第三章刚体力学习题解答课件

第三章 习题解答

3.13 某发动机飞轮在时间间隔t 内的角位移为

):,:(43s t rad ct bt at θθ-+=。求t 时刻的角速度和角加速度。

解：23

212643ct bt ct bt a d d -==-+==

ω

θβω

3.14桑塔纳汽车时速为166km/h ，车轮滚动半径为0.26m ，发动机转速与驱动轮转速比为0.909, 问发动机转速为每分多少转？

解：设车轮半径为R=0.26m ，发动机转速为n 1, 驱动轮转速为n 2, 汽车速度为v=166km/h 。显然，汽车前进的速度就是驱动轮边缘的线速度，

909.0/2212Rn Rn v ππ==，所以：

min

/1054.1/1024.93426.014.3210

166909.02909.013

rev h rev n R v ?=?===????π

3.15 如题3-15图所示，质量为m 的空心圆柱体，质量均匀分布，其内外半径为r 1和r 2，求对通过其中心轴的转动惯量。

解：设圆柱体长为h ，密度为ρ，则半径为r ，厚为dr 的薄圆筒的质量dm 为：

2..dm h r dr ρπ=

对其轴线的转动惯量OO dI '为

232..OO dI r dm h r dr ρπ'==

2

1

222

2112..()2

r OO r I h r r dr m r r ρπ'==

-? 3.17 如题3-17图所示，一半圆形细杆，半径为

，质量为

，

求对过细杆二端

轴的转动惯量。

解：如图所示，圆形细杆对过O 轴且垂直于圆形细杆所在平面的轴的转动惯量为mR 2，根据垂直轴定理z x y I I I =+和问题的对称性知：圆形细杆对过

轴的转动惯量为

1

2

mR 2，由转动惯量的可加性可求得：半圆形细杆对过细杆二端

轴的转动惯量为：21

4

AA I mR '=

3.18 在质量为M ，半径为R 的匀质圆盘上挖出半径为r

的两个圆孔，圆孔中心在半

径R 的中点，求剩余部分对过大圆盘中心且与盘面垂直的轴线的转动惯量。

解：大圆盘对过圆盘中心o 且与盘面垂直的轴线（以下简称o 轴）的转动惯量为

2

2

1MR I =.由于对称放置，两个小圆盘对o 轴的转动惯量相等，设为I’，圆盘质量的面密度σ=M/πR 2，根据平行轴定理，

2

41222

2

2

2

2

1

2

4))(()('r M r r r I R

r M R +=

+=πσπσ

设挖去两个小圆盘后，剩余部分对o 轴的转动惯量为I”

)/2('2"242221

22122124

R r r R M Mr MR I I I R

r M --=--=-= 3.19一转动系统的转动惯量为I=8.0kgm 2，转速为ω=41.9rad/s ，两制动闸瓦对轮的压力都为392N ，闸瓦与轮缘间的摩擦系数为μ=0.4，轮半径为r=0.4m ，问从开始制动到静止需多长时间？

解：由转动定理：

,M I α=

20.43920.415.68/8.0

M rad s I α???===

制动过程可视为匀减速转动，/t αω=?? /41.9/15.68 2.67t s ωα?=?==

3.20一轻绳绕于r=0.2m 的飞轮边缘，以恒力 F=98N 拉绳，如题3-20图（a ）所示。已知飞轮的转动惯量 J=0.5kg.m 2，轴承无摩擦。求 （1）飞轮的角加速度。

（2）绳子拉下5m 时，飞轮的角速度和动能。

（3）如把重量 P=98N 的物体挂在绳端，如题3-20图（b ）所示，再求上面的结果。

解 （1）由转动定理得：

20.29839.20.5

M r F rad s I I α-??====?

（2）由定轴转动刚体的动能定理得：21

2

k A E I ω== k E F h =?=490J

144.27rad s ω-=

==? （3）物体受力如图所示：

P T ma

rT J a r T T α

α?-=??

'=??'

==??解方程组并代入数据得：

2

22

989802217898020598

Pr g ...rad s Pr Jg ...α-??=

==?+?+? 22222111222k P P A E J r J r Ph g g ωωω??==

+=+= ???

133.15rad s ω-=

==? 2211

0533********

k E J *.*..J ω=

== 3.21现在用阿特伍德机测滑轮转动惯量。用轻线且尽可能润滑轮轴。两端悬挂重物质量各为m 1=0.46kg ，m 2=0.5kg ，滑轮半径为0.05m 。自静止始，释放重物后并测得0.5s 内m 2下降了0.75m 。滑轮转动惯量是多少？ 解：

隔离m 2、m 1及滑轮，受力及运动情况如图所示。对m 2、m 1分别应用牛顿第二定律：

)2();1(111222a m g m T a m T g m =-=- 对滑轮应用转动定理：

R Ia I R T T /)(12==-β （3）

质点m 2作匀加速直线运动，由运动学公式：2

2

1at y =?， 222/06.00.5/75.02/2s m t y a =?=?=∴

由 ⑴、⑵可求得 a m m g m m T T )()(121212+--=-,代入（3）中，可求得

21212)](/)[(R m m a g m m I +--=，代入数据：

2221039.105.0)96.006.0/8.904.0(kgm I -?=?-?=

3.22质量为m ，半径为

的均匀圆盘在水平面上绕中心轴转动，如题3-22图所示。盘与水平面的动摩擦因数为

，圆盘的初角速度为0ω，问到停止转动，圆盘共转了多少圈？

解： 22

1

mR I =

如图所示：rdr dm πσ2= g d m r dM μ-=

R mg dr r g gdm r dM M R

μπσμμ3

2

202-=-=-==???

由转动定律：M=d d d d J J J dt d dt d ωωθωωθθ== 得： 002

0122

3mR d mgR d θωωωμθ?=-??? 积分得： 2

38R g

ωθμ?=

所以从角速度为0ω到停止转动，圆盘共转了2

316R g

ωπμ圈。

3.23如图所示，弹簧的倔强系数k=2N/m,可视为圆盘的滑轮半径r=0.05m ，质量m 1=80g ，设弹簧和绳的质量可不计，绳不可伸长，绳与滑轮间无相对滑动，运动中阻力不计，求1kg 质量的物体从静止开始（这时弹簧不伸长）落下1米时，速度的大小等于多少（g 取10m/s 2）

解：以地球、物体、弹簧、滑轮为系统，其能量守恒物

体地桌面处为重力势能的零点，弹簧的原长为弹性势能的零点，

则有：

22

2121110222

12

m v J kx m gh v r J mr x h

ωω?++-=???

?===??

解方程得：v =代入数据计算得：v=1.48m/s 。

即物体下落0.5m 的速度为1.48m/s

3.24如题3-24图所示，均质矩形薄板绕竖直边转动，初始角速度为0ω，转动时受到空气的阻力。阻力垂直于板面，每一小面积所受阻力的大小与其面积及速度平方的乘积成正比，比例常数为k 。试计算经过多少时间，薄板角速度减为原来的一半，设薄板竖直边长为b ，宽为a ，薄板质量为m 。

解；如图所示，取图示的阴影部分为研究对象

v x ω= 22

2

d f k v d S

k x b d x

ω==

23dM x df k bx dx ω=?=

232400

1

4a a

M dM k bx dx k ba ωω===??

d M J dt ω= 24

4d J

dt J d M k ba

ωωω== 02

4242

00

4443/J d J m

t kba kba kba ωωωωωω===?

所以经过

20

43m

kba ω的时间，薄板角速度减为原来的一半。

3-25一个质量为M ，半径为 R 并以角速度ω旋转的飞轮（可看作匀质圆盘），在某一瞬间突破口然有一片质量为m 的碎片从轮的边缘上飞出，见题3-25图。假定碎片脱离飞轮时的瞬时速度方向正好竖直向上， （1）问它能上升多高？

（2）求余下部分的角速度、角动量和转动动能。

解：（1）碎片以R ω的初速度竖直向上运动。上升的高度：2

22

022v R h g g

ω==

（2）余下部分的角速度仍为 ω

角动量 21

2L J (M m )R ωω==-

转动动能 2211

22

k E (M m )R ω=-

3.26两滑冰运动员，在相距1.5m 的两平行线上相向而行。两人质量分别为m A =60kg ，m B =70kg ，他们的速率分别为v A =7m.s -1， v B =6m.s -1，当二者最接近时，便拉起手来，开始绕质心作圆运动，并保持二者的距离为1.5m 。求该瞬时： （1）系统对通过质心的竖直轴的总角动量； （2）系统的角速度；

（3）两人拉手前、后的总动能。这一过程中能量是否守恒？ 解：如图所示， （1）60159

607013

A A

B m l .x m m m ?=

==++ 921151326l x .m -=-=

221607212670691363010A A B B L m v (l x )m v x //.kgm s -=-+=??+??=?? （2）L J ω= 22c c

c c B A L L J m x m (l x )

ω=

=+-，代入数据求得：1867c .rad s ω-=?

（3）以地面为参考系。

拉手前的总动能：22

11122

k A A B B E m v m v =+，代入数据得12730k E J =， 拉手后的总动能：包括两个部分：（1）系统相对于质心的动能（2）系统随质心平动的动能 70660707060

A A

B B

C A B m v m v v m m +?-?=

==++ 2222111

2730222

k c A B c c E J (m m )v J J ωω=

++== 动能不变，总能量守恒（因为两人之间的距离不变，所以两人之间的拉力不做功，故总动能守恒，但这个拉力的冲量不为0，所以总动量不守恒）。

3.27一均匀细棒长为 l ，质量为m ，以与棒长方向相垂直的速度v 0在光滑水平面内平动时，与前方一固定的光滑支点 O 发生完全非弹性碰撞，碰撞点位于离棒中心一方l/4处，如题3-27图所示，求棒在碰撞后的瞬时绕

过O 点垂直于杆所在平面的轴转动的角速度0ω。 解：如图所示：碰撞前后系统对点O 的角动量守恒。 碰撞前后： 104L mv l /=

碰撞前后：2

2

20001124l L J ml m ωω????==+?? ??????

?

由12L L =可求得：20

0127v rad s l

ω-=

?

3.28如题3-28图所示，一质量为m 的小球由一绳索系着，以角速度ω0 在无摩擦的水平面上，作半径为r 0 的圆周运动.如果在绳的另一端作用一竖直向下的拉力，使小球作半径为r 0/2 的圆周运动.试求：（1） 小球新的角速度；（2） 拉力所作的功. 解：如图所示，小球对桌面上的小孔的角动量守恒

（1）初态始角动量 2100

L m r ω=；终态始角动量 2

2014

L mr ω= 由12L L =求得：04ωω= （2）拉力作功：2222110000113222

W J J mr ωωω=

-=

3.29质量为0.50 kg ，长为0.40 m 的均匀细棒，可绕垂直于棒的一端的水平轴转动.如将此棒放在水平位置，然后任其落下，如题3-29图所示，求：（1） 当棒转过60°时的角加速度和角速度；（2） 下落到竖直位置时的动能；（3） 下落到竖直位置时的角速度. 解：设杆长为l ，质量为m

(1) 由同转动定理有：2

32123

l

mg sin g sin M

J

ml l

θθ

α==

=

代入数据可求得：21838.rad s α-=?

由刚体定轴转动的动能定理得：22

11223

l mg cos ml θω=

ω=

17978.rad s ω-=?（也可以用转动定理求得角加速度再积分求得角速度）

（2）由刚体定轴转动的动能定理得：k W E =? 059802098k E mgh ....J ==??= （3

）18573.rad s ω-=

==?

3-30 如题3-30图所示，A 与B 两飞轮的轴杆由摩擦啮合器连接，A 轮的转动惯量J 1 ＝10.0 kg· m 2 ，开始时B 轮静止，A 轮以n 1 ＝600 r· min -1 的转速转动，然后使A 与B 连接，因而B 轮得到加速而A 轮减速，直到两轮的转速都等于n ＝200 r· min -1 为止.求：（1） B 轮的转动惯量；（2） 在啮合过程中损失的机械能.

解：研究对象：A 、B 系统在衔接过程中， 对轴无外力矩作用，故有

常矢=L

()121122J J J J ωωω?+=+

即： 1122

J ()

J ωωωω-=

-代入数据可求得：2220J kg m =?

（2）()22

21122

121122

k E (J J )J J ωωω?=+-+ 代入数据可求得： 413210k E .J ?=-?，负号表示动能损失（减少）

。 3.31质量为m 长为l 的匀质杆，其B 端放在桌上，A 端用

手支住，使杆成水平。突然释放A 端，在此瞬时，求：⑴杆质心的加速度，⑵杆B 端所受的力。

解：⑴以支点B 为转轴，应用转动定理：

l

g l

ml mg 2323

12=∴=ββ，质心加速度 g a l

c 3==β，方向向下。

⑵设杆B 端受的力为N ，对杆应用质心运动定理：N y =0，

N x - mg = - m a c , N x = m(g – a c ) = mg/4

∴ N = mg/4，方向向上。

题3-30图

题3-31图

第三章 刚体力学习题答案

第三章 刚体力学习题答案 3-1 如图3-1示,一轻杆长度为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θ角时的角加速度、 解:系统受外力有三个,即A,B 受到的重力与轴的支撑作用力,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 θ=,故合力矩为 2sin sin sin M mgl mgl mgl θθθ=-= 系统的转动惯量为两个小球(可视为质点)的转动惯量之与 22223J ml ml ml =+= 应用转动定律 M J β= 有:2sin 3mgl ml θβ= 解得 sin 3g l θβ= 3-2 计算题3-2图所示系统中物体的加速度.设滑轮为质量均匀分布的圆柱体,其质量为 M ,半径为r ,在绳与轮边缘的摩擦力作用下旋转,忽略桌面 与物体间的摩擦,设1m ＝50kg,2m ＝200kg,M ＝15kg,r ＝0、 1m 、 解: 分别以1m ,2m 滑轮为研究对象,受力图如图(b)所示.对 1m ,2m 运用牛顿定律,有 a m T g m 222=- ① a m T 11= ② 对滑轮运用转动定律,有 β)2 1(212Mr r T r T =- ③ 又, βr a = ④ 联立以上4个方程,得 2212s m 6.721520058.92002-?=++?=++=M m m g m a 图3-1 图3-2

3-3 飞轮质量为60kg,半径为0、25m,当转速为1000r/min 时,要在5s 内令其制动,求制动 力F ,设闸瓦与飞轮间摩擦系数μ＝0、4,飞轮的转动惯量可 按匀质圆盘计算,闸杆尺寸如图所示、 解:以飞轮为研究对象,飞轮的转动惯量212J mR =,制动前角速度为1000260ωπ=?rad/s,制动时角加速度为t ωβ-=- 制动时闸瓦对飞轮的压力为N F ,闸瓦与飞轮间的摩擦力f N F F μ=,运用转动定律,得 212f F R J mR ββ-== 则 2N mR F t ωμ= 以闸杆为研究对象,在制动力F 与飞轮对闸瓦的压力N F -的力矩作用下闸杆保持平衡,两力矩的作用力臂分别为(0.500.75)l =+m 与1l ＝0-50m,则有 10N Fl F l -= 110.50600.252100015720.500.7520.4560 N l l mR F F l l t ωπμ???===?=+???N 3-4 设有一均匀圆盘,质量为m ,半径为R ,可绕过盘中心的光滑竖直轴在水平桌面上转 动、 圆盘与桌面间的滑动摩擦系数为μ,若用外力推动它使其角速度达到0ω时,撤去外力,求: (1) 此后圆盘还能继续转动多少时间？ (2) 上述过程中摩擦力矩所做的功、 解:(1)撤去外力后,盘在摩擦力矩f M 作用下停止转动- 设盘质量密度为2m R σπ=,则有 20223 R f M g r dr mgR μπσμ==? 根据转动定律 21,2f M J mR J α-== 43g R μα-= 图3-3

刚体力学基础 习题 解答

衡水学院 理工科专业 《大学物理B 》 刚体力学基础 习题 命题教师:郑永春 试题审核人:张郡亮 一、填空题(每空1分) 1、三个质量均为m 的质点,位于边长为a 的等边三角形的三个顶点上。此系统对通过三角形中心并垂直于三角形平面的轴的转动惯量J 0＝__ ma 2 _,对通过三角形中心且平行于其一边的轴的转动惯量为J A ＝__ 12 ma 2 _,对通过三角形中心与一个顶点的轴的转动惯量为J B ＝__ 2 1ma 2 。 2、两个质量分布均匀的圆盘A 与B 的密度分别为ρA 与ρB (ρA >ρB ),且两圆盘的总质量与厚度均相同。设两圆盘对通过盘心且垂直于盘面的轴的转动惯量分别为J A 与J B ,则有J A < J B 。 3、 一作定轴转动的物体,对转轴的转动惯量J ＝3、0 kg ·m 2,角速度ω0＝6、0 rad/s.现对物体加一恒定的制动力矩M ＝－12 N ·m,当物体的角速度减慢到ω＝2、0 rad/s 时,物体已转过了角度?θ＝__ 4、0rad 4、两个滑冰运动员的质量各为70 kg,均以6、5 m/s 的速率沿相反的方向滑行,滑行路线间的垂直距离为10 m,当彼此交错时,各抓住一10 m 长的绳索的一端,然后相对旋转,则抓住绳索之后各自对绳中心的角动量L ＝__2275 kg·m 2·s 1 _;它们各自收拢绳索,到绳长为5 m 时,各自的速率υ ＝__13 m·s 1_。 5、有一质量均匀的细棒,可绕垂直于棒的一端的水平轴转动。如将此棒放在水平位置,然后任其下落,则在下落过程中的角速度大小将 变大 ,角加速度大小将 变小 。 二、单项选择题(每小题2分) ( A )1、有两个力作用在一个有固定转轴的刚体上,下列说法正确的就是: A 、这两个力都平行于轴作用时,它们对轴的合力矩一定就是零; B 、这两个力都垂直于轴作用时,它们对轴的合力矩一定就是零; C 、当这两个力的合力为零时,它们对轴的合力矩也一定就是零; D 、当这两个力对轴的合力矩为零时,它们的合力也一定就是零。 ( C )2、一轻绳绕在有水平轴的定滑轮上,滑轮的转动惯量为J ,绳下端挂一物体。物体所受重力为P ,滑轮的角加速度为α.若将物体去掉而以与P 相等的力直接向下拉绳子,滑轮的角加速度α将 A 、不变; B 、变小; C 、变大; D 、如何变化无法判断。 ( C )3、关于刚体的转动惯量,下列说法中正确的就是 A 、只取决于刚体的质量,与质量的空间分布与轴的位置无关; B 、取决于刚体的质量与质量的空间分布,与轴的位置无关; C 、取决于刚体的质量、质量的空间分布与轴的位置; D 、只取决于转轴的位置,与刚体的质量与质量的空间分布无关。 ( C )4、一人造地球卫星到地球中心O 的最大距离与最小距离分别就是R A 与R B .设卫星对应的角动量分别就是L A 、L B ,动能分别就是E KA 、E KB ,则应有 A 、L B > L A ,E KA = E KB ; B 、L B < L A ,E KA = E KB ; C 、L B = L A ,E KA < E KB ; D 、L B = L A , E KA > E KB . ( C )5、一圆盘正绕垂直于盘面的水平光滑固定轴O 转动,如图1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,子弹射入圆盘并且留在盘内, 则子弹射入后的瞬间,圆盘的角速度ω O M m m

《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 =+v v v 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 -?v ； （B ）29kN m ?v ； （C ）29kN m -?v ； （D ）3kN m ?v 。 【提示：(43)(35)43020929350i j k M r F i j i j k k k =?=-?+=-=+=v v v v v v v v v v v v v 】 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。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，下述说法正确的是：（ ） （A ）角速度从小到大，角加速度不变； （B ）角速度从小到大，角加速度从小到大； （C ）角速度从小到大，角加速度从大到小； O A

大学物理第3章 刚体力学习题解答

第3章 刚体力学习题解答 3.13 某发动机飞轮在时间间隔t 内的角位移为 ):,:(43s t rad ct bt at θθ-+=。求t 时刻的角速度和角加速度。 解：23 212643ct bt ct bt a d d -==-+== ω θβω 3.14桑塔纳汽车时速为166km/h ，车轮滚动半径为0.26m ，发动机转速与驱动轮转速比为0.909, 问发动机转速为每分多少转？ 解：设车轮半径为R=0.26m ，发动机转速为n 1, 驱动轮转速为n 2, 汽车速度为v=166km/h 。显然，汽车前进的速度就是驱动轮边缘的线速度， 909.0/2212Rn Rn v ππ==，所以： min /1054.1/1024.93426.014.3210 166909.02909.013 rev h rev n R v ?=?===????π 3.15 如题3-15图所示，质量为m 的空心圆柱体，质量均匀分布，其内外半径为r 1和r 2，求对通过其中心轴的转动惯量。 解：设圆柱体长为h ，则半径为r ，厚为dr 的薄圆筒的质量dm 为： 2..dm h r dr ρπ= 对其轴线的转动惯量dI z 为 232..z dI r dm h r dr ρπ== 2 1 2222112..()2 r z r I h r r dr m r r ρπ== -? 3.17 如题3-17图所示，一半圆形细杆，半径为 ，质量为 ， 求对过细杆二端 轴的转动惯量。 解：如图所示，圆形细杆对过O 轴且垂直于圆形细杆所在平面的轴的转动惯量为mR 2，根据垂直轴定理z x y I I I =+和问题的对称性知：圆形细杆对过 轴的转动惯量为 1 2 mR 2，由转动惯量的可加性可求得：半圆形细杆对过细杆二端 轴的转动惯量为：21 4 AA I mR '=

第五章刚体力学参考答案

第五章 刚体力学参考答案（2014） 一、 选择题 [ C ]1、【基础训练2】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m 1和m 2的物体(m 1＜m 2)，如图5-7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． (C) 右边大于左边． (D) 哪边大无法判断． 【提示】： 逆时针转动时角速度方向垂直于纸面向外,由于m 1＜m 2,实际上滑轮在作减速转动,角加速度方向垂直纸面向内,设滑轮半径为R,受右端绳子向下拉力为T 2，左端绳子向下拉力为T 1，对滑轮由转动定律得:(T 2-T 1)R=J [ D ]2、【基础训练3】如图5-8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．杆身与竖直方向成角，则A 端对墙壁的压力大 (A) 为 41mg cos ． (B)为2 1 mg tg ． (C) 为 mg sin ． (D) 不能唯一确定 图5-8 【提示】： 因为细杆处于平衡状态，它所受的合外力为零，以B 为参考点，外力矩也是平衡的，则有： A B N f = A B f N mg += θθθlcon N l f l mg A A +=sin sin 2 三个独立方程有四个未知数，不能唯一确定。 [ C ] 3、基础训练（7）一圆盘正绕垂直于盘面的水平光滑固定轴O 转动，如图5-11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，子弹射入圆盘并且留在盘内，则子弹射入后的瞬间，圆盘的角速度 (A) 增大． (B) 不变． (C) 减小． (D) 不能确定． 【提示】： 把三者看作同一系统时,系统所受合外力矩为零,系统角动量守恒。 m 2 m 1 O 图5-7 O M m m 图5-11

大学物理刚体力学基础习题思考题及答案

习题5 5-1.如图，一轻绳跨过两个质量为 m 、半径为r 的均匀圆盘状定滑轮，绳的两端 分别挂着质量为2m 和m 的重物，绳与滑轮间无相对滑动，滑轮轴光滑，两个定 滑轮的转动惯量均为 mr 2 / 2，将由两个定滑轮以及质量为 2m 和m 的重物组成 的系统从静止释放，求重物的加速度和两滑轮之间绳的力。 解：受力分析如图，可建立方程： 广 2mg T 2 2ma ① T1 mg ma ② J (T 2 T)r J ③ (T T 1)r J ④ 虹 a r , J mr 2/2 ⑤ 联立，解得：a 1g, T 4 上，设开始时杆以角速度 °绕过中心O 且垂直与桌面的轴转动，试求： （1）作 用于杆的摩擦力矩；（2）经过多长时间杆才会停止转动。 解：（1）设杆的线密度为: d f dmg gd x, 微元摩擦力矩：d M g xd x , （2）根据转动定律 M J J 马, t 有： 0 Mdt Jd dt 1 . -mglt 1 [2 —m l 0, . . t _oL 4 12 3 g 或利用： M t J J 0,考虑到 0, J 1 | 2 一 ml , 12 有：t ol 。 11 a mg 5-2.如图所示，一均匀细杆长为 l ,质量为m ,平放在摩擦系数为 的水平桌面 一小质元dm dx,有微元摩擦力: 考虑对称性, l_ M 2 2 有摩擦力 矩： gxdx 1

5-3.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MR2/2，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：受力分析如图，可建立方程： r mg T ma ① * TR J ② —, 1 ~2 — k a R , J — mR —-③ 2 2mg Mmg 联立，解得：a ------------ — , T ----------- —, 考虑到a四，.?. v dv 「旦—dt,有：v dt 0 0 M 2m M 2m 5-4.轻绳绕过一定滑轮，滑轮轴光滑，滑轮的质量为M /4，均匀分布在其边缘上，绳子A端有一质量为M的人抓住了绳端，而在绳的另一端B系了一质量为M /4的重物，如图。已知滑轮对O 轴的转动惯量J MR2 /4 ,设人从静止开始以相对绳匀速向上爬时，绳与滑轮间无相对滑动，求B端重物上升的加速度？ 解一： 分别对人、滑轮与重物列出动力学方程 Mg T1Ma A人 T2M 4g M 心 a B物 4 T1R T2R J滑轮 由约束方程：a A a B R 和J MR2/4,解上述方程组 得到a —. 2 解二： 选人、滑轮与重物为系统，设 U为人相对绳的速度，V为重

刚体力学习题解答

第三章习题解答 3.13 某发动机飞轮在时间间隔t内的角位移为 。求t时刻的角速度和角加速度。 解： 3.14桑塔纳汽车时速为166km/h，车轮滚动半径为0.26m，发动机转速与驱动轮转速比为0.909, 问发动机转速为每分多少转？ 解：设车轮半径为R=0.26m，发动机转速为n1, 驱动轮转速为n2, 汽车速度为v=166km/h。显然，汽车前进的速度就是驱动轮边缘的线速度，，所以： 3.15 如题3-15图所示，质量为m的空心圆柱体，质量均匀分布，其内外半径为r1和r2，求对通过其中心轴的转动惯量。 解：设圆柱体长为h ，密度为，则半径为r，厚为dr的薄圆筒的质量dm 为： 对其轴线的转动惯量为

3.17 如题3-17图所示，一半圆形细杆，半径为 ，质量为 ，求对过细杆二端 轴的转动惯量。 解：如图所示，圆形细杆对过O轴且垂直于圆形细杆所在平面的轴的转动惯量为mR2，根据垂直轴定理和问题的对称性知：圆形细杆对过 轴的转动惯量为mR2，由转动惯量的可加性可求得：半圆形细杆对过细杆二端 轴的转动惯量为： 3.18 在质量为M，半径为R的匀质圆盘上挖出半径为r的两个圆孔，圆孔中心在半

径R的中点，求剩余部分对过大圆盘中心且与盘面垂直的轴线的转动 惯量。 解：大圆盘对过圆盘中心o且与盘面垂直的轴线（以下简称o轴）的转动惯量为 .由于对称放置，两个小圆盘对o轴的转动惯量相等，设为I’，圆盘质量的面密度σ=M/πR2，根据平行轴定理， 设挖去两个小圆盘后，剩余部分对o轴的转动惯量为I” 3.19一转动系统的转动惯量为I=8.0kgm2，转速为ω=41.9rad/s，两制 动闸瓦对轮的压力都为392N，闸瓦与轮缘间的摩擦系数为μ=0.4，轮半径为r=0.4m，问从开始制动到静止需多长时间？ 解：由转动定理： 制动过程可视为匀减速转动， 3.20一轻绳绕于r=0.2m的飞轮边缘，以恒力F=98N拉绳，如题3-20图

大学物理刚体力学基础习题思考题及答案

大学物理刚体力学基 础习题思考题及答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

2 习题5 5-1．如图，一轻绳跨过两个质量为m 、半径为r 的均匀圆盘状定滑轮，绳的两端分别挂着质量为m 2和m 的重物，绳与滑轮间无相对滑动，滑轮轴光滑，两个定滑轮的转动惯量均为2/2mr ，将由两个定滑轮以及质量为m 2和m 的重物组成的系统从静止释放，求重物的加速度和两滑轮之间绳内的张力。 解：受力分析如图，可建立方程： ma T mg 222=-┄① ma mg T =-1┄② 2()T T r J β-=┄③ βJ r T T =-)(1┄④ βr a = ，2/2J mr =┄⑤ 联立，解得：g a 41=，mg T 8 11= 。 5-2．如图所示，一均匀细杆长为l ，质量为m ，平放在摩擦系数为μ的水平桌面上，设开始时杆以角速度0ω绕过中心O 且垂直与桌面的轴转动，试求：（1）作用于杆的摩擦力矩；（2）经过多长时间杆才会停止转动。 解：（1）设杆的线密度为：l m =λ，在杆上取一小质元dm d x λ=，有微元摩擦 力： d f dmg gd x μμλ==， 微元摩擦力矩：d M g xd x μλ=， 考虑对称性，有摩擦力矩： 20124 l M g xd x mgl μλμ==?； （2）根据转动定律d M J J dt ωβ==，有：000t Mdt Jd ωω-=??， T

3 2011412mglt m l μω-=-，∴03l t g ωμ=。 或利用：0M t J J ωω-=-，考虑到0ω=，2112J ml = ， 有：03l t g ωμ=。 5-3．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：受力分析如图，可建立方程： m g T ma -=┄① βJ TR =┄② a R β= ，212 J mR =┄③ 联立，解得：22mg a M m =+，2Mmg T M m =+， 考虑到dv a dt =，∴0022v t mg dv dt M m =+??，有：22mg t v M m =+。 5-4．轻绳绕过一定滑轮，滑轮轴光滑，滑轮的质量为 4/M ，均匀分布在其边缘上，绳子A 端有一质量为M 的 人抓住了绳端，而在绳的另一端B 系了一质量为4/M 的 重物，如图。已知滑轮对O 轴的转动惯量4/2MR J =， 设人从静止开始以相对绳匀速向上爬时，绳与滑轮间无 相对滑动，求B 端重物上升的加速度？ 解一：

大学物理 第三章 刚体力学

班级： 姓名： 一、选择题 1、一质点作匀速率圆周运动时，则质点的（ ） (A)动量不变，对圆心的角动量也不变． (B)动量不变，对圆心的角动量不断改变． (C)动量不断改变，对圆心的角动量不变． (D)动量不断改变，对圆心的角动量也不断改变． 2、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O 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 ( ) (A) 只有机械能守恒． (B) 只有动量守恒． (C) 只有对转轴O 的角动量守恒． (D) 机械能、动量和角动量均守恒． 3、刚体角动量守恒的充分而必要的条件是 （ ） (A) 刚体不受外力矩的作用． (B) 刚体所受合外力矩为零． (C) 刚体所受的合外力和合外力矩均为零． (D) 刚体的转动惯量和角速度均保持不变． 4、一水平圆盘可绕通过其中心的固定竖直轴转动，盘上站着一个人.把人和圆盘取作系统，当此人在盘上随意走动时，若忽略轴的摩擦，此系 统 （ ） (A) 动量守恒． (B) 机械能守恒． (C) 对转轴的角动量守恒． (D) 动量、机械能和角动量都守恒． 二、填空题： 1. 一质量为m 的质点沿着一条曲线运动，其位置矢量在空间直角座标系中的表达式为 j t b i t a r ωωs i n c o s +=，其中a 、b 、ω皆为常量，则此质点对原点的角动量为_____ ；此质点所受对原点的力矩_____． 2、一正方形abcd 边长为L ，它的四个顶点各有 一个质量为m 的质点，此系统对下面三种转轴的 转动惯量： （1）Z 1轴： （2）Z 2轴： （3）Z 33、一人造地球卫星绕地球做椭圆轨道运动，则卫星的动量 ，动能 ，机械能 ，对地心的角动量 。（填“守恒”或“不守恒”） 4、刚体的转动惯量与 、 及 有关。 5、一质量为2kg 的质点在某一时刻的位置矢量为23r i j =+ （m ）,该时刻的速度为32i j υ=+ （m/s ）,则质点此时刻的动量p = ，相对于坐标 原点的角动量L = 。 三、简答题： 1、力学中常见三大守恒定律是什么？ 2、试用所学知识说明（1）芭蕾舞演员、花样滑冰运动员在原地快速旋转动作；（2）为什么体操和跳水运动中直体的空翻要比屈体、团体的空翻难度大。

第三章 刚体力学 南京大学出版社 习题解答

第三章 习题解答 3.13 某发动机飞轮在时间间隔t 内的角位移为 ):,:(43s t rad ct bt at θθ-+=。求t 时刻的角速度和角加速度。 解：23 212643ct bt ct bt a d d -==-+== ω θβω 3.14桑塔纳汽车时速为166km/h ，车轮滚动半径为0.26m ，发动机转速与驱动轮转速比为0.909, 问发动机转速为每分多少转？ 解：设车轮半径为R=0.26m ，发动机转速为n 1, 驱动轮转速为n 2, 汽车速度为v=166km/h 。显然，汽车前进的速度就是驱动轮边缘的线速度， 909.0/2212Rn Rn v ππ==，所以： min /1054.1/1024.93426.014.3210 166909.02909.013 rev h rev n R v ?=?===????π 3.15 如题3-15图所示，质量为m 的空心圆柱体，质量均匀分布，其内外半径为r 1和r 2，求对通过其中心轴的转动惯量。 解：设圆柱体长为h ，密度为ρ，则半径为r ，厚为dr 的薄圆筒的质量dm 为： 2..dm h r dr ρπ= 对其轴线的转动惯量OO dI '为 232..OO dI r dm h r dr ρπ'== 2 1 222 2112..()2 r OO r I h r r dr m r r ρπ'== -? 3.17 如题3-17图所示，一半圆形细杆，半径为 ，质量为 ，求对过细杆二端 轴 的转动惯量。 解：如图所示，圆形细杆对过O 轴且垂直于圆形细杆所在平面的轴的转动惯量为mR 2， 根据垂直轴定理z x y I I I =+和问题的对称性知：圆形细杆对过轴的转动惯量为1 2mR 2， 由转动惯量的可加性可求得：半圆形细杆对过细杆二端 轴的转动惯量为： 21 4 AA I mR '= 3.18 在质量为M ，半径为R 的匀质圆盘上挖出半径为r 的两个圆孔，圆孔中心在半径R 的中点，求剩余部分对过大圆盘中心且与盘面垂直的轴线的转动惯量。 解：大圆盘对过圆盘中心o 且与盘面垂直的轴线（以下简称o 轴）的转动惯量为

刚体习题和答案

作业5 刚体力学 ?刚体：在力的作用下不发生形变的物体 ?=-?= 21 0t t dt dt d ωθθθ ω角速度 ?=-?=21 0t t dt dt d βωωω β角加速度 1、基础训练（8）绕定轴转动的飞轮均匀地减速，t ＝0时角速度为05rad s ω=，t ＝20s 时角速度为00.8ωω=，则飞轮的角加速度β= -0.05 rad/s 2 ，t ＝0到 t ＝100 s 时间飞 轮所转过的角度θ= 250rad ． 【解答】 飞轮作匀变速转动，据0t ωωβ=+，可得出：20 0.05rad s t ωωβ-==- 据2 012 t t θωβ=+ 可得结果。 ?定轴转动的转动定律： 定轴转动的角加速度与它所受的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比. βJ M = 质点运动与刚体定轴转动对照 [C ] 1、基础训练（2）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m 1和m 2的物体(m 1＜m 2)，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，则绳中的力 (A) 处处相等． (B) 左边大于右边． (C) 右边大于左边． (D) 哪边大无法判断． 【解答】 逆时针转动时角速度方向垂直于纸面向外, 由于(m 1＜m 2)，实际上滑轮在作减速转动,角加速度方向垂直纸面向,所以,由转动定律21()T T R J β-=可得：21T T > m 2 m 1 O

[ C ] 2、自测提高（2）将细绳绕在一个具有水平光滑轴的飞轮边缘上，现在在绳端挂一质量为m 的重物，飞轮的角加速度为．如果以拉力2mg 代替重物拉绳时，飞轮的角加速度将 (A) 小于． (B) 大于，小于2． (C) 大于2． (D) 等于2． 【解答】 设飞轮的半径为R ,质量为m ，根据刚体定轴转动定律M J β=，当挂质量为m 的重物是： mg T ma TR J a R ββ -=== 所以2 mgR J mR β= +,当以2F mg =的拉力代替重物拉绳时，有： '2mgR J β=，2'mgR J β=，比较二者可得出结论。 3、基础训练（9）一长为l ，质量可以忽略的直杆，可绕通过其一端的水平光滑轴在竖直平面作定轴转动，在杆的另一端固定着一质量为m 的小球，如图5-12所示．现将杆由水平位置无初转速地释放．则杆刚被释放时的角加速度β0= g/l ，杆与水平方向夹角为60°时的角加速度β= g/2l ． 【解答】 由转动定律:M J β= (1)开始时杆处于水平位置: 0mgl J β= 其中 2 J ml =为小球相对于转轴的转动惯量,得：0g l β= (2) cos mgl J θβ=, 2g l β= 的质量分别为m A 、m B 和m C ，滑轮的半径为R ，滑轮对轴的转动惯量J ＝ 2 1 m C R 2．滑块A 与桌面间、滑轮与轴承之间均无摩擦，绳的质量可不计，绳与滑轮之间无相对滑动．滑块A 的加速度C B A B m m m g m a ++= )(22 【解答】 由转动定律得: B A T R T R J β-= (1) B B B G T m a -= (2) A A T m a = (3) a R β= (4) 4个方程,共有4个未知量: A T 、B T 、a 和β。可求：()22B A B c a m g m m m =++???? m m r r 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，求盘的角加速度 l m C A B G B T B T A

大学物理刚体力学基础习题思考题及答案.docx

` 习题 5 5-1．如图，一轻绳跨过两个质量为 m 、半径为 r 的均匀圆盘状定滑轮，绳的两端分别挂着质量为 2m 和 m 的重物，绳与滑轮间无相对滑动，滑轮轴光滑，两个定 滑轮的转动惯量均为 mr 2 / 2 ，将由两个定滑轮以及质量为 2m 和 m 的重物组成 的系统从静止释放，求重物的加速度和两滑轮之间绳的力。 解：受力分析如图，可建立方程： 2mg T 2 2ma ┄① T 1 mg ma ┄② (T 2 T )r J ┄③ (T T 1 )r J ┄④ a r ， J mr 2 / 2 ┄⑤ T 联立，解得： a 1 g ， T 11 mg 。 4 8 5-2．如图所示，一均匀细杆长为 l ，质量为 m ，平放在摩擦系数为 的水平桌面 上，设开始时杆以角速度 0 绕过中心 O 且垂直与桌面的轴转动，试求： （ 1）作 用于杆的摩擦力矩； （ 2）经过多长时间杆才会停止转动。 解：（ 1）设杆的线密度为： m ，在杆上取 l 一小质元 dm d x ，有微元摩擦力： d f dmg gd x ， 微元摩擦力矩： d M g xd x ， 考虑对称性，有摩擦力矩： l 1 M 2 2 g xd x mgl ； 0 4 J d M J t Mdt （ 2）根据转动定律 ，有： Jd ， dt 1 mglt 1 2 0 ，∴ t 0 l 4 m l 。 12 3 g 或利用： M t J J 0 ，考虑到 0 ， J 1 ml 2 ， 0 l 12 有： t 3 。 g

刚体力学基础习题思考题

5-1. 如图，一轻绳跨过两个质量为m 、半径为r 的均匀圆盘状定滑轮，绳的两端分别挂着质量为m 2和m 的重物，绳与滑轮间无相对滑动，滑轮轴光滑，两个定滑轮的转动惯量均为2/2 mr ，将由两个定滑轮以及质量为m 2和m 的重物组成的系统从静止释放，求重物的加速度和两滑轮之间绳内的张力。 解：受力分析如图 ma T mg 222=- （1） ma mg T =-1 （2） βJ r T T =-)(12 （3） βJ r T T =-)(1 （4） βr a = (5) 联立 g a 41= ， mg T 811= 5-2. 如图所示,一均匀细杆长为l ，质量为m ，平放在摩擦系数为μ的水平桌面上,设开始时杆以角速度0ω绕过中心O 且垂直与桌面的轴转动，试求:（1）作用于杆的摩擦力矩； （2）经过多长时间杆才会停止转动。 （1） 设杆的线l m =λ，在杆上取一小质元dx dm λ= gdx dmg df μλμ== gxdx dM μλ= 考虑对称 mgl gxdx M l μμλ?==204 12 （2） 根据转动定律d M J J dt ωβ==

??=-t w Jd Mdt 00 0ω 0212 141ωμml mglt -=- 所以 g l t μω30= 5-3. 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2/2 MR ，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。 dt dv m ma T mg ==- βJ TR = βR dt dv = 整理 mg dt dv M m =+ )21( gdt M m m dv t v ??+=0021 2M m mgt v +=

大学物理第3章-刚体力学习题解答

第3章刚体力学习题解答 3.13某发动机飞轮在时间间隔t的角位移为 0 = at+ bt' -ct A(0 : radJ : 5)。求t时刻的角速度和角加速度。 解：co = ^ = a + 3bt- -4ct- P = ^ = 6ht-\2ct2 3.14桑塔纳汽车时速为166km/h,车轮滚动半径为0.26m,发动机转速与驱动轮转速比为0.909,问发动机转速为每分多少转？ 解：设车轮半径为R=0.26m,发动机转速为n h驱动轮转速为n2,汽车速度为 v=166km/ho显然，汽车前进的速度就是驱动轮边缘的线速度， # = 2兀血2 =2兀&"0.909 ,所以： “=黠=?囁熠=9.24xl04 w//7 = 1.54x103rev/ min 3.15如题3-15图所示，质量为加的空心圆柱体，质量均匀分布，其外半径为门和厂2,求对通过其中心轴的转动惯量。 解：设圆柱体长为力，则半径为r,厚为dr的薄圆筒的质量dm为： dm = hp2mlr 对其轴线的转动惯量dl z?为 dl: = rdm = hplTV.r .dr 3.17如题3-17图所示，一半圆形细杆，半径为，质量为，求对 7二A 过细杆二端轴的转动惯量。 解：如图所示，圆形细杆对过O轴且垂直于圆形细杆所在平面的轴的转动惯量为mR2, 根据垂直轴定理/：=人+人和问题的对称性知：圆形细杆对过轴的转动惯量为|mR2, III 2 转动惯量的可加性可求得：半圆形细杆对过细杆二端轴的转动惯量为：I^=-mR2 3.18在质量为半径为R的匀质圆盘上挖出半径为r的两个圆孔，圆孔中心在半径R 的中点，求剩余部分对过大圆盘中心且与盘面垂直的轴线的 ____

(完整版)静力学基础测试题

静力学基础测试卷 姓名：成绩： 一、是非题（每题3分，30分） 1．力有两种作用效果，即力可以使物体的运动状态发生变化，也可以使物体发生变形。 （）2．在理论力学中只研究力的外效应。（）3．两端用光滑铰链连接的构件是二力构件。（）4．作用在一个刚体上的任意两个力成平衡的必要与充分条件是：两个力的作用线相同，大小相等，方向相反。（）5．作用于刚体的力可沿其作用线移动而不改变其对刚体的运动效应。（）6．三力平衡定理指出：三力汇交于一点，则这三个力必然互相平衡。（）7．平面汇交力系平衡时，力多边形各力应首尾相接，但在作图时力的顺序可以不同。 （）8．约束力的方向总是与约束所能阻止的被约束物体的运动方向一致的。（） 9. 力偶只能使刚体发生转动，不能使刚体移动。（） 10.固定铰链的约束反力是一个力和一个力偶。（） 二、选择题（每题4分，24分） 1．若作用在A点的两个大小不等的力F 1和F2，沿同一直线但方向相反。 则其合力可以表示为。 ①F1－F2； ②F2－F1； ③F1＋F2； 2．作用在一个刚体上的两个力F A、F B，满足F A=－F B的条件，则该二力可能是 。 ①作用力和反作用力或一对平衡的力；②一对平衡的力或一个力偶。 ③一对平衡的力或一个力和一个力偶；④作用力和反作用力或一个力偶。 3．三力平衡定理是。 ①共面不平行的三个力互相平衡必汇交于一点； ②共面三力若平衡，必汇交于一点； ③三力汇交于一点，则这三个力必互相平衡。 4．已知F1、F2、F3、F4为作用于刚体上的平面共点力系，其力矢 关系如图所示为平行四边形，由此。 ①力系可合成为一个力偶； ②力系可合成为一个力； ③力系简化为一个力和一个力偶； ④力系的合力为零，力系平衡。

大学物理第3章 刚体力学习题解答

第3章 刚体力学习题解答 3、13 某发动机飞轮在时间间隔t 内得角位移为 。求t 时刻得角速度与角加速度。 解: ３、14桑塔纳汽车时速为16６km/h,车轮滚动半径为0、26m,发动机转速与驱动轮转速比为0、90９, 问发动机转速为每分多少转？ 解：设车轮半径为Ｒ=０、2６m,发动机转速为n 1， 驱动轮转速为ｎ2， 汽车速度为v=166k ｍ/h 。显然,汽车前进得速度就就是驱动轮边缘得线速度, ，所以: min /1054.1/1024.93426 .014.3210 166909.02909.013 rev h rev n R v ?=?===????π 3、15 如题3-15图所示,质量为ｍ得空心圆柱体,质量均匀分布,其内外半径为r １与r 2,求对通过其中心轴得转动惯量。 解：设圆柱体长为h ,则半径为r ，厚为dr 得薄圆筒得质量dm 为: 对其轴线得转动惯量dI z 为 3、１7 如题3-17图所示,一半圆形细杆,半径为 ,质量为 ,求对过细杆二端 轴得转动惯量。 解:如图所示,圆形细杆对过O 轴且垂直于圆形细杆所在平面得轴得转动惯量为mR 2,根据垂直轴定理与问题得对称性知:圆形细杆对过 轴得转动惯量为mR 2,由转动惯量得可加性可求得:半圆形细杆对过细杆二端 轴得转动惯量为： 3、1８ 在质量为M,半径为R 得匀质圆盘上挖出半径为ｒ得两个圆孔,圆孔中心在半径R 得中点，求剩余部分对过大圆盘中心且与盘面垂直得轴线得转动惯量。 解：大圆盘对过圆盘中心ｏ且与盘面垂直得轴线(以下简称o 轴)得转动惯量为 、由于对称放置,两个小圆盘对ｏ轴得转动惯量相等，设为I’,圆盘质量得面密度σ＝Ｍ/πR 2,根据平行轴定理, 设挖去两个小圆盘后,剩余部分对o 轴得转动惯量为Ｉ” )/2('2"242221 22122124 R r r R M Mr MR I I I R r M --=--=-= 3、19一转动系统得转动惯量为I=8、0ｋgm 2,转速为ω=41、９r ａd/s,两制动闸瓦对轮得压力都为３9２Ｎ,闸瓦与轮缘间得摩擦系数为μ=0、４,轮半径为r=０、4m,问从开始制动到静止需多长时间? 解:由转动定理:

3-刚体力学基础

图3-1 大 学 物 理 习 题 3．刚体力学基础 一、选择题 1．有些矢量是相对于一定点（或轴）而确定的，有些矢量是与定点（或轴）的选择无关的。下列给出的各量中，相对于定点（或轴）而确定的物理量是： A ．矢径 B ．位移 C ．速度 D ．动量 E ．角动量 F ．力 G ．力矩 （ ） 2．在下列关于转动定律的表述中，正确的是： A ．对作定轴转动的刚体而言，力矩不会改变刚体的角加速度； B ．两个质量相等的刚体，在相同力矩的作用下，运动状态的变化情况一定相同； C ．同一刚体在不同力矩作用下，必然得到不同的角加速度； D ．作用在定轴转动刚体上的力越大，刚体转动的角加速度越大； E ． 刚体定轴转动的转动定律为βJ M =，式中β,,J M 均对同一条固定轴而言的， 否则该式不成立。。 （ ） 3．工程技术上的摩擦离合器是通过摩擦实现传动的装置，其结构如图3-1所示。轴向作用力可以使A 、B 两个飞轮实现离合。当A 轮与B 轮接合通过摩擦力矩带动B 轮转动时，则此刚体系统在两轮接合前后 A ．角动量改变，动能也改变； B ．角动量改变，动能不变； C ．角动量不变，动能改变； D ．角动量不变，动能也不改变。 （ ） 4．一人开双臂手握哑铃坐在转椅上，让转椅转动起来，若此后无外力矩作用，则当此人收回双臂时，人和转椅这一系统的 A ．转速加大，转动动能不变； B ．角动量加大；

图3-3 C ．转速和转动动能都加大； D ．角动量保持不变。 （ ） 5．有a 、b 两个半径相同，质量相同的细圆环，其中a 环的质量均匀分布，而b 环的质量分布不均匀，若两环对过环心且与环面垂直轴的转动惯量分别为a J 和b J ，则 A ．b a J J >； B ．b a J J <； C ．b a J J =； D ．无法确定a J 与b J 的相对大小。 （ ） 6．在下列关于守恒的表述中，正确的是 A ．系统的动量守恒，它的角动量也一定守恒； B ．系统的角动量守恒，它的动量也必定守恒； C ．系统的角动量守恒，它的机械能也一定守恒； D ．系统的机械能守恒，它的角动量也一定守恒； E ．以上表述均不正确。 （ ） 7．如图3-2所示，一悬线长为l ，质量为m 的单摆和一长度为 l 、质量为m 能绕水平轴自由转动的匀质细棒，现将摆球和细棒 同时从与竖直方向成θ角的位置由静止释放，当它们运动到竖直 位置时，摆球和细棒的角速度之间的关系为 A ．ω1>ω2 ； B ．ω1=ω2； C ．ω1<ω2 。 ( ) 8．如图3-3所示，圆盘绕光滑轴O 转动，若同时对称地射来两颗质量相同，速度大小相同，方向相反且沿同一直线运动的子弹。射入后两颗子弹均留在盘，则子弹射入后圆盘的角速度ω将： 图 3-2

第3章刚体力学基础

第3章 刚体力学基础 一、基本要求 1．理解质点及刚体转动惯量、角动量的概念，并会计算质点及刚体（规则形状刚体）的转动惯量、角动量； 2．理解刚体绕定轴转动的转动定律，并应用它来求解定轴转动刚体力矩和角加速度等问题； 3．会计算力矩的功、刚体的转动动能、刚体的重力势能，会应用机械能守恒定律解答刚体定轴转动问题； 4．掌握刚体的角动量定理和角动量守恒定律，并会分析解决含有定轴转动刚体系统的力学问题(质点与刚体碰撞类问题等)。 二、基本内容 （一）本章重点和难点： 重点：刚体绕定轴转动定律及角动量守恒定律。 难点：刚体绕定轴转动系统的角动量守恒定律及其应用。 (二) 知识网络结构图： ?????? ???????????????????角动量守恒定律定轴转动定律基本定律转动动能角动量冲量矩转动惯量力矩基本物理量 （三）容易混淆的概念： 1.转动惯量和质量 转动惯量反映刚体转动状态改变的难易程度，即刚体的转动惯性大小的量度；质量反映质点运动状态改变的难易程度，即质点的惯性大小的量度。

2.平动动能和转动动能 平动动能是与质量和平动速度的平方成正比；转动动能是与转动惯量和角速度的平方成正比。 （四）主要内容： 1．描述刚体定轴转动的角位置θ，角位移θ?、角速度ω和角加速度α（β）等物理量 t t d d ,d d ωαθω== 角量与线量的关系： 2n t ωαω θr a r a r v r s ==== 2．转动惯量--转动质点对转轴的转动惯量，等于转动质点的质量m 成以质点到转轴的距离r 的平方。2J m r =? （1）质量连续分布的刚体： ?=m r J d 2 线分布：dl dm ?=λ λ-质量线分布刚体，单位长度的质量。 面分布：dS dm ?=σ σ- 质量面分布刚体，单位面积的质量。 体分布：dV dm ?=ρ ρ 质量体分布刚体，单位体积的质量。 （2）质量离散分布刚体的转动惯量：2 i J m r =?∑ （3）平行轴定理 2 C J J md =+ 3．刚体绕定轴转动的转动定律—刚体的合外力矩等于转动惯量乘以角加速度。 t J J M d d ω α== i i i M M r F ==?∑∑ 力矩：F r M ?= 力对轴的力矩大小：θsin rF M =