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 0.7 s,之后汽车以 5 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。
一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 26 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2 s,之后发动机停止,火箭做自由运动。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求火箭达到的最大高度 hmax。
质量为 6 kg 和 5.5 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。 求绳中的张力 T。
水平桌面上一个 3.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 4.5 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.3。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。
一个球从水平地面以 22 m/s、与水平方向成 60° 的角度朝 13 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?
一个球从 15 m 高的悬崖顶部以 10 m/s、与水平方向成 25° 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 150 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。
一个小球系在长 0.8 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。取 g = 9.81 m/s²。在最高点处,速度至少为多少 vmin 才能使绳子恰好保持绷紧?
一辆 1000 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 3° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 700 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。
一个 0.5 kg 的物块从光滑坡道上 2 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 2.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.25),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 2500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。
在无摩擦的导轨上,一个以 8 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 3 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。
在一个十字路口,一辆以 18 m/s 向东行驶的 1400 kg 汽车与一辆以 16 m/s 向北行驶的 1300 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。
转动惯量为 23.5 kg·m² 的飞轮以 2600 rpm 转动。制动器施加 90 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?
质量为 9.5 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 560 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 0.69 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。
两根平行轴相距 48 mm。须用一对模数为 2 mm、减速比为 2 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(36 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(48 齿)。齿轮 C(15 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(40 齿)。求输出转速 nout。
一个连在 k = 200 N/m 弹簧上的 2 kg 物体被沿正方向拉开 12 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.1 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。
把一个 0.9 kg 的物体挂在一根 k = 320 N/m、处于原长的竖直弹簧下端,然后由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物体的最大速度 vmax。
一个 150 kg 的质量块挂在刚度为 20 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.6。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。
一个 40 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 10 kN/m,下弹簧 k₂ = 20 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: d = 54 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 = 189.8 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.
在最高点速度为零。
答案: T = 56.3 N
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 = 4.231 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: y = 15.67 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.
球到达墙时仍在上升。
答案: H = 15.91 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: vmin = 2.801 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: P = 30.34 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: x = 7.345 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 = 6.4 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: v′ = 12.1 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 = 71.09 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 = 23.82 °
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: N1 = 16
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
答案: nout = 405 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 = 3.556 : 1
答案: x = 6.484 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: vmax = 0.5203 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.
速度在平衡位置处最大。
答案: fd = 1.47 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。
答案: fn = 2.055 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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