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 108 km/h 行驶的汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。
从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 19 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。
一个箱子以 7.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 14 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。
水平桌面上一个 7.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3.5 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。 求系统的加速度 a。
一个球 从平地上以高于水平面 55° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。
一个球从 55 m 高的悬崖顶部以 11 m/s、与水平方向成 55° 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?
一个系在长 1.1 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 1.2 kg 的球系在长 0.6 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 10 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。
一个 0.5 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 50°,然后从静止释放。求球经过最低点时绳中的拉力 T。
一个 5 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.25)。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。
在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 1 kg 滑块与一个静止的 3 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。
一个 0.4 kg 的小球以 21 m/s 撞到墙上,并以 6 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。
转动惯量为 38.5 kg·m² 的飞轮以 2900 rpm 转动。制动器施加 195 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?
一个质量为 20 kg 的实心圆柱以 9 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。
一个 3 头的蜗杆以 2900 rpm 转动,驱动一个 45 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(30 齿)。齿轮 C(50 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。
一个连在 k = 290 N/m 弹簧上的 1.6 kg 物体被沿正方向拉开 6 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.4 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。
一个 1.5 kg 的物体连在 k = 40 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 3 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。
一个 8 kg 的质量块由刚度为 40 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 280 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 30 kN/m,下弹簧 k₂ = 5 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。
答案: s = 64.29 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 = 5.078 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: μ = 0.2048
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.
答案: a = 1.115 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。
答案: H = 4.925 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。
在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。
答案: α = 79.51 °
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.
用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。
答案: v = 2.762 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: Ttop = 141.1 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.
在高度 2r 上,动能转化为势能。
拉力和重力都向下,指向圆心。
答案: T = 8.409 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) = 8.409 N。
答案: v = 2.712 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: v′2 = 4.5 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。
联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。
答案: Favg = 1080 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: N = 1449 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.
答案: Erot = 405 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.
答案: nw = 193.3 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.
答案: nout = 266.7 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 = 3.6 : 1
答案: x = 3.739 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.
答案: vmax = 0.1549 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 = 0.2475
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: fn = 1.042 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。
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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