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)t = ?12.5

一辆以 45 km/h 行驶的汽车以 3.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 制动需要多长时间?求 t。

v₀ = 45 km/ha = −3.5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 12 m/s20 m

从离地面 20 m 高的屋顶边缘以 12 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。

v₀ = 12 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 40°a = ?m = 2 kg

一个 2 kg 的物块沿倾角为 40° 的光滑斜面下滑。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 2 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
θ = 35°物块v₀ = 11 m/s

一个物块被推了一下,以 11 m/s 的速度开始沿 35° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 11 m/sθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
v0​ = 26 m/sθ = ?R = 50 m

一个球从水平地面以 26 m/s 抛出,必须落在 50 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 = 26 m/sR = 50 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 5 mv0​ = 11 m/s30°H = ?

一个球从 5 m 高的悬崖顶部以 11 m/s、与水平方向成 30° 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 = 11 m/sθ = 30°h = 5 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 65 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 65 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 65 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.5 mv = 3.5 m/s

一个 1.7 kg 的小球系在长 1.5 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 = 1.7 kgr = 1.5 mv = 3.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
50 km/h

一辆汽车在水平路面上以 50 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。

v = 50 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
10.功和能困难
F = 30 N15°μ = 0.15 kg

一个 5 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 30 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 9 m 后的速度 v。

m = 5 kgF = 30 Nθ = 15°μ = 0.1d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
500 kg22 m/s1900 kg

一辆以 22 m/s 行驶的 500 kg 汽车撞上一辆静止的 1900 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 500 kgv1 = 22 m/sm2 = 1900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
22 m/s12 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 22 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.6 kgvin = 22 m/svout = 12 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
14 kgaαM = 13 kgR = 0.35 m

一个 14 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 13 kg、半径为 0.35 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。 求物块的加速度 a。

m = 14 kgM = 13 kgR = 0.35 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
θ = 15°vs = 1.5 m

一个实心球从静止开始,沿与水平面成 15° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 1.5 m 后的速度 v。

θ = 15°s = 1.5 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm2880 rpmT1​ = 600 NT2​ = 120 NP = ?

一条皮带绕在一个以 2880 rpm 转动、直径 80 mm 的主动轮上。紧边张力为 600 N,松边张力为 120 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
A = 36B = 48C = 15D = 72

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(36 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(48 齿)。齿轮 C(15 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(72 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 36B = 48C = 15D = 72
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)1.2 s

一个连在 k = 210 N/m 弹簧上的 4 kg 物体被沿正方向拉开 4 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 1.2 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 4 kgk = 210 N/mA = 4 cmt = 1.2 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
0.7 kgk = 480 N/mA = 2 cm

一个 0.7 kg 的物体连在 k = 480 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 2 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 0.7 kgk = 480 N/mA = 2 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
tx12 mm3 个周期3.9 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 12 mm 之后 3 个周期出现峰值 3.9 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 12 mmx3 = 3.9 mmn = 3
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 5m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 12 kN/m 和 k₂ = 5 kN/m。质量块保持水平。 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 = 20 kgk1 = 12 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 3.571 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。

单位

v₀ = 45/3.6 = 12.5 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 12.5/3.5 = 3.571 s

答案

t = 3.571 s
2.运动学

答案: t = 3.584 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。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−20 = 12·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 12·t − 20 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (12 + √(12² + 2·9.81·20))/9.81 = 3.584 s

答案

t = 3.584 s
3.牛顿定律

答案: a = 6.306 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 40° − 0·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0) = 6.306 m/s²

答案

a = 6.306 m/s²
4.牛顿定律

答案: d = 7.527 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.

减速度

两个力都沿斜面向下;质量约去。

a = 9.81·(sin 35° + 0.3·cos 35°) = 8.038 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 11²/(2·8.038) = 7.527 m

答案

d = 7.527 m
5.抛体运动

答案: θ = 23.26 °

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 = 9.81·50/26² = 0.7256

相角

2θ = 46.52° → θ = 23.26°

答案

θ = 23.26°

另一个解为 90° − θ = 66.74°。

6.抛体运动

答案: H = 6.542 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 = 11·sin 30° = 5.5 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 5.5²/(2·9.81) = 1.542 m

离地面的高度

H = 5 + 1.542 = 6.542 m

答案

H = 6.542 m
7.圆周运动

答案: vmax = 13.83 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。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.3·9.81·65) = 13.83 m/s

答案

vmax = 13.83 m/s (49.79 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 30.56 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 = 1.7·9.81 + 1.7·3.5²/1.5 = 16.68 + 13.88 = 30.56 N

答案

T = 30.56 N
9.功和能

答案: d = 24.58 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)。

以基本单位表示的速度

v = 50/3.6 = 13.89 m/s

能量衡算

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 13.89²/(2·0.4·9.81) = 24.58 m

答案

d = 24.58 m

速度加倍,制动距离变为四倍。

10.功和能

答案: v = 6.726 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 = 5·9.81 = 49.05 N
mg·sin θ = 12.7 N
μ·mg·cos θ = 4.738 N

功–能关系

½mv² = (30 − 17.43)·9 = 113.1 J
v = √(2·113.1/5) = 6.726 m/s

答案

v = 6.726 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 95792 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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 500·22/2400 = 4.583 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·500·22² = 121000 J
Kafter = ½·2400·4.583² = 25208 J

损失的能量

ΔK = 121000 − 25208 = 95792 J

答案

ΔK = 95792 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: J = 20.4 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 = 0.6·(12 + 22) = 20.4 N·s

答案

J = 20.4 N·s
13.刚体转动

答案: a = 6.7 m/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.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 14·9.81/(14 + 6.5) = 6.7 m/s²

答案

a = 6.7 m/s²
14.刚体转动

答案: v = 2.333 m/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.

下降的高度

h = s·sin θ = 1.5·sin 15° = 0.3882 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·0.3882/1.4) = 2.333 m/s

答案

v = 2.333 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 5.791 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。

皮带速度

v = 12.06 m/s

功率

P = (600 − 120)·12.06 = 5791 W = 5.791 kW

答案

P = 5.791 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 453.1 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 = 2900·36/48 = 2175 rpm = nC

第二级

nout = 2175·15/72 = 453.1 rpm

答案

nout = 453.1 rpm

总传动比 = 6.4 : 1

17.弹簧与单摆

答案: x = −2.981 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.

角频率

ω = √(210/4) = 7.246 rad/s
ω·t = 7.246·1.2 = 8.695 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(8.695) = −2.981 cm

答案

x = −2.981 cm
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 0.5237 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 = √(480/0.7) = 26.19 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.02·26.19 = 0.5237 m/s

答案

vmax = 0.5237 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.05952

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 = (1/3)·ln(12/3.9) = 0.3746

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3746/√(39.48 + 0.1404) = 0.05952

答案

ζ = 0.05952
20.机械振动

答案: fn = 4.64 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

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 12 + 5 = 17 kN/m

固有频率

ωn = √(17000/20) = 29.15 rad/s
fn = 29.15/(2π) = 4.64 Hz

答案

fn = 4.64 Hz

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