已知作用于质点上的力和初始条件,求质点的运动规律(v,r).这种情况,一般需用积分方法求解二阶微分方程.下面仅就一维直线运动的情况分三类讨论:
①力是时间的函数,即F=F(t),此时,质点的动力学方程为,分离变量后积分,并代入初始条件,即可求得v=v(t).利用再分离变量积分,并代入初始条件,即可求得x=x(t).
例2.3 质量为m 的质点在周期性外力F=F0cos ωt 的作用下开始沿x 轴运动,其中F0、ω 均为常量.设t=0 时质点静止于坐标原点,求质点的速度、位置与时间的关系.
解 由质点的动力学方程
分离变量后得
将上式两边分别积分,并注意到t=0 时,v0=0,则有
积分上式得
将代入上式,并注意到t=0 时,x0=0,分离变量后积分得
②力是坐标的函数,即F=F(x),此时,质点的动力学方程为,利用关系式作变量替换,上述方程即可变为,对该式积分,并代入初始条件:x=x0 时,v=v0,即可求出v 随x 变化的关系式v=v(x).
例2.4 一质点沿x 轴运动,所受的力和坐标的关系为F=F0-kx,其中F0、k 均为常量,质点在x=0 处的速度为v0,求质点的速度和坐标的关系.
解 由质点的动力学方程得
将代入上式,得(www.xing528.com)
分离变量得
对上式两边积分,并代入初始条件:x=0,v=v0,则有
解得
③力是速度的函数,即F=F(v).这时,质点的动力学方程为,分离变量,得出微分方程,然后等式两边积分,并代入初始条件:t=0 时,v=v0,则可解出速度与时间的函数关系式v=v(t).根据题设条件再积分,便可求出质点的位置坐标x=x(t).有时也可直接将代入动力学方程来求质点的位置坐标,以简化问题的计算.
例2.5 质量为m 的小船在平静的湖面上以速度v0 航行.由于特殊情况,小船突然关机.这时,水的阻力与小船速度之间的关系为F=-bv(b 为常量).求:(1)船速与时间的关系;(2)小船所能滑行的最大距离.
解 (1)由牛顿第二定律可得小船的动力学微分方程为
分离变量并积分得
解之得
(2)由速度的定义式得
分离变量并积分得
解之得
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