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。
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。
一辆以 60 km/h 行驶的汽车以 7.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。
从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 17 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。
一个 20 kg 的雪橇被一根与水平方向成 25° 向上的绳子以 100 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。
水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 150 N 的水平力拉前面 1 kg 的物块;8 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。
一个球从水平地面以 32 m/s、与水平方向成 60° 的角度朝 63 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?
一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 15° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。
一辆 1000 kg 的汽车以 12 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 80 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。
一辆 4.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 8.4 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 2 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环顶部时轨道对它的法向力 Ntop。
一个 10 kg 的球挂在长 1.5 m 的轻绳上。把它拉向一侧,使绳与竖直方向成 60°,然后从静止释放。求球经过最低点时绳中的拉力 T。
一辆 0.5 kg 的小车从光滑轨道上 17.5 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 5 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时的速度 v。
在无摩擦的导轨上,一个以 10 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 5 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。
一个 0.6 kg 的小球以 24 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。
一台电动机用 41 s 把转动惯量为 13.5 kg·m² 的飞轮从静止加速到 1700 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。
一个质量为 13 kg 的空心球以 4 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。
一台 1.1 kW、转速 1440 rpm 的电动机驱动一个齿数为 20、模数为 2 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。
一台 3 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(16 齿),A 与齿轮 B(80 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(30 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。
要使单摆的周期为 2.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。
一个 0.5 kg 的物体连在 k = 350 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 20 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。
在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 25 mm 之后一个周期出现峰值 18.3 mm。 求阻尼比 ζ。
一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 50 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 = 50 kN/m 和 k₂ = 60 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。
答案: s = 18.52 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。
答案: hmax = 44.73 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。
答案: a = 2.992 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.
答案: T = 133.3 N
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.
两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。
答案: y = 33.07 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.
球到达墙时已经在下落。
答案: t = 4.265 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。
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。
解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。
答案: N = 8010 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.
指向圆心(向下)为正。
汽车感觉变轻了:路面向上的支持力小于其重量。
答案: Ntop = 150.1 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.
指向圆心为正。
答案: T = 196.2 N
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)。 在圆周路径上,指向圆心的合力必须等于 mv²/r。
校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 196.2 N。
答案: v = 12.13 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)。 在圆周路径上,指向圆心的合力必须等于 mv²/r。
当 h = 2.5R 时小车恰好能通过圆环;此时顶点处 N = 0。
答案: v′2 = 5.714 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。
联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。
答案: J = 21.6 N·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。
答案: Pavg = 5.218 kW
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.
答案: Erot = 69.33 J
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.
答案: Ft = 364.7 N
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.
答案: Tout = 159.2 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.
答案: L = 2.09 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。
答案: vmax = 5.292 m/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。
答案: ζ = 0.04959
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。
答案: fn = 13.2 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。
只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。
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