大学物理期末考试 A卷# 考试时间:120分钟 满分:100分
一、选择题(每小题3分,共30分)# 1. 一质点沿半径 R = 2 m R=2\,\text{m} R = 2 m 的圆周运动,速率 v = 3 t 2 v=3t^2 v = 3 t 2 (SI单位)。t = 1 s t=1\,\text{s} t = 1 s 时,其切向加速度大小为( )
A. 3 m/s 2 3\,\text{m/s}^2 3 m/s 2 B. 4.5 m/s 2 4.5\,\text{m/s}^2 4.5 m/s 2 C. 6 m/s 2 6\,\text{m/s}^2 6 m/s 2 D. 7.5 m/s 2 7.5\,\text{m/s}^2 7.5 m/s 2
【解析】 切向加速度定义为速率对时间的导数:a τ = d v d t = d d t ( 3 t 2 ) = 6 t a_\tau = \dfrac{dv}{dt} = \dfrac{d}{dt}(3t^2) = 6t a τ = d t d v = d t d ( 3 t 2 ) = 6 t 。当 t = 1 s t=1\,\text{s} t = 1 s 时,a τ = 6 × 1 = 6 m/s 2 a_\tau = 6\times 1 = 6\,\text{m/s}^2 a τ = 6 × 1 = 6 m/s 2 。注意区分切向加速度 a τ a_\tau a τ (改变速度大小)和法向加速度 a n = v 2 / R a_n = v^2/R a n = v 2 / R (改变速度方向)。本题选 C 。
2. 在光滑水平面上,质量为 m 1 = 3 kg m_1=3\,\text{kg} m 1 = 3 kg 的物体以 v 1 = 4 m/s v_1=4\,\text{m/s} v 1 = 4 m/s 运动,与静止的质量 m 2 = 1 kg m_2=1\,\text{kg} m 2 = 1 kg 的物体发生完全非弹性碰撞。碰撞后两物体的共同速度为( )
A. 3 m/s 3\,\text{m/s} 3 m/s B. 3.5 m/s 3.5\,\text{m/s} 3.5 m/s C. 4 m/s 4\,\text{m/s} 4 m/s D. 1 m/s 1\,\text{m/s} 1 m/s
【解析】 水平面光滑,系统水平方向不受外力,动量守恒。完全非弹性碰撞后两物体粘在一起共速。由动量守恒:m 1 v 1 + m 2 v 2 = ( m 1 + m 2 ) v m_1v_1 + m_2v_2 = (m_1+m_2)v m 1 v 1 + m 2 v 2 = ( m 1 + m 2 ) v 。代入数据:3 × 4 + 1 × 0 = ( 3 + 1 ) v 3\times 4 + 1\times 0 = (3+1)v 3 × 4 + 1 × 0 = ( 3 + 1 ) v ,得 v = 12 / 4 = 3 m/s v = 12/4 = 3\,\text{m/s} v = 12/4 = 3 m/s 。本题选 A 。
3. 一质量为 m m m 、半径为 R R R 的匀质圆盘绕通过中心且垂直于盘面的固定轴转动,其转动惯量为( )
A. 1 2 m R 2 \dfrac{1}{2}mR^2 2 1 m R 2 B. m R 2 mR^2 m R 2 C. 1 3 m R 2 \dfrac{1}{3}mR^2 3 1 m R 2 D. 2 5 m R 2 \dfrac{2}{5}mR^2 5 2 m R 2
【解析】 常见匀质刚体的转动惯量必须熟记。匀质圆盘(或圆柱)绕通过中心且垂直于盘面的轴转动时,转动惯量 J = 1 2 m R 2 J = \dfrac{1}{2}mR^2 J = 2 1 m R 2 。圆环绕中心垂直轴为 m R 2 mR^2 m R 2 ,细杆绕中心垂直轴为 1 12 m l 2 \dfrac{1}{12}ml^2 12 1 m l 2 ,实心球绕直径为 2 5 m R 2 \dfrac{2}{5}mR^2 5 2 m R 2 。本题选 A 。
4. 理想气体处于平衡态时,温度 T T T 与分子平均平动动能 ε ˉ k \bar{\varepsilon}_k ε ˉ k 的关系为( )
A. ε ˉ k = k T \bar{\varepsilon}_k = kT ε ˉ k = k T B. ε ˉ k = 3 2 k T \bar{\varepsilon}_k = \dfrac{3}{2}kT ε ˉ k = 2 3 k T C. ε ˉ k = 5 2 k T \bar{\varepsilon}_k = \dfrac{5}{2}kT ε ˉ k = 2 5 k T D. ε ˉ k = i 2 k T \bar{\varepsilon}_k = \dfrac{i}{2}kT ε ˉ k = 2 i k T
【解析】 由理想气体压强公式和状态方程联立推导可得 ε ˉ k = 3 2 k T \bar{\varepsilon}_k = \dfrac{3}{2}kT ε ˉ k = 2 3 k T ,这是温度的微观本质:温度是分子平均平动动能的量度。注意只有平动动能与温度直接相关,3 2 \dfrac{3}{2} 2 3 来自三个平动自由度。i 2 k T \dfrac{i}{2}kT 2 i k T 是分子的平均总能量(含转动)。本题选 B 。
5. 1 mol 刚性双原子理想气体在等压过程中温度升高 Δ T \Delta T Δ T ,其吸收的热量为( )
A. 3 2 R Δ T \dfrac{3}{2}R\Delta T 2 3 R Δ T B. 5 2 R Δ T \dfrac{5}{2}R\Delta T 2 5 R Δ T C. 7 2 R Δ T \dfrac{7}{2}R\Delta T 2 7 R Δ T D. R Δ T R\Delta T R Δ T
【解析】 等压过程吸热量 Q = ν C p Δ T Q = \nu C_p \Delta T Q = ν C p Δ T 。刚性双原子分子自由度 i = 5 i=5 i = 5 ,C V = 5 2 R C_V = \dfrac{5}{2}R C V = 2 5 R ,由迈耶公式 C p = C V + R = 7 2 R C_p = C_V + R = \dfrac{7}{2}R C p = C V + R = 2 7 R 。因此 Q = 1 × 7 2 R Δ T = 7 2 R Δ T Q = 1\times \dfrac{7}{2}R\Delta T = \dfrac{7}{2}R\Delta T Q = 1 × 2 7 R Δ T = 2 7 R Δ T 。等容过程吸热才是 5 2 R Δ T \dfrac{5}{2}R\Delta T 2 5 R Δ T 。本题选 C 。
6. 一水平弹簧振子做简谐振动,劲度系数 k = 25 N/m k=25\,\text{N/m} k = 25 N/m ,质量 m = 1 kg m=1\,\text{kg} m = 1 kg ,振幅 A = 0.1 m A=0.1\,\text{m} A = 0.1 m 。当位移 x = 0.05 m x=0.05\,\text{m} x = 0.05 m 时,其动能为( )
A. 0.03125 J 0.03125\,\text{J} 0.03125 J B. 0.0625 J 0.0625\,\text{J} 0.0625 J C. 0.09375 J 0.09375\,\text{J} 0.09375 J D. 0.125 J 0.125\,\text{J} 0.125 J
【解析】 简谐振动总能量 E = 1 2 k A 2 = 1 2 × 25 × 0.1 2 = 0.125 J E = \dfrac{1}{2}kA^2 = \dfrac{1}{2}\times 25\times 0.1^2 = 0.125\,\text{J} E = 2 1 k A 2 = 2 1 × 25 × 0. 1 2 = 0.125 J 。势能 E p = 1 2 k x 2 = 1 2 × 25 × 0.05 2 = 0.03125 J E_p = \dfrac{1}{2}kx^2 = \dfrac{1}{2}\times 25\times 0.05^2 = 0.03125\,\text{J} E p = 2 1 k x 2 = 2 1 × 25 × 0.0 5 2 = 0.03125 J 。由能量守恒 E k = E − E p = 0.125 − 0.03125 = 0.09375 J E_k = E - E_p = 0.125 - 0.03125 = 0.09375\,\text{J} E k = E − E p = 0.125 − 0.03125 = 0.09375 J 。本题选 C 。
7. 一平面简谐波沿 x x x 轴正方向传播,波速 u = 2 m/s u=2\,\text{m/s} u = 2 m/s ,原点振动方程为 y = 0.05 cos ( 4 π t + π / 3 ) y=0.05\cos(4\pi t + \pi/3) y = 0.05 cos ( 4 π t + π /3 ) (SI)。则该波的波长为( )
A. 0.5 m 0.5\,\text{m} 0.5 m B. 1 m 1\,\text{m} 1 m C. 2 m 2\,\text{m} 2 m D. 4 m 4\,\text{m} 4 m
【解析】 由原点振动方程知角频率 ω = 4 π rad/s \omega = 4\pi\,\text{rad/s} ω = 4 π rad/s ,周期 T = 2 π ω = 2 π 4 π = 0.5 s T = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{2\pi}{4\pi} = 0.5\,\text{s} T = ω 2 π = 4 π 2 π = 0.5 s 。波速 u = λ / T u = \lambda/T u = λ / T ,故 λ = u T = 2 × 0.5 = 1 m \lambda = uT = 2\times 0.5 = 1\,\text{m} λ = u T = 2 × 0.5 = 1 m 。也可直接由 ω = 2 π ν \omega = 2\pi\nu ω = 2 π ν 和 u = λ ν u = \lambda\nu u = λ ν 联立得 λ = 2 π u ω = 2 π × 2 4 π = 1 m \lambda = \dfrac{2\pi u}{\omega} = \dfrac{2\pi\times 2}{4\pi} = 1\,\text{m} λ = ω 2 π u = 4 π 2 π × 2 = 1 m 。本题选 B 。
8. 一火箭的固有长度为 100 m 100\,\text{m} 100 m ,以 v = 0.6 c v=0.6c v = 0.6 c 相对地面飞行。地面观察者测得火箭长度为( )
A. 60 m 60\,\text{m} 60 m B. 80 m 80\,\text{m} 80 m C. 100 m 100\,\text{m} 100 m D. 125 m 125\,\text{m} 125 m
【解析】 由长度收缩公式 L = L 0 1 − v 2 / c 2 = L 0 / γ L = L_0\sqrt{1-v^2/c^2} = L_0/\gamma L = L 0 1 − v 2 / c 2 = L 0 / γ 。先算洛伦兹因子:γ = 1 1 − 0.6 2 = 1 0.64 = 1.25 \gamma = \dfrac{1}{\sqrt{1-0.6^2}} = \dfrac{1}{\sqrt{0.64}} = 1.25 γ = 1 − 0. 6 2 1 = 0.64 1 = 1.25 。因此 L = 100 / 1.25 = 80 m L = 100/1.25 = 80\,\text{m} L = 100/1.25 = 80 m 。长度收缩只发生在运动方向上,固有长度是最长的长度。本题选 B 。
9. 关于热力学第二定律,下列说法正确的是( )
A. 热量可以从低温物体自动传到高温物体而不产生其他影响
B. 从单一热源吸热可以完全变为有用功而不产生其他影响
C. 一切宏观热力学过程都是不可逆的
D. 理想气体自由膨胀过程是可逆过程
【解析】 热力学第二定律揭示了自然过程的不可逆性。开尔文表述:不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。克劳修斯表述:热量不能自动地从低温物体传向高温物体。因此A、B均错误。理想气体自由膨胀是不可逆过程(D错误)。一切实际的宏观热力学过程都是不可逆的(C正确)。本题选 C 。
10. 两相干波源 S 1 S_1 S 1 、S 2 S_2 S 2 相距 3 m 3\,\text{m} 3 m ,振动频率均为 100 Hz 100\,\text{Hz} 100 Hz ,波速 400 m/s 400\,\text{m/s} 400 m/s ,相位相同。在 S 1 S 2 S_1S_2 S 1 S 2 连线上因干涉而静止的点位于( )
A. x = 0.5 m x=0.5\,\text{m} x = 0.5 m 和 x = 2.5 m x=2.5\,\text{m} x = 2.5 m
B. x = 1 m x=1\,\text{m} x = 1 m 和 x = 2 m x=2\,\text{m} x = 2 m
C. x = 0.5 m x=0.5\,\text{m} x = 0.5 m 和 x = 1.5 m x=1.5\,\text{m} x = 1.5 m
D. x = 1 m x=1\,\text{m} x = 1 m 和 x = 2.5 m x=2.5\,\text{m} x = 2.5 m
【解析】 波长 λ = u / ν = 400 / 100 = 4 m \lambda = u/\nu = 400/100 = 4\,\text{m} λ = u / ν = 400/100 = 4 m 。在 S 1 S 2 S_1S_2 S 1 S 2 连线上,设 S 1 S_1 S 1 在原点,S 2 S_2 S 2 在 x = 3 x=3 x = 3 处。两波源之间任一点 P P P (0 ≤ x ≤ 3 0\le x\le 3 0 ≤ x ≤ 3 )到两波源距离分别为 r 1 = x r_1=x r 1 = x ,r 2 = 3 − x r_2=3-x r 2 = 3 − x ,波程差 δ = ∣ r 2 − r 1 ∣ = ∣ 3 − 2 x ∣ \delta = |r_2-r_1| = |3-2x| δ = ∣ r 2 − r 1 ∣ = ∣3 − 2 x ∣ 。干涉减弱(静止)条件:δ = ( 2 k + 1 ) λ / 2 = ( 2 k + 1 ) × 2 \delta = (2k+1)\lambda/2 = (2k+1)\times 2 δ = ( 2 k + 1 ) λ /2 = ( 2 k + 1 ) × 2 。
k = 0 k=0 k = 0 :∣ 3 − 2 x ∣ = 2 |3-2x|=2 ∣3 − 2 x ∣ = 2 ⇒ \Rightarrow ⇒ 3 − 2 x = 2 3-2x=2 3 − 2 x = 2 或 3 − 2 x = − 2 3-2x=-2 3 − 2 x = − 2 ,得 x = 0.5 x=0.5 x = 0.5 或 x = 2.5 x=2.5 x = 2.5 ,均在 [ 0 , 3 ] [0,3] [ 0 , 3 ] 范围内。
k = 1 k=1 k = 1 :∣ 3 − 2 x ∣ = 6 |3-2x|=6 ∣3 − 2 x ∣ = 6 ,超出范围。
故静止点为 x = 0.5 m x=0.5\,\text{m} x = 0.5 m 和 x = 2.5 m x=2.5\,\text{m} x = 2.5 m 。本题选 A 。
二、填空题(每小题3分,共18分)# 11. 一辆汽车以 v 0 = 20 m/s v_0=20\,\text{m/s} v 0 = 20 m/s 的速度行驶,以 a = − 5 m/s 2 a=-5\,\text{m/s}^2 a = − 5 m/s 2 刹车。汽车在刹车后第 6 s 6\,\text{s} 6 s 内的位移为 ________ 。
【解析】 先求停止时间:由 v = v 0 + a t = 0 v = v_0 + at = 0 v = v 0 + a t = 0 得 t 0 = 20 / 5 = 4 s t_0 = 20/5 = 4\,\text{s} t 0 = 20/5 = 4 s 。汽车在 4 s 4\,\text{s} 4 s 时已停止,之后保持静止。因此”第 6 s 6\,\text{s} 6 s 内”(即 t = 5 s t=5\,\text{s} t = 5 s 到 t = 6 s t=6\,\text{s} t = 6 s )汽车已经停止,位移为 0 。
易错警示 :若直接代入 t = 6 t=6 t = 6 计算位移会得到错误结果。刹车问题必须先判断停止时间。
12. 质量为 m m m 的物体从倾角 θ \theta θ 的光滑斜面顶端静止下滑,斜面长 L L L ,到达底端时的速度大小为 ________ 。
【解析】 受力分析:重力沿斜面分量为 m g sin θ mg\sin\theta m g sin θ ,垂直斜面分量为 m g cos θ mg\cos\theta m g cos θ ,支持力 N = m g cos θ N=mg\cos\theta N = m g cos θ 。沿斜面方向由牛顿第二定律:m g sin θ = m a mg\sin\theta = ma m g sin θ = ma ,得 a = g sin θ a = g\sin\theta a = g sin θ 。再由运动学公式 v 2 = v 0 2 + 2 a L = 0 + 2 g L sin θ v^2 = v_0^2 + 2aL = 0 + 2gL\sin\theta v 2 = v 0 2 + 2 a L = 0 + 2 g L sin θ ,故速度为 2 g L sin θ \sqrt{2gL\sin\theta} 2 g L sin θ 。
也可由机械能守恒:m g L sin θ = 1 2 m v 2 mgL\sin\theta = \dfrac{1}{2}mv^2 m g L sin θ = 2 1 m v 2 ,直接得 v = 2 g L sin θ v = \sqrt{2gL\sin\theta} v = 2 g L sin θ 。
13. 一质量为 m m m 、长为 l l l 的匀质细杆绕其一端在竖直平面内自由转动,从水平位置静止释放,摆到竖直位置时杆的角速度为 ________ 。
【解析】 只有重力做功,轴处约束力不做功,机械能守恒。以竖直位置质心所在平面为势能零点(或直接算势能变化)。杆从水平到竖直,质心下降高度 Δ h = l / 2 \Delta h = l/2 Δ h = l /2 。转动惯量 J = 1 3 m l 2 J = \dfrac{1}{3}ml^2 J = 3 1 m l 2 (绕端点)。由 m g ⋅ l 2 = 1 2 J ω 2 = 1 2 ⋅ 1 3 m l 2 ⋅ ω 2 mg\cdot \dfrac{l}{2} = \dfrac{1}{2}J\omega^2 = \dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{1}{3}ml^2\cdot \omega^2 m g ⋅ 2 l = 2 1 J ω 2 = 2 1 ⋅ 3 1 m l 2 ⋅ ω 2 ,化简得 ω = 3 g l \omega = \sqrt{\dfrac{3g}{l}} ω = l 3 g 。答案为 3 g / l \sqrt{3g/l} 3 g / l 。
14. 2 mol 刚性双原子分子理想气体,温度从 300 K 300\,\text{K} 300 K 升至 400 K 400\,\text{K} 400 K ,其内能增量为 ________ J。
【解析】 理想气体内能 E = i 2 ν R T E = \dfrac{i}{2}\nu RT E = 2 i ν R T ,刚性双原子 i = 5 i=5 i = 5 ,ν = 2 mol \nu=2\,\text{mol} ν = 2 mol 。Δ E = i 2 ν R Δ T = 5 2 × 2 × 8.314 × ( 400 − 300 ) = 5 × 8.314 × 100 = 4157 J \Delta E = \dfrac{i}{2}\nu R\Delta T = \dfrac{5}{2}\times 2\times 8.314\times (400-300) = 5\times 8.314\times 100 = 4157\,\text{J} Δ E = 2 i ν R Δ T = 2 5 × 2 × 8.314 × ( 400 − 300 ) = 5 × 8.314 × 100 = 4157 J 。答案为 4157 (或 4157 J 4157\,\text{J} 4157 J ,约 4.16 × 10 3 J 4.16\times 10^3\,\text{J} 4.16 × 1 0 3 J )。
15. 一平面简谐波沿 x x x 轴正方向传播,原点处质点的振动方程为 y = 0.02 cos ( 2 π t + π / 4 ) y = 0.02\cos(2\pi t + \pi/4) y = 0.02 cos ( 2 π t + π /4 ) (SI),波速 u = 4 m/s u = 4\,\text{m/s} u = 4 m/s 。则该波的波动表达式为 y = y = y = ________ (SI)。
【解析】 沿 x x x 轴正方向传播的平面简谐波波动表达式为 y = A cos [ ω ( t − x / u ) + φ 0 ] y = A\cos[\omega(t - x/u) + \varphi_0] y = A cos [ ω ( t − x / u ) + φ 0 ] 。代入 A = 0.02 A=0.02 A = 0.02 ,ω = 2 π \omega=2\pi ω = 2 π ,u = 4 u=4 u = 4 ,φ 0 = π / 4 \varphi_0=\pi/4 φ 0 = π /4 ,得 y = 0.02 cos [ 2 π ( t − x / 4 ) + π / 4 ] y = 0.02\cos[2\pi(t - x/4) + \pi/4] y = 0.02 cos [ 2 π ( t − x /4 ) + π /4 ] (m)。也可写成 y = 0.02 cos ( 2 π t − π 2 x + π / 4 ) y = 0.02\cos(2\pi t - \dfrac{\pi}{2}x + \pi/4) y = 0.02 cos ( 2 π t − 2 π x + π /4 ) (m)。答案为 0.02 cos [ 2 π ( t − x / 4 ) + π / 4 ] 0.02\cos[2\pi(t - x/4) + \pi/4] 0.02 cos [ 2 π ( t − x /4 ) + π /4 ] (SI)。
16. μ \mu μ 子静止平均寿命为 τ 0 = 2.2 μ s \tau_0 = 2.2\,\mu\text{s} τ 0 = 2.2 μ s ,若以 v = 0.998 c v = 0.998c v = 0.998 c 运动,地面观察者测得它的寿命约为 ________ μ s \mu\text{s} μ s 。(已知 γ ≈ 15.8 \gamma \approx 15.8 γ ≈ 15.8 )
【解析】 由时间膨胀公式 τ = γ τ 0 = 15.8 × 2.2 = 34.76 ≈ 34.8 μ s \tau = \gamma \tau_0 = 15.8\times 2.2 = 34.76\approx 34.8\,\mu\text{s} τ = γ τ 0 = 15.8 × 2.2 = 34.76 ≈ 34.8 μ s 。运动的钟变慢,地面观察者测得运动的 μ \mu μ 子寿命显著延长。答案为 34.8 (或约 35 )。
三、计算题(共52分)# 17.(10分) 河宽 d = 500 m d = 500\,\text{m} d = 500 m ,水流速度 u = 3 m/s u = 3\,\text{m/s} u = 3 m/s (沿河岸方向)。船在静水中的速度 v ′ = 4 m/s v' = 4\,\text{m/s} v ′ = 4 m/s 。求:
(1) 船要以最短时间渡河,船头应指向何方?最短时间是多少?
(2) 船要以最短位移渡河,船头应指向何方?此时的渡河时间是多少?
【解析】
设河岸为 S S S 系,由伽利略速度变换:v ⃗ = v ⃗ ′ + u ⃗ \vec{v} = \vec{v}' + \vec{u} v = v ′ + u ,其中 v ⃗ \vec{v} v 为船对地速度,v ⃗ ′ \vec{v}' v ′ 为船对水速度,u ⃗ \vec{u} u 为水对地速度。
(1) 最短时间渡河
渡河时间由垂直河岸方向的分速度决定。要使时间最短,需使垂直河岸的分速度最大。由于 v ′ v' v ′ 大小固定,当船头垂直指向河岸 时,垂直分速度最大为 v ′ v' v ′ 。
t min = d v ′ = 500 4 = 125 s t_{\min} = \dfrac{d}{v'} = \dfrac{500}{4} = 125\,\text{s} t m i n = v ′ d = 4 500 = 125 s
此时船头应 垂直指向对岸 (与河岸成 90 ° 90° 90° )。
(2) 最短位移渡河
最短位移为河宽 d = 500 m d = 500\,\text{m} d = 500 m ,要求合速度 v ⃗ \vec{v} v 垂直河岸。由 v ⃗ = v ⃗ ′ + u ⃗ \vec{v} = \vec{v}' + \vec{u} v = v ′ + u ,要使 v ⃗ \vec{v} v 垂直河岸,需 v ⃗ ′ \vec{v}' v ′ 的水平分量(沿河岸向上游方向)抵消 u ⃗ \vec{u} u 。
设船头偏向上游,与垂直河岸方向夹角为 α \alpha α :
v ′ sin α = u ⇒ sin α = u v ′ = 3 4 = 0.75 v'\sin\alpha = u \Rightarrow \sin\alpha = \dfrac{u}{v'} = \dfrac{3}{4} = 0.75 v ′ sin α = u ⇒ sin α = v ′ u = 4 3 = 0.75
α = arcsin ( 0.75 ) ≈ 48.6 ° \alpha = \arcsin(0.75) \approx 48.6° α = arcsin ( 0.75 ) ≈ 48.6°
即船头应偏向上游,与垂直河岸方向成约 48.6 ° 48.6° 48.6° (或与下游河岸夹角约 41.4 ° 41.4° 41.4° )。
此时垂直河岸的实际速度:v = v ′ cos α = 4 × 1 − 0.75 2 = 4 × 7 4 = 7 ≈ 2.65 m/s v = v'\cos\alpha = 4\times\sqrt{1-0.75^2} = 4\times\dfrac{\sqrt{7}}{4} = \sqrt{7} \approx 2.65\,\text{m/s} v = v ′ cos α = 4 × 1 − 0.7 5 2 = 4 × 4 7 = 7 ≈ 2.65 m/s
渡河时间:t = d v = 500 7 ≈ 189 s t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{500}{\sqrt{7}} \approx 189\,\text{s} t = v d = 7 500 ≈ 189 s
对比 :最短位移渡河(189 s 189\,\text{s} 189 s )比最短时间渡河(125 s 125\,\text{s} 125 s )耗时更长,体现了”路程短”与”时间短”之间的权衡。
18.(10分) 质量 m = 2 kg m = 2\,\text{kg} m = 2 kg 的物体以 v 0 = 10 m/s v_0 = 10\,\text{m/s} v 0 = 10 m/s 在粗糙水平面上滑行,摩擦系数 μ = 0.2 \mu = 0.2 μ = 0.2 ,g = 10 m/s 2 g = 10\,\text{m/s}^2 g = 10 m/s 2 。求:
(1) 物体滑行的距离;
(2) 若物体撞上一静止的轻弹簧(劲度系数 k = 200 N/m k = 200\,\text{N/m} k = 200 N/m ),求弹簧的最大压缩量。
【解析】
(1) 滑行距离
由动能定理:摩擦力做的功等于动能变化。摩擦力 f = μ N = μ m g = 0.2 × 2 × 10 = 4 N f = \mu N = \mu mg = 0.2\times 2\times 10 = 4\,\text{N} f = μ N = μ m g = 0.2 × 2 × 10 = 4 N 。
W f = − f ⋅ s = − μ m g s = 0 − 1 2 m v 0 2 W_f = -f\cdot s = -\mu mgs = 0 - \dfrac{1}{2}mv_0^2 W f = − f ⋅ s = − μ m g s = 0 − 2 1 m v 0 2
s = v 0 2 2 μ g = 100 2 × 0.2 × 10 = 100 4 = 25 m s = \dfrac{v_0^2}{2\mu g} = \dfrac{100}{2\times 0.2\times 10} = \dfrac{100}{4} = 25\,\text{m} s = 2 μg v 0 2 = 2 × 0.2 × 10 100 = 4 100 = 25 m
结果与质量无关,是此类问题的有趣结论。
(2) 弹簧最大压缩量
物体从初速度 v 0 v_0 v 0 开始,克服摩擦力做功,同时压缩弹簧。设最大压缩量为 x x x ,此时物体速度为零。由动能定理:
− μ m g x − 1 2 k x 2 = 0 − 1 2 m v 0 2 -\mu mgx - \dfrac{1}{2}kx^2 = 0 - \dfrac{1}{2}mv_0^2 − μ m g x − 2 1 k x 2 = 0 − 2 1 m v 0 2
1 2 k x 2 + μ m g x − 1 2 m v 0 2 = 0 \dfrac{1}{2}kx^2 + \mu mgx - \dfrac{1}{2}mv_0^2 = 0 2 1 k x 2 + μ m g x − 2 1 m v 0 2 = 0
代入数值:100 x 2 + 4 x − 100 = 0 100x^2 + 4x - 100 = 0 100 x 2 + 4 x − 100 = 0 ,即 25 x 2 + x − 25 = 0 25x^2 + x - 25 = 0 25 x 2 + x − 25 = 0
由求根公式:x = − 1 + 1 + 2500 50 = − 1 + 2501 50 ≈ − 1 + 50.01 50 ≈ 0.98 m x = \dfrac{-1 + \sqrt{1 + 2500}}{50} = \dfrac{-1 + \sqrt{2501}}{50} \approx \dfrac{-1 + 50.01}{50} \approx 0.98\,\text{m} x = 50 − 1 + 1 + 2500 = 50 − 1 + 2501 ≈ 50 − 1 + 50.01 ≈ 0.98 m
弹簧最大压缩量约为 0.98 m 0.98\,\text{m} 0.98 m (或精确解 x = − 1 + 2501 50 m x = \dfrac{-1 + \sqrt{2501}}{50}\,\text{m} x = 50 − 1 + 2501 m )。
19.(10分) 一质量为 m m m 、半径为 R R R 的匀质圆柱体,从倾角为 θ \theta θ 的斜面上由静止开始无滑动地滚下。求:
(1) 质心加速度 a c a_c a c ;
(2) 静摩擦力 f f f 的大小。
【解析】
圆柱做平面运动 = 质心平动 + 绕质心转动。
受力分析 :重力 m g mg m g (竖直向下)、支持力 N N N (垂直斜面向上)、静摩擦力 f f f (沿斜面向上,提供转动所需力矩)。
列方程 :
(1) 质心平动(沿斜面向下为正):
m g sin θ − f = m a c (牛顿第二定律) mg\sin\theta - f = ma_c \quad \text{(牛顿第二定律)} m g sin θ − f = m a c (牛顿第二定律)
(2) 绕质心转动(顺时针为正):
f R = J c α (转动定律) fR = J_c\alpha \quad \text{(转动定律)} f R = J c α (转动定律)
(3) 无滑动条件(运动学约束):
a c = R α a_c = R\alpha a c = R α
联立求解 :
由 (3) 得 α = a c / R \alpha = a_c/R α = a c / R ,代入 (2):
f R = J c ⋅ a c R ⇒ f = J c a c R 2 fR = J_c\cdot \dfrac{a_c}{R} \Rightarrow f = \dfrac{J_c a_c}{R^2} f R = J c ⋅ R a c ⇒ f = R 2 J c a c
匀质圆柱 J c = 1 2 m R 2 J_c = \dfrac{1}{2}mR^2 J c = 2 1 m R 2 ,故 f = 1 2 m a c f = \dfrac{1}{2}ma_c f = 2 1 m a c 。
代入 (1):
m g sin θ − 1 2 m a c = m a c ⇒ m g sin θ = 3 2 m a c mg\sin\theta - \dfrac{1}{2}ma_c = ma_c \Rightarrow mg\sin\theta = \dfrac{3}{2}ma_c m g sin θ − 2 1 m a c = m a c ⇒ m g sin θ = 2 3 m a c
a c = 2 3 g sin θ \boxed{a_c = \dfrac{2}{3}g\sin\theta} a c = 3 2 g sin θ
静摩擦力:
f = 1 2 m a c = 1 2 m ⋅ 2 3 g sin θ = 1 3 m g sin θ f = \dfrac{1}{2}ma_c = \dfrac{1}{2}m\cdot \dfrac{2}{3}g\sin\theta = \boxed{\dfrac{1}{3}mg\sin\theta} f = 2 1 m a c = 2 1 m ⋅ 3 2 g sin θ = 3 1 m g sin θ
讨论 :若无滑动条件不满足,即 f > μ s N = μ s m g cos θ f > \mu_s N = \mu_s mg\cos\theta f > μ s N = μ s m g cos θ ,则会发生滑动,需重新分析。
20.(10分) 2 mol 理想气体(刚性双原子)经历如图所示循环:A → B A \to B A → B 为等压过程,B → C B \to C B → C 为等容过程,C → A C \to A C → A 为等温过程。已知 p A = 2 p 0 p_A = 2p_0 p A = 2 p 0 ,V A = V 0 V_A = V_0 V A = V 0 ,T A = T 0 T_A = T_0 T A = T 0 ,V B = 2 V 0 V_B = 2V_0 V B = 2 V 0 ,p 0 = 1.0 × 10 5 Pa p_0 = 1.0\times 10^5\,\text{Pa} p 0 = 1.0 × 1 0 5 Pa ,V 0 = 2.0 × 10 − 3 m 3 V_0 = 2.0\times 10^{-3}\,\text{m}^3 V 0 = 2.0 × 1 0 − 3 m 3 。求:
(1) 各状态的温度 T B T_B T B 、T C T_C T C ;
(2) 一个循环中气体对外做的净功 W 净 W_{\text{净}} W 净 ;
(3) 循环效率 η \eta η 。
【解析】
(1) 各状态温度
由理想气体状态方程 p V = ν R T pV = \nu RT p V = ν R T 。
A → B A \to B A → B 等压过程:V A T A = V B T B \dfrac{V_A}{T_A} = \dfrac{V_B}{T_B} T A V A = T B V B ,故 T B = T A ⋅ V B V A = T 0 × 2 V 0 V 0 = 2 T 0 T_B = T_A\cdot \dfrac{V_B}{V_A} = T_0\times \dfrac{2V_0}{V_0} = 2T_0 T B = T A ⋅ V A V B = T 0 × V 0 2 V 0 = 2 T 0 。
C → A C \to A C → A 等温过程:T C = T A = T 0 T_C = T_A = T_0 T C = T A = T 0 。
由状态方程求 T 0 T_0 T 0 :T 0 = p A V A ν R = 2 p 0 V 0 2 R = p 0 V 0 R T_0 = \dfrac{p_A V_A}{\nu R} = \dfrac{2p_0 V_0}{2R} = \dfrac{p_0 V_0}{R} T 0 = ν R p A V A = 2 R 2 p 0 V 0 = R p 0 V 0 。
代入数值:T 0 = 1.0 × 10 5 × 2.0 × 10 − 3 8.314 = 200 8.314 ≈ 24.1 K T_0 = \dfrac{1.0\times 10^5\times 2.0\times 10^{-3}}{8.314} = \dfrac{200}{8.314} \approx 24.1\,\text{K} T 0 = 8.314 1.0 × 1 0 5 × 2.0 × 1 0 − 3 = 8.314 200 ≈ 24.1 K 。
(或保留符号表示即可)
(2) 净功
循环净功 = p − V p-V p − V 图上循环曲线包围的面积。该循环为三角形(近似),面积 = 1 2 ( V B − V A ) ( p A − p C ) = \dfrac{1}{2}(V_B-V_A)(p_A-p_C) = 2 1 ( V B − V A ) ( p A − p C ) 。
先求 p C p_C p C :B → C B \to C B → C 等容,p B T B = p C T C \dfrac{p_B}{T_B} = \dfrac{p_C}{T_C} T B p B = T C p C ,p B = p A = 2 p 0 p_B = p_A = 2p_0 p B = p A = 2 p 0 ,T B = 2 T 0 T_B = 2T_0 T B = 2 T 0 ,T C = T 0 T_C = T_0 T C = T 0 ,故 p C = p B ⋅ T C T B = 2 p 0 × 1 2 = p 0 p_C = p_B\cdot \dfrac{T_C}{T_B} = 2p_0\times \dfrac{1}{2} = p_0 p C = p B ⋅ T B T C = 2 p 0 × 2 1 = p 0 。
净功:W 净 = 1 2 ( 2 V 0 − V 0 ) ( 2 p 0 − p 0 ) = 1 2 V 0 p 0 = 1 2 × 2.0 × 10 − 3 × 1.0 × 10 5 = 100 J W_{\text{净}} = \dfrac{1}{2}(2V_0-V_0)(2p_0-p_0) = \dfrac{1}{2}V_0 p_0 = \dfrac{1}{2}\times 2.0\times 10^{-3}\times 1.0\times 10^5 = 100\,\text{J} W 净 = 2 1 ( 2 V 0 − V 0 ) ( 2 p 0 − p 0 ) = 2 1 V 0 p 0 = 2 1 × 2.0 × 1 0 − 3 × 1.0 × 1 0 5 = 100 J 。
也可分段计算:
A → B A \to B A → B 等压:W A B = p A ( V B − V A ) = 2 p 0 V 0 = 400 J W_{AB} = p_A(V_B-V_A) = 2p_0 V_0 = 400\,\text{J} W A B = p A ( V B − V A ) = 2 p 0 V 0 = 400 J
B → C B \to C B → C 等容:W B C = 0 W_{BC} = 0 W B C = 0
C → A C \to A C → A 等温:W C A = ν R T 0 ln V A V C = 2 R T 0 ln 1 2 = − 2 p 0 V 0 ln 2 ≈ − 277 J W_{CA} = \nu RT_0\ln\dfrac{V_A}{V_C} = 2RT_0\ln\dfrac{1}{2} = -2p_0V_0\ln 2 \approx -277\,\text{J} W C A = ν R T 0 ln V C V A = 2 R T 0 ln 2 1 = − 2 p 0 V 0 ln 2 ≈ − 277 J
W 净 = 400 + 0 − 277 = 123 J W_{\text{净}} = 400 + 0 - 277 = 123\,\text{J} W 净 = 400 + 0 − 277 = 123 J (精确值 2 p 0 V 0 ( 1 − ln 2 ) ≈ 123 J 2p_0V_0(1-\ln 2) \approx 123\,\text{J} 2 p 0 V 0 ( 1 − ln 2 ) ≈ 123 J )。
三角形面积法为近似,精确值应按分段计算。答案取 123 J 123\,\text{J} 123 J (或 2 p 0 V 0 ( 1 − ln 2 ) 2p_0V_0(1-\ln 2) 2 p 0 V 0 ( 1 − ln 2 ) )。
(3) 循环效率
效率 η = W 净 Q 1 \eta = \dfrac{W_{\text{净}}}{Q_1} η = Q 1 W 净 ,Q 1 Q_1 Q 1 为循环中吸收的总热量。
A → B A \to B A → B 等压吸热:Q A B = ν C p ( T B − T A ) = 2 × 7 2 R × T 0 = 7 R T 0 = 7 p 0 V 0 = 700 J Q_{AB} = \nu C_p(T_B-T_A) = 2\times \dfrac{7}{2}R\times T_0 = 7RT_0 = 7p_0V_0 = 700\,\text{J} Q A B = ν C p ( T B − T A ) = 2 × 2 7 R × T 0 = 7 R T 0 = 7 p 0 V 0 = 700 J
B → C B \to C B → C 等容放热:Q B C = ν C V ( T C − T B ) = 2 × 5 2 R × ( − T 0 ) = − 5 R T 0 = − 5 p 0 V 0 = − 500 J Q_{BC} = \nu C_V(T_C-T_B) = 2\times \dfrac{5}{2}R\times (-T_0) = -5RT_0 = -5p_0V_0 = -500\,\text{J} Q B C = ν C V ( T C − T B ) = 2 × 2 5 R × ( − T 0 ) = − 5 R T 0 = − 5 p 0 V 0 = − 500 J (放热)
C → A C \to A C → A 等温放热:Q C A = W C A = − 2 p 0 V 0 ln 2 ≈ − 277 J Q_{CA} = W_{CA} = -2p_0V_0\ln 2 \approx -277\,\text{J} Q C A = W C A = − 2 p 0 V 0 ln 2 ≈ − 277 J (放热,因体积减小)
总吸热 Q 1 = Q A B = 700 J Q_1 = Q_{AB} = 700\,\text{J} Q 1 = Q A B = 700 J (只有等压过程吸热)。
η = W 净 Q 1 = 2 p 0 V 0 ( 1 − ln 2 ) 7 p 0 V 0 = 2 ( 1 − ln 2 ) 7 ≈ 123 700 ≈ 17.6 % \eta = \dfrac{W_{\text{净}}}{Q_1} = \dfrac{2p_0V_0(1-\ln 2)}{7p_0V_0} = \dfrac{2(1-\ln 2)}{7} \approx \dfrac{123}{700} \approx 17.6\% η = Q 1 W 净 = 7 p 0 V 0 2 p 0 V 0 ( 1 − ln 2 ) = 7 2 ( 1 − ln 2 ) ≈ 700 123 ≈ 17.6%
答案:效率约为 17.6 % 17.6\% 17.6% (或精确表达式 2 ( 1 − ln 2 ) 7 \dfrac{2(1-\ln 2)}{7} 7 2 ( 1 − ln 2 ) )。
21.(12分) 一劲度系数为 k k k 的轻弹簧上端固定,下端挂一质量为 m m m 的物体。将物体从平衡位置向下拉 A A A 后释放。
(1) 证明物体做简谐振动,并求振动周期;
(2) 若以平衡位置为原点、向下为正方向,写出振动方程;
(3) 若 m = 1 kg m = 1\,\text{kg} m = 1 kg ,k = 100 N/m k = 100\,\text{N/m} k = 100 N/m ,A = 0.05 m A = 0.05\,\text{m} A = 0.05 m ,求物体经过平衡位置时的速度。
【解析】
(1) 证明简谐振动并求周期
设弹簧原长时物体位置为坐标原点,向下为正。平衡时弹簧伸长 x 0 x_0 x 0 ,由 k x 0 = m g kx_0 = mg k x 0 = m g 得 x 0 = m g / k x_0 = mg/k x 0 = m g / k 。
以平衡位置为新原点,设物体偏离平衡位置的位移为 x x x (向下为正)。物体所受合力:
F = m g − k ( x 0 + x ) = m g − k x 0 − k x = − k x F = mg - k(x_0 + x) = mg - kx_0 - kx = -kx F = m g − k ( x 0 + x ) = m g − k x 0 − k x = − k x
(将 k x 0 = m g kx_0 = mg k x 0 = m g 代入,重力与弹力中的常数项抵消)
由牛顿第二定律:
m d 2 x d t 2 = − k x ⇒ d 2 x d t 2 + k m x = 0 m\dfrac{d^2x}{dt^2} = -kx \Rightarrow \dfrac{d^2x}{dt^2} + \dfrac{k}{m}x = 0 m d t 2 d 2 x = − k x ⇒ d t 2 d 2 x + m k x = 0
符合简谐振动的动力学特征 a = − ω 2 x a = -\omega^2 x a = − ω 2 x ,其中 ω = k / m \omega = \sqrt{k/m} ω = k / m 。因此物体做简谐振动。
周期:T = 2 π ω = 2 π m k T = \dfrac{2\pi}{\omega} = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}} T = ω 2 π = 2 π k m 。
关键结论 :竖直弹簧振子与水平弹簧振子的角频率相同,只是平衡位置下移了 x 0 = m g / k x_0 = mg/k x 0 = m g / k 。
(2) 振动方程
t = 0 t = 0 t = 0 时,x 0 = A x_0 = A x 0 = A (向下拉到 A A A 处),v 0 = 0 v_0 = 0 v 0 = 0 。
振幅:A = x 0 2 + v 0 2 ω 2 = A A = \sqrt{x_0^2 + \dfrac{v_0^2}{\omega^2}} = A A = x 0 2 + ω 2 v 0 2 = A 。
初相位:tan φ = − v 0 ω x 0 = 0 \tan\varphi = -\dfrac{v_0}{\omega x_0} = 0 tan φ = − ω x 0 v 0 = 0 ,且 x 0 = A cos φ = A > 0 x_0 = A\cos\varphi = A > 0 x 0 = A cos φ = A > 0 ,故 φ = 0 \varphi = 0 φ = 0 。
振动方程:x = A cos ( k m t ) \boxed{x = A\cos\left(\sqrt{\dfrac{k}{m}}t\right)} x = A cos ( m k t ) (以平衡位置为原点,向下为正方向)。
(3) 经过平衡位置时的速度
由能量守恒:1 2 k A 2 = 1 2 m v max 2 \dfrac{1}{2}kA^2 = \dfrac{1}{2}mv_{\max}^2 2 1 k A 2 = 2 1 m v m a x 2 ,得 v max = A k / m v_{\max} = A\sqrt{k/m} v m a x = A k / m 。
代入数值:v max = 0.05 × 100 / 1 = 0.05 × 10 = 0.5 m/s v_{\max} = 0.05\times \sqrt{100/1} = 0.05\times 10 = 0.5\,\text{m/s} v m a x = 0.05 × 100/1 = 0.05 × 10 = 0.5 m/s 。
或直接用振动方程:v = − A ω sin ( ω t ) v = -A\omega\sin(\omega t) v = − A ω sin ( ω t ) ,在平衡位置 x = 0 x=0 x = 0 时 cos ( ω t ) = 0 \cos(\omega t) = 0 cos ( ω t ) = 0 ,sin ( ω t ) = ± 1 \sin(\omega t) = \pm 1 sin ( ω t ) = ± 1 ,故 ∣ v ∣ = A ω = 0.5 m/s |v| = A\omega = 0.5\,\text{m/s} ∣ v ∣ = A ω = 0.5 m/s 。
答案:经过平衡位置时的速度大小为 0.5 m/s 0.5\,\text{m/s} 0.5 m/s 。
试卷结束,祝考试顺利!