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 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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?
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。
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。
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。
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。
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?
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。
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。
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。
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。
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。
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。
向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。
只有正根有物理意义。
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。
沿斜面向下为正。
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.
两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。
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.
另一个解为 90° − θ = 54.7°。
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。
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: 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.
拉力和重力共同提供向心的力:tan θ = v²/(r·g)。
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。
指向圆心(向上)为正。
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。
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。
当 h = 2.5R 时小车恰好能通过圆环;此时顶点处 N = 0。
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.
损失的能量转化为形变、热和声音。
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。
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.
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.
枢轴力通过枢轴,所以撞击期间它对枢轴没有力矩。
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。
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.
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.
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。
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。
ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。
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。
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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