大学物理 2刚体力学
《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。
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解:棒下摆为加速过程,外
力矩为重力对O的力矩。 棒 O
上取质元dm,当棒处在下摆
l
角时,该质量元的重力对轴
的元力矩为
dM l cosgdm gl cosdl
dm dl
gdm
dM l cosgdm gl cosdl O
重力对整个棒的合力矩为
l
M= dM
L
0 gl
cosdl
gL2 cos 1 mgL cos
mva ( 1 Ml 2 ma 2 )
1
1 (
Ml
3
2
ma 2 )2
23
a
30
M
l
mga (1 cos 300 ) Mg l (1 cos 300 ) 2
v 1 g (2 3 )( Ml 2)( Ml 2 3ma 2 ) ma 6
例3、如图所示,将单摆和一等长的匀质直杆悬挂在
同一点,杆的质量m与单摆的摆锤相等。开始时直杆 自然下垂,将单摆的摆锤拉到高度,令它自静止状态 下垂,于铅垂位置和直杆作弹性碰撞。求碰撞后直杆下
Ep mg
mi hi m
hc
mi yi m
h
mi
PC
hi hC
O
E p mghC
刚体的重力势能等于其重力与质心高度之积.
机械能守恒定律
若在刚体转动过程中,只有重力做功,其他非保守内 力不做功,则刚体在重力场中机械能守恒.
E
1 2
J 2
mghC
常量
一、 刚体的角动量定理
刚体绕定轴转动时,各质元某一瞬时均以相同的 角速度绕该定轴作圆周运动.
J1 , 则2
1
2、转动惯量可变的物体。
当J增大时,就减小; 当J减小时,就增大,从而J保持不变.
F
F
实际中的一些现象 Ⅰ、芭蕾舞演员的高难动作
艺术美、人体美、物理美相互结合
Ⅱ当滑冰、跳水、体操运 动员在空中为了迅速翻转 也总是曲体、减小转动惯 量、增加角速度。当落地 时则总是伸直身体、增大 转动惯量、使身体平稳地。
则有:J=JC+md2。
这个结论称为平行轴定理。
右图所示刚体对经过棒端 且与棒垂直的轴的转动惯量
mL
如何计算?(棒长为L、球半
径为R)
mO
J L1
1 3
mL L2
Jo
2 5
mo R2
J L2 J0 m0d 2 J0 m0(L R)2
J
1 3
m
L
L2
2 5
mo R2
mo (L
R)2
三、转动定律
O’
O
刚体的一般运动
既平动又转动:质心的平动加绕质心的转动
二、定轴转动的角量描述
转动平面
P
X
参考 转轴 方向
P X
Q
X
各质元的线速度、加速度一般不同, 但角量(角位移、角速度、角加速度)都相同
描述刚体整体的运动用角量最方便。
d
dt
dddt ddt22
dt
v r
角速度方向规定为沿轴方向, 指向用右手螺旋法则确定。
dt
d dt d
2 Md
1
2 1
Jd
1 2
J
2 2
1 2
J12
W
1 2
J
2 2
1 2
J12
刚体定轴转动的动能定理
合外力矩对定轴转动刚体所做的功等于刚体 转动动能的增量。
六 、包括刚体的系统的场中机械能守恒定律
刚体的重力势能是组成它的各个质元的重力
势能之和.
Ep mi ghi g mihi
作用在刚体上的轴的力矩
Z
F
f1
O r P f2
转动平面
Mz
r
F
Mz rF sin
转动定律
Fi
fi
mi ai
Fi sini fi sini miai
将切向分量式两边同乘以 变换得
ri
,
Firi sini firi sini miri2
Z
fi i
Fi
ri
mi
i
Firi sini firi sini (miri2 )
ωω
花样滑冰运动 员通过改变身体姿 态即改变转动惯量 来改变转速.
涡旋星系
例1、如图所示,一质量为m的子弹以水平
速度射入一静止悬于顶端长棒的下端,穿 出后速度损失3/4,求子弹穿出后棒的角
速度。已知棒长为l,质量为M.
解:以f代表棒对子弹的阻力,对子弹有:
子弹对棒的反作用力对棒的 M 冲量矩为:
3
1 2
m(v02
v2 )
1 2
J
2
c hc
二式联立解得:
h’
h
v v0 , 3v0
b
2
2l
按机械能守恒,碰撞后摆锤达到的高度显然为
而杆的质心达到的高度满足由此得h来自2hc3h0 2
1 2
J 2
mghc
[例]如图示已知: M=2m,h, =60 ° 求:碰撞后瞬间盘的 0 ? P 转到 x 轴时盘的 =? ?
2
2
代入转动定律,可得
M
1 mgL cos
2
3g cos
J
1 mL2
2L
3
dm dl
gdm
M J J d J d d J d dt d dt d
Md Jd
代入M=1 mgl cos
2
1 mgL cosd Jd
2
1 mgL cosd
Jd
02
0
1 mgL sin 1 J 2
端达到的高度h。
解:碰撞前单摆摆锤的速度为
l l
m ho
a
v0 2gh0
令碰撞后直杆的角速度为,
摆锤的速度为v'。
c
由角动量守恒,有
hc
ml (v0 v) J
式中J 1 ml 2 3
h’
b
h
在弹性碰撞过程中机械能也是守恒的:
1 2
m(v02
v2 )
1 2
J 2
ml (v0 v) J
式中J 1 ml 2
转动惯量。 Z
r
Z
解: 一球绕Z轴旋转,
dZ
离 球心Z高处切一厚为dz 的薄圆盘。其半径为
O X
R
r R2 Z2
Y
其体积:
dV r2dZ (R2 Z 2)dZ
其质量: dm dV (R2 Z 2)dZ
其转动惯量: dJ 1 r2dm 1 (R2 Z 2 )2 dZ
2
2
dJ 1 r 2dm 1 (R2 Z 2 )2 dZ
加速转动 减速转动
方方向向一 相致 反
r v
一 、刚体的转动动能
E ki
1 2
mivi 2
1 2
miri 2 2
Ek
i
(1 2
miri 2
2
)
1 2
(
miri 2 ) 2
1 2
J 2
J (miri2 )
i
刚体对给定轴的转动惯量(moment of inertia)
刚体绕定轴转动时转动动能等于刚体的转动惯量
B
L/2
X
L
JC
2 L
x 2dx
mL2
/ 12
2
平行轴定理
前例中JC表示相对通过质心的轴的转动惯量, JA表示相对通过棒端的轴的转动惯量。两轴 平行,相距L/2。可见:
J A=JC+m
L 2
2
1 12
mL2
1 4
mL2
1 mL2 3
推广上述结论,若有任一轴与过质心的轴 平行,相距为d,刚体对其转动惯量为J,
t2
Mdt
t1
L2 L1
dL
J 22
J11
t2 t1
Mdt
J 22
J11
二 、 角动量守恒定律及其应用
M 0
J 常矢量 或 J22 J11
当物体所受的合外力矩为零时,物体的角动量保
持不变.这一结论称为角动量守恒定律.
角动量守恒定律的两种情况:
1、转动惯量保持不变的单个刚体。
当M
0时,J2
第二章 刚体和流体力学
刚体:在外力作用下形状和大小保持不变的物体.
各质点间的相对位置永不发生变化的质点系。 一、刚体的平动和转动 平动:用质心运动讨论
刚体在运动中,其上任意两点的连线始终保持平行。
A
A
B
A
B
B
转动:对点、对轴
转轴
定轴转动:各质元均作圆周 运动,其圆心都在一条固定 不动的直线(转轴)上。
0 t 5s 20.9rad/s 2
外力矩是摩擦阻力矩,角加速度为负值。
M= fr R NR J mR 2
NR mR 2
N mR
0
例3、一根长为l、质量为m的均匀细直棒,其一端 有一固定的光滑水平轴,因而可以在竖直平面内转
动。最初棒静止在水平位置,求它由此下摆角时的
角加速度和角速度。
v 1 4mgh
R R 2m M
例2、一个飞轮的质量为69kg,半径为
0.25m,正在以每分1000转的转速转动。现 在要制动飞轮,要求在5.0秒内使它均匀 减速而最后停下来。摩擦系数为0.2。求 闸瓦对轮子的压力N为多大?
F
0
解:飞轮制动时有角加速度
0
t
fr N
0 1000r / min 104.7rad/s
Li mi ri2
Lz Li miri2 Jz