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
- 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
- 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
- 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
- 求解并检查答案在物理上是否合理。
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。
一位以 90 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.5 s,之后汽车以 8 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。
从离地面 20 m 高的屋顶边缘以 10 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。
一个 17 kg 的物块沿倾角为 20° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。
倾角为 40° 的斜面上有一个 1 kg 的物块,它通过一根跨过斜面顶端无摩擦滑轮的轻绳与一个悬挂的 2 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。
一个球 从平地上以高于水平面 30° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。
一个球从地面以 36 m/s、与水平方向成 50° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 24 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。
一辆汽车通过半径为 145 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。
一个 1.1 kg 的球系在长 1.4 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 11 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。
一个玩具发射器有一根刚度为 1500 N/m 的竖直弹簧。把一个 0.25 kg 的球放在上面,将弹簧压缩 5 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。
一个 2 kg 的物块从光滑坡道上 2.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 5 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 = 4000 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。
在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 3.5 kg 滑块与一个静止的 2 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)。
一个 0.15 kg 的小球以 11 m/s 撞到墙上,并以 11 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。
一个 2 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 10.5 kg、半径为 0.3 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。 求物块的加速度 a。
一个薄圆环从静止开始,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 0.35 m。求它沿斜面滚过 5 m 后的角速度 ω。
两根平行轴相距 72 mm。须用一对模数为 3 mm、减速比为 2 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?
在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 1450 rpm 转动,驱动齿轮 B(60 齿)。齿轮 C(36 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D。输出轴须以 208.8 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?
一个单摆的摆长为 0.2 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。
一个 3.3 kg 的物体连在 k = 100 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 2 cm 后释放。 求振动的总能量 E。
在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 15 mm 之后 4 个周期出现峰值 5.5 mm。 求阻尼比 ζ。
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 = 80 kN/m,下弹簧 k₂ = 50 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。
答案: d = 76.56 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.
答案: t = 3.281 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。
向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。
只有正根有物理意义。
答案: a = 1.972 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。
沿斜面向下为正。
答案: a = 4.062 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.
答案: H = 3.262 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。
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。
在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。
答案: x = 105.2 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.
较大的根:球正在下降。
答案: vmax = 20.66 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。
答案: Ttop = 41.12 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.
在高度 2r 上,动能转化为势能。
拉力和重力都向下,指向圆心。
答案: h = 0.7645 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)。
答案: v = 4.429 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)。
坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。
答案: v′1 = 2.455 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。
联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。
答案: Favg = 330 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。
答案: a = 2.706 m/s²
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.
答案: ω = 15.15 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.
无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。
答案: N1 = 16
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
答案: ND = 50
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.
答案: T = 0.8971 s
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。
答案: E = 0.02 J
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。
答案: ζ = 0.03989
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。
答案: keq = 30.77 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。
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。
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