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质点动力学章节示意图

二、质点动力学 ​

复习目标 ​

  • 会选研究对象、画受力图,并在合适方向建立牛顿第二定律。
  • 掌握功、功率、动能定理以及保守力与势能的关系。
  • 掌握冲量、动量定理和动量守恒的适用条件。
  • 会判断何时机械能守恒、何时只能使用功能关系。
  • 能处理位置变力、时间变力、速度阻力和多物体系统。

知识地图 ​

主线核心公式高频模型
瞬时动力学∑F→=ma→斜面、圆周、法向力
空间累积效应W=∫F→⋅dr→位置变力、漏水桶
时间累积效应I→=∫F→dt时间变力、碰撞
功和能W合=ΔEk速度、制动距离
动量I→=Δp→多物体、可动槽
守恒定律Δp→=0、ΔE=0碰撞、无摩擦系统

核心知识点 ​

1. 牛顿运动定律与参考系 ​

牛顿第二定律在惯性参考系中写为

∑F→=ma→.

∑F→ 是作用在同一研究对象上的外力矢量和,m 是惯性质量。实际列式时通常分解为

∑Fx=max,∑Fy=may.

牛顿第三定律的一对作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在不同物体上,不能在同一个物体的受力图中相互抵消。

标准步骤:选对象 → 隔离对象 → 画真实外力 → 选轴 → 分解力 → 列分量方程。不要在受力图中画“向心力”,向心力是指向圆心的合力效果,不是一种额外的新力。

2. 常见力及方向判断 ​

  • 重力:G→=mg→,近地面范围内竖直向下。
  • 弹簧弹力:F→=−kx→,k 为劲度系数,x→ 是相对自然长度的形变量,负号表示回复性。
  • 滑动摩擦力:fk=μkN,沿接触面且与相对滑动方向相反。
  • 静摩擦力:0≤fs≤μsN,其大小由动力学方程决定,并不总等于最大值。
  • 线性阻力:f→=−kv→,只适用于题目明确阻力与速度成正比的模型。

3. 功与变力做功 ​

力对质点从 A 到 B 做的功为

WAB=∫ABF→⋅dr→.

在直角坐标系中,

W=∫(Fxdx+Fydy+Fzdz).

恒力且位移为 s→ 时才可简化为

W=F→⋅s→=Fscos⁡θ.

功是标量,单位为 J。正功使该力倾向于增加动能,负功使其倾向于减少动能,零功可能是力与瞬时位移始终垂直。

一维位置变力 F=F(x) 的功等于 F−x 图像下的代数面积:

W=∫x1x2F(x)dx.

4. 功率 ​

平均功率和瞬时功率为

P¯=WΔt,P=dWdt=F→⋅v→=Fvcos⁡θ.

功率单位为 W。若只给总功和总时间,求的是平均功率;若给某时刻的力和速度,求的是瞬时功率。

5. 动能定理 ​

质点动能为

Ek=12mv2.

合外力对质点所做的总功等于动能增量:

W合=ΔEk=12mv22−12mv12.

动能定理不要求力恒定,也不要求机械能守恒。若题目只关心初、末速率而不关心时间,动能定理通常比直接求加速度更快。

6. 保守力、势能和机械能 ​

保守力做功只与初、末位置有关,并满足

W保=−ΔEp.

常见势能包括

Ep,g=mgh,qquadEp,s=12kx2.

若系统内只有保守力做功,则机械能守恒:

Ek+Ep=常量.

若存在摩擦力、外力等非保守力,应写成功能关系

W非保=Δ(Ek+Ep).

机械能守恒是有条件的;动能定理则始终成立。

7. 冲量与动量定理 ​

质点动量为 p→=mv→。力在时间上的累积效应是冲量:

I→=∫t1t2F→dt.

动量定理为

I→合=Δp→=mv→2−mv→1.

若 F=F(t),冲量等于 F−t 图像下的代数面积。短时碰撞中普通有限力的冲量往往可忽略,但巨大的碰撞力冲量不能忽略。

8. 质点系动量守恒 ​

质点系总动量满足

dP→dt=∑F→ext.

当系统所受合外力为零,或某段时间内合外力冲量为零时,

P→初=P→末.

守恒可以只在某一方向成立。例如放在光滑水平面上的小球与弧形槽系统,竖直方向受地面支持力,竖直动量不守恒;水平方向外力为零,因此水平动量守恒。

9. 碰撞的分类 ​

  • 完全弹性碰撞:动量守恒且总动能守恒。
  • 非弹性碰撞:动量守恒,但总动能减少。
  • 完全非弹性碰撞:碰后物体具有共同速度,动能损失最大。

碰撞题先检查动量守恒方向,再根据“弹性”“粘在一起”等关键词补充能量条件。不能因为碰撞时间短就自动认为动能守恒。

10. 速度成正比的阻力 ​

若质量为 m 的物体只受 f→=−kv→,沿初速度方向列式:

mdvdt=−kv.

由初始条件 v(0)=v0 得

v(t)=v0e−kt/m.

速度随时间指数衰减,理论上无限久后趋近于零。总位移为

xmax=∫0∞v(t)dt=mv0k.

也可使用 mv,dv/dx=−kv,在 v=0 时求停止距离。

11. 法向动力学 ​

曲线运动中沿法向列牛顿第二定律:

∑Fn=man=mv2ρ.

若已知 v→、a→,合力的法向分量大小为

Fn=man=m|v→×a→|v,v≠0.

这里的“法向力分量”不一定等于接触面的支持力,要根据题目语境区分。

典型模型与方法 ​

模型一:F(x) 型变力做功 ​

沿运动方向写出力的代数分量,计算 W=∫F(x)dx,再用动能定理求速度。若力是矢量,应先做点积或逐分量积分。

模型二:F(t) 型时间变力 ​

计算 I→=∫F→(t)dt,由动量定理求速度。若题目同时给出末速度和力停止作用的时刻,还可反求质量。

模型三:漏水桶等变重力问题 ​

桶匀速上升时,人的拉力等于当时总重力,但质量随高度改变。把质量写成高度函数 m(y),计算

W=∫0Hm(y)gdy.

不能用初始总重力乘总高度。

模型四:小球-可动槽系统 ​

以小球和槽整体为系统,水平方向动量守恒;若无摩擦,机械能守恒。用两个方程联立求小球对地速度与槽速度。题目所问“脱离时速度”要确认是相对地面还是相对槽。

易错点 ​

  • 受力图中混入加速度、速度或“向心力”等非真实力。
  • 把一对作用力和反作用力画在同一个研究对象上并抵消。
  • 变力做功直接使用 Fs,或忘记点积中的方向余弦。
  • 把“合力做功”等同于“机械能变化”;正确关系是合力功等于动能变化。
  • 未检查系统和外力,就直接宣称动量或机械能守恒。
  • 碰撞中同时套用动量守恒和机械能守恒,却没有“完全弹性”条件。
  • 只判断合外力是否为零,忽略某一方向仍可能单独动量守恒。
  • 法向合力分量与接触支持力概念混淆。

本章习题反推重点 ​

题目主要考查点前置知识解题关键
2-5合外力做功速度分量、动能定理由运动方程求两时刻速率
2-8位置变力做功定积分计算 ∫010(4+5x)dx
2-11多个力分别做功动能定理总功等于动能增量,再减去已知力的功
2-15线性阻力牛顿第二定律、分离变量求指数速度和总进入深度
2-17时间变力、法向分量冲量、曲线运动先积分求速度,再投影合力到法向
2-25力-时间关系冲量、动量由 F=0 求作用时间,由冲量反求质量
2-29恒力功与功率点积、动能定理位移含三维分量,功率区分平均值
2-31质量随高度变化变力做功把水和桶总质量写成高度函数
2-38可动弧形槽水平动量、机械能两个守恒方程联立,注意参考系

快速自查 ​

  1. 画受力图时,哪些量绝不能当作力画进去?
  2. 动能定理和机械能守恒的适用范围有何不同?
  3. F(x) 与 F(t) 分别优先计算什么?
  4. 判断动量守恒时,为什么必须先明确系统和方向?
  5. 完全弹性碰撞比普通碰撞多了什么条件?
  6. 线性阻力模型中的速度为什么是指数衰减?
  7. 漏水桶问题为什么不能用平均质量的直觉值直接计算?

作者:@perper-zrj
大学物理B期末复习笔记