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。
一辆以恒定的 15 m/s 超速行驶的汽车经过一辆静止的警车。此时警车启动并以 5.5 m/s² 匀加速。 警车在距其出发点多远处追上?求 d。
一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 40 m/s² 的恒定向上加速度,持续 1.5 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。 求火箭达到的最大高度 hmax。
一个箱子以 2.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 1.1 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。
水平桌面上一个 1.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。
一个球 从平地上以高于水平面 30° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。
一个球从 40 m 高的悬崖顶部以 28 m/s、与水平方向成 60° 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?
一辆 1400 kg 的汽车以 10 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 100 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。
一个半径为 300 m 的弯道倾斜 12°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.15。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 5 kg 的物块沿倾角 25° 的斜面下滑 9 m,动摩擦因数为 0.2。求克服摩擦做的功 Wf。
在 40° 斜坡底部有一根刚度为 5000 N/m 的弹簧,它顶着一个 0.5 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 0.25。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。)
在无摩擦的导轨上,一个以 4 m/s 运动的 2.5 kg 滑块与一个静止的 1.5 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)。
在一个十字路口,一辆以 18 m/s 向东行驶的 1000 kg 汽车与一辆以 23 m/s 向北行驶的 1200 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。
质量为 10 kg、长为 0.5 m 的均匀细杆一端铰接,保持水平。从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求释放瞬间自由端的加速度 atip。
一个实心圆柱从静止开始,沿与水平面成 20° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.35 m。求它沿斜面滚过 6 m 后的角速度 ω。
一台 3 kW、转速 1440 rpm 的电动机驱动一个齿数为 24、模数为 3 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(72 齿)以 1500 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 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(48 齿)。求输出转速 nout。
一个单摆的摆长为 0.6 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。
一个连在 k = 80 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 11 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 9 cm 时的动能 K。
一个 2 kg 的质量块由刚度为 40 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 50 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 20 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 50 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: d = 81.82 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.
此时警车的速度为 2v = 30 m/s。
答案: hmax = 228.5 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.
在最高点速度为零。
答案: μ = 0.2896
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: a = 6.213 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。
答案: t = 2.854 s
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: α = 69.3 °
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.
用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。
答案: N = 12334 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.
指向圆心(向下)为正。
汽车感觉变轻了:路面向上的支持力小于其重量。
答案: vmin = 13.36 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: Wf = 80.02 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)。
答案: d = 13.75 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: v′1 = 1 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。
联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。
答案: v′ = 14.98 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.
答案: atip = 14.71 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.
在释放的瞬间 ω = 0,所以没有向心加速度,质心笔直向下加速。
对任何长度,atip = 1.5·g:自由端下落得比扔下的石头还快。
答案: ω = 14.8 rad/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.
无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。
答案: Ft = 552.6 N
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.
答案: nout = 843.8 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。
总传动比 = 1.778 : 1
答案: T = 1.554 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。
答案: K = 0.16 J
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: ζ = 0.08839
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。
ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。
答案: keq = 27.27 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。
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。
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