熱效應會急劇減弱,熱輻射和熱激發等傳熱機制會顯著加強,成為熱傳遞的主要形式。在上地幔軟流圈和外核中由於物相處於近流體狀態,熱對流成為傳熱的主要形式。
(一)傳導傳熱
傳導傳熱即導熱,控制著幾乎整個地殼乃至岩石圈的熱狀態。導熱是由物質內部的溫度梯度所引起。固體物質的導熱是由相鄰分子發生的碰撞和自由電子遷移所引起的能量傳遞;氣體導熱是由連續而不規則運動的氣體分子相互碰撞所致。
1.一維熱傳導方程
將一個均勻物質組成的一維導熱細棒,置於X軸上,如圖10-1所示。假定在一個給定的時間dt內,溫度只沿X軸發生變化。設x點處溫度為T,(x+dx)點處的溫度為(T+dT)。那麼,根據傅里葉導熱定律,流過截面S的熱量Q為
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
式中K為熱導率。
圖10-1 一維導熱示意圖
單位時間內流過單位面積的熱量稱為熱流密度,以q表示,單位為W/m2,從式(10-3)可得其表達形式為
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
2.三維熱傳導方程
以上的討論,只給出了通過某個面積熱量的計算公式,即一維熱傳導公式,除了特別簡單的情況外,依據它還不能求解地下的溫度場。為了求解地下的溫度場,必須在傅里葉導熱定律和能量守恆定理的基礎上進一步推導,獲得表達傳導傳熱問題的三維微分方程式。
圖10-2 微小平行六面體示意圖
假設地下岩石的熱物性是各向同性的。在該岩體中分割出一微小的平行六面體,該微元體的體積為dv=dx·dy·dz,如圖10-2所示。在時間dt間隔內微元體dv的升溫為dT,則升溫率為 。我們知道,溫度的升高有兩個原因:一為傳入微元體的熱量超過該微元體輸出的熱量;另一為微元體內部有熱源。前者在時間dt間隔內於微元體內所存熱量在X軸方向的分量為(qx-qx+dx)dy·dz·dt,因qx+dx的數值是X坐標的函數,將它用泰勒級數展開並只取前兩項,則有
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
故
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上式表達在x點上時間dt內通過dydz面積的熱量減去(x+dx)點上dt時間內通過dydz面積的熱量等於時間dt間隔微元體dv內儲存的熱量。因為,
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如果微元體內有熱源存在,其生熱率為A,則在dt時間內所產生的熱量為Advdt。另外,在dt時間內微元體dv有溫度的變化所引起的存儲熱量的增量為 ,式中c為岩石的比熱,ρ為密度。
根據能量守恆定律,微元體從外界所獲得的熱量與內部所生熱量之和應等於微元體所
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等式兩邊同除以cρdvdt,得
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於是,我們引入
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則上式可寫成
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式(10-5)即為傅里葉熱傳導微分方程式。
如果岩體內部沒有熱源,即A=0,則上式可變成
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式中λ=K/(cρ)為介質的熱擴散率,單位為m2/s。
如果溫度不隨時間而變化,即穩定導熱狀態,則式(10-6)變成
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式(10-7)稱為泊松方程式。
如果在穩定狀態下(即溫度不隨時間變化)A=0,則式(10-5)可進一步簡化為拉普拉斯方程式:
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
從上述可以看出,在穩定條件下,地下溫度的分布與熱擴散率無關。
傅里葉導熱微分方程式是一切地球導熱問題普遍適用的方程式。對具體導熱問題的描述還必須列出限定具體情況的條件,這些具體條件有:地下介質在熱過程中開始瞬間的溫度分布,即初始條件;地下介質在幾何邊界上與周圍介質的互相換熱作用,即邊界條件。地熱問題的解都是根據特定的初始條件和邊界條件獲得的。
(二)熱對流
上述的傳熱機制屬於「波動」,即物質本身並沒有發生遷移。但是,當物質本身處在一定的溫度場中,並具有一定流動性時,它可以從高溫地點移向低溫地點,所攜帶的熱能也隨之而遷移。應當說,這是最有效最直接的傳熱方式,而且不需要很大的溫度梯度。
在地球內部,這種物質遷移是經常發生的。如火山活動、水熱活動、岩漿活動和地幔對流等。可以證明,只要遷移速率每年達到百分之幾厘米,物質遷移所傳的熱,就和上述熱傳導的量級相當。若速率更高,它將是一種起主導作用的傳熱方式。
熱對流是物質遷移的一種形式。這種形式在地球內部的物質遷移中,居於重要地位。下面我們分析一下,產生熱對流的基本條件。
1.瑞利數
如果一層液體接受來自下方的熱量,它受熱後體積膨脹,周圍不受熱的液體對它施加一個合成後向上的壓力,此壓力即為浮力F浮。F浮=ρgdv,ρ為密度,dv為由於熱膨脹而發生的體積變化。該F浮正比於下式右端諸量:
F浮~gaβ
式中:g為重力加速度;α為體膨脹系數;β為溫度梯度。它們在地球內部的不同深度上是不同的。
同時,由於液體層受到浮力作用,則在上升過程中,必然還會受到來自周圍液體施加的與運動方向相反的黏滯力F阻影響。其黏滯力方向向下,大小與下式右端諸量有關:
F阻~Kμ/ρCP
式中:ρ為密度;Cp為定壓比熱;K為熱導率;μ是運動黏度。
對於一個厚度為h的液體層,當浮力F浮與黏滯力F阻相抗衡時,液體層運動圖像發生了變化。為表示這兩種力量的抗衡情況,常引用一個量綱為一的比值R:
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
這個數就稱瑞利數(Rayleigh Number)。瑞利指出,當R達到103(臨界值)時,就會發生對流。
2.地核和地幔的瑞利數
對於地球內部能否發生對流,關鍵在於那裡的條件能否使瑞利數達到和超過臨界值。
對於地核,可以取g=5m/s2,α=5×10-5/K,h=3000km,ρ=12g/cm3,Cp=500J/(kg·K),μ=5×10-7m2/s,K=3W/(m·K),β=0.15K/km,代入式(10-9),可得
顯然,該值已遠遠超過臨界值103,地核內肯定可以發生對流。由於對流很強烈,成為地核傳熱的主要形式。這種對流的存在,也為地磁場成因的發電機學說提供依據。
在上地幔,如取運動黏度μ=1025m2/s,再考慮其他常數,R也超過臨界值,可以發生對流;但在下地幔,μ=1030m2/s,經計算R低於臨界值,下地幔不存在對流。上地幔對流為地球上部岩石圈內發生板塊構造和海底擴張提供了驅動源。
3.熱對流的一般規律
由傳熱學可知,熱對流是固體表面和與其緊鄰的運動流體之間的換熱,牛頓冷卻定律被用來確定對流換熱量,它表示為
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
式中:A為流體和固體之間的界面面積;ΔT為相應溫差;α為表面換熱系數(簡稱對流系數),它是表面幾何形狀,流體的速度和流體性質的一個復雜函數。
當流體運動是由外部原因(如風扇)引起的,稱為受迫對流;由流體本身溫度場導致流體密度梯度,從而引起流體運動的稱為自由或自然對流。不論受迫對流或自由對流,都可用牛頓冷卻定律來計算換熱量,不過兩者的表面換熱系數的表達式是不相同的。
(三)熱輻射
溫度增加一定程度後,還要考慮以輻射形式傳遞的傳熱。地下超過約100km深以後,在一定溫度范圍內,很多硅酸鹽礦物對於紅外輻射是「透明」的,即在這種情況下熱能如同光線(光子)一樣,以輻射形式傳播出去。
從傳熱學知道,當兩個不同溫度的物體在真空中離開一段距離時,即使它們之間沒有能進行導熱或對流傳熱的介質,也有一凈熱量從高溫物體傳到低溫物體。由這種方式引起的熱量傳遞稱為熱輻射,或簡稱輻射。已經發現,絕對溫度高於0(K)的任何物體的表面總是連續地發射由電磁波載運的能量。任何給定物體表面的單位面積在單位時間內所發射的輻射能,即能流密度q可表示為
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
其中:T為表面溫度;σ為熱輻射系數,其值與物質類型、表面狀況有關。
輻射熱的光譜段大部分落在紅外區,小部分落在可見光譜區。
輻射熱以光速傳遞,當它投射於物體表面時,部分被吸收(Ab為吸收率),部分被反射(Re為反射率),部分可穿過物體而遠去(Tr為透射率)。它們的大小取決於到達該物體表面輻射熱的波長,也與物體表面溫度有關。顯然,
固體地球物理學:地震學、地電學與地熱學
輻射能不能透過的物體(Tr=0)稱為不透明體,反之(Tr>0)稱為透明體。能夠吸收所有投射於其表面輻射能(Ab=1)的物體稱為黑體。
㈥ a=dv/dt 中DVDT分別對應的什麼
DV應該是速度的變化量
DT應該是時間的變化量
㈦ 物理小問題
第一題有問題,因為在爆炸那一刻,其他星球和我們的距離是0,按照V=HR,他們沒有速度,所以造成達到一定速度的時間為無窮大。
利用微積分解得的結果也是這樣。
dr=1/H*dv
v*dt=1/H*dv
dt=1/(HV)dv
t=(1/H) * ln(V) |從0積分到V
結果為無窮大
㈧ 加速度:a=dv/dt 中DVDT分別對應的什麼
DV應該是速度的變化量
DT應該是時間的變化量