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 80 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。
一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 38 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2 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。 发射后多长时间它落到地面?求 t。
一个 20 kg 的物块沿倾角为 35° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。
水平桌面上一个 2 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 2 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。 求绳中的张力 T。
一个球从水平地面以与水平方向成 30° 的角度抛出,落在 140 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。
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。求球落地前飞过的水平距离 x。
一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 50 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。速度超过多少 vmax 时,车轮会在顶部离开路面?
一个 0.5 kg 的小球系在长 1.4 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 7 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。
一辆汽车在水平路面上以 60 km/h 行驶,紧急制动后车轮抱死滑行至停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.7。求制动距离 d。
一个 8 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.25)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 6 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 2.5 m 后两物块的速度 v。
一颗 20 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 3 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。
一辆 1600 kg 的汽车撞上一辆停放的 1600 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 6.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。
一台电动机在 2400 rpm 时输出 1620 N·m 的转矩。求它的输出功率 P,单位 kW。
一个均匀实心圆盘(质量 5 kg,半径 0.15 m)绕无摩擦的竖直轴以 450 rpm 自由旋转。一个质量为 3 kg、半径相同的薄圆环从静止状态落到它上面,圆心对准转轴,两者很快一起旋转。 求它们共同的转速 n2,单位 rpm。
一台 1.1 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 16、模数为 3 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。
一条开口皮带连接一个 200 mm 的带轮和一个 315 mm 的带轮,二者中心相距 600 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。
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。
一个 3.8 kg 的物体连在 k = 360 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 19 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。
一个 8 kg 的质量块由刚度为 20 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 240 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 25 kN/m,下弹簧 k₂ = 100 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: s = 61.73 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: t = 18.44 s
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.
解 −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²,取正根。
答案: a = 4.02 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。
沿斜面向下为正。
答案: T = 11.77 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。
答案: v0 = 39.82 m/s
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.
答案: x = 122.6 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。
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: vmax = 22.15 m/s
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.
答案: T = 22.41 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。
指向圆心(向上)为正。
答案: d = 20.23 m
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)。
速度加倍,制动距离变为四倍。
答案: v = 3.744 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)。
答案: v = 173.4 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.
答案: v1 = 20.2 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.
答案: P = 407.2 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: n2 = 204.5 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.
答案: Ft = 150.9 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: θ = 169 °
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。
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。
答案: amax = 18 m/s²
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 = 0.3
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。
ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。
答案: keq = 20 kN/m
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。
串联弹簧受力相同、变形相加,所以按倒数组合:1/k = 1/k1 + 1/k2。
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