《剛體定軸轉動》答案

1、一、選擇題1(B), 2(B), 3(A), 4(D), 5(C), 6(C), 7(C), 8(C), 9(D), 10(C)二、填空題(1). v 15.2 m /s, n2= 500 rev /min.62.51.67s.g / l g / (2l)(4).5.0 N m(5).4.0 rad/s(6).0.25 kg. m2(7).1Ma2(8).1l1mgl 參考解：M = d M = i i1 gm/l r d rmgl(9).J mr21J mR2(10).冷 F3gsinv/l二、計算題1.有一半徑為R的圓形平板平放在水平桌面上， 平板與水平桌面的摩擦系數為 &若平板繞

2、 通過其中心且垂直板面的固定軸以角速度 厲開始旋轉，它將在旋轉幾圈后停止？ （已知圓形1 2平板的轉動慣量 J mR ,其中m為圓形平板的質量）2解：在r處的寬度為dr的環(huán)帶面積上摩擦力矩為總摩擦力矩故平板角加速度 設停止前轉數為 由可得dM = J -mg2 2二 r rdrHRr2M dM mgR一：=M /Jn,則轉角v = 2二n2 = 2 宀-4二Mn /JJ-on 二二 3R 0 /16n 勺m2. 如圖所示，一個質量為 m的物體與繞在定滑輪上的繩子相聯，繩子質量可 以忽略，它與定滑輪之間無滑動假設定滑輪質量為M、半徑為 R,其轉動1 2慣量為一MR2，滑輪軸光滑試求該物體由靜止開

3、始下落的過程中，下落速2度與時間的關系.解：根據牛頓運動定律和轉動定律列方程對物體：mg T = ma對滑輪：TR = J'-運動學關系：a= R'-將、式聯立得1 n”a= mg / ( mM)2TVo= 0,1v = at= mgt / ( m+ M)23. 為求一半徑 R= 50 cm的飛輪對于通過其中心且與盤面垂直的固定轉軸的轉動慣量，在飛輪上繞以細繩，繩末端懸一質量mi= 8 kg的重錘.讓重錘從高 2 m處由靜止落下，測得下落時間ti= 16 s.再用另一質量 m2=4 kg的重錘做同樣測量，測得下落時間t2= 25 s.假定摩擦力矩是一個常量，求飛輪的轉動慣量.解

4、：根據牛頓運動定律和轉動定律，對飛輪和重物列方程，得TR Mf= Ja/ RmgT = mah= at22則將m“ t1代入上述方程組，得a1 = 2h / t； = 0.0156 m / s2= m1 (g a" = 78.3 N J= (T1R Mf )R / a1將m2、t2代入、方程組，得a2= 2h / tf = 6.4X 10 3 m / s - T2= m2(g a?)= 39.2 NJ = (T2R Mf)R / st由、兩式，得J= R2(T1 T2)/(q a2)= 1.06X 103 kg m24. 一轉動慣量為J的圓盤繞一固定軸轉動， 起初角速度為-0.設它所

5、受阻力矩與轉動角速度1成正比，即M = k - (k為正的常數)，求圓盤的角速度從'-0變?yōu)?時所需的時間.2d，k丄dtoJ兩邊積分:得。/2 1t kddt 0 .,0 Jln2 = kt / Jt = (J ln2)/ k5. 某人站在水平轉臺的中央，與轉臺一起以恒定的轉速厲轉動，他的兩手各拿一個質量為1m的砝碼，砝碼彼此相距l(xiāng)i （每一砝碼離轉軸li），當此人將砝碼拉近到距離為12時（每一砝碼21離轉軸為一 12），整個系統(tǒng)轉速變?yōu)?門2.求在此過程中人所作的功.（假定人在收臂過程中自2身對軸的轉動慣量的變化可以忽略 ）解：（1）將轉臺、砝碼、人看作一個系統(tǒng)，過程中人作的功W=

6、 . Ek= 1 （Joml；）4：.匯一丄（J2 2 2 這里的v0是沒有砝碼時系統(tǒng)的轉動慣量.（2）過程中無外力矩作用，系統(tǒng)的動量矩守恒：1 2 1 2 2 mh ） m = 2 二（0+ ml2 ） “2ml； n1 ln?W等于系統(tǒng)動能之增量:1 2 2 20mh ）4 二 n12 ' 2Jo將J0代入W式，得2 n 2 -口W - ：2m21,-1；6. 一質量均勻分布的圓盤，質量為M，半徑為R,放在一粗糙水平面上（圓盤與水平面之間的摩擦系數為J），圓盤可繞通過其中心0的豎直固定光滑軸轉動開始時，圓盤靜止，一質量為 m的子彈以水平速度 V。垂直于圓盤半徑打入圓盤邊緣并嵌在盤

7、邊上，求（1）子彈擊中圓盤后，盤所獲得的角速度.（2）經過多少時間后，圓盤停止轉動.1 2（圓盤繞通過0的豎直軸的轉動慣量為 一MR，忽略子彈重力造成的摩擦阻力矩）2解：（1）以子彈和圓盤為系統(tǒng)，在子彈擊中圓盤過程中，對軸0的角動量守恒.1mv0R= ( MR2+ mR2廠2mvo0 =-M m R12丿(2)設表示圓盤單位面積的質量，可求出圓盤所受水平面的摩擦力矩的大小R為M frg 二 2 二rdr = (2 / 3'<-_ gR3 = (2 / 3) JMgR設經過.t時間圓盤停止轉動，則按角動量定理有1Mf it = 0 Ji：=(MR2 + mR2). 1 = - mv

8、 °R2mv0Rmv0R3mv0t .Mf(2/3 尸 MgR 2#Mg7. 一勻質細棒長為 2L,質量為m,以與棒長方向相垂直的速度vo在光滑水平面內平動時，與前方一固定的光滑支點O發(fā)生完全非彈性碰1 一撞.碰撞點位于棒中心的一側 L處，如圖所示.求棒在碰撞后的瞬2時繞O點轉動的角速度-.(細棒繞通過其端點且與其垂直的軸轉動時一 1 2 的轉動慣量為-ml ，式中的m和I分別為棒的質量和長度.)3丫 l1-21-2解：碰撞前瞬時，桿對O點的角動量為3L/2L/2:：voxd x -0 - 02 1 v0xdx =【v0Lmv0L2式中二為桿的線密度.碰撞后瞬時，桿對O點的角動量為心

9、申m3/12 丿因碰撞前后角動量守恒，所以21m42夕=mL2®122 17mL /12 = mv 0L2- = 6vo / (7L)I,8. 長為I的勻質細桿，可繞過桿的一端O點的水平光滑固定軸轉動,開始時靜止于豎直位置.緊挨O點懸一單擺，輕質擺線的長度也是擺球質量為m.若單擺從水平位置由靜止開始自由擺下，且擺球與細 桿作完全彈性碰撞，碰撞后擺球正好靜止.求：(1)細桿的質量.細桿擺起的最大角度 H解：(1)設擺球與細桿碰撞時速度為v 0，碰后細桿角速度為'',系統(tǒng)角動量守恒得:J = mv 0I由于是彈性碰撞，所以單擺的動能變?yōu)榧殫U的轉動動能1 2 1,2mv0J

10、 2 21 2代入J= _ Ml 2，由上述兩式可得M = 3m3(2)由機械能守恒式=mgl 及2j 2 Jm gllcos2 2并利用(1)中所求得的關系可得, 1 ar c co s3四研討題1計算一個剛體對某轉軸的轉動慣量時，一般能不能認為它的質量集中于其質心，成為一 質點，然后計算這個質點對該軸的轉動慣量？為什么？舉例說明你的結論。參考解答：不能.因為剛體的轉動慣量 v ri mi與各質量元和它們對轉軸的距離有關如一勻質圓盤對1 2過其中心且垂直盤面軸的轉動慣量為mR2，若按質量全部集中于質心計算，則對同一軸2的轉動慣量為零.2.岡U體定軸轉動時，它的動能的增量只決定于外力對它做的功

11、而與內力的作用無關。對于 非剛體也是這樣嗎？為什么？ 參考解答：根據動能定理可知，質點系的動能增量不僅決定于外力做的功，還決定于內力做的功。由于剛體內任意兩質量元間的距離固定，或說在運動過程中兩質量元的相對位移為零， 所以每一對內力做功之和都為零。故剛體定軸轉動時，動能的增量就只決定于外力的功而與 內力的作用無關了。非剛體的各質量元間一般都會有相對位移，所以不能保證每一對內力做功之和都為零， 故動能的增量不僅決定于外力做的功還決定于內力做的功。3.乒乓球運動員在臺面上搓動乒乓球，為什么乒乓球能自動返回?參考解答:分析：乒乓球(設乒乓球為均質球殼)的運動可分解為球隨質心的平動和繞通過質心的軸的 轉動.乒乓球在臺面上滾動時，受到的水平方向的力只有摩擦力.若乒乓球平動的初始速度Vc的方向如圖，則摩擦力Fr的 方向一定向后摩擦力的作用有二，對質心的運動來說，它使質心平動的速度 Vc逐漸減??；對繞質心的轉動來說， 它將使轉動的角速度 逐漸變小.當質心平動的速度 Vc= 0而角速度，-0時，乒乓球 將返回因此，要使乒乓球能自動返回，初始速度 Vc和 初始角速度o的大小應滿足