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习题与解答全习题一1-1与有无不同?和有无不同?和有无不同?其不同在哪里?试举例说明解：1是位移的模，是位矢的模的增量，即，；2是速度的模，即.只是速度在径向上的分量.有式中叫做单位矢，那么式中就是速度径向上的分量，不同如题1-1图所示. 题1-1图 (3)表示加速度的模，即，是加速度在切向上的分量.有表轨道节线方向单位矢，所以式中就是加速度的切向分量.(的运算较复杂，超出教材规定，故不予讨论)1-2 设质点的运动方程为=()，=()，在计算质点的速度和加速度时，有人先求出r，然后根据=，与而求得结果；又有人先计算速度和加速度的分量，再合成求得结果，即=与=你认为两种方法哪一种正确？为什么？两者差异何在？解：后一种方确.因为速度与加速度都是矢量，在平面直角坐标系中，有，故它们的模即为而前一种方法的错误可能有两点，其一是概念上的错误，即误把速度、加速度定义作其二，可能是将误作速度与加速度的模。在1-1题中已说明不是速度的模，而只是速度在径向上的分量，同样，也不是加速度的模，它只是加速度在径向分量中的一局部。或者概括性地说，前一种方法只考虑了位矢在径向即量值方面随时间的变化率，而没有考虑位矢与速度的方向随间的变化率对速度、加速度的贡献。1-3 一质点在平面上运动，运动方程为=3+5, =2+3-4.式中以 s计，,以m计(1)以时间为变量，写出质点位置矢量的表示式；(2)求出=1 s时刻和2s时刻的位置矢量，计算这1秒质点的位移；(3)计算0 s时刻到4s时刻的平均速度；(4)求出质点速度矢量表示式，计算4 s时质点的速度；(5)计算0s到4s质点的平均加速度；(6)求出质点加速度矢量的表示式，计算4s时质点的加速度(请把位置矢量、位移、平均速度、瞬时速度、平均加速度、瞬时加速度都表示成直角坐标系中的矢量式)解：1 (2)将,代入上式即有(3)(4) 那么 (5)(6) 这说明该点只有方向的加速度，且为恒量。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 图1-4解： 设人到船之间绳的长度为，此时绳与水面成角，由图可知将上式对时间求导，得 题1-4图根据速度的定义，并注意到,是随减少的，即 或 将再对求导，即得船的加速度1-5 质点沿轴运动，其加速度和位置的关系为2+6，的单位为，的单位为 m. 质点在0处，速度为10,试求质点在任何坐标处的速度值解： 别离变量： 两边积分得 由题知，时，,1-6 一质点作直线运动，其加速度为 4+3，开始运动时，5 m，=0，求该质点在10s时的速度和位置 解：别离变量，得 积分，得由题知，,故 又因为 别离变量， 积分得 由题知 ,故 所以时1-7 一质点沿半径为1 m的圆周运动，运动方程为=2+3，式中以弧度计，以秒计，求：(1) 2 s时，质点的切向和法向加速度；(2)当加速度的方向和半径成45角时，其角位移是多少? 解： (1)时， (2)当加速度方向与半径成角时，有即 亦即 那么解得 于是角位移为1-8 质点沿半径为的圆周按的规律运动，式中为质点离圆周上某点的弧长,，都是常量，求：(1)时刻质点的加速度；(2) 为何值时，加速度在数值上等于解：1 那么 加速度与半径的夹角为(2)由题意应有即 当时，1-9 半径为的轮子，以匀速沿水平线向前滚动：(1)证明轮缘上任意点的运动方程为，式中/是轮子滚动的角速度，当与水平线接触的瞬间开始计时此时所在的位置为原点，轮子前进方向为轴正方向；(2)求点速度和加速度的分量表示式解：依题意作出以下图，由图可知题1-9图(1) (2)1-10 以初速度20抛出一小球，抛出方向与水平面成幔60的夹角，求：(1)球轨道最高点的曲率半径；(2)落地处的曲率半径(提示：利用曲率半径与法向加速度之间的关系)解：设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，又(2)在落地点，,而 1-11 飞轮半径为0.4 m，自静止启动，其角加速度为=0.2 rad，求2s时边缘上各点的速度、法向加速度、切向加速度和合加速度解：当时，那么1-12 如题1-12图，物体以相对的速度沿斜面滑动，为纵坐标，开始时在斜面顶端高为处，物体以匀速向右运动，求物滑到地面时的速度解：当滑至斜面底时，那么,物运动过程中又受到的牵连运动影响，因此，对地的速度为题1-12图1-13 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-1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，那么有，依题意作速度矢量图如题1-13图(a)题1-13图由图可知 方向北偏西 (2)小船看大船，那么有，依题意作出速度矢量图如题1-13图(b)，同上法，得方向南偏东1-14 当一轮船在雨中航行时，它的雨篷遮着篷的垂直投影后2 m的甲板上，篷高4 m 但当轮船停航时，甲板上干湿两局部的分界限却在篷前3 m ，如雨滴的速度大小为8 ms-1，求轮船的速率解： 依题意作出矢量图如题1-14所示题1-14图由图中比例关系可知习题二2-1 一细绳跨过一定滑轮，绳的一边悬有一质量为的物体，另一边穿在质量为的圆柱体的竖直细孔中，圆柱可沿绳子滑动今看到绳子从圆柱细孔中加速上升，柱体相对于绳子以匀加速度下滑，求，相对于地面的加速度、绳的力与柱体与绳子间的摩擦力(绳轻且不可伸长，滑轮的质量与轮与轴间的摩擦不计)解：因绳不可伸长，故滑轮两边绳子的加速度均为，其对于那么为牵连加速度，又知对绳子的相对加速度为，故对地加速度，由图(b)可知，为又因绳的质量不计，所以圆柱体受到的摩擦力在数值上等于绳的力，由牛顿定律，有联立、式，得讨论 (1)假设，那么表示柱体与绳之间无相对滑动(2)假设，那么，表示柱体与绳之间无任何作用力，此时, 均作自由落体运动题2-1图2-2 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，的方向与斜面底边的水平线平行，如下图，求这质点的运动轨道解: 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，平行斜面与轴垂直方向为轴.如图2-2.题2-2图方向： 方向： 时 由、式消去，得2-3 质量为16 kg 的质点在平面运动，受一恒力作用，力的分量为6 N，-7 N，当0时，0，-2 ms-1，0求当2 s时质点的 (1)位矢；(2)速度解： (1)于是质点在时的速度(2)2-4 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时质点的速度为，证明(1) 时刻的速度为；(2) 由0到的时间经过的距离为()1-；(3)停止运动前经过的距离为；(4)证明当时速度减至的，式中m为质点的质量答: (1)别离变量，得即 (2) (3)质点停止运动时速度为零，即t，故有 (4)当t=时，其速度为即速度减至的.2-5 升降机有两物体，质量分别为，且2用细绳连接，跨过滑轮,绳子不可伸长，滑轮质量与一切摩擦都忽略不计，当升降机以匀加速g上升时，求：(1) 和相对升降机的加速度(2)在地面上观察，的加速度各为多少?解: 分别以,为研究对象，其受力图如图(b)所示(1)设相对滑轮(即升降机)的加速度为，那么对地加速度；因绳不可伸长，故对滑轮的加速度亦为，又在水平方向上没有受牵连运动的影响，所以在水平方向对地加速度亦为，由牛顿定律，有题2-5图联立，解得方向向下(2) 对地加速度为 方向向上在水面方向有相对加速度，竖直方向有牵连加速度，即，左偏上2-6一质量为的质点以与地的仰角=30的初速从地面抛出，假设忽略空气阻力，求质点落地时相对抛射时的动量的增量解: 依题意作出示意图如题2-6图题2-6图在忽略空气阻力情况下，抛体落地瞬时的末速度大小与初速度大小一样，与轨道相切斜向下,而抛物线具有对轴对称性，故末速度与轴夹角亦为，那么动量的增量为由矢量图知，动量增量大小为，方向竖直向下2-7 一质量为的小球从某一高度处水平抛出，落在水平桌面上发生弹性碰撞并在抛出1 s，跳回到原高度，速度仍是水平方向，速度大小也与抛出时相等求小球与桌面碰撞过程中，桌面给予小球的冲量的大小和方向并回答在碰撞过程中，小球的动量是否守恒?解: 由题知，小球落地时间为因小球为平抛运动，故小球落地的瞬时向下的速度大小为，小球上跳速度的大小亦为设向上为轴正向，那么动量的增量方向竖直向上，大小 碰撞过程中动量不守恒这是因为在碰撞过程中，小球受到地面给予的冲力作用另外，碰撞前初动量方向斜向下，碰后末动量方向斜向上，这也说明动量不守恒2-8 作用在质量为10 kg的物体上的力为N，式中的单位是s，(1)求4s后，这物体的动量和速度的变化，以与力给予物体的冲量(2)为了使这力的冲量为200 Ns，该力应在这物体上作用多久，试就一原来静止的物体和一个具有初速度ms-1的物体,回答这两个问题解: (1)假设物体原来静止，那么,沿轴正向，假设物体原来具有初速，那么于是,同理， ,这说明，只要力函数不变，作用时间一样，那么不管物体有无初动量，也不管初动量有多大，那么物体获得的动量的增量(亦即冲量)就一定一样，这就是动量定理(2)同上理，两种情况中的作用时间一样，即亦即 解得，(舍去)2-9 一质量为的质点在平面上运动，其位置矢量为求质点的动量与0 到时间质点所受的合力的冲量和质点动量的改变量解: 质点的动量为将和分别代入上式，得,那么动量的增量亦即质点所受外力的冲量为2-10 一颗子弹由枪口射出时速率为，当子弹在枪筒被加速时，它所受的合力为 F=()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，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(2)子弹所受的冲量将代入，得(3)由动量定理可求得子弹的质量2-11 一炮弹质量为，以速率飞行，其部炸药使此炮弹分裂为两块，爆炸后由于炸药使弹片增加的动能为，且一块的质量为另一块质量的倍，如两者仍沿原方向飞行，试证其速率分别为+, -证明: 设一块为，那么另一块为，与于是得 又设的速度为, 的速度为，那么有联立、解得将代入，并整理得于是有 将其代入式，有又，题述爆炸后，两弹片仍沿原方向飞行，故只能取证毕2-12 设(1) 当一质点从原点运动到时，求所作的功(2)如果质点到处时需0.6s，试求平均功率(3)如果质点的质量为1kg，试求动能的变化解: (1)由题知，为恒力，(2) (3)由动能定理，2-13 以铁锤将一铁钉击入木板，设木板对铁钉的阻力与铁钉进入木板的深度成正比，在铁锤击第一次时，能将小钉击入木板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一样解: 以木板上界面为坐标原点，向为坐标正向，如题2-13图，那么铁钉所受阻力为题2-13图第一锤外力的功为式中是铁锤作用于钉上的力，是木板作用于钉上的力，在时，设第二锤外力的功为，那么同理，有由题意，有即 所以， 于是钉子第二次能进入的深度为2-14 设一质点(质量为)在其保守力场中位矢为点的势能为, 试求质点所受保守力的大小和方向解: 方向与位矢的方向相反，即指向力心2-15 一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势能之比解: 弹簧与重物受力如题2-15图所示平衡时，有题2-15图又 所以静止时两弹簧伸长量之比为弹性势能之比为2-16 (1)试计算月球和地球对物体的引力相抵消的一点，距月球外表的距离是多少?地球质量5.981024kg，地球中心到月球中心的距离3.84108m，月球质量7.351022kg，月球半径1.74106m(2)如果一个1kg的物体在距月球和地球均为无限远处的势能为零，那么它在点的势能为多少? 解: (1)设在距月球中心为处，由万有引力定律，有经整理，得=那么点处至月球外表的距离为 (2)质量为的物体在点的引力势能为2-17 由水平桌面、光滑铅直杆、不可伸长的轻绳、轻弹簧、理想滑轮以与质量为和的滑块组成如题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，与桌面间的摩擦系数为，最初静止于点，绳已拉直，现令滑块落下,求它下落到处时的速率解: 取点为重力势能零点，弹簧原长为弹性势能零点，那么由功能原理，有式中为弹簧在点时比原长的伸长量，那么联立上述两式，得题2-17图2-18 如题2-18图所示，一物体质量为2kg，以初速度3ms-1从斜面点处下滑，它与斜面的摩擦力为8N，到达点后压缩弹簧20cm后停止，然后又被弹回，求弹簧的劲度系数和物体最后能回到的高度解: 取木块压缩弹簧至最短处的位置为重力势能零点，弹簧原长处为弹性势能零点。那么由功能原理，有式中，再代入有关数据，解得题2-18图再次运用功能原理，求木块弹回的高度代入有关数据，得 ,那么木块弹回高度 题2-19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，以最低点为重力势能零点，那么有又下滑过程，动量守恒，以,为系统那么在脱离瞬间，水平方向有联立，以上两式，得2-20 一个小球与一质量相等的静止小球发生非对心弹性碰撞，试证碰后两小球的运动方向互相垂直证: 两小球碰撞过程中，机械能守恒，有即 题2-20图(a) 题2-20图(b)又碰撞过程中，动量守恒，即有亦即 由可作出矢量三角形如图(b)，又由式可知三矢量之间满足勾股定理，且以为斜边，故知与是互相垂直的2-21 一质量为的质点位于()处，速度为, 质点受到一个沿负方向的力的作用，求相对于坐标原点的角动量以与作用于质点上的力的力矩解: 由题知，质点的位矢为作用在质点上的力为所以，质点对原点的角动量为作用在质点上的力的力矩为2-22 哈雷彗星绕太阳运动的轨道是一个椭圆它离太阳最近距离为8.751010m 时的速率是5.46104ms-1，它离太阳最远时的速率是9.08102ms-1这时它离太阳的距离多少?(太阳位于椭圆的一个焦点。)解: 哈雷彗星绕太阳运动时受到太阳的引力即有心力的作用，所以角动量守恒；又由于哈雷彗星在近日点与远日点时的速度都与轨道半径垂直，故有2-23 物体质量为3kg，=0时位于, ，如一恒力作用在物体上,求3秒后，(1)物体动量的变化；(2)相对轴角动量的变化 解: (1) (2)解(一) 即 ,即 ,解(二) 题2-24图2-24 平板中央开一小孔，质量为的小球用细线系住，细线穿过小孔后挂一质量为的重物小球作匀速圆周运动，当半径为时重物达到平衡今在的下方再挂一质量为的物体，如题2-24图试问这时小球作匀速圆周运动的角速度和半径为多少?解: 在只挂重物时，小球作圆周运动的向心力为，即挂上后，那么有重力对圆心的力矩为零，故小球对圆心的角动量守恒即 联立、得2-25 飞轮的质量60kg，半径0.25m，绕其水平中心轴转动，转速为900revmin-1现利用一制动的闸杆，在闸杆的一端加一竖直方向的制动力，可使飞轮减速闸杆的尺寸如题2-25图所示，闸瓦与飞轮之间的摩擦系数=0.4，飞轮的转动惯量可按匀质圆盘计算试求：(1)设100 N，问可使飞轮在多长时间停止转动?在这段时间里飞轮转了几转?(2)如果在2s飞轮转速减少一半，需加多大的力?解: (1)先作闸杆和飞轮的受力分析图(如图(b)图中、是正压力，、是摩擦力，和是杆在点转轴处所受支承力，是轮的重力，是轮在轴处所受支承力题2-25图a题2-25图(b)杆处于静止状态，所以对点的合力矩应为零，设闸瓦厚度不计，那么有对飞轮，按转动定律有，式中负号表示与角速度方向相反又以等代入上式，得由此可算出自施加制动闸开始到飞轮停止转动的时间为这段时间飞轮的角位移为可知在这段时间里，飞轮转了转(2)，要求飞轮转速在减少一半，可知用上面式(1)所示的关系，可求出所需的制动力为2-26 固定在一起的两个同轴均匀圆柱体可绕其光滑的水平对称轴转动设大小圆柱体的半径分别为和，质量分别为和绕在两柱体上的细绳分别与物体和相连，和那么挂在圆柱体的两侧，如题2-26图所示设0.20m, 0.10m，4 kg，10 kg，2 kg，且开始时，离地均为2m求：(1)柱体转动时的角加速度；(2)两侧细绳的力解: 设,和分别为,和柱体的加速度与角加速度，方向如图(如图b)题2-26(a)图 题2-26(b)图(1) ,和柱体的运动方程如下：式中 而 由上式求得 (2)由式由式2-27 计算题2-27图所示系统中物体的加速度设滑轮为质量均匀分布的圆柱体，其质量为，半径为，在绳与轮缘的摩擦力作用下旋转，忽略桌面与物体间的摩擦，设50kg，200 kg,M15 kg, 0.1 m解: 分别以,滑轮为研究对象，受力图如图(b)所示对,运用牛顿定律，有对滑轮运用转动定律，有又， 联立以上4个方程，得题2-27(a)图 题2-27(b)图题2-28图2-28 如题2-28图所示，一匀质细杆质量为，长为，可绕过一端的水平轴自由转动，杆于水平位置由静止开始摆下求：(1)初始时刻的角加速度；(2)杆转过角时的角速度.解: (1)由转动定律，有(2)由机械能守恒定律，有题2-29图2-29 如题2-29图所示，质量为，长为的均匀直棒，可绕垂直于棒一端的水平轴无摩擦地转动，它原来静止在平衡位置上现有一质量为的弹性小球飞来，正好在棒的下端与棒垂直地相撞相撞后，使棒从平衡位置处摆动到最大角度30处(1)设这碰撞为弹性碰撞，试计算小球初速的值；(2)相撞时小球受到多大的冲量?解: (1)设小球的初速度为，棒经小球碰撞后得到的初角速度为，而小球的速度变为，按题意，小球和棒作弹性碰撞，所以碰撞时遵从角动量守恒定律和机械能守恒定律，可列式：上两式中，碰撞过程极为短暂，可认为棒没有显著的角位移；碰撞后，棒从竖直位置上摆到最大角度，按机械能守恒定律可列式：由式得由式由式所以求得(2)相碰时小球受到的冲量为由式求得负号说明所受冲量的方向与初速度方向相反题2-30图2-30 一个质量为M、半径为并以角速度转动着的飞轮(可看作匀质圆盘)，在某一瞬时突然有一片质量为的碎片从轮的边缘上飞出，见题2-30图假定碎片脱离飞轮时的瞬时速度方向正好竖直向上(1)问它能升高多少?(2)求余下局部的角速度、角动量和转动动能解: (1)碎片离盘瞬时的线速度即是它上升的初速度设碎片上升高度时的速度为，那么有令，可求出上升最大高度为(2)圆盘的转动惯量，碎片抛出后圆盘的转动惯量，碎片脱离前，盘的角动量为，碎片刚脱离后，碎片与破盘之间的力变为零，但力不影响系统的总角动量，碎片与破盘的总角动量应守恒，即式中为破盘的角速度于是得(角速度不变)圆盘余下局部的角动量为转动动能为题2-31图2-31 一质量为、半径为R的自行车轮，假定质量均匀分布在轮缘上，可绕轴自由转动另一质量为的子弹以速度射入轮缘(如题2-31图所示方向)(1)开始时轮是静止的，在质点打入后的角速度为何值?(2)用,和表示系统(包括轮和质点)最后动能和初始动能之比 解: (1)射入的过程对轴的角动量守恒(2) 2-32 弹簧、定滑轮和物体的连接如题2-32图所示，弹簧的劲度系数为2.0 Nm-1；定滑轮的转动惯量是0.5kgm2，半径为0.30m ，问当6.0 kg质量的物体落下0.40m时，它的速率为多大? 假设开始时物体静止而弹簧无伸长解: 以重物、滑轮、弹簧、地球为一系统，重物下落的过程中，机械能守恒，以最低点为重力势能零点，弹簧原长为弹性势能零点，那么有又 故有 题2-32图 题2-33图2-33 空心圆环可绕竖直轴自由转动，如题2-33图所示，其转动惯量为，环半径为，初始角速度为质量为的小球，原来静置于点，由于微小的干扰，小球向下滑动设圆环壁是光滑的，问小球滑到点与点时，小球相对于环的速率各为多少?解: (1)小球与圆环系统对竖直轴的角动量守恒，当小球滑至点时，有该系统在转动过程中，机械能守恒，设小球相对于圆环的速率为，以点为重力势能零点，那么有联立、两式，得(2)当小球滑至点时，故由机械能守恒，有请读者求出上述两种情况下，小球对地速度习题三3-1 惯性系S相对惯性系以速度运动当它们的坐标原点与重合时，=0，发出一光波，此后两惯性系的观测者观测该光波的波阵面形状如何?用直角坐标系写出各自观测的波阵面的方程解: 由于时间和空间都是均匀的，根据光速不变原理，光讯号为球面波波阵面方程为：题3-1图3-2 设图3-4中车厢上观测者测得前后门距离为2试用洛仑兹变换计算地面上的观测者测到同一光信号到达前、后门的时间差解: 设光讯号到达前门为事件，在车厢系时空坐标为，在车站系：光信号到达后门为事件，那么在车厢系坐标为，在车站系：于是 或者 3-3 惯性系S相对另一惯性系沿轴作匀速直线运动，取两坐标原点重合时刻作为计时起点在S系中测得两事件的时空坐标分别为=6104m,=210-4s，以与=12104m,=110-4s在S系中测得该两事件同时发生试问：(1)S系相对S系的速度是多少? (2)系中测得的两事件的空间间隔是多少?解: 设相对的速度为，(1) 由题意 那么故 (2)由洛仑兹变换 代入数值， 3-4 长度=1 m的米尺静止于S系中，与轴的夹角=30，S系相对S系沿轴运动，在S系中观测者测得米尺与轴夹角为45 试求：(1)S系和S系的相对运动速度.(2)S系中测得的米尺长度 解: (1)米尺相对静止，它在轴上的投影分别为：，米尺相对沿方向运动，设速度为，对系中的观察者测得米尺在方向收缩，而方向的长度不变，即故 把与代入那么得 故 (2)在系中测得米尺长度为3-5 一门宽为，今有一固有长度()的水平细杆，在门外贴近门的平面沿其长度方向匀速运动假设站在门外的观察者认为此杆的两端可同时被拉进此门，那么该杆相对于门的运动速率至少为多少?解: 门外观测者测得杆长为运动长度，当时，可认为能被拉进门，那么 解得杆的运动速率至少为：题3-6图3-6两个惯性系中的观察者和以0.6c(c表示真空中光速)的相对速度相互接近，如果测得两者的初始距离是20m，那么测得两者经过多少时间相遇?解: 测得相遇时间为测得的是固有时， ， ，或者，测得长度收缩，3-7 观测者甲乙分别静止于两个惯性参考系和中，甲测得在同一地点发生的两事件的时间间隔为 4s，而乙测得这两个事件的时间间隔为 5s求：(1) 相对于的运动速度(2)乙测得这两个事件发生的地点间的距离解: 甲测得,乙测得，坐标差为(1)解出 (2) 负号表示3-8 一宇航员要到离地球为5光年的星球去旅行如果宇航员希望把这路程缩短为3光年，那么他所乘的火箭相对于地球的速度是多少?解: 3-9 论证以下结论：在某个惯性系中有两个事件同时发生在不同地点，在有相对运动的其他惯性系中，这两个事件一定不同时证: 设在系事件在处同时发生，那么，在系中测得，即不同时发生3-10 试证明：(1)如果两个事件在某惯性系中是同一地点发生的，那么对一切惯性系来说这两个事件的时间间隔，只有在此惯性系中最短(2)如果两个事件在某惯性系中是同时发生的，那么对一切惯性关系来说这两个事件的空间间隔，只有在此惯性系中最短解: (1)如果在系中，两事件在同一地点发生，那么，在系中，仅当时，等式成立，最短(2)假设在系中同时发生，即，那么在系中，仅当时等式成立，系中最短3-11 根据天文观测和推算，宇宙正在膨胀，太空中的天体都远离我们而去假定地球上观察到一颗脉冲星(发出周期无线电波的星)的脉冲周期为 0.50s，且这颗星正沿观察方向以速度0.8c离我们而去问这颗星的固有周期为多少?解: 以脉冲星为系，固有周期.地球为系，那么有运动时，这里不是地球上某点观测到的周期，而是以地球为参考系的两异地钟读数之差还要考虑因飞行远离信号的传递时间，那么 3-12 6000m 的高空大气层中产生了一个介子以速度=0.998c飞向地球假定该介子在其自身静止系中的寿命等于其平均寿命210-6s试分别从下面两个角度，即地球上的观测者和介子静止系中观测者来判断介子能否到达地球解: 介子在其自身静止系中的寿命是固有(本征)时间，对地球观测者，由于时间膨胀效应，其寿命延长了衰变前经历的时间为这段时间飞行距离为因，故该介子能到达地球或在介子静止系中，介子是静止的地球那么以速度接近介子，在时间，地球接近的距离为经洛仑兹收缩后的值为：，故介子能到达地球3-13 设物体相对S系沿轴正向以0.8c运动，如果S系相对S系沿x轴正向的速度也是0.8c，问物体相对S系的速度是多少?解: 根据速度合成定理，,3-14 飞船以0.8c的速度相对地球向正东飞行，飞船以0.6c的速度相对地球向正西方向飞行当两飞船即将相遇时飞船在自己的天窗处相隔2s发射两颗信号弹在飞船的观测者测得两颗信号弹相隔的时间间隔为多少?解: 取为系，地球为系，自西向东为()轴正向，那么对系的速度，系对系的速度为，那么对系(船)的速度为发射弹是从的同一点发出，其时间间隔为固有时，题3-14图中测得的时间间隔为：3-15 (1)火箭和分别以0.8c和0.6c的速度相对地球向+和-方向飞行试求由火箭测得的速度(2)假设火箭相对地球以0.8c的速度向+方向运动，火箭的速度不变，求相对的速度 解: (1)如图，取地球为系，为系，那么相对的速度，火箭相对的速度，那么相对()的速度为：或者取为系，那么，相对系的速度，于是相对的速度为：(2)如图，取地球为系，火箭为系，系相对系沿方向运动，速度，对系的速度为,由洛仑兹变换式相对的速度为：相对的速度大小为速度与轴的夹角为题3-15图3-16 静止在S系中的观测者测得一光子沿与轴成角的方向飞行另一观测者静止于S系，S系的轴与轴一致，并以0.6c的速度沿方向运动试问S系中的观测者观测到的光子运动方向如何?解: 系中光子运动速度的分量为由速度变换公式，光子在系中的速度分量为光子运动方向与轴的夹角满足在第二象限为在系中，光子的运动速度为 正是光速不变3-17 (1)如果将电子由静止加速到速率为0.1c，须对它作多少功?(2)如果将电子由速率为0.8c加速到0.9c，又须对它作多少功?解: (1)对电子作的功，等于电子动能的增量，得J=(2) )3-18 子静止质量是电子静止质量的207倍，静止时的平均寿命=210-6s，假设它在实验室参考系中的平均寿命= 710-6s，试问其质量是电子静止质量的多少倍?解: 设子静止质量为，相对实验室参考系的速度为，相应质量为，电子静止质量为，因由质速关系，在实验室参考系中质量为：故 3-19 一物体的速度使其质量增加了10%，试问此物体在运动方向上缩短了百分之几?解: 设静止质量为，运动质量为，由题设 由此二式得 在运动方向上的长度和静长分别为和，那么相对收缩量为：3-20 一电子在电场中从静止开始加速，试问它应通过多大的电势差才能使其质量增加0.4%?此时电子速度是多少?电子的静止质量为9.110-31kg解: 由质能关系 所需电势差为伏特由质速公式有：故电子速度为 3-21 一正负电子对撞机可以把电子加速到动能2.8109eV这种电子速率比光速差多少? 这样的一个电子动量是多大?(与电子静止质量相应的能量为0.511106eV)解: 所以 由上式，由动量能量关系可得3-22 氢原子的同位素氘(H)和氚(H)在高温条件下发生聚变反响，产生氦(He)原子核和一个中子(n)，并释放出大量能量，其反响方程为H + HHe + n氘核的静止质量为2.0135原子质量单位(1原子质量单位1.60010-27kg)，氚核和氦核与中子的质量分别为3.0155，4.0015，1.00865原子质量单位求上述聚变反响释放出来的能量解: 反响前总质量为反响后总质量为质量亏损 由质能关系得3-23 一静止质量为的粒子，裂变成两个粒子，速度分别为0.6c和0.8c求裂变过程的静质量亏损和释放出的动能解: 孤立系统在裂变过程中释放出动能，引起静能减少，相应的静止质量减少，即静质量亏损设裂变产生两个粒子的静质量分别为和，其相应的速度,由于孤立系统中所发生的任何过程都同时遵守动量守恒定律和能(质)量守恒定律，所以有注意和必沿相反方向运动，动量守恒的矢量方程可以简化为一维标量方程，再以c,c代入，将上二方程化为：，上二式联立求解可得：, 故静质量亏损由静质量亏损引起静能减少，即转化为动能，故放出的动能为3-24 有，两个静止质量都是的粒子，分别以=,=-的速度相向运动，在发生完全非弹性碰撞后合并为一个粒子求碰撞后粒子的速度和静止质量解: 在实验室参考系中，设碰撞前两粒子的质量分别和，碰撞后粒子的质量为、速度为，于是，根据动量守恒和质量守恒定律可得：由于 代入式得 ，即为碰撞后静止质量3-25 试估计地球、太阳的史瓦西半径解: 史瓦西半径 地球： 那么： 太阳： 那么：3-26 典型中子星的质量与太阳质量21030kg同数量级，半径约为10km假设进一步坍缩为黑洞，其史瓦西半径为多少?一个质子那么大小的微黑洞(10-15cm)，质量是什么数量级? 解: (1)史瓦西半径与太阳的一样，(2) 由 得 3-27 简述广义相对论的根本原理和实验验证解: 广义相对论的根本原理是等效原理和广义相对性原理等效原理又分为弱等效原理和强等效原理弱等效原理是：在局部时空中，不可能通过力学实验区分引力和惯性力，引力和惯性力等效强等效原理是：在局部时空中，任何物理实验都不能区分引力和惯性力，引力和惯性力等效广义相对性原理是：所有参考系都是平权的，物理定律的表述一样习题八8-1 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：为负电荷解得 (2)与三角形边长无关题8-1图 题8-2图8-2 两小球的质量都是，都用长为的细绳挂在同一点，它们带有一样电量，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图示解得 8-3 根据点电荷场强公式，当被考察的场点距源点电荷很近(r0)时，那么场强，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，两平行板，相对距离为，板面积为，其带电量分别为+和-那么这两板之间有相互作用力，有人说=,又有人说，因为=,，所以=试问这两种说法对吗?为什么? 到底应等于多少?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，这是两板间相互作用的电场力8-5 一电偶极子的电矩为，场点到偶极子中心O点的距离为,矢量与的夹角为,(见题8-5图)，且试证P点的场强在方向上的分量和垂直于的分量分别为=, =证: 如题8-5所示，将分解为与平行的分量和垂直于的分量 场点在方向场强分量垂直于方向，即方向场强分量题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=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)在导线的垂直平分线上与导线中点相距=5.0cm处点的场强解： 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用，, 代入得方向水平向右(2)同理 方向如题8-6图所示由于对称性，即只有分量，以, ,代入得，方向沿轴正向8-7 一个半径为的均匀带电半圆环，电荷线密度为,求环心处点的场强解: 如8-7图在圆上取题8-7图，它在点产生场强大小为方向沿半径向外那么 积分，方向沿轴正向8-8 均匀带电的细线弯成正方形，边长为，总电量为(1)求这正方形轴线上离中心为处的场强；(2)证明：在处，它相当于点电荷产生的场强解: 如8-8图示，正方形一条边上电荷在点产生物强方向如图，大小为在垂直于平面上的分量题8-8图由于对称性，点场强沿方向，大小为 方向沿8-9 (1)点电荷位于一边长为a的立方体中心，试求在该点电荷电场中穿过立方体的一个面的电通量；(2)如果该场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，求：通过圆平面的电通量() 解: (1)由高斯定理立方体六个面，当在立方体中心时，每个面上电通量相等 各面电通量(2)电荷在顶点时，将立方体延伸为边长的立方体，使处于边长的立方体中心，那么边长的正方形上电通量对于边长的正方形，如果它不包含所在的顶点，那么，如果它包含所在顶点那么如题8-9(a)图所示题8-9(3)图题8-9(a)图 题8-9(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的球冠面的电通量，球冠面积*关于球冠面积的计算：见题8-9(c)图8-10 均匀带电球壳半径6cm，外半径10cm，电荷体密度为2Cm-3求距球心5cm，8cm ,12cm 各点的场强解: 高斯定理,当时，,时， 方向沿半径向外cm时,沿半径向外.8-11 半径为和()的两无限长同轴圆柱面，单位长度上分别带有电量和-,试求:(1)；(2) ；(3) 处各点的场强解: 高斯定理取同轴圆柱形高斯面，侧面积那么 对(1) (2) 沿径向向外(3) 题8-12图8-12 两个无限大的平行平面匀带电，电荷的面密度分别为和，试求空间各处场强解: 如题8-12图示，两带电平面均匀带电，电荷面密度分别为与，两面间， 面外， 面外， ：垂直于两平面由面指为面8-13 半径为的均匀带电球体的电荷体密度为,假设在球挖去一块半径为的小球体，如题8-13图所示试求：两球心与点的场强，并证明小球空腔的电场是均匀的解: 将此带电体看作带正电的均匀球与带电的均匀小球的组合，见题8-13图(a)(1) 球在点产生电场，球在点产生电场点电场；(2) 在产生电场球在产生电场 点电场 题8-13图(a) 题8-13图(b)(3)设空腔任一点相对的位矢为，相对点位矢为(如题8-13(b)图)那么 ，,腔场强是均匀的8-14 一电偶极子由=1.010-6C的两个异号点电荷组成，两电荷距离d=0.2cm，把这电偶极子放在1.0105NC-1的外电场中，求外电场作用于电偶极子上的最大力矩解: 电偶极子在外场中受力矩代入数字8-15 两点电荷=1.510-8C，=3.010-8C，相距=42cm，要把它们之间的距离变为=25cm，需作多少功?解: 外力需作的功 题8-16图8-16 如题8-16图所示，在，两点处放有电量分别为+,-的点电荷，间距离为2，现将另一正试验点电荷从点经过半圆弧移到点，求移动过程中电场力作的功解: 如题8-16图示8-17 如题8-17图所示的绝缘细线上均匀分布着线密度为的正电荷,两直导线的长度和半圆环的半径都等于试求环中心点处的场强和电势解: (1)由于电荷均匀分布与对称性，和段电荷在点产生的场强互相抵消，取那么产生点如图，由于对称性，点场强沿轴负方向题8-17图(2) 电荷在点产生电势，以同理产生 半圆环产生 8-18 一电子绕一带均匀电荷的长直导线以2104ms-1的匀速率作圆周运动求带电直线上的线电荷密度(电子质量=9.110-31kg，电子电量=1.6010-19C)解: 设均匀带电直线电荷密度为，在电子轨道处场强电子受力大小 得 8-19 空气可以承受的场强的最大值为=30kVcm-1，超过这个数值时空气要发生火花放电今有一高压平行板电容器，极板间距离为=0.5cm，求此电容器可承受的最高电压解: 平行板电容器部近似为均匀电场8-20 根据场强与电势的关系，求以下电场的场强：(1)点电荷的电场；(2)总电量为，半径为的均匀带电圆环轴上一点；*(3)偶极子的处(见题8-20图)解: (1)点电荷 题 8-20 图为方向单位矢量(2)总电量，半径为的均匀带电圆环轴上一点电势(3)偶极子在处的一点电势8-21 证明：对于两个无限大的平行平面带电导体板(题8-21图)来说，(1)相向的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号相反；(2)相背的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号一样证: 如题8-21图所示，设两导体、的四个平面均匀带电的电荷面密度依次为，题8-21图(1)那么取与平面垂直且底面分别在、部的闭合柱面为高斯面时，有说明相向两面上电荷面密度大小相等、符号相反；(2)在部任取一点，那么其场强为零，并且它是由四个均匀带电平面产生的场强叠加而成的，即又说明相背两面上电荷面密度总是大小相等，符号一样8-22 三个平行金属板，和的面积都是200cm2，和相距4.0mm，与相距2.0 mm，都接地，如题8-22图所示如果使板带正电3.010-7C，略去边缘效应，问板和板上的感应电荷各是多少?以地
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