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
a = ?s = 800 m

一架飞机起飞需要 280 km/h 的速度,可用跑道长 800 m。从静止开始,它需要多大的恒定加速度 a?

v₀ = 0v = 280 km/hs = 800 m
a = m/s²
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 2.9 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 = 2.9 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 20°a = ?m = 11 kg

一个 11 kg 的物块沿倾角为 20° 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 = 11 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
7 kg6 kgTF = 70 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 70 N 的水平力拉前面 6 kg 的物块;7 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 = 7 kgm2 = 6 kgF = 70 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 32 m/s55°射程

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。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 32 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
8 mv0​ = 33 m/s40°x = ?

一个球从地面以 33 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 8 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。

v₀ = 33 m/sθ = 40°hroof = 8 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心100 km/h

一位道路工程师希望汽车以 100 km/h 通过半径为 310 m 的弯道时不依赖摩擦力。取 g = 9.81 m/s²。求弯道的倾角 θ。

r = 310 mv = 100 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
r = 0.9 mv = 3.5 m/s

一个 0.7 kg 的小球系在长 0.9 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 3.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.7 kgr = 0.9 mv = 3.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
20°d = 15 mμ = 0.15

一个 1 kg 的物块沿倾角 20° 的斜面下滑 15 m,动摩擦因数为 0.15。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 1 kgθ = 20°μ = 0.15d = 15 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
F = 140 N15°μ = 0.120 kg

一个 20 kg 的物块从 15° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 140 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.1。求物块沿斜坡向上移动 3 m 后的速度 v。

m = 20 kgF = 140 Nθ = 15°μ = 0.1d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
3 kgv = ?10 gh = 24 cm

一颗 10 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 3 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 24 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 10 gM = 3 kgh = 24 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
2000 kgv1​ = ?1300 kg

一辆 2000 kg 的汽车撞上一辆停放的 1300 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 12 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 2000 kgm2 = 1300 kgd = 12 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
L = 1.5 mm = 17.5 kgα

质量为 17.5 kg、长为 1.5 m 的均匀细杆一端铰接,保持水平。从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求释放瞬间销钉对杆的竖直力 R。

m = 17.5 kgL = 1.5 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.刚体转动困难
9.5 m/sω

一个质量为 2.5 kg 的实心圆柱以 9.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 2.5 kgv = 9.5 m/sI = ½·m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1440 rpmn2​ = ?

一个 125 mm 的带轮以 1440 rpm 通过皮带驱动一个 250 mm 的带轮,打滑率为 1.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1440 rpmd1 = 125 mmd2 = 250 mms = 1.5 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 15B = 40C = 16D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(15 齿)以 1500 rpm 转动,驱动齿轮 B(40 齿)。齿轮 C(16 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 180 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 1500 rpmA = 15B = 40C = 16nout = 180 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = 2 m

一个单摆的摆长为 2 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 2 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
2 kgk = 500 N/m450 m/s

一颗以 450 m/s 运动的 8 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。

m = 8 gv = 450 m/sM = 2 kgk = 500 N/m
A = cm
19.机械振动中等
tx25 mm5 个周期7.1 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 25 mm 之后 5 个周期出现峰值 7.1 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 25 mmx5 = 7.1 mmn = 5
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 25m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 40 kN/m,下弹簧 k₂ = 25 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 20 kgk1 = 40 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: a = 3.781 m/s²

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.

单位

v = 280/3.6 = 77.78 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 77.78²/(2·800) = 3.781 m/s²

答案

a = 3.781 m/s²
2.运动学

答案: d = 38.15 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·(2.9 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 994.7 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·994.7))/(2·4.905) = 2.789 s

深度

d = ½·9.81·2.789² = 38.15 m

答案

d = 38.15 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.433 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 20° − 0.1·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.09397) = 2.433 m/s²

答案

a = 2.433 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 37.69 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) = (70 − 12.75)/13 = 4.404 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 7·(4.404 + 0.981) = 37.69 N

答案

T = 37.69 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: t = 5.344 s

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 = 32·cos 55° = 18.35 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 55° = 26.21 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·26.21/9.81 = 5.344 s

答案

t = 5.344 s
6.抛体运动

答案: x = 98.77 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.

分解初速度

vx = 25.28 m/s, vy = 21.21 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

8 = 21.21·t − 4.905·t²
t = (21.21 + √(21.21² − 2·9.81·8))/9.81 = 3.907 s

水平距离

x = vx·t = 25.28·3.907 = 98.77 m

答案

x = 98.77 m
7.圆周运动

答案: θ = 14.24 °

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.

单位

v = 100/3.6 = 27.78 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 27.78²/(310·9.81) = 0.2537
θ = 14.24°

答案

θ = 14.24°
8.圆周运动

答案: T = 16.39 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 = 0.7·9.81 + 0.7·3.5²/0.9 = 6.867 + 9.528 = 16.39 N

答案

T = 16.39 N
9.功和能

答案: Wf = 20.74 J

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 9.81·0.9397 = 9.218 N
F = μN = 0.15·9.218 = 1.383 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 1.383·15 = 20.74 J

答案

Wf = 20.74 J
10.功和能

答案: v = 4.591 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)。

沿斜面方向的力

m·g = 20·9.81 = 196.2 N
mg·sin θ = 50.78 N
μ·mg·cos θ = 18.95 N

功–能关系

½mv² = (140 − 69.73)·3 = 210.8 J
v = √(2·210.8/20) = 4.591 m/s

答案

v = 4.591 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 653.2 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) = √(2·9.81·0.24) = 2.17 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 3)·2.17/0.01 = 653.2 m/s

答案

v = 653.2 m/s
12.动量与碰撞

答案: v1 = 17.9 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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·12) = 10.85 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3300·10.85/2000 = 17.9 m/s

答案

v1 = 17.9 m/s
(64.45 km/h)
13.刚体转动

答案: R = 42.92 N

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.

对销钉取矩

在释放的瞬间 ω = 0,所以没有向心加速度,质心笔直向下加速。

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1.5) = 9.81 rad/s²

竖直方向的力

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 17.5·(9.81 − 7.357) = 42.92 N

答案

R = 42.92 N

R = m·g/4,与长度无关。

14.刚体转动

答案: Ek = 169.2 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.

平动部分和转动部分

Etrans = ½·m·v² = ½·2.5·9.5² = 112.8 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·112.8 = 56.41 J

合计

Ek = 112.8 + 56.41 = 169.2 J

答案

Ek = 169.2 J
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 709.2 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

1440·125/250 = 720 rpm

有打滑

n2 = 720·0.985 = 709.2 rpm

答案

n2 = 709.2 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 50

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 = 1500·15/40 = 562.5 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 16·562.5/180 = 50

答案

ND = 50
17.弹簧与单摆

答案: T = 2.837 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。

单摆周期

T = 2π·√(2/9.81) = 2.837 s

答案

T = 2.837 s
18.弹簧与单摆

答案: A = 11.36 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.

撞击后的速度

V = m·v/(m + M) = 0.008·450/2.008 = 1.793 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(500/2.008) = 15.78 rad/s

振幅

A = V/ω = 1.793/15.78 = 0.1136 m = 11.36 cm

答案

A = 11.36 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.04004

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。

对数衰减率

δ = (1/5)·ln(25/7.1) = 0.2518

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2518/√(39.48 + 0.06338) = 0.04004

答案

ζ = 0.04004
20.机械振动

答案: keq = 15.38 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 = 1/40 + 1/25 → keq = 40·25/(40 + 25) = 15.38 kN/m

答案

keq = 15.38 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics