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 6.5 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 = −6.5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 10 m/s30 m

从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 10 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 = 10 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
30 kg30°F = 180 Nμ = 0.1

一个 30 kg 的雪橇被一根与水平方向成 30° 向上的绳子以 180 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 30 kgF = 180 Nθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 1 kg0.5 kgμ = 0.1

水平桌面上一个 1 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 0.5 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。 求绳中的张力 T。

m1 = 1 kgm2 = 0.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?65°R = 110 m

一个球从水平地面以与水平方向成 65° 的角度抛出,落在 110 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 65°R = 110 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 45 mv0​ = 33 m/s25°x = ?

一个球 从 45 m 高的悬崖顶上以高于水平面 25° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 33 m/sθ = 25°h = 45 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 3.9 mω = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 3.9 m 的竖直圆筒壁上。圆筒转得足够快时,底板下降,靠摩擦力托住乘客。静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。 求最小角速度 ω,以 rad/s 表示。

r = 3.9 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.圆周运动困难
R = 4 mh = ?

一辆小车在无摩擦轨道上由静止释放,驶入一个半径为 4 m 的竖直圆环。它必须从高出圆环底部至少多高 hmin 处出发,才能在圆环顶部保持在轨道上?

R = 4 mv₀ = 0
hmin = m
9.功和能中等
25°d = 18 mμ = 0.2

一个物块由静止沿倾角 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。求它沿斜面滑行 18 m 后的速度 v。

θ = 25°μ = 0.2d = 18 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
k = 3000 N/m15°μ = 0.251 kg

在 15° 斜坡底部有一根刚度为 3000 N/m 的弹簧,它顶着一个 1 kg 的物块被压缩 20 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。)

m = 1 kgk = 3000 N/mx = 20 cmθ = 15°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
5 kg75 m/s1 kgv′2​ = ?

一个以 16 m/s 水平运动的 6 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。5 kg 的碎片以 75 m/s 继续向前运动。求 1 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 6 kgu = 16 m/sm1 = 5 kgv′1 = 75 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
16 m/s11 m/s

一个 0.35 kg 的小球以 16 m/s 撞到墙上,并以 11 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 = 0.35 kgvin = 16 m/svout = 11 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 1900 rpmTb​ = 135 N·mI = 29 kg·m²

转动惯量为 29 kg·m² 的飞轮以 1900 rpm 转动。制动器施加 135 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 29 kg·m²n = 1900 rpmTb = 135 N·m
t = s
14.刚体转动困难
θ = 10°a

一个空心球沿与水平面成 10° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求其质心的加速度 a。

θ = 10°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1500 rpmn2​ = ?

一个 125 mm 的带轮以 1500 rpm 通过皮带驱动一个 200 mm 的带轮,打滑率为 3 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1500 rpmd1 = 125 mmd2 = 200 mms = 3 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm960 rpmC = 800 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 960 rpm 转动、直径 80 mm 的主动轮与一个 250 mm 的带轮相连;中心距为 800 mm。摩擦系数为 0.3,紧边张力不得超过 1200 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。

d1 = 80 mmn1 = 960 rpmd2 = 250 mmC = 800 mmμ = 0.3T1 = 1200 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = 0.5 m

一个单摆的摆长为 0.5 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 0.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
3.2 kgk = 70 N/mA = 18 cm

一个 3.2 kg 的物体连在 k = 70 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 18 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 3.2 kgk = 70 N/mA = 18 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
tx20 mm1 个周期9.4 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 20 mm 之后一个周期出现峰值 9.4 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 20 mmx1 = 9.4 mmn = 1
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 15k3​ = 40m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 40 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 = 40 kN/m 和 k₂ = 15 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。

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 1.923 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 = 12.5/6.5 = 1.923 s

答案

t = 1.923 s
2.运动学

答案: t = 3.694 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。

−30 = 10·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 10·t − 30 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (10 + √(10² + 2·9.81·30))/9.81 = 3.694 s

答案

t = 3.694 s
3.牛顿定律

答案: a = 4.515 m/s²

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.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 294.3 − 180·sin 30° = 204.3 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 155.9 − 20.43
a = 135.5/30 = 4.515 m/s²

答案

a = 4.515 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 3.597 N

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。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (4.905 − 0.981)/1.5 = 2.616 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·2.616 + 0.981 = 3.597 N

答案

T = 3.597 N
5.抛体运动

答案: v0 = 37.53 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.

从射程公式求 v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·110/sin 130°) = 37.53 m/s

答案

v0 = 37.53 m/s
6.抛体运动

答案: x = 142.6 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 = 33·cos 25° = 29.91 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 25° = 13.95 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 45 + 13.95·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (13.95 + √(194.5 + 882.9))/9.81 = 4.768 s

水平距离

x = vx·t = 29.91·4.768 = 142.6 m

答案

x = 142.6 m
7.圆周运动

答案: ω = 1.773 rad/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.

乘客受到的力

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

角速度

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.8·3.9)) = 1.773 rad/s

答案

ω = 1.773 rad/s
8.圆周运动

答案: hmin = 10 m

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.

顶部的条件

m·g = m·v²/R → v² = g·R

能量守恒

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·4 = 10 m

答案

hmin = 10 m
9.功和能

答案: v = 9.232 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 = √(2·9.81·18·(0.4226 − 0.2·0.9063)) = 9.232 m/s

答案

v = 9.232 m/s
10.功和能

答案: d = 12.23 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)。

弹簧能量

x = 20 cm = 0.2 m
½kx² = ½·3000·0.2² = 60 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 60/(9.81·(0.2588 + 0.25·0.9659)) = 12.23 m

答案

d = 12.23 m
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −279 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.

碰撞前的动量

p = M·u = 6·16 = 96 kg·m/s

碰撞后的动量

96 = 5·75 + 1·v′2
v′2 = (96 − 375)/1 = −279 m/s

答案

v′2 = −279 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: J = 9.45 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 = 0.35·(11 + 16) = 9.45 N·s

答案

J = 9.45 N·s
13.刚体转动

答案: t = 42.74 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.

角速度

ω = 2π·1900/60 = 199 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 135/29 = 4.655 rad/s²
t = ω/α = 199/4.655 = 42.74 s

答案

t = 42.74 s
14.刚体转动

答案: a = 1.022 m/s²

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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 10°/1.667 = 1.022 m/s²

答案

a = 1.022 m/s²
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 909.4 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。

无打滑时的转速

1500·125/200 = 937.5 rpm

有打滑

n2 = 937.5·0.97 = 909.4 rpm

答案

n2 = 909.4 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 2.821 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。

包角

θ = 2.929 rad

松边张力

eμθ = e0.8786 = 2.408, T₂ = 1200/2.408 = 498.4 N

功率

P = (1200 − 498.4)·4.021 = 2.821 kW

答案

P = 2.821 kW
17.弹簧与单摆

答案: T = 1.419 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。

单摆周期

T = 2π·√(0.5/9.81) = 1.419 s

答案

T = 1.419 s
18.弹簧与单摆

答案: amax = 3.938 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。

角频率

ω = √(70/3.2) = 4.677 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.18·4.677² = 3.938 m/s²

答案

amax = 3.938 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.1193

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 = (1/1)·ln(20/9.4) = 0.755

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.755/√(39.48 + 0.5701) = 0.1193

答案

ζ = 0.1193
20.机械振动

答案: fn = 2.422 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

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 40 + 15 = 55 kN/m
keq = 55·40/(55 + 40) = 23.16 kN/m

固有频率

ωn = √(23158/100) = 15.22 rad/s
fn = 15.22/(2π) = 2.422 Hz

答案

fn = 2.422 Hz

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