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
警车a = 5.5 m/s²汽车32 m/s

一辆以恒定的 32 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 5.5 m/s² 匀加速。 警车在距其出发点多远处追上?求 d。

vcar = 32 m/sapolice = 5.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.运动学困难
a = 40 m/s²

一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 40 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2.5 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。

a = 40 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 40°a = ?m = 7 kg

一个 7 kg 的物块沿倾角为 40° 的光滑斜面下滑。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 7 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 5 kg5.5 kg无摩擦

水平桌面上一个 5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5.5 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
6 my = ?v0​ = 14 m/s40°

一个球从水平地面以 14 m/s、与水平方向成 40° 的角度朝 6 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 = 14 m/sθ = 40°x = 6 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 20 m/s60°α = ?

一个球从 30 m 高的悬崖顶部以 20 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。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 20 m/sθ = 60°h = 30 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 115 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 115 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.7。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 115 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.3 mv = 7.5 m/s

一个 1.6 kg 的小球系在长 1.3 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 7.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.6 kgr = 1.3 mv = 7.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
35°d = 19 mμ = 0.1

一个 4 kg 的物块沿倾角 35° 的斜面下滑 19 m,动摩擦因数为 0.1。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 4 kgθ = 35°μ = 0.1d = 19 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
F = 20 N25°μ = 0.32 kg

一个 2 kg 的物块从 25° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 20 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.3。求物块沿斜坡向上移动 7 m 后的速度 v。

m = 2 kgF = 20 Nθ = 25°μ = 0.3d = 7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
1400 kg9 m/s2000 kg

一辆以 9 m/s 行驶的 1400 kg 汽车撞上一辆静止的 2000 kg 汽车,两车卡在一起。 原有动能损失了百分之多少 ΔK/K?

m1 = 1400 kgv1 = 9 m/sm2 = 2000 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.动量与碰撞困难
1300 kgv1​ = ?1700 kg

一辆 1300 kg 的汽车撞上一辆停放的 1700 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 6.5 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。

m1 = 1300 kgm2 = 1700 kgd = 6.5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
n = 1300 rpmP = 87 kW

一根轴在 1300 rpm 时传递 87 kW。求轴中的转矩 T。

P = 87 kWn = 1300 rpm
T = N·m
14.刚体转动困难
4.5 m/sω

一个质量为 0.5 kg 的薄圆环以 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 = 0.5 kgv = 4.5 m/sI = m·r²
p = %
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 36N2​ = 72

一台 11 kW 的电动机以 1450 rpm 运转,驱动一个齿数为 36 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 72 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 = 11 kWn1 = 1450 rpmN1 = 36N2 = 72η = 98%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 120 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 1200 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 120 mm 的带轮和一个 250 mm 的带轮,二者中心相距 1200 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 120 mmd2 = 250 mmC = 1200 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)1 s

一个连在 k = 150 N/m 弹簧上的 3.5 kg 物体被沿正方向拉开 4 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 1 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 3.5 kgk = 150 N/mA = 4 cmt = 1 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
2.4 kgk = 170 N/m

把一个 2.4 kg 的物体挂在一根 k = 170 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。 求弹簧的最大伸长量 xmax,以 cm 表示。

m = 2.4 kgk = 170 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.机械振动中等
k = 8 kN/mc = 510 N·s/mm = 50 kg

一个 50 kg 的质量块由刚度为 8 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 510 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 50 kgk = 8 kN/mc = 510 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 20m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 80 kN/m,下弹簧 k₂ = 20 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: d = 372.4 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.

距离相等

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·32/5.5 = 11.64 s

距离

d = v·t = 32·11.64 = 372.4 m

答案

d = 372.4 m

此时警车的速度为 2v = 64 m/s。

2.运动学

答案: hmax = 634.7 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.

动力阶段

v₁ = 40·2.5 = 100 m/s
h₁ = ½·40·2.5² = 125 m

向上的自由飞行

在最高点速度为零。

Δh = v₁²/(2g) = 100²/(2·9.81) = 509.7 m
hmax = 125 + 509.7 = 634.7 m

答案

hmax = 634.7 m
3.牛顿定律

答案: a = 6.306 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 40° − 0·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0) = 6.306 m/s²

答案

a = 6.306 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 25.69 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) = (53.96 − 0)/10.5 = 5.139 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5·5.139 + 0 = 25.69 N

答案

T = 25.69 N
5.抛体运动

答案: y = 3.499 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 = 14·cos 40° = 10.72 m/s
t = x/vx = 6/10.72 = 0.5595 s

此时的高度

y = 8.999·0.5595 − ½·9.81·0.5595² = 3.499 m

答案

y = 3.499 m

球到达墙时仍在上升。

6.抛体运动

答案: α = 71.46 °

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 = 20·cos 60° = 10 m/s
vy0 = 20·sin 60° = 17.32 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(17.32² + 2·9.81·30) = 29.81 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 29.81/10 → α = 71.46°

答案

α = 71.46°
7.圆周运动

答案: vmax = 28.1 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。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.7·9.81·115) = 28.1 m/s

答案

vmax = 28.1 m/s (101.2 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 84.93 N

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。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.6·9.81 + 1.6·7.5²/1.3 = 15.7 + 69.23 = 84.93 N

答案

T = 84.93 N
9.功和能

答案: Wf = 61.07 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 = 39.24·0.8192 = 32.14 N
F = μN = 0.1·32.14 = 3.214 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 3.214·19 = 61.07 J

答案

Wf = 61.07 J
10.功和能

答案: v = 6.68 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)。

沿斜面方向的力

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 8.292 N
μ·mg·cos θ = 5.335 N

功–能关系

½mv² = (20 − 13.63)·7 = 44.62 J
v = √(2·44.62/2) = 6.68 m/s

答案

v = 6.68 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK/K = 58.82 %

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) = 1400·9/3400 = 3.706 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·1400·9² = 56700 J
Kafter = ½·3400·3.706² = 23347 J

损失的比例

ΔK/K = 33353/56700 = 58.82 %

答案

ΔK/K = 58.82 %

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: v1 = 18.43 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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·6.5) = 7.985 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3000·7.985/1300 = 18.43 m/s

答案

v1 = 18.43 m/s
(66.34 km/h)
13.刚体转动

答案: T = 639.1 N·m

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.

角速度

ω = 2π·1300/60 = 136.1 rad/s

扭矩

T = P/ω = 87000/136.1 = 639.1 N·m

答案

T = 639.1 N·m
14.刚体转动

答案: p = 50 %

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 = ½·0.5·4.5² = 5.063 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·5.063 = 5.063 J

转动所占的份额

p = 5.063/10.13·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

答案

p = 50 %

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: T1 = 72.44 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·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/151.8 = 72.44 N·m

答案

T1 = 72.44 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 173.8 °

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

皮带角

asin(0.05417) = 3.105°

包角

θ = 180 − 2·3.105 = 173.8°

答案

θ = 173.8°
17.弹簧与单摆

答案: x = 3.862 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.

角频率

ω = √(150/3.5) = 6.547 rad/s
ω·t = 6.547·1 = 6.547 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(6.547) = 3.862 cm

答案

x = 3.862 cm
18.弹簧与单摆

答案: xmax = 27.7 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.

平衡位置和振幅

x₀ = m·g/k = 2.4·9.81/170 = 0.1385 m = A

最低点

xmax = 2A = 0.277 m = 27.7 cm

答案

xmax = 27.7 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.4032

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·√(8000·50) = 1265 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 510/1265 = 0.4032

答案

ζ = 0.4032

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 = 16 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 = 1/80 + 1/20 → keq = 80·20/(80 + 20) = 16 kN/m

答案

keq = 16 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics