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)5 s30

一辆以 108 km/h 行驶的汽车以 6 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 108 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 11 m/s20 m

从离地面 20 m 高的屋顶边缘以 11 m/s 的速度竖直向上抛出一个小球。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求小球离地面的最大高度 hmax。

v₀ = 11 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
4.5 kg0.5 kg

质量为 4.5 kg 和 0.5 kg 的两个物体用轻绳相连,分别悬挂在一个轻质无摩擦滑轮的两侧。系统由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物体的加速度 a。

m1 = 4.5 kgm2 = 0.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg6 kgμ = 0.2

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 6 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 3.5 kgm2 = 6 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 34 m/s35°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 35° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 34 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 16 m/s60°H = ?

一个球从 55 m 高的悬崖顶部以 16 m/s、与水平方向成 60° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 16 m/sθ = 60°h = 55 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 150 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 150 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.7。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 150 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.6 mv = 4.5 m/s

一个 0.8 kg 的小球系在长 0.6 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 4.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.8 kgr = 0.6 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
45°d = 20 mμ = 0.25

一个 0.5 kg 的物块沿倾角 45° 的斜面下滑 20 m,动摩擦因数为 0.25。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 0.5 kgθ = 45°μ = 0.25d = 20 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
F = 15 N15°μ = 0.22 kg

一个 2 kg 的物块从 15° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 15 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.2。求物块沿斜坡向上移动 2 m 后的速度 v。

m = 2 kgF = 15 Nθ = 15°μ = 0.2d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
2 kg6 m/s1 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 6 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 1 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 = 1 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
18 m/s11 m/s

一个 0.5 kg 的小球以 18 m/s 撞到墙上,并以 11 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.5 kgvin = 18 m/svout = 11 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 3000 rpmP = 68 kW

一根轴在 3000 rpm 时传递 68 kW。求轴中的转矩 T。

P = 68 kWn = 3000 rpm
T = N·m
14.刚体转动困难
0.7 m0.25 mn1​ = 20 rpm

一个人站在无摩擦的转盘上,每只手各拿一个 2 kg 的哑铃,距转轴 0.7 m。人和转盘单独对转轴的转动惯量为 3 kg·m²。他们以 20 rpm 转动,然后把哑铃收到距转轴 0.25 m 处。把哑铃看作质点。求新的转速 n2,单位 rpm。

I0 = 3 kg·m²m = 2 × 2 kgr1 = 0.7 mr2 = 0.25 mn1 = 20 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm960 rpmn2​ = ?

一个 125 mm 的带轮以 960 rpm 通过皮带驱动一个 400 mm 的带轮,打滑率为 2 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 960 rpmd1 = 125 mmd2 = 400 mms = 2 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 160 mm 的带轮和一个 200 mm 的带轮,二者中心相距 1000 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 160 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = 2.5 m

一个单摆的摆长为 2.5 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 2.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
mk = 160 N/mA = 17 cmx = 15 cm

一个连在 k = 160 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 17 cm 的振幅振动。 求物体距平衡位置 15 cm 时弹簧中储存的能量 U。

k = 160 N/mA = 17 cmx = 15 cm
U = J
19.机械振动中等
k = 200 kN/mζ = 0.45m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块挂在刚度为 200 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.45。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 100 kgk = 200 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 10k3​ = 15m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 15 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 = 80 kN/m 和 k₂ = 10 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 = 80 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 75 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 = 108/3.6 = 30 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·6) = 75 m

答案

s = 75 m
2.运动学

答案: hmax = 26.17 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。

高出屋顶的高度

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 11²/(2·9.81) = 6.167 m

离地面的高度

hmax = 20 + 6.167 = 26.17 m

答案

hmax = 26.17 m
3.牛顿定律

答案: a = 7.848 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

加速度

净驱动力是两个重量之差;它带动的是总质量。

a = (4.5 − 0.5)·9.81/(4.5 + 0.5) = 7.848 m/s²

答案

a = 7.848 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 5.473 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。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (58.86 − 6.867)/9.5 = 5.473 m/s²

答案

a = 5.473 m/s²
5.抛体运动

答案: x = 110.7 m

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 = 34·cos 35° = 27.85 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 35° = 19.5 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·19.5/9.81 = 3.976 s

水平距离

x = vx·t = 27.85·3.976 = 110.7 m

答案

x = 110.7 m
6.抛体运动

答案: H = 64.79 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.

竖直方向的初速度

vy = 16·sin 60° = 13.86 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 13.86²/(2·9.81) = 9.786 m

离地面的高度

H = 55 + 9.786 = 64.79 m

答案

H = 64.79 m
7.圆周运动

答案: vmax = 32.09 m/s

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。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.7·9.81·150) = 32.09 m/s

答案

vmax = 32.09 m/s (115.5 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 34.85 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 = 0.8·9.81 + 0.8·4.5²/0.6 = 7.848 + 27 = 34.85 N

答案

T = 34.85 N
9.功和能

答案: Wf = 17.34 J

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 4.905·0.7071 = 3.468 N
F = μN = 0.25·3.468 = 0.8671 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 0.8671·20 = 17.34 J

答案

Wf = 17.34 J
10.功和能

答案: v = 3.502 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)。

沿斜面方向的力

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 5.078 N
μ·mg·cos θ = 3.79 N

功–能关系

½mv² = (15 − 8.868)·2 = 12.26 J
v = √(2·12.26/2) = 3.502 m/s

答案

v = 3.502 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 2 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 − 1)/(2 + 1)·6 = 2 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 1)·6 = 8 m/s

答案

v′1 = 2 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 725 N

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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.5·(11 + 18) = 14.5 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 14.5/0.02 = 725 N

答案

Favg = 725 N
13.刚体转动

答案: T = 216.5 N·m

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.

角速度

ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

扭矩

T = P/ω = 68000/314.2 = 216.5 N·m

答案

T = 216.5 N·m
14.刚体转动

答案: n2 = 30.52 rpm

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.

转动惯量

I1 = 3 + 2·2·0.7² = 4.96 kg·m²
I2 = 3 + 2·2·0.25² = 3.25 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/I2 = 20·4.96/3.25 = 30.52 rpm

答案

n2 = 30.52 rpm

动能增加了:多出来的能量来自人收哑铃时所做的功。

15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 294 rpm

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

无打滑时的转速

960·125/400 = 300 rpm

有打滑

n2 = 300·0.98 = 294 rpm

答案

n2 = 294 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 177.7 °

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

皮带角

asin(0.02) = 1.146°

包角

θ = 180 − 2·1.146 = 177.7°

答案

θ = 177.7°
17.弹簧与单摆

答案: T = 3.172 s

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

单摆周期

T = 2π·√(2.5/9.81) = 3.172 s

答案

T = 3.172 s
18.弹簧与单摆

答案: U = 1.8 J

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.

总能量

E = ½·k·A² = ½·160·0.17² = 2.312 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·160·0.15² = 1.8 J

答案

U = 1.8 J
19.机械振动

答案: fd = 6.356 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(200000/100) = 44.72 rad/s
fn = 44.72/(2π) = 7.118 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.118·√(1 − 0.45²) = 6.356 Hz

答案

fd = 6.356 Hz
20.机械振动

答案: fn = 8.071 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 = 80 + 10 = 90 kN/m
keq = 90·15/(90 + 15) = 12.86 kN/m

固有频率

ωn = √(12857/5) = 50.71 rad/s
fn = 50.71/(2π) = 8.071 Hz

答案

fn = 8.071 Hz

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