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 54 km/h 行驶的汽车以 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。
一辆有轨电车从静止开始以 2 m/s² 加速 9 s,然后匀速行驶 15 s,最后以 3 m/s² 制动直到停止。 求总行驶时间 t。
质量为 10 kg 和 6 kg 的两个物体用轻绳相连,分别悬挂在一个轻质无摩擦滑轮的两侧。系统由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物体的加速度 a。
倾角为 20° 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 5.5 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。
一个球从水平地面以 18 m/s 抛出,必须落在 15 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求两个可能的抛射角中较小的一个 θ。
一个球从 25 m 高的悬崖顶部以 22 m/s、与水平方向成 70° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。
一辆汽车通过半径为 110 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。
一个半径为 50 m 的弯道倾斜 30°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。
一个物块由静止沿倾角 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。求它沿斜面滑行 20 m 后的速度 v。
一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 2.5 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 = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 1500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。
在无摩擦的导轨上,一个以 10 m/s 运动的 4 kg 滑块与一个静止的 2 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。
一个 0.5 kg 的小球以 14 m/s 撞到墙上,并以 10 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。
质量为 1.5 kg、长为 1.3 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自由端的速度 v。
一个人站在无摩擦的转盘上,每只手各拿一个 3 kg 的哑铃,距转轴 0.8 m。人和转盘单独对转轴的转动惯量为 2.5 kg·m²。他们以 30 rpm 转动,然后把哑铃收到距转轴 0.25 m 处。把哑铃看作质点。求新的转速 n2,单位 rpm。
一台 7.5 kW 的电动机以 1440 rpm 运转,驱动一个齿数为 16 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 60 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(36 齿)。齿轮 C(16 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(80 齿)。求输出转速 nout。
一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.7 m 的单摆在小幅摆动时周期为 4.25 s。求该行星上的重力加速度 g。
一个 3.3 kg 的物体连在 k = 470 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 5 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。
在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 30 mm 之后一个周期出现峰值 23.3 mm。 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 = 30 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 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: t = 3 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。
答案: t = 30 s
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: a = 2.453 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.
净驱动力是两个重量之差;它带动的是总质量。
答案: a = 4.152 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.
答案: θ = 13.51 °
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.
另一个解为 90° − θ = 76.49°。
答案: H = 46.78 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.
答案: vmax = 29.38 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: vmax = 22.81 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.
摩擦力沿斜面向下。
答案: v = 11.32 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)。
物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。
答案: x = 26.82 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)。
坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。
答案: v′2 = 13.33 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: J = 12 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。
答案: v = 6.185 m/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.
答案: n2 = 66.16 rpm
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.
动能增加了:多出来的能量来自人收哑铃时所做的功。
答案: T2 = 177.2 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: nout = 266.7 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 = 11.25 : 1
答案: g = 3.716 m/s²
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: vmax = 0.5967 m/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: ζ = 0.04019
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。
答案: fn = 3.183 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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