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专项讲义

变化率 = 驱动 − 阻力;解永远是「稳态 + 瞬态」。

真实系统里「变化率」几乎总由当前状态决定——压差、温差、阻力都随状态变化,所以自然写出 dy/dt = a − by 这类方程。解里 a/b 是最终稳定值,e 的负指数项就是「还在往那儿走」的那部分。

一步一步
  1. 写平衡:变化率 = 驱动 − 阻力
  2. 分离变量并积分
  3. 用初始条件定常数,再用 t→∞ 检验

小例落体 m=1、k=1 → 终端速度 10 m/s,τ=1 s;t=1 s 时 v≈6.3 m/s

  • 分离变量dy/dt = a − by ⇒ y = a/b + (y₀ − a/b)e^(−bt),时间常数 τ = 1/b
  • RC 充电Q = CV(1 − e^(−t/RC)),I = (V/R)e^(−t/RC)
  • 落体阻力m dv/dt = mg − kv ⇒ v_t = mg/k,τ = m/k
  • 非线性水箱 dh/dt = −(a/A)√(2gh) 不能套指数,要分离变量积分

面试怎么考写出方程 → 分离变量 → 用 t=0 与 t→∞ 两端检验。

常见坑终端速度是极限不是解;非线性没有统一时间常数;常数由初始条件定。

小量的一次方就是全部:非线性项可以扔掉。

所有近似都是把曲线在某一点换成直线:位移足够小,二阶以上的项就可以丢。这也是为什么小角摆、小位移弹簧都会变成简谐运动。

tangent
一步一步
  1. 选一个容易算的基准点 x₀
  2. 写出 f(x₀)+f′(x₀)Δ
  3. 估误差 ~f″Δ²/2,判断二阶项能否丢

小例√101 ≈ 10 + 1/20 = 10.05,误差约 1.2×10⁻⁴

  • 一阶近似f(x+Δ) ≈ f(x) + f′(x)Δ,误差量级 f″Δ²/2
  • 常用√(1+ε) ≈ 1 + ε/2;e^ε ≈ 1 + ε;(1+ε)ⁿ ≈ 1 + nε;sinθ ≈ θ
  • 实例√101 = 10 + 1/20 = 10.05
  • 用法小角摆、近似透镜、回复力线性化

面试怎么考先取基准点,再算相对误差 Δx/x,并说明丢掉了哪一阶。

常见坑ε 必须真的小;量级估算不要写成精确值;注意单位一致。

洛必达是确认工具,不是发现工具。

极限问的是「谁快谁慢」。洛必达本质上是把 0/0 换成导数的比值,但求导可能把问题绕回同一形式,所以先用泰勒看首项阶数更可靠。

一步一步
  1. 先确认是 0/0 还是 ∞/∞
  2. 用泰勒首项看阶数
  3. 必要时再用洛必达复核

小例(eˣ−1−x)/x²:首项是 x²/2,极限 1/2

  • 适用0/0 或 ∞/∞,且导数之比的极限存在
  • 结论sin x / x → 1;x / eˣ → 0;ln x / x → 0;eˣ ≫ xⁿ ≫ ln x
  • 替代泰勒首项、等价无穷小、夹逼、量级比较

面试怎么考先用泰勒判断阶数,再用洛必达复核。

常见坑循环论证(用洛必达证 sin x/x);非未定式硬用;每步复核条件。

换元看结构,分部看乘积,部分分式看分母。

积分是「把无数小量加起来」。换元是换坐标,分部是把乘积求导公式反着用,部分分式是把复杂分母拆成几个已知的基本块。

一步一步
  1. 看结构选方法:换元/分部/部分分式
  2. 定积分记得换上下限
  3. 对结果求导回验

小例∫x eˣ dx = (x−1)eˣ,求导回验得 x eˣ ✓

  • 换元∫f(g(x))g′(x)dx 令 u = g(x);定积分记得换上下限
  • 分部∫u dv = uv − ∫v du;顺序:对数 → 反三角 → 代数 → 三角 → 指数
  • 部分分式先做除法,再拆 1/(x−a) 与 1/(x²+b²)
  • 循环∫eˣ sin x 两次分部回到自身,移项求解

面试怎么考两类不同函数相乘用分部,复合结构用换元,有理函数一律部分分式。

常见坑忘记 +C;定积分不换限;对称区间先看奇偶性。

所有矢量题,第一步都是把力拆到两个互相垂直的方向。

力是矢量,但牛顿方程只在同一方向上成立。选一组互相垂直的轴(沿斜面、沿绳),二维问题就拆成两个独立的一维问题。

一步一步
  1. 画受力图
  2. 选一组正交轴(沿斜面或沿绳)
  3. 在各轴上分别写平衡

小例30° 斜面:重力沿面分量 mg sin30° = ½mg

  • 分解F_x = F cosθ,F_y = F sinθ
  • 合成tanθ = F_y/F_x,|F| = √(F_x² + F_y²)
  • 小角sinθ ≈ θ、cosθ ≈ 1 − θ²/2
  • 恒等式sin²+cos²=1;sin2θ = 2sinθcosθ

面试怎么考先画受力图,选一组方便的正交轴(沿斜面或沿绳),再分解。

常见坑角度基准别混(水平还是竖直);分量方向符号要一开始定好。

把二维运动拆成两个一维:水平匀速,竖直匀加速。

重力只作用在竖直方向,水平方向完全自由,所以两个方向可以分开算,再用时间 t 把它们接起来。空气阻力一进来,两个方向就耦合了。

一步一步
  1. 拆成水平(匀速)与竖直(匀加速)
  2. 分别写方程
  3. 用时间 t 把两个方向接起来

小例u=20 m/s、45° → 射程 R = u²/g ≈ 40 m

  • 匀加速v = u + at,s = ut + at²/2,v² = u² + 2as
  • 抛体水平 x = u cosθ·t;竖直 y = u sinθ·t − gt²/2
  • 射程平地 R = u² sin2θ / g,θ = 45° 最远
  • 相对运动站在某个参考系里做加减,别忘了一个 v 是负的

面试怎么考先写两个方向各自的方程,再消去 t——这是唯一需要背的步骤。

常见坑忽略空气阻力;角度用弧度还是度;逆风/顺风要改 v。

没有外力时,动量守恒;能量只在弹性碰撞时守恒。

碰撞时间极短,外力的冲量可以忽略,于是动量守恒。动能是否守恒取决于形变能否恢复:只有 e = 1 才有动能守恒。

area
一步一步
  1. 判断外力冲量能否忽略
  2. 写动量守恒
  3. 用 e 判断动能是否守恒

小例两个等质量球弹性碰撞 → 交换速度

  • 动量p = mv,Ft = Δp
  • 守恒m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁′ + m₂v₂′
  • 恢复系数e = (v₂′ − v₁′)/(v₁ − v₂);e = 1 弹性,e = 0 完全非弹性
  • 反冲火箭/枪:M v = m V

面试怎么考先判断外力的冲量能否忽略,能忽略就写动量守恒,再看动能是否守恒。

常见坑动量是矢量要带符号;完全非弹性时动能损失最多;变质量问题要分清 dm/dt。

向心力不是新力,是各力的径向合力。

速度方向一直在变,所以一定存在指向圆心的加速度。向心力不是新力,是重力、张力、支持力在径向的合力——先找圆心,再写径向合力。

一步一步
  1. 找圆心与半径
  2. 径向合力 = mv²/r
  3. 竖直方向另写一条平衡

小例圆锥摆 l=1 m、θ=30° → T = 2π√(l cosθ/g) ≈ 1.87 s

  • 向心a = v²/r = ω²r
  • 圆锥摆T cosθ = mg,T sinθ = mv²/r
  • 碗内/弯道N 的径向分力提供向心力,径向分量之外才是竖直平衡
  • 临界过顶 v² ≥ gr

面试怎么考先找圆心与半径,再写「径向合力 = mv²/r」。

常见坑别把离心力当真实力;半径不是绳长而是到圆心距离;速度变化时向心力也变。

平动的每个量,在转动里都有一个对应量。

转动惯量是「质量在转动里的版本」,它取决于质量离轴有多远。所以同样重的物体,质量越往外分布就越难转起来。

一步一步
  1. 确定转轴
  2. 求 I(查标准形状或积分)
  3. 用 τ=Iα 或角动量守恒

小例细杆绕一端 I = ⅓mL²,绕中心 mL²/12

  • 对应x↔θ,v↔ω,m↔I,F↔τ,p↔L
  • 转动惯量I = Σmr²;平行轴 I = I_c + md²
  • 角动量L = Iω,τ = dL/dt;无外力矩则 L 守恒
  • 滚动v = ωr;纯滚时静摩擦不做功

面试怎么考先写 I(查标准形状或积分),再写 τ = Iα 或 L 守恒。

常见坑I 依赖转轴;角速度方向沿轴;角动量守恒≠能量守恒。

转动惯量是「转动版的质量」:同样的力矩,I 越大越难转起来。

平动时质量越大力越难改变;转动时起这个作用的是 I = Σmᵢrᵢ²——离轴越远的质量贡献越大,所以同一个物体绕不同的轴,I 完全不同。刚体转动定律 τ = Iα 与 F = ma 一一对应,转动动能 ½Iω² 对应 ½mv²。

一步一步
  1. 先确定转轴在哪(这是最容易漏的一步)
  2. 用定义 I = ∫r²dm 积分,或查常见形状的表
  3. 换轴时用平行轴定理 I = I_c + md²
  4. 代回 τ = Iα 或能量式求解

小例细杆绕端点:I_c = mL²/12,平移 d = L/2 得 I = mL²/12 + m(L/2)² = mL²/3。

  • 定义I = Σmᵢrᵢ² = ∫r²dm,单位 kg·m²
  • 常见形状细杆(质心) mL²/12;圆盘/圆柱 ½mR²;圆环 mR²;实心球 ⅖mR²;球壳 ⅔mR²
  • 平行轴I = I_c + md²(d 为质心轴到新轴的距离)
  • 垂直轴薄板:I_z = I_x + I_y;转动:τ = Iα,E_k = ½Iω²

面试怎么考先问「绕哪根轴转」,再决定用哪个 I;组合体先分别算再相加,别把 I 当成物体常数。

常见坑I 依赖轴而非只依赖形状;实心球 ⅖ 与球壳 ⅔ 别记反;平行轴定理只能从质心轴平移,不能在两任意轴之间用。

只要回复力正比于位移,就是 SHM。

把回复力在平衡点附近做一阶泰勒展开,任何「想回到平衡」的系统在小振幅下都近似成 F ∝ −x,于是都是简谐运动。

一步一步
  1. 找平衡点
  2. 做小位移展开,验证 F ∝ −x
  3. 读出 ω,写出周期

小例浮体 T = 2π√(V/(gA)),吃水越深越慢

  • 定义ẍ = −ω²x,T = 2π/ω
  • 常见T = 2π√(m/k);小角摆 T = 2π√(l/g);地球隧道 T = 2π√(R/g) ≈ 84 min
  • 浮体T = 2π√(V/(gA))
  • 共振驱动频率接近自然频率时振幅最大,阻尼决定峰值

面试怎么考先证 F ∝ −x,再读 ω;不确定就做小位移泰勒展开。

常见坑小角近似;阻尼是削峰不是消除;共振频率略低于自然频率。

同一流管里,速度大的地方压强小。

把能量守恒用在流体质点上:压强做的功、动能、势能三者之和沿一条流线不变。所以流速高处压强低——这与「窄处被挤、压强变大」的直觉相反。

一步一步
  1. 在同一条流线上取两点
  2. 写 p+½ρv²+ρgh 相等
  3. 用连续性补出速度

小例托里拆利:h=1.25 m → v = √(2gh) ≈ 5 m/s

  • 连续性A₁v₁ = A₂v₂
  • 伯努利p + ½ρv² + ρgh = 常数(不可压、无黏、同一流线)
  • 托里拆利v = √(2gh)
  • 射流力F = ρAv²;弹性反弹 F = 2ρAv²

面试怎么考先写两点的伯努利,截面变化用连续性,最后代入。

常见坑截面小 → 压强小(反直觉);伯努利只在同一流线上成立;可压缩时不能用。

浮力等于排开流体的重量;表面张力让压强依赖曲率。

静止的流体只能提供压力,且压强随深度线性增长 p = p₀ + ρgh。物体受到的合力就是上下表面压强之差乘以面积,化简后恰好等于「排开那部分流体的重量」——所以浮力与物体自身的材料无关,只取决于它占了多少体积。界面处分子受到的拉力不平衡,使表面像一张绷紧的膜;曲率越大,膜内外的压差越大。

一步一步
  1. 先判浮沉:比较 ρ_body 与 ρ_fluid(相等则悬浮)
  2. 写压强 p = p₀ + ρgh,求深度、舱压或水压
  3. 曲面用拉普拉斯压差:气泡有内外两个面,Δp = 4γ/r;液滴一个面,Δp = 2γ/r

小例冰山:ρ_ice/ρ_water ≈ 0.917 ⇒ 在淡水中露出约 8%;在海水中(ρ ≈ 1025)露出约 10%——就是「冰山一角」的定量版本。

  • 浮力F_b = ρ_fluid g V_sub;漂浮时 V_sub/V = ρ_body/ρ_fluid
  • 压强p = p₀ + ρgh;液压机、潜艇、气压计都是它
  • 表面张力气泡 Δp = 4γ/r,液滴 Δp = 2γ/r
  • 毛细上升h = 2γcosθ/(ρgr)

面试怎么考先判断漂浮还是沉底,再决定按「重量」还是「体积」算;曲面题先数有几个界面。

常见坑冰山露出约 10%;含钢球的冰融化后水位下降;气泡越小内压越大——小气泡会互相吞并。

梁的题永远先求支反力,再画 M(x)。

梁内每一截面都在「抵抗弯曲」,弯矩就是截面上那对力偶的大小。它由外力和支座反力共同决定,所以集中力处剪力跳变、弯矩连续。

UDL
一步一步
  1. 先求支反力
  2. 画剪力(集中力处跳变)
  3. 积分得弯矩(连续、极值在中点或根部)

小例悬臂端部受力 W、长 L → 根部 M = WL

  • 悬臂端部集中力 M = WL;均布 M = wL²/2
  • 简支跨中 M = wL²/8(均布)
  • 断裂悬臂在根部上缘受拉;简支在跨中下缘受拉
  • 桁架节点法求内力;三角形才稳定

面试怎么考受力图 → ΣF=0、ΣM=0 → 剪力跳变 → 弯矩积分。

常见坑集中力处剪力跳变、弯矩连续;铰接弯矩为零;符号约定先说清。

强度看截面,刚度还要看长度。

应力是单位面积上的力,应变是相对伸长。两者在弹性区成正比(比例就是杨氏模量 E),过了屈服点材料开始永久变形,再往后就断裂。

ultimate yield
一步一步
  1. 算应力 σ = F/A
  2. 与许用应力比较
  3. 刚度另算 k = EA/L

小例直径加倍 → 断载 ×4、刚度 ×2(若长度也加倍)

  • 基本σ = F/A,ε = ΔL/L,E = σ/ε
  • 刚度k = EA/L;线材直径与长度都加倍 ⇒ 断载 ×4、刚度 ×2
  • 屈曲细长柱 P_cr = π²EI/(KL)²
  • 能量应变能密度 u = σ²/(2E)

面试怎么考先问是「会不会断」还是「变形多少」,两者用不同公式。

常见坑强度≠刚度;长度不影响断载;细长杆先屈曲。

场是力的观点,电势是能量的观点。

场是「单位电荷受的力」,电势是「单位电荷具有的能量」。两者是同一件事的两种描述——求力用场,求能量用电势,哪个方便用哪个。

equipotential constant
一步一步
  1. 判断用“力”还是“能量”
  2. 叠加:场按矢量、势按标量相加
  3. 用边界条件检验

小例两等量同号电荷中点:场强为零,电势不为零

  • 库仑定律F = kQq/r²,k = 1/(4πε₀) ≈ 9×10⁹ N·m²/C²
  • 场强E = F/q = kQ/r²(方向沿径向);点电荷电势 V = kQ/r
  • 电势能U = qV;电场力做功 W = q(V₁ − V₂)
  • 叠加场按矢量相加,势按标量相加;导体内部 E = 0,整个导体等势

面试怎么考先问「要力还是要能量」:要力用 E,要能量用 V;球对称结构直接上高斯定理;遇到导体就问「内部有没有场、表面是不是等势」。

常见坑E 与 V 不是同一个量(E 是场强、V 是电势);电势是标量但有正负;一维下 E = −dV/dx,不能写成 E = V。

电路只有两条定律:节点电荷守恒、回路电压守恒。

电荷不会凭空堆积(KCL),能量不会凭空消失(KVL)。这两条加上每个元件的伏安关系,就足以解任何线性电路。

一步一步
  1. 标节点、选一个参考点
  2. 列 KCL / KVL
  3. 解方程后用功率守恒检验

小例电桥平衡:R₁R₄ = R₂R₃

  • KCLΣI_in = ΣI_out
  • KVL沿回路 ΣV = 0
  • 电桥平衡时 R₁/R₃ = R₂/R₄,对角无电流
  • 经典值立方体:体对角 5R/6、面对角 7R/12、棱邻 3R/4

面试怎么考先找对称/等势点化简,含受控源就老实列方程。

常见坑开路电压与内阻;叠加定理只对线性;参考点选得好能少写一半。

开关瞬间:电容电压连续、电感电流连续。

电容的电压、电感的电流都不能突变,所以开关瞬间它们保持原值;之后按指数走向稳态,快慢由时间常数 τ 决定。

一步一步
  1. 定初值与终值(用连续性)
  2. 算时间常数 τ
  3. 写指数并检查 t=0、t→∞

小例R=1 kΩ、C=1 µF → τ=1 ms,5τ 后基本充满

  • RCτ = RC;I = (V/R)e^(−t/RC);充电能量一半损耗在电阻
  • RLτ = L/R;Z = R + jωL,|Z| = √(R²+ω²L²)
  • 滤波输出取 C ⇒ 低通;取 R ⇒ 高通
  • 量纲Ω·F = s,H/Ω = s

面试怎么考先定初始值与终值,再写指数;τ 用一句话给出。

常见坑电容电压不能突变;能量 50% 损耗与 R 无关;ω=0 与 ω→∞ 两端检验。

变化的磁通量产生电动势;感应电流总在抵抗这个变化。

只有磁通量在变才有电动势,静止在恒定磁场里什么也不会发生。楞次定律的负号就是能量守恒:感应电流必须反抗这个变化。

一步一步
  1. 算磁通 Φ = BA cosθ
  2. 求变化率 dΦ/dt
  3. 用楞次定律定电流方向

小例B=0.1 T、l=1 m、v=1 m/s → ε = Blv = 0.1 V

  • 法拉第ε = −dΦ/dt;Φ = BA cosθ
  • 楞次感应电流方向抵抗磁通变化(负号的含义)
  • 动生导体棒切割磁感线 ε = Blv
  • 涡流金属穿过磁场受阻力 F ∝ B²v/R,终端速度 ∝ R

面试怎么考先算 Φ 的变化率,再用楞次定方向,最后看能量去哪。

常见坑磁通量与磁感应强度别混;面积是投影面积;楞次定律不是「反抗运动」而是「反抗变化」。

能量守恒 + 熵增,卡住一切效率。

热机在两个温度之间工作,效率被卡诺极限夹住。任何声称超过它的机器,一定在某处违反了第一或第二定律——先算上限再判断。

一步一步
  1. 画出过程或循环
  2. 写第一定律
  3. 用卡诺极限检验可行性

小例600 K / 300 K → η_max = 1 − ½ = 50%

  • 第一定律ΔU = Q − W;等压 W = pΔV = nRΔT
  • 卡诺η_C = 1 − T_c/T_h;热泵(制热)COP_HP = T_h/(T_h − T_c),制冷 COP_C = T_c/(T_h − T_c)
  • 等值过程等温 W = nRT ln(V₂/V₁);绝热 pV^γ = 常数
  • 判断伪造先算卡诺上限,超出即违反第二定律

面试怎么考任何「神奇机器」题,先算卡诺极限再判断。

常见坑必须用开尔文;热机与热泵效率定义不同;可逆过程才是上限。

三种机制,先判断是哪一种占主导。

热量总是从高温流向低温,三种机制可以并联也可以串联。串联时热阻相加,和电阻串并联的算法完全一样。

一步一步
  1. 判断哪种机制占主导
  2. 写对应定律
  3. 串联时热阻相加

小例玻璃 k≈1、厚 4 mm → 热阻 ≈ 0.004 m²K/W

  • 传导dQ/dt = kA ΔT/L(傅里叶定律)
  • 对流牛顿冷却 dQ/dt = hA(T − T_env)
  • 辐射P = εσAT⁴(斯特藩–玻尔兹曼)
  • 串联热阻R_th = L/(kA),多层相加

面试怎么考先判断主导机制,再写对应公式;量级题直接用数量级。

常见坑温度必须用开尔文(辐射);k 与 h 不要混;辐射与面积和 T⁴ 都成正比。

波的三件事:传播、叠加、边界。

波传播的是「扰动」而不是介质本身,所以同一频率下,波速由介质决定、波长随之改变(v = fλ)。一旦遇到边界,反射波与入射波叠加:固定端反射有半波损失,两个反向行波合成驻波,于是出现永远不动的波节和振幅最大的波腹。

antinode node
一步一步
  1. 数清波节与波腹:相邻波节间距 λ/2
  2. 两端固定 λ_n = 2L/n;一端固定一端自由 λ_n = 4L/(2n−1)
  3. 用 v = fλ 或弦速 v = √(T/μ) 求频率

小例1 m 长弦两端固定、基频 100 Hz → v = 2Lf = 200 m/s;把张力加倍,频率变 √2 倍 ≈ 141 Hz。

  • 波速v = fλ;弦上 v = √(T/μ)
  • 驻波两端固定 λ_n = 2L/n;一端固定一端自由 λ_n = 4L/(2n−1)
  • 折射n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂;全反射 sinθ_c = n₂/n₁
  • 双缝d sinθ = mλ;光程差 Δ = d sinθ

面试怎么考先画波节与波腹,数清有几个半波,再套公式;光学题先判断是否发生全反射。

常见坑弦的频率由张力与线密度决定,不由拨动力度;全反射只能从密到疏;相位差与光程差相差 2π/λ。

先量纲、后系数;先写链路,再代数字。

物理定律两边量纲必须相同,所以幂次可以被反推出来。这比背公式更可靠,也是任何估算的第一道自检。

population vehicles distance order of magnitude
一步一步
  1. 列出所有相关变量
  2. 写量纲方程解出指数
  3. 代入数量级得结果

小例风机 P ∝ ρr²v³:半径加倍 → 功率 ×4

  • 齐次等式两边量纲相同,可反推幂次
  • 尺度律风机 P ∝ ρAv³ ⇒ P ∝ r²v³,上限 16/27
  • 估算链人口 → 车辆 → 每周加油 → 站点数
  • 常用数c = 3×10⁸、p_atm = 10⁵ Pa、ρ_water = 10³ kg/m³、g ≈ 10

面试怎么考先写出所有相关量的量纲式,解指数,再代入数量级。

常见坑常数因子可忽略但幂次不能错;2–3 位有效数字足够;必须说明假设。

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