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2018-2019学年下学期期中

2018-2019学年下学期期中试卷(含答案)​

一、选择题(单项选择,每题 2 分,共 20 分)​

  1. 下列说法正确的是( )。

    A. 加速度恒定不变时,物体的运动方向也不变

    B. 平均速率等于平均平均速度的大小

    C. 当物体的速度为零时,加速度必定为零

    D. 质点作曲线运动时,质点速度大小的变化产生切向加速度,速度方向的变化产生法向加速度

    答案:

    D


  2. 一质点在平面上运动,已知质点位置矢量的表示式为 r⃗=at2i⃗+bt2j⃗ (SI)\vec r=at^2\vec i+bt^2\vec j\ (\mathrm{SI})(其中 aa、bb 为常量),则质点作( )。

    A. 匀速直线运动

    B. 变速直线运动

    C. 抛物线运动

    D. 一般曲线运动

    答案:

    B


  3. 一个质点在做圆周运动时,则有( )。

    A. 切向加速度一定改变,法向加速度也改变

    B. 切向加速度可能不变,法向加速度一定改变

    C. 切向加速度可能不变,法向加速度不变

    D. 切向加速度一定改变,法向加速度不变

    答案:

    B


  4. 一物体沿固定圆弧形光滑轨道由静止下滑,在下滑过程中,则( )。

    第4题图

    A. 它的加速度方向永远指向圆心,其速率保持不变

    B. 它受到的轨道的作用力的大小不断增加

    C. 它受到的合外力大小变化,方向永远指向圆心

    D. 它受到的合外力大小不变,其速率不断增加

    答案:

    B


  5. 对质点组有以下几种说法:

    (1)质点组总动量的改变与内力无关;

    (2)质点组总动能的改变与内力无关;

    (3)质点组机械能的改变与保守内力无关。

    下列对上述说法判断正确的是( )。

    A. 只有(1)是正确的

    B. (1)、(2)是正确的

    C. (1)、(3)是正确的

    D. (2)、(3)是正确的

    答案:

    C


  6. 把单摆摆球从平衡位置向位移正方向拉开,使摆线与竖直方向成一微小角度 θ\theta,然后由静止放手任其振动,从放手时开始计时。若用余弦函数表示其运动方程,则该单摆振动的初相为( )。

    A. π\pi

    B. π/2\pi/2

    C. 00

    D. θ\theta

    答案:

    C


  7. 横波以波速 uu 沿 xx 轴负方向传播。tt 时刻波形曲线如图。则该时刻( )。

    第7题图

    A. A 点振动速度大于零

    B. B 点静止不动

    C. C 点向下运动

    D. D 点振动速度小于零

    答案:

    D


  8. 关于刚体对轴的转动惯量,下列说法中正确的是( )。

    A. 只取决于刚体的质量,与质量的空间分布和轴的位置无关

    B. 取决于刚体的质量和质量的空间分布,与轴的位置无关

    C. 取决于刚体的质量、质量的空间分布和轴的位置

    D. 只取决于转轴的位置,与刚体的质量和质量的空间分布无关

    答案:

    C


  9. 如图所示,一静止的均匀细棒,长为 LL、质量为 MM,可绕通过棒的端点且垂直于棒长的光滑固定轴 O 在水平面内转动,转动惯量为 ML2/3ML^2/3。一质量为 mm、速率为 vv 的子弹在水平面内沿与棒垂直的方向射出并穿出棒的自由端,设穿过棒后子弹的速率为 v/2v/2,则此时棒的角速度应为( )。

    第9题图

    A. mvML\dfrac{mv}{ML}

    B. 3mv2ML\dfrac{3mv}{2ML}

    C. 5mv3ML\dfrac{5mv}{3ML}

    D. 7mv4ML\dfrac{7mv}{4ML}

    答案:

    B


  10. 一水平圆盘可绕通过其中心的固定竖直轴转动,盘上站着一个人。把人和圆盘取作系统,当此人在盘上随意走动时,若忽略轴的摩擦,此系统( )。

    A. 动量守恒

    B. 机械能守恒

    C. 对转轴的角动量守恒

    D. 动量、机械能和角动量都守恒

    E. 动量、机械能和角动量都不守恒

    答案:

    C


二、填空题(每空 2 分,共 20 分)​

  1. 已知质点沿 xx 轴作直线运动,其运动方程为 x=2+6t2−2t3x=2+6t^2-2t^3,式中 xx 的单位为 m\mathrm{m},tt 的单位为 s\mathrm{s}。则,质点在 t=4 st=4\ \mathrm{s} 时速度 ‾\underline{\qquad} 和加速度 ‾\underline{\qquad}。

    答案:

    −48 m/s-48\ \mathrm{m/s};−36 m/s2-36\ \mathrm{m/s^2}


  2. 已知质点的运动方程为 r⃗=2ti⃗+(2−t2)j⃗\vec r=2t\vec i+(2-t^2)\vec j,式中 r⃗\vec r 的单位为 m\mathrm{m},tt 的单位为 s\mathrm{s}。求:(1)质点的运动轨迹 ‾\underline{\qquad};(2)t=2 st=2\ \mathrm{s} 时,质点的位矢 ‾\underline{\qquad}。

    答案:

    (1)y=2−14x2y=2-\dfrac{1}{4}x^2

    (2)r⃗2=4i⃗−2j⃗\vec r_2=4\vec i-2\vec j


  3. 质量为 mm 的小球,在合外力 F=−kxF=-kx 作用下运动,已知 x=Acos⁡ωtx=A\cos\omega t,其中 kk、ω\omega、AA 均为正常量,求在 t=0t=0 到 t=π2ωt=\dfrac{\pi}{2\omega} 时间内小球动量的增量 ‾\underline{\qquad}。

    答案:

    Δ(mv)=−kAω\displaystyle \Delta(mv)=-\frac{kA}{\omega}


  4. 质量为 mm 的物体和一个轻弹簧组成弹簧振子,其固有振动周期为 TT。当它作振幅为 AA 的自由简谐振动时,其振动能量 E=‾E=\underline{\qquad}。

    答案:

    2π2mA2T2\displaystyle \frac{2\pi^2mA^2}{T^2}


  5. 一质点同时参与了两个同方向的简谐振动,它们的振动方程分别为

    x1=0.05cos⁡(ωt+14π),x2=0.05cos⁡(ωt+912π).x_1=0.05\cos\left(\omega t+\frac{1}{4}\pi\right),\qquad x_2=0.05\cos\left(\omega t+\frac{9}{12}\pi\right).

    其合成运动的运动方程为 x=‾x=\underline{\qquad}。

    答案:

    0.052cos⁡(ωt+π2)\displaystyle 0.05\sqrt 2\cos\left(\omega t+\frac{\pi}{2}\right)


  6. 一平面简谐波沿 xx 轴负方向传播。已知 x=−1 mx=-1\ \mathrm{m} 处质点的振动方程为 y=Acos⁡(ωt+ϕ)y=A\cos(\omega t+\phi),若波速为 uu,则此波的表达式为 ‾\underline{\qquad}。

    答案:

    y=Acos⁡{ω[t+1+xu]+ϕ}\displaystyle y=A\cos\left\{\omega\left[t+\frac{1+x}{u}\right]+\phi\right\}


  7. 一飞轮以角速度 ω0\omega_0 绕光滑固定轴旋转,飞轮对轴的转动惯量为 JJ;另一静止飞轮突然和上述转动的飞轮啮合,绕同一转轴转动,该飞轮对轴的转动惯量为前者的二倍。啮合后整个系统的角速度 ω=‾ω0\omega=\underline{\qquad}\omega_0。

    答案:

    13\displaystyle \frac{1}{3}


  8. 质量分别为 mm 和 2m2m 的两物体(都可视为质点),用一长为 ll 的轻质刚性细杆相连,系统绕通过杆且与杆垂直的竖直固定轴 O 转动,已知 O 轴离质量为 2m2m 的质点的距离为 l/3l/3,质量为 mm 的质点的线速度为 vv 且与杆垂直,则该系统对转轴的角动量(动量矩)大小为 ‾\underline{\qquad}。

    第8题图

    答案:

    mvlmvl


三、(12 分)​

一质量为 10 kg10\ \mathrm{kg} 的质点在力 FF 的作用下沿 xx 轴作直线运动,已知 F=120t+40F=120t+40,式中 FF 的单位为 N\mathrm{N},tt 的单位为 s\mathrm{s}。在 t=0t=0 时,质点位于 x=5.0 mx=5.0\ \mathrm{m} 处,其速度 v0=6.0 m⋅s−1v_0=6.0\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}。求质点在任意时刻的速度和位置。

解:

因加速度 a=dv/dta=\mathrm{d}v/\mathrm{d}t,在直线运动中,根据牛顿运动定律有

120t+40=mdvdt.3分120t+40=m\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}.\qquad 3\text{分}

依据质点运动的初始条件,即 t0=0t_0=0 时 v0=6.0 m⋅s−1v_0=6.0\ \mathrm{m\cdot s^{-1}},运用分离变量法对上式积分,得

∫v0vdv=∫0t(12.0t+4.0) dt.2分\int_{v_0}^{v}\mathrm{d}v=\int_0^t(12.0t+4.0)\,\mathrm{d}t.\qquad 2\text{分}

v=6.0+4.0t+6.0t2.1分v=6.0+4.0t+6.0t^2.\qquad 1\text{分}

又因 v=dx/dtv=\mathrm{d}x/\mathrm{d}t,并由质点运动的初始条件:t0=0t_0=0 时 x0=5.0 mx_0=5.0\ \mathrm{m},对上式分离变量后积分,有

∫x0xdx=∫0t(6.0+4.0t+6.0t2) dt.2分\int_{x_0}^{x}\mathrm{d}x=\int_0^t(6.0+4.0t+6.0t^2)\,\mathrm{d}t.\qquad 2\text{分}

x=5.0+6.0t+2.0t2+2.0t3.1分x=5.0+6.0t+2.0t^2+2.0t^3.\qquad 1\text{分}


四、(12 分)​

如图所示,质量为 mm、速度为 vv 的钢球,射向质量为 m′m' 的靶,靶中心有一小孔,内有劲度系数为 kk 的弹簧,此靶最初处于静止状态,但可在水平面上作无摩擦滑动。求子弹射入靶内弹簧后,弹簧的最大压缩距离。

第四题图

解:

设弹簧的最大压缩量为 x0x_0。小球与靶共同运动的速度为 v1v_1。由动量守恒定律,有

mv=(m+m′)v1.4分mv=(m+m')v_1.\qquad 4\text{分}

又由机械能守恒定律,有

12mv2=12(m+m′)v12+12kx02.6分\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}(m+m')v_1^2+\frac{1}{2}kx_0^2.\qquad 6\text{分}

由式(1)、(2)可得

x0=mm′k(m+m′)v.2分x_0=\sqrt{\frac{mm'}{k(m+m')}}v.\qquad 2\text{分}


五、(10 分)​

一物体作简谐振动,其加速度最大值 am=0.045 m/s2a_m=0.045\ \mathrm{m/s^2},其振幅 A=0.02 mA=0.02\ \mathrm{m}。若 t=0t=0 时,物体位于平衡位置且向 xx 轴的负方向运动。求:(1)振动周期 TT;(2)速度的最大值 vmv_m;(3)振动方程的数值式。

解:

(1)

am=ω2A∴ω=am/A=1.5 s−1,a_m=\omega^2A\quad\therefore\quad\omega=\sqrt{a_m/A}=1.5\ \mathrm{s^{-1}},

∴T=2π/ω=4.19 s.4分\therefore\quad T=2\pi/\omega=4.19\ \mathrm{s}.\qquad 4\text{分}

(2)

vm=ωA=0.03 m/s.3分v_m=\omega A=0.03\ \mathrm{m/s}.\qquad 3\text{分}

(3)

ϕ=12π,x=0.02cos⁡(1.5t+12π)(SI).3分\phi=\frac{1}{2}\pi,\qquad x=0.02\cos\left(1.5t+\frac{1}{2}\pi\right)\quad(\mathrm{SI}).\qquad 3\text{分}


六、(10 分)​

一横波沿绳子传播,其波的表达式为 y=0.05cos⁡(100πt−2πx) (SI)y=0.05\cos(100\pi t-2\pi x)\ (\mathrm{SI})。

(1)求此波的振幅、波速、频率和波长;

(2)求绳子上各质点的最大振动速度和最大振动加速度;

(3)求 x1=0.2 mx_1=0.2\ \mathrm{m} 处和 x2=0.7 mx_2=0.7\ \mathrm{m} 处二质点振动的相位差。

解:

(1)已知波的表达式为:

y=0.05cos⁡(100πt−2πx),y=0.05\cos(100\pi t-2\pi x),

与标准形式

y=Acos⁡(2πνt−2πx/λ)y=A\cos(2\pi\nu t-2\pi x/\lambda)

比较得:

A=0.05 m,ν=50 Hz,λ=1.0 m.各1分A=0.05\ \mathrm{m},\qquad \nu=50\ \mathrm{Hz},\qquad \lambda=1.0\ \mathrm{m}.\qquad \text{各1分}

u=λν=50 m/s.1分u=\lambda\nu=50\ \mathrm{m/s}.\qquad 1\text{分}

(2)

vmax⁡=(∂y∂t)max⁡=2πνA=15.7 m/s.2分v_{\max}=\left(\frac{\partial y}{\partial t}\right)_{\max}=2\pi\nu A=15.7\ \mathrm{m/s}.\qquad 2\text{分}

amax⁡=(∂2y∂t2)max⁡=4π2ν2A=4.93×103 m/s2.2分a_{\max}=\left(\frac{\partial^2y}{\partial t^2}\right)_{\max}=4\pi^2\nu^2A=4.93\times10^3\ \mathrm{m/s^2}.\qquad 2\text{分}

(3)

Δϕ=2π(x2−x1)/λ=π,\Delta\phi=2\pi(x_2-x_1)/\lambda=\pi,

二振动反相。 2分


七、(10 分)​

一轴承光滑的定滑轮,质量为 M=2.00 kgM=2.00\ \mathrm{kg},半径为 R=0.100 mR=0.100\ \mathrm{m},一根不能伸长的轻绳,一端固定在定滑轮上,另一端系有一质量为 m=5.00 kgm=5.00\ \mathrm{kg} 的物体,如图所示。已知定滑轮的转动惯量为 J=12MR2J=\dfrac{1}{2}MR^2,其初角速度 ω0=10.0 rad/s\omega_0=10.0\ \mathrm{rad/s},方向垂直纸面向里。求:

第七题图

(1)定滑轮的角加速度的大小和方向;

(2)定滑轮的角速度变化到 ω=0\omega=0 时,物体上升的高度;

(3)当物体回到原来位置时,定滑轮的角速度的大小和方向。

解:

(1)

第七题答案图

mg−T=ma.1分mg-T=ma.\qquad 1\text{分}

TR=Jα.2分TR=J\alpha.\qquad 2\text{分}

a=Rα.1分a=R\alpha.\qquad 1\text{分}

∴α=mgRmR2+J=mgRmR2+12MR2=2mg(2m+M)R=81.7 rad/s2.1分\therefore\quad \alpha=\frac{mgR}{mR^2+J}=\frac{mgR}{mR^2+\dfrac{1}{2}MR^2}=\frac{2mg}{(2m+M)R}=81.7\ \mathrm{rad/s^2}.\qquad 1\text{分}

方向垂直纸面向外。 1分

(2)

ω2=ω02−2αθ.\omega^2=\omega_0^2-2\alpha\theta.

当 ω=0\omega=0 时,

θ=ω022α=0.612 rad.\theta=\frac{\omega_0^2}{2\alpha}=0.612\ \mathrm{rad}.

物体上升的高度

h=Rθ=6.12×10−2 m.2分h=R\theta=6.12\times10^{-2}\ \mathrm{m}.\qquad 2\text{分}

(3)

ω=2αθ=10.0 rad/s,\omega=\sqrt{2\alpha\theta}=10.0\ \mathrm{rad/s},

方向垂直纸面向外。 2分


八、讨论题(6 分)​

通过这一阶段大学物理课程的学习,你觉得自己有哪些收获?遇见哪些困难?(3 分)你对大学物理的学习与教学有什么建议?(3 分)