| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.1.A |
|
2.1.B |
|
力与平动动力学
AP 物理 C:力学 · 第 2 主题
2.1
系统与质心
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个系统(system)是你分析的物体,当作它质心(center of mass)处的一个点。对于一组质量,$x_{\text{cm}}=\dfrac{\sum m_i x_i}{\sum m_i}$;对于一个连续物体,$x_{\text{cm}}=\dfrac{1}{M}\int x\,dm$。只有外力移动质心。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| system | 系统 | xì tǒng |
| center of mass | 质心 | zhì xīn |
2.2
力与受力图
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.2.A |
|
2.2.B |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics and AP Physics C: Electricity and Magnetism only expect students to depict the forces exerted on objects, not the force components on free-body diagrams. On the AP Physics exams, individual forces represented on a free-body diagram must be drawn as individual straight arrows, originating on the dot and pointing in the direction of the force. Individual forces that are in the same direction must be drawn side by side, not overlapping. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个力(force)是一个推或拉(一个矢量,以牛顿)。一个受力图(free-body diagram)画一个物体,带它上每个力的一个箭头——重力、法向、张力、摩擦、施加、阻力。先画它;它设置每个动力学方程。

Balance the forces on a free-body diagram
A free-body diagram shows every force on one object as an arrow. The object accelerates only if the forces don't cancel — the net force sets $a=F/m$.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| force | 力 | lì |
| free-body diagram | 受力图 | shòu lì tú |
2.3
牛顿第三定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.3.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
牛顿第三定律(Newton's third law):A 推 B,B 相等且相反地推回。这一对作用在不同的物体上,所以它在一个受力图内从不抵消。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Newton's third law | 牛顿第三定律 | niú dùn dì sān dìng lǜ |
2.4
牛顿第一定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.4.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
牛顿第一定律(惯性(inertia)):以零合力(net force),速度保持恒定——物体处于平动平衡(translational equilibrium)。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| inertia | 惯性 | guàn xìng |
| net force | 合力 | hé lì |
| translational equilibrium | 平动平衡 | píng dòng píng héng |
2.5
牛顿第二定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.5.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一般形式用动量:
Worked example. 一个 $2.0\ \text{kg}$ 的木块沿一个 $30^{\circ}$ 的无摩擦斜面(incline)滑下。只有重力的沿坡道分量驱动它,所以 $a=g\sin30^{\circ}=9.8(0.5)=4.9\ \text{m/s}^2$,与质量无关。
Worked example (two bodies). 一个无摩擦桌子上的 $6.0\ \text{kg}$ 小车被一根越过一个轻滑轮的绳子拉向一个悬挂的 $2.0\ \text{kg}$ 质量。把这一对当作一个系统:只有悬挂的重量驱动它,所以 $a=\dfrac{2.0(9.8)}{8.0}=2.45\ \text{m/s}^2$。然后单独隔离小车以求绳子张力(tension):$T=6.0(2.45)\approx15\ \text{N}$。先系统求 $a$、单个物体求内力——那两步是标准的模式。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| differential equation | 微分方程 | wēi fēn fāng chéng |
| incline | 斜面 | xié miàn |
| tension | 张力 | zhāng lì |
2.6
万有引力
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.6.A |
|
2.6.B |
|
2.6.C |
|
2.6.D |
|
2.6.E |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics does not expect students to mathematically prove or derive Newton's shell theorem. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在一个表面附近,重量是 $F_g=mg$。一般地,万有引力定律(Newton's law of gravitation):

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Newton's law of gravitation | 万有引力定律 | wàn yǒu yǐn lì dìng lǜ |
2.7
动摩擦与静摩擦
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.7.A |
|
2.7.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
摩擦力(friction)沿一个表面反对滑动:滑动时动摩擦(kinetic)$f_k=\mu_k N$,而滑动之前静摩擦(static)$f_s\le\mu_s N$ 到一个最大值。$N$ 是法向力(normal force)。注意不等式:静摩擦只大到它需要的那么大,而 $\mu_s N$ 是它的上限,不是它的值。
Worked example. 同一个木块在同一个 $30^{\circ}$ 的斜面上,现在带 $\mu_k=0.20$。垂直于坡道:$N=mg\cos30^{\circ}$。沿坡道:$ma=mg\sin30^{\circ}-\mu_k mg\cos30^{\circ}$,所以 $a=g(\sin30^{\circ}-0.20\cos30^{\circ})=9.8(0.500-0.173)=3.2\ \text{m/s}^2$ ——质量又约去。
Slide a block down a slope with friction
Friction opposes motion up to a maximum $\mu N$. Tilt the slope until gravity's pull along it beats static friction and the block starts to slide.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Friction | 摩擦力 | mó cā lì |
| kinetic | 动摩擦 | dòng mó cā |
| static | 静摩擦 | jìng mó cā |
| normal force | 法向力 | fǎ xiàng lì |
2.8
弹簧力
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.8.A |
|
2.8.B |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to find the effective spring constant of systems of springs that are arranged either in series or in parallel and does not expect students to find the effective spring constant of a system in which springs are arranged in both series and parallel. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个理想弹簧遵循胡克定律(Hooke's law)$F_s=-kx$,一个由弹簧劲度系数(spring constant)$k$ 设定的回复力。它储存的能量是 $U=\tfrac12 kx^2$。

组合的弹簧作为一个劲度系数为 $k_{\text{eq}}$ 的等效弹簧。并联(并排、共同分担负载)时劲度系数相加,$k_{\text{eq}}=k_1+k_2$ ——比任一个都更硬。串联(首尾相接)时它们按 $\dfrac{1}{k_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{k_1}+\dfrac{1}{k_2}$ 组合——比最软的还软。两根从相反两侧拉一个质量的弹簧也作为并联,给出恢复劲度系数 $k_1+k_2$。无论哪种,简谐运动周期都用 $k_{\text{eq}}$:$T=2\pi\sqrt{m/k_{\text{eq}}}$。
Stretch a spring (Hooke's law)
A spring's force is proportional to its extension, $F=kx$ (Hooke's law). Pull harder and the extension grows in step — until the spring's limit.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Hooke's law | 胡克定律 | hú kè dìng lǜ |
| spring constant | 弹簧劲度系数 | tán huáng jìn dù xì shù |
2.9
阻力
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.9.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个阻力(resistive force)(drag)反对通过一个流体的运动并随速率增长,常常建模为 $F=-bv$ 或 $F=-cv^2$。牛顿第二定律然后给出一个微分方程,例如对一个落下的物体 $m\dfrac{dv}{dt}=mg-bv$。随着速率上升,阻力增强直到它平衡驱动力;物体然后停止加速并以一个恒定的终极速度(terminal velocity)移动,通过把合力(和 $dv/dt$)设为零求出。
Worked example. 对于一个落下的物体,$m\dfrac{dv}{dt}=mg-bv$,终极速度是 $\dfrac{dv}{dt}=0$ 的地方:$mg=bv_T$,所以 $v_T=\dfrac{mg}{b}$。以 $m=0.10\ \text{kg}$ 和 $b=0.50\ \text{kg/s}$,$v_T=\dfrac{0.10(9.8)}{0.50}=2.0\ \text{m/s}$。
要得到完整的运动 $v(t)$,分离变量(separate the variables)并从静止积分:


| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| resistive force | 阻力 | zǔ lì |
| terminal velocity | 终极速度 | zhōng jí sù dù |
| separate the variables | 分离变量 | fēn lí biàn liàng |
2.10
圆周运动
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.10.A |
|
2.10.B |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics does not expect students to know Kepler's first or second laws of planetary motion. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
匀速圆周运动有一个指向中心的向心加速度(centripetal acceleration)$a_c=\dfrac{v^2}{r}$,需要一个由一个真实力(张力、重力、摩擦、法向)供应的合向内力 $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$。没有向外的力。对于竖直圆和倾斜的弯道,分解真实的力以求哪个提供向心要求。
Worked example. 一个 $0.50\ \text{kg}$ 的球在一根 $1.0\ \text{m}$ 的绳上以 $3.0\ \text{m/s}$ 在一个水平圆里被甩。绳子张力供应整个向心力:$T=\dfrac{mv^2}{r}=\dfrac{0.50(3.0)^2}{1.0}=4.5\ \text{N}$。
Worked example (vertical circle). 在一个半径 $r$ 的竖直环的顶部,重力和法向力都指向中心:$N+mg=\dfrac{mv^2}{r}$。顶部最慢可能的速率是轨道什么都不推($N=0$)的地方:$v_{\min}=\sqrt{gr}$。对于 $r=2.5\ \text{m}$:$v_{\min}=\sqrt{9.8(2.5)}=4.9\ \text{m/s}$。再慢一点小车就在顶部之前离开轨道。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| centripetal acceleration | 向心加速度 | xiàng xīn jiā sù dù |
2.10
考试技巧
- 用 $x_{cm}=\tfrac{1}{M}\int x\,dm$(或对点质量 $\tfrac{\sum m_i x_i}{\sum m_i}$)定位质心并对质量元素用 $\lambda,\sigma,\rho$。
- 合外力移动质心,仿佛所有质量都坐在那里:$\vec F_{net}=M\vec a_{cm}$。
- 清晰地定义你的系统——内力抵消,所以只有外力改变它的动量。
- 利用对称来简化一个质心积分。
- 把质心与重心区分开(在一个均匀场里相同)。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。