大学物理刚体习题

刚体的转动习题课本章提要1、描述刚体定轴转动的物理量及运动学公式角速度角加速度距转轴r处质元的线量和角量的关系匀角加速转动公式2、转动定律值得注意的是：J和M必须是一个刚体对同一转轴的转动惯量J和力矩M。若同时存在几个刚体，原则上应对每个刚体列出3、转动惯量刚体的转动惯量与刚体的质量、形状以及转轴的位置有关。计算转动惯量的方法：(1)已知质量分布，由定义式求转动惯量(2)已知两轴间距离，用平行轴定理求解(3)已知刚体系中各个刚体对同一转轴的转动惯量，由叠加法求解。4、刚体力学中的功和能(1)力矩的功(2)刚体转动动能定理(3)刚体机械能守恒定律只有保守力的力矩作功时，刚体的转动动能与势能之和为常量。5、刚体角动量和角动量守恒定律(1)角动量(2)角动量定理(3)角动量守恒定律当刚体(系统)所受外力矩为零时，则刚体(系统)对此轴的总角动量为恒量。例题1一轻绳跨过一定滑轮，滑轮视为圆盘，绳的两端分别悬有质量为m1和m2的物体1和2，m1<m2

如图所示。设滑轮的质量为m

，半径为r，所受的摩擦阻力矩为M

。绳与滑轮之间无相对滑动。试求物体的加速度和绳的张力。m1m2T2

T1

T1T2G2G1aaam1m2解:滑轮具有一定的转动惯量。在转动中受到阻力矩的作用，两边的张力不再相等，设物体1这边绳的张力为T1、T1’(T1’=T1)，

物体2这边的张力为T2、T2’(T2’=T2)因m2>m1，物体1向上运动，物体2向下运动，滑轮以顺时针方向旋转，Mr的指向如图所示。可列出下列方程式中

是滑轮的角加速度，a是物体的加速度。滑轮边缘上的切向加速度和物体的加速度相等，即从以上各式即可解得m1m2T2

T1

T1T2G2G1aaam1m2而当不计滑轮质量及摩擦阻力矩即令m=0、M

=0时，有

上题中的装置叫阿特伍德机，是一种可用来测量重力加速度g的简单装置。因为在已知m1、

m2

、r和J的情况下，能通过实验测出物体1和2的加速度a，再通过加速度把g算出来。在实验中可使两物体的m1和m2相近，从而使它们的加速度a和速度v都较小，这样就能角精确地测出a来。例题2

一半径为R，质量为m匀质圆盘，平放在粗糙的水平桌面上。设盘与桌面间摩擦系数为

，令圆盘最初以角速度

0绕通过中心且垂直盘面的轴旋转，问它经过多少时间才停止转动？rRdr

d

e解：由于摩擦力不是集中作用于一点，而是分布在整个圆盘与桌子的接触面上，力矩的计算要用积分法。在图中，把圆盘分成许多环形质元，每个质元的质量dm=

rd

dre，所受到的阻力矩是r

dmg

。此处e是盘的厚度。圆盘所受阻力矩就是因m=

e

R2，代入得根据定轴转动定律，阻力矩使圆盘减速，即获得负的角加速度.设圆盘经过时间t停止转动，则有由此求得3、已知：均匀直杆m，长为l，初始水平静止，轴光滑，AOl=4

。求:杆下摆q角后，角速度w=?轴对杆作用力vN=?解：杆地球系统，+∵只有重力作功，∴E守恒。初始：，Ek10=

令

EP10=末态：EJko2212=w,

EmglP24=-sinq

则：

12402Jmglowq-=sin

(1)

由平行轴定理

JJmdoc=+2=+=1124748222mlmlml()(2)由(1)、(2)得：

wq=267glsin应用质心运动定理：vvvNmgmac+=$sinlmgNmalcl方向：-+=q

(3)$costmgNmatct方向：

q+=

(4)algcl==4672wqsin

(5)allmgJctlo==444aqcos=37gcosq(6)由(3)(4)(5)(6)可解得：Nmgl=137sin,qNmgt=-47cosqvNmglmgt=-13747sin$cos$qqNmg=+7153162sinqaq==--tgNNtgctgtl11413||()解一：ω=W012J2ω=Lgθsin3ωω=（）θ4、一均质细杆可绕一水平轴旋转，开始时处于水平位置，然后让它自由下落。求：）θLL22mg）θLL22mg解二：5、一质量为M长度为L的均质细杆可绕一水平轴自由转动。开始时杆子处于铅垂状态。现有一质量为m的橡皮泥以速度v

和杆子发生完全非弹性碰撞并且和杆子粘在一起。试求：

1.碰撞后系统的角速度；

2.碰撞后杆子能上摆的最大角度。）θLv4mM3L碰撞过程角动量守恒,得：mvmM34ωJJL=)(+3MMJL2=1mm34JL2=)(mv4991616ωLLL22==++11333mmMM4mvLL3上摆过程机械能守恒，得：3LθL4vmMθωcoscosJ22