题目
质量为m的质点受到力F=-kv2x(其中k为常数)的作用沿x轴做直线运动。在x=0处的速度为v0(v0>0),求该质点的速度v随x变化关系。
质量为m的质点受到力F=-kv2x(其中k为常数)的作用沿x轴做直线运动。在x=0处的速度为v0(v0>0),求该质点的速度v随x变化关系。
题目解答
答案
解:对质点,由牛顿第二定律得:F=ma
而a=$\frac{dv}{dt}$,F=-kv2x,则$m\frac{{dv}}{{dt}}=-k{v^2}x$
对一维情形$\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}×\frac{dx}{dt}=v\frac{dv}{dx}$
将其带入前式并分离变量,整理得:$m\frac{{dv}}{v}=-kxdx$
可得$∫_{{v_0}}^v{\frac{{dv}}{v}}=-\frac{k}{m}∫_0^x{xdx}$,解得:$v={v_0}{e^{\frac{{-k{x^2}}}{{2m}}}}$
答:该质点的速度v随x变化关系是$v={v_0}{e^{\frac{{-k{x^2}}}{{2m}}}}$。
而a=$\frac{dv}{dt}$,F=-kv2x,则$m\frac{{dv}}{{dt}}=-k{v^2}x$
对一维情形$\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}×\frac{dx}{dt}=v\frac{dv}{dx}$
将其带入前式并分离变量,整理得:$m\frac{{dv}}{v}=-kxdx$
可得$∫_{{v_0}}^v{\frac{{dv}}{v}}=-\frac{k}{m}∫_0^x{xdx}$,解得:$v={v_0}{e^{\frac{{-k{x^2}}}{{2m}}}}$
答:该质点的速度v随x变化关系是$v={v_0}{e^{\frac{{-k{x^2}}}{{2m}}}}$。
解析
步骤 1:应用牛顿第二定律
根据牛顿第二定律,质点受到的力F等于质点的质量m乘以加速度a,即F=ma。已知力F=-kv^{2}x,因此有ma=-kv^{2}x。
步骤 2:将加速度a用速度v的导数表示
加速度a可以表示为速度v对时间t的导数,即a=$\frac{dv}{dt}$。因此,ma=-kv^{2}x可以写成$m\frac{{dv}}{{dt}}=-k{v^2}x$。
步骤 3:将速度v对时间t的导数用速度v对位置x的导数表示
由于质点沿x轴做直线运动,速度v可以表示为位置x对时间t的导数,即v=$\frac{dx}{dt}$。因此,$\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}×\frac{dx}{dt}=v\frac{dv}{dx}$。将这个关系代入前式,得到$m\frac{{dv}}{v}=-kxdx$。
步骤 4:分离变量并积分
将上式分离变量,得到$\frac{m}{v}dv=-kxdx$。对两边积分,得到$∫_{{v_0}}^v{\frac{{dv}}{v}}=-\frac{k}{m}∫_0^x{xdx}$。积分后得到$\ln v-\ln v_0=-\frac{k}{2m}x^2$,即$\ln\frac{v}{v_0}=-\frac{k}{2m}x^2$。
步骤 5:求解速度v随x变化关系
将上式化简,得到$\frac{v}{v_0}=e^{-\frac{k}{2m}x^2}$,即$v=v_0e^{-\frac{k}{2m}x^2}$。
根据牛顿第二定律,质点受到的力F等于质点的质量m乘以加速度a,即F=ma。已知力F=-kv^{2}x,因此有ma=-kv^{2}x。
步骤 2:将加速度a用速度v的导数表示
加速度a可以表示为速度v对时间t的导数,即a=$\frac{dv}{dt}$。因此,ma=-kv^{2}x可以写成$m\frac{{dv}}{{dt}}=-k{v^2}x$。
步骤 3:将速度v对时间t的导数用速度v对位置x的导数表示
由于质点沿x轴做直线运动,速度v可以表示为位置x对时间t的导数,即v=$\frac{dx}{dt}$。因此,$\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}×\frac{dx}{dt}=v\frac{dv}{dx}$。将这个关系代入前式,得到$m\frac{{dv}}{v}=-kxdx$。
步骤 4:分离变量并积分
将上式分离变量,得到$\frac{m}{v}dv=-kxdx$。对两边积分,得到$∫_{{v_0}}^v{\frac{{dv}}{v}}=-\frac{k}{m}∫_0^x{xdx}$。积分后得到$\ln v-\ln v_0=-\frac{k}{2m}x^2$,即$\ln\frac{v}{v_0}=-\frac{k}{2m}x^2$。
步骤 5:求解速度v随x变化关系
将上式化简,得到$\frac{v}{v_0}=e^{-\frac{k}{2m}x^2}$,即$v=v_0e^{-\frac{k}{2m}x^2}$。