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
a = ?s = 2200 m

一架飞机起飞需要 240 km/h 的速度,可用跑道长 2200 m。从静止开始,它需要多大的恒定加速度 a?

v₀ = 0v = 240 km/hs = 2200 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 1.7 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 = 1.7 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 40°a = ?m = 3 kg

一个 3 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 = 3 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
2 kg3 kgTF = 65 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 65 N 的水平力拉前面 3 kg 的物块;2 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 = 2 kgm2 = 3 kgF = 65 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 38 m/s70°射程H = ?

一个球 从平地上以高于水平面 70° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。

v0 = 38 m/sθ = 70°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
h = 50 mv0​ = 23 m/s55°α = ?

一个球从 50 m 高的悬崖顶部以 23 m/s、与水平方向成 55° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 23 m/sθ = 55°h = 50 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 115 mvmax​ = ?

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 0.7。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 115 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.1 mv = 5.5 m/s

一个 0.6 kg 的小球系在长 1.1 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 5.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.6 kgr = 1.1 mv = 5.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
45°d = 3 mμ = 0.25

一个物块由静止沿倾角 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。求它沿斜面滑行 3 m 后的速度 v。

θ = 45°μ = 0.25d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 4.5 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 4000 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 4.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 1.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.15),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 4000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 2.5 kgh = 4.5 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
4.5 kg5 m/s1 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 5 m/s 运动的 4.5 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 = 4.5 kgm2 = 1 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
5 kgv = ?10 g30°L = 0.6 m

一颗 10 g 的子弹水平射入一个用长 0.6 m 的轻绳悬挂的 5 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 30°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 10 gM = 5 kgL = 0.6 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
ω = ?L = 1.9 mm = 8.5 kg

质量为 8.5 kg、长为 1.9 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时的角速度 ω。

m = 8.5 kgL = 1.9 mg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.刚体转动困难
7 m/sω

一个质量为 6.5 kg 的薄圆环以 7 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 6.5 kgv = 7 m/sI = m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 337.5 mm。须用一对模数为 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 = 337.5 mmm = 5 mmi = 3.5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 1000 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 1000 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 150 mmd2 = 500 mmC = 1000 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)0.15 s

一个连在 k = 260 N/m 弹簧上的 0.9 kg 物体被沿正方向拉开 10 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.15 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 0.9 kgk = 260 N/mA = 10 cmt = 0.15 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
t (s)x (cm)t = ?4.2

一个物体做简谐振动,周期为 3.7 s,振幅为 14 cm。 它从平衡位置运动到位移 4.2 cm 处所需的最短时间 t 是多少?

T = 3.7 sA = 14 cmx = 4.2 cm
t = s
19.机械振动中等
k = 15 kN/mζ = 0.4m = 8 kg

一个 8 kg 的质量块挂在刚度为 15 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.4。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 8 kgk = 15 kN/mζ = 0.4
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 5k2​ = 40m = 50 kg

一个 50 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 = 40 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 = 50 kgk1 = 5 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: a = 1.01 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 = 240/3.6 = 66.67 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 66.67²/(2·2200) = 1.01 m/s²

答案

a = 1.01 m/s²
2.运动学

答案: d = 13.53 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·(1.7 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 583.1 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·583.1))/(2·4.905) = 1.661 s

深度

d = ½·9.81·1.661² = 13.53 m

答案

d = 13.53 m
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: T = 26 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) = (65 − 4.905)/5 = 12.02 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 2·(12.02 + 0.981) = 26 N

答案

T = 26 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: H = 64.99 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 = 38·cos 70° = 13 m/s
vy = v0·sin θ = 38·sin 70° = 35.71 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 35.71²/(2·9.81) = 64.99 m

答案

H = 64.99 m
6.抛体运动

答案: α = 70.15 °

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 = 23·cos 55° = 13.19 m/s
vy0 = 23·sin 55° = 18.84 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(18.84² + 2·9.81·50) = 36.55 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 36.55/13.19 → α = 70.15°

答案

α = 70.15°
7.圆周运动

答案: vmax = 28.1 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) = √(0.7·9.81·115) = 28.1 m/s

答案

vmax = 28.1 m/s (101.2 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 22.39 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 = 0.6·9.81 + 0.6·5.5²/1.1 = 5.886 + 16.5 = 22.39 N

答案

T = 22.39 N
9.功和能

答案: v = 5.587 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 = √(2·9.81·3·(0.7071 − 0.25·0.7071)) = 5.587 m/s

答案

v = 5.587 m/s
10.功和能

答案: x = 22.9 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)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 24.53·(4.5 − 0.15·1.5) = 104.8 J

最大压缩量

½kx² = 104.8 → x = √(2·104.8/4000) = 0.229 m = 22.9 cm

答案

x = 22.9 cm
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 3.182 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 = (4.5 − 1)/(4.5 + 1)·5 = 3.182 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 1)·5 = 8.182 m/s

答案

v′1 = 3.182 m/s
12.动量与碰撞

答案: v = 629.2 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.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 0.6·(1 − cos 30°) = 0.08038 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.08038) = 1.256 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 5.01·1.256/0.01 = 629.2 m/s

答案

v = 629.2 m/s
13.刚体转动

答案: ω = 3.936 rad/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.

势能的减少

m·g·L/2 = 8.5·9.81·0.95 = 79.22 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 = 8.5·1.9²/3 = 10.23 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 79.22 → ω = √(2·79.22/10.23) = 3.936 rad/s

答案

ω = 3.936 rad/s
14.刚体转动

答案: Ek = 318.5 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.

平动部分和转动部分

Etrans = ½·m·v² = ½·6.5·7² = 159.3 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·159.3 = 159.3 J

合计

Ek = 159.3 + 159.3 = 318.5 J

答案

Ek = 318.5 J
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 30

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 = 2·337.5/5 = 135

按传动比分配

N1 = 135/(1 + 3.5) = 30

答案

N1 = 30
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 159.8 °

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(0.175) = 10.08°

包角

θ = 180 − 2·10.08 = 159.8°

答案

θ = 159.8°
17.弹簧与单摆

答案: x = −8.298 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 = √(260/0.9) = 17 rad/s
ω·t = 17·0.15 = 2.55 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 10·cos(2.55) = −8.298 cm

答案

x = −8.298 cm
18.弹簧与单摆

答案: t = 0.1794 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.

角频率

ω = 2π/T = 2π/3.7 = 1.698 rad/s

求解时间

0.3 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.3) = 0.3047 rad
t = 0.3047/1.698 = 0.1794 s

答案

t = 0.1794 s
19.机械振动

答案: fd = 6.316 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 = √(15000/8) = 43.3 rad/s
fn = 43.3/(2π) = 6.892 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6.892·√(1 − 0.4²) = 6.316 Hz

答案

fd = 6.316 Hz
20.机械振动

答案: fn = 1.501 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 + 1/40 → keq = 5·40/(5 + 40) = 4.444 kN/m

固有频率

ωn = √(4444/50) = 9.428 rad/s
fn = 9.428/(2π) = 1.501 Hz

答案

fn = 1.501 Hz

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