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)1.1 s16.67

一位以 60 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.1 s,之后汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。

v₀ = 60 km/htr = 1.1 sa = −6.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
AB: 16 m/s40 m

球 A 从 40 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 16 m/s 竖直上抛。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 两球何时相遇?求 t。

H = 40 mv0B = 16 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
4 kg1 kg

质量为 4 kg 和 1 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。 求绳中的张力 T。

m1 = 4 kgm2 = 1 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.牛顿定律困难
5 kg8 kgTF = 150 Nμ = 0.2

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 8 kg 的物块;5 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。

m1 = 5 kgm2 = 8 kgF = 150 Nμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 32 m/s50°射程

一个球 从平地上以高于水平面 50° 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 = 50°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 40 mv0​ = 25 m/s40°射程

一个球 从 40 m 高的悬崖顶上以高于水平面 40° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 25 m/sθ = 40°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心80 km/h

一位道路工程师希望汽车以 80 km/h 通过半径为 250 m 的弯道时不依赖摩擦力。取 g = 9.81 m/s²。求弯道的倾角 θ。

r = 250 mv = 80 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
θ = 20°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 160 m 的弯道倾斜 20°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 160 mθ = 20°μs = 0.25g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
72 km/h3°800 kg

一辆 800 kg 的汽车以恒定的 72 km/h 驶上 3° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 550 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 800 kgθ = 3°Fr = 550 Nv = 72 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
k = 3000 N/m20°μ = 0.32 kg

在 20° 斜坡底部有一根刚度为 3000 N/m 的弹簧,它顶着一个 2 kg 的物块被压缩 15 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.3。物块从释放点沿斜坡向上滑行多远 d 后停下?(忽略弹簧推动的那一小段距离,即在整个距离 d 上都计入摩擦和重力。)

m = 2 kgk = 3000 N/mx = 15 cmθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
1 kg11 m/s4 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 11 m/s 运动的 1 kg 滑块与一个静止的 4 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。

m1 = 1 kgm2 = 4 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
14 m/s9 m/s

一个 0.55 kg 的小球以 14 m/s 撞到墙上,并以 9 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.55 kgvin = 14 m/svout = 9 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
0 → 2900 rpmI = 18.5 kg·m²

一台电动机用 3 s 把转动惯量为 18.5 kg·m² 的飞轮从静止加速到 2900 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 18.5 kg·m²n = 2900 rpmt = 3 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
580 m/s5 g1.03 mL = 1.2 m5 kg

质量为 5 kg、长为 1.2 m 的均匀细杆,从无摩擦的上端枢轴处静止悬挂。一颗 5 g 的子弹以 580 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 1.03 m 处并留在杆中。 求撞击后瞬间杆的角速度 ω。

M = 5 kgL = 1.2 mm = 5 gv = 580 m/sd = 1.03 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 40z = 1, 1440 rpm

一个 1 头的蜗杆以 1440 rpm 转动,驱动一个 40 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 1Nw = 40n = 1440 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 15B = 72C = 24D = 72

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(15 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(72 齿)。齿轮 C(24 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(72 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 15B = 72C = 24D = 72
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)0.15 s

一个连在 k = 260 N/m 弹簧上的 2.9 kg 物体被沿正方向拉开 8 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.15 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 2.9 kgk = 260 N/mA = 8 cmt = 0.15 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
mk = 260 N/mA = 5 cmx = 4 cm

一个连在 k = 260 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 5 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 4 cm 时的动能 K。

k = 260 N/mA = 5 cmx = 4 cm
K = J
19.机械振动中等
k = 80 kN/mζ = 0.5m = 150 kg

一个 150 kg 的质量块挂在刚度为 80 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.5。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 150 kgk = 80 kN/mζ = 0.5
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 25k2​ = 50m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 25 kN/m 和 k₂ = 50 kN/m。质量块保持水平。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: d = 39.7 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.

单位

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 16.67·1.1 = 18.33 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·6.5) = 21.37 m

合计

d = 18.33 + 21.37 = 39.7 m

答案

d = 39.7 m
2.运动学

答案: t = 2.5 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.

相遇时间

向上为正,地面为 y = 0。

40 − ½g·t² = 16·t − ½g·t² → t = 40/16 = 2.5 s

答案

t = 2.5 s
3.牛顿定律

答案: T = 15.7 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.

加速度

净驱动力是两个重量之差;它带动的是总质量。

a = (4 − 1)·9.81/(4 + 1) = 5.886 m/s²

由较轻物体求拉力

T − m2·g = m2·a → T = 1·(9.81 + 5.886) = 15.7 N

答案

T = 15.7 N
4.牛顿定律

答案: T = 57.69 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.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (150 − 25.51)/13 = 9.576 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 5·(9.576 + 1.962) = 57.69 N

答案

T = 57.69 N

两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: t = 4.998 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 50° = 20.57 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 50° = 24.51 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·24.51/9.81 = 4.998 s

答案

t = 4.998 s
6.抛体运动

答案: t = 4.93 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 = 25·cos 40° = 19.15 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 40° = 16.07 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 40 + 16.07·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16.07 + √(258.2 + 784.8))/9.81 = 4.93 s

答案

t = 4.93 s
7.圆周运动

答案: θ = 11.38 °

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.

单位

v = 80/3.6 = 22.22 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 22.22²/(250·9.81) = 0.2014
θ = 11.38°

答案

θ = 11.38°
8.圆周运动

答案: vmax = 32.56 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.

力的平衡

摩擦力沿斜面向下。

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(160·9.81·0.5769/0.8542) = 32.56 m/s

答案

vmax = 32.56 m/s
(117.2 km/h)
9.功和能

答案: P = 19.21 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 3° = 410.7 N
F = 410.7 + 550 = 960.7 N

功率

v = 72/3.6 = 20 m/s
P = F·v = 960.7·20 = 19215 W = 19.21 kW

答案

P = 19.21 kW
10.功和能

答案: d = 2.757 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)。

弹簧能量

x = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·3000·0.15² = 33.75 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 33.75/(19.62·(0.342 + 0.3·0.9397)) = 2.757 m

答案

d = 2.757 m
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 4.4 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 = (1 − 4)/(1 + 4)·11 = −6.6 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 4)·11 = 4.4 m/s

答案

v′2 = 4.4 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 2530 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 = 0.55·(9 + 14) = 12.65 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 12.65/0.005 = 2530 N

答案

Favg = 2530 N
13.刚体转动

答案: Pavg = 284.4 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.

角速度

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·18.5·303.7² = 853090 J

平均功率

Pavg = E/t = 853090/3 = 284363 W = 284.4 kW

答案

Pavg = 284.4 kW
14.刚体转动

答案: ω = 1.242 rad/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.

撞击后的转动惯量

I = M·L²/3 + m·d² = 5·1.2²/3 + 0.005·1.03² = 2.405 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 = 0.005·580·1.03/2.405 = 1.242 rad/s

答案

ω = 1.242 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 36 rpm

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.

蜗轮转速

nw = n·z/Nw = 1440·1/40 = 36 rpm

答案

nw = 36 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 201.4 rpm

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。

第一级

nB = 2900·15/72 = 604.2 rpm = nC

第二级

nout = 604.2·24/72 = 201.4 rpm

答案

nout = 201.4 rpm

总传动比 = 14.4 : 1

17.弹簧与单摆

答案: x = 1.199 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.

角频率

ω = √(260/2.9) = 9.469 rad/s
ω·t = 9.469·0.15 = 1.42 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 8·cos(1.42) = 1.199 cm

答案

x = 1.199 cm
18.弹簧与单摆

答案: K = 0.117 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 = ½·260·0.05² = 0.325 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·260·0.04² = 0.208 J

动能

K = 0.325 − 0.208 = 0.117 J

答案

K = 0.117 J
19.机械振动

答案: fd = 3.183 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 = √(80000/150) = 23.09 rad/s
fn = 23.09/(2π) = 3.676 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3.676·√(1 − 0.5²) = 3.183 Hz

答案

fd = 3.183 Hz
20.机械振动

答案: keq = 75 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。

等效刚度

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 25 + 50 = 75 kN/m

答案

keq = 75 kN/m

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