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

列出已知量：v₀、v、a、t 和 s，并带上单位。
选取包含三个已知量和该未知量的公式。
选定一个正方向，相反方向的量取负号。
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: F_f = μ·N
斜面上: 沿斜面：m·g·sin θ，垂直斜面：m·g·cos θ

方法

画出物体所受全部力的受力图。
沿运动方向选定正方向。
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）。
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: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
位置: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
最大高度: H = h + v_y²/(2g)
射程（水平地面）: R = v₀²·sin 2θ/g

方法

把初速度分解为分量：v_x = v₀·cos θ，v_y = v₀·sin θ。
水平方向为匀速运动；竖直方向的加速度为 −g。
由竖直方向的运动求飞行时间。
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: v_max = √(μ·g·r)

功和能

动能: E_k = ½mv²
势能: E_p = mgh
能量衡算: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + 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

选定正方向，并给每个速度标上符号。
写出碰撞前的总动量：Σm·v。
完全非弹性碰撞后物体一起运动；弹性碰撞中动能也守恒。
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 = I_G + 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

选择轴：固定的枢轴，或者对滚动的物体选质心。
用标准结果求出对该轴的转动惯量，转轴平移时用 I = I_G + m·d²。
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。
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: v_max = A·ω, a_max = A·ω²
能量: E = ½·k·A²

机械振动

固有频率: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
由静挠度求: ω_n = √(g/δ_st)
临界阻尼: c_c = 2√(km) = 2mω_n
阻尼比: ζ = c/c_c
阻尼固有频率: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
对数衰减率: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), 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

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 4 m/s² 的恒定减速度制动，直到停下。求制动距离 s。

v₀ = 120 km/ha = −4 m/s²v = 0

s = m

2.运动学困难

一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 36 m/s² 的恒定向上加速度，持续 1.5 s，之后发动机停止，火箭做自由运动。忽略空气阻力，取 g = 9.81 m/s²。求火箭达到的最大高度 h_max。

a = 36 m/s²t₁ = 1.5 sg = 9.81 m/s²

h_max = m

3.牛顿定律中等

一个 20 kg 的箱子被一个平行于斜面的力沿与水平方向成 25° 的斜面匀速向上推。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求推力 F。

m = 20 kgθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²

F = N

4.牛顿定律困难

水平桌面上一个 4 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5.5 kg 重物相连。物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。求系统的加速度 a。

m₁ = 4 kgm₂ = 5.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²

a = m/s²

5.抛体运动中等

一个球从水平地面以 34 m/s 抛出，必须落在 45 m 远处。忽略空气阻力，取 g = 9.81 m/s²。求两个可能的抛射角中较小的一个 θ。

v₀ = 34 m/sR = 45 mg = 9.81 m/s²

θ = °

6.抛体运动困难

一个球从 40 m 高的悬崖顶上以高于水平面 45° 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 = 11 m/sθ = 45°h = 40 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.圆周运动中等

一辆汽车通过半径为 140 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 v_max。

r = 140 mμ_s = 0.8g = 9.81 m/s²

v_max = m/s

8.圆周运动困难

一辆小车在无摩擦轨道上由静止释放，驶入一个半径为 4.5 m 的竖直圆环。它必须从高出圆环底部至少多高 h_min 处出发，才能在圆环顶部保持在轨道上？

R = 4.5 mv₀ = 0

h_min = m

9.功和能中等

一辆 800 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 5° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 750 N。求车轮须输出的功率 P，以 kW 表示。

m = 800 kgθ = 5°F_r = 750 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²

P = kW

10.功和能困难

一个 5 kg 的物块从光滑坡道上 4 m 高处由静止释放。到达底部后，它通过一段长 4.5 m 的粗糙水平段（μ = 0.3），然后在光滑表面上撞上一根弹簧（k = 2500 N/m）。求弹簧的最大压缩量 x。

m = 5 kgh = 4 mL = 4.5 mμ = 0.3k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

11.动量与碰撞中等

一颗 12 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 4.5 kg 木块，并留在其中。木块摆起，直到比初始位置高 24 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 12 gM = 4.5 kgh = 24 cmg = 9.81 m/s²

v = m/s

12.动量与碰撞困难

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用长 0.5 m 的轻绳悬挂的 3.5 kg 木块，并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 30°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 3.5 kgL = 0.5 mθ = 30°g = 9.81 m/s²

v = m/s

13.刚体转动中等

质量为 6.5 kg、长为 1.9 m 的均匀细杆一端铰接，在水平位置从静止释放。一个质量为 2 kg 的小球固定在它的自由端。忽略摩擦，取 g = 9.81 m/s²。求杆摆过竖直位置时的角速度 ω。

m = 6.5 kgL = 1.9 mm_ball = 2 kgg = 9.81 m/s²

ω = rad/s

14.刚体转动困难

质量为 1.5 kg、长为 1.3 m 的均匀细杆，从无摩擦的上端枢轴处静止悬挂。一颗 40 g 的子弹以 360 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 0.97 m 处并留在杆中。求撞击后瞬间杆的角速度 ω。

M = 1.5 kgL = 1.3 mm = 40 gv = 360 m/sd = 0.97 m

ω = rad/s

15.齿轮与齿轮系中等

一台 7.5 kW 的电动机以 960 rpm 运转，驱动一个齿数为 12 的小齿轮，小齿轮与一个齿数为 48 的大齿轮啮合。该齿轮副的效率为 95%。求齿轮轴上的输出扭矩 T₂。

P = 7.5 kWn₁ = 960 rpmN₁ = 12N₂ = 48η = 95%

T₂ = N·m

16.齿轮与齿轮系困难

一条开口皮带把一个以 2880 rpm 转动、直径 120 mm 的主动轮与一个 450 mm 的带轮相连；中心距为 800 mm。摩擦系数为 0.35，紧边张力不得超过 500 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P，单位 kW（忽略离心效应）。

d₁ = 120 mmn₁ = 2880 rpmd₂ = 450 mmC = 800 mmμ = 0.35T₁ = 500 N

P = kW

17.弹簧与单摆中等

要使单摆的周期为 2.5 s，摆长应为多少？取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.5 sg = 9.81 m/s²

L = m

18.弹簧与单摆困难

一个连在 k = 340 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 9 cm 的振幅振动。求物体距平衡位置 1 cm 时弹簧中储存的能量 U。

k = 340 N/mA = 9 cmx = 1 cm

U = J

19.机械振动中等

一个 15 kg 的质量块由刚度为 25 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 60 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 15 kgk = 25 kN/mc = 60 N·s/m

ζ =

20.机械振动困难

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 30 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 = 25 kN/m 和 k₂ = 15 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 f_n，以 Hz 计。

m = 5 kgk₁ = 25 kN/mk₂ = 15 kN/mk₃ = 30 kN/m

f_n = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 138.9 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·4) = 138.9 m

答案

s = 138.9 m

2.运动学

答案: h_max = 189.1 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。

动力阶段

v₁ = 36·1.5 = 54 m/s

h₁ = ½·36·1.5² = 40.5 m

向上的自由飞行

在最高点速度为零。

Δh = v₁²/(2g) = 54²/(2·9.81) = 148.6 m

h_max = 40.5 + 148.6 = 189.1 m

答案

h_max = 189.1 m

3.牛顿定律

答案: F = 136.3 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。

沿斜面方向的力

匀速：各力平衡。

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

推力

F = 82.92 + 53.35 = 136.3 N

答案

F = 136.3 N

4.牛顿定律

答案: a = 4.647 m/s²

系统的加速度

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (53.96 − 9.81)/9.5 = 4.647 m/s²

答案

a = 4.647 m/s²

5.抛体运动

答案: θ = 11.23 °

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

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·45/34² = 0.3819

相角

2θ = 22.45° → θ = 11.23°

答案

θ = 11.23°

另一个解为 90° − θ = 78.77°。

6.抛体运动

答案: x = 29.22 m

抛体运动：无空气阻力时，x = v_xt，y = h + v_yt − 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。

v_x = v₀·cos θ = 11·cos 45° = 7.778 m/s

v_y = v₀·sin θ = 11·sin 45° = 7.778 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + v_y·t − ½gt² = 0，取正根。

0 = 40 + 7.778·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (7.778 + √(60.5 + 784.8))/9.81 = 3.757 s

水平距离

x = v_x·t = 7.778·3.757 = 29.22 m

答案

x = 29.22 m

7.圆周运动

答案: v_max = 33.15 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) = √(0.8·9.81·140) = 33.15 m/s

答案

v_max = 33.15 m/s (119.3 km/h)

8.圆周运动

答案: h_min = 11.25 m

顶部的条件

m·g = m·v²/R → v² = g·R

能量守恒

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·4.5 = 11.25 m

答案

h_min = 11.25 m

9.功和能

答案: P = 35.85 kW

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)。功率等于力乘以速度：P = F·v。

驱动力

m·g = 800·9.81 = 7848 N

mg·sin θ = 7848·sin 5° = 684 N

F = 684 + 750 = 1434 N

功率

v = 90/3.6 = 25 m/s

P = F·v = 1434·25 = 35850 W = 35.85 kW

答案

P = 35.85 kW

10.功和能

答案: x = 32.25 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 = 49.05·(4 − 0.3·4.5) = 130 J

最大压缩量

½kx² = 130 → x = √(2·130/2500) = 0.3225 m = 32.25 cm

答案

x = 32.25 cm

11.动量与碰撞

答案: v = 815.9 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。

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.24) = 2.17 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.012 + 4.5)·2.17/0.012 = 815.9 m/s

答案

v = 815.9 m/s

12.动量与碰撞

答案: v = 201.8 m/s

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 0.5·(1 − cos 30°) = 0.06699 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.06699) = 1.146 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 3.52·1.146/0.02 = 201.8 m/s

答案

v = 201.8 m/s

13.刚体转动

答案: ω = 3.607 rad/s

绕定轴转动：各力对转轴的力矩之和等于 I·α（ΣM = I·α），就像平动中的 ΣF = m·a。用能量形式表示，转矩 T 转过角度 θ（弧度）做的功为 T·θ，它改变动能 ½·I·ω²；重力使质心增加或减少 m·g·Δh。功率为 P = T·ω。

势能的减少

m·g·L/2 + m_ball·g·L = 6.5·9.81·0.95 + 2·9.81·1.9 = 97.85 J

对销钉的转动惯量

I_O = m·L²/3 + m_ball·L² = 7.822 + 7.22 = 15.04 kg·m²

能量衡算

½·I_O·ω² = 97.85 → ω = √(2·97.85/15.04) = 3.607 rad/s

答案

ω = 3.607 rad/s

14.刚体转动

答案: ω = 15.83 rad/s

滚动与角动量：无滑动滚动的物体满足 v = ω·r，所以它的动能是 ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²))。沿斜面滚下时给出 a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²))。当没有外力矩作用于某一轴时，对该轴的角动量保持不变，I₁·ω₁ = I₂·ω₂，即使动能有损失。

撞击后的转动惯量

I = M·L²/3 + m·d² = 1.5·1.3²/3 + 0.04·0.97² = 0.8826 kg·m²

对枢轴的角动量

枢轴力通过枢轴，所以撞击期间它对枢轴没有力矩。

m·v·d = I·ω → ω = 0.04·360·0.97/0.8826 = 15.83 rad/s

答案

ω = 15.83 rad/s

15.齿轮与齿轮系

答案: T₂ = 283.5 N·m

齿轮系：相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同，所以 n₁·N₁ = n₂·N₂：齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去（扣除损失），所以转速降低时扭矩增大：T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η，且 P = T·ω，其中 ω = 2π·n/60。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 7500/100.5 = 74.6 N·m

输出扭矩

T₂ = 74.6·48/12·0.95 = 283.5 N·m

答案

T₂ = 283.5 N·m

16.齿轮与齿轮系

答案: P = 5.563 kW

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 = e^μθ，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。

包角

θ = 2.726 rad

松边张力

e^μθ = e^0.9541 = 2.596, T₂ = 500/2.596 = 192.6 N

功率

P = (500 − 192.6)·18.1 = 5.563 kW

答案

P = 5.563 kW

17.弹簧与单摆

答案: L = 1.553 m

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.5/2π)² = 1.553 m

答案

L = 1.553 m

18.弹簧与单摆

答案: U = 0.017 J

总能量

E = ½·k·A² = ½·340·0.09² = 1.377 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·340·0.01² = 0.017 J

答案

U = 0.017 J

19.机械振动

答案: ζ = 0.04899

质量–弹簧系统的自由振动：无阻尼固有角频率为 ω_n = √(k/m)（rad/s），f_n = ω_n/(2π)（Hz）。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/c_c，其中临界阻尼 c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n。欠阻尼系统（ζ < 1）以 ω_d = ω_n·√(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。

临界阻尼

c_c = 2·√(k·m) = 2·√(25000·15) = 1225 N·s/m

阻尼比

ζ = c/c_c = 60/1225 = 0.04899

答案

ζ = 0.04899

ζ < 1，所以系统为欠阻尼，在衰减的同时振荡。

20.机械振动

答案: f_n = 9.319 Hz

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 = 25 + 15 = 40 kN/m

k_eq = 40·30/(40 + 30) = 17.14 kN/m

固有频率

ω_n = √(17143/5) = 58.55 rad/s

f_n = 58.55/(2π) = 9.319 Hz

答案

f_n = 9.319 Hz

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