2023年大物习题答案第3章 连续物体的运动备课讲稿.pdf

大 物 习 题 答 案 第 3 章 连 续 物 体 的 运 动 精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 第 3章 连续物体的运动 一 基本要求 1 理解描写刚体定轴转动的物理量，并掌握角量与线量的关系。2 理解力矩和转动惯量概念，掌握刚体绕定轴转动的转动定律。3 理解角动量概念，掌握质点在平面内运动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律。4 理解刚体定轴转动的转动动能概念，能载有刚体绕定轴转动的问题中正确的应用机械能守恒定律。5 了解流体的特点，掌握理想流体的概念。6 掌握理想流体的连续性方程和伯努利方程。7 了解伯努利方程的应用。二 基本概念 1 连续介质 在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性，把物体看作质量连续分布的质点系。2 刚体 大小和形状的变化可以忽略的连续介质。3 F 对定轴 Z 的 力矩：力 F 的大小与 O 点到力 F 的作用线的垂直距离的 d（力臂）乘积。sin M Fd Fr 或 M=r F 4 转动惯量 转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量。对于质点系的转 动 惯 量1ni iiJ m r。如 果 物 体 的 质 量 是 连 续 分 布 的，上 式 可 写 为 2J r dm。5 质点的角动量 质点 m 对固定点 O的位矢为 r，质点 m对原点 O的 角动量 为 m L r p r 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 6 冲量矩 力矩和作用时间的乘积，记作21tttMd。7 刚体定轴转动的角动量 21ni iim rL J 8 力矩的功 W Md 9 力矩的功率 dW MdP Mdt dt 10 刚体的转动动能 221 J Ek 11 流体 处于液态和气态的物体的统称。特点是物体各部分之间很容易发生相对运动，即 流动性。12 理想流体 绝对不可压缩和完全没有黏性的流体。13 定常流动 流体流经空间任一给定点的速度是确定的，并且不随时间变化。在流速较低时定常流动的条件是能够得到满足的。14 流线 为了形象地描述流体的运动,在流体中画出一系列曲线,使曲线上每一点的切线方向与流经该点流体质点的速度方向相同,这种曲线称为流线。15 流管 在定常流动中,通过流体中的每一点都可以画一条流线。由流线围成的管状区域,就称为流管。16 流量 单位时间内流过某一截面的流体体积,称为流体流过该截面的体积。三 基本规律 1 刚体定轴转动角量与线量的关系 R a=R na=R2 2 转动定律 刚体绕定轴转动时，刚体的角加速度与所受的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比，M J。动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 3 相加性原理 对同一转轴而言，刚体总转动惯量等于各部分转动惯量之和。4 平行轴定理 质量为 m的刚体对过它质心的轴的转动惯量是cJ,如果有另一轴与该轴平行，两轴之间的距离为 d,那么刚体对Z O 轴的转动惯量为 2o cJ J md 5 质点的角动量定理 对同一参考点，质点所受的冲量矩等于质点角动量的增量212 1ttt Md L L 6 质点的角动量守恒定律 当质点所受的对参考点的合外力矩为零时，质点对参考点的角动量为一恒矢量。7 刚体定轴转动的角动量定理 作用在刚体上的冲量矩等于刚体角动量的增量。0 00ttMdt dL L L LL 8 刚体定轴转动的角动量守恒定律 当刚体所受的的合外力矩为零，或者不受合外力的作用，刚体的角动量保持不变。9 刚体绕定轴转动的动能定理 合外力矩对绕定轴转动的刚体所作的功，等于刚体的转动动能的增量，即2022121 J J W。10 理想流体的连续性方程 理想流体作定常流动时,流体的速率与流管截面积的乘积是一个恒量,s=恒量。11 伯努利方程 作定常流动的理想流体212p gy 恒量 四 难点解析与问题讨论 1 转动定律的应用 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 刚体定轴转动定律的应用与牛顿运动定律的应用相似。牛顿运动定律应用的基础是受力解，而对于转动定律的应用，则不仅要进行受力解，还要进行力矩解。按力矩解可用转动定律列出刚体定轴转动的动力学方程并求解出结果。在刚体定轴转动定律的应用中还常常涉及到与牛顿运动定律的综合。题目的复杂性相对较大，这也是大家注意的问题。问题 3.如图 3.1 所示，一轻杆（不计质量）长度为 2l，两端各固定一小球，A 球质量为 2m，B 球质量为 m，杆可绕过中心的水平轴 O 在铅垂面内自由转动，求杆与竖直方向成 角时的角加速度。解 轻杆连接两个小球构成一个简单的刚性质点系统。系统运动形式为绕 O 轴的转动，应该用转动定律求解 M J（1）先解系统所受的合外力矩。系统受外力有三个，即 A、B 受到的重力和轴的支撑作用力。轴的作用力对轴的力臂为零，故力矩为零，系统只受两个重力矩作用。以顺时针方向作为运动的正方向，则 A 球受力矩为正，B 球受力矩为负，两个重力的力臂相等为 sin d l，故合力矩 2 sin sin sin M mgl mgl mgl(2)图 3.1 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 系统的转动惯量为两个小球（可看作质点）的转动惯量之和 2 2 22 3 J ml ml ml(3)将（2）（3）式代入（1）式 有 2sin 3 mgl ml 解得sin3gl 问题 3.2 如图 3.2 所示，有一匀质细杆长度为 l，质量为 m，可绕其一端的水平轴 O 在铅垂面内自由转动。当它自水平位置自由下摆到角位置 时角加速度有多大？解 杆受到两个力的作用，一个是重力，一个是 O 轴作用的支撑力。O 轴的作用力的力臂为零，故只有重力提供力矩。重力是作用在物体的各个质点上的，但对于刚体，可以看作是合力作用于重心。即杆的中心，力臂为 cos2ld。杆对 O 轴的转动惯量为213ml。按转动定律有 M J 即 图 3.2 O 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 解得 3cos2gl 问题 3.3 如图 3.3 所示，一固定光滑斜面上装有一匀质圆盘 A 作为定滑轮，轮上绕有轻绳（不计质量），绳上连接两重物 B 和 C。已知 A、B、C 的质量均为m，轮半径为 r，斜面倾角 30 o。若轮轴的摩擦可忽略，轮子和绳子之间无相对滑动，求装置启动后两重物的加速度及绳中的张力？解 A、B、C 构成一个连接体，A 轮沿顺时针方向转动，B 物体向下运动，C 物体沿斜面向上运动。设 A 的角加速度为，B、C 加速度的大小相等设为 a，绳子中张力的大小在 A、B 间设为1T、1T（1 1T T），在 A、C 间设为2T、2T（2 2T T）。1T 和2T 不相等，否则轮 A 受合力矩将为零，就不可能随绳子运动了，这显然不符合题意。对滑轮 A，滑轮所受的重力的力心在轴上，轮轴的支撑力也在轴上，它们的力臂均为零，故力矩也为零，所以只有绳子的张力1T 和2T提供力矩，按转动定律有 图 3.3 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 21 212T r T r mr 对重物 B，按牛顿运动定律有 1mg T ma 对重物 C，按牛顿运动定律有 2sin 30 T mg ma o 由于轮子和绳子之间无相对滑动，A 轮边缘的切向加速度和 B、C 加速度的大小相等，a a，又按角量与线量关系 a r 有 a r 联立以上四个方程可解得 0.2 a g 10.8 T mg 20.7 T mg 2 刚体定轴转动的角动量和动能 单个质点对轴的角动量：m L r p=r 单个刚体对轴的角动量：共轴转动刚体系统的角动量：i i iL L J 定轴转动刚体的动能归结于质点系的动能，定义为组成刚体的各质点动能之和，即 212k ki i iE E m 其中i 为第 i 个质点的速率，im 是它的质量。按角量与线量关系i ir，其中ir 为质点到轴的距离，为刚体转动的角速度，有 2 2 2 21 1()2 2k i i i iE m r m r 由转动惯量的定义可知，其中的2i im r是刚体对定轴的转动惯量 J，故有 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 转动动能公式是从质点动能公式212kE m 推导而来，最终的形式212kE J 也很象质点动能公式。在公式的推导中我们看到，转动动能采用角量描述比用线量描述方便，这是由于在转动中各质点角速度 相同而线速度i 各不相同的缘故。在已知刚体转动惯量的情况下，上述公式计算刚体的动能是非常方便的，要求大家必须掌握。3 刚体定轴转动的综合应用 在一些刚体定轴转动问题中，会涉及到角动量守恒、机械能守恒的综合应用。下面我们通过一些例题来予以说明。问题 3.4 如图 3.4 所示，一匀质木棒长度 l=1m，质量为1m=10kg，可绕其一端的光滑水平轴 O 在铅垂面内自由转动。初时棒自然下垂，一质量2m=0.05kg 的子弹沿水平方向以速度 击入棒下端（嵌入其中），求棒获得的角速度及最大上摆角。解 子弹击入木棒的过程可以看成是绕轴做转动，因此在碰撞过程中可以将子弹和木棒作为一个共轴转动系统来讨论。子弹击入木棒的过程中，轴的支撑力图 3.3 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 及重力都不提供力矩（力臂为零），故系统对轴 O 的角动量守恒。击入前只有子弹有角动量 0 2L m l 击入后设棒获得的角速度为，棒和子弹整体的转动惯量为 2 2 21 213.383J m l m l kg m(1)击入后系统的角动量为 L J 由角动量守恒定律有0L L，即 2m l J 可解得棒的角速度 12 2.9m lrad sJ(2)在棒上摆的过程中只有保守力重力做功，系统的机械能守恒。以棒刚开始上摆时的状态作为棒和子弹重力势能的零点，则此时系统只有动能212kE J，其中 J 和 见（1）式和（2）式。棒上摆到最大角度 时动能为零，系统只有重力势能。棒的重力势能为1 1(1 cos)2plE m g，子弹的重力势能为2 2(1 cos)pE m gl。由机械能定恒定律有 可解出21 2cos 1 0.701(2)Jm m gl 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 最大上摆角 45.5 o 4 伯努利方程 212p gy 恒量 上式各项分别表示单位体积流体的压力能 P、重力势能 gh 和动能212。在沿流线运动过程中，总和保持不变即总能量守恒。显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。飞机机翼产生举力，就在于下翼面速度低而压强大，上翼面速度高而压强小，因而合力向上。方程适用于全流场任意两点之间。习题 3.1 关于刚体对轴的转动惯量，下列说法中正确的是（）（A）只取决于刚体的质量,与质量的空间分布和轴的位置无关（B）取决于刚体的质量和质量的空间分布，与轴的位置无关（C）取决于刚体的质量、质量的空间分布和轴的位置（D）只取决于转轴的位置，与刚体的质量和质量的空间分布无关 解 转 动 惯 量 是 描 述 刚 体 在 转 动 中 惯 性 大 小 的 物 理 量。对 于 质 点 系 的 转 动 惯 量1ni iiJ m r，如果物体的质量是连续分布的，转动惯量为2J r dm。所以刚体对轴的转动惯量取决于刚体的质量、质量的空间分布和轴的位置故选C。3.2 几个力同时作用在一个具有光滑固定转轴的刚体上，如果这几个力的矢量和为零，则此刚体（）(A)必然不会转动(B)转速必然不变(C)转速必然改变(D)转速可能不变，也可能改变 解 刚体所受几个力的矢量和为零，合外力矩可能等于零，也可能不等于零。根据刚体作定轴转动的转动定律M J，可能等于零，也可能不等于零，所以转速可能不变，也动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 可能改变故选D。3.3 在下列说法中，错误的是（）A刚体作定轴转动时，其上各点的角速度相同，线速度则不同；B刚体定轴转动的转动定律为 M J，式中、J、均为对同一条固定 轴而言的，否则该式不成立；C刚体的转动动能等于刚体上各质元的动能之和；D对给定的刚体而言，它的质量和形状是一定的，则其转动惯量也是唯一确定 的。动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 解 对给定的刚体而言，它的质量和形状一定时，其转动惯量还与轴的位置有关故选 D。3.4 一个人站在有光滑固定转轴的转动平台上,双臂伸直水平地举起二哑铃,在该人把此二哑 铃水平收缩到胸前的过程中，人、哑铃与转动平台组成的系统的（）（A）机械能守恒，角动量守恒；（B）机械能守恒，角动量不守恒；（C）机械能不守恒，角动量守恒；（D）机械能不守恒，角动量不守恒。解 人把此二哑铃水平收缩到胸前的过程中，势能不变，动能变化，所以机械能不守恒，但系统所受合外力矩等于零，所以角动量守恒。故选 C。3.5 有一半径为 R的水平圆转台，可绕通过其中心的竖直固定光滑轴转动，转动惯量为 J，开始时转台以匀角速度 0转动，此时有一质量为 m的人站在转台中心随后人沿半径向外跑去，当人到达转台边缘时，转台的角速度为（）(A)02mR JJ(B)02R m JJ(C)02mRJ(D)0 解 人、水平圆转台组成的系统，在人沿半径向外跑去的过程中所受合外力矩等于零，角动量守恒。所以有2002(),()JJ J mRJ mR。故选 A。3.6花样滑冰运动员绕过自身的竖直轴转动，开始时两臂伸开，转动惯量为 J0，角速度为 0，然后她将两臂收回，使转动惯量减少为13J0，这时她转动的角速度变为（）（A）031（B）、031。（C）、30（D）、03()解 花样滑冰运动员绕过自身的竖直轴转动，所受合外力矩等于零，角动量守恒。所以有 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 0 0 0 01,33J J。故选 C。3.7 如图所示，一光滑细杆上端由光滑铰链固定，杆可绕其上端在任意角度的锥面上绕竖直轴OO作匀角速度转动。有一小环套在杆的上端处。开始使杆在一个锥面上运动起来，而后小环由静止开始沿杆下滑。在小环下滑过程中，小环、杆和地球系统的机械能以及小环与杆对轴OO的角动量这两个量中（）(A)机械能、角动量都守恒；(B)机械能守恒、角动量不守恒；(C)机械不守恒、角动量守恒；(D)机械能、角动量都不守恒.解 在小环下滑过程中，小环、杆和地球组成的系统，系统只有重力作功，和外力矩等于零，所以机械能、角动量都守恒。3.8 一均质细杆可绕垂直它且离其一端4l（l 为杆长）的水平固定轴O在竖直平面内转动。杆的质量为m，当杆自由悬挂时，给它一个起始角速度0，如杆恰能持续转动而不作往复摆动则需要（已知细杆绕轴O的转动惯量2748J ml，一切摩擦不计）（）(A)0347gl(B)04gl(C)043gl(D)012gl.解 细杆在转动过程中，只有重力作功，故细杆和地球组成的系统机械能守恒。以 O 为重力势能零位置，设细杆转动到最高位置时的角速度为，根据机械能守恒定律有2 201 1 1 12 4 2 4J mgl J mgl，要使杆恰能持续转动而不作往复摆动则需要 0。由此可求得0347gl。故选 A。习题 3.7 图 习题 3.8动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 2 填空题 3.9 若作用于一力学系统上外力的合力为零，则外力的合力矩 _（填一定或不一定）为零；这种情况下力学系统的动量、角动量、机械能三个量中一定守恒的量是 _ 解 若作用于一力学系统上外力的合力为零，则外力的合力矩不一定为零，这种情况下力学系统的动量一定守恒。3.10 一均匀细直棒，可绕通过其一端的光滑固定轴在竖直平面内转动使棒从水平位置自由下摆，棒是否作匀角加速转动？_ 理由是_ 解 棒从水平位置自由下摆，所受的合外力矩不等于恒量，根据转动定律,0 M J。3.11 飞轮半径为 0.2 m，转速为 150 1min r，因受制动而均匀减速。经 30 秒后停止转动，则此段时间内飞轮转过的圈数为 _。解 飞轮转速为 150 1min r，即1150 2560rad s；因受制动而均匀减速，2530 6rad s；得 22 575226rad，飞轮转过的圈数为37.5r。3.12 如图所示，一质量为 m，长为 l 的均勺细棒，绕图示转轴转动。其转动惯量大小为 _。习题 3.12图 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 解 根据连续物体地转动惯量2J r dm，可得均勺细棒对图示转轴产生的转动惯量大小为3 32 2 24 44 4748l ll lmJ r dm r dr mll。3.13 均匀细棒 OA 可绕通过其一端 O 而与棒垂直的水平固定光滑轴转动，如图所示。今使棒从水平位置由静止开始自由下落，在棒摆到竖直位置的过程中，角速度变化是 _，角加速度变化是_。解 棒从水平位置由静止开始自由下落，所受的合外力矩为重力矩，重力矩不断变小，角加速度不断变小，角速度不断变大。3.14 长为l、质量为M的均质杆可绕通过杆一端O的水平光滑固定轴转动，转动惯量为23Ml，开始时杆竖直下垂，如图所示。现有一质量为m的子弹以水平速度0射入杆上A点，并嵌在杆中.23lOA，则子弹射入后瞬间杆的角速度=。解 子 弹 射 入 杆 瞬 间 前 后 子 弹 和 杆 组 成 的 系 统 角 动 量 守 恒，有22 202 2()()23 3 33Mlm l m ll，整理得 06(4 3)Mlm。习题 3.13图 习题 3.14动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 3.15 一质量为 m，半径为 R的均匀圆盘，求通过盘中心 O并与盘面垂直的轴的转动惯量。解 在圆盘上以 r 和 r dr 为半径作圆，所取得的质量元为 2 222m mrdrdm r drR R 根据连续物体转动惯量的定义有 2 2202 12RmrdrJ r mRR 3.16 在边长为 a 的六边形顶点上，分别固定有质量都是 m 的 6 个质点，如图所示。试求此系统绕下列转轴的转动惯量：（1）设转轴、在质点所在的平面内，如图 a 所示；（2）设转轴垂直于质点所在的平面，如图 b 所示。解 根据质点系的转动惯量2i iJ r m 有 以为轴转动惯量 2 2221 32 2 2 92 2J m a m a m a ma；以为轴转动惯量 2234 32J m a ma；以为轴转动惯量 22 222 2 3 2 12 J m a m a m a ma。3.17 一半圆形细杆，半径为 R，质量为m，求对过细杆二端 AA 轴的转动惯量。解 半圆的长度为 C=R，质量的线密度为=m/C 在半圆上取一弧元 ds=Rd，其质量为 dm=ds，到 AA 轴的距离为 r=R sin，绕此轴的转动惯量为 dJ=r2dm=R3sin2 d，半圆绕 AA 轴的转动惯量为 3 20303 2sin1(1 cos 2)212 2J R dR dR mR 习题 3.16 图 O A A 习题 3.17 图 R 题 3.15动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 3.18 一长为 1 m 的均匀直棒可绕过其一端且与棒垂直的水平光滑固定轴转动抬起另一端使棒向上与水平面成 60，然后无初转速地将棒释放已知棒对轴的转动惯量为231ml，其中 m 和 l 分别为棒的质量和长度求：(1)放手时棒的角加速度；(2)棒转到水平位置时的角加速度 解（1）根据转动定律 M J 棒所受的合外力矩为重力产生的力矩 sin150 cos602 2 4l l lM mg mg mg o o 所以 234143lmgglml（2）棒转到水平位置时重力产生的力矩 sin 902 2l lM mg mg o 232123lmgglml 3.19 以初速度0将质量为 m 的质点以倾角 从坐标原点处抛出。设质点在 Oxy平面内运动，不计空气阻力，以坐标原点为参考点，计算任一时刻：（1）作用在质点上的力矩 M；（2）质点的角动量 L。解（1）质点仅受重力作用 mg F j，质点在任意时刻的位矢为 200(sin)cos2tg r i j xy0Oz习题 3.19图 习题 3.18图 l O 60 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 0cos mg t M r F k（2）200cos2tmgm dt t L r M k 3.20如图所示，一个质量为 m的物体与绕在定滑轮上的绳子相联，绳子的质量可以忽略，它与定滑轮之间无滑动。假设定滑轮质量为 M、半径为 R,其转动惯量为 2/2MR，试求该物体由静止开始下落的过程中，下落速度与时间的关系。解 受力解如图，可建立方程：m g T ma TR J a R，212J mR 联立，解得：22mgaM m，2MmgTM m，考虑到dadt，0 022tmgd dtM m，有：22mg tM m。或：220sin2 2tMRmgR dt mR 或：2 221 12 21 12 2J mv mghh at vt 3.21 设电风扇的功率恒定不变为 P，叶片受到的空气阻力矩与叶片旋转的角速度 成正比，比例系数为 k，并已知叶片转子的总转动惯量为 J。（1）原来静习题 3.20 图 MROm动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 止的电扇通电后 t 秒时刻的角速度；（2）电扇稳定转动时的转速为多大？（3）电扇以稳定转速旋转时，断开电源后风叶还能继续转多少角度？解（1）已知fM k，而动力矩PM，通电时根据转动定律有：fdM M Jdt 代入两边积分有：dk PJdtt 020，可求得：)1(2tJkekP；（2）见上式，当 t 时，电扇稳定转动时的转速：Pk 稳定；（3）断开电源时，电扇的转速为0Pk，只有fM 作用，那么：dk Jdt，考虑到d ddt d，有：000kd dJ，得：0J J Pk k k。3.22 有一质量为1m、长为 l的均匀细棒，静止平放在滑动摩擦系数为 的水平桌面上，它可绕通过其端点 O 且与桌面垂直的固定光滑轴转动。另有一水平运动的质量为2m 的小滑块，从侧面垂直于棒与棒的另一端 A 相碰撞，设碰撞时间极短。已知小滑块在碰撞前后的速度分别为1 和2，如图所示。求碰撞后从细棒开始转动到停止转动的过程所需的时间。(已知棒绕 O 点的转动惯量2131l m J)解 由碰撞时角动量守恒，考虑到1 和2 方向相反，以逆时针方向为正向，有：22 1 1 2 213m l m l m l，得：2 1 213()mm l 又细棒运动起来所受到的摩擦力矩可由积分求得：11012lfmM g xdx m gll，利用fdM Jdt，有：习题 3.22 图 动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 210011312tm l ddtm g l，得：2 1 212()23m ltg m g。3.23 如图所示，滑轮转动惯量为2m kg 01.0，半径为 cm 7；物体的质量为kg 5，用一细绳与劲度系数-1200N m k 的弹簧相连，若绳与滑轮间无相对滑动，滑轮轴上的摩擦忽略不计。求：（1）当绳拉直、弹簧无伸长时使物体由静止而下落的最大距离；（2）物体的速度达最大值时的位置及最大速率。解（1）设弹簧的形变量为 x，下落最大距离为maxx。由机械能守恒：2max max12k x mg x，有：max20.49mgx mk；（2）当物体下落时，由机械能守恒：2 2 21 1 12 2 2k x m J mg x，考虑到R，有：2 2 2 21 1 12 2 2k x m R J mg x，欲求速度最大值，将上式两边对 x 求导，且令 0dd x，有：21()22dk x m R J mgd x，将 0dd x 代入，有：)(245.0 mkmgx，当 0.245 x m 时物体速度达最大值，有：22max2121()2mgx kxJmr，代入数值可算出：max1.31/m s。习题 3.23动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 3.24 如图 a 所示，半径分别是1R 和2R、转动惯量分别是1J 和2J 的两个圆柱体，可绕垂直于图面的轴转动，最初大圆柱体的角速度为0，现在将小圆柱体向左靠近，直到它碰到大圆柱体为止。由于相互间的摩擦力，小圆柱体被带着转动，最后，当相对滑动停止时，两圆柱体各以恒定角速度沿相反方向转动。试问这种情况角动量是否守恒？为什么？小圆柱的最终角速度多大？解 角动量守恒，因为摩擦力的力矩为 0。由 2 0 1J J，有小圆柱的最终角速度为：20 1JJ。3.25 如图所示，一根长l，质量为M的均匀直棒，其一端挂在一个水平光滑轴上而静止在竖直位置，今有一子弹，质量为m，以水平速度0射入棒的下端而不复出。求棒和子弹开始一起运动时的角速度。解：由于从子弹进入棒到二者开始一起运动所经过的时间极短，在这一过程中棒的位置基本不变，即仍然保持竖直，如图 3.36 所示。因此，对于木棒和子弹系统，在子弹冲入过程中，系统所受的外力(重力和轴的支持力)对于轴 O 的力矩都是零。这样，系统对轴 O 的角动量守恒。以v和分别表示子弹和木棒开始一起运动时木棒端点的速度和角速度。则角动量守恒给出 2031Ml mlv mlv 再利用关系式 l v 就可解得：lvM mm033 注意，在子弹射入棒的过程中，木棒和子弹系统的总动量并不守恒。3.26 如图所示，将单摆和一等长的匀质直杆悬挂在同一点，杆的质量m也与单摆的摆锤相等。开始时直杆自然下垂，将单摆摆锤拉到高度0h，令它自静止状态下摆，于铅垂位置和直杆作弹性碰撞。求碰撞后直杆下端达到的高度h。习题 3.24习题 3.25动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 解：碰撞前单摆摆锤的速度为0 02gh，令碰撞后直杆的角速度为，摆锤的速度为，由角动量守恒，有 0()ml J（1)式中杆的转动惯量 J231ml。在弹性碰撞过程中机械能守恒 2 2 201 1()2 2m J（2)(1)(2)联立解得 0 2，032l 按机械能守恒，摆锤达到的高度显然为40hh，而杆的质心达到的高度ch满足 cmgh J 221，由此得2320hh hc 3.27 如图所示，质量为 M、半径为 R的圆盘，可绕一无摩擦的水平轴转动。圆盘上绕有轻绳，一端悬挂质量为 m的物体。问物体由静止下落高度 h 时，其速度的大小为多少？设绳的质量忽略不计。解 圆盘和物体的受力如图，对于圆盘，根据转动动能定律 2 20 21 21 J J TR M 式中为圆盘在力矩的作用下转过的角度，0与为圆盘在开始和终了时的角速度，J 为圆盘的转动惯量 221mR J 对于物体 m,2 201 12 2mgh T h m m 式0 与 为物体在开始和终了时的速度。MOmmhR习题 3.26动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述刚体在转动中惯性大小的物理量对于质点系的转动惯量如果物体的质量是连续分布的上式可精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 由牛顿第三定律 T T 由于绳与圆盘之间无相对滑动，故有 R h R 解上述方程，可得 22mghMm 3.28 某一冲床利用飞轮的转动动能通过曲柄联杆机构的传动，带动冲头在铁板上穿孔。已知飞轮的半径为r 0.4，质量为m 600kg，可以看成均匀圆盘。飞轮的正常转速是1n 2401min r，冲一次孔转速减低 20。求冲一次孔，冲头做了多少功？解 以1和2分别表示冲孔前后飞轮的角速度，即：11n1rad s 2（1 0.2）1 0.81 6.4 1rad s 由转动时的动能定理，可以求出冲一次孔铁板阻力对冲头飞轮所做的功为 W2 kE1 kE2221 J2121 J 由题意知，J221mr，所以 W)(4121222 mr 代入数据m 600，0.4，11rad s，26.4 1rad s得 W2 2 2 214.3)8 4.6(4.0 60041 5.45310 所以冲一次孔，冲头做功 习题 3.27 题 3.24动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒定律理解刚体定轴转动的转动动能概念能载有刚体绕定轴转动的问题中正 利方程的应用二基本概念连续介质在宏观力学的范围内如果能忽视物体内部的不连续性把物体看作质量连续分布的质 转动惯量转动惯量是描述