大学物理-刚体的定轴转动-习题及答案

第4章 刚体的定轴转动 习题及答案

1．刚体绕一定轴作匀变速转动，刚体上任一点是否有切向加速度？是否有法向加速度？切向和法向加速度的大小是否随时间变化？

答：当刚体作匀变速转动时,角加速度β不变。刚体上任一点都作匀变速圆周运动，因此该点速率在均匀变化，v l ω=，所以一定有切向加速度t a l β=，其大小不变。又因该点速度的方向变化，

所以一定有法向加速度2

n a l ω=，由于角速度变化，所以法向加速度的大小也在变化。

2. 刚体绕定轴转动的转动定律和质点系的动量矩定理是什么关系？

答：刚体是一个特殊的质点系，它应遵守质点系的动量矩定理，当刚体绕定轴Z 转动时，动量矩定理的形式为z

z dL M dt

=

，z M 表示刚体对Z 轴的合外力矩，z L 表示刚体对Z 轴的动量矩。()2z i i L m l I ωω==∑,其中()2i i I m l =∑，代表刚体对定轴的转动惯量，所以

()z z dL d d M I I I dt dt dt

ω

ωβ=

===。既 z M I β=。 所以刚体定轴转动的转动定律是质点系的动量矩定理在刚体绕定轴转动时的具体表现形式，

及质点系的动量矩定理用于刚体时在刚体转轴方向的分量表达式。

3．两个半径相同的轮子，质量相同，但一个轮子的质量聚集在边缘附近，另一个轮子的质量分布比较均匀，试问：（1）如果它们的角动量相同，哪个轮子转得快？（2）如果它们的角速度相同，哪个轮子的角动量大？

答：(1)由于L I ω=，而转动惯量与质量分布有关，半径、质量均相同的轮子，质量聚集在边缘附近的轮子的转动惯量大，故角速度小，转得慢，质量分布比较均匀的轮子转得快；

（2）如果它们的角速度相同，则质量聚集在边缘附近的轮子角动量大。

4．一圆形台面可绕中心轴无摩擦地转动，有一玩具车相对台面由静止启动，绕轴作圆周运动，问平台如何运动？如小汽车突然刹车，此过程角动量是否守恒？动量是否守恒？能量是否守恒？

答：玩具车相对台面由静止启动，绕轴作圆周运动时，平台将沿相反方向转动；小汽车突然刹车过程满足角动量守恒，而能量和动量均不守恒。

5．一转速为1200r min 的飞轮，因制动而均匀地减速，经10秒后停止转动，求：

（1） 飞轮的角加速度和从开始制动到停止转动，飞轮所转过的圈数； （2） 开始制动后5秒时飞轮的角速度。 解：（1）由题意飞轮的初角速度为

0240()n rad s ωππ==

飞轮作均减速转动，其角加速度为

20

0404/10

rad s t

ωωπ

βπ--=

=

=-∆ 故从开始制动到停止转动，飞轮转过的角位移为

201

2002

t t rad θωβπ∆=∆+∆=

因此，飞轮转过圈数为

/2θπ∆=100圈。

（2）开始制动后5秒时飞轮的角速度为

0404520()t

rad s ωωβπππ=+∆=-⨯=

6．如图所示， 一飞轮由一直径为2()d m ，厚度为()a m 的圆盘和两个直径为1()d m ，长为()L m 的共轴圆柱体组成，设飞轮的密度为3

(/)kg m ρ，求飞轮对轴的转动惯量。

解：如图所示，根据转动惯量的可加性，飞轮对轴的转动惯量可视为圆盘与两圆柱体对同轴的转动惯量之和。由此可得

12

22

1212222211224421211

2()()2222

1

12()()()()

22222211()()162

I I I d d m m d d d d L a Ld ad kg m ρπρππρ=+=⨯+=⨯⨯⨯+⨯⨯=+⋅ 7. 如图所示，一半径为r ，质量为m 1的匀质圆盘作为定滑轮，绕有轻绳，绳上挂一质量为m 2的重

物，求重物下落的加速度。

解：设绳中张力为T

对于重物按牛顿第二定律有

22m g T m a -= (1)

对于滑轮按转动定律有

2

12

Tr mr β=

(2) 由角量线量关系有

a r β= （3）

联立以上三式解得

a

L

d 1

d 2

8. 如图所示，两个匀质圆盘同轴地焊在一起，它们的半径分别为r 1、r 2，质量为1m 和2m ，可绕过盘心且与盘面垂直的光滑水平轴转动，两轮上绕有轻绳，各挂有质量为3m 和4m 的重物，求轮的角加速度β。

解：设连接3m 的绳子中的张力为T1，连接4m 的绳子中的张力为T2。 对重物3m 按牛顿第二定律有 3133m g T m a -= (1) 对重物4m 按牛顿第二定律有 2444T m g m a -= （2)

对两个园盘，作为一个整体，按转动定律有

112211221122T r T r m r m r β⎛⎫

-=+ ⎪⎝⎭

(3)

由角量线量之间的关系有

31a r β= (4)

42a r β= (5)

联立以上五式解得

3142

2222112231421122

m r m r m r m r m r m r β-=

+++

9. 如图所示，一半径为R ，质量为m 的匀质圆盘，以角速度ω绕其中心轴转动。现将它平放在一水平

板上，盘与板表面的摩擦因数为μ。

（1）求圆盘所受的摩擦力矩；

（2）问经过多少时间后，圆盘转动才能停止？

解：分析：圆盘各部分的摩擦力的力臂不同，为此，可将圆盘分割成许多同心圆环，对环的摩擦力矩积分即可得总力矩。另由于摩擦力矩是恒力矩，由角动量定理可求得圆盘停止前所经历的时间。

（1）圆盘上半径为r 、宽度为dr 的同心圆环所受的摩擦力矩为

22

2

(

2)2/m dM rdr g r r mgdr R R

μπμπ=-⋅⋅=- 负号表示摩擦力矩为阻力矩。对上式沿径向积分得圆盘所受的总摩擦力矩大小为

22

22

3

R

r mgdr M dM dr mgR R μμ===⎰⎰

（2）由于摩擦力矩是一恒力矩，圆盘的转动惯量2

12

I mr =

，由角动量定理可得圆盘停止的ω

r

dF

dr