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2017-2018学年下学期期中

2017-2018学年下学期期中试卷(A)(含答案)​

一、选择题(每题 3 分,共 18 分)​

  1. 某质点作直线运动的运动学方程为 x=3t−5t3+6 (SI)x=3t-5t^3+6\ (\mathrm{SI}),则该质点作( )。

    A. 匀加速直线运动,加速度沿 xx 轴正方向

    B. 匀加速直线运动,加速度沿 xx 轴负方向

    C. 变加速直线运动,加速度沿 xx 轴正方向

    D. 变加速直线运动,加速度沿 xx 轴负方向

    答案:

    D


  2. 某物体的运动规律为 dvdt=−kv2t\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=-kv^2t,式中的 kk 为大于零的常量。当 t=0t=0 时,初速为 v0v_0,则速度 vv 与时间 tt 的函数关系是( )。

    A. 1v=kt22+1v0\dfrac{1}{v}=\dfrac{kt^2}{2}+\dfrac{1}{v_0}

    B. v=−12kt2+v0v=-\dfrac{1}{2}kt^2+v_0

    C. v=12kt2+v0v=\dfrac{1}{2}kt^2+v_0

    D. 1v=−kt22+1v0\dfrac{1}{v}=-\dfrac{kt^2}{2}+\dfrac{1}{v_0}

    答案:

    A


  3. 质量分别为 mAm_A 和 mBm_B(mA>mBm_A>m_B)、速度分别为 v⃗A\vec v_A 和 v⃗B\vec v_B(vA>vBv_A>v_B)的两质点 A 和 B,受到相同的冲量作用,则( )。

    A. A 的动量增量的绝对值比 B 的小

    B. A 的动量增量的绝对值比 B 的大

    C. A、B 的动量增量相等

    D. A、B 的速度增量相等

    答案:

    C


  4. 花样滑冰运动员绕自身的竖直轴转动,开始时臂伸开,转动惯量为 J0J_0,角速度为 ω0\omega_0,然后她将两臂收回,使转动惯量减少为 J=13J0J=\dfrac{1}{3}J_0。这时她转动的角速度变为( )。

    A. 13ω0\dfrac{1}{3}\omega_0

    B. 13ω0\dfrac{1}{\sqrt 3}\omega_0

    C. 3ω03\omega_0

    D. 3ω0\sqrt 3\omega_0

    答案:

    C


  5. 如图所示,边长为 ll 的正方形,在其四个顶点上各放有等量的点电荷。若正方形中心 O 处的场强值和电势值都等于零,则( )。

    第5题图

    A. 顶点 a、b、c、d 处都是正电荷

    B. 顶点 a、c 处是正电荷,b、d 处是负电荷

    C. 顶点 a、b 处是正电荷,c、d 处是负电荷

    D. 顶点 a、b、c、d 处都是负电荷

    答案:

    B


  6. 已知某电场的电场线分布情况如图所示。现观察到一负电荷从 M 点移到 N 点。有人根据这个图作出下列几点结论,其中哪点是正确的?

    第6题图

    A. 电势能 WM<WNW_M<W_N

    B. 电势 UM<UNU_M<U_N

    C. 电场强度 EM<ENE_M<E_N

    D. 电场力的功 A>0A>0

    答案:

    A


二、填空题(每空 3 分,共 27 分)​

  1. 假如地球半径缩短 1%1\%,而它的质量保持不变,则地球表面的重力加速度 g′g' 与原来地球表面的重力加速度 gg 之比是 ‾\underline{\qquad}。

    答案:

    1.021.02


  2. 一圆锥摆摆长为 ll、摆锤质量为 mm,在水平面上作匀速圆周运动,摆线与铅直线夹角 θ\theta,则

    第8题图

    (1)摆锤的速率 v=‾v=\underline{\qquad};

    (2)摆锤对虚线轴的角动量 L=‾L=\underline{\qquad}。

    答案:

    (1)sin⁡θglcos⁡θ\displaystyle \sin\theta\sqrt{\frac{gl}{\cos\theta}}

    (2)mlsin⁡2θglcos⁡θ\displaystyle ml\sin^2\theta\sqrt{\frac{gl}{\cos\theta}}


  3. 一质点沿直线运动,其坐标 xx 与时间 tt 有如下关系:

    x=Ae−βtcos⁡ωt(SI)x=Ae^{-\beta t}\cos\omega t\quad(\mathrm{SI})

    (AA、β\beta 皆为常数)

    (1)任意时刻 tt 质点的加速度 a=‾a=\underline{\qquad};

    (2)质点通过原点的时刻 t=‾t=\underline{\qquad}。

    答案:

    (1)Ae−βt[(β2−ω2)cos⁡ωt+2βωsin⁡ωt]Ae^{-\beta t}\left[(\beta^2-\omega^2)\cos\omega t+2\beta\omega\sin\omega t\right]

    (2)12(2n+1)π/ω(n=0,1,2,…)\dfrac{1}{2}(2n+1)\pi/\omega\quad(n=0,1,2,\ldots)


  4. 一均匀细直棒,可绕通过其一端的光滑固定轴在竖直平面内转动。使棒从水平位置自由下摆,棒是否作匀角加速转动?‾\underline{\qquad}。理由是 ‾\underline{\qquad}。

    答案:

    否。

    在棒的自由下摆过程中,转动惯量不变,但使棒下摆的力矩随棒的下摆而减小。由转动定律知棒摆动的角加速度也要随之变小。


  5. 半径为 RR、具有光滑轴的定滑轮边缘绕一细绳,绳的下端挂一质量为 mm 的物体。绳的质量可以忽略,绳与定滑轮之间无相对滑动。若物体下落的加速度为 aa,则定滑轮对轴的转动惯量 J=‾J=\underline{\qquad}。

    答案:

    m(g−a)R2a\displaystyle \frac{m(g-a)R^2}{a}


  6. A、B 为两个电容值都等于 CC 的电容器,已知 A 带电荷为 QQ,B 带电荷为 2Q2Q。现将 A、B 并联(A、B 的正极相连,负极相连)后,系统电场能量的增量 ΔW=‾\Delta W=\underline{\qquad}。

    答案:

    −Q24C\displaystyle -\frac{Q^2}{4C}


三、计算题(13—17 题,每题 9 分;18 题 10 分,共 55 分)​

  1. 一质点沿 xx 轴运动,其加速度 aa 与位置坐标 xx 的关系为 a=2+6x2 (SI)a=2+6x^2\ (\mathrm{SI})。如果质点在原点处的速度为零,试求其在任意位置处的速度。

    解:

    设质点在 xx 处的速度为 vv,

    a=dvdt=dvdx⋅dxdt=2+6x23分a=\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2+6x^2 \qquad 3\text{分}

    ∫0vv dv=∫0x(2+6x2) dx3分\int_0^v v\,\mathrm{d}v=\int_0^x(2+6x^2)\,\mathrm{d}x \qquad 3\text{分}

    v=2(x+x3)1/23分v=2(x+x^3)^{1/2} \qquad 3\text{分}


  2. 一名宇航员将去月球。他带有一个弹簧秤和一个质量为 1.0 kg1.0\ \mathrm{kg} 的物体 A。到达月球上某处时,他拾起一块石头 B,挂在弹簧秤上,其读数与地面上挂 A 时相同。然后,他把 A 和 B 分别挂在跨过定滑轮的轻绳的两端,定滑轮质量为 0.5 kg0.5\ \mathrm{kg},半径为 0.1 m0.1\ \mathrm{m},如图所示。若月球表面的重力加速度为 1.67 m/s21.67\ \mathrm{m/s^2},求石块 B 的加速度?

    第14题图

    解:

    设地球和月球表面的重力加速度分别为 g1g_1 和 g2g_2,在月球上 A、B 受力如图,则有

    第14题答案图

    m_2g_2-T_1=m_2a \tag{1}\qquad 1\text{分}

    T_2-m_1g_2=m_1a \tag{2}\qquad 1\text{分}

    (T1−T2)R=JaR,J=mR22(T_1-T_2)R=\frac{Ja}{R},\qquad J=\frac{mR^2}{2}

    又

    m_1g_1=m_2g_2 \tag{3}\qquad 2\text{分}

    联立解(1)、(2)、(3)可得

    a=g1−g21+(g1/g2)+(m/2)=1.14 m/s22分a=\frac{g_1-g_2}{1+(g_1/g_2)+(m/2)}=1.14\ \mathrm{m/s^2}\qquad 2\text{分}

    即 B 以 1.18 m/s21.18\ \mathrm{m/s^2} 的加速度下降。 2分

    即在平衡位置上方 19.6 cm19.6\ \mathrm{cm} 处开始分离,由 amax⁡=ω2A>ga_{\max}=\omega^2A>g,可得

    A>g/ω2=19.6 cm.1分A>g/\omega^2=19.6\ \mathrm{cm}.\qquad 1\text{分}

    提示

    原参考答案先计算得到 1.14 m/s21.14\ \mathrm{m/s^2},随后却写为 1.18 m/s21.18\ \mathrm{m/s^2}。按题目所给数据重新计算,石块 B 的加速度约为 1.14 m/s21.14\ \mathrm{m/s^2}。答案末尾关于“在平衡位置上方 19.6 cm19.6\ \mathrm{cm} 处开始分离”的内容也与本题条件无关,疑似混入了其他题目的解答;以上内容均按原参考答案保留。


  3. 设两粒子之间的相互作用力为排斥力 ff,其变化规律为 f=kr3f=\dfrac{k}{r^3},kk 为常数,rr 为二者之间的距离,试问:(1)ff 是保守力吗?为什么?(2)若是保守力,求两粒子相距为 rr 时的势能。设无穷远处为零势能位置。

    解:

    根据问题中给出的力 f=kr3f=\dfrac{k}{r^3},只与两个粒子之间位置有关,所以相对位置从 r1r_1 变化到 r2r_2 时,力做的功为:

    A=∫r1r2kr3 dr=−12k(1r22−1r12),A=\int_{r_1}^{r_2}\frac{k}{r^3}\,\mathrm{d}r=-\frac{1}{2}k\left(\frac{1}{r_2^2}-\frac{1}{r_1^2}\right),

    做功与路径无关,为保守力;

    两粒子相距为 rr 时的势能:

    EP=∫r∞kr3 dr=k2r2.E_P=\int_r^\infty\frac{k}{r^3}\,\mathrm{d}r=\frac{k}{2r^2}.


  4. 一根质量为 mm、长为 ll 的细棒 AB 可绕一水平的光滑转轴 O 在竖直平面内转动,转轴 O 离 A 端的距离为 l/3l/3,今使棒从静止开始由水平位置绕 O 轴转动,求:

    第16题图

    (1)棒对转轴 O 的转动惯量;

    (2)棒在水平位置上刚起动时的角加速度;

    (3)棒在任一位置的角加速度。

    解:

    (1)求转动惯量:

    方法一:

    J=∫−l/32l/3x2λ dx=19ml2.J=\int_{-l/3}^{2l/3}x^2\lambda\,\mathrm{d}x=\frac{1}{9}ml^2.

    方法二:由平行轴定理:J=Jc+md2J=J_c+md^2

    所以:

    J=112ml2+m(l6)2=19ml2.J=\frac{1}{12}ml^2+m\left(\frac{l}{6}\right)^2=\frac{1}{9}ml^2.

    (2)棒在水平位置上刚起动时的角加速度:

    M=23mgl3−13mgl6=16mgl.M=\frac{2}{3}mg\frac{l}{3}-\frac{1}{3}mg\frac{l}{6}=\frac{1}{6}mgl.

    由转动定律:

    M=βJ.M=\beta J.

    所以:

    β=3g2l.\beta=\frac{3g}{2l}.

    (3)棒在任一位置的角加速度:

    M=23mgl3cos⁡θ−13mgl6cos⁡θ=16mglcos⁡θ,M=\frac{2}{3}mg\frac{l}{3}\cos\theta-\frac{1}{3}mg\frac{l}{6}\cos\theta=\frac{1}{6}mgl\cos\theta,

    M=βJ.M=\beta J.

    所以:

    β=3g2lcos⁡θ.\beta=\frac{3g}{2l}\cos\theta.


  5. 一半径为 RR 的带电球体,其电荷体密度分布为:ρ=Ar (r≤R)\rho=Ar\ (r\leq R),ρ=0 (r>R)\rho=0\ (r>R),AA 为一常量。试求球体内外的场强分布。

    解:

    在球内取半径为 rr、厚为 dr\mathrm{d}r 的薄球壳,该壳内所包含的电荷为

    dq=ρ dV=Ar⋅4πr2 dr.\mathrm{d}q=\rho\,\mathrm{d}V=Ar\cdot4\pi r^2\,\mathrm{d}r.

    在半径为 rr 的球面内包含的总电荷为:

    q=∫Vρ dV=∫0r4πAr3 dr=πAr4(r≤R).q=\int_V\rho\,\mathrm{d}V=\int_0^r4\pi Ar^3\,\mathrm{d}r=\pi Ar^4\qquad(r\leq R).

    以该球面为高斯面,按高斯定理有:

    E1⋅4πr2=πAr4ε0.E_1\cdot4\pi r^2=\frac{\pi Ar^4}{\varepsilon_0}.

    得到:

    E1=Ar24ε0,(r≤R).E_1=\frac{Ar^2}{4\varepsilon_0},\qquad(r\leq R).

    方向沿径向,A>0A>0 时向外,A<0A<0 时向里。 5分

    在球体外作一半径为 rr 的同心高斯球面,按高斯定理有:

    E2⋅4πr2=πAR4ε0.E_2\cdot4\pi r^2=\frac{\pi AR^4}{\varepsilon_0}.

    得到:

    E2=AR44ε0r2,(r>R).E_2=\frac{AR^4}{4\varepsilon_0r^2},\qquad(r>R).

    方向沿径向,A>0A>0 时向外,A<0A<0 时向里。 4分


  6. 半径分别为 1.0 cm1.0\ \mathrm{cm} 与 2.0 cm2.0\ \mathrm{cm} 的两个球形导体,各带电荷 1.0×10−8 C1.0\times10^{-8}\ \mathrm{C},两球相距很远。若用细导线将两球相连接,求:(1)每个球所带电荷;(2)每球的电势。(14πε0=9×109 N⋅m2/C2)\left(\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\times10^9\ \mathrm{N\cdot m^2/C^2}\right)

    解:

    两球相距很远,可视为孤立导体,互不影响。球上电荷均匀分布。设两球半径分别为 r1r_1 和 r2r_2,导线连接后的电荷分别为 q1q_1 和 q2q_2,而 q1+q1=2qq_1+q_1=2q,则两球电势分别是

    U1=q14πε0r1,U2=q24πε0r2.2分U_1=\frac{q_1}{4\pi\varepsilon_0r_1},\qquad U_2=\frac{q_2}{4\pi\varepsilon_0r_2}.\qquad 2\text{分}

    两球相连后电势相等,U1=U2U_1=U_2,则有

    q1r1=q2r2=q1+q2r1+r2=2qr1+r2.2分\frac{q_1}{r_1}=\frac{q_2}{r_2}=\frac{q_1+q_2}{r_1+r_2}=\frac{2q}{r_1+r_2}.\qquad 2\text{分}

    由此得到

    q1=r1 2qr1+r2=6.67×10−9 C.1分q_1=\frac{r_1\,2q}{r_1+r_2}=6.67\times10^{-9}\ \mathrm{C}.\qquad 1\text{分}

    q2=r2 2qr1+r2=13.3×10−9 C.1分q_2=\frac{r_2\,2q}{r_1+r_2}=13.3\times10^{-9}\ \mathrm{C}.\qquad 1\text{分}

    两球电势

    U1=U2=q14πε0r1=6.0×103 V.2分U_1=U_2=\frac{q_1}{4\pi\varepsilon_0r_1}=6.0\times10^3\ \mathrm{V}.\qquad 2\text{分}