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 120 km/h 行驶的汽车以 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 10 m 高的屋顶边缘以 6 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 10 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 13 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。
水平桌面上一个 3 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 2 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。
一个球从水平地面以 36 m/s、与水平方向成 45° 的角度朝 106 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?
一个球 从 40 m 高的悬崖顶上以高于水平面 50° 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 1.2 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 15° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。
一辆 2.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 22.5 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 4.5 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环底部时轨道对它的法向力 Nbottom。
一辆汽车在水平路面上以 30 km/h 行驶,紧急制动后车轮抱死滑行至停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.4。求制动距离 d。
一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 1 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 4.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.1),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 500 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。
在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 5 kg 滑块与一个静止的 4.5 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 0.6 kg 的小球以 12 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 25 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。
一个 4.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 11 kg、半径为 0.2 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求滑轮的角加速度 α。
一个空心球沿与水平面成 30° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它从静止开始。沿斜面滚下 1.5 m 需要多长时间 t?
一个 1 头的蜗杆以 960 rpm 转动,驱动一个 60 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。
一条开口皮带把一个以 1440 rpm 转动、直径 160 mm 的主动轮与一个 200 mm 的带轮相连;中心距为 500 mm。摩擦系数为 0.25,紧边张力不得超过 600 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。
要使单摆的周期为 1.4 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。
一颗以 300 m/s 运动的 20 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 2 kg 木块中。木块连在一根 k = 500 N/m 的水平弹簧上。求由此产生的振动的振幅 A,以 cm 表示。
一个 8 kg 的质量块由刚度为 100 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 180 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 5 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 100 kN/m 和 k₂ = 25 kN/m。质量块保持水平。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: s = 111.1 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 = 2.165 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 = 0.3921
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: T = 14.13 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: y = 20.95 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.
球到达墙时已经在下落。
答案: x = 57.42 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 = 0.9035 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: Nbottom = 269.8 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.
指向圆心为正。
答案: d = 8.849 m
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)。
速度加倍,制动距离变为四倍。
答案: v = 3.285 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)。
坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。
答案: v′2 = 9.474 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 = 576 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: α = 22.07 rad/s²
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: t = 1.01 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.
答案: nw = 16 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: P = 3.871 kW
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: L = 0.487 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。
答案: A = 18.88 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: ζ = 0.1006
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 = 125 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。
并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。
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