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 = 2 m/s²汽车20 m/s

一辆以恒定的 20 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 2 m/s² 匀加速。 警车在距其出发点多远处追上?求 d。

vcar = 20 m/sapolice = 2 m/s²v0,police = 0
d = m
2.运动学困难
v₀ = 13 m/s25 m

从离地面 25 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。 求小球离地面的最大高度 hmax。

v₀ = 13 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 35°a = ?m = 3 kg

一个 3 kg 的物块沿倾角为 35° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 3 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
11 kg2 kgTF = 150 Nμ = 0.2

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 150 N 的水平力拉前面 2 kg 的物块;11 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 11 kgm2 = 2 kgF = 150 Nμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
78 my = ?v0​ = 34 m/s35°

一个球从水平地面以 34 m/s、与水平方向成 35° 的角度朝 78 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 = 34 m/sθ = 35°x = 78 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 5 mv0​ = 30 m/s30°x = ?

一个球 从 5 m 高的悬崖顶上以高于水平面 30° 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 = 30 m/sθ = 30°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心90 km/h

一位道路工程师希望汽车以 90 km/h 通过半径为 210 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 = 210 mv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
r = 0.5 m10 m/svtop​ = ?

一个 2 kg 的球系在长 0.5 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 10 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 = 2 kgr = 0.5 mvbottom = 10 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
0.05 kgk = 400 N/mh = ?

一个玩具发射器有一根刚度为 400 N/m 的竖直弹簧。把一个 0.05 kg 的球放在上面,将弹簧压缩 3 cm,然后释放。忽略空气阻力和弹簧质量,求球上升的高度 h,从弹簧压缩时球的位置量起。

m = 0.05 kgk = 400 N/mx = 3 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.功和能困难
h = 8.4 mR = 3 mv = ?

一辆 1 kg 的小车从光滑轨道上 8.4 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 3 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时的速度 v。

m = 1 kgh = 8.4 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
3 kg3 m/s4 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 3 m/s 运动的 3 kg 滑块与一个静止的 4 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 = 3 kgm2 = 4 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
9 m/s15 m/s

一个 0.35 kg 的小球以 9 m/s 撞到墙上,并以 15 m/s 沿原路弹回。接触时间为 25 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.35 kgvin = 9 m/svout = 15 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 1000 rpmTb​ = 40 N·mI = 34.5 kg·m²

转动惯量为 34.5 kg·m² 的飞轮以 1000 rpm 转动。制动器施加 40 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 34.5 kg·m²n = 1000 rpmTb = 40 N·m
t = s
14.刚体转动困难
圆盘: 23 kg圆环: 9 kgn1​ = 1100 rpm

一个均匀实心圆盘(质量 23 kg,半径 0.45 m)绕无摩擦的竖直轴以 1100 rpm 自由旋转。一个质量为 9 kg、半径相同的薄圆环从静止状态落到它上面,圆心对准转轴,两者很快一起旋转。 在这个过程中损失了多少动能 ΔE?

Mdisc = 23 kgMring = 9 kgR = 0.45 mn1 = 1100 rpm
ΔE = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 16N2​ = 80

一台 0.75 kW 的电动机以 1450 rpm 运转,驱动一个齿数为 16 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 80 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 0.75 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 80η = 95%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 32B = 60C = 12D = 16

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(32 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(60 齿)。齿轮 C(12 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(16 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1440 rpmA = 32B = 60C = 12D = 16
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 2.5 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.5 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
mk = 460 N/mA = 4 cmx = 1 cm

一个连在 k = 460 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 4 cm 的振幅振动。 求物体距平衡位置 1 cm 时弹簧中储存的能量 U。

k = 460 N/mA = 4 cmx = 1 cm
U = J
19.机械振动中等
k = 12 kN/mc = 170 N·s/mm = 15 kg

一个 15 kg 的质量块由刚度为 12 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 170 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 15 kgk = 12 kN/mc = 170 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 15m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 20 kN/m,下弹簧 k₂ = 15 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 10 kgk1 = 20 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: d = 400 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 = 2·20/2 = 20 s

距离

d = v·t = 20·20 = 400 m

答案

d = 400 m

此时警车的速度为 2v = 40 m/s。

2.运动学

答案: hmax = 33.61 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 = 13²/(2·9.81) = 8.614 m

离地面的高度

hmax = 25 + 8.614 = 33.61 m

答案

hmax = 33.61 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.823 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 35° − 0.1·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.08192) = 4.823 m/s²

答案

a = 4.823 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 126.9 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) = (150 − 25.51)/13 = 9.576 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 11·(9.576 + 1.962) = 126.9 N

答案

T = 126.9 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: y = 16.14 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 = 34·cos 35° = 27.85 m/s
t = x/vx = 78/27.85 = 2.801 s

此时的高度

y = 19.5·2.801 − ½·9.81·2.801² = 16.14 m

答案

y = 16.14 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: x = 87.33 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 = 30·cos 30° = 25.98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 30° = 15 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 5 + 15·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15 + √(225 + 98.1))/9.81 = 3.361 s

水平距离

x = vx·t = 25.98·3.361 = 87.33 m

答案

x = 87.33 m
7.圆周运动

答案: θ = 16.88 °

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 = 90/3.6 = 25 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 25²/(210·9.81) = 0.3034
θ = 16.88°

答案

θ = 16.88°
8.圆周运动

答案: Ttop = 301.9 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 = 10² − 4·9.81·0.5 = 80.38 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 = 2·80.38/0.5 − 2·9.81 = 301.9 N

答案

Ttop = 301.9 N
9.功和能

答案: h = 0.367 m

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)。

弹簧能量

x = 3 cm = 0.03 m
½kx² = ½·400·0.03² = 0.18 J

高度

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0.18/0.4905 = 0.367 m

答案

h = 0.367 m
10.功和能

答案: v = 6.862 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)。 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·(8.4 − 6) = 47.09 m²/s²
v = 6.862 m/s

答案

v = 6.862 m/s

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 = −0.4286 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 = (3 − 4)/(3 + 4)·3 = −0.4286 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4)·3 = 2.571 m/s

答案

v′1 = −0.4286 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: J = 8.4 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 = 0.35·(15 + 9) = 8.4 N·s

答案

J = 8.4 N·s
13.刚体转动

答案: t = 90.32 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·1000/60 = 104.7 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 40/34.5 = 1.159 rad/s²
t = ω/α = 104.7/1.159 = 90.32 s

答案

t = 90.32 s
14.刚体转动

答案: ΔE = 6783 J

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.

转动惯量

I1 = ½·23·0.45² = 2.329 kg·m²
I2 = 9·0.45² = 1.823 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 1100·2.329/4.151 = 617.1 rpm

碰撞前后的动能

E1 = ½·2.329·115.2² = 15450 J
E2 = ½·4.151·64.62² = 8667 J
ΔE = 15450 − 8667 = 6783 J

答案

ΔE = 6783 J
15.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 4.939 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 = 750/151.8 = 4.939 N·m

答案

T1 = 4.939 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 576 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 = 1440·32/60 = 768 rpm = nC

第二级

nout = 768·12/16 = 576 rpm

答案

nout = 576 rpm

总传动比 = 2.5 : 1

17.弹簧与单摆

答案: L = 1.553 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·(2.5/2π)² = 1.553 m

答案

L = 1.553 m
18.弹簧与单摆

答案: U = 0.023 J

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.

总能量

E = ½·k·A² = ½·460·0.04² = 0.368 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·460·0.01² = 0.023 J

答案

U = 0.023 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.2003

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·√(12000·15) = 848.5 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 170/848.5 = 0.2003

答案

ζ = 0.2003

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 = 8.571 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 = 1/20 + 1/15 → keq = 20·15/(20 + 15) = 8.571 kN/m

答案

keq = 8.571 kN/m

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