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 = 3.5 m/s²汽车23 m/s

一辆以恒定的 23 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 3.5 m/s² 匀加速。 警车需要多长时间追上?求 t。

vcar = 23 m/sapolice = 3.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 19 m/s15 m

从离地面 15 m 高的屋顶边缘以 19 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 = 19 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
4 kg3 kg

质量为 4 kg 和 3 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。 求物体的加速度 a。

m1 = 4 kgm2 = 3 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 5 kg2 kgμ = 0.2

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 2 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 5 kgm2 = 2 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?15°R = 95 m

一个球从水平地面以与水平方向成 15° 的角度抛出,落在 95 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 15°R = 95 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
13 mv0​ = 33 m/s35°x = ?

一个球从地面以 33 m/s、与水平方向成 35° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 13 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。

v₀ = 33 m/sθ = 35°hroof = 13 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
L = 1.4 m60°

一个系在长 1.4 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 60° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求转一圈所需的时间 T。

L = 1.4 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
T = s
8.圆周运动困难
θ = 15°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 150 m 的弯道倾斜 15°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 150 mθ = 15°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
35°d = 14 mμ = 0.15

一个物块由静止沿倾角 35° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。求它沿斜面滑行 14 m 后的速度 v。

θ = 35°μ = 0.15d = 14 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 14 mR = 5 mN = ?

一辆 10 kg 的小车从光滑轨道上 14 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 5 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时轨道对它的法向力 N。

m = 10 kgh = 14 mR = 5 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.动量与碰撞中等
1 kg7 m/s0.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 7 m/s 运动的 1 kg 滑块与一个静止的 0.5 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 1 kgm2 = 0.5 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
10 m/s19 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 10 m/s 撞到墙上,并以 19 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.45 kgvin = 10 m/svout = 19 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 900 rpmTb​ = 140 N·mI = 15.5 kg·m²

转动惯量为 15.5 kg·m² 的飞轮以 900 rpm 转动。制动器施加 140 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 15.5 kg·m²n = 900 rpmTb = 140 N·m
t = s
14.刚体转动困难
θ = 40°vs = 4 m

一个实心球从静止开始,沿与水平面成 40° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 4 m 后的速度 v。

θ = 40°s = 4 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm1500 rpmn2​ = ?

一个 200 mm 的带轮以 1500 rpm 通过皮带驱动一个 315 mm 的带轮,打滑率为 2.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1500 rpmd1 = 200 mmd2 = 315 mms = 2.5 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 50C = 12D = 50

一台 7.5 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(16 齿),A 与齿轮 B(50 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(12 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(50 齿)。每对齿轮啮合的效率为 97%。求输出转矩 Tout。

P = 7.5 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 50C = 12D = 50ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)1.3 s

一个连在 k = 20 N/m 弹簧上的 2.4 kg 物体被沿正方向拉开 11 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 1.3 s 时它的速度 v(带符号)。

m = 2.4 kgk = 20 N/mA = 11 cmt = 1.3 s
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
1.6 kgk = 90 N/m

把一个 1.6 kg 的物体挂在一根 k = 90 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 = 1.6 kgk = 90 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
19.机械振动中等
tx20 mm1 个周期14.6 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 20 mm 之后一个周期出现峰值 14.6 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 20 mmx1 = 14.6 mmn = 1
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 25m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 40 kN/m,下弹簧 k₂ = 25 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。

m = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 13.14 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 = 2·23/3.5 = 13.14 s

答案

t = 13.14 s

此时警车的速度为 2v = 46 m/s。

2.运动学

答案: t = 4.546 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。

−15 = 19·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 19·t − 15 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (19 + √(19² + 2·9.81·15))/9.81 = 4.546 s

答案

t = 4.546 s
3.牛顿定律

答案: a = 1.401 m/s²

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.

加速度

净驱动力是两个重量之差;它带动的是总质量。

a = (4 − 3)·9.81/(4 + 3) = 1.401 m/s²

答案

a = 1.401 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 16.82 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) = (19.62 − 9.81)/7 = 1.401 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5·1.401 + 9.81 = 16.82 N

答案

T = 16.82 N
5.抛体运动

答案: v0 = 43.17 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.

从射程公式求 v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·95/sin 30°) = 43.17 m/s

答案

v0 = 43.17 m/s
6.抛体运动

答案: x = 80.15 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.

分解初速度

vx = 27.03 m/s, vy = 18.93 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

13 = 18.93·t − 4.905·t²
t = (18.93 + √(18.93² − 2·9.81·13))/9.81 = 2.965 s

水平距离

x = vx·t = 27.03·2.965 = 80.15 m

答案

x = 80.15 m
7.圆周运动

答案: T = 1.678 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 = 1.4·sin 60° = 1.212 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) = √(1.212·9.81·tan 60°) = 4.539 m/s

周期

T = 2π·r/v = 2π·1.212/4.539 = 1.678 s

答案

T = 1.678 s
8.圆周运动

答案: vmax = 26.97 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.

力的平衡

摩擦力沿斜面向下。

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(150·9.81·0.452/0.9142) = 26.97 m/s

答案

vmax = 26.97 m/s
(97.11 km/h)
9.功和能

答案: v = 11.13 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)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·14·(0.5736 − 0.15·0.8192)) = 11.13 m/s

答案

v = 11.13 m/s
10.功和能

答案: N = 58.86 N

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)。 在圆周路径上,指向圆心的合力必须等于 mv²/r。

顶点的速度

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(14 − 10) = 78.48 m²/s²

顶点的受力

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
N = mv²/R − mg = 10·78.48/5 − 98.1 = 58.86 N

答案

N = 58.86 N

当 h = 2.5R 时小车恰好能通过圆环;此时顶点处 N = 0。

11.动量与碰撞

答案: v′1 = 2.333 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 = (1 − 0.5)/(1 + 0.5)·7 = 2.333 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 0.5)·7 = 9.333 m/s

答案

v′1 = 2.333 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 13.05 N·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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.45·(19 + 10) = 13.05 N·s

答案

J = 13.05 N·s
13.刚体转动

答案: t = 10.43 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.

角速度

ω = 2π·900/60 = 94.25 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 140/15.5 = 9.032 rad/s²
t = ω/α = 94.25/9.032 = 10.43 s

答案

t = 10.43 s
14.刚体转动

答案: v = 6.003 m/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 = 4·sin 40° = 2.571 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 + 0.4)
v = √(2·9.81·2.571/1.4) = 6.003 m/s

答案

v = 6.003 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 928.6 rpm

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。

无打滑时的转速

1500·200/315 = 952.4 rpm

有打滑

n2 = 952.4·0.975 = 928.6 rpm

答案

n2 = 928.6 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 609.3 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

输出转速

nout = 1440·(16/50)·(12/50) = 110.6 rpm
ωout = 2π·110.6/60 = 11.58 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 7500·0.97² = 7057 W
Tout = Pout/ωout = 7057/11.58 = 609.3 N·m

答案

Tout = 609.3 N·m
17.弹簧与单摆

答案: v = 0.1822 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 = √(20/2.4) = 2.887 rad/s
ω·t = 2.887·1.3 = 3.753 rad

速度

v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.11·2.887·sin(3.753) = 0.1822 m/s

答案

v = 0.1822 m/s
18.弹簧与单摆

答案: xmax = 34.88 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 = 1.6·9.81/90 = 0.1744 m = A

最低点

xmax = 2A = 0.3488 m = 34.88 cm

答案

xmax = 34.88 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.05003

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 = (1/1)·ln(20/14.6) = 0.3147

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3147/√(39.48 + 0.09904) = 0.05003

答案

ζ = 0.05003
20.机械振动

答案: fn = 8.828 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

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 = 1/40 + 1/25 → keq = 40·25/(40 + 25) = 15.38 kN/m

固有频率

ωn = √(15385/5) = 55.47 rad/s
fn = 55.47/(2π) = 8.828 Hz

答案

fn = 8.828 Hz

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