动力学:速成包

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。

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1公式与方法

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

  1. 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
  2. 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
  3. 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
  4. 求解并检查答案在物理上是否合理。

牛顿定律

第二定律
ΣF = m·a
重力
W = m·g
动摩擦
Ff = μ·N
斜面上
沿斜面:m·g·sin θ, 垂直斜面:m·g·cos θ

方法

  1. 画出物体所受全部力的受力图。
  2. 沿运动方向选定正方向。
  3. 把力分解为沿运动方向和垂直于运动方向的分量(斜面上:沿斜面 m·g·sin θ,垂直压向斜面 m·g·cos θ)。
  4. 沿运动方向应用 ΣF = m·a;摩擦力为 μ·N,方向与运动相反。

抛体运动

分量
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最大高度
H = h + vy²/(2g)
射程(水平地面)
R = v0²·sin 2θ/g

方法

  1. 把初速度分解为分量:vx = v₀·cos θ,vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向为匀速运动;竖直方向的加速度为 −g。
  3. 由竖直方向的运动求飞行时间。
  4. 把该时间代入水平运动求射程。

圆周运动

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
水平弯道,摩擦
vmax = √(μ·g·r)

功和能

动能
Ek = ½mv²
势能
Ep = mgh
能量衡算
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力做功
W = μ·N·d
功率
P = W/t

动量与碰撞

动量
p = m·v
守恒
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弹性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
冲量
J = F·Δt = m·Δv

方法

  1. 选定正方向,并给每个速度标上符号。
  2. 写出碰撞前的总动量:Σm·v。
  3. 完全非弹性碰撞后物体一起运动;弹性碰撞中动能也守恒。
  4. 令碰撞前动量等于碰撞后动量并求解。

刚体转动

对质心 G 的转动惯量
杆 mL²/12,圆盘 ½mR²,圆环 mR²,实心球 (2/5)mR²,空心球 (2/3)mR²
平行移轴定理
I = IG + m·d²
回转半径
I = m·k²
杆绕端点
I = mL²/3
运动方程
ΣM = I·α
以 rad/s 表示的转速
ω = 2π·n/60
动能
E = ½·I·ω²
功和功率
W = T·θ, P = T·ω
无滑动滚动
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角动量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
绕枢轴的撞击
m·v·d = I·ω

方法

  1. 选择轴:固定的枢轴,或者对滚动的物体选质心。
  2. 用标准结果求出对该轴的转动惯量,转轴平移时用 I = IG + m·d²。
  3. 选择方法:求加速度和力用 ΣM = I·α,求速度用能量(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h),求撞击和突然变化用角动量。
  4. 用 v = ω·r 和 a = α·r 联系线运动和角运动,并把 rpm 换算成 rad/s。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

弹簧与单摆

弹簧振子
T = 2π·√(m/k)
单摆
T = 2π·√(L/g)
角频率
ω = √(k/m) = 2π/T
最大速度和最大加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
能量
E = ½·k·A²

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.运动学中等
警车a = 5 m/s²汽车16 m/s

一辆以恒定的 16 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 5 m/s² 匀加速。 警车需要多长时间追上?求 t。

vcar = 16 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 13 m/s40 m

从离地面 40 m 高的屋顶边缘以 13 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。 抛出后多长时间小球落地?求 t。

v₀ = 13 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 3.5 m/sμ = ?

一个箱子以 3.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 2.5 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 3.5 m/sd = 2.5 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
3 kg2 kgTF = 90 Nμ = 0.25

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 90 N 的水平力拉前面 2 kg 的物块;3 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 3 kgm2 = 2 kgF = 90 Nμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 32 m/sθ = ?R = 65 m

一个球从水平地面以 32 m/s 抛出,必须落在 65 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。

v₀ = 32 m/sR = 65 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 20 mv0​ = 10 m/s60°H = ?

一个球从 20 m 高的悬崖顶部以 10 m/s、与水平方向成 60° 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。

v₀ = 10 m/sθ = 60°h = 20 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
L = 1.9 m30°

一个系在长 1.9 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 30° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 1.9 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
R = 10 mh = 38 m

一辆 3.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 38 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 10 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环顶部时轨道对它的法向力 Ntop。

m = 3.5 kgh = 38 mR = 10 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.功和能中等
35°d = 17 mμ = 0.2

一个 0.5 kg 的物块沿倾角 35° 的斜面下滑 17 m,动摩擦因数为 0.2。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 0.5 kgθ = 35°μ = 0.2d = 17 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 3.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 800 N/m

一个 0.5 kg 的物块从光滑坡道上 3.5 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 = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 800 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 0.5 kgh = 3.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
700 kg10 m/s1600 kg

一辆以 10 m/s 行驶的 700 kg 汽车撞上一辆静止的 1600 kg 汽车,两车卡在一起。 原有动能损失了百分之多少 ΔK/K?

m1 = 700 kgv1 = 10 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.动量与碰撞困难
1 kgv = ?20 g40°L = 1.1 m

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用长 1.1 m 的轻绳悬挂的 1 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 40°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 1 kgL = 1.1 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
8 kgaαM = 16 kgR = 0.4 m

一个 8 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 16 kg、半径为 0.4 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m = 8 kgM = 16 kgR = 0.4 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.刚体转动困难
4.5 m/sω

一个质量为 2 kg 的实心圆柱以 4.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 转动动能占总动能的百分之几 p?

m = 2 kgv = 4.5 m/sI = ½·m·r²
p = %
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 24, m = 3 mm

一台 22 kW、转速 960 rpm 的电动机驱动一个齿数为 24、模数为 3 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 22 kWn = 960 rpmN1 = 24m = 3 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 40C = 18D = 20

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(40 齿)。齿轮 C(18 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(20 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 16B = 40C = 18D = 20
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
3.3 kgk = 500 N/mA = 20 cmx = 14 cm

一个连在 k = 500 N/m 弹簧上的 3.3 kg 物体在无摩擦表面上以 20 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 14 cm 时的速度 v。

m = 3.3 kgk = 500 N/mA = 20 cmx = 14 cm
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
0.9 kgk = 500 N/mA = 11 cm

一个 0.9 kg 的物体连在 k = 500 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 11 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 0.9 kgk = 500 N/mA = 11 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 50 kN/mc = 400 N·s/mm = 20 kg

一个 20 kg 的质量块由刚度为 50 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 400 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 20 kgk = 50 kN/mc = 400 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 5m = 10 kg

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 = 80 kN/m 和 k₂ = 5 kN/m。质量块保持水平。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 10 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 6.4 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.

距离相等

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·16/5 = 6.4 s

答案

t = 6.4 s

此时警车的速度为 2v = 32 m/s。

2.运动学

答案: t = 4.473 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。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−40 = 13·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 13·t − 40 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (13 + √(13² + 2·9.81·40))/9.81 = 4.473 s

答案

t = 4.473 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.2497

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.

减速度

a = v₀²/(2d) = 3.5²/(2·2.5) = 2.45 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.45/9.81 = 0.2497

答案

μ = 0.2497
4.牛顿定律

答案: T = 54 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.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (90 − 12.26)/5 = 15.55 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 3·(15.55 + 2.453) = 54 N

答案

T = 54 N

两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: θ = 19.26 °

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.

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·65/32² = 0.6227

相角

2θ = 38.51° → θ = 19.26°

答案

θ = 19.26°

另一个解为 90° − θ = 70.74°。

6.抛体运动

答案: H = 23.82 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.

竖直方向的初速度

vy = 10·sin 60° = 8.66 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 8.66²/(2·9.81) = 3.823 m

离地面的高度

H = 20 + 3.823 = 23.82 m

答案

H = 23.82 m
7.圆周运动

答案: v = 2.32 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.

圆的半径

r = L·sin θ = 1.9·sin 30° = 0.95 m

速率

拉力和重力共同提供向心的力:tan θ = v²/(r·g)。

v = √(r·g·tan θ) = √(0.95·9.81·tan 30°) = 2.32 m/s

答案

v = 2.32 m/s
8.圆周运动

答案: Ntop = 89.27 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.

由能量守恒求速度

v² = 2·9.81·(38 − 2·10) = 353.2 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R − m·g = 3.5·353.2/10 − 34.34 = 89.27 N

答案

Ntop = 89.27 N
9.功和能

答案: Wf = 13.66 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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 4.905·0.8192 = 4.018 N
F = μN = 0.2·4.018 = 0.8036 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 0.8036·17 = 13.66 J

答案

Wf = 13.66 J
10.功和能

答案: x = 19.18 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)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 4.905·(3.5 − 0.2·2.5) = 14.71 J

最大压缩量

½kx² = 14.71 → x = √(2·14.71/800) = 0.1918 m = 19.18 cm

答案

x = 19.18 cm
11.动量与碰撞

答案: ΔK/K = 69.57 %

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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 700·10/2300 = 3.043 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·700·10² = 35000 J
Kafter = ½·2300·3.043² = 10652 J

损失的比例

ΔK/K = 24348/35000 = 69.57 %

答案

ΔK/K = 69.57 %

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: v = 114.6 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.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 1.1·(1 − cos 40°) = 0.2574 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.2574) = 2.247 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 1.02·2.247/0.02 = 114.6 m/s

答案

v = 114.6 m/s
13.刚体转动

答案: T = 39.24 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.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 8·9.81/(8 + 8) = 4.905 m/s²

张力

T = m·(g − a) = 8·(9.81 − 4.905) = 39.24 N

答案

T = 39.24 N
14.刚体转动

答案: p = 33.33 %

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.

平动部分和转动部分

Etrans = ½·m·v² = ½·2·4.5² = 20.25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·20.25 = 10.13 J

转动所占的份额

p = 10.13/30.38·100% = c/(1 + c)·100% = 33.33%

答案

p = 33.33 %

这个份额只取决于形状,与质量和速度无关。

15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 6079 N

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.

小齿轮上的转矩

ω = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 22000/100.5 = 218.8 N·m

分度圆直径

d = m·N = 3·24 = 72 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·218.8/0.072 = 6079 N

答案

Ft = 6079 N
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 1044 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。

第一级

nB = 2900·16/40 = 1160 rpm = nC

第二级

nout = 1160·18/20 = 1044 rpm

答案

nout = 1044 rpm

总传动比 = 2.778 : 1

17.弹簧与单摆

答案: v = 1.758 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.

角频率

ω = √(500/3.3) = 12.31 rad/s

x 处的速度

v = ω·√(A² − x²) = 12.31·√(0.2² − 0.14²) = 1.758 m/s

答案

v = 1.758 m/s
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 2.593 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。

角频率

ω = √(500/0.9) = 23.57 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.11·23.57 = 2.593 m/s

答案

vmax = 2.593 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.2

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。

临界阻尼

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·20) = 2000 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 400/2000 = 0.2

答案

ζ = 0.2

ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。

20.机械振动

答案: fn = 14.67 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。

等效刚度

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 80 + 5 = 85 kN/m

固有频率

ωn = √(85000/10) = 92.2 rad/s
fn = 92.2/(2π) = 14.67 Hz

答案

fn = 14.67 Hz

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