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)4.274 s27.78

一辆以 100 km/h 行驶的汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 100 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 13 m/s15 m

从离地面 15 m 高的屋顶边缘以 13 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。 抛出后多长时间小球落地?求 t。

v₀ = 13 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 30°a = ?m = 6 kg

一个 6 kg 的物块沿倾角为 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 6 kgθ = 30°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
6 kg2 kgTF = 20 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 20 N 的水平力拉前面 2 kg 的物块;6 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 6 kgm2 = 2 kgF = 20 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 26 m/sθ = ?R = 65 m

一个球从水平地面以 26 m/s 抛出,必须落在 65 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 = 26 m/sR = 65 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 34 m/s20°x = ?

一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 20° 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 = 34 m/sθ = 20°h = 55 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
L = 0.5 m45°

一个系在长 0.5 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 45° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 0.5 mθ = 45°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.6 mv = 4.5 m/s

一个 1.7 kg 的小球系在长 0.6 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 4.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.7 kgr = 0.6 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
90 km/h2°2000 kg

一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 2° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 500 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 2000 kgθ = 2°Fr = 500 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 3.2 mR = 1 mN = ?

一辆 2 kg 的小车从光滑轨道上 3.2 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 1 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时轨道对它的法向力 N。

m = 2 kgh = 3.2 mR = 1 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.动量与碰撞中等
1800 kg9 m/s1500 kg

一辆以 9 m/s 行驶的 1800 kg 汽车撞上一辆静止的 1500 kg 汽车,两车卡在一起。 原有动能损失了百分之多少 ΔK/K?

m1 = 1800 kgv1 = 9 m/sm2 = 1500 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.动量与碰撞困难
8 m/s5 m/s

一个 0.55 kg 的小球以 8 m/s 撞到墙上,并以 5 m/s 沿原路弹回。接触时间为 50 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.55 kgvin = 8 m/svout = 5 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
0 → 300 rpmI = 30.5 kg·m²

一台电动机用 28 s 把转动惯量为 30.5 kg·m² 的飞轮从静止加速到 300 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 30.5 kg·m²n = 300 rpmt = 28 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
520 m/s5 g1.15 mL = 2 m9 kg

质量为 9 kg、长为 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 520 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 1.15 m 处并留在杆中。 求撞击后瞬间杆的角速度 ω。

M = 9 kgL = 2 mm = 5 gv = 520 m/sd = 1.15 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1450 rpmn2​ = ?

一个 125 mm 的带轮以 1450 rpm 通过皮带驱动一个 200 mm 的带轮,打滑率为 1.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1450 rpmd1 = 125 mmd2 = 200 mms = 1.5 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 72B = 80C = 40D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(72 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(40 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D。输出轴须以 720 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 1440 rpmA = 72B = 80C = 40nout = 720 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = 0.9 mT = 1.78 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 0.9 m 的单摆在小幅摆动时周期为 1.78 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 0.9 mT = 1.78 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
3.3 kgk = 390 N/mA = 16 cm

一个 3.3 kg 的物体连在 k = 390 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 16 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 3.3 kgk = 390 N/mA = 16 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 50 kN/mc = 90 N·s/mm = 2 kg

一个 2 kg 的质量块由刚度为 50 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 90 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 2 kgk = 50 kN/mc = 90 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 5m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 20 kN/m,下弹簧 k₂ = 5 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 10 kgk1 = 20 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 59.35 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·6.5) = 59.35 m

答案

s = 59.35 m
2.运动学

答案: t = 3.519 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。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−15 = 13·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 13·t − 15 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (13 + √(13² + 2·9.81·15))/9.81 = 3.519 s

答案

t = 3.519 s
3.牛顿定律

答案: a = 3.631 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。

沿斜面方向的力

沿斜面向下为正。

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

加速度

a = 9.81·(sin 30° − 0.15·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.1299) = 3.631 m/s²

答案

a = 3.631 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 15 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) = (20 − 7.848)/8 = 1.519 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 6·(1.519 + 0.981) = 15 N

答案

T = 15 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: θ = 35.3 °

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.

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·65/26² = 0.9433

相角

2θ = 70.61° → θ = 35.3°

答案

θ = 35.3°

另一个解为 90° − θ = 54.7°。

6.抛体运动

答案: x = 151.4 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。

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 = 34·cos 20° = 31.95 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 20° = 11.63 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 11.63·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11.63 + √(135.2 + 1079))/9.81 = 4.738 s

水平距离

x = vx·t = 31.95·4.738 = 151.4 m

答案

x = 151.4 m
7.圆周运动

答案: v = 1.862 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.

圆的半径

r = L·sin θ = 0.5·sin 45° = 0.3536 m

速率

拉力和重力共同提供向心的力:tan θ = v²/(r·g)。

v = √(r·g·tan θ) = √(0.3536·9.81·tan 45°) = 1.862 m/s

答案

v = 1.862 m/s
8.圆周运动

答案: T = 74.05 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。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.7·9.81 + 1.7·4.5²/0.6 = 16.68 + 57.38 = 74.05 N

答案

T = 74.05 N
9.功和能

答案: P = 29.62 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 = 2000·9.81 = 19620 N
mg·sin θ = 19620·sin 2° = 684.7 N
F = 684.7 + 500 = 1185 N

功率

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 1185·25 = 29618 W = 29.62 kW

答案

P = 29.62 kW
10.功和能

答案: N = 27.47 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。

顶点的速度

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(3.2 − 2) = 23.54 m²/s²

顶点的受力

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
N = mv²/R − mg = 2·23.54/1 − 19.62 = 27.47 N

答案

N = 27.47 N

当 h = 2.5R 时小车恰好能通过圆环;此时顶点处 N = 0。

11.动量与碰撞

答案: ΔK/K = 45.45 %

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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1800·9/3300 = 4.909 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·1800·9² = 72900 J
Kafter = ½·3300·4.909² = 39764 J

损失的比例

ΔK/K = 33136/72900 = 45.45 %

答案

ΔK/K = 45.45 %

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: J = 7.15 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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.55·(5 + 8) = 7.15 N·s

答案

J = 7.15 N·s
13.刚体转动

答案: Pavg = 0.5375 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·300/60 = 31.42 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·30.5·31.42² = 15051 J

平均功率

Pavg = E/t = 15051/28 = 537.5 W = 0.5375 kW

答案

Pavg = 0.5375 kW
14.刚体转动

答案: ω = 0.249 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 = 9·2²/3 + 0.005·1.15² = 12.01 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 = 0.005·520·1.15/12.01 = 0.249 rad/s

答案

ω = 0.249 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 892.7 rpm

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。

无打滑时的转速

1450·125/200 = 906.3 rpm

有打滑

n2 = 906.3·0.985 = 892.7 rpm

答案

n2 = 892.7 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 72

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.

中间轴转速

nB = nC = 1440·72/80 = 1296 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 40·1296/720 = 72

答案

ND = 72
17.弹簧与单摆

答案: g = 11.21 m/s²

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.

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.9/1.78² = 11.21 m/s²

答案

g = 11.21 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 1.739 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。

角频率

ω = √(390/3.3) = 10.87 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.16·10.87 = 1.739 m/s

答案

vmax = 1.739 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.1423

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。

临界阻尼

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·2) = 632.5 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 90/632.5 = 0.1423

答案

ζ = 0.1423

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: keq = 4 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

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。

1/keq = 1/20 + 1/5 → keq = 20·5/(20 + 5) = 4 kN/m

答案

keq = 4 kN/m

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