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 30 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 4.5 m/s² 匀加速。 警车需要多长时间追上?求 t。
一块石头由静止释放落入井中。释放后 1.6 s 听到落水声。声速为 343 m/s;忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。
一个 11 kg 的物块沿倾角为 20° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.3。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。
一个物块被推了一下,以 10.5 m/s 的速度开始沿 20° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?
一个球从水平地面以 40 m/s 抛出,必须落在 55 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 15 m 高的悬崖顶上以高于水平面 35° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。
一辆汽车通过半径为 25 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。
一辆小车在无摩擦轨道上由静止释放,驶入一个半径为 6.5 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?
一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 5° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 350 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。
一个 2 kg 的物块从光滑坡道上 1 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 3.5 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。
一个以 13 m/s 水平运动的 5 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。4 kg 的碎片以 65 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)。
一个 0.45 kg 的小球以 18 m/s 撞到墙上,并以 11 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。
质量为 12.5 kg、长为 2.1 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。
一个质量为 11 kg 的实心圆柱以 4.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。
一台 0.37 kW、1450 rpm 的电动机驱动一个 1 头的蜗杆。蜗轮有 40 个齿,传动效率为 60%。求蜗轮轴上的输出转矩 Tw。
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(30 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(45 齿)。齿轮 C(32 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(60 齿)。求输出转速 nout。
要使单摆的周期为 1.2 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。
一个 2.2 kg 的物体连在 k = 70 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 7 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。
一个 150 kg 的质量块由刚度为 80 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 350 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 100 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 15 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 = 12 kN/m 和 k₂ = 60 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。
答案: t = 13.33 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.
此时警车的速度为 2v = 60 m/s。
答案: d = 12.01 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.
只有正根有物理意义。
答案: a = 0.5897 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: d = 9.74 m
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.
两个力都沿斜面向下;质量约去。
答案: θ = 9.854 °
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 = 80.15°。
答案: t = 3.935 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: vmax = 12.13 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: hmin = 16.25 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.
答案: P = 51.5 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 = 3.053 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′2 = −195 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.
负号表示第二块碎片向后飞。
答案: J = 13.05 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: R = 30.66 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: Erot = 55.69 J
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.
答案: Tw = 58.48 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: nout = 512 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 = 2.813 : 1
答案: L = 0.3578 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: amax = 2.227 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 = 0.05052
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 = 1.773 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。
只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。
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