大学物理 2刚体力学

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《大学物理》刚体力学练习题及答案解析

《大学物理》刚体力学练习题及答案解析一、选择题1.刚体对轴的转动惯量，与哪个因素无关 [ C ]（A）刚体的质量（B）刚体质量的空间分布（C）刚体的转动速度（D）刚体转轴的位置2.有两个力作用在一个有固定轴的刚体上. [ B ](1)这两个力都平行于轴作用时,它们对轴的合力矩一定是零;(2)这两个力都垂直于轴作用时,它们对轴的合力矩可能是零;(3)这两个力的合力为零时,它们对轴的合力矩也一定是零;(4)当这两个力对轴的合力矩为零时,它们的合力也一定是零.在上述说法中,(A)只有(1)是正确的；(B) (1)、(2) 正确, (3)、(4)错误；(C) (1)、(2)、(3)都正确, (4)错误；(D) (1)、(2)、(3)、(4)都正确.3.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，今使棒从水平位置由静止开始自由下落，在棒摆动到竖立位置的过程中，下述说法哪一种是正确的[ A ](A) 角速度从小到大，角加速度从大到小；(B) 角速度从小到大，角加速度从小到大；(C) 角速度从大到小，角加速度从大到小；(D) 角速度从大到小，角加速度从小到大.4．如图所示，圆锥摆的小球在水平面内作匀速率圆周运动，小球和地球所组成的系统，下列哪些物理量守恒（ C ）（A）动量守恒，角动量守恒（B）动量和机械能守恒（C）角动量和机械能守恒（D）动量，角动量，机械能守恒5.一圆盘绕通过盘心且垂直于盘面的水平轴转动，轴间摩擦不计，如图射来两个质量相同，速度大小相同、方向相反并在一条直线上的子弹，它们同时射入圆盘并且留在盘内，在子弹射入后的瞬间，对于圆盘和子弹系统的角动量L以及圆盘的角速度ω则有（ B ）（A）L不变，ω增大（B）L不变，ω减小（C）L变大，ω不变（D）两者均不变6.一花样滑冰者，开始自转时，其动能为20021ωJ E =。

然后他将手臂收回，转动惯量减少为原来的1/3，此时他的角速度变为ω，动能变为E ，则下列关系正确的是（ D ）（A ）00,3E E ==ωω （B ）003,31E E ==ωω （C ）00,3E E ==ωω （D ）003,3E E ==ωω1C 2.B ，3.A ，4.C ，5.B ，6.D二、填空1.当刚体受到的合外力的力矩为零时，刚体具有将保持静止的状态或_____________状态，把刚体的这一性质叫刚体___________。

大学物理试题库刚体力学 Word 文档

大学物理试题库刚体力学 Word 文档大学物理试题库刚体力学word文档第三章刚体力学一、刚体运动学（定轴转动）---角位移、角速度、角加速度、线量与角量的关系1、刚体做定轴转动，下列表述错误的是：【】a；各质元具备相同的角速度；b：各质元具备相同的角加速度；c：各质元具备相同的线速度；d：各质元具备相同的角位移。

2、半径为0.2m的飞轮，从静止开始以20rad/s2的角加速度做定轴转动，则t=2s时，飞轮边缘上一点的切向加速度a?=____________，法向加速度an=____________，飞轮转过的角位移为_________________。

3、刚体任何复杂的运动均可理解为_____________和______________两种运动形式的合成。

二、转动惯量1、刚体的转动惯量与______________和___________________有关。

2、长度为l，质量为m的光滑木棒，顾其一端a点旋转时的转动惯量ja=_____________，拖其中心o点旋转时的转动惯量jo=_____________________。

3、半径为r、质量为m的光滑圆盘拖其中心轴（旋转轴盘面）旋转的转动惯量j=___________。

4、【】两个匀质圆盘a和b的密度分别就是?a和?b，若?a??b，但两圆盘的质量和厚度相同，如两盘对通过盘心垂直于盘面轴的转动惯量各为ja和jb则：（a）ja?jb；（b）ja?jb（c）ja?jb（d）不能确定三、刚体动力学----旋转定理、动能定理、角动量定理、角动量动量1、一短为l的轻质细杆，两端分别紧固质量为m和2m的小球，此系统在直角平面内可以绕开中点o且与杆横向的水平扁平紧固轴(o轴)旋转．已经开始时杆与水平成60°角，处在静止状态．无初输出功率地释放出来以后，杆球这一刚体系统拖o轴旋转．系统拖o轴的转动惯量j＝___________．释放出来后，当杆转至水平边线时，刚体受的合外力矩m=______；角加速度______．2、一个能绕固定轴转动的轮子，除受到轴承的恒定摩擦力矩mr外，还受到恒定外力矩m的作用．若m＝20nm，轮子对固定轴的转动惯量为j＝15kgm2．在t＝10s内，轮子的角速度由??＝0增大到?＝10rad/s，则mr＝_______．3、【】银河系有一可以视作物的天体，由于引力汇聚，体积不断膨胀。

大学物理习题及解答(刚体力学)

1 如图所示，质量为m 的小球系在绳子的一端，绳穿过一铅直套管，使小球限制在一光滑水平面上运动。

先使小球以速度0v 。

绕管心作半径为r D 的圆周运动，然后向下慢慢拉绳，使小球运动轨迹最后成为半径为r 1的圆，求(1)小球距管心r 1时速度大小。

(2)由r D 缩到r 1过程中，力F 所作的功。

解 (1)绳子作用在小球上的力始终通过中心O ，是有心力，以小球为研究对象，此力对O 的力矩在小球运动过程中始终为零，因此，在绳子缩短的过程中，小球对O 点的角动量守恒，即10L L =小球在r D 和r 1位置时的角动量大小 1100r mv r mv = 100r r v v =(2)可见，小球的速率增大了，动能也增大了，由功能定理得力所作的功 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=-=1)(21 21)(21 21212102020210202021r r mv mv r r mv mv mv W2 如图所示，定滑轮半径为r ，可绕垂直通过轮心的无摩擦水平轴转动，转动惯量为J ，轮上绕有一轻绳，一端与劲度系数为k 的轻弹簧相连，另一端与质量为m 的物体相连。

物体置于倾角为θ的光滑斜面上。

开始时，弹簧处于自然长度，物体速度为零，然后释放物体沿斜面下滑，求物体下滑距离l 时，物体速度的大小。

解把物体、滑轮、弹簧、轻绳和地球为研究系统。

在物体由静止下滑的过程中，只有重力、弹性力作功，其它外力和非保守内力作功的和为零，故系统的机械能守恒。

设物体下滑l 时，速度为v ，此时滑轮的角速度为ω则 θωsin 2121210222mgl mv J kl -++= （1）又有 ωr v = （2）由式（1）和式（2）可得 m r J kl mgl v +-=22sin 2θ本题也可以由刚体定轴转动定律和牛顿第二定律求得，读者不妨一试。

3 如右图所示，一长为l 、质量为m '的杆可绕支点O 自由转动，一质量为m 、速率为v 的子弹射入杆内距支点为a 处，使杆的偏转为︒30。

大学物理_第二章_刚体

2rdr

m
R2
2
rdr
(2) 求 d J
利用上题结果 dJ = r2 dm
r 0
(3) 求 J
dr
J
r 2dm
m
Rr2
0
m
R2
2
rdr

1 mR 2 2
J 1 mR 2
2
例3：求均匀细杆对中心轴及边缘轴的转动惯量
对质心轴（1） dm dx m dx
l
mO
在半径为r、宽度为dr的面积元dS上的质元
0
具有相同的线速度v。则dS上阻力的大小为:
dF f dS f 2 r dr
考虑盘的上下表面，故阻力矩大小为
dM 2 r dF
总阻力矩
R
M dM 0 (2r f 2 r)dr
m
R
0 (2r kv 2 r)dr
与力的作用点的位置和方向都有关。即，只有力矩才
能改变刚体的转动。当M=0时，刚体匀速转动或静止
r
f11 f
f⊥

m

M

r

f

M r f11 f rf11 r f
对转动没影响 M r f r f
大小f：应 M 理 r解f s为 in在方转向动：平沿面r 内f
2

1 3
mL2
又如求均匀圆盘对于通过其边缘一点 O 的平行
轴的转动惯量:
JO JC md2
Jo

1 2
mR2
mR2
3 mR2 2

大学物理2-1第5章

若质量离散分布：
（质点，质点系）
J i mi ri2
J r2 dm
若质量连续分布：
dm dl
其中： d m d s
d m dV
例题补充求质量为m，半径为R 的均匀圆环的对中心轴的转动惯量。解：设线密度为λ； d m d l
J R dm
2
2R
0
R dl
2
o
R
dm
R2 2R mR2
例题5-3 求质量为m、半径为R 的均匀薄圆盘对中心轴的转动惯量。解：设面密度为σ。
取半径为 r 宽为d r 的薄圆环,
R
d m d s 2 r d r
J r d m r 2 2r 2 d r
2

3 3g 2L
2)由v r得： v A L
L 3 3 gL 3 3 gL vB 2 8 2
5.2 定轴转动刚体的功和能
一、刚体的动能当刚体绕Oz轴作定轴转动时，刚体上各质元某一瞬时均以相同的角速度绕该轴作圆周运动。
2 2 质元mi的动能 E ki mi v i mi ( i ri )2 mi ri 2
2）取C 点为坐标原点。在距C 点为x 处取dm 。说明
A
A
x dm
B
L
C
x
x
xd m B
L2
L2
2 mL x 2 d x 12
JC x 2 d m
L 2 L 2
1) 刚体的转动惯量是由刚体的总质量、质量分布、转轴的位置三个因素共同决定; 2) 同一刚体对不同转轴的转动惯量不同，凡提到转动惯量必须指明它是对哪个轴的。

大学物理刚体归纳总结

大学物理刚体归纳总结在大学物理学习中，刚体是一个重要的概念，广泛应用于力学、动力学和静力学等领域。

本文将对刚体的定义、特点以及相关定理进行归纳总结，旨在帮助读者更好地理解和掌握刚体的基本知识。

一、刚体的定义和特点刚体是指可以看作一个整体、无论受到什么力都能保持形状不变的物体。

在实际应用中，我们常常将刚体简化为点、线或面，以便进行研究和计算。

刚体具有以下特点：1. 形状不变性：无论刚体受到外力的作用，其形状都不会发生改变。

2. 外力作用点的变化不引起内部构件间相对位置的改变：即刚体内各个质点之间的相对位置保持不变。

3. 刚体内各个质点之间的相对位置保持不变：即刚体内构件间的距离和角度不会发生变化。

二、刚体的运动学性质1. 刚体的平动：刚体作平动时，刚体上每个点的速度都相同，且方向相同。

2. 刚体的转动：刚体作转动时，刚体上的各点绕着同一条轴旋转。

这个轴称为刚体的转轴，刚体绕转轴的转动速度相同。

刚体平衡的条件是力矩的和等于零。

力矩是由力对刚体产生的转动效果，其大小与力的大小、作用点到转轴的距离和力的夹角相关。

四、刚体静力学定理与公式1. 雅可比定理：在刚体有多个力作用时，可以将这些力简化为只有一个力等效，该力的大小、方向和作用点都与原有多个力相同，这个力称为合力。

2. 力的合成定理：当刚体上有多个力作用时，可以将这些力合成为一个结果力，该力等效于原有多个力的合力。

3. 力矩的平衡条件：对于处于平衡状态的刚体，刚体上力矩的和必须等于零。

4. 平衡条件的应用：根据刚体平衡条件，可以解决各种与刚体平衡有关的问题，如悬挂物体的平衡、天平的平衡等。

五、刚体动力学定理与公式1. Euler定理：刚体绕固定轴的转动，转动惯量与角加速度和转矩之间存在关系，即转动惯量等于转矩与角加速度的比值。

2. 动量定理：外力矩与刚体的角动量之间存在关系，外力矩等于刚体的角动量关于时间的变化率。

3. 动能定理：刚体的动能与角速度和转动惯量之间存在关系，动能等于转动惯量与角速度平方的乘积的一半。

大学物理刚体力学总结

大学物理刚体力学总结大学物理刚体力学总结大学物理刚体力学总结篇一:大学物理力学总结大学物理力学公式总结 ? 第一章(质点运动学)1. r=r(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k Δr=r(t+Δt)- r(t) 一般地|Δr|?Δr2. v= a= dt dx d??d?? d2??dt3. 匀加速运动:a=常矢 v0=vx+vy+vz r=r0+v0t+at2 ????4. 匀加速直线运动:v= v0+at x= v02 v2-v02=2ax 215. 抛体运动:ax=0 ay=-g vx=v0cs vy=v0sinθ-gt x=v0csθ?t y=v0sinθ?tgt2 216. 圆周运动:角速度= dt Rdθ v 角加速度dt dω 加速度 a=an+at 法相加速度an==Rω2 ，指向圆心 Rv2 切向加速度at=Rα ，沿切线方向dt d??7. 伽利略速度变换:v=v’+u ? 第二章(牛顿运动定律)1. 牛顿运动定律: 第一定律:惯性和力的概念，惯性系的定义第二定律:F=, p=mv dtd?? 当m为常量时,F=ma 第三定律:F12=-F21 力的叠加原理:F=F1+F2+……2. 常见的几种力:重力:G=mg 弹簧弹力:f=-kx3. 用牛顿定律解题的基本思路:1) 认物体 2) 看运动 3) 查受力(画示力图) 4) 列方程(一般用分量式) ? 第三章(动量与角动量)1. 动量定理:合外力的冲量等于质点(或质点系)动量的增量，即 Fdt=dp2. 动量守恒定律:系统所受合外力为零时， p= ??????=常矢量3. 质心的概念:质心的位矢 rc= ???????? 离散分布) m 或 rc = ??dmm (连续分布)4. 质心运动定理:质点系所受的合外力等于其总质量乘以质心的加速度，即 F=mac5. 质心参考系:质心在其中静止的平动参考系，即零动量参考系。

6. 质点的角动量:对于某一点, L=r×p=mr×v7. 角动量定理:M= dtd?? 其中M 为合外力距，M=r×F，他和L 都是对同一定点说的。

《大学物理学》第二章刚体力学基础自学练习题

第二章刚体力学基础自学练习题一、选择题4-1．有两个力作用在有固定转轴的刚体上：（1）这两个力都平行于轴作用时，它们对轴的合力矩一定是零；（2）这两个力都垂直于轴作用时，它们对轴的合力矩可能是零；（3）当这两个力的合力为零时，它们对轴的合力矩也一定是零；（4）当这两个力对轴的合力矩为零时，它们的合力也一定是零；对上述说法，下述判断正确的是：（）（A ）只有（1）是正确的；（B ）（1）、（2）正确，（3）、（4）错误；（C ）（1）、（2）、（3）都正确，（4）错误；（D ）（1）、（2）、（3）、（4）都正确。

【提示：（1）如门的重力不能使门转动，平行于轴的力不能提供力矩；（2）垂直于轴的力提供力矩，当两个力提供的力矩大小相等，方向相反时，合力矩就为零】4-2．关于力矩有以下几种说法：（1）对某个定轴转动刚体而言，内力矩不会改变刚体的角加速度；（2）一对作用力和反作用力对同一轴的力矩之和必为零；（3）质量相等，形状和大小不同的两个刚体，在相同力矩的作用下，它们的运动状态一定相同。

对上述说法，下述判断正确的是：（）（A ）只有（2）是正确的；（B ）（1）、（2）是正确的；（C ）（2）、（3）是正确的；（D ）（1）、（2）、（3）都是正确的。

【提示：（1）刚体中相邻质元间的一对内力属于作用力和反作用力，作用点相同，则对同一轴的力矩和为零，因而不影响刚体的角加速度和角动量；（2）见上提示；（3）刚体的转动惯量与刚体的质量和大小形状有关，因而在相同力矩的作用下，它们的运动状态可能不同】3．一个力(35)F i j N =+作用于某点上，其作用点的矢径为m j i r )34(-=，则该力对坐标原点的力矩为（）（A ）3kN m -⋅；（B ）29kN m ⋅；（C ）29kN m -⋅；（D ）3kN m ⋅。

【提示：(43)(35)4302092935i j kM r F i j i j k k k =⨯=-⨯+=-=+=】4-3．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。

大学物理2-1第四章(刚体力学)习题答案

习题四4-1 一飞轮的半径为2m ，用一条一端系有重物的绳子绕在飞轮上，飞轮可绕水平轴转动，飞轮与绳子无相对滑动。

当重物下落时可使飞轮旋转起来。

若重物下落的距离由方程2at x =给出，其中2s m 0.2=a 。

试求飞轮在t 时刻的角速度和角加速度。

[解] 设重物的加速度为t a ，t 时刻飞轮的角速度和角加速度分别为ω和β，则a txa 2d d 22t ==因为飞轮与绳子之间无相对滑动，所以 βR a =t则 2t rad/s 0.220.222=⨯===R a R a β 由题意知 t =0时刻飞轮的角速度00=ω 所以 rad 0.20t t t ==+=ββωω4-2 一飞轮从静止开始加速，在6s 内其角速度均匀地增加到200minrad，然后以这个速度匀速旋转一段时间，再予以制动，其角速度均匀减小。

又过了5s 后，飞轮停止转动。

若该飞轮总共转了100转，求共运转了多少时间 [解] 分三个阶段进行分析10 加速阶段。

由题意知 111t βω= 和 11212θβω= 得22111211t ωβωθ==20 匀速旋转阶段。

212t ωθ= 3制动阶段。

331t βω= 33212θβω= 22313213t ωβωθ== 由题意知 100321=++θθθ 联立得到πωωω210022312111⨯=++t t t所以 s 1836020025602002660200210022=⨯⨯⨯-⨯⨯-⨯=ππππt 因此转动的总时间 s 19418356321=++=++=t t t t4-3 历史上用旋转齿轮法测量光速的原理如下：用一束光通过匀速旋转的齿轮边缘的齿孔A ，到达远处的镜面反射后又回到齿轮上。

设齿轮的半径为5cm ，边缘上的齿孔数为500个，齿轮的转速，使反射光恰好通过与A 相邻的齿孔B 。

(1)若测得这时齿轮的角速度为600s r ，齿轮到反射镜的距离为500 m ，那么测得的光速是多大(2)齿轮边缘上一点的线速度和加速度是多大[解] (1) 齿轮由A 转到B 孔所需要的时间5103126005002⨯=⨯==ππωθt所以光速 s m 10310315002285⨯=⨯⨯==TL c(2) 齿轮边缘上一点的线速度s m 1088.1260010522⨯=⨯⨯⨯==-πωR v齿轮边缘上一点的加速度()25222s m 1010.71052600⨯=⨯⨯⨯==-πωR a4-4 刚体上一点随刚体绕定轴转动。

大学物理刚体力学

大学物理刚体力学标题：大学物理中的刚体力学在物理学的研究中，大学物理是引领我们探索自然界规律的重要途径。

而在大学物理中，刚体力学是一个相对独特的领域，它专注于研究物体在受到外力作用时的质点运动规律。

本文将探讨大学物理中的刚体力学。

一、刚体概念及特性刚体是指物体内部各质点之间没有相对位移，形状和体积不发生变化的理想化物体。

在刚体力学中，我们通常将刚体视为一个整体，研究其宏观运动规律。

刚体具有以下特性：1、内部质点无相对位移。

2、刚体不发生形变，形状和体积保持不变。

3、刚体在运动过程中，内部任意两质点间的距离保持不变。

二、刚体力学的基础知识1、刚体的运动形式刚体的运动形式包括平动、转动和振动。

平动是指刚体沿直线作均匀速度的运动；转动是指刚体绕某轴线作角速度变化的运动；振动是指刚体在平衡位置附近作往复运动的周期性运动。

2、刚体的动力学基础动力学是研究物体运动状态变化的原因和规律的科学。

在刚体力学中，动力学的基本方程包括牛顿第二定律、动量定理和动能定理等。

这些方程为我们提供了分析刚体运动状态变化的基本工具。

三、刚体的转动惯量转动惯量是描述刚体转动惯性大小的物理量。

它与刚体的质量、形状和大小有关。

在物理学中，转动惯量是研究刚体转动规律的重要参数。

通过计算转动惯量，我们可以了解刚体在受到外力矩作用时角速度变化的规律。

四、刚体的角动量角动量是描述物体绕某轴线旋转的物理量，与物体的质量、速度和半径有关。

在刚体力学中，角动量是一个非常重要的概念。

它可以帮助我们理解刚体在受到外力矩作用时的角速度变化规律。

同时，角动量守恒定律也是刚体力学中的一个重要定律。

在已知刚体的质量、转动惯量和角动量的基础上，我们可以建立刚体的动力学方程。

动力学方程可以帮助我们分析刚体在受到外力作用时的运动状态变化规律。

对于复杂的动力学问题，我们通常需要借助数学软件进行数值模拟和分析。

六、总结在大学物理中，刚体力学是一个相对独立且具有重要应用价值的领域。

大学物理之刚体(二)

二、刚体的转动动能
质量为m，速度为v的质点的动能为mv2/2，那么以角速度ω作定轴转动的刚体的动能为多少呢？取一质元Δmi，距转轴ri，则此质元的速度为vi=riω，动能为
1 1 2 2 2 E ki mi vi mi ri 2 2
整个刚体的动能就是各个质元的动能之和
1 1 2 2 E k＝ E ki mi ri ＝ 2 2
3．刚体定轴转动的角动量守恒定律若刚体所受的合外力矩为零，即M=0，则
J＝恒矢量
当刚体所受的的合外力矩为零，或者不受合外力的作用，则刚体的角动量保持不变。
讨论：刚体绕转轴转动时，如果转动惯量不变，则角速度为恒量；如果转动惯量可以改变，可带来角速度的
J J 0 0
转动中的功和能
刚体上所有质点对转轴的角动量
L mi ri ＝ mi ri
2 2

即
L = Jω
矢量形式Βιβλιοθήκη L＝J角动量的方向与角速度的方向一致
2．刚体定轴转动的角动量定理力的时间累积作用是使质点的动量发生变化，那么力矩的时间累积作用对定轴转动的刚体会产生什么效果呢？（1）刚体定轴转动定理的另一种表述第i个质点mi上的合力矩Mi应等于质点的角动量随时间的变化率 dLi d Mi (mi ri 2 ω) dt dt 此时，Mi应包含有刚体这个质点系的外力的力矩和系统各质点间内力的力矩
从力矩对空间的累积作用出发，引入力矩的功的概念，并得到刚体的转动动能和转动动能定理。一、力矩作功先讨论力矩所作的元功刚体在外力F的作用下，绕转轴转过的角位移为dθ，力F的作用点位移的大小为ds=rdθ
根据功的定义式 dW F ds Frd cos Frd sin 2

大学物理刚体力学

一刚体定轴转动的运动方程如图，一刚体定轴转动，如何确
定该刚体的位置。在固定轴上固结 ox
轴。
设想在刚体上有一直线 op，在刚
o
体转动中，op与 ox的夹角 t 不断
变化，是时间 t 的函数， t 一定，
则刚体的位置确定（或曰刚体上的所
有质点的位置确定）， t 变化，说明刚体的位置变化。因而，用 t
可确定刚体的位置。
t
为刚体定轴转动的运动方程。
如同质点一维运动时的 x x t
固定轴
t
p
x
刚体
二角速度
设t
t
t t t t
则 t t t
称为角位移，代数量。
o
平均角速度
t
瞬时角速度
lim
t 0
t
t
即
d 对运动方程求一阶导数。
dt
固定轴
t
段如何求解此题?轮质量不计。仅研究 A和 B
二物体，绳仅为连接体。则有
o
T2
m2 a
m2 g
T 1 m1
m2
a B
m1 g
m1
A
T1 T2
然而,此处要考虑轮(因给出了质量与半径)-----刚体。此为一刚
体与二质点组成得物体系。如何求解:用隔离体法,分析各物体受力。
mN
o
o
T2
mg
T2
m2 a
若是变化的，同理得瞬时角加速度.
d
dt
或
d 2
dt 2
o
单位弧度或 rad
矢量式为
秒2
s2
d
dt
减速转动
同样，在定轴转动中，角加速度仅两个

大学物理CH.-刚体力学（ＰＤＦ）

β
ri Fi
sinϕi
+
ri
fi
sinθi
=
∆mi
r2 i
β
质点∆mi的外力矩
质点∆mi的内力矩
对所有质点求和，可以得到：
∑ ∑ ∑ riFi sinϕi +
ri fi sinθi =
∆mi
r2 i
β
i=1
i=1
i=1
合内力矩∑ri fi sinθi 为零，则：
∑ ∑ riFi sinϕi =
∆mi
F = 0 p = 常量
Ek
=
1 2
mv2
A = ∫ F ⋅ dr =∆Ek
刚体定轴转动规律
M = r × F = dL = J β
dt
L = r × p = Jω
∫t2 Mdt = ∆L t1
M = 0 L = 常量
Ek
=
1 2
Jω2
A = ∫ M ⋅ dθ = ∆Ek
第五节进动一、进动(precession)现象：
= ∫ r 2λdl l
质量体分布，例如立方体、球体质量面分布，例如薄片、薄球壳质量线分布，例如细棒、细环
例2 计算质量为 m ，长为 L 的匀质细棒绕通过其端点的垂直轴的转动惯量。
解：J = ∫ r 2dm
z
dm = λdl = m dl o
L
∫ J = L l2 ⋅ m dl 0L = 1 mL2 3
o ω
o’
ω
oG
二、杠杆回转仪的分析
设右图中的刚体回转仪处于平
o
衡状态，现将重物左移并将飞
ω 轮作如图方向旋转。则飞轮进
动的方向如何？

大学物理刚体力学(课堂PPT)

3
（2）转动刚体中所有的点都绕同一直线做圆周运动，则称刚体作转动，该直线称转轴。
转动又分定轴转动和非定轴转动。
转轴
固定转轴瞬时转轴
定轴转动非定轴转动
4
刚体的平面运动（滚动）
5
+ 刚体的一般运动= 质心的平动绕质心的转动
6
3.刚体的定轴转动
（1）角位置和角位移
P
Qx
x
角位移
PP
rd dW Md
-----力矩的功
合外力矩
F
d
r
ds
35
若力矩是恒量:
比较：力矩的功就是力的功。
例题3-8
36
例题3-8 一根质量为m、长为l的均匀细棒OA，可绕通过其一端的光滑轴O在竖直平面内转动。今使棒从水平位置开始自由下摆，求细棒摆到竖直位置时重力所做的功。
解：在棒的下摆过程中，对转轴O而言，支承力N通过O点，所以支承力N的力矩等于零，重力G的力矩则是变力矩，
N π (300)3 3104 r
2 π 2 π 450
14
1.力矩
力
二、刚体定轴转动的转动定律
改变质点的运动状态
质点获得加速度
力矩改变刚体的转动状态
（1）力矩的定义式
r M
rr
r F
刚体获得角加速度 M
大小：M Fr sin Fd
（2）物M理意r 义F
是决定刚体转动的物理量,表明力的大小、方向和作用点对物体转动的影响。
图3-14
33
解：隔离物体m，设线中的张力为T，物体m 的加速度为a，由牛顿第二定律可得
mg T ma
以待测刚体和转动架为整体，设待测刚体的转动惯量为J，由绕定轴转动的转动定律可得

大学物理刚体力学基础自测题2

转动平面
0 Rmv J 2 mR v Rmv ( ) J R J
１１、光滑的水平桌面上，有一长为2L、质量为m的匀质细杆，可绕过其中点且垂直于杆的竖直光滑固定轴O自由转动，其转动惯量为１/３（mL2)，起初杆静止，桌面上有一个质量为m的小球，在杆的垂直方向正对着杆的一端以速率v运动，（如图所示），当小球与杆的端点发生完全非弹性碰撞后，就与杆粘在一起运动，则这一系统碰撞后的转动角速度为
GM v R
L m GMR
2. 体重、身高相同的甲乙两人，分别用双手握住跨过无摩擦轻滑轮的绳子各一端．他们从同一高度由初速为零向上爬，经过一定时间，甲相对绳子的速率是乙相对绳子速率的两倍，则到达顶点的情况是 (A)甲先到达． (B)乙先到达． (C)同时到达． (D)谁先到达不能确定。
７．如图所示，一质量为m的匀质细杆ＡＢ，Ａ端靠在粗糙的竖直墙壁上，Ｂ端置于粗糙水平地面上而静止，杆身与竖直方向成θ 角，则A端对墙壁的压力大小为
解（1）如果是光滑墙壁，其受力情况 f2 如图所示。以B为支点，由于物体静止，所以合力矩为0 l
Ａ
mg sin N 2l cos 2 1 N 2 mgtg A 端对墙的压力为 2
解：（1）角速度由小到大
O
（2）至于角加速度β ，可由 M J 计算。由 M mg l cos ( 1 ml 2 ) 2 3 3g cos 2l 可知角加速度越来越小。

A
A
G

6、一轻绳跨过一具有水平光滑轴、质量为M的定滑轮，绳的两端分别悬有质量为m1和m2的物体(m1＜m2)，如图所示．绳与轮之间无相对滑动．若某时刻滑轮沿逆时针方向转动，则绳中的张力 (A) 处处相等． (B) 左边大于右边．

大学物理力学第五章2刚体功和能、角动量

J12
Ek 2
Ek1
A Ek2 Ek1
M、ω1、 ω2是对于同一转轴的！
4、刚体对地面的重力势能：
Ep
mi ghi g
mi hi
Δmi C×
质心高度:
hc
mi hi m
EP mghC
hC
hi
Ep= 0 视为质量集中到质心上
5. 机械能守恒
Aex Ain,nco 0
E E0
M rmg sin rmg R L sin L
Ωdt
Mdt
R
L
θ
Ω 1
摩擦倒下
Jω
o mg
1、已知m1，m2 ，M1，M2，R1，R2 且m1> m2 试由牛顿运动
定律和转动定律写出系统的运动方程，求m2 的加速度和
张力T1 ,T2 , T3 。解：设m2的加速度大小为a，方向向上，
M
l / 2 l / 2
dM
20l /2 gxdx
1 mgl
4
始末两态的角动量为： L0 J 0 , L 0
由角动量定理：
t
t0
Mdt L L0
0t
1 mgldt
4
0 J 0
1 mglt
4
1 12
ml
20
0 m ,l o dm l / 2
t l0 3 g
l/2
x dx x
当系统中只有保守力作功，其它力与力矩不作功时，物体系的机械能守恒。
例1：一均匀细杆质量为m，长度为l，一端固定在
光滑水平轴上，由静止从水平位置摆下，求细杆摆
到铅直位置时的角速度。棒上重力矩之和等于全部重
解（一）：应用动能定理力集中于质心对轴的力矩

大学物理刚体力学基础

r
mv
r mv 常数
mv
LL
mv p2 v mv
r
rr
p1
开普勒行星运动定律的面积定律
1 2
r
p1 p2
sin
1 2
rvt sin
面积 1 rv sin 常数
t 2
再考虑到行星的质量m为恒量， r mv 常数许多实例都说明 r mv 是一个独立的物理量，
r mv 在描述行星的轨道运动，自转运动，卫星的
T2R T1R＝J
④
由于绳不可伸长，所以
aA aB R
⑤
又
J 1 mR2
2
联立式①，②，③，④，⑤得
T1＝
2+3sin 5
mg
T2＝
3+2 sin 5
mg
aA
aB
2(1- sin )
5
g
例转动着的飞轮的转动惯量为J，在t＝0时角速度为 .此0后飞轮经历
制动过程，阻力矩M的大小与角速度ω的平方成正比，比例系数为k(k为
Firid M id
M d
dri
i
Fi
ri mi
dsi
对 i 求和，当整个刚体转动d ，则力矩的元功
dA Mid (Mi )d Md
式中M 为作用于刚体上外力矩之和---其表明：力矩的元功等于力矩与角位移之乘积（∵内力矩之和为零）
∴ 当刚体转过有限角时，力矩的功为 A 2 Md 1
3、刚体定轴转动的动能定理：
转动定律说明了 J是物体转动惯性大小的量度。因为：
M一定时J J
即 J 越大的物体，保持原来转动状态的性质就越强，转动惯性就越大；反之，J越小，越容易改变其转动状态，保持原有状态的能力越弱，或者说转动惯性越小。

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