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。

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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)4.63 s27.78

一辆以 100 km/h 行驶的汽车以 6 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 100 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 6 m/s5 m

从离地面 5 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。 求小球离地面的最大高度 hmax。

v₀ = 6 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 45°a = ?m = 14 kg

一个 14 kg 的物块沿倾角为 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.3。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 14 kgθ = 45°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
10 kg11 kgTF = 130 Nμ = 0.15

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 130 N 的水平力拉前面 11 kg 的物块;10 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.15。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 10 kgm2 = 11 kgF = 130 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 28 m/sθ = ?R = 55 m

一个球从水平地面以 28 m/s 抛出,必须落在 55 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 = 28 m/sR = 55 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 23 m/s40°H = ?

一个球从 55 m 高的悬崖顶部以 23 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 23 m/sθ = 40°h = 55 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
θ = 12°指向圆心v = ?

一个半径为 350 m 的弯道倾斜 12°。汽车以多大速度 v 通过时完全不需要摩擦力?取 g = 9.81 m/s²。

r = 350 mθ = 12°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.9 m11 m/svtop​ = ?

一个 0.2 kg 的球系在长 0.9 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 11 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 = 0.2 kgr = 0.9 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
25°d = 12 mμ = 0.35

一个 1 kg 的物块沿倾角 25° 的斜面下滑 12 m,动摩擦因数为 0.35。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 1 kgθ = 25°μ = 0.35d = 12 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
F = 170 N35°μ = 0.315 kg

一个 15 kg 的物块从 35° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 170 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.3。求物块沿斜坡向上移动 6 m 后的速度 v。

m = 15 kgF = 170 Nθ = 35°μ = 0.3d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
3.5 kg3 m/s1 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 3 m/s 运动的 3.5 kg 滑块与一个静止的 1 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 3.5 kgm2 = 1 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
19 m/s5 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 19 m/s 撞到墙上,并以 5 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。

m = 0.6 kgvin = 19 m/svout = 5 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 700 rpmTb​ = 75 N·mI = 29.5 kg·m²

转动惯量为 29.5 kg·m² 的飞轮以 700 rpm 转动。制动器施加 75 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?

I = 29.5 kg·m²n = 700 rpmTb = 75 N·m
N = rev
14.刚体转动困难
θ = 10°a

一个薄圆环沿与水平面成 10° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求其质心的加速度 a。

θ = 10°I = m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 40z = 2, 1450 rpm

一个 2 头的蜗杆以 1450 rpm 转动,驱动一个 40 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 2Nw = 40n = 1450 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 12B = 25C = 30D = 45

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 1450 rpm 转动,驱动齿轮 B(25 齿)。齿轮 C(30 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(45 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1450 rpmA = 12B = 25C = 30D = 45
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.4 m

一个单摆的摆长为 1.4 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.4 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
0.8 kgk = 120 N/mA = 12 cm

一个 0.8 kg 的物体连在 k = 120 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 12 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 0.8 kgk = 120 N/mA = 12 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 12 kN/mζ = 0.6m = 15 kg

一个 15 kg 的质量块挂在刚度为 12 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.6。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 15k2​ = 5m = 5 kg

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 = 15 kN/m 和 k₂ = 5 kN/m。质量块保持水平。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 64.3 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·6) = 64.3 m

答案

s = 64.3 m
2.运动学

答案: hmax = 6.835 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。

高出屋顶的高度

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 6²/(2·9.81) = 1.835 m

离地面的高度

hmax = 5 + 1.835 = 6.835 m

答案

hmax = 6.835 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.856 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 45° − 0.3·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.2121) = 4.856 m/s²

答案

a = 4.856 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 61.9 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) = (130 − 30.9)/21 = 4.719 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 10·(4.719 + 1.472) = 61.9 N

答案

T = 61.9 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: θ = 21.74 °

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 = 9.81·55/28² = 0.6882

相角

2θ = 43.49° → θ = 21.74°

答案

θ = 21.74°

另一个解为 90° − θ = 68.26°。

6.抛体运动

答案: H = 66.14 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.

竖直方向的初速度

vy = 23·sin 40° = 14.78 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 14.78²/(2·9.81) = 11.14 m

离地面的高度

H = 55 + 11.14 = 66.14 m

答案

H = 66.14 m
7.圆周运动

答案: v = 27.02 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.

力的平衡

N·cos θ = m·g, N·sin θ = m·v²/r → tan θ = v²/(r·g)

速率

v = √(r·g·tan θ) = √(350·9.81·tan 12°) = 27.02 m/s

答案

v = 27.02 m/s
(97.25 km/h)
8.圆周运动

答案: Ttop = 17.08 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 = 11² − 4·9.81·0.9 = 85.68 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 = 0.2·85.68/0.9 − 0.2·9.81 = 17.08 N

答案

Ttop = 17.08 N
9.功和能

答案: Wf = 37.34 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 = 9.81·0.9063 = 8.891 N
F = μN = 0.35·8.891 = 3.112 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 3.112·12 = 37.34 J

答案

Wf = 37.34 J
10.功和能

答案: v = 6.289 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 = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 84.4 N
μ·mg·cos θ = 36.16 N

功–能关系

½mv² = (170 − 120.6)·6 = 296.6 J
v = √(2·296.6/15) = 6.289 m/s

答案

v = 6.289 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 1.667 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。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′1 = (3.5 − 1)/(3.5 + 1)·3 = 1.667 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 1)·3 = 4.667 m/s

答案

v′1 = 1.667 m/s
12.动量与碰撞

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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.6·(5 + 19) = 14.4 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 14.4/0.025 = 576 N

答案

Favg = 576 N
13.刚体转动

答案: N = 168.2 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·700/60 = 73.3 rad/s

制动器做的功等于动能

½·I·ω² = ½·29.5·73.3² = 79258 J
θ = 79258/75 = 1057 rad

圈数

N = θ/2π = 168.2 rev

答案

N = 168.2 rev
14.刚体转动

答案: a = 0.8517 m/s²

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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 10°/2 = 0.8517 m/s²

答案

a = 0.8517 m/s²
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 72.5 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.

蜗轮转速

nw = n·z/Nw = 1450·2/40 = 72.5 rpm

答案

nw = 72.5 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 464 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。

第一级

nB = 1450·12/25 = 696 rpm = nC

第二级

nout = 696·30/45 = 464 rpm

答案

nout = 464 rpm

总传动比 = 3.125 : 1

17.弹簧与单摆

答案: T = 2.374 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·√(1.4/9.81) = 2.374 s

答案

T = 2.374 s
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 1.47 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。

角频率

ω = √(120/0.8) = 12.25 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.12·12.25 = 1.47 m/s

答案

vmax = 1.47 m/s
19.机械振动

答案: fd = 3.601 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(12000/15) = 28.28 rad/s
fn = 28.28/(2π) = 4.502 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4.502·√(1 − 0.6²) = 3.601 Hz

答案

fd = 3.601 Hz
20.机械振动

答案: keq = 20 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

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 15 + 5 = 20 kN/m

答案

keq = 20 kN/m

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