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
a = 1.5 m/s²s = 1900 m

一架飞机从静止开始,以 1.5 m/s² 沿跑道匀加速。求它滑行 1900 m 后的速度 v。

v₀ = 0a = 1.5 m/s²s = 1900 m
v = m/s
2.运动学困难
v₀ = 15 m/s30 m

从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 15 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。

v₀ = 15 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 16 kg

一个 16 kg 的物块沿倾角为 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 16 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 8 kg3.5 kg无摩擦

水平桌面上一个 8 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3.5 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 8 kgm2 = 3.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
18 my = ?v0​ = 16 m/s45°

一个球从水平地面以 16 m/s、与水平方向成 45° 的角度朝 18 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?

v₀ = 16 m/sθ = 45°x = 18 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 12 m/s40°v = ?

一个球从 30 m 高的悬崖顶部以 12 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求它落地时的速度 v。

v₀ = 12 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.圆周运动中等
L = 1.6 m20°

一个系在长 1.6 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 20° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 1.6 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.1 m8 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 8 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 = 8 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
30°d = 9 mμ = 0.2

一个 2.5 kg 的物块沿倾角 30° 的斜面下滑 9 m,动摩擦因数为 0.2。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 2.5 kgθ = 30°μ = 0.2d = 9 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 3.5 mL = 2 mμ = 0.3k = 500 N/m

一个 10 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 m 的粗糙水平段(μ = 0.3),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 500 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 10 kgh = 3.5 mL = 2 mμ = 0.3k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
2 kg12 m/s0.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 12 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 0.5 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。

m1 = 2 kgm2 = 0.5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
14 m/s16 m/s

一个 0.35 kg 的小球以 14 m/s 撞到墙上,并以 16 m/s 沿原路弹回。接触时间为 50 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.35 kgvin = 14 m/svout = 16 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
10 kgaαM = 8 kgR = 0.25 m

一个 10 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 8 kg、半径为 0.25 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 = 10 kgM = 8 kgR = 0.25 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.刚体转动困难
θ = 35°vs = 9.5 m

一个实心圆柱从静止开始,沿与水平面成 35° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.15 m。求它沿斜面滚过 9.5 m 后的角速度 ω。

θ = 35°s = 9.5 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.15 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 18N2​ = 30

一台 0.75 kW 的电动机以 2900 rpm 运转,驱动一个齿数为 18 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 30 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 98%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 0.75 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 30η = 98%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 36B = 50C = 25D = 72

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(36 齿)以 1450 rpm 转动,驱动齿轮 B(50 齿)。齿轮 C(25 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(72 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1450 rpmA = 36B = 50C = 25D = 72
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 2.2 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.2 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
1.8 kgk = 320 N/mA = 7 cm

一个 1.8 kg 的物体连在 k = 320 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。

m = 1.8 kgk = 320 N/mA = 7 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
tx50 mm4 个周期23.5 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 50 mm 之后 4 个周期出现峰值 23.5 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 50 mmx4 = 23.5 mmn = 4
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 40k3​ = 30m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 30 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 = 80 kN/m 和 k₂ = 40 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。

m = 10 kgk1 = 80 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: v = 75.5 m/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.

经过该距离后的速度

v = √(2·a·s) = √(2·1.5·1900) = 75.5 m/s

答案

v = 75.5 m/s
(271.8 km/h)
2.运动学

答案: hmax = 41.47 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。

高出屋顶的高度

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 15²/(2·9.81) = 11.47 m

离地面的高度

hmax = 30 + 11.47 = 41.47 m

答案

hmax = 41.47 m
3.牛顿定律

答案: a = 1.923 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。

沿斜面方向的力

沿斜面向下为正。

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

加速度

a = 9.81·(sin 25° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

答案

a = 1.923 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 23.89 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。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (34.34 − 0)/11.5 = 2.986 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 8·2.986 + 0 = 23.89 N

答案

T = 23.89 N
5.抛体运动

答案: y = 5.584 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.

到达墙的时间

vx = 16·cos 45° = 11.31 m/s
t = x/vx = 18/11.31 = 1.591 s

此时的高度

y = 11.31·1.591 − ½·9.81·1.591² = 5.584 m

答案

y = 5.584 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: v = 27.07 m/s

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.

分解初速度

vx = 12·cos 40° = 9.193 m/s
vy0 = 12·sin 40° = 7.713 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(7.713² + 2·9.81·30) = 25.46 m/s

落水速度

v = √(9.193² + 25.46²) = 27.07 m/s

答案

v = 27.07 m/s

用能量校核:v² = v₀² + 2gh。

7.圆周运动

答案: v = 1.398 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 = 1.6·sin 20° = 0.5472 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) = √(0.5472·9.81·tan 20°) = 1.398 m/s

答案

v = 1.398 m/s
8.圆周运动

答案: Ttop = 4.566 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 = 8² − 4·9.81·1.1 = 20.84 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 = 0.5·20.84/1.1 − 0.5·9.81 = 4.566 N

答案

Ttop = 4.566 N
9.功和能

答案: Wf = 38.23 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 = 24.53·0.866 = 21.24 N
F = μN = 0.2·21.24 = 4.248 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 4.248·9 = 38.23 J

答案

Wf = 38.23 J
10.功和能

答案: v = 7.543 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)。

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 = 98.1·(3.5 − 0.3·2) = 284.5 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·2.9) = 7.543 m/s

答案

v = 7.543 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 19.2 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。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′1 = (2 − 0.5)/(2 + 0.5)·12 = 7.2 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 0.5)·12 = 19.2 m/s

答案

v′2 = 19.2 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 210 N

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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.35·(16 + 14) = 10.5 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 10.5/0.05 = 210 N

答案

Favg = 210 N
13.刚体转动

答案: T = 28.03 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) = 10·9.81/(10 + 4) = 7.007 m/s²

张力

T = m·(g − a) = 10·(9.81 − 7.007) = 28.03 N

答案

T = 28.03 N
14.刚体转动

答案: ω = 56.28 rad/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.

下降的高度

h = s·sin θ = 9.5·sin 35° = 5.449 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.5)
v = √(2·9.81·5.449/1.5) = 8.442 m/s
ω = v/r = 8.442/0.15 = 56.28 rad/s

答案

ω = 56.28 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 2.47 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 = 750/303.7 = 2.47 N·m

答案

T1 = 2.47 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 362.5 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 = 1450·36/50 = 1044 rpm = nC

第二级

nout = 1044·25/72 = 362.5 rpm

答案

nout = 362.5 rpm

总传动比 = 4 : 1

17.弹簧与单摆

答案: L = 1.203 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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.2/2π)² = 1.203 m

答案

L = 1.203 m
18.弹簧与单摆

答案: amax = 12.44 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 = √(320/1.8) = 13.33 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.07·13.33² = 12.44 m/s²

答案

amax = 12.44 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.03003

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。

对数衰减率

δ = (1/4)·ln(50/23.5) = 0.1888

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1888/√(39.48 + 0.03563) = 0.03003

答案

ζ = 0.03003
20.机械振动

答案: fn = 7.797 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

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 80 + 40 = 120 kN/m
keq = 120·30/(120 + 30) = 24 kN/m

固有频率

ωn = √(24000/10) = 48.99 rad/s
fn = 48.99/(2π) = 7.797 Hz

答案

fn = 7.797 Hz

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