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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)3.077 s20

一辆以 72 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 = 72 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 3 s 听到落水声。声速为 343 m/s;忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。

ttotal = 3 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 35°a = ?m = 17 kg

一个 17 kg 的物块沿倾角为 35° 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。

m = 17 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 1.5 kg6 kgθ = 35°

倾角为 35° 的斜面上有一个 1.5 kg 的物块,它通过一根跨过斜面顶端无摩擦滑轮的轻绳与一个悬挂的 6 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 1.5 kgm2 = 6 kgθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 65 m

一个球从水平地面以 38 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 = 38 m/sR = 65 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 20 mv0​ = 13 m/s60°α = ?

一个球从 20 m 高的悬崖顶部以 13 m/s、与水平方向成 60° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 13 m/sθ = 60°h = 20 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 130 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 130 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 130 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.2 m8 m/svtop​ = ?

一个 0.4 kg 的球系在长 1.2 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 8 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。

m = 0.4 kgr = 1.2 mvbottom = 8 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
90 km/h3°2000 kg

一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 3° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 650 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 2000 kgθ = 3°Fr = 650 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
2 kg5 kgμ = 0.1d = 1 m

一个 2 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.1)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 5 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 1 m 后两物块的速度 v。

m1 = 2 kgm2 = 5 kgμ = 0.1d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
4 kgv = ?20 gh = 19 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 4 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 19 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 4 kgh = 19 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
23 m/s12 m/s

一个 0.25 kg 的小球以 23 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.25 kgvin = 23 m/svout = 12 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 2400 rpmTb​ = 165 N·mI = 26.5 kg·m²

转动惯量为 26.5 kg·m² 的飞轮以 2400 rpm 转动。制动器施加 165 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?

I = 26.5 kg·m²n = 2400 rpmTb = 165 N·m
N = rev
14.刚体转动困难
圆盘: 21 kg圆环: 3 kgn1​ = 650 rpm

一个均匀实心圆盘(质量 21 kg,半径 0.4 m)绕无摩擦的竖直轴以 650 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。 在这个过程中损失了多少动能 ΔE?

Mdisc = 21 kgMring = 3 kgR = 0.4 mn1 = 650 rpm
ΔE = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 135 mm。须用一对模数为 3 mm、减速比为 5 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?

a = 135 mmm = 3 mmi = 5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm1450 rpmC = 1200 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 150 mm 的带轮和一个 315 mm 的带轮,二者中心相距 1200 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 150 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.6 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.6 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
2.8 kgk = 450 N/mA = 16 cm

一个 2.8 kg 的物体连在 k = 450 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 16 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 2.8 kgk = 450 N/mA = 16 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 5 kN/mc = 270 N·s/mm = 15 kg

一个 15 kg 的质量块由刚度为 5 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 270 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 15 kgk = 5 kN/mc = 270 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 10k3​ = 12m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 12 kN/m 上。k₃ 的上端连接在一根刚性杆上,该杆由并排的两根弹簧 k₁ = 12 kN/m 和 k₂ = 10 kN/m 悬挂;杆保持水平。 忽略阻尼以及弹簧和杆的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 30.77 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 = 72/3.6 = 20 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·6.5) = 30.77 m

答案

s = 30.77 m
2.运动学

答案: d = 40.72 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.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(3 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1029 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1029))/(2·4.905) = 2.881 s

深度

d = ½·9.81·2.881² = 40.72 m

答案

d = 40.72 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.823 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 35° − 0.1·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.08192) = 4.823 m/s²

答案

a = 4.823 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 6.321 m/s²

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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 58.86 N
m₁·g·sin θ = 8.44 N
μ·m₁·g·cos θ = 3.013 N

系统的加速度

a = (58.86 − 8.44 − 3.013)/7.5 = 6.321 m/s²

答案

a = 6.321 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 13.1 °

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 = 9.81·65/38² = 0.4416

相角

2θ = 26.21° → θ = 13.1°

答案

θ = 13.1°

另一个解为 90° − θ = 76.9°。

6.抛体运动

答案: α = 74.08 °

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.

分解初速度

vx = 13·cos 60° = 6.5 m/s
vy0 = 13·sin 60° = 11.26 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(11.26² + 2·9.81·20) = 22.78 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 22.78/6.5 → α = 74.08°

答案

α = 74.08°
7.圆周运动

答案: vmax = 31.94 m/s

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。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.8·9.81·130) = 31.94 m/s

答案

vmax = 31.94 m/s (115 km/h)
8.圆周运动

答案: Ttop = 1.713 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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 8² − 4·9.81·1.2 = 16.91 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下,指向圆心。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.4·16.91/1.2 − 0.4·9.81 = 1.713 N

答案

Ttop = 1.713 N
9.功和能

答案: P = 41.92 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 3° = 1027 N
F = 1027 + 650 = 1677 N

功率

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 1677·25 = 41921 W = 41.92 kW

答案

P = 41.92 kW
10.功和能

答案: v = 3.668 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)。

释放和损失的能量

m₂g·d = 49.05·1 = 49.05 J
μ·m₁g·d = 0.1·19.62·1 = 1.962 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 47.09 → v = √(2·47.09/7) = 3.668 m/s

答案

v = 3.668 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 388.1 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.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.19) = 1.931 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 4)·1.931/0.02 = 388.1 m/s

答案

v = 388.1 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 437.5 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 = 0.25·(12 + 23) = 8.75 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 8.75/0.02 = 437.5 N

答案

Favg = 437.5 N
13.刚体转动

答案: N = 807.3 rev

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·2400/60 = 251.3 rad/s

制动器做的功等于动能

½·I·ω² = ½·26.5·251.3² = 836942 J
θ = 836942/165 = 5072 rad

圈数

N = θ/2π = 807.3 rev

答案

N = 807.3 rev
14.刚体转动

答案: ΔE = 864.9 J

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.

转动惯量

I1 = ½·21·0.4² = 1.68 kg·m²
I2 = 3·0.4² = 0.48 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 650·1.68/2.16 = 505.6 rpm

碰撞前后的动能

E1 = ½·1.68·68.07² = 3892 J
E2 = ½·2.16·52.94² = 3027 J
ΔE = 3892 − 3027 = 864.9 J

答案

ΔE = 864.9 J
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 15

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.

总齿数

N1 + N2 = 2a/m = 2·135/3 = 90

按传动比分配

N1 = 90/(1 + 5) = 15

答案

N1 = 15
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 172.1 °

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。

皮带角

asin(0.06875) = 3.942°

包角

θ = 180 − 2·3.942 = 172.1°

答案

θ = 172.1°
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.6361 m

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.6/2π)² = 0.6361 m

答案

L = 0.6361 m
18.弹簧与单摆

答案: amax = 25.71 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。

角频率

ω = √(450/2.8) = 12.68 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.16·12.68² = 25.71 m/s²

答案

amax = 25.71 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.493

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·√(5000·15) = 547.7 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 270/547.7 = 0.493

答案

ζ = 0.493

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: fn = 2.805 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。

等效刚度

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 12 + 10 = 22 kN/m
keq = 22·12/(22 + 12) = 7.765 kN/m

固有频率

ωn = √(7765/25) = 17.62 rad/s
fn = 17.62/(2π) = 2.805 Hz

答案

fn = 2.805 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics