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)6.061 s33.33

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。

v₀ = 120 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
d = ?

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。

ttotal = 2.4 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 16 kg

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。

m = 16 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 1.5 kg2.5 kgθ = 35°

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。

m1 = 1.5 kgm2 = 2.5 kgθ = 35°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 50 m

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。

v₀ = 34 m/sR = 50 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 13 m/s20°射程

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。

v0 = 13 m/sθ = 20°h = 55 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 25 mvmax​ = ?

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。

r = 25 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
R = 8.5 mh = ?

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?

R = 8.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.功和能中等
20°L = 0.8 m5 kg

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。

m = 5 kgL = 0.8 mθ = 20°g = 9.81 m/s²
T = N
10.功和能困难
h = 3 mL = 3.5 mμ = 0.25k = 5000 N/m

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。

m = 2.5 kgh = 3 mL = 3.5 mμ = 0.25k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
3 kg24 m/s12 kgv′2​ = ?

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)。

M = 15 kgu = 7 m/sm1 = 3 kgv′1 = 24 m/sm2 = 12 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
10 m/s5 m/s

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。

m = 0.2 kgvin = 10 m/svout = 5 m/sΔt = 20 ms
J = N·s
13.弹簧与单摆中等
L = ?

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。

T = 1.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
14.弹簧与单摆困难
3.5 kgk = 230 N/mA = 10 cm

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。

m = 3.5 kgk = 230 N/mA = 10 cm
vmax = m/s
15.波、声与光学中等
θc = ?90°金刚石, n1​ = 2.42空气, n2​ = 1.00

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。

n1 = 2.42n2 = 1.00
θc = °
16.波、声与光学困难
λ = 650 nma = 0.1 mmL = 2 m

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)。

λ = 650 nma = 0.1 mmL = 2 m
w = mm

3溶液

1.运动学

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。

单位

v₀ = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·5.5) = 101 m

答案

s = 101 m
2.运动学

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.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(2.4 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 823.2 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·823.2))/(2·4.905) = 2.323 s

深度

d = ½·9.81·2.323² = 26.47 m

答案

d = 26.47 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 = 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 24.53 N
m₁·g·sin θ = 8.44 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.411 N

系统的加速度

a = (24.53 − 8.44 − 2.411)/4 = 3.419 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 2.5·(9.81 − 3.419) = 15.98 N

答案

T = 15.98 N
5.抛体运动

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.

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·50/34² = 0.4243

相角

2θ = 25.11° → θ = 12.55°

答案

θ = 12.55°

另一个解为 90° − θ = 77.45°。

6.抛体运动

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。

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 = 13·cos 20° = 12.22 m/s
vy = v0·sin θ = 13·sin 20° = 4.446 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 4.446·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4.446 + √(19.77 + 1079))/9.81 = 3.832 s

答案

t = 3.832 s
7.圆周运动

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。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.4·9.81·25) = 9.905 m/s

答案

vmax = 9.905 m/s (35.66 km/h)
8.圆周运动

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.

顶部的条件

m·g = m·v²/R → v² = g·R

能量守恒

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·8.5 = 21.25 m

答案

hmin = 21.25 m
9.功和能

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。

最低点的速度

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·0.8·(1 − cos 20°) = 0.9466 m²/s²

最低点的受力

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
T = mg + mv²/L = 49.05 + 5·0.9466/0.8 = 54.97 N

答案

T = 54.97 N

校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 54.97 N。

10.功和能

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)。

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 = 24.53·(3 − 0.25·3.5) = 52.12 J

最大压缩量

½kx² = 52.12 → x = √(2·52.12/5000) = 0.1444 m = 14.44 cm

答案

x = 14.44 cm
11.动量与碰撞

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.

碰撞前的动量

p = M·u = 15·7 = 105 kg·m/s

碰撞后的动量

105 = 3·24 + 12·v′2
v′2 = (105 − 72)/12 = 2.75 m/s

答案

v′2 = 2.75 m/s
12.动量与碰撞

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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.2·(5 + 10) = 3 N·s

答案

J = 3 N·s
13.弹簧与单摆

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.9/2π)² = 0.897 m

答案

L = 0.897 m
14.弹簧与单摆

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。

角频率

ω = √(230/3.5) = 8.106 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.1·8.106 = 0.8106 m/s

答案

vmax = 0.8106 m/s
15.波、声与光学

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。

折射角为 90°

sin θc = n₂/n₁ = 1.00/2.42 = 0.4132

临界角

θc = arcsin(0.4132) = 24.41°

答案

θc = 24.41°
16.波、声与光学

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。

第一暗条纹

y₁ = λL/a = 650 × 10⁻⁹·2/(0.1 × 10⁻³) = 13 mm

中央极大的宽度

w = 2y₁ = 26 mm

答案

w = 26 mm

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