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 60 km/h 行驶的汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。
从离地面 5 m 高的屋顶边缘以 15 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。
一个 16 kg 的物块沿倾角为 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。
倾角为 40° 的斜面上有一个 3.5 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 2.5 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 斜面无摩擦。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。
一个球从水平地面以与水平方向成 60° 的角度抛出,落在 135 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。
一个球从地面以 37 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 20 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。
一辆汽车通过半径为 130 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.5。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 1.8 kg 的小球系在长 0.8 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 9 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。
一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 36 km/h 驶上 8° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 300 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。
一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 2.5 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)。 求物块到达弹簧时的速度 v。
在无摩擦的导轨上,一个以 5 m/s 运动的 1.5 kg 滑块与一个静止的 4 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)。
一个 0.35 kg 的小球以 21 m/s 撞到墙上,并以 14 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。
质量为 11.5 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。
一个质量为 15.5 kg 的薄圆环以 2 m/s 的速度无滑动地滚动。 转动动能占总动能的百分之几 p?
一台 0.75 kW、960 rpm 的电动机驱动一个 3 头的蜗杆。蜗轮有 45 个齿,传动效率为 60%。求蜗轮轴上的输出转矩 Tw。
在一个行星齿轮系中,太阳轮有 30 个齿,每个行星轮有 15 个齿。齿圈固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。
一个单摆的摆长为 2.8 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。
一个 3.1 kg 的物体连在 k = 360 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 6 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。
一个 200 kg 的质量块由刚度为 50 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 630 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
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 = 50 kN/m,下弹簧 k₂ = 12 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。
答案: s = 21.37 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。
答案: hmax = 16.47 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。
答案: a = 5.896 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。
沿斜面向下为正。
答案: T = 23.5 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.
答案: v0 = 39.11 m/s
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.
答案: x = 106.7 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.
较大的根:球正在下降。
答案: vmax = 25.25 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: T = 199.9 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。
指向圆心(向上)为正。
答案: P = 30.31 kW
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)。 功率等于力乘以速度:P = F·v。
答案: v = 9.526 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)。
坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。
答案: v′1 = −2.273 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。
负号表示第一个滑块被弹回。
答案: Favg = 2450 N
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: 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: p = 50 %
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.
这个份额只取决于形状,与质量和速度无关。
答案: Tw = 67.14 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
答案: nc = 300 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。
令 nr = 0,求行星架的转速。
行星架与太阳轮转向相同。
答案: T = 3.357 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: amax = 6.968 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: ζ = 0.09961
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: fn = 3.131 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。
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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