动力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

运动学

速度
v = v0 + a·t
位移
s = v0·t + ½·a·t²
不含时间
v² = v0² + 2·a·s
单位
1 m/s = 3.6 km/h

方法

  1. 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
  2. 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
  3. 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
  4. 求解并检查答案在物理上是否合理。

牛顿定律

第二定律
ΣF = m·a
重力
W = m·g
动摩擦
Ff = μ·N
斜面上
沿斜面:m·g·sin θ, 垂直斜面:m·g·cos θ

方法

  1. 画出物体所受全部力的受力图。
  2. 沿运动方向选定正方向。
  3. 把力分解为沿运动方向和垂直于运动方向的分量(斜面上:沿斜面 m·g·sin θ,垂直压向斜面 m·g·cos θ)。
  4. 沿运动方向应用 ΣF = m·a;摩擦力为 μ·N,方向与运动相反。

抛体运动

分量
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最大高度
H = h + vy²/(2g)
射程(水平地面)
R = v0²·sin 2θ/g

方法

  1. 把初速度分解为分量:vx = v₀·cos θ,vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向为匀速运动;竖直方向的加速度为 −g。
  3. 由竖直方向的运动求飞行时间。
  4. 把该时间代入水平运动求射程。

圆周运动

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
水平弯道,摩擦
vmax = √(μ·g·r)

功和能

动能
Ek = ½mv²
势能
Ep = mgh
能量衡算
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力做功
W = μ·N·d
功率
P = W/t

动量与碰撞

动量
p = m·v
守恒
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弹性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
冲量
J = F·Δt = m·Δv

方法

  1. 选定正方向,并给每个速度标上符号。
  2. 写出碰撞前的总动量:Σm·v。
  3. 完全非弹性碰撞后物体一起运动;弹性碰撞中动能也守恒。
  4. 令碰撞前动量等于碰撞后动量并求解。

刚体转动

对质心 G 的转动惯量
杆 mL²/12,圆盘 ½mR²,圆环 mR²,实心球 (2/5)mR²,空心球 (2/3)mR²
平行移轴定理
I = IG + m·d²
回转半径
I = m·k²
杆绕端点
I = mL²/3
运动方程
ΣM = I·α
以 rad/s 表示的转速
ω = 2π·n/60
动能
E = ½·I·ω²
功和功率
W = T·θ, P = T·ω
无滑动滚动
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角动量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
绕枢轴的撞击
m·v·d = I·ω

方法

  1. 选择轴:固定的枢轴,或者对滚动的物体选质心。
  2. 用标准结果求出对该轴的转动惯量,转轴平移时用 I = IG + m·d²。
  3. 选择方法:求加速度和力用 ΣM = I·α,求速度用能量(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h),求撞击和突然变化用角动量。
  4. 用 v = ω·r 和 a = α·r 联系线运动和角运动,并把 rpm 换算成 rad/s。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

弹簧与单摆

弹簧振子
T = 2π·√(m/k)
单摆
T = 2π·√(L/g)
角频率
ω = √(k/m) = 2π/T
最大速度和最大加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
能量
E = ½·k·A²

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.运动学中等
t (s)v (m/s)4.762 s16.67

一辆以 60 km/h 行驶的汽车以 3.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 60 km/ha = −3.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 5 s 听到落水声。声速为 343 m/s;忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。

ttotal = 5 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 30°a = ?m = 17 kg

一个 17 kg 的物块沿倾角为 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 17 kgθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg5 kg无摩擦

水平桌面上一个 3.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 3.5 kgm2 = 5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
31 my = ?v0​ = 28 m/s40°

一个球从水平地面以 28 m/s、与水平方向成 40° 的角度朝 31 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 28 m/sθ = 40°x = 31 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 32 m/s60°射程

一个球 从 35 m 高的悬崖顶上以高于水平面 60° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 32 m/sθ = 60°h = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 100 m13 m/s

一辆 1600 kg 的汽车以 13 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 100 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 1600 kgv = 13 m/sr = 100 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
r = 1.3 mv = 8.5 m/s

一个 0.4 kg 的小球系在长 1.3 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 8.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.4 kgr = 1.3 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
20°d = 16 mμ = 0.25

一个物块由静止沿倾角 20° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。求它沿斜面滑行 16 m 后的速度 v。

θ = 20°μ = 0.25d = 16 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 5 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 1500 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 2.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.15),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 1500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 2.5 kgh = 5 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
2 kg5 m/s4 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 5 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 4 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 2 kgm2 = 4 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
1300 kg19 m/s800 kg22 m/sv′ = ?

在一个十字路口,一辆以 19 m/s 向东行驶的 1300 kg 汽车与一辆以 22 m/s 向北行驶的 800 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。

m1 = 1300 kgv1 = 19 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 22 m/s (N)
v′ = m/s
13.刚体转动中等
L = 3 mm = 12 kgα

质量为 12 kg、长为 3 m 的均匀细杆一端铰接,保持水平。从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求释放瞬间的角加速度 α。

m = 12 kgL = 3 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.刚体转动困难
θ = 35°vs = 3.5 m

一个实心圆柱从静止开始,沿与水平面成 35° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 3.5 m 后的速度 v。

θ = 35°s = 3.5 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 105 mm。须用一对模数为 2.5 mm、减速比为 2.5 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?

a = 105 mmm = 2.5 mmi = 2.5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
A = 15B = 50C = 15D = 50

一台 7.5 kW、960 rpm 的电动机驱动齿轮 A(15 齿),A 与齿轮 B(50 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(15 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(50 齿)。每对齿轮啮合的效率为 98%。求输出转矩 Tout。

P = 7.5 kWnin = 960 rpmA = 15B = 50C = 15D = 50ηmesh = 98%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
L = 1.2 mT = 3.57 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.2 m 的单摆在小幅摆动时周期为 3.57 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.2 mT = 3.57 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
2 kgk = 1600 N/m250 m/s

一颗以 250 m/s 运动的 15 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 2 kg 木块中。木块连在一根 k = 1600 N/m 的水平弹簧上。求由此产生的振动的振幅 A,以 cm 表示。

m = 15 gv = 250 m/sM = 2 kgk = 1600 N/m
A = cm
19.机械振动中等
tx10 mm3 个周期6.9 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 10 mm 之后 3 个周期出现峰值 6.9 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 10 mmx3 = 6.9 mmn = 3
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 12k3​ = 5m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 5 kN/m 上。k₃ 的上端连接在一根刚性杆上,该杆由并排的两根弹簧 k₁ = 12 kN/m 和 k₂ = 12 kN/m 悬挂;杆保持水平。 忽略阻尼以及弹簧和杆的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 39.68 m

匀变速直线运动:v = v₀ + a·t,s = v₀·t + ½·a·t²,v² = v₀² + 2·a·s。选择包含三个已知量和一个待求量的那个方程,并按同一个正方向统一符号。

单位

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·3.5) = 39.68 m

答案

s = 39.68 m
2.运动学

答案: d = 107.7 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(5 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1715 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1715))/(2·4.905) = 4.686 s

深度

d = ½·9.81·4.686² = 107.7 m

答案

d = 107.7 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.781 m/s²

牛顿第二定律:物体所受的合力等于其质量乘以加速度,ΣF = m·a。画出受力图,沿运动方向选定正方向,把该方向上的所有力相加:外加的力、与运动方向相反的摩擦力 μ·N,以及重力的分力。

沿斜面方向的力

沿斜面向下为正。

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

加速度

a = 9.81·(sin 30° − 0.25·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.2165) = 2.781 m/s²

答案

a = 2.781 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 20.2 N

牛顿第二定律:物体所受的合力等于其质量乘以加速度,ΣF = m·a。画出受力图,沿运动方向选定正方向,把该方向上的所有力相加:外加的力、与运动方向相反的摩擦力 μ·N,以及重力的分力。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (49.05 − 0)/8.5 = 5.771 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3.5·5.771 + 0 = 20.2 N

答案

T = 20.2 N
5.抛体运动

答案: y = 15.77 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

到达墙的时间

vx = 28·cos 40° = 21.45 m/s
t = x/vx = 31/21.45 = 1.445 s

此时的高度

y = 18·1.445 − ½·9.81·1.445² = 15.77 m

答案

y = 15.77 m

球到达墙时仍在上升。

6.抛体运动

答案: t = 6.713 s

抛体运动:无空气阻力时,x = vxt,y = h + vyt − ½gt²。两个方向相互独立,只共享同一时间。

分解初速度

水平速度保持不变;竖直运动具有向下的恒定加速度 g = 9.81 m/s²。

vx = v0·cos θ = 32·cos 60° = 16 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 60° = 27.71 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 35 + 27.71·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (27.71 + √(768 + 686.7))/9.81 = 6.713 s

答案

t = 6.713 s
7.圆周运动

答案: N = 12992 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

顶点的受力

指向圆心(向下)为正。

m·g − N = m·v²/r
N = 1600·9.81 − 1600·13²/100 = 15696 − 2704 = 12992 N

答案

N = 12992 N

汽车感觉变轻了:路面向上的支持力小于其重量。

8.圆周运动

答案: T = 26.15 N

匀速圆周运动:物体以速率 v 在半径为 r 的圆周上运动时,具有指向圆心的加速度 a = v²/r,因此需要指向圆心的合力 F = m·v²/r。这个力必须由真实的力提供:摩擦力、张力、重力或支持力。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 0.4·9.81 + 0.4·8.5²/1.3 = 3.924 + 22.23 = 26.15 N

答案

T = 26.15 N
9.功和能

答案: v = 5.798 m/s

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·16·(0.342 − 0.25·0.9397)) = 5.798 m/s

答案

v = 5.798 m/s
10.功和能

答案: x = 38.89 cm

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 24.53·(5 − 0.15·2.5) = 113.4 J

最大压缩量

½kx² = 113.4 → x = √(2·113.4/1500) = 0.3889 m = 38.89 cm

答案

x = 38.89 cm
11.动量与碰撞

答案: v′1 = −1.667 m/s

动量守恒:碰撞过程中若没有外力作用,碰撞前的总动量 Σm·v 等于碰撞后的总动量。速度有方向,所以要选定正方向,反方向的速度取负号。弹性碰撞中动能也守恒;完全非弹性碰撞中物体粘在一起运动。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′1 = (2 − 4)/(2 + 4)·5 = −1.667 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4)·5 = 3.333 m/s

答案

v′1 = −1.667 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: v′ = 14.44 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

动量分量

px = 1300·19 = 24700 kg·m/s
py = 800·22 = 17600 kg·m/s

残骸的速度

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 30329/2100 = 14.44 m/s

答案

v′ = 14.44 m/s
13.刚体转动

答案: α = 4.905 rad/s²

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

对销钉取矩

在释放的瞬间 ω = 0,所以没有向心加速度,质心笔直向下加速。

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·3) = 4.905 rad/s²

答案

α = 4.905 rad/s²
14.刚体转动

答案: v = 5.124 m/s

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

下降的高度

h = s·sin θ = 3.5·sin 35° = 2.008 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.5)
v = √(2·9.81·2.008/1.5) = 5.124 m/s

答案

v = 5.124 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 24

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

总齿数

N1 + N2 = 2a/m = 2·105/2.5 = 84

按传动比分配

N1 = 84/(1 + 2.5) = 24

答案

N1 = 24
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 796.1 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

输出转速

nout = 960·(15/50)·(15/50) = 86.4 rpm
ωout = 2π·86.4/60 = 9.048 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 7500·0.98² = 7203 W
Tout = Pout/ωout = 7203/9.048 = 796.1 N·m

答案

Tout = 796.1 N·m
17.弹簧与单摆

答案: g = 3.717 m/s²

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.2/3.57² = 3.717 m/s²

答案

g = 3.717 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: A = 6.604 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

撞击后的速度

V = m·v/(m + M) = 0.015·250/2.015 = 1.861 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(1600/2.015) = 28.18 rad/s

振幅

A = V/ω = 1.861/28.18 = 0.06604 m = 6.604 cm

答案

A = 6.604 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.01968

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

对数衰减率

δ = (1/3)·ln(10/6.9) = 0.1237

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1237/√(39.48 + 0.0153) = 0.01968

答案

ζ = 0.01968
20.机械振动

答案: fn = 4.579 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

等效刚度

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 12 + 12 = 24 kN/m
keq = 24·5/(24 + 5) = 4.138 kN/m

固有频率

ωn = √(4138/5) = 28.77 rad/s
fn = 28.77/(2π) = 4.579 Hz

答案

fn = 4.579 Hz

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