2 -12 一杂技演员在圆筒形建筑物内表演飞车走壁．设演员和摩托车的总质量为m,圆筒半径为R,演员骑摩托车在直壁上以速率v 作匀速圆周螺旋运动,每绕一周上升距离为h,如图所示．求壁对演员和摩托车的作用力．
分析 杂技演员(连同摩托车)的运动可以看成一个水平面内的匀速率圆周运动和一个竖直向上匀速直线运动的叠加．其旋转一周所形成的旋线轨迹展开后,相当于如图(b)所示的斜面．把演员的运动速度分解为图示的v1 和v2 两个分量,显然v1是竖直向上作匀速直线运动的分速度,而v2则是绕圆筒壁作水平圆周运动的分速度,其中向心力由筒壁对演员的支持力FN 的水平分量FN2 提供,而竖直分量FN1 则与重力相平衡．如图(c)所示,其中φ角为摩托车与筒壁所夹角．运用牛顿定律即可求得筒壁支持力的大小和方向
解 设杂技演员连同摩托车整体为研究对象,据(b)(c)两图应有
FN1?mg?0 (1)
FN2v2?m (2)
Rv2?vcosθ?v2πR?2πR?2?h2 (3)
22FN?FN1?FN2 (4)
以式(3)代入式(2),得
FN2m4π2R2v24π2Rmv2?? (5) R4π2R2?h24π2R2?h2将式(1)和式(5)代入式(4),可求出圆筒壁对杂技演员的作用力(即支承力)大小为
?4πRv?222?FN?FN?F?mg?1N2?4π2R2?h2?? ??与壁的夹角φ为
222FN24π2Rv2 ?arctan?arctan222FN14πR?hg??讨论 表演飞车走壁时,演员必须控制好运动速度,行车路线以及摩托车的方位,以确保三者之间满足解题用到的各个力学规律．
2 -13 一质点沿x轴运动,其受力如图所示,设t ＝0 时,v0＝5m·ｓ-1 ,x0＝2 m,质点质量m ＝1kg,试求该质点7ｓ末的速度和位置坐标．
分析 首先应由题图求得两个时间段的F(t)函数,进而求得相应的加速度函数,运用积分方法求解题目所问,积分时应注意积分上下限的取值应与两时间段相应的时刻相对应．
解 由题图得
0?t?5s?2t, F?t???5s?t?7s?35?5t, 由牛顿定律可得两时间段质点的加速度分别为
a?2t, 0?t?5s a?35?5t, 5s?t?7s
对0 ＜t ＜5ｓ 时间段,由a?dv得 dt?再由v?vv0dv??adt
0t2积分后得 v?5?t
dx得 dt?3积分后得x?2?5t?t
xx0dx??vdt
0t13将t ＝5ｓ 代入,得v5＝30 m·ｓ-1 和x5 ＝68.7 m 对5ｓ＜t ＜7ｓ 时间段,用同样方法有
?再由
vv0dv??a2dt
5st2得 v?35t?2.5t?82.5t
?xx5dx??vdt
5st得
x ＝17.5t2 -0.83t3 -82.5t ＋147.87
将t ＝7ｓ代入分别得v7＝40 m·ｓ-1 和 x7 ＝142 m
2 -14 一质量为10 kg 的质点在力F 的作用下沿x 轴作直线运动,已知F ＝120t ＋40,式中F 的单位为N,t 的单位的ｓ．在t ＝0 时,质点位于x ＝5.0 m处,其速度v0＝6.0 m·ｓ-1 ．求质点在任意时刻的速度和位置．
分析 这是在变力作用下的动力学问题．由于力是时间的函数,而加速度a＝dv/dt,这时,动力学方程就成为速度对时间的一阶微分方程,解此微分方程可得质点的速度v (t)；由速度的定义v＝dx /dt,用积分的方法可求出质点的位置．
解 因加速度a＝dv/dt,在直线运动中,根据牛顿运动定律有
120t?40?mdv dt依据质点运动的初始条件,即t0 ＝0 时v0 ＝6.0 m·ｓ-1 ,运用分离变量法对上式积分,得
?dv???12.0t?4.0?dt
v00vtv＝6.0+4.0t+6.0t2
又因v＝dx /dt,并由质点运动的初始条件：t0 ＝0 时x0 ＝5.0 m,对上式分离变量后积分,有
?dx???6.0?4.0t?6.0t?dt
xt2x00x ＝5.0+6.0t+2.0t2 +2.0t3
2 -15 轻型飞机连同驾驶员总质量为1.0 ×103 kg．飞机以55.0 m·ｓ-1 的速率在水平跑道上着陆后,驾驶员开始制动,若阻力与时间成正比,比例系数α＝5.0 ×102 N·ｓ-1 ,空气对飞机升力不计,求：(1) 10ｓ后飞机的速率；(2) 飞机着陆后10ｓ内滑行的距离．
分析 飞机连同驾驶员在水平跑道上运动可视为质点作直线运动．其水平方向所受制动力F 为变力,且是时间的函数．在求速率和距离时,可根据动力学方程和运动学规律,采用分离变量法求解．
解 以地面飞机滑行方向为坐标正方向,由牛顿运动定律及初始条件,有
dv??αt dtvtαtdv???v0?0mdt α2t 得 v?v0?2mF?ma?m因此,飞机着陆10ｓ后的速率为
v ＝30 m·ｓ-1
又
α2??dx?v?dt ??x0?0?02mt??xt故飞机着陆后10ｓ内所滑行的距离
s?x?x0?v0t?α3t?467m 6m2 -16 质量为m 的跳水运动员,从10.0 m 高台上由静止跳下落入水中．高台距水面距离为h．把跳水运动员视为质点,并略去空气阻力．运动员入水后垂直下沉,水对其阻力为bv2 ,其中b 为一常量．若以水面上一点为坐标原点O,竖直向下为Oy 轴,求：(1) 运动员在水中的速率v与y 的函数关系；(2) 如b /m ＝0.40m -1 ,跳水运动员在水中下沉多少距离才能使其速率v减少到落水速率v0 的1 /10？ (假定跳水运动员在水中的浮力与所受的重力大小恰好相等)
分析 该题可以分为两个过程,入水前是自由落体运动,入水后,物体受重力P、浮力F 和水的阻力Fｆ的作用,其合力是一变力,因此,物体作变加速运动．虽然物体的受力分析比较简单,但是,由于变力是速度的函数(在有些问题中变力是时间、位置的函数),对这类问题列出动力学方程并不复杂,但要从它计算出物体运动的位置和速度就比较困难了．通常需要采用积分的方法去解所列出的微分方程．这也成了解题过程中的难点．在解方程的过程中,特别需要注意到积分变量的统一和初始条件的确定．
解 (1) 运动员入水前可视为自由落体运动,故入水时的速度为
v0?2gh
运动员入水后,由牛顿定律得
P -Fｆ -F ＝ma
由题意P ＝F、Fｆ＝bv2 ,而a ＝dv /dt ＝v (d v /dy),代 入上式后得
-bv2＝ mv (d v /dy)
考虑到初始条件y0 ＝0 时, v0?t2gh,对上式积分,有
vdv?m? ?dy???0??v0v?b?v?v0e?by/m?2ghe?by/m
(2) 将已知条件b/m ＝0.4 m -1 ,v ＝0.1v0 代入上式,则得
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