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将质量为m的质点竖直上抛于有阻力的媒质中,设阻力与速度平方成正比,即R=mk2gv2,如上掷时的速度为v0,试证此质点又落至投掷点时的速度为:_(1)=dfrac ({v)_(0)}(sqrt {1+{k)^2(v)_(0)}}

将质量为m的质点竖直上抛于有阻力的媒质中,设阻力与速度平方成正比,即R=mk2gv2,如上掷时的速度为v0,试证此质点又落至投掷点时的速度为:

题目解答

答案

解析

步骤 1:建立坐标系和受力分析
选取坐标系Ox,质点受重力mg和阻力R=mk^{2}gv^{2}的作用。上升时,质点运动微分方程为:$m\overrightarrow {x}=-mg-m{k}^{2}g{v}^{2}$,其中v为速度,x为位移。

步骤 2:分离变量积分
将微分方程写为:$\dfrac {dx}{dx}=-g(1+{k}^{2}{x}^{2})$,分离变量并积分得:$\ln (1+{k}^{2}{x}^{2})=-2{k}^{2}gx+{C}_{1}$。利用初始条件$x=0\quad i={v}_{0}$,求得${C}_{1}=\ln (1+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2})$,代入上式得:$1+{k}^{2}{x}^{2}=(1+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2}){e}^{-2{k}^{2}gx}$。

步骤 3:求最高点位置
当质点到达最高点时,速度为0,即$i=0$,代入上式得:$r=\dfrac {1}{2{k}^{2}g}\ln (1+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2})$。

步骤 4:下降时的运动微分方程
下降时,质点运动微分方程为:$m\overrightarrow {x}=-mg+m{k}^{2}g{v}^{2}$,写为:$\dfrac {dx}{dx}=-g(1-{k}^{2}{x}^{2})$,分离变量并积分得:$\ln (1-{k}^{2}{x}^{2})=2{k}^{2}gx+{C}_{2}$。利用初始条件$x=\dfrac {1}{2{k}^{2}{d}^{2}d}\ln 4+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2}$,求得${C}_{2}=-\ln 4+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2})$,代入上式得:$\ln (1+{k}^{2}{x}^{2})\cdot (1+{k}^{2}{{x}_{0}}^{2})=2{k}^{2}$。

步骤 5:求落至投掷点时的速度
当质点落至投掷点时,x=0,代入上式得:$(1+{k}^{2}{x}^{2})\cdot (1+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2})=1$,解得质点又落至投掷点时的速度为:${v}_{1}=\dfrac {{v}_{0}}{\sqrt {1+{k}^{2}{{v}_{0}}^{2}}}$。

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