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)4.762 s33.33

一辆以 120 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。

v₀ = 120 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 20 m/s25 m

从离地面 25 m 高的屋顶边缘以 20 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 = 20 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
35 kg15°F = 170 Nμ = 0.3

一个 35 kg 的雪橇被一根与水平方向成 15° 向上的绳子以 170 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 35 kgF = 170 Nθ = 15°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 2.5 kg2 kgθ = 25°

倾角为 25° 的斜面上有一个 2.5 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 2 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 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 2.5 kgm2 = 2 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 20 m/s65°射程H = ?

一个球 从平地上以高于水平面 65° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。

v0 = 20 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 28 m/s45°H = ?

一个球从 35 m 高的悬崖顶部以 28 m/s、与水平方向成 45° 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 = 28 m/sθ = 45°h = 35 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
θ = 18°指向圆心v = ?

一个半径为 230 m 的弯道倾斜 18°。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 = 230 mθ = 18°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
θ = 10°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 40 m 的弯道倾斜 10°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 40 mθ = 10°μs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
35°d = 20 mμ = 0.3

一个物块由静止沿倾角 35° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.3。求它沿斜面滑行 20 m 后的速度 v。

θ = 35°μ = 0.3d = 20 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
k = 800 N/m15°μ = 0.153 kg

在 15° 斜坡底部有一根刚度为 800 N/m 的弹簧,它顶着一个 3 kg 的物块被压缩 15 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.15。物块从释放点沿斜坡向上滑行多远 d 后停下?(忽略弹簧推动的那一小段距离,即在整个距离 d 上都计入摩擦和重力。)

m = 3 kgk = 800 N/mx = 15 cmθ = 15°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
1 kg5 m/s3 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 5 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。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 1 kgm2 = 3 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
26 m/s5 m/s

一个 0.35 kg 的小球以 26 m/s 撞到墙上,并以 5 m/s 沿原路弹回。接触时间为 50 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.35 kgvin = 26 m/svout = 5 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 1400 rpmTb​ = 190 N·mI = 11 kg·m²

转动惯量为 11 kg·m² 的飞轮以 1400 rpm 转动。制动器施加 190 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 11 kg·m²n = 1400 rpmTb = 190 N·m
t = s
14.刚体转动困难
9 m/sω

一个质量为 16 kg 的薄圆环以 9 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 16 kgv = 9 m/sI = m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 112.5 mm。须用一对模数为 2.5 mm、减速比为 3.5 : 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 = 112.5 mmm = 2.5 mmi = 3.5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 1200 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 150 mm 的带轮和一个 500 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 = 500 mmC = 1200 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = 1.2 m

一个单摆的摆长为 1.2 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.2 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
1.1 kgk = 370 N/mA = 12 cm

一个 1.1 kg 的物体连在 k = 370 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 12 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 1.1 kgk = 370 N/mA = 12 cm
E = J
19.机械振动中等
tx30 mm2 个周期16 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 30 mm 之后 2 个周期出现峰值 16 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 30 mmx2 = 16 mmn = 2
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 5k2​ = 100m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 5 kN/m,下弹簧 k₂ = 100 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。

m = 25 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 79.37 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·7) = 79.37 m

答案

s = 79.37 m
2.运动学

答案: hmax = 45.39 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 = 20²/(2·9.81) = 20.39 m

离地面的高度

hmax = 25 + 20.39 = 45.39 m

答案

hmax = 45.39 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.126 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.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 343.4 − 170·sin 15° = 299.4 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 164.2 − 89.81
a = 74.4/35 = 2.126 m/s²

答案

a = 2.126 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 16.99 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 19.62 N
m₁·g·sin θ = 10.36 N
μ·m₁·g·cos θ = 3.334 N

系统的加速度

a = (19.62 − 10.36 − 3.334)/4.5 = 1.316 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 2·(9.81 − 1.316) = 16.99 N

答案

T = 16.99 N
5.抛体运动

答案: H = 16.75 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。

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 = 20·cos 65° = 8.452 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 65° = 18.13 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 18.13²/(2·9.81) = 16.75 m

答案

H = 16.75 m
6.抛体运动

答案: H = 54.98 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 = 28·sin 45° = 19.8 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 19.8²/(2·9.81) = 19.98 m

离地面的高度

H = 35 + 19.98 = 54.98 m

答案

H = 54.98 m
7.圆周运动

答案: v = 27.08 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) = √(230·9.81·tan 18°) = 27.08 m/s

答案

v = 27.08 m/s
(97.47 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 14.05 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

摩擦力沿斜面向下。

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(40·9.81·0.4691/0.9327) = 14.05 m/s

答案

vmax = 14.05 m/s
(50.57 km/h)
9.功和能

答案: v = 11.34 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)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·20·(0.5736 − 0.3·0.8192)) = 11.34 m/s

答案

v = 11.34 m/s
10.功和能

答案: d = 0.7575 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)。

弹簧能量

x = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·800·0.15² = 9 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 9/(29.43·(0.2588 + 0.15·0.9659)) = 0.7575 m

答案

d = 0.7575 m
11.动量与碰撞

答案: v′1 = −2.5 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。

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 = (1 − 3)/(1 + 3)·5 = −2.5 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 3)·5 = 2.5 m/s

答案

v′1 = −2.5 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: J = 10.85 N·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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.35·(5 + 26) = 10.85 N·s

答案

J = 10.85 N·s
13.刚体转动

答案: t = 8.488 s

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·1400/60 = 146.6 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 190/11 = 17.27 rad/s²
t = ω/α = 146.6/17.27 = 8.488 s

答案

t = 8.488 s
14.刚体转动

答案: Ek = 1296 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 = ½·16·9² = 648 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·648 = 648 J

合计

Ek = 648 + 648 = 1296 J

答案

Ek = 1296 J
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 20

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 = 2·112.5/2.5 = 90

按传动比分配

N1 = 90/(1 + 3.5) = 20

答案

N1 = 20
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 163.2 °

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(0.1458) = 8.386°

包角

θ = 180 − 2·8.386 = 163.2°

答案

θ = 163.2°
17.弹簧与单摆

答案: T = 2.198 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·√(1.2/9.81) = 2.198 s

答案

T = 2.198 s
18.弹簧与单摆

答案: E = 2.664 J

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 = √(370/1.1) = 18.34 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·370·0.12² = 2.664 J

答案

E = 2.664 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.04996

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 = (1/2)·ln(30/16) = 0.3143

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3143/√(39.48 + 0.09879) = 0.04996

答案

ζ = 0.04996
20.机械振动

答案: fn = 2.197 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

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 = 1/5 + 1/100 → keq = 5·100/(5 + 100) = 4.762 kN/m

固有频率

ωn = √(4762/25) = 13.8 rad/s
fn = 13.8/(2π) = 2.197 Hz

答案

fn = 2.197 Hz

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