刚体转动习题解答
第3章 刚体的定轴转动 习题答案
1
1 v r 78 . 5 1 78 . 5 m s (3) 解：
an r 78.5 1 6162 .2 m s
2 2
2
a r 3.14 m s
2
3-13. 如图所示，细棒长度为l，设转轴通过棒上距中心d的一 点并与棒垂直。求棒对此轴的转动惯量 J O '，并说明这一转 动惯量与棒对质心的转动惯量 J O之间的关系。(平行轴定理)
n0
J 2 2 n 收回双臂后的角动能 E k J n 0 2 J 0 n
1 2 2 1 2
Ek 0 J
1 2
2 0
3-17. 一人张开双臂手握哑铃坐在转椅上，让转椅转动起来， 此后无外力矩作用。则当此人收回双臂时，人和转椅这一系 统的转速、转动动能、角动量如何变化？
解：首先，该系统的角动量守恒。
设初始转动惯量为 J ，初始角速度为 0 收回双臂后转动惯量变为 J n ， 由转动惯量的定义容易知，n 1 由角动量守恒定理容易求出，收回双臂后的角速度 初始角动能
M t J
代入数据解得：M 12.5 N m
3-4. 如图所示，质量为 m、长为 l 的均匀细杆，可绕过其一 端 O 的水平轴转动，杆的另一端与一质量为m的小球固定在 一起。当该系统从水平位置由静止转过 角时，系统的角
速度、动能为？此过程中力矩所做的功？
解： 由角动能定理得：
解：设该棒的质量为m，则其
线密度为 m l
1 l d 2 1 l d 2
O
d O'
J O'
0
r dr
2
3
0
r dr
刚体的定轴转动习题解答
- 第五章 刚体的定轴转动一 选择题1. 一绕定轴转动的刚体，某时刻的角速度为，角加速度为，则其转动加快的依据是：（ ）A. > 0B. > 0，> 0C. < 0，> 0D.> 0，< 0解：答案是B 。
2. 用铅和铁两种金属制成两个均质圆盘，质量相等且具有相同的厚度，则它们对过盘心且垂直盘面的轴的转动惯量。
（ ）A. 相等；B. 铅盘的大；C. 铁盘的大；D. 无法确定谁大谁小解：答案是C 。
简要提示：铅的密度大，所以其半径小，圆盘的转动惯量为：2/2Mr J =。
3. 一轻绳绕在半径为r 的重滑轮上，轮对轴的转动惯量为J ，一是以力F向下拉绳使轮转动；二是以重量等于F 的重物挂在绳上使之转动，若两种情况使轮边缘获得的切向加速度分别为a 1和a 2，则有： （ ）A. a 1 = a 2B. a 1 > a 2C. a 1< a 2D. 无法确定解：答案是B 。
简要提示：(1) 由定轴转动定律，1αJ Fr =和11αr a =，得：J Fr a /21=(2) 受力分析得：⎪⎩⎪⎨⎧===-2222ααr a J Tr ma T mg ，其中m 为重物的质量，T 为绳子的力。
得：)/(222mr J Fr a +=，所以a 1 > a 2。
4. 一半径为R ，质量为m 的圆柱体，在切向力F 作用下由静止开始绕轴线- 作定轴转动，则在2秒F 对柱体所作功为： （ ）A. 4 F 2/ mB. 2 F 2 / mC. F 2 / mD. F 2 / 2 m解：答案是A 。
简要提示：由定轴转动定律： α221MR FR =，得：mRF t 4212==∆αθ 所以：m F M W /42=∆=θ5. 一电唱机的转盘正以 0的角速度转动，其转动惯量为J 1，现将一转动惯量为J 2的唱片置于转盘上，则共同转动的角速度应为： （ ）A ．0211ωJ J J +B ．0121ωJ J J +C ．021ωJ JD ．012ωJ J 解：答案是A 。
第四章刚体运动习题详解
解：棒下摆为加速过程， 外力矩为重力对O 的力矩。
棒上取质元dm,当棒处在 下摆角时,重力矩为：
x
O
X
C
dm
dM xgdm
合力矩
mg
gdm
解：
因摩擦力产生的力矩是恒定的，故角速度均匀 减小。
0
0
t
0
0 t
dt t
0
f dS
r
σ
m πR2
R
dθ o
r
M J 1 mR2
2
dr
t 0mR2 / (2M ) (1) M ?
考虑面元dS对轴的摩擦力矩dM ：
dM r0gdm r0g dS
26
t0mR2/(2M ) (1) dM r0g dS
mg 由(3)(4)(5)得
mgR sin
1 2
J02
1 2
J2
(5)
gh 2R2
cos2
g R
sin
1 2R
.
g 2
(h
4
3R)
M J
mgR 2mR2
g 2R
( 60 )
44
dt
O
X
C
即 d d
3g cos d d
mg
2L
θ
0
3gcos
2L
d
0
d
3g 2L
sin
1 2
2
3g sin
L
22
m 例2.质量为 、长为L的匀质细杆水平放置,一端
刚体定轴转动练习题及答案
刚体定轴转动练习题一、选择题1、一刚体以每分钟60转绕Z 轴做匀速转动（ωϖ沿Z 轴正方向）。
设某时刻刚体上一点P 的位置矢量为k j i r ϖϖϖϖ543++=，其单位为m 210-，若以s m /102-为速度单位，则该时刻P 点的速度为：（ ） A υϖ＝94.2i ϖ+125.6j ϖ+157.0k ϖ； B υϖ=34.4k ϖ； C υϖ=-25.1i ϖ+18.8j ϖ； D υϖ=-25.1i ϖ-18.8j ϖ；2、一均匀细棒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，在棒摆动到竖直位置的过程中，下述说法哪一种是正确的？（ ）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。
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、某刚体绕定轴做匀变速转动时，对于刚体上距转轴为r 出的任一质元m ∆来说，它的法向加速度和切向加速度分别用n a 和t a 来表示，则下列表述中正确的是 （ ）（A ）n a 、t a 的大小均随时间变化。
（B ）n a 、t a 的大小均保持不变。
（C ）n a 的大小变化, t a 的大小恒定不变。
（D ）n a 的大小恒定不变, t a 的大小变化。
5、有两个力作用在一个有固定转轴的刚体：（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；（1） 当这两个力对轴的合力矩为零时，它们的合力也一定是零。
A 只有（1）是正确的。
B （1），（2）正确，（3），（4）错误。
刚体定轴转动习题
刚体定轴转动习题刚体定轴转动⼀、选择题（每题3分）1、个⼈站在有光滑固定转轴的转动平台上,双臂伸直⽔平地举起⼆哑铃,在该⼈把此⼆哑铃⽔平收缩到胸前的过程中,⼈、哑铃与转动平台组成的系统的( )（A）机械能守恒,⾓动量守恒; （B）机械能守恒,⾓动量不守恒,（C）机械能不守恒,⾓动量守恒; （D）机械能不守恒,⾓动量不守恒.2、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，则⼦弹射⼊后的瞬间，圆盘和⼦弹系统的⾓动量L以及圆盘的⾓速度ω的变化情况为( ) (A) L 不变，ω增⼤ (B) 两者均不变(C) L不变，ω减⼩ (D) 两者均不确定3、有两个⼒作⽤在⼀个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在上述说法中，正确的是（）（A）只有（1）是正确的（B）只有（1）、（2）正确（C）只有（4）是错误的（D）全正确4、以下说法中正确的是（）(A)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。
(B)作⽤在定轴转动刚体上的合⼒矩越⼤，刚体转动的⾓速度越⼤。
(C)作⽤在定轴转动刚体上的合⼒矩越⼤，刚体转动的⾓加速度越⼤。
(D)作⽤在定轴转动刚体上的合⼒矩为零，刚体转动的⾓速度为零。
5、⼀质量为m的均质杆长为l,绕铅直轴o o'成θ⾓转动，其转动惯量为（）6、⼀物体正在绕固定光滑轴⾃由转动（）(A) 它受热膨胀或遇冷收缩时,⾓速度不变.(B) 它受热时⾓速度变⼩,它遇冷时⾓速度变⼤.(C)它受热或遇冷时,⾓速度均变⼤.(D) 它受热时⾓速度变⼤,它遇冷时⾓速度变⼩.O7、关于刚体对轴的转动惯量，下列说法中正确的是( )(A) 只取决于刚体的质量，与质量的空间分布和轴的位置⽆关.(B) 取决于刚体的质量和质量的空间分布，与轴的位置⽆关.(C) 取决于刚体的质量，质量的空间分布和轴的位置.(D) 只取决于转轴的位置，与刚体的质量和质量的空间分布⽆关.8、两个均质圆盘A 和B 的密度分别为A ρ和B ρ，若A ρ﹥B ρ，但两圆盘的质量与厚度相同，如两盘对通过盘⼼垂直于盘⾯的转动惯量各为J A 和J B ，则（）（A ）J A ＞J B （B ）J B ＞J A（C ）J A ＝ J B （D ）J A 、 J B 哪个⼤，不能确定9、某转轮直径d ＝40cm ，以⾓量表⽰的运动⽅程为θ=3t －3.02t ＋4.0t ,式中θ的单位为rad,t 的单位为s,则t ＝2.0s 到t ＝4.0s 这段时间内,平均⾓加速度为( )(A)212-?srad (B)26-?s rad(C)218-?s rad (C)212-?s m10、轮圈半径为R ，其质量M 均匀分布在轮缘上，长为R 、质量为m 的均质辐条固定在轮⼼和轮缘间，辐条共有2N 根。
05刚体的定轴转动习题解答.
第五章刚体的定轴转动一选择题1. 一绕定轴转动的刚体，某时刻的角速度为ω，角加速度为α，则其转动加快的依据是：（）A. α > 0B. ω > 0，α > 0C. ω < 0，α > 0D. ω > 0，α < 0解：答案是B。
2. 用铅和铁两种金属制成两个均质圆盘，质量相等且具有相同的厚度，则它们对过盘心且垂直盘面的轴的转动惯量。
（）A. 相等；B. 铅盘的大；C. 铁盘的大；D. 无法确定谁大谁小解：答案是C。
简要提示：铅的密度大，所以其半径小，圆盘的转动惯量为：2/2Mr J =。
3. 一圆盘绕过盘心且与盘面垂直的光滑固定轴O 以角速度ω 按图示方向转动。
若将两个大小相等、方向相反但不在同一条直线的力F 1和F 2沿盘面同时作用到圆盘上，则圆盘的角速度ω的大小在刚作用后不久 （ ）A. 必然增大B. 必然减少C. 不会改变D. 如何变化，不能确定解：答案是B 。
简要提示：力F 1和F 2的对转轴力矩之和垂直于纸面向里，根据刚体定轴转动定律，角加速度的方向也是垂直于纸面向里，与角速度的方向（垂直于纸面向外）相反，故开始时一选择题3图定减速。
4. 一轻绳绕在半径为r 的重滑轮上，轮对轴的转动惯量为J ，一是以力F 向下拉绳使轮转动；二是以重量等于F 的重物挂在绳上使之转动，若两种情况使轮边缘获得的切向加速度分别为a 1和a 2，则有： （ ）A. a 1 = a 2B. a 1 > a 2C. a 1< a 2D. 无法确定解：答案是B 。
简要提示：(1) 由刚体定轴转动定律，1αJ Fr =和11αr a =，得：J Fr a /21= (2) 受力分析得：⎪⎩⎪⎨⎧===-2222ααr a J Tr ma T mg ，其中m 为重物的质量，T 为绳子的张力。
得：)/(222mr J Fr a +=，所以a 1 > a 2。
5. 一半径为R ，质量为m 的圆柱体，在切向力F 作用下由静止开始绕轴线作定轴转动，则在2秒内F 对柱体所作功为： （ ）A. 4 F 2/ mB. 2 F 2 / mC. F 2 / mD. F 2 / 2 m解：答案是A 。
第5章 刚体的定轴转动 习题解答
由此可算出自施加制动闸开始到飞轮停止转动的时间为
0 900 2 3 7.06 s 60 40
这段时间内飞轮的角位移为
1 900 2 1 40 0t t 2 7.06 7.062 53.1 2 rad 2 60 2 3 可知在这段时间里，飞轮转了 53.1 转。 2 (2) 0 900 rad s 1 ，要求飞轮转速在 t 2 s 内减少一半，可知 60
M M f J 1
t1
。移去力矩 M 后，根据转动定律，有
M f J 2
2
联立解得此转轮的转动惯量
0 t2
J
M 20 17.36 kg m 2 1 1 1 100 2 1 60 10 100 t1 t2
由以上诸式求得角加速度
(2)
Rm1 rm2 g I m1 R 2 m2 r 2 0.2 2 0.1 2
1 1 10 0.202 4 0.102 2 0.202 2 0.102 2 2
9.8 6.13 rad s 2
T2 m2 r m2 g 2 0.10 6.13 2 9.8 20.8N T1 m1 g m1 R 2 9.8 2 0.2. 6.13 17.1N v 2a1h 2 Rh 2 6.13 0.2 2 2.21 m s 1
A
B
题 5-2 图 解： (1)先作闸杆和飞轮的受力分析图(如图)．图中 N 、 N 是正压力，Fr 、Fr 是摩擦力，Fx 和 Fy 是杆在 A 点转轴处所受支承力， P 是轮的重力， R 是轮在 O 轴处所受支承力。 杆处于静止状态，所以对 A 点的合力矩应为零，设闸瓦厚度不计，则有
大学物理AⅠ刚体定轴转动习题答案及解法
《大学物理A Ⅰ》2010 刚体定轴转动习题、答案及解法一．选择题1．两个匀质圆盘A 和B 相对于过盘心且垂直于盘面的轴的转动惯量分别为A J 和B J ，若A B J J >，但两圆盘的的质量和厚度相同，如两盘的密度各为A ρ和B ρ，则( A )（A ）B A ρρ> （B ）B A ρρ<（C ）B A ρρ= （D ）不能确定B A ρρ的大小参考答案： B B A Ah R h R M ρπρπ22== A A A h M MR J ρπ222121== BB B h M MR J ρπ222121== 2．有两个半径相同、质量相等的细圆环。
1环的质量分布均匀。
2环的质量分布不均匀，它们对通过圆心并与环面垂直的轴的转动惯量分别为A J 和B J ，则( C )（A ）21J J > （B ）21J J <（C ）21J J = （D ）不能确定21J J 的大小 参考答案：∵ ⎰=Mdm r J 2 ∴ 21J J =3．一圆盘绕过圆心且于盘面垂直的光华固定轴O 以角速度1ω按图所示方向转动，将两个大小相等，方向相反的力F 沿盘面同时作用到圆盘上，则圆盘的角速度变为2ω，那么( C )（A ）21ωω> （B ）21ωω=（C ）21ωω< （D ）不能确定如何变化 参考答案：()12ωωJ J t r R F -=∆⋅- ()12ωω+∆⋅-=t r R JF4．均匀细棒OA 的质量为m 。
长为L ，可以绕通过其一端O 而与棒垂直的水平固定光滑轴转动，如图2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，下述说法那一种是正确的[ A ]（A ）合外力矩从大到小，角速度从小到大，角加速度从大到小。
（B ）合外力矩从大到小，角速度从小到大，角加速度从小到大。
（C ）合外力矩从大到小，角速度从大到小，角加速度从大到小。
（D ）合外力矩从大到小，角速度从大到小，角加速度从小到大。
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作业07（刚体转动1）
1. 两个均质圆盘A 和B 的密度分别为A ρ和B ρ，若B A ρρ>，但两圆盘的质量与厚度相同，如两盘对通过盘心垂直于盘面的转动惯量各为A J 和B J ，则[ ]。
A. B A J J >
B. B A J J <
C. B A J J =
答：［B ］
解： 由V m =ρ，B A ρρ> ，B A m m =， B A V V <∴，B A R R <∴ 又：22
1mR =ρ B A J J <∴ 2. 几个力同时作用在一个具有固定转轴的刚体上，如果这几个力的矢量和为零，则此刚体
[ ]。
A. 必然不会转动
B. 转速必然不变
C. 转速必然改变
D. 转速可能不变，也可能改变
答：［D ］
解：几个力的矢量和为零，不一定外力矩为零，因此，刚体不一定不转动。
但和外力为零，刚体不会平动。
3. 有两个力作用在一个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）. 这两个力合力为零时，它们对轴的合力矩一定是零。
（4）. 这两个力对轴的合力矩为零时，它们的合力一定是零。
在上述说法中是正确的是[ ]。
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
答：［B ］
解：如图所示
（1）由)(a )(b )(c 可见，21//ˆ//F k F ，则它们对轴的力矩
0ˆ)(111=⋅⨯=k F r L z ，0ˆ)(222=⋅⨯=k F r L z ，对轴的合力矩为零。
（1）是正确的。
（2）由)(d )(e )(f 可见，由21ˆF k F ⊥⊥，则它们对轴的力矩 0ˆ)(111=⋅⨯=k F r L z ，0ˆ)(222=⋅⨯=k F r L z ，对轴的合力矩为零； 由)(g )(i )(j 可见，2
1ˆF k F ⊥⊥，则它们对轴的力矩
0ˆ)(111≠⋅⨯=k F r L z ，0ˆ)(222≠⋅⨯=k F r L z ，但如果21F F =，对轴的合力矩
021=+z z L L 由)(h 可见，21ˆF k F ⊥⊥，则它们对轴的力矩 0ˆ)(111≠⋅⨯=k F r L z ，0ˆ)(222≠⋅⨯=k F r L z ，对轴的合力矩不为零。
（2）是正确的。
（3）由)(b )(d )(j 可见，如果21F F =，即两个力合力为零，它们对轴的合力矩也是零；
但由)(h 可见，如果21F F =，即两个力合力为零，它们对轴的合力矩不为零。
（3）错。
（4）由)(b )(d )(h )(j 可见，如果21F F =，两个力对轴的合力矩为零，两个力合力也为
零；由)(a )(c )(e )(f )(g )(i 可见，如果21F F =，两个力对轴的合力矩为零，但两个力
合力不为零。
（4）错。
4. 皮带轮由静止开始匀加速转动，角加速度大小为2
0.5-⋅s rad ，当s t 0.3=时，皮带轮的角速度为=t ω ；轮的角位移为=θ ；与轮心相距m d 25.0=的一点的速度为=v ，加速度为=a 。
答：s rad t /15=ω，rad 5.22=θ，s m v /75.3=，2/26.56s m a = 解：由dt d ωα=积分：⎰⎰=ωωα0
30d dt 可得：s rad /153==αω 由dt d θω=积分：⎰⎰=θ
θω0
30d dt 可得：rad 5.22=θ； s m a a a d
v a d a n t n t /26.56,222
=+=∴==α 5. 一飞轮作匀减速转动，在s 5内角速度由150-⋅s rad π减到110-⋅s rad π，则飞轮在这s
5内总共转了 圈，飞轮再经 时间才能停下来。
答：75圈，1.25秒 解：由dt d ωα=积分：⎰⎰=ππ
ωα105050d dt 可得：πα8-= 又：s t t s t d dt d dt t t 25.1525.6;25.6,)8(,00
50
0500=-=-==-=⎰⎰⎰⎰πωπωπωα 又：⎰⎰=ωπωα500d dt t 可得：παω50+=t 又：dt d θω=积分：⎰⎰=θ
θω0
50d dt 可得：75150==πθ圈
6. 如图所示，质量kg m 161=的实心圆柱体，半径cm r 15=，可
以绕其固定水平轴O 转动，阻力忽略不计。
一条轻的柔绳绕在圆
柱上，其另一端系一个质量kg m 82=的物体，求
（1）由静止开始过s 0.1后，物体2m 下降的距离；
（2）绳的张力T 。
解：如图所示，物体在重力作用下加速下落，并带动圆柱体绕固
定水平轴转动。
受力分析如图所示。
设物体下落的加速度为a ，
相应的圆柱体转动的角加速度为α。
以物体为研究对象，应用牛顿第二定律
a m T g m 22=-
以圆柱体为研究对象，应用刚体定轴转动定律
αJ rT =
另外，绳子不可伸长 αr a =
圆柱体绕固定水平轴O 的转动惯量
212
1r m J = 由此解得物体下落的加速度 )/(9.4222212s m m m g m a =+=
（1）由静止开始过s 0.1后，物体2m 下降的距离
)(45.22
12m at h == （2）绳的张力
)(2.39)(2N g a m T =-=
7. 已知地球半径为km R 6370=，求其表面纬度为θ处
P 点的自转角速度、线速度和角加速度，并说明方向。
解：如图，地球自转一周，耗时24小时，所以其自转
的角速度为
)/(12
242h rad ππω== 地球表面各点都在作圆周运动，表面纬度为θ处P
点的圆周半径为
)(cos 6370cos km R r θθ==
其线速度为
)/(7.1667cos 637012h km r v =⨯==θπ
ω
由于地球匀角速度自转，所以角加速度为
0=α
8. 一个系统的动量守恒和角动量守恒有何不同？
答：动量守恒要求系统的合外力为零；而角动量守恒要求系统的外力矩为零。
合外力为零时，不一定外力矩为零。