第四章_刚体的转动大学物理

第四章 刚体的转动
练习一
一.填空题
1. 刚体对轴的转动惯量与_____________有关。

2. 一圆盘饶过盘心且与盘面垂直的轴O 以角速度按图示方向转
动,若如图所示的情况那样,将两个大小相等方向相反但不在同一条直线的力F 沿盘面同时作用到圆盘上,则圆盘的角速度将_____________
3. 将细绳绕在一个具有水平光滑轴的飞轮边缘上，如果在绳端挂一质量为m 的重物时，飞
轮的角加速度为α1. 如果以拉力2mg 代替重物拉绳时, 飞轮的角加速度将_____________α1 (填<，>，=)
4. 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，在棒摆动到竖立位置的过程中，角速度将_____________，角加速度将_____________。

(填增大，减小) 二.计算题
1. 一轴承光滑的定滑轮,质量为M ,半径为R ,一根不能伸长的轻绳,一端缠绕在定滑轮上,另一端系有一质量为m 的物体,如图所示.已知定滑轮的转动惯量为J
2
,
方向垂直纸面向里.求:
(1) 定滑轮的角加速度; (2) 定滑轮的角速度变化到
=0时,物体上升的高度;
(3)当物体回到原来位置时,定滑轮的角速度.
2 . 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2
3
1
ml ，其中m 和l 分别为棒的质量和长度．求：
l O
60°
m
g
·
O F
F
O A
·
M
R
m
(1) 放手时棒的角加速度； (2) 棒转到水平位置时的角加速度．
3. 质量分别为m 和2m 、半径分别为r 和2r 的两个均匀圆盘，同轴地粘在一起，可以绕通过盘心且垂直盘面的水平光滑固定轴转动，对转轴的转动惯量为9mr 2
/ 2，大小圆盘边缘都绕有绳子，绳子下端都挂一质量为m 的重物，如图所示．求盘的角加速度的大小．
4 质量m ＝ kg 的匀质圆盘，可以绕通过其中心且垂直盘面的水平光滑
固定轴转动，对轴的转动惯量J ＝
2
2
1mr (r 为盘的半径)．圆盘边缘绕有绳子，绳子下端挂一质量m 1的物体，如图所示．起初在圆盘上加一恒力矩使物体以速率v 0匀速上升，如撤去所加力矩，问经历多少时间圆盘开始作反方向转动．
5. 如图所示，设两重物的质量分别为m 1和m 2，且m 1＞m 2，定滑轮的半径为r ，对转轴的转动惯量为J ，轻绳与滑轮间无滑动，滑轮轴上摩擦不计．设开始时系统静止，试求t 时刻滑轮的角速度． 参考答案 一.填空题
1、 取决于刚体的质量，质量的空间分布和轴的位置.
2、 必然增大.
3、 >
4、 角速度从小到大，角加速度从大到小. 二.计算题
1. (1)定滑轮受绳的张力T 产生的力矩, 重物受绳的张力T 和重力mg .取初角速度 0
的方
向为坐标正向,对定滑轮和重物分别列方程,有
TR =J = (MR 2/2) T mg=ma= mR
得 =2mg/[(2m +M )R ]负号表示方向与初角速度
的方向相反
m
r
m
m 2m
2r
m 1
m ,r
m 2
m
r
(2)
2
2=
02=2
=
2/(2)=
02(2m +M )R /(4mg )
h=R =0
2(2m +M )R 2
/(4mg )
(3) 物从最大高度回到原位置定滑轮转角
=
=
02(2m +M )R /(4mg )
2
=2
=()mg
R M m R M m mg -42)(242
+-⋅+ω=0
2
所以当物体回到原位置时
=0
方向与初角速度
的方向相反
2解：设棒的质量为m ，当棒与水平面成60°角并开始下落时，根据转动定律 M = J α 其中 4/30sin 2
1
mgl mgl M == 于是 2rad/s 35.743===
l
g J M α 当棒转动到水平位置时， M =
2
1mgl 那么 2rad/s 7.1423===l g J M α
3. 解：受力分析如图． mg －T 2 = ma 2 T 1－mg = ma 1
T 2 (2r )－T 1r = 9mr 2α / 2
2r α = a 2 r α=
a 1
解上述5个联立方程，得： r
g
192=
α 4. 解：撤去外加力矩后受力分析如图所示． m 1g －T = m 1a
Tr ＝J α a ＝r α
a = m 1gr / ( m 1r + J / r )
J ＝2
21mr , a =m
m g
m 2
111+
v 0－at ＝0 ∴ t ＝v 0 / a
T 2
a
T
2P
P
α
a 1
m 1 m , r α
0v
P
T
a
5. 解：作示力图．两重物加速度大小a 相同，方向如图 m 1g －T 1＝m 1a T 2－m 2g ＝m 2a
(T 1－T 2)r ＝J α a ＝r α ()()J r m m gr m m ++-=
22121α
开始时系统静止，故t 时刻滑轮的角速度． ()()J
r m m grt m m t
++-==
22121 αω
练习二
填空题
1. 刚体角动量守恒的充分而必要的条件是 .
2. 如图所示,一静止的均匀细棒,长为L 、质量为M , 可绕通过棒的端点且垂直于棒长的光滑固定轴O 在水平面内转动, 转动惯量为ML 2
/3.一质量为m 、速率为v 的子弹在水平面内沿与棒垂直的方向射入并穿出棒的自由端,设穿过棒后子弹的速率为v /2,则此时棒的角速度应为 .
3．人造地球卫星绕地球作椭圆轨道运动，卫星轨道近地点和远地点分别为A 和B ．用L 和
E K 分别表示卫星对地心的角动量及其动能的瞬时值，则应有L A L B ，E KA E kB （填>,<,=）
4. 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
3
1mL 2
，起初杆静止．桌面上有两个质量均为m 的小球，各自在垂直于杆的方向上，正对着杆的一端，以相同速率v 相向运动，如图所示．当两小球同时与杆的两个端点发生完全非弹性碰撞后，就与杆粘在一起转动，则这一系统碰撞后的转动角速度应为 .
O v
俯视图
v /
5. 质量为 kg 的小块物体，置于一光滑水平桌面上．有一绳一端连接此物，另一端穿过桌面中心的小孔（如图所示）．该物体原以3 rad/s 的角速度在距孔 m 的圆周上转动．今将绳从小孔缓慢往下拉，使该物体之转动半径减为 m ．则物体的角速度＝
____________． 参考答案： 一.填空题
1、 刚体所受合外力矩为零.
2、3mv/(2ML ).
3、L A =L B ，E KA >E KB
4、L
76v
5、 12rad/s_
练习三
一.填空题
1. 如图所示，一匀质细杆可绕通过上端与杆垂直的水平光滑固定轴旋转，初始状态为静止悬挂。

现有一个小球自左方水平打击细杆.设小球与细杆之间为非弹性碰撞，则在碰撞过程中对细杆与小球这一系统____________守恒．
2. 一块方板，可以绕通过其一个水平边的光滑固定轴自由转动.最初板自由下垂.今有一小团粘土,垂直板面撞击方板,并粘在板上.对粘土和方板系统,如果忽略空气阻力,在碰撞中守恒的量是 ____________（动能、 绕木板转轴的角动量、 机械能、 动量）
3. 如图所示, 一匀质细杆可绕通过其一端的水平光滑轴在竖直平面内自由转动. 杆长 l = (5/3)m,今使杆从与竖直方向成60°角的位置由静止释放(g 取10m/s 2
), 则杆的最大角速度为____________ 4. 一人站在旋转平台的中央,两臂侧平举,整个系统以2
rad/s 的角
速度旋转，转动惯量为.如果将双臂收回则系统的转动惯量变为.此时系统的转动动能与原来
○ ·
O 60°
的转动动能之比E k/ E k0为____________
参考答案
一.填空题
1、角动量守恒.
2、绕木板转轴的角动量
3、3 rad/s
4、3.。