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 54 km/h 行驶的汽车以 5.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 制动需要多长时间?求 t。
一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 24 m/s² 的恒定向上加速度,持续 3 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 hmax。
一个 18 kg 的物块沿倾角为 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。
水平桌面上一个 7 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.3。 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 35° 的角度抛出,落在 105 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 35 m 高的悬崖顶部以 30 m/s、与水平方向成 40° 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。
一辆 900 kg 的汽车以 14 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 60 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。
一个 0.5 kg 的小球系在长 0.8 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 6.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。
一个 5 kg 的球挂在长 0.8 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。
一个 8 kg 的物块从 35° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 70 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 5 m 后的速度 v。
一辆以 20 m/s 行驶的 700 kg 汽车撞上一辆静止的 1100 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?
一个 0.45 kg 的小球以 19 m/s 撞到墙上,并以 18 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。
质量为 10 kg、长为 2 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 3.5 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自由端的速度 v。
一个空心球沿与水平面成 20° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求防止它打滑所需的最小静摩擦因数 μs。
一台 2.2 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 16、模数为 2 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(40 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(20 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(24 齿)。求输出转速 nout。
一个连在 k = 440 N/m 弹簧上的 3.3 kg 物体在无摩擦表面上以 12 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 11 cm 时的速度 v。
一个 3.1 kg 的物体连在 k = 230 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 4 cm 后释放。 求振动的总能量 E。
在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 40 mm 之后 3 个周期出现峰值 15.6 mm。 求阻尼比 ζ。
一个 5 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 15 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: t = 2.727 s
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 = 372.2 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.
在最高点速度为零。
答案: a = 4.055 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 = 37.2 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 = 33.11 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: H = 53.95 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.
答案: N = 5889 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: T = 31.31 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: T = 98.1 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) = 98.1 N。
答案: v = 3.894 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: ΔK = 85556 J
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.
损失的能量转化为形变、热和声音。
答案: Favg = 1665 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。
答案: v = 6.986 m/s
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: μs = 0.1456
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 = 452.8 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: nout = 1250 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。
总传动比 = 2.4 : 1
答案: v = 0.5538 m/s
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.
答案: E = 0.184 J
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 = 0.04989
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: keq = 12 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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