物理(一):力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 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。

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

波、声与光学

波速
v = fλ, T = 1/f
弦
v = √(T/μ), μ = m/L
声级
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
点声源
I = P/(4πr²)
驻波
弦或两端开口的管 fn = n·v/(2L); 闭管 fn = n·v/(4L),n 为奇数
多普勒效应
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
折射率
n = c/v, λ = λ0/n
斯涅尔定律
n1sin θ1 = n2sin θ2
临界角
sin θc = n2/n1
光纤
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
透镜与反射镜
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
双缝
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
光栅
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
单缝
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

方法

  1. 判断题目类型:波速、声级、驻波、多普勒、折射、透镜或反射镜,还是干涉。
  2. 先写出关系式:v = fλ,β = 10·log(I/I₀),fₙ = n·v/(2L) 或 n·v/(4L),f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs),n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂,1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ,d·sin θ = mλ。
  3. 换算单位:nm、mm 和 cm 换成 m,并检查角度是否从法线量起。
  4. 检查符号和合理性:虚像的 dᵢ < 0,靠近的声源音调更高,闭管只有奇次谐波。

2练习题

1.运动学中等
t (s)v (m/s)2 s10

一辆以 36 km/h 行驶的汽车以 5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 36 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 6 m/s5 m

从离地面 5 m 高的屋顶边缘以 6 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 = 6 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
10 kg30°F = 50 Nμ = 0.1

一个 10 kg 的雪橇被一根与水平方向成 30° 向上的绳子以 50 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 10 kgF = 50 Nθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 1.5 kg5 kgθ = 20°

倾角为 20° 的斜面上有一个 1.5 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 5 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 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 1.5 kgm2 = 5 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?75°R = 120 m

一个球从水平地面以与水平方向成 75° 的角度抛出,落在 120 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 75°R = 120 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 35 m/s60°α = ?

一个球从 55 m 高的悬崖顶部以 35 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 = 35 m/sθ = 60°h = 55 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 3.7 mω = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 3.7 m 的竖直圆筒壁上。圆筒转得足够快时,底板下降,靠摩擦力托住乘客。静摩擦因数为 0.7。取 g = 9.81 m/s²。 求最小角速度 ω,以 rad/s 表示。

r = 3.7 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
ω = rad/s
8.圆周运动困难
θ = 15°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 50 m 的弯道倾斜 15°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.1。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 = 50 mθ = 15°μs = 0.1g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
45°d = 7 mμ = 0.15

一个物块由静止沿倾角 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。求它沿斜面滑行 7 m 后的速度 v。

θ = 45°μ = 0.15d = 7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
k = 3000 N/m40°μ = 0.20.5 kg

在 40° 斜坡底部有一根刚度为 3000 N/m 的弹簧,它顶着一个 0.5 kg 的物块被压缩 5 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.2。物块从释放点沿斜坡向上滑行多远 d 后停下?(忽略弹簧推动的那一小段距离,即在整个距离 d 上都计入摩擦和重力。)

m = 0.5 kgk = 3000 N/mx = 5 cmθ = 40°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
5 kgv = ?20 gh = 5 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 5 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 5 kgh = 5 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
4.5 kgv = ?15 g10°L = 1.8 m

一颗 15 g 的子弹水平射入一个用长 1.8 m 的轻绳悬挂的 4.5 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 10°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 15 gM = 4.5 kgL = 1.8 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.弹簧与单摆中等
L = 1.9 m

一个单摆的摆长为 1.9 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.9 mg = 9.81 m/s²
T = s
14.弹簧与单摆困难
1.6 kgk = 500 N/mA = 9 cm

一个 1.6 kg 的物体连在 k = 500 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 9 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 1.6 kgk = 500 N/mA = 9 cm
vmax = m/s
15.波、声与光学中等
θc = ?90°火石玻璃, n1​ = 1.62亚克力, n2​ = 1.49

光在火石玻璃(n = 1.62)中向与亚克力(n = 1.49)的平面界面传播。求超过后会发生全反射的临界角 θc。

n1 = 1.62n2 = 1.49
θc = °
16.波、声与光学困难
λ = 450 nmd = 0.3 mmL = 1.5 my = ?

波长为 450 nm 的光照射到相距 0.3 mm 的两条缝上。屏距离缝 1.5 m。求从中央亮条纹到第 1 条亮条纹的距离 y1。

λ = 450 nmd = 0.3 mmL = 1.5 mm = 1
y1 = mm

3溶液

1.运动学

答案: s = 10 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。

单位

v₀ = 36/3.6 = 10 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·5) = 10 m

答案

s = 10 m
2.运动学

答案: hmax = 6.835 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 = 6²/(2·9.81) = 1.835 m

离地面的高度

hmax = 5 + 1.835 = 6.835 m

答案

hmax = 6.835 m
3.牛顿定律

答案: a = 3.599 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.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 98.1 − 50·sin 30° = 73.1 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 43.3 − 7.31
a = 35.99/10 = 3.599 m/s²

答案

a = 3.599 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 16.25 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 49.05 N
m₁·g·sin θ = 5.033 N
μ·m₁·g·cos θ = 1.383 N

系统的加速度

a = (49.05 − 5.033 − 1.383)/6.5 = 6.559 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 5·(9.81 − 6.559) = 16.25 N

答案

T = 16.25 N
5.抛体运动

答案: v0 = 48.52 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) = √(9.81·120/sin 150°) = 48.52 m/s

答案

v0 = 48.52 m/s
6.抛体运动

答案: α = 68.62 °

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 = 35·cos 60° = 17.5 m/s
vy0 = 35·sin 60° = 30.31 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(30.31² + 2·9.81·55) = 44.7 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 44.7/17.5 → α = 68.62°

答案

α = 68.62°
7.圆周运动

答案: ω = 1.946 rad/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.

乘客受到的力

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

角速度

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.7·3.7)) = 1.946 rad/s

答案

ω = 1.946 rad/s
8.圆周运动

答案: vmax = 13.62 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 = √(50·9.81·0.3554/0.94) = 13.62 m/s

答案

vmax = 13.62 m/s
(49.02 km/h)
9.功和能

答案: v = 9.086 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 = √(2·9.81·7·(0.7071 − 0.15·0.7071)) = 9.086 m/s

答案

v = 9.086 m/s
10.功和能

答案: d = 0.9605 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 = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·3000·0.05² = 3.75 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 3.75/(4.905·(0.6428 + 0.2·0.766)) = 0.9605 m

答案

d = 0.9605 m
11.动量与碰撞

答案: v = 248.6 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.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.05) = 0.9905 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 5)·0.9905/0.02 = 248.6 m/s

答案

v = 248.6 m/s
12.动量与碰撞

答案: v = 220.5 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.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 1.8·(1 − cos 10°) = 0.02735 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.02735) = 0.7325 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 4.515·0.7325/0.015 = 220.5 m/s

答案

v = 220.5 m/s
13.弹簧与单摆

答案: T = 2.765 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。

单摆周期

T = 2π·√(1.9/9.81) = 2.765 s

答案

T = 2.765 s
14.弹簧与单摆

答案: vmax = 1.591 m/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。

角频率

ω = √(500/1.6) = 17.68 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.09·17.68 = 1.591 m/s

答案

vmax = 1.591 m/s
15.波、声与光学

答案: θc = 66.89 °

几何光学:在界面处,n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(斯涅尔定律),角度从法线量起,n = c/v。进入传播较慢的介质时,光线向法线偏折。从光密介质 (n₁ > n₂) 射出时,超过临界角 θc = arcsin(n₂/n₁) 后,所有光都被反射:全反射。薄透镜和球面镜服从 1/f = 1/do + 1/di,放大率为 m = −di/do。符号规定:会聚透镜和凹面镜 f > 0 (f = R/2),发散透镜和凸面镜 f < 0;实像 di > 0,虚像 di < 0,倒立的像 m < 0。

折射角为 90°

sin θc = n₂/n₁ = 1.49/1.62 = 0.9198

临界角

θc = arcsin(0.9198) = 66.89°

答案

θc = 66.89°
16.波、声与光学

答案: y1 = 2.25 mm

干涉与衍射:来自相距 d 的两条缝的光,到达屏上某点时光程差为 d·sin θ。在 d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …) 处出现亮条纹。对于距离 L ≫ d 的屏,第 m 级亮条纹位于 y = mλL/d,条纹间距为 Δy = λL/d。每毫米 N 条刻线的光栅有 d = 1/N,在 d·sin θ = mλ 处出现尖锐的极大值;由于 sin θ ≤ 1,最高级次是满足 m ≤ d/λ 的最大整数 m。宽度为 a 的单缝在 a·sin θ = mλ,m = ±1, ±2, … 处出现暗条纹。

条纹间距

Δy = λL/d = 450 × 10⁻⁹·1.5/(0.3 × 10⁻³) = 2.25 mm

第 1 条条纹

y1 = 1·2.25 = 2.25 mm

答案

y1 = 2.25 mm

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