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。
一位以 72 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.2 s,之后汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。
从离地面 35 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。 求小球离地面的最大高度 hmax。
一个箱子以 9.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 23 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。
水平桌面上一个 8.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 6 kg 重物相连。 桌面光滑。 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 70° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。
一个球 从 10 m 高的悬崖顶上以高于水平面 50° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。
一辆 1300 kg 的汽车以 9 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 55 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 0.7 kg 的球系在长 0.5 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 6 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。
一辆汽车在水平路面上以 120 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。
一个 3 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.3)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 2 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 2.5 m 后两物块的速度 v。
在无摩擦的导轨上,一个以 7 m/s 运动的 4 kg 滑块与一个静止的 5 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。
一辆 900 kg 的汽车撞上一辆停放的 1800 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 15.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。
质量为 4.5 kg、长为 0.9 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。 求释放瞬间销钉对杆的竖直力 R。
质量为 2.5 kg、长为 1.1 m 的均匀细杆,从无摩擦的上端枢轴处静止悬挂。一颗 15 g 的子弹以 400 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 0.69 m 处并留在杆中。 求撞击后瞬间杆的角速度 ω。
一台 15 kW 的电动机以 960 rpm 运转,驱动一个齿数为 15 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 72 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 96%。 求电动机轴上的扭矩 T1。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(25 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(12 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D。输出轴须以 135 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?
要使单摆的周期为 2.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。
一颗以 200 m/s 运动的 10 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 1.5 kg 木块中。木块连在一根 k = 1800 N/m 的水平弹簧上。求由此产生的振动的振幅 A,以 cm 表示。
一个 12 kg 的质量块由刚度为 15 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 250 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
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 = 50 kN/m,下弹簧 k₂ = 15 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: d = 52.57 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.
答案: hmax = 40.1 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: μ = 0.2
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 = 4.059 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: H = 72.01 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。
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。
在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。
答案: t = 3.018 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。
解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。
答案: N = 10838 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: Ttop = 16.06 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.
在高度 2r 上,动能转化为势能。
拉力和重力都向下,指向圆心。
答案: d = 141.6 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)。
速度加倍,制动距离变为四倍。
答案: v = 3.285 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)。
答案: v′2 = 6.222 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: v1 = 40.52 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: R = 11.04 N
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。
R = m·g/4,与长度无关。
答案: ω = 4.077 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.
枢轴力通过枢轴,所以撞击期间它对枢轴没有力矩。
答案: T1 = 149.2 N·m
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。
答案: ND = 40
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: L = 2.09 m
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: A = 3.836 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.
答案: ζ = 0.2946
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 = 11.54 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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