§2、虚功原理
上次课主要是介绍了分析力学中经常要用到的一些基本概念，并由虚功的概
念和理想约束的概念导出了解决静力学问题的虚功原理：0=?∑i r i F δ。虚功
原理适用的范围是：质点组，它适用的前提条件是只受理想约束。这次课就举一些具体例子，使我们能够了解如何利用虚功原理去解决静力学问题。 三、应用虚功原理解题：
例1、如图所示，有一质量为m ，长度为 的刚性杆子，靠在墙上，在与地面
接触的B 端上受一水平向左的外力F ，杆子两端的
接触都是光滑的，当杆子与水平地面成α角时，要
使杆子处于平衡状态，问作用在杆子B 端上的力F
有多大？求F =？
解：由题意可知它是一个静力学问题，而且接
触都是光滑的，显然可以应用虚功原理来求解这个
问题。这个例子很简单，简单的题目往往能够清楚
地说明物理意义，为了说明虚功原理的意义，如果一开始就举复杂的例子，由于复杂的数字计算将会掩盖物理意义，所以就以这个简单的例子来看看如何应用虚功原理来解出它。第一步当然也是确定研究对象，即①选系统：在这个例题中，我们就取杆子为应用虚功原理的力学系统。②找主动力：作用在我们所选取的系
统上的主动力有几个？有两个。一个是水平作用力F ，还有一个是重力m g 作用在
杆子的质心上。因为杆子两端A 、B 处的接触是光滑的，∴在该两处的约束力也就不必考虑。③列出虚功方程：主动力找出来以后，视计算方便起见，适当选好坐标，并根据虚功原理列出虚功方程。现在选取如图所示的直角坐标，于是我们现在就可列出系统的虚功方程。列虚功方程时，正、负号是个很重要的问题，如果按虚位移的实际方向与力的方向间的关系确定虚功的正负号，很容易弄错。为了不容易弄错，我们还是按力的作用点的坐标的正方向与力的方向间的关系来确定虚功的正负号。这种方法既方便而又不容易搞错。在列方程时必须要注意这个问
题。∵F 的方向与其作用点的坐标X 的正方向相反，∴F 取负而δX B
取正，∴此力的虚功为负的，即：0=--C B y mg x F δδ……①，由于虚功方程
中的两个虚位移不是相互独立的，∴我们还需要将它们化成独立变量，然后才能令独立虚位移前的乘数等于零，从而求出最后的结果。我们从图上很容易得出：
αcos l x B =,αsin 2l C y =。则αδαδsin l x -=，对C y 变分则有：αδαδcos 2l C y =，将它们代入①式就可得到：0]cos sin [21
=-αδ
ααδαmgl Fl →0)cos sin (21=-δ
αααmgl Fl ，∵δα是独立的，可以使它不等于零。∴δα之前的乘数应该等零，故有：0cos sin 21
=-ααmgl Fl 。于是就可解得题目所要求的结果
为：αmgctg F 21=。
对于这个问题，如果按位移的实际方向与力的方向确定虚功正负的话，将会得出这样的结果，设想杆子在F 的作用下向里有一虚位移，∵F 的
方向与虚位移方向相同，∴F 是作正功的，应该为正的。而重力m g 的方向与力的
作用点的位移δy C 的方向相反，∴重力的功是负的，于是得到的结果：
0=-C B y mg x F δδ是错的。对这个简单例子的求解主要是说明了应用虚功原理的解题步骤。由上面的求解过程可以看出，应用虚功原理解题的步骤一般是：第一步先找出所要考虑的质点组或者刚体，也就是1、找出所要研究的系统。2、找出系统所受的主动力。3、列出虚功方程。列出的虚功方程中的虚位移里的坐标不一定要独立，虚功的正负号很重要，要正确判断。我们还是以所选坐标的正方向为标准，也就是上面解题时所采用的方法。另外还得注意：计算虚功的参考系必须是静止的。4、虚功方程列出之后，要把方程中的虚位移化成独立的变量。其方法有两种：一种是先找出坐标间的关系，再微分得出，这种方法就叫分析法，我们上面的例子采用的就是这种方法。另外一种是观察法，根据观察直接找出虚位移之间的关系。这种方法只在某些简单的情况下可行。5、最后就是将找出的虚位移之间的关系代入虚功方程求解出最后的结果。应用虚功原理解题的步骤一般来说大致是这样的。当然对具体的题目要作具体的处理，并不一定要这样呆板，可灵活地去做，对我们初学者来说，有据可依总是有益处的。当然这个例子也可以用牛顿力学中的静力平衡方程很容易地解出……。下面我再举一个应用虚功原理求约束力的例子。
例2、如图中所示的框架，它是由四根重量和长度都相
同的杆子光滑铰接而成的四边形框架，中间B 、D 两端又光
滑铰接一轻杆，A 端是挂在天花板上的，已知框架上每一根
秆子的重量为p ，长度为 ，试求平衡时此轻杆所受之力？
解：可见这个例子要我们求的是轻杆两头所受的力。为
此我们可以把B 、D 撤消，撤消杆子也就等于撤消约束。（在
框架的B 、D 两）将约束去掉而代之的是作用在框架B 、D 两处向外的作用力T (如下图所示)并使系统仍处于原来的平衡状态，这里的系统自然是指这个平行四边形框架。此时我们就可以将去掉的约束而代之的两个作用力T 看作为系统所受的主动力，而其他的约束仍然是理想的。于是就可应用虚功原理求出这两个力。这两
个力其实就是杆子对框架的约束压力，求出了它当然也
就求出了杆子所受的力。现在我们对所讨论的问题和系
统都已明确，于是就可着手找出系统的主动力。对框架
这个系统除了受到T 这两个主动力之外，还有作用于各
杆上的四个重力，这四个重力的合力可用作用在框架对
称中心E 点的4P 代替。在这里坐标就取垂直对称轴向
下为Y 轴的正向，A 为坐标原点，水平向右为x 轴的正
方向。根据对称性可以直接写出系统的虚功方程为：042=+E D y P x T δδ,由图可得：αsin l x D =,αcos l y E =,∴αδαδcos l x D =,αδαδsin l y E -=.代入虚功方程中去，得：0)sin 4cos 2(=-δαααpl Tl ，∴αptg T 2=。这种把约束去掉，代之以力而求约束力的方法是一种重要的方法，我们必须要掌握。上面我们所举的两个例子，所考虑的系统都是刚性系统，如果我们碰到要考虑的系统不是刚性时，不要忘了计算主动内力所作的虚功。例如：将一弹簧圈放在光滑的球面上，求弹簧圈静止时的位置，此时弹簧圈就不是一个刚体，它内力的虚功不等于零。此时必须要把内主动力的虚功计算进去[如果把弹簧圈割开使内力暴露出来而转化为外力，割开后的弹簧圈可看作刚体处理] 。
§3、达朗伯----拉格朗日方程
以上我们所研究的是分析静力学问题，现在我们就开始转到对分析动力学问题的研究。研究分析动力学的出发点仍然是牛顿第二运动定律。
一、 达朗伯原理
从牛顿第二定律可以直接推出达朗伯原理，而达朗伯原理与虚功原理相结合
就可得到分析动力学的普遍方程即——达朗伯--拉格朗日方程。现在我们就按这条路径来走。假设由n 个质点组成的力学体系，根据牛顿第二定律可得，质点组
中的第i 个质点的动力学方程就是i i i i a m R F =+,i=1,2……n ，将i a m 移到等式的
左边成为：0=-+i i i i a m R F ……*，这样的形式。这样移一下项得出来的方程式
有什么意义呢？在数学上看来，是没有多大意义的，只不过是进行了一次移项手续而已，但在我们物理学上来看物理意义就大不相同了。∵移项前它是个动力学
方程，而移项后，如果把-m i a 也看作力，那么它就成了一个平衡方程，其实-m i a 正
是我们已经熟悉的惯性力。于是这个方程也就表明了作用在一质点组中每个质点上的主动力，约束力和惯性力三者保持平衡，这种平衡关系人们就称它为达朗伯原理。要注意达朗伯原理的坐标系是选在与质点没有相对运动上的，引入达朗伯原理的意义在于选择与质点无相对运动的坐标系以后，只要加上惯性力，使得原来的动力学的问题就可变成静力学问题，这种方法也就叫作动静法。将动力学问题变成静力学问题，它不仅为我们多提供了一条解决动力学问题的途径。而且一般来讲，静力学问题要比动力学问题简单，因此将动力学问题变成静力学问题还会给解题带来方便。工程上特别喜欢用静力学方法……我们由达朗伯原理的方程式可以得到两个推论：①∵作用在质点组中任一质点上的主动力，约束力和惯性力互成平衡，因此将这几个等式相加后仍然等于零，即：
0=-++∑∑∑i
i i
i i i i a m R F ，其次，由质点对任一固定点的位矢i r 叉乘*式的两边，并将n 个方程相加，就可得到：0)()()(=?-?+?∑∑∑i i i i i i i i i i r m r R r F r 。这些力对任一点的力矩的总和也等于零。下面利用达朗伯原理来解下面的题目。
例：一直角形刚性杆件AOB 的质量可以忽略不计，直角的顶点O 用光滑铰链
连到垂直轴Z 上，使它既能在铅垂面内绕O 点转动，同时又能绕Z 轴转动。在A 、B 两端固结着两个质量为m 1和m 2的小球，已知：OA=a, OB=b ，求：当OA 和Z 轴为
α角而这个α角稳定不变时，他们绕Z 轴转动的角速度ω=？
解：∵稳定为α角，∴ω
=0。我们以两个质点和直角杆件组成的系统为研究系
统。因为整个研究系统都以同样的角速
度ω作匀速转动，将坐标系就取在所研
究的系统上，随系统一起转动。则系统
所受的力有重力↓m 1g 1, ↓m 2g 2和惯性力m 2ω2bcos α和m 1ω2asin α,除此之外还有
O 处的约束力。为了消去未知的约束力，我们可以对O 点应用力矩的平衡方程。要想用力矩的平衡方程，还得先规定力矩的正方向，在这里我们就规定：力矩的逆时针方向为正，并对O 点取矩。则有：m 2ω2bcos αbsin α-m 2gbcos α-m 1ω2asin α
acos α+m 1gasin α=0解此方程很快可以得到：ααααωcos sin )()sin m -cos (212212a m b m g a b m -=。由此可见，应用了达朗伯原理之后，这个题目只要一个平衡方程就解出了它的结果。如果不采用达朗伯原理去解，而是采用动力学的方法去解的话，此题目是很难解的。因此它充分地显示了应用达朗伯原理解题的优越性。
二、 朗伯——拉格朗日方程：
既然达朗伯原理的关系式：0=?-+i i i i a m R F 是一种平衡方程，当然也可以
用虚功原理的形式表示出来。我们用虚位移i r δ标乘上面这个平衡方程，并对i
求和则有：0)(=?+?-∑∑i i
i i i i i i r N r a m F δδ。如果体系受到的是理想约束，∵
在理想约束的情况下：约束力的虚功之和必等于零：0=?∑i i r R δ，则上式就可写成为：0)(=?-∑i
i i i i r a m F δ，显然，它在形式上完全类似于虚功原理，
这个方程就叫做达朗伯——拉格朗日方程。给出这个达朗伯—拉格朗日方程干什么用呢？一方面当然可以应用它来求解动静法的问题。另一方面更重要的是分析力学真正的开始应该是从达朗——拉格朗日方程这里开始的，这因为在别的方程中都还没有直接用广义坐标表达出来，现在我们就由达朗伯—拉格朗日方程，应用广义坐标的概念推出直接用广义坐标、广义力、广义速度等这些广义量来表示的基本分析动力学方程，这个分析动力学方程正是我们下面马上要推导的完整约束的第二类拉格朗日方程。
§4.完整约束的第二类拉格朗日方程，
即基本形式的拉格朗日方程
既然有第二类拉格朗日方程，从排列的次序来说，那么总应该有第一类拉格朗日方程，是有的，不完整约束的拉格朗日方程就称第一类拉格朗日方程。由前
面的讨论我们知道由于约束的限制，n 个矢径i r (i=1·2·3···n)并不是独立的。
现在我们引入S 个独立的广义坐标q i (α=1·2·3···n)。将矢径i r 用广义坐标表
示：i r =i r (q 1,q 2…q s ,t),这里的i 是表示质点组中质点的数目，α是表示独立坐标的数目，对这两个角标的涵义要清楚。现在我们先来推导两个数学关系。
一、 两个数学关系。 ααq r q r
i i ????= ，dt r d q q r dt d i i αα????=，这两个数学关系在推导拉格朗日方程
时要用到。下面先来证明第一个数学关系。∵),,(51t q q q r r s i i ???= ，将它对时间求
导则有第i 个质点的速度为：
t r s q r t r s q r q r q r dt r d i i
i i
s i
i
i
i
q q q q r ??=??????????+=++???++==∑ ααα12121 (1)
∵i r 是广义坐标和时间的函数。∴根据高等数学的全微分公式：
z=z(x,y) ,dy y z dx x z dz ??+??=可得:由于i r 是q 1、q 2…q s 和t 的函数，因此α
q r i
?? 和t r i ?? 这两个偏导数也仍然都是q 1、q 2…q s 和t 的函数，而不是广义速度?q
(α=1,2,…s)的函数，并且这些广义速度也是相互独立的。所以我们将式(1)对广义
速度?q 求偏导数就可直接得到：αq r q r
i a i ????= 。要注意在求偏导数时，应该把
1αq ,?q
，t 当作等同地位的自变量，不清楚这一点，就会在计算偏导数时发生不应有的错误，如果体系只有2个自由度，应该有几个等同自变量，有5个等同的自变量，三个自由度就有7个等同自变量。下面再来证明第二个数学关系式，∵
αq r i ?? 仍然是(q 1,q 2…q s ,t)的函数，αq r i ?? =)
,(2,1t q q q s q r i α??,所以对它的导数：t q r k s k q q r t s q q q r dt d i k i
q i r s q i r q i r i
q q q ???=???????????+=+++=∑
??????αααααα 2211)
()
(1)(… (a)。
∵t r k s k q q r i
i k i q r ??=???+=∑ 12α ∴t q r k s k q q r q t r k s k q q r i k i i k q i r i
q q ???=??????=????+=+=∑∑???ααααα 22211)(……(b)
可见(a)=(b)式，这就证明了：ααq r q r dt d i i
????= 这个关系式。这个关系表明i r 对时间t 的导数和对广义坐标αq 的偏导数是可以对易的，这就是说两个微分算符α
q dt d ???→←可以对调，对调之后运算结果仍然不变。 还有根据代数中关于连加号Σ的运算法则知，在双重加号中，运算次序可以颠倒，即：∑∑∑∑=====n j s
i ij s i n j ij a a 1111这在下次课推导拉格朗日方程时也需要用到的知识，
在这里附带提一下，其实大家在数学中是早已清楚的事……。
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第一章 质点运动学和牛顿运动定律 1.1平均速度 v =t △△r 1.2 瞬时速度 v=lim 0 △t →△t △r =dt dr 1. 3速度v=dt ds = =→→lim lim △t 0 △t △t △r 1.6 平均加速度a = △t △v 1.7瞬时加速度（加速度）a=lim 0 △t →△t △v =dt dv 1.8瞬时加速度a=dt dv =2 2dt r d 1.11匀速直线运动质点坐标x=x 0+vt 1.12变速运动速度 v=v 0+at 1.13变速运动质点坐标x=x 0+v 0t+ 21at 2 1.14速度随坐标变化公式:v 2-v 02 =2a(x-x 0) 1.15自由落体运动 1.16竖直上抛运动 ?????===gy v at y gt v 22122 ???? ???-=-=-=gy v v gt t v y gt v v 2212 0220 0 1.17 抛体运动速度分量???-==gt a v v a v v y x sin cos 00 1.18 抛体运动距离分量?? ? ??-?=?=20021sin cos gt t a v y t a v x 1.19射程 X=g a v 2sin 2 1.20射高Y=g a v 22sin 20 1.21飞行时间y=xtga —g gx 2 1.22轨迹方程y=xtga —a v gx 2 202 cos 2 1.23向心加速度 a=R v 2 1.24圆周运动加速度等于切向加速度与法向加速度矢量和a=a t +a n 1.25 加速度数值 a=2 2n t a a + 1.26 法向加速度和匀速圆周运动的向心加速度相 同a n =R v 2 1.27切向加速度只改变速度的大小a t = dt dv 1.28 ωΦR dt d R dt ds v === 1.29角速度 dt φ ωd = 1.30角加速度 22dt dt d d φ ωα== 1.31角加速度a 与线加速度a n 、a t 间的关系 a n =22 2)(ωωR R R R v == a t =αω R dt d R dt dv == 牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直 线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。 牛顿第二定律：物体受到外力作用时，所获得的加速度a 的大小与外力F 的大小成正比，与物体的质量m 成反比；加速度的方向与外力的方向相同。 1.37 F=ma 牛顿第三定律：若物体A 以力F 1作用与物体B ，则同时物体B 必以力F 2作用与物体A ；这两个力的大小相等、方向相反，而且沿同一直线。 万有引力定律：自然界任何两质点间存在着相互吸引力，其大小与两质点质量的乘积成正比，与两质点间的距离的二次方成反比；引力的方向沿两质点的连线
13．虚位移原理及分析力学基础 自由质点系：运动状态（轨迹、速度等）只取决于作用力和运动的起始条件的质点系。 非自由质点系：运动状态受到某些预先给定的限制（运动的起始条件也要满足这些限制条件）的质点系。 约束：非自由质点系所受到的预先给定的限制。 约束方程：用解析表达式表示的限制条件。 几何约束：只限制质点或质点系在空间位置的约束。 运动约束：对于质点或质点系不仅有位移方面的限制，还有速度或角速度方面的限制的约束。 定常约束：约束方程中不显含时间的约束。 非定常约束：约束方程中显含时间的约束。 完整约束：约束方程不包含质点速度，或者包含质点速度但是它可以积分，转换为有限形式的约束。 非完整约束：约束方程包含质点速度、且不可积分不能转换为有限形式的约束。 双面约束：不仅能限制质点在某一方向的运动，还能限制其在相反方向的运动的约束。 单面约束：只能限制质点沿某一方向运动的约束。 自由度数：在具有完整约束的质点系中，唯一地确定系统在空间的位形或构形的独立坐标的数目数。 广义坐标：用来确定质点系位置的独立参数。 虚位移：在给定位置上，质点或质点系在约束所容许的条件下可能发生的任何无限小位移，称为质点或质点系的虚位移。 虚功：作用于质点上的力在该质点的虚位移中所作的元功，用δW 表示。若用F ，δr 分别代表力和虚位移，则虚功的表达式为F W δδ=?F r 。 理想约束：约束力虚功之和等于零的约束。
虚位移原理：具有理想约束的质点系，在给定位置保持平衡的必要和充分条件是,所有作用于该质点系上的主动力在任何虚位移中所作的虚功之和等于零。 作用于质点系上的主动力对应于广义坐标q h 的广义力： 1 n i Qh i i h r F F q ? ? = =? ∑。 平衡稳定性：在保守系统中，(1)受到微小的扰动而偏离平衡位置后，它能返回到原平衡位置，这种平衡状态称为稳定平衡；(2)受到微小的扰动后，再也不能回到原平衡位置，这种平衡状态称为不稳定平衡；(3)不论在哪个位置，总是平衡的，这种平衡状态称为随遇平衡。 动力学普遍方程：在具有理想约束的质点系中，在任一瞬时，作用于各质点上的主动力和虚加的惯性力在任意虚位移上所作虚功之和等于零。
第33届全国中学生物理竞赛复赛理论考试试题解答 一、（20分）如图，上、下两个平凸透光柱面的半径分别为1R 、2R ，且两柱面外切；其剖面（平面）分别平行于各自的轴线，且相互平行；各自过切点的母线相互垂直。取两柱面切点O 为直角坐标系O-XYZ 的原点，下侧柱面过切点O 的母线为X 轴，上侧柱面过切点O 的母线为Y 轴。一束在真空中波长为λ的可见光沿Z 轴负 方向傍轴入射，分别从上、下柱面反射回来的光线会发生干涉；借助于光学读数显微镜，逆着Z 轴方向，可观测到原点附近上方柱面上的干涉条纹在X-Y 平面的投影。1R 和2R 远大于傍轴光线干涉区域所对应的两柱面间最大间隙。空气折射率为0 1.00n =。试推导第k 级亮纹在X-Y 平面的投影的曲线方程。 已知：a. 在两种均匀、各向同性的介质的分界面两侧，折射率较大（小）的介质为光密（疏）介质；光线在光密（疏）介质的表面反射时，反射波存在（不存在）半波损失。任何情形下，折射波不存在半波损失。伴随半波损失将产生大小为π的相位突变。b. sin , 1x x x ≈<<当。 参考解答： 如图a 所示，光线1在上侧柱面P 点处傍轴垂直入射，入射角为θ，折射角为0θ，由折射定律有 00sin sin n n θθ= ① 其中n 和0n 分别玻璃与空气的折射率。光线在下侧柱面Q 点处反射，入射角与反射角分别为i 和i '，由反射定律有 i i '= ② 光线在下侧柱面Q 点的反射线交上侧柱面于P '点，并由P '点向上侧柱面折射，折射光线用1''表示；光线1''正好与P '点处的入射光线2的反射光线2'相遇，发生干涉。考虑光波反射时的半波损失，光线1''与光线2'在P '点处光程差L ?为 p 0p 0p p ()(PQ P Q)()(PQ P Q)()22L n z n n z n n z z λλ''? ?''?=-+++--=+--+??? ? ③ 式中λ为入射光线在真空中的波长，0 1.00n =。由题意，1R 和2R 远大于傍轴光线干涉区域所对应的两柱面间最大间隙；因而在傍轴垂直入射情况下有 0θ≈，1i i '=<<
说明： 1、2016版和2013版相比较，新增了一些内容，比如☆科里奥利力，※质心参考系☆虚功原理，☆连续性方程☆伯努利方程☆熵、熵增。另一方面，也略有删减，比如※矢量的标积和矢积，※平行力的合成重心，物体平衡的种类。有的说法更严谨，比如反冲运动及火箭改为反冲运动※变质量体系的运动，※质点和质点组的角动量定理(不引入转动惯量) 改为质点和质点组的角动量定理和转动定理，并且删去了对不引入转动惯量的限制，声音的响度、音调和音品声音的共鸣乐音和噪声增加限制（前3项均不要求定量计算）。 2、知识点顺序有调整。比如刚体的平动和绕定轴的转动2013版在一、运动学的最后，2016版独立为一个新单元，---很早以前的版本也如此。 3、2013年开始实行的“内容提要”中，凡用※号标出的内容，仅限于复赛和决赛。2016年开始实行的进一步细化，其中标☆仅为决赛内容，※为复赛和决赛内容，如不说明，一般要求考查定量分析能力。 全国中学生物理竞赛内容提要 (2015年4月修订，2016年开始实行) 说明：按照中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会第9次全体会议(1990年)的建议，由中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会常务委员会根据《全国中学生物理竞赛章程》中关于命题原则的规定，结合我国中学生的实际情况，制定了《全国中学生物理竞赛内容提要》，作为今后物理竞赛预赛、复赛和决赛命题的依据。它包括理论基础、实验、其他方面等部分。1991年2月20日经全国中学生物理竞赛委员会常务委员会扩大会议讨论通过并开始试行。1991年9月11日在南宁经全国中学生物理竞赛委员会第10次全体会议通过，开始实施。 经2000年全国中学生物理竞赛委员会第19次全体会议原则同意，对《全国中学生物理竞赛内容提要》做适当的调整和补充。考虑到适当控制预赛试题难度的精神，《内容提要》中新补充的内容用“※”符号标出，作为复赛题和决赛题增补的内容，预赛试题仍沿用原规定的《内容提要》，不增加修改补充后的内容。 2005年，中国物理学会常务理事会对《全国中学生物理竞赛章程》进行了修订。依据修订后的章程，决定由全国中学生物理竞赛委员会常务委员会组织编写《全国中学生物理竞赛实验指导书》，作为复赛实验考试题目的命题范围。 2011年对《全国中学生物理竞赛内容提要》进行了修订，修订稿经全国中学生物理竞赛委员会第30次全体会议通过，并决定从2013年开始实行。修订后的“内容提要”中，凡用※号标出的内容，仅限于复赛和决赛。 2015年对《全国中学生物理竞赛内容提要》进行了修订，其中标☆仅为决赛内容，※为复赛和决赛内容，如不说明，一般要求考查定量分析能力。 力学
最新高中物理竞赛讲义 （完整版） 目录 最新高中物理竞赛讲义（完整版） (1) 第0 部分绪言 (5) 一、高中物理奥赛概况 (5)
二、知识体系 (6) 第一部分力＆物体的平衡 (7) 第一讲力的处理 (7) 第二讲物体的平衡 ............................. 1...0.. 第三讲习题课 ................................. 1..1... 第四讲摩擦角及其它........................... 1...7..第二部分牛顿运动定律 ............................ 2..2.. 第一讲牛顿三定律 ............................. 2...2.. 第二讲牛顿定律的应用 ......................... 2..3.. 第二讲配套例题选讲........................... 3...7..第三部分运动学 ................................. 3...7... 第一讲基本知识介绍 .......................... 3..7.. 第二讲运动的合成与分解、相对运动 ............. 4..0 第四部分曲线运动万有引力 ....................... 4...4. 第一讲基本知识介绍........................... 4...4.. 第二讲重要模型与专题 ......................... 4..7.. 第三讲典型例题解析............................. 5...9..第五部分动量和能量 ............................... 5...9.. 第一讲基本知识介绍............................. 5...9.. 第二讲重要模型与专题.......................... 6..3.. 第三讲典型例题解析............................. 8...3..第六部分振动和波 ................................. 8..3...
全国高中物理竞赛历年试题与详解答案汇编 ———广东省鹤山市纪元中学 2014年5月
全国中学生物理竞赛提要 编者按：按照中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会第九次全体会议的建议，由中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会常务委员会根据《全国中学生物理竞赛章程》中关于命题原则的规定，结合我国目前中学生的实际情况，制定了《全国中学生物理竞赛内容提要》，作为今后物理竞赛预赛和决赛命题的依据，它包括理论基础、实验基础、其他方面等部分。其中理论基础的绝大部分内容和国家教委制订的（全日制中学物理教学大纲》中的附录，即 1983年教育部发布的《高中物理教学纲要（草案）》的内容相同。主要差别有两点：一是少数地方做了几点增补，二是去掉了教学纲要中的说明部分。此外，在编排的次序上做了一些变动，内容表述上做了一些简化。1991年2月20日经全国中学生物理竞赛委员会常务委员会扩大会议讨论通过并开始试行。1991年9月11日在南宁由全国中学生物理竞赛委员会第10次全体会议正式通过，开始实施。 一、理论基础 力学 1、运动学 参照系。质点运动的位移和路程，速度，加速度。相对速度。 矢量和标量。矢量的合成和分解。 匀速及匀速直线运动及其图象。运动的合成。抛体运动。圆周运动。 刚体的平动和绕定轴的转动。 2、牛顿运动定律 力学中常见的几种力 牛顿第一、二、三运动定律。惯性参照系的概念。 摩擦力。 弹性力。胡克定律。 万有引力定律。均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式（不要求导出）。开普勒定律。行星和人造卫星的运动。 3、物体的平衡 共点力作用下物体的平衡。力矩。刚体的平衡。重心。 物体平衡的种类。 4、动量 冲量。动量。动量定理。 动量守恒定律。 反冲运动及火箭。 5、机械能 功和功率。动能和动能定理。 重力势能。引力势能。质点及均匀球壳壳内和壳外的引力势能公式（不要求导出）。弹簧的弹性势能。 功能原理。机械能守恒定律。 碰撞。 6、流体静力学 静止流体中的压强。 浮力。 7、振动 简揩振动。振幅。频率和周期。位相。
全国中学生物理竞赛内容提要 (2015年4月修订，2016年开始实行) 说明：按照中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会第9次全体会议(1990年)的建议，由中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会常务委员会根据《全国中学生物理竞赛章程》中关于命题原则的规定，结合我国中学生的实际情况，制定了《全国中学生物理竞赛内容提要》，作为今后物理竞赛预赛、复赛和决赛命题的依据。它包括理论基础、实验、其他方面等部分。1991年2月20日经全国中学生物理竞赛委员会常务委员会扩大会议讨论通过并开始试行。1991年9月11日在南宁经全国中学生物理竞赛委员会第10次全体会议通过，开始实施。 经2000年全国中学生物理竞赛委员会第19次全体会议原则同意，对《全国中学生物理竞赛内容提要》做适当的调整和补充。考虑到适当控制预赛试题难度的精神，《内容提要》中新补充的内容用“※”符号标出，作为复赛题和决赛题增补的内容，预赛试题仍沿用原规定的《内容提要》，不增加修改补充后的内容。 2005年，中国物理学会常务理事会对《全国中学生物理竞赛章程》进行了修订。依据修订后的章程，决定由全国中学生物理竞赛委员会常务委员会组织编写《全国中学生物理竞赛实验指导书》，作为复赛实验考试题目的命题范围。 2011年对《全国中学生物理竞赛内容提要》进行了修订，修订稿经全国中学生物理竞赛委员会第30次全体会议通过，并决定从2013年开始实行。修订后的“内容提要”中，凡用※号标出的内容，仅限于复赛和决赛。 2015年对《全国中学生物理竞赛内容提要》进行了修订，其中标☆仅为决赛内容，※为复赛和决赛内容，如不说明，一般要求考查定量分析能力。 力学 1. 运动学 参考系 坐标系直角坐标系 ※平面极坐标※自然坐标系
达朗贝尔原理 知识总结 1.质点的惯性力。 ?设质点的质量为m ，加速度为，则质点的惯性力定义为 2.质点的达朗贝尔原理。 ?质点的达朗贝尔原理：质点上除了作用有主动力和约束力外，如 果假想地认为还作用有该质点的惯性力，则这些力在形式上形成一个平衡力系，即 3.质点系的达朗贝尔原理。 ?质点系的达朗贝尔原理：在质点系中每个质点上都假想地加上各自的惯 性力，则质点系的所以外力和惯性力，在形式上形成一个平衡力系，可以表示为 4.刚体惯性力系的简化结果 （1）刚体平移，惯性力系向质心C 简化，主矢与主矩为 （2）刚体绕定轴转动，惯性力系向转轴上一点O 简化，主矢与主矩为 其中
如果刚体有质量对称平面，且此平面与转轴z 垂直，则惯性力系向此质量对称平面与转轴z 的交点O 简化，主矢与主矩为 （3）刚体作平面运动，若此刚体有一质量对称平面且此平面作同一平面运动，惯性力系向质心C简化，主矢和主矩为 式中为过质心且与质量对称平面垂直的轴的转动惯量。 5.消除动约束力的条件。 刚体绕定轴转动，消除动约束力的条件是，此转轴是中心惯性主轴（转轴过质心且对此轴的惯性积为零）；质心在转轴上，刚体可以在任意位置静止不动，称为静平衡；转轴为中心惯性主轴，不出现轴承动约束力，成为动平衡。 常见问题 问题一在惯性系中，惯性力是假想的（虚加的），达朗贝尔原理也是数学形式上的，物体一般并不是真的处于平衡。 问题二惯性力系一般都是向定点或者质心简化，因此这时惯性力系的主矩，而向其它的点简化，一般上是不成立的。如果一定要向某一任意点A简化，那么要先向定点或质心简化，之后将其移至A点（注意力在平移时将会有附加力偶）。惯性力系的主失是与简化中心无关的。 问题三用达朗贝尔原理解题时，加上惯性力系后就完全转化成静力学问题，其求解方法与精力学完全相同。 问题四物体系问题。每个物体都有惯性力系，因此每个物体的惯性力系向质心（或定点）简化都得到一个力与一个力偶。 虚位移原理 知识点总结 1.虚位移·虚功·理想约束。 在某瞬时，质点系在约束允许的条件下，人所假想的任何无限小位移称为虚位移。虚位移可以是线位移，也可以是角位移。 力在虚位移中所作的功称为虚功。
全国中学生物理竞赛提要 编者按：按照中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会第九次全体会议的建议，由中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会常务委员会根据《全国中学生物理竞赛章程》中关于命题原则的规定，结合我国目前中学生的实际情况，制定了《全国中学生物理竞赛内容提要》，作为今后物理竞赛预赛和决赛命题的依据，它包括理论基础、实验基础、其他方面等部分。其中理论基础的绝大部分内容和国家教委制订的（全日制中学物理教学大纲》中的附录，即 1983年教育部发布的《高中物理教学纲要（草案）》的内容相同。主要差别有两点：一是少数地方做了几点增补，二是去掉了教学纲要中的说明部分。此外，在编排的次序上做了一些变动，内容表述上做了一些简化。1991年2月20日经全国中学生物理竞赛委员会常务委员会扩大会议讨论通过并开始试行。1991年9月11日在南宁由全国中学生物理竞赛委员会第10次全体会议正式通过，开始实施。 一、理论基础 力学 1．运动学 参照系质点运动的位移和路程、速度、加速度相对速度 矢量和标量矢量的合成和分解 匀速及匀变速直线运动及其图象运动的合成抛体运动 园周运动 刚体的平动和绕定轴的转动 2．牛顿运动定律力学中常见的几种力 牛顿第一、二、三运动定律惯性参照系的概念 摩擦力 弹性力胡克定律 万有引力定律均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式 不要求导出）开普勒定律行星和人造卫星运动 3．物体的平衡 共点力作用下物体的平衡 力矩刚体的平衡条件重心 物体平衡的种类 4．动量 冲量动量动量定量 动量守恒定律 反冲运动及火箭 5。机械能 功和功率 动能和动能定理 重力势能引力势能质点及均匀球壳壳内和壳外的引力势能公式（不要求导出）弹簧的弹性势能
最新高中物理竞赛讲义 （完整版）
目录 最新高中物理竞赛讲义（完整版） (1) 第0部分绪言 (4) 一、高中物理奥赛概况 (4) 二、知识体系 (4) 第一部分力＆物体的平衡 (5) 第一讲力的处理 (5) 第二讲物体的平衡 (7) 第三讲习题课 (8) 第四讲摩擦角及其它 (12) 第二部分牛顿运动定律 (14) 第一讲牛顿三定律 (14) 第二讲牛顿定律的应用 (15) 第二讲配套例题选讲 (23) 第三部分运动学 (23) 第一讲基本知识介绍 (23) 第二讲运动的合成与分解、相对运动 (25) 第四部分曲线运动万有引力 (27) 第一讲基本知识介绍 (27) 第二讲重要模型与专题 (29) 第三讲典型例题解析 (37) 第五部分动量和能量 (37) 第一讲基本知识介绍 (37) 第二讲重要模型与专题 (39) 第三讲典型例题解析 (52) 第六部分振动和波 (52) 第一讲基本知识介绍 (52) 第二讲重要模型与专题 (56) 第三讲典型例题解析 (65) 第七部分热学 (65) 一、分子动理论 (65) 二、热现象和基本热力学定律 (67) 三、理想气体 (69) 四、相变 (76) 五、固体和液体 (79) 第八部分静电场 (80) 第一讲基本知识介绍 (80)
第二讲重要模型与专题 (83) 第九部分稳恒电流 (94) 第一讲基本知识介绍 (94) 第二讲重要模型和专题 (97) 第十部分磁场 (106) 第一讲基本知识介绍 (106) 第二讲典型例题解析 (110) 第十一部分电磁感应 (116) 第一讲、基本定律 (116) 第二讲感生电动势 (119) 第三讲自感、互感及其它 (123) 第十二部分量子论 (126) 第一节黑体辐射 (126) 第二节光电效应 (129) 第三节波粒二象性 (135) 第四节测不准关系 (138)
第十四章 虚位移原理 答 案 14-1 (1)若认为B处虚位移正确，则A，C处虚位移有错：A处位移应垂直于 O1A向左上方，C处虚位移应垂直向下。若认为C处虚位移正确，则B，A处虚位移有错：B处虚位移应反向，A处虚位移应垂直于O1A向右下方。C处虚位移可沿力的作用线，A处虚位移不能沿力的作用线。 (2)三处虚位移均有错，此种情况下虚位移均不能沿力的作用线。杆 AB，DE若运动应作定轴转动，B，D点的虚位移应垂直于杆AB，DE；杆BC，DE作平面运动，应按刚体平面运动的方法确定点C虚位移。 14-2 （1）可用几何法，虚速度法与坐标（解析）法；对此例几何法与虚速度法比坐标（解析）法简单，几何法与虚速度法难易程度相同。 （2）可用几何法，虚速度法与坐标（解析）法。几何法与虚速度法相似，比较简单。用坐标法也不难，但要注意δθ的正负号。
（3）同（2） （4）用几何法或虚速度法比较简单，可以用坐标法，但比较难。 （5）同（4） 14-3 （1）不需要。 （2）需要。内力投影，取矩之和为零，但内力作功之和可以不为零。 14-4 弹性力作功可用坐标法计算，也可用弹性力作功公式略去高阶小量计算；摩擦力在此虚位移中作正功。 14-5 在平面力系所在的刚体平面内建立一任意的平面直角坐标系，在此刚体平面内任选一点作为基点，写出此平面图形的运动方程。设任一力 的作用点为（x i， y i），且把此坐标以平面图形运动方程表示，设此点产生虚位移，把力 投影到坐标轴上，且写出此点直角坐标的变分，用解析法形式的虚位移表达式，把力的投影与直角坐标变分代入，运算整理之后便可得。
也可以在平面力系所在的刚体平面内任选一点O（简化中心），把平面力系向此点简化得一主矢与主矩，把主矢以 表示，分别给刚体以虚位移 ，由虚位移原理也可得平衡方程。
基础：程稼夫《力学第二版》《电磁学》《专题讲座》,崔宏宾《热光近代物理》 复习：更高更妙。 决赛：舒幼生《力学》，赵凯华《电磁学》，钟锡华《光学》，热学不很清楚。还想看量子物理的推荐曾谨言《量子力学》。 刷题就用江四喜《物理竞赛专题精编》（备战复赛时用）《物理学难题集萃》《国际奥赛培训与选拔》决赛时用，还嫌不够可以刷中科大《物理学大题典》，不过能经国家集训队的话自己根本无需找题，自会有人给你大量题做的。 至于四大力学，有心冲集训队的可以看看，没这个实力的等到大学看也不迟。 范小辉的第六版的新编奥赛指导，张大同的通向金牌之路，不过很难受，我刚学，求指导。建议从普通大学物理看起。。。非物理专业的大学物理学比较通俗，没有过多运算和数学推导。竞赛考纲也要看。竞赛中同一类的题可能有不同表述，有条件的话可以找一些自招的物理笔试题，这样导向性比较好。辅导讲义是用来结合有关知识解题的、、、完了。 但是你不看大学物理教材！！！！！复赛之路会很艰辛！！自学那就是没老师！！所以我建议你看非物理专业的大学物理学！！大学物理学是本书！！！至于哪个版本，自己挑吧、 竞赛里的一大堆微积分，变分，线性回归你根本看不懂！！ 基础：程稼夫《力学第二版》《电磁学》《专题讲座》,崔宏宾《热光近代物理》 复习：更高更妙。 决赛：舒幼生《力学》，赵凯华《电磁学》，钟锡华《光学》，热学不很清楚。还想看量子物理的推荐曾谨言《量子力学》。 刷题就用江四喜《物理竞赛专题精编》（备战复赛时用）《物理学难题集萃》《国际奥赛培训与选拔》决赛时用，还嫌不够可以刷中科大《物理学大题典》，不过能经国家集训队的话自己根本无需找题，自会有人给你大量题做的。 至于四大力学，有心冲集训队的可以看看，没这个实力的等到大学看也不迟。 程稼夫三本书加崔宏宾《热光近代物理》已涵盖全了。 程书高妙普物 全国中学生物理竞赛内容提要 （2013年开始实行） 一．理论基础 力学 1．运动学： 参考系 坐标系直角坐标系※平面极坐标 质点运动的位移和路程速度加速度 矢量和标量矢量的合成和分解※矢量的标积和矢积
物理竞赛大纲集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-
物理竞赛大纲 力学 1. 运动学 参考系 坐标系直角坐标系 ※平面极坐标※自然坐标系 矢量和标量 质点运动的位移和路程速度加速度 匀速及匀变速直线运动及其图像 运动的合成与分解抛体运动圆周运动 圆周运动中的切向加速度和法向加速度 曲率半径角速度和※角加速度 相对运动伽里略速度变换 2.动力学 重力弹性力摩擦力 惯性参考系 牛顿第一、二、三运动定律胡克定律万有引力定律均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式（不要求导出）※非惯性参考系※平动加速参考系中的惯性力 ※匀速转动参考系惯性离心力、视重
☆科里奥利力 3.物体的平衡 共点力作用下物体的平衡 力矩刚体的平衡条件 ☆虚功原理 4.动量 冲量动量质点与质点组的动量定理动量守恒定律※质心※质心运动定理 ※质心参考系 反冲运动 ※变质量体系的运动 5.机械能 功和功率 动能和动能定理※质心动能定理 重力势能引力势能 质点及均匀球壳壳内和壳外的引力势能公式 （不要求导出） 弹簧的弹性势能 功能原理机械能守恒定律 碰撞 弹性碰撞与非弹性碰撞恢复系数 6.※角动量 冲量矩角动量 质点和质点组的角动量定理和转动定理 角动量守恒定律 7.有心运动 在万有引力和库仑力作用下物体的运动
开普勒定律 行星和人造天体的圆轨道和椭圆轨道运动 8.※刚体 刚体的平动刚体的定轴转动 刚体绕轴的转动惯量 平行轴定理正交轴定理 刚体定轴转动的角动量定理刚体的平面平行运动 9.流体力学 静止流体中的压强 浮力 ☆连续性方程☆伯努利方程 10.振动 简谐振动振幅频率和周期相位 振动的图像 参考圆简谐振动的速度 （线性）恢复力由动力学方程确定简谐振动的频率简谐振动的能量 同方向同频率简谐振动的合成 阻尼振动受迫振动和共振（定性了解） 11.波动 横波和纵波 波长频率和波速的关系 波的图像 ※平面简谐波的表示式
解：如图（a ），应用虚位移原理： F 1 ?術 F 2 ? 8r 2 = 0 书鹵 / 、 8r 1 8r 2 tan P 如图（b ）： 8 廿y ； 8 厂乔 8r i 能的任意角度B 下处于平衡时，求 M 1和M 2之间的关系 第12章 虚位移原理及其应用 12-1图示结构由8根无重杆铰接成三个相同的菱形。 试求平衡时, 解：应用解析法，如图(a )，设0D = y A = 2l sin v ； y^ 61 sin v S y A =21 cos ：心； 溉=61 COST 心 应用虚位移原理： F 2 S y B - R ? S y A =0 6F 2 —2R =0 ; F i =3F 2 习题12-1图 F 2之值。已知：AC = BC 12-2图示的平面机构中, D 点作用一水平力F t ，求保持机构平衡时主动力 =EC = DE = FC = DF = l 。 解：应用解析法，如图所示： y A =lcos ) ； x D =3lsin v S y A - -l sin^ 心；S x D =3I COS ^ & 应用虚 位移原理： —F 2 ? S y A - F I 8x^0 F 2sin J - 3F t cos ^ - 0 ； F 2 = 3F t cot^ 12-3图示楔形机构处于平衡状态，尖劈角为 小关系 习题12-3 B 和3不计楔块自重与摩擦。求竖向力 F 1与F 2的大 F i F 2| (a ) (b) F i 8i - F 2 12-4图示摇杆机构位于水平面上，已知 OO i = OA 。机构上受到力偶矩 M 1和M 2的作用。机构在可
全国中学生物理竞赛大纲一、理论基础 〖力学〗 1．运动学 参照系质点运动的位移和路程、速度、加速度相对速度矢量和标量矢量的合成和分解 匀速及匀变速直线运动及其图象运动的合成抛体运动园周运动 刚体的平动和绕定轴的转动 质心质心运动定律 2．xx运动定律力学中常见的几种力 牛顿第一、二、三运动定律惯性参照系的概念 摩擦力 弹性力xx 万有引力定律均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式不要求导出）开普勒定律行星和人造卫星运动 惯性力的概念 3．物体的平衡 共点力作用下物体的平衡 力矩刚体的平衡条件重心 物体平衡的种类
4．动量 冲量动量动量定量 动量守恒定律 反冲运动及火箭 5。冲量矩质点和质点组的角动量角动量守恒定律 6.机械能 功和功率 动能和动能定理 重力势能引力势能质点及均匀球壳壳内和壳外的引力势能公式（不要求导出）弹簧的弹性势能功能原理机械能守恒定律、碰撞 7.流体静力学 静止流体中的压强 浮力 8.振动 简谐振动振幅频率和周期位相 振动的图象 参考圆振动的速度和加速度 由动力学方程确定简谐振动的频率 阻尼振动受迫振动和共振（定性了解） 9.波和声 横波和纵波波长、频率和波速的关系波的图象
波的干涉和衍射（定性）驻波 声波声音的响度、音调和音品声音的共鸣乐音和噪音 〖热学〗 1．分子动理论 原子和分子的量级 分子的热运动布朗运动温度的微观意义 分子力 分于的动能和分子问的势能物体的内能 2．热力学第一定律 热力学第一定律 3．热力学第二定律 热力学第二定律可逆过程和不可逆过程 4.气体的性质 热力学温标 理想气体状态方程普适气体恒量 理想气体状态方程的微观解释(定性) 理想气体的内能 理想气体的等容\等压\等温和绝热过程(不要求用微积分计算) 5.液体的性质 液体分子运动的特点 表面张力系数
习 题 4-1 如图4-19所示，在曲柄式压榨机的销钉B 上作用水平力F ，此力位于平面ABC 内，作用线平分∠ABC 。设 AB =BC ，∠ABC =θ2，各处摩擦及杆重不计，试求物体所受的压 力。 图4-19 0δ)90cos(δδN =--?=∑C B F s F s F W θ )90cos(δ)902cos(δθθ-?=?-C B s s θθsin δ2sin δC B s s = 虚位移原理 0δ)90cos(δδN =--?=∑C B F s F s F W θ 0δsin δN =-C B s F s F θ θ θθθtan 2 )2sin(sin sin δδ2N F F s s F F C B === 4-2 如图4-20所示，在压缩机的手轮上作用一力偶，其矩为M 。手轮轴的两端各有螺距同为h ，但方向相反的螺纹。螺纹上各套有一个螺母A 和B ，这两个螺母分别与长为l 的杆相铰接，四杆形成棱形框，如图所示，此棱形框的点D 固定不动，而点C 连接在压缩机的水平压板上。试求当棱形
框的顶角等于2f 时，压缩机对被压物体的压力。 图4-20 ??cos δ)290cos(δC A s s =-? C A s s δsin δ2=? 而 θ?δπ 2c o s δP s A = ?θ?θ?tan δπ sin δcos π22 δP P s C == 虚位移原理 0δδδN =-=∑C F s F M W θ 0tan δπ δN =?-?θθP F M ?cot π N P M F = 4-3 试求图4-21所示各式滑轮在平衡时F 的值，摩擦力及绳索质量不计。 图4-21 虚位移原理 0δδδ=+-=∑A B F s G s F W (a) A B s s δ2δ= 2 G F = (b) A B s s δ8δ= 8 G F = (c) A B s s δ6δ= 6 G F = (d) A B s s δ5δ= 5 G F =
第12章 虚位移原理及其应用 12－1 图示结构由8根无重杆铰接成三个相同的菱形。试求平衡时，主动力F 1与F 2的大小关系。 解：应用解析法，如图（a ），设OD = l θsin 2l y A =；θsin 6l y B = θθδcos 2δl y A =；θθδcos 6δl y B = 应用虚位移原理：0δδ12=?-?A B y F y F 02612=-F F ；213F F = 12－2图示的平面机构中，D 点作用一水平力F 1，求保持机构平衡时主动力F 2之值。已知：AC = BC = EC = DE = FC = DF = l 。 解：应用解析法，如图所示： θcos l y A =；θsin 3l x D = θθδsin δl y A -=；θθδcos 3 δl x D = 应用虚位移原理：0δδ12=?-?-D A x F y F 0cos 3sin 12=-θθF F ；θcot 312F F = 12－3 图示楔形机构处于平衡状态，尖劈角为θ和β，不计楔块自重与摩擦。求竖向力F 1与F 2的大小关系。 解：如图（a ），应用虚位移原理：0δδ2211=?+? r F r F 如图（b ）： β θt a n δδt a n δ2 a 1r r r == ；12 δtan tan δr r θ β = 0δtan tan δ1211=? -?r θβF r F ；θ β tan tan 21?=F F 12－4 图示摇杆机构位于水平面上，已知OO 1 = OA 。机构上受到力偶矩M 1和M 2的作用。机构在可能的任意角度θ下处于平衡时，求M 1和M 2之间的关系。 习题12-1图 （a ） 习题12-2解图 习题12－3 （a ） r a （b ）
物理竞赛大纲 力学 1. 运动学 参考系 坐标系直角坐标系 ※平面极坐标※自然坐标系 矢量和标量 质点运动的位移和路程速度加速度 匀速及匀变速直线运动及其图像 运动的合成与分解抛体运动圆周运动 圆周运动中的切向加速度和法向加速度 曲率半径角速度和※角加速度 相对运动伽里略速度变换 2.动力学 重力弹性力摩擦力 惯性参考系 牛顿第一、二、三运动定律胡克定律万有引力定律 均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式（不要求导出） ※非惯性参考系※平动加速参考系中的惯性力 ※匀速转动参考系惯性离心力、视重 ☆科里奥利力 3.物体的平衡 共点力作用下物体的平衡 力矩刚体的平衡条件 ☆虚功原理 4.动量
冲量动量质点与质点组的动量定理动量守恒定律 ※质心※质心运动定理 ※质心参考系 反冲运动 ※变质量体系的运动 5.机械能 功和功率 动能和动能定理※质心动能定理 重力势能引力势能 质点及均匀球壳壳内和壳外的引力势能公式 （不要求导出） 弹簧的弹性势能 功能原理机械能守恒定律 碰撞 弹性碰撞与非弹性碰撞恢复系数 6.※角动量 冲量矩角动量 质点和质点组的角动量定理和转动定理 角动量守恒定律 7.有心运动 在万有引力和库仑力作用下物体的运动 开普勒定律 行星和人造天体的圆轨道和椭圆轨道运动 8.※刚体 刚体的平动刚体的定轴转动 刚体绕轴的转动惯量 平行轴定理正交轴定理 刚体定轴转动的角动量定理刚体的平面平行运动 9.流体力学 静止流体中的压强
浮力 ☆连续性方程☆伯努利方程 10.振动 简谐振动振幅频率和周期相位 振动的图像 参考圆简谐振动的速度 （线性）恢复力由动力学方程确定简谐振动的频率 简谐振动的能量 同方向同频率简谐振动的合成 阻尼振动受迫振动和共振（定性了解） 11.波动 横波和纵波 波长频率和波速的关系 波的图像 ※平面简谐波的表示式 波的干涉※驻波波的衍射（定性） 声波声音的响度、音调和音品 声音的共鸣乐音和噪声（前3项均不要求定量计算） ※多普勒效应 热学 1. 分子动理论 原子和分子大小的数量级 分子的热运动和碰撞布朗运动※压强的统计解释 ☆麦克斯韦速率分布的定量计算；※分子热运动自由度※能均分定理；温度的微观意义 分子热运动的动能 ※气体分子的平均平动动能 分子力分子间的势能
浅析《虚位移原理》的一般解题步骤与应注意的问题 姓名：王晟学号：000572 班级：机05 这个学期的《工程力学》的学习中，大家最感到头疼的可能就是虚位移原理的一些题目了。虚虚实实，有速度，还有加速度；分析起来特别麻烦，一不小心就容易弄错几个虚位移或弄丢几个虚位移。考试的时候很容易丢分。根据平时上课以及从教科书参考书上积累的知识，我将虚位移原理的有关知识总结一下，希望能够为大家提供一些不成熟的建议。 解题的一般步骤 （1） 根据题意，分清所分析的问题时属于哪一类的问题： ①求平衡问题； ②求约束反力或内力； ③判断平衡的稳定性。 对于求约束反力或内力的问题，首先应解除约束（求哪个反力或内力，解除与之对应的约束），用对应的反力或内力替代约束对系统的作用，从而将反力或内力“转化”为主动力。 每解除一个约束，系统相应增加一个自由度！ （2） 分析约束性质，画主动力的受力图。在所研究的系统中，如有某些约束不是理想约束，应将这些约束的反力按主动力处理。 只画系统的主动力的受力图，这里的主动力应该包括： ①系统以外的物体对它的作用力； ②非理想约束的约束反力； ③因解除约束而“转化”为主动力的约束反力或内力。 （3） 确定系统的自由度，应包括因杰出约束而增加的自由度。选择合适的坐标（或线坐标、或角坐标）做系统的广义坐标。 对完整系统来说，广义坐标的数目等于自由度的数目！ （4） 给出系统的虚位移，采用如下方法计算主动力作用点的虚位移与广义坐标虚位移的关系： ①几何法：运用运动学中分析速度的方法（对于定常约束来说，虚位移之间的关系就是速度的关系），进行计算。 ②解析法：先选定一个静坐标系，用广义坐标写出主动力（力矩）作用点的坐标分析表达式，然后，再对广义坐标取变分，进行计算。 （5） 建立虚功方程，计算各主动力在给定虚位移中的虚功，建立虚功方程，确定平衡条件，求出待求的参量。 （6） 写出系统的势能表达式，确定平衡位置，判断在平衡位置上，系统是处于稳定平衡还是非稳定平衡。（此部分看题目需要） 应注意的问题 （1） 应用虚位移原理，一般都是以整个系统为研究对象，不宜选取分离对象，这是不同与其他分析方法的。（采用虚位移原理解绗架问题也未尝不可，但并没有明显的效果。 如《理论力学》教材133页例5－13的第三种方法，就是采用了虚位移原理对分离 对象分析）
2016安徽物理竞赛 物理竞赛是物理学科面向全体、重视个体差异的重要体现。下面是本人下面为大家整理的2019安徽物理竞赛，欢迎阅读 参考。 2019安徽物理竞赛： 全国高中物理竞赛大纲 一、力学 a) 运动学 参照系质点运动的位移和路程、速度、加速度相对速度向量和标量向量的合成和分解 匀速及匀变速直线运动及其图像运动的合成抛体运动圆周运动刚体的平动和绕定轴的转动质心质心运动定理 b)牛顿运动定律力学中常见的几种力牛顿第一、二、三运动定律惯性系的概念摩擦力 弹性力胡克定律 万有引力定律均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公 式(不要求导出) 开普勒定律行星和人造卫星运动惯性力的 概念 c)物体的平衡 共点力作用下物体的平衡力矩刚体的平衡条件重 心物体平衡的种类 d) 动量 冲量动量动量定理动量守恒定律反冲运动及火箭 e)冲量矩质点和质点组的角动量角动量守恒定律 f) 机械能功和功率动能和动能定理 重力势能引力势能质点及均匀球壳壳内与壳外的引力势能公式(不要求导出) 弹簧的弹性势能 功能原理机械能守恒定律碰撞 g)流体静力学静止流体中的压强浮力 h)振动
简谐振动振幅频率和周期相位振动的图像参考圆振动的速度和加速度由动力学方程确定简谐振动的频率阻尼振动受迫振动和共振(定性了解) i) 波和声 横波和纵波波长、频率和波速的关系波的图像 波的干涉和衍射(定性) 驻波 声波声音的响度、音调和音品声音的共鸣乐音和噪声多普勒效应二、热学 a)分子动理论原子和分子的量级分子的热运动布朗运动温度的微观意义分子力 分子的动能和分子间的势能物体的内能 b) 热力学第一定律热力学第一定律 c) 热力学第二定律 热力学第二定律可逆过程与不可逆过程 d) 气体的性质热力学温标 理想气体状态方程普适气体恒量理想气体状态方程的微观解释(定性) 理想气体的内能 理想气体的等容、等压、等温和绝热过程(不要求用微积分运算) e) 液体的性质液体分子运动的特点表面张力系数 浸润现象和毛细现象(定性) f) 固体的性质 晶体和非晶体空间点阵固体分子运动的特点 g) 物态变化 熔解和凝固熔点熔解热 蒸发和凝结饱和气压沸腾和沸点汽化热临界温度固体的升华 空气的湿度和湿度计露点 h) 热传递的方式传导、对流和辐射 i) 热膨胀 热膨胀和膨胀系数三、电学 a) 静电场 库仑定律电荷守恒定律
高中物理竞赛热学教程 第五讲机械振动和机械波 第一讲 温度和气体分子运动论 第一讲 温度和气体分子运动论 §1。1 温度 1．1．1、平衡态、状态参量 温度是表示物体冷热程度的物理量。凡是跟温度有关的现象均称为热现象。热现象是自然界中的一种普遍现象。 热学是研究热现象规律的科学。热学研究的对象都是由大量分子组成的宏观物体，称为热力学系统或简称系统。在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不再随时间变化的状态称为平衡态，否则就称为非平衡态。可见系统平衡态的改变依赖于外界影响(作功、传热)。 系统处于平衡态，所有宏观物理都具有确定的值，我们就可以选择其中几个物理量来描述平衡态，这几个量称为状态参量。P 、V 、T 就是气体的状态参量。 气体的体积V 是指盛放气体的容器的容积，国际单位制中，体积的单位是m 3 。 1m 3 =103L=106 cm 3 气体的压强P 是气体作用在容器的单位面积器壁上的平均压力，单位是p a 。 1atm=76cmHg=1.013?105 p a 1mmHg=133.3p a 1．1．2、 温标 温度的数值表示法称为温标。建立温标的三要素是： 1、选择某种物质的一个随温度改变发生单调显著变化的属性来标志温度，制作温度计。例如液体温度计T(V)、电阻温度计T(R)、气体温度计T(P)、T(V)等等。这种选用某种测温物质的某一测温属性建立的温标称为经验温标。 2、规定固定点，即选定某一易于复现的特定平衡态指定其温度值。1954年以前，规定冰点为0℃，汽点为100℃，其间等分100份，从而构成旧摄氏温标。1954年以后，国际上选定水的三相点为基本固定点，温度值规定为273.16K 。这样0℃与冰点，100℃与汽点不再严格相等，百分温标的概念已被废弃。 3、规定测温属性随温度变化的函数关系。如果某种温标(例如气体温度计)选定为线性关系，由于不同物质的同一属性或者同一物质的不同属性随温度变化的函数关系不会相同，因而其它的温标就会出现非线性的函数关系。 1．1．3、理想气体温标 定容气体温度计是利用其测温泡内气体压强的大小来标志温度的高低的。 T(P)=αP α是比例系数，对水的三相点有 T 3=αP 3=273.16K P 3是273.16K 时定容测温泡内气体的压强。于是 T(P)=273.16K 3P P (1) 同样，对于定压气体温度计有