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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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
t (s)v (m/s)t = ?10

一辆以 36 km/h 行驶的汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 制动需要多长时间?求 t。

v₀ = 36 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 4.3 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。

ttotal = 4.3 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 10 m/sμ = ?

一个箱子以 10 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 20 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 10 m/sd = 20 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
6 kg10 kgTF = 130 Nμ = 0.25

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 130 N 的水平力拉前面 10 kg 的物块;6 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 = 6 kgm2 = 10 kgF = 130 Nμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 24 m/sθ = ?R = 35 m

一个球从水平地面以 24 m/s 抛出,必须落在 35 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 = 24 m/sR = 35 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 50 mv0​ = 12 m/s35°x = ?

一个球 从 50 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。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 12 m/sθ = 35°h = 50 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心60 km/h

一位道路工程师希望汽车以 60 km/h 通过半径为 60 m 的弯道时不依赖摩擦力。取 g = 9.81 m/s²。求弯道的倾角 θ。

r = 60 mv = 60 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
r = 1.1 m9 m/svtop​ = ?

一个 0.5 kg 的球系在长 1.1 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 9 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。

m = 0.5 kgr = 1.1 mvbottom = 9 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
25°d = 16 mμ = 0.35

一个 5 kg 的物块沿倾角 25° 的斜面下滑 16 m,动摩擦因数为 0.35。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 5 kgθ = 25°μ = 0.35d = 16 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
4 kg1 kgμ = 0.15d = 2 m

一个 4 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.15)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 1 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 2 m 后两物块的速度 v。

m1 = 4 kgm2 = 1 kgμ = 0.15d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
5 kg82 m/s1 kgv′2​ = ?

一个以 37 m/s 水平运动的 6 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。5 kg 的碎片以 82 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)。

M = 6 kgu = 37 m/sm1 = 5 kgv′1 = 82 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1200 kg25 m/s1400 kg19 m/sv′ = ?

在一个十字路口,一辆以 25 m/s 向东行驶的 1200 kg 汽车与一辆以 19 m/s 向北行驶的 1400 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。

m1 = 1200 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 1400 kgv2 = 19 m/s (N)
v′ = m/s
13.刚体转动中等
v = ?L = 2.2 mm = 2 kg

质量为 2 kg、长为 2.2 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。

m = 2 kgL = 2.2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.刚体转动困难
θ = 20°as = 8 m

一个薄圆环沿与水平面成 20° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它从静止开始。沿斜面滚下 8 m 需要多长时间 t?

θ = 20°I = m·r²g = 9.81 m/s²s = 8 m
t = s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 48N2​ = 60

一台 3 kW 的电动机以 2900 rpm 运转,驱动一个齿数为 48 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。

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 48N2 = 60η = 95%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 16齿圈固定Np​ = 15nc​ = ?

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 16 个齿,每个行星轮有 15 个齿。齿圈固定,太阳轮以 600 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。

Ns = 16Np = 15ns = 600 rpm
nc = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 0.8 mT = 4.42 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 0.8 m 的单摆在小幅摆动时周期为 4.42 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 0.8 mT = 4.42 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
1.6 kgk = 370 N/mA = 19 cm

一个 1.6 kg 的物体连在 k = 370 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 19 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 1.6 kgk = 370 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 1 kN/mc = 70 N·s/mm = 8 kg

一个 8 kg 的质量块由刚度为 1 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 70 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 8 kgk = 1 kN/mc = 70 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 60k2​ = 50m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 60 kN/m,下弹簧 k₂ = 50 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 1.429 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。

单位

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/7 = 1.429 s

答案

t = 1.429 s
2.运动学

答案: d = 81 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.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(4.3 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1475 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1475))/(2·4.905) = 4.064 s

深度

d = ½·9.81·4.064² = 81 m

答案

d = 81 m
3.牛顿定律

答案: μ = 0.2548

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) = 10²/(2·20) = 2.5 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.5/9.81 = 0.2548

答案

μ = 0.2548
4.牛顿定律

答案: T = 48.75 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) = (130 − 39.24)/16 = 5.672 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 6·(5.672 + 2.453) = 48.75 N

答案

T = 48.75 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 = 18.3 °

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 = 9.81·35/24² = 0.5961

相角

2θ = 36.59° → θ = 18.3°

答案

θ = 18.3°

另一个解为 90° − θ = 71.7°。

6.抛体运动

答案: x = 39.03 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。

分解初速度

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。

vx = v0·cos θ = 12·cos 35° = 9.83 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 35° = 6.883 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 50 + 6.883·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (6.883 + √(47.37 + 981))/9.81 = 3.971 s

水平距离

x = vx·t = 9.83·3.971 = 39.03 m

答案

x = 39.03 m
7.圆周运动

答案: θ = 25.26 °

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.

单位

v = 60/3.6 = 16.67 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 16.67²/(60·9.81) = 0.4719
θ = 25.26°

答案

θ = 25.26°
8.圆周运动

答案: Ttop = 12.29 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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 9² − 4·9.81·1.1 = 37.84 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下,指向圆心。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.5·37.84/1.1 − 0.5·9.81 = 12.29 N

答案

Ttop = 12.29 N
9.功和能

答案: Wf = 248.9 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 = 49.05·0.9063 = 44.45 N
F = μN = 0.35·44.45 = 15.56 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 15.56·16 = 248.9 J

答案

Wf = 248.9 J
10.功和能

答案: v = 1.772 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)。

释放和损失的能量

m₂g·d = 9.81·2 = 19.62 J
μ·m₁g·d = 0.15·39.24·2 = 11.77 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 7.848 → v = √(2·7.848/5) = 1.772 m/s

答案

v = 1.772 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −188 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.

碰撞前的动量

p = M·u = 6·37 = 222 kg·m/s

碰撞后的动量

222 = 5·82 + 1·v′2
v′2 = (222 − 410)/1 = −188 m/s

答案

v′2 = −188 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: v′ = 15.42 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.

动量分量

px = 1200·25 = 30000 kg·m/s
py = 1400·19 = 26600 kg·m/s

残骸的速度

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 40094/2600 = 15.42 m/s

答案

v′ = 15.42 m/s
13.刚体转动

答案: v = 8.046 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.

势能的减少

m·g·L/2 = 2·9.81·1.1 = 21.58 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 = 2·2.2²/3 = 3.227 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 21.58 → ω = √(2·21.58/3.227) = 3.657 rad/s
v = ω·L = 3.657·2.2 = 8.046 m/s

答案

v = 8.046 m/s
14.刚体转动

答案: t = 3.088 s

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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 20°/2 = 1.678 m/s²

时间

s = ½·a·t² → t = √(2·8/1.678) = 3.088 s

答案

t = 3.088 s
15.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 11.73 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。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/303.7 = 9.879 N·m

输出扭矩

T2 = 9.879·60/48·0.95 = 11.73 N·m

答案

T2 = 11.73 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nc = 154.8 rpm

行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。

齿圈齿数

Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·15 = 46

齿圈固定时的威利斯方程

令 nr = 0,求行星架的转速。

(600 − nc)/(0 − nc) = −46/16
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 600·16/62 = 154.8 rpm

答案

nc = 154.8 rpm

行星架与太阳轮转向相同。

17.弹簧与单摆

答案: g = 1.617 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.

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0.8/4.42² = 1.617 m/s²

答案

g = 1.617 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: amax = 43.94 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。

角频率

ω = √(370/1.6) = 15.21 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.19·15.21² = 43.94 m/s²

答案

amax = 43.94 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.3913

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·√(1000·8) = 178.9 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 70/178.9 = 0.3913

答案

ζ = 0.3913

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: keq = 27.27 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。

等效刚度

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。

1/keq = 1/60 + 1/50 → keq = 60·50/(60 + 50) = 27.27 kN/m

答案

keq = 27.27 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics