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 120 km/h 行驶的汽车以 4.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。
从离地面 10 m 高的屋顶边缘以 19 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 12 kg 的物块沿倾角为 30° 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。
水平桌面上一个 3 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 1 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。
一个球 从平地上以高于水平面 45° 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 5 m 高的悬崖顶部以 20 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 75 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。
一个半径为 240 m 的弯道倾斜 8°,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 1 kg 的物块沿倾角 40° 的斜面下滑 11 m,动摩擦因数为 0.35。求克服摩擦做的功 Wf。
一辆 5 kg 的小车从光滑轨道上 9 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 2 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时的速度 v。
一个以 24 m/s 水平运动的 15 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。10 kg 的碎片以 48 m/s 继续向前运动。求 5 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。
一辆 1600 kg 的汽车撞上一辆停放的 1300 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 11.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。
转动惯量为 32.5 kg·m² 的飞轮以 600 rpm 转动。制动器施加 165 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?
质量为 2 kg、长为 1.8 m 的均匀细杆,从无摩擦的上端枢轴处静止悬挂。一颗 10 g 的子弹以 220 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 1.67 m 处并留在杆中。 取 g = 9.81 m/s²。求杆摆动偏离竖直方向的最大角度 φ。
一台 1.5 kW 的电动机以 1500 rpm 运转,驱动一个齿数为 50 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 60 的大齿轮啮合。 忽略损失。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。
一台 1.1 kW、2900 rpm 的电动机驱动齿轮 A(32 齿),A 与齿轮 B(48 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(18 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(30 齿)。每对齿轮啮合的效率为 96%。求输出转矩 Tout。
一个连在 k = 290 N/m 弹簧上的 0.9 kg 物体被沿正方向拉开 10 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 1.4 s 时它的速度 v(带符号)。
一颗以 250 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 = 1700 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 15 kg 的质量块由刚度为 200 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 1390 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。
一个 10 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 5 kN/m 和 k₂ = 12 kN/m。质量块保持水平。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: s = 123.5 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 = 28.4 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 = 2.356 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 = 7.357 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。
答案: H = 29.46 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: H = 23 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 = 21.01 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 = 32.91 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: Wf = 28.93 J
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 = 9.905 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)。 在圆周路径上,指向圆心的合力必须等于 mv²/r。
当 h = 2.5R 时小车恰好能通过圆环;此时顶点处 N = 0。
答案: v′2 = −24 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: v1 = 19.25 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: t = 12.38 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: φ = 34.22 °
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: T2 = 11.46 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: Tout = 8.345 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: v = 0.00354 m/s
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: A = 4.934 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 = 0.4013
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 = 17 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。
并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。
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