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

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 90 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 = 90 km/ha = −4.5 m/s²v = 0

s = m

2.运动学困难

从离地面 35 m 高的屋顶边缘以 12 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。

v₀ = 12 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²

t = s

3.牛顿定律中等

一个 40 kg 的雪橇被一根与水平方向成 20° 向上的绳子以 180 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 = 40 kgF = 180 Nθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.牛顿定律困难

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 140 N 的水平力拉前面 4 kg 的物块；9 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求连接绳中的拉力 T。

m₁ = 9 kgm₂ = 4 kgF = 140 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²

T = N

5.抛体运动中等

一个球从平地上以高于水平面 60° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v₀ = 34 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²

t = s

6.抛体运动困难

一个球从地面以 35 m/s、与水平方向成 45° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 5 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。

v₀ = 35 m/sθ = 45°h_roof = 5 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.圆周运动中等

在游乐场的转筒中，乘客背靠在半径为 1.7 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 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求最小转速 n，以每分钟转数表示。

r = 1.7 mμ_s = 0.6g = 9.81 m/s²

n = rpm

8.圆周运动困难

一个 0.4 kg 的球系在长 0.6 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 10 m/s。忽略空气阻力，取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 T_top。

m = 0.4 kgr = 0.6 mv_bottom = 10 m/sg = 9.81 m/s²

T_top = N

9.功和能中等

一个 4 kg 的物块沿倾角 45° 的斜面下滑 4 m，动摩擦因数为 0.2。求克服摩擦做的功 W_f。

m = 4 kgθ = 45°μ = 0.2d = 4 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

10.功和能困难

一个 4 kg 的物块从光滑坡道上 3.5 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 = 800 N/m）。求弹簧的最大压缩量 x。

m = 4 kgh = 3.5 mL = 3.5 mμ = 0.25k = 800 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

11.动量与碰撞中等

在无摩擦的导轨上，一个以 7 m/s 运动的 0.5 kg 滑块与一个静止的 3.5 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）。

m₁ = 0.5 kgm₂ = 3.5 kgv₁ = 7 m/sv₂ = 0

v′₁ = m/s

12.动量与碰撞困难

一个 0.15 kg 的小球以 26 m/s 撞到墙上，并以 14 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.15 kgv_in = 26 m/sv_out = 14 m/sΔt = 5 ms

J = N·s

13.弹簧与单摆中等

一个连在 k = 330 N/m 弹簧上的 3.7 kg 物体被沿正方向拉开 12 cm，在 t = 0 时由静止释放。求 t = 1.05 s 时它相对于平衡位置的位移 x（带符号）。

m = 3.7 kgk = 330 N/mA = 12 cmt = 1.05 s

x = cm

14.弹簧与单摆困难

一个 2.6 kg 的物体连在 k = 480 N/m 的弹簧上，从平衡位置拉开 13 cm 后释放。求它的最大速度 v_max。

m = 2.6 kgk = 480 N/mA = 13 cm

v_max = m/s

15.波、声与光学中等

一个物体位于焦距为 10 cm 的薄发散透镜前 20 cm 处。求像距 d_i。使用符号规定 1/f = 1/d_o + 1/d_i（发散透镜 f < 0，虚像 d_i < 0）。

d_o = 20 cmf = −10 cm

d_i = cm

16.波、声与光学困难

一根光纤的纤芯 n₁ = 1.5，包层 n₂ = 1.42。求从空气射入光纤端面且仍能通过全反射被导引的光线与光纤轴所成的最大角 θ_a。

n₁ = 1.5n₂ = 1.42n₀ = 1.00

θ_a = °

3溶液

1.运动学

答案: s = 69.44 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 = 90/3.6 = 25 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·4.5) = 69.44 m

答案

s = 69.44 m

2.运动学

答案: t = 4.161 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。

运动方程

向上为正，地面在出发点下方 h₀ 处。

−35 = 12·t − ½·9.81·t²

4.905·t² − 12·t − 35 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (12 + √(12² + 2·9.81·35))/9.81 = 4.161 s

答案

t = 4.161 s

3.牛顿定律

答案: a = 3.402 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 = 392.4 − 180·sin 20° = 330.8 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 169.1 − 33.08

a = 136.1/40 = 3.402 m/s²

答案

a = 3.402 m/s²

4.牛顿定律

答案: T = 96.92 N

整个系统

a = (F − μ·(m₁ + m₂)·g)/(m₁ + m₂) = (140 − 38.26)/13 = 7.826 m/s²

单独分析后面的物块

T = m₁·(a + μ·g) = 9·(7.826 + 2.943) = 96.92 N

答案

T = 96.92 N

两个物块的 μ 相同时，摩擦力被消去：T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: t = 6.003 s

抛体运动：无空气阻力时，x = v_xt，y = h + v_yt − 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。

v_x = v₀·cos θ = 34·cos 60° = 17 m/s

v_y = v₀·sin θ = 34·sin 60° = 29.44 m/s

飞行时间

起点与落点等高：t = 2v_y/g。

t = 2·29.44/9.81 = 6.003 s

答案

t = 6.003 s

6.抛体运动

答案: x = 119.7 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.

分解初速度

v_x = 24.75 m/s, v_y = 24.75 m/s

落到屋顶的时间

较大的根：球正在下降。

5 = 24.75·t − 4.905·t²

t = (24.75 + √(24.75² − 2·9.81·5))/9.81 = 4.835 s

水平距离

x = v_x·t = 24.75·4.835 = 119.7 m

答案

x = 119.7 m

7.圆周运动

答案: n = 29.61 rpm

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/(0.6·1.7)) = 3.101 rad/s

转速

n = ω·60/(2π) = 29.61 rpm

答案

n = 29.61 rpm

8.圆周运动

答案: T_top = 47.05 N

顶点的速度

在高度 2r 上，动能转化为势能。

v_top² = 10² − 4·9.81·0.6 = 76.46 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下，指向圆心。

T + m·g = m·v_top²/r

T = 0.4·76.46/0.6 − 0.4·9.81 = 47.05 N

答案

T_top = 47.05 N

9.功和能

答案: W_f = 22.2 J

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 39.24·0.7071 = 27.75 N

F = μN = 0.2·27.75 = 5.549 N

克服摩擦做的功

W_f = F·d = 5.549·4 = 22.2 J

答案

W_f = 22.2 J

10.功和能

答案: x = 50.75 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 = 39.24·(3.5 − 0.25·3.5) = 103 J

最大压缩量

½kx² = 103 → x = √(2·103/800) = 0.5075 m = 50.75 cm

答案

x = 50.75 cm

11.动量与碰撞

答案: v′₁ = −5.25 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。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′₁ = (0.5 − 3.5)/(0.5 + 3.5)·7 = −5.25 m/s

v′₂ = 2·0.5/(0.5 + 3.5)·7 = 1.75 m/s

答案

v′₁ = −5.25 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: J = 6 N·s

动量的变化量

J = m·Δv = 0.15·(14 + 26) = 6 N·s

答案

J = 6 N·s

13.弹簧与单摆

答案: x = −10.58 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

角频率

ω = √(330/3.7) = 9.444 rad/s

ω·t = 9.444·1.05 = 9.916 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 12·cos(9.916) = −10.58 cm

答案

x = −10.58 cm

14.弹簧与单摆

答案: v_max = 1.766 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 = √(480/2.6) = 13.59 rad/s

最大速度

v_max = A·ω = 0.13·13.59 = 1.766 m/s

答案

v_max = 1.766 m/s

15.波、声与光学

答案: d_i = −6.667 cm

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 θ_c = 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/d_o + 1/d_i，放大率为 m = −d_i/d_o。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 d_i > 0，虚像 d_i < 0，倒立的像 m < 0。

薄透镜方程

1/d_i = 1/f − 1/d_o = 1/(−10) − 1/20

d_i = −6.667 cm

光线图

虚像，与物体在同一侧

答案

d_i = −6.667 cm

16.波、声与光学

答案: θ_a = 28.9 °

包层处的临界角

sin θc = 1.42/1.5 = 0.9467 → θc = 71.2°

数值孔径

NA = √(1.5² − 1.42²) = 0.4833

接收角

θ_a = arcsin(0.4833) = 28.9°

答案

θ_a = 28.9°

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