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。

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

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。

牛顿定律

第二定律: ΣF = m·a
重力: W = m·g
动摩擦: F_f = μ·N
斜面上: 沿斜面：m·g·sin θ，垂直斜面：m·g·cos θ

方法

画出物体所受全部力的受力图。
沿运动方向选定正方向。
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）。
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: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
位置: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
最大高度: H = h + v_y²/(2g)
射程（水平地面）: R = v₀²·sin 2θ/g

方法

把初速度分解为分量：v_x = v₀·cos θ，v_y = v₀·sin θ。
水平方向为匀速运动；竖直方向的加速度为 −g。
由竖直方向的运动求飞行时间。
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: v_max = √(μ·g·r)

功和能

动能: E_k = ½mv²
势能: E_p = mgh
能量衡算: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + 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

选定正方向，并给每个速度标上符号。
写出碰撞前的总动量：Σm·v。
完全非弹性碰撞后物体一起运动；弹性碰撞中动能也守恒。
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: v_max = A·ω, a_max = 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 f_n = n·v/(2L); 闭管 f_n = n·v/(4L)，n 为奇数
多普勒效应: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
折射率: n = c/v, λ = λ₀/n
斯涅尔定律: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
临界角: sin θ_c = n₂/n₁
光纤: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
透镜与反射镜: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
双缝: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
光栅: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ d/λ
单缝: a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

方法

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。
先写出关系式：v = fλ，β = 10·log(I/I₀)，fₙ = n·v/(2L) 或 n·v/(4L)，f′ = f(v ± v_o)/(v ∓ v_s)，n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂，1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ，d·sin θ = mλ。
换算单位：nm、mm 和 cm 换成 m，并检查角度是否从法线量起。
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

一辆以 80 km/h 行驶的汽车以 4.5 m/s² 的恒定减速度制动，直到停下。求制动距离 s。

v₀ = 80 km/ha = −4.5 m/s²v = 0

s = m

2.运动学困难

一块石头由静止释放落入井中。释放后 3.1 s 听到落水声。声速为 343 m/s；忽略空气阻力，取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。

t_total = 3.1 sv_sound = 343 m/sg = 9.81 m/s²

d = m

3.牛顿定律中等

一个 6 kg 的物块沿倾角为 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 6 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.牛顿定律困难

水平桌面上一个 4 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 4 kg 重物相连。物块与桌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 = 4 kgm₂ = 4 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²

T = N

5.抛体运动中等

一个球从水平地面以与水平方向成 15° 的角度抛出，落在 10 m 远处。忽略空气阻力，取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v₀。

θ = 15°R = 10 mg = 9.81 m/s²

v₀ = m/s

6.抛体运动困难

一个球从 35 m 高的悬崖顶部以 15 m/s、与水平方向成 55° 的角度抛出。忽略空气阻力，取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 15 m/sθ = 55°h = 35 mg = 9.81 m/s²

H = m

7.圆周运动中等

一辆汽车通过半径为 130 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 v_max。

r = 130 mμ_s = 0.6g = 9.81 m/s²

v_max = m/s

8.圆周运动困难

一辆 4.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 43.7 m 高处由静止释放，驶过一个半径为 9.5 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。求小车在圆环底部时轨道对它的法向力 N_bottom。

m = 4.5 kgh = 43.7 mR = 9.5 mg = 9.81 m/s²

N_bottom = N

9.功和能中等

一个物块由静止沿倾角 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.3。求它沿斜面滑行 9 m 后的速度 v。

θ = 25°μ = 0.3d = 9 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

10.功和能困难

一个 0.5 kg 的物块从光滑坡道上 4 m 高处由静止释放。到达底部后，它通过一段长 4.5 m 的粗糙水平段（μ = 0.15），然后在光滑表面上撞上一根弹簧（k = 5000 N/m）。求弹簧的最大压缩量 x。

m = 0.5 kgh = 4 mL = 4.5 mμ = 0.15k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

11.动量与碰撞中等

一辆以 14 m/s 行驶的 1100 kg 汽车撞上一辆静止的 1000 kg 汽车，两车卡在一起。碰撞中损失了多少动能 ΔK？

m₁ = 1100 kgv₁ = 14 m/sm₂ = 1000 kgv₂ = 0

ΔK = J

12.动量与碰撞困难

在一个十字路口，一辆以 14 m/s 向东行驶的 1300 kg 汽车与一辆以 23 m/s 向北行驶的 1500 kg 汽车相撞。两车卡在一起。求碰撞后瞬间残骸的方向 θ，以东偏北的角度表示。

m₁ = 1300 kgv₁ = 14 m/s (E)m₂ = 1500 kgv₂ = 23 m/s (N)

θ = °

13.弹簧与单摆中等

一个单摆的摆长为 1.8 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.8 mg = 9.81 m/s²

T = s

14.弹簧与单摆困难

一个 0.2 kg 的物体连在 k = 350 N/m 的弹簧上，从平衡位置拉开 4 cm 后释放。求它的最大速度 v_max。

m = 0.2 kgk = 350 N/mA = 4 cm

v_max = m/s

15.波、声与光学中等

两端开口的管长 0.75 m。声速为 343 m/s。求其第 3 次谐波的频率 f₃。

v = 343 m/sn = 3L = 0.75 m

f₃ = Hz

16.波、声与光学困难

静止的泊车传感器向以 20 m/s 的速度远离的汽车发射 25 kHz 的超声波。求传感器接收到的回波频率 f″（声速为 343 m/s）。

f = 25 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s

f″ = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 54.87 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 = 80/3.6 = 22.22 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·4.5) = 54.87 m

答案

s = 54.87 m

2.运动学

答案: d = 43.37 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.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(3.1 − t₁)

4.905·t₁² + 343·t₁ − 1063 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1063))/(2·4.905) = 2.974 s

深度

d = ½·9.81·2.974² = 43.37 m

答案

d = 43.37 m

3.牛顿定律

答案: a = 1.923 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 25° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

答案

a = 1.923 m/s²

4.牛顿定律

答案: T = 21.58 N

系统的加速度

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (39.24 − 3.924)/8 = 4.415 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m₁·g = m₁·a

T = 4·4.415 + 3.924 = 21.58 N

答案

T = 21.58 N

5.抛体运动

答案: v₀ = 14.01 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − 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) = √(9.81·10/sin 30°) = 14.01 m/s

答案

v₀ = 14.01 m/s

6.抛体运动

答案: H = 42.7 m

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

竖直方向的初速度

v_y = 15·sin 55° = 12.29 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = v_y²/(2g) = 12.29²/(2·9.81) = 7.695 m

离地面的高度

H = 35 + 7.695 = 42.7 m

答案

H = 42.7 m

7.圆周运动

答案: v_max = 27.66 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。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g

v = √(μ·g·r) = √(0.6·9.81·130) = 27.66 m/s

答案

v_max = 27.66 m/s (99.58 km/h)

8.圆周运动

答案: N_bottom = 450.3 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.

由能量守恒求速度

v² = 2·9.81·43.7 = 857.4 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R + m·g = 4.5·857.4/9.5 + 44.15 = 450.3 N

答案

N_bottom = 450.3 N

9.功和能

答案: v = 5.159 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 = √(2·9.81·9·(0.4226 − 0.3·0.9063)) = 5.159 m/s

答案

v = 5.159 m/s

10.功和能

答案: x = 8.077 cm

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)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑，只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 4.905·(4 − 0.15·4.5) = 16.31 J

最大压缩量

½kx² = 16.31 → x = √(2·16.31/5000) = 0.08077 m = 8.077 cm

答案

x = 8.077 cm

11.动量与碰撞

答案: ΔK = 51333 J

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) = 1100·14/2100 = 7.333 m/s

碰撞前后的动能

K_before = ½·1100·14² = 107800 J

K_after = ½·2100·7.333² = 56467 J

损失的能量

ΔK = 107800 − 56467 = 51333 J

答案

ΔK = 51333 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: θ = 62.19 °

动量分量

p_x = 1300·14 = 18200 kg·m/s

p_y = 1500·23 = 34500 kg·m/s

方向

tan θ = p_y/p_x = 1.896 → θ = 62.19°

答案

θ = 62.19°

13.弹簧与单摆

答案: T = 2.691 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·√(1.8/9.81) = 2.691 s

答案

T = 2.691 s

14.弹簧与单摆

答案: v_max = 1.673 m/s

角频率

ω = √(350/0.2) = 41.83 rad/s

最大速度

v_max = A·ω = 0.04·41.83 = 1.673 m/s

答案

v_max = 1.673 m/s

15.波、声与光学

答案: f₃ = 686 Hz

驻波与多普勒效应：两端固定的弦或两端开口的管容纳整数个半波长：L = nλ/2，f_n = n·v/(2L)，n = 1, 2, 3, … 一端封闭的管在封闭端有波节，在开口端有波腹：L = nλ/4，且 n 只能取奇数，f_n = n·v/(4L)。当声源或观察者沿两者连线运动时，f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)：相向运动时取上面的符号。两个频率几乎相等的波以 |f₁ − f₂| 的频率产生拍。

该模式的波长

λ = 2L/n = 2·0.75/3 = 0.5 m

频率

f = v/λ = 343/0.5 = 686 Hz

答案

f₃ = 686 Hz

16.波、声与光学

答案: f″ = 22245 Hz

汽车处的频率

f′ = 25000·(343 − 20)/343 = 23542 Hz

回波的频率

f″ = f′·343/(343 + 20) = 22245 Hz

答案

f″ = 22245 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics