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 16 道练习题,完整解答附在最后。
一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 5.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。
一块石头由静止释放落入井中。释放后 2.4 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。
一个 16 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。
倾角为 35° 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 2.5 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 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。
一个球从水平地面以 34 m/s 抛出,必须落在 50 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求两个可能的抛射角中较小的一个 θ。
一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 20° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。
一辆汽车通过半径为 25 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.4。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。
一辆小车在无摩擦轨道上由静止释放,驶入一个半径为 8.5 m 的竖直圆环。它必须从高出圆环底部至少多高 hmin 处出发,才能在圆环顶部保持在轨道上?
一个 5 kg 的球挂在长 0.8 m 的轻绳上。把它拉向一侧,使绳与竖直方向成 20°,然后从静止释放。求球经过最低点时绳中的拉力 T。
一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 3 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 3.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.25),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。
一个以 7 m/s 水平运动的 15 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。3 kg 的碎片以 24 m/s 继续向前运动。求 12 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。
一个 0.2 kg 的小球以 10 m/s 撞到墙上,并以 5 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。
要使单摆的周期为 1.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。
一个 3.5 kg 的物体连在 k = 230 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 10 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。
光在金刚石(n = 2.42)中向与空气(n = 1.00)的平面界面传播。求超过后会发生全反射的临界角 θc。
波长为 650 nm 的光通过一条宽 0.1 mm 的单缝。求 2 m 外的屏上中央亮极大的宽度 w(即两侧第一暗条纹之间)。
答案: s = 101 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。
答案: d = 26.47 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.
只有正根有物理意义。
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。
沿斜面向下为正。
答案: T = 15.98 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.
答案: θ = 12.55 °
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.
另一个解为 90° − θ = 77.45°。
答案: t = 3.832 s
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。
解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。
答案: vmax = 9.905 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: hmin = 21.25 m
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.
答案: T = 54.97 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。
校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 54.97 N。
答案: x = 14.44 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)。
坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。
答案: v′2 = 2.75 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.
答案: J = 3 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。
答案: L = 0.897 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。
答案: vmax = 0.8106 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。
答案: θc = 24.41 °
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。
答案: w = 26 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。
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