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。
一位以 72 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.1 s,之后汽车以 6 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。
一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 30 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2.5 s,之后发动机停止,火箭做自由运动。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 发射后多长时间它落到地面?求 t。
一个箱子以 4.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 2.6 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。
一个物块被推了一下,以 4.5 m/s 的速度开始沿 30° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?
一个球 从平地上以高于水平面 35° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。
一个球 从 60 m 高的悬崖顶上以高于水平面 45° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。
一辆汽车通过半径为 115 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。
一个半径为 170 m 的弯道倾斜 15°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不沿坡面向下滑的最低速度 vmin。
一个玩具发射器有一根刚度为 2000 N/m 的竖直弹簧。把一个 0.25 kg 的球放在上面,将弹簧压缩 8 cm,然后释放。忽略空气阻力和弹簧质量,求球上升的高度 h,从弹簧压缩时球的位置量起。
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 = 1500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。
一辆以 6 m/s 行驶的 1500 kg 汽车撞上一辆静止的 1000 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?
一个 0.6 kg 的小球以 26 m/s 撞到墙上,并以 9 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。
转动惯量为 9 kg·m² 的飞轮以 1100 rpm 转动。制动器施加 135 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 4 kg 的实心球以 2.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。
一个 200 mm 的带轮以 960 rpm 通过皮带驱动一个 400 mm 的带轮,打滑率为 3 %。求从动轮的转速 n2。
在一个行星齿轮系中,太阳轮有 30 个齿,每个行星轮有 18 个齿。行星架固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求齿圈的转速 nr(大小)。
一个连在 k = 260 N/m 弹簧上的 1 kg 物体在无摩擦表面上以 20 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 3 cm 时的速度 v。
一个 1.9 kg 的物体连在 k = 20 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 2 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。
一个 12 kg 的质量块挂在刚度为 40 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.5。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。
一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 80 kN/m 上。k₃ 的上端连接在一根刚性杆上,该杆由并排的两根弹簧 k₁ = 30 kN/m 和 k₂ = 5 kN/m 悬挂;杆保持水平。 忽略阻尼以及弹簧和杆的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。
答案: d = 55.33 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.
答案: t = 18.95 s
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.
解 −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²,取正根。
答案: μ = 0.397
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: d = 1.44 m
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.
两个力都沿斜面向下;质量约去。
答案: x = 75.1 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。
起点与落点等高:t = 2vy/g。
答案: x = 59.28 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: vmax = 30.04 m/s
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。
答案: vmin = 16.52 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.
摩擦力沿斜面向上。
答案: h = 2.61 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)。
答案: x = 13.41 cm
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: ΔK = 10800 J
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.
损失的能量转化为形变、热和声音。
答案: J = 21 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。
答案: N = 70.39 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: Ek = 17.5 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: n2 = 465.6 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。
答案: nr = 409.1 rpm
行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。
nc = 0 时,太阳轮通过起惰轮作用的行星轮驱动齿圈。
齿圈与太阳轮转向相反。
答案: v = 3.188 m/s
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: amax = 0.2105 m/s²
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: fd = 7.958 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。
答案: fn = 11.11 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。
只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。
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