力学的基本概念(四)角动量守恒定律习题及答案
大学物理第四章 刚体的转动部分的习题及答案
第四章 刚体的转动一、简答题：1、简述刚体定轴转动的角动量守恒定律并给出其数学表达式?答案：刚体定轴转动时，若所受合外力矩为零或不受外力矩，则刚体的角动量保持不变。
2、写出刚体绕定轴转动的转动定律文字表达与数学表达式?答案：刚体绕定轴转动的转动定律：刚体绕定轴转动时，刚体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。
表达式为：αJ M =。
3、写出刚体转动惯量的公式，并说明它由哪些因素确定?答案：dm r J V⎰=2①刚体的质量及其分布；②转轴的位置；③刚体的形状。
二、选择题1、在定轴转动中，如果合外力矩的方向与角速度的方向一致，则以下说法正确的是 ( A )A.合力矩增大时，物体角速度一定增大；B.合力矩减小时，物体角速度一定减小；C.合力矩减小时，物体角加速度不一定变小；D.合力矩增大时，物体角加速度不一定增大2、关于刚体对轴的转动惯量，下列说法中正确的是 ( C ) 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；3、有一半径为R 的水平圆转台，可绕通过其中心的竖直固定光滑轴转动， 转动惯量为J ，开始时转台以匀角速度0ω转动，此时有一质量为m 的人站住转台中心，随后人沿半径向外跑去，当人到达转台边缘时，转台的角速度为 ( A ) A.()2mR J J +ω B.()2Rm J J +ω C.20mR J ω D.0ω4、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 )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．5、一圆盘正绕垂直于盘面的水平光滑固定轴O 转动，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，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( C )A.增大B.不变C.减小 (D) 、不能确定6、在地球绕太阳中心作椭圆运动时，则地球对太阳中心的 ( B ) A.角动量守恒，动能守恒 B.角动量守恒，机械能守恒 C.角动量不守恒，机械能守恒 D.角动量守恒，动量守恒7、有两个半径相同,质量相等的细圆环A 和B ，A 环的质量分布均匀，B 环的质量分布不均匀，它们对通过环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.B A J J >；B.B A J J <；C.B A J J =；D.不能确定A J 、B J 哪个大。
4_刚体力学习题详解
5． 对一绕固定水平轴O匀速转动的转盘，沿图示的同一水平直线从相反方向射入两颗质量相同、速率相等的子弹，并停留在盘中，则子弹射入后转盘的角速度应[ ]
（A） ；（B） ；（C） 不变；（D） ；(E)无法确定。
答案：B
解：
，
所以
6.光滑的桌面上有一长为 ，质量为 的匀质细杆，可绕过其中点且垂直于杆的竖直光滑固定轴自由转动，其转动惯量为 ，开始静止。桌面上有质量为 的小球，在杆的一端垂直于杆以速率 与杆相碰，发生完全非弹性碰撞，与杆粘在一起转动，则碰后这一系统的角速度为
习题四
本章习题都是围绕（角）动量守恒以及能量守恒，把过程分析清楚，正确带入公式就可以解决。
一、选择题
1．一根长为 、质量为M的匀质棒自由悬挂于通过其上端的光滑水平轴上。现有一质量为m的子弹以水平速度v0射向棒的中心，并以v0/2的水平速度穿出棒，此后棒的最大偏转角恰为 ，则v0的大小为[ ]
（A） ；（B） ；（C） ；（D） 。
可先求出a，解得
， ， ，
将 ， 代入，得：
三．计算题
1一物体质量为m=20kg,沿一和水平面成30°角的斜面下滑，如图三1所示，滑动摩擦因数为 ，绳的一端系于物体上，另一端绕在匀质飞轮上，飞轮可绕中心轴转动，质量为M=10kg，半径为0.1m,求：
（1）物体的加速度。
（2） 绳中的张力。
解：对物体：
答案：（1） ；（2） 。
解：以启动前的位置为各势能的零点，启动前后应用机械能守恒定律
（1） 时，得 或
（2） 时
5．长 、质量 的匀质木棒，可绕水平轴O在竖直平面内转动，开始时棒自然竖直悬垂，现有图所示。求：（1）棒开始运动时的角速度；（2）棒的最大偏转角。
牛顿力学中的角动量守恒练习题及
牛顿力学中的角动量守恒练习题及解答牛顿力学中的角动量守恒练习题及解答在牛顿力学中，角动量守恒是一个重要的概念。
它指的是如果一个物体受到的合外力矩为零，则该物体的角动量将保持不变。
本文将介绍一些关于角动量守恒的练习题，并提供解答。
练习题一：一个半径为r的质点以速度v绕一个定点做匀速圆周运动。
求该质点的角动量。
解答一：根据角动量的定义：L = r × p其中，r为质点与定点的距离，p为质点的动量。
由于质点做匀速圆周运动，所以其速度和角动量的方向是沿着圆周平面的法向量。
而质点的动量则是质量和速度的乘积，即p = mv。
所以，角动量的大小为L = r × mv = mvr角动量的方向与速度方向垂直，并由右手法则确定。
对于这道题目，要求的只是角动量的大小，所以最终答案为L = mvr。
练习题二：一个竖直绕一个定点转动的细长杆长L，质量为m。
当杆的角速度为ω时，求杆的角动量。
解答二：根据角动量的定义：L = r × p其中，r为质点与定点的距离，p为质点的动量。
对于细长杆，可以将其看作是质点，且该质点的动量为质量乘以质点的速度，即p = mLω（ω为角速度）。
而关于杆的角速度，根据直线运动的关系可得：v = ωr（v为线速度，r为质点与定点的距离）。
将v代入p = mv中，得到：p = mLωr将以上结果代入角动量的定义中，可得到：L = r × p = r × (mLωr) = mL²ω所以杆的角动量大小为L = mL²ω。
练习题三：一个质量为m的质点，以速度v沿一条与水平方向夹角θ的斜面下滑，质点的轨迹是一条半径为R的圆弧，求质点的角动量。
解答三：首先需要计算质点的速度与轨迹的关系。
根据斜面的性质和牛顿力学的知识，可以得到：mgsinθ = mv²/R其中，g为重力加速度。
将以上结果代入角动量的定义中，可得到：L = r × p = mRsinθ × mv = m²R²sinθ所以质点的角动量大小为L = m²R²sinθ。
力学2_习题
1、角动量和角动量守恒定律 (1) 角动量 r p r mv L
(2)两个质点的 角动量守恒定律
L1 L2 常矢量
2、角动量定理
(1)角动量的时间变化率 力矩
dL M r F dt
(2) 质点系的角动量定理
dL M外 r F dt (3)质点系的角动量守恒定律 dL M 外 0时, 0 dt
2 3m2v0 cos 1 M 3m M 2m gl
类似的例题
质量为m、半径为r的圆柱从一斜面的顶 端由静止滚下，斜面长为l，倾角为 ， 摩擦力为f, 求圆柱体在斜面底端的速度。
根据动能守恒
l
1 2 1 mgl sin fl mv J 2 2 2
（2）在物体从A滑到B的过程中，物体对槽所作的功A。
（3）物体到达B时对槽的压力。
m
A R
M
B
解：
（1）取物体m、槽M和地球为系统。对地面参考系，设小球 离开槽底端时小球与槽的速度分别为v、V，由机械能守恒
1 1 2 mgR mv MV 2 2 2
又由水平方向动量守恒，有
mv MV 0
(2)保守力的判断
(3)势能
重力势能
弹性势能 引力势能
E p G
Ep mgh 1 2 E p kx 2 Mm
r
5、机械能守恒定律及能量守恒
1. 从一个半径为 R 的均匀薄圆板上挖去一个半径为 R/2 的圆板，所形 成的圆洞的中心在距圆薄板中心 R/2 处，所剩薄板的质量为 m 。求此时薄 板对通过圆中心与板面垂直的轴的转动惯量。
vc
棒和球组成的系统为研究对象。 碰撞后系统质心作匀速直线运动ห้องสมุดไป่ตู้同时 系统绕质心作匀速转动。
大学物理练习题3((角)动量与能量守恒定律)
大学物理练习题3：“力学—（角）动量与能量守恒定律”一、填空题1、一个质量为10kg 的物体以4m/s 的速度落到砂地后经0.1s 停下来，则在这一过程中物体对砂地的平均作用力大小为 。
2、t F x 430+=（式中x F 的单位为N ，t 的单位为s ）的合外力作用在质量为kg m 10=的物体上，则：（1）在开始s 2内，力x F 的冲量大小为： ；（2）若物体的初速度1110-⋅=s m v ，方向与x F 相同，则当力x F 的冲量s N I ⋅=300时，物体的速度大小为： 。
3、一质量为kg 1、长为m 0.1的均匀细棒，支点在棒的上端点，开始时棒自由悬挂。
现以100N 的力打击它的下端点，打击时间为0.02s 时。
若打击前棒是静止的，则打击时棒的角动量大小变化为 ，打击后瞬间棒的角速度为 。
4、某质点最初静止，受到外力作用后开始运动，该力的冲量是100.4-⋅⋅s m kg ，同时间内该力作功4.00J ，则该质点的质量是 ，力撤走后其速率为 。
5、设一质量为kg 1的小球，沿x 轴正向运动，其运动方程为122-=t x ，则在时间s t 11=到s t 32=内，合外力对小球的功为 ；合外力对小球作用的冲量大小为 。
6、一个力F 作用在质量为 1.0 kg 的质点上，使之沿x 轴运动。
已知在此力作用下质点的运动学方程为3243t t t x +-= (SI)。
则在0到4 s 的时间间隔内，力F 的冲量大小I = ，力F 对质点所作的功W = 。
7、设作用在质量为 2 kg 上的物体上的力x F x 6=（式中x F 的单位为N ，x 的单位为m ）。
若物体由静止出发沿直线运动，则物体从0=x 运动到m x 2=过程中该力作的功=W ，m x 2=时物体的速率=v 。
8、已知质量kg 2=m 物体在一光滑路面上作直线运动，且0=t 时，0=x ，0=ν。
若该物体受力为x F 43+=（式中F 的单位为N ，x 的单位为m ），则该物体速率ν随 x 的函数关系=)(x ν ；物体从0=x 运动到2=x m 过程中该力作的功=W 。
理论力学考研试题及答案
理论力学考研试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 质点系的动量守恒条件是（）。
A. 外力为零B. 外力之和为零C. 外力之和的矩为零D. 外力之和的矩不为零答案：B2. 刚体的转动惯量与（）有关。
A. 质量B. 形状C. 质量分布D. 以上都是答案：D3. 牛顿第二定律的数学表达式为（）。
A. F = maB. F = m*vC. F = m*aD. F = m*v^2答案：C4. 角动量守恒的条件是（）。
A. 外力矩为零B. 内力矩为零C. 外力矩与内力矩之和为零D. 外力矩与内力矩之差为零5. 简谐振动的周期与（）无关。
A. 振幅B. 频率C. 质量D. 刚度答案：A6. 达朗贝尔原理的实质是（）。
A. 虚功原理B. 虚位移原理C. 虚速度原理D. 虚加速度原理答案：B7. 刚体的平动与转动的区别在于（）。
A. 参考系B. 速度C. 加速度D. 角速度答案：D8. 拉格朗日方程的推导基于（）。
A. 牛顿运动定律B. 能量守恒定律C. 动量守恒定律D. 虚功原理答案：D9. 刚体转动的角动量方向与（）方向相同。
B. 力矩C. 角速度D. 线速度答案：C10. 非惯性参考系中，物体的运动方程中需要加入（）。
A. 惯性力B. 重力C. 电磁力D. 摩擦力答案：A二、填空题（每题2分，共20分）1. 质点系的动量守恒定律表明，当质点系所受外力之和为零时，其总动量保持不变。
2. 刚体的转动惯量是刚体对于某一旋转轴的惯性的量度，它与刚体的质量分布和旋转轴的位置有关。
3. 牛顿第二定律表明，物体的加速度与作用在物体上的合外力成正比，与物体的质量成反比。
4. 角动量守恒定律表明，当一个系统不受外力矩作用时，其总角动量保持不变。
5. 简谐振动的周期只与振动系统的固有频率有关，与振幅无关。
6. 达朗贝尔原理是将动力学问题转化为静力学问题的一种方法。
7. 刚体的平动是指刚体上所有点都沿着同一直线运动，而转动则是指刚体绕某一固定轴旋转。
角动量习题
r1
o
r2
r1 v2 v1 ( ) v2 v1 r2
2
mv1r1 mv2 r2
F
r
A
r2
r1 r2
v2 F dr ( F Fn m )
m v1r1 2 [ ] dr r r
2 2 m v1 r1 r1 r3 r2
dL L2 L1 L
角动量定理积分形式
L2 L1 恒矢量
说明
1 角动量守恒条件：合外力矩为零. 合外力为零, 力矩不一定为零, 反之亦然. 3 角动量守恒定律是独立于牛顿定律的 自然界中更普适的定律之一.
2 守恒指过程中任意时刻.
4 角动量守恒定律只适用于惯性系.
Sun
r1
3. 一般定义：
对O点的角动量：
z
L
L mrv sin
L r p r ( mv ) m( r v)
方向： x
v
y
O
r
说明：
1 .角动量是矢量(kg· m2· s-1).
a (b c ) b (a c ) c (a b ) 3 . 角动量的方向： 2 L r p r (mv) mr ( r ) mr L与 同方向 等于零 吗？？？ 4 .质点直线运动对某定点的角动量： o' L r p mr v v m 大小 L mvr sin mvd d r 方向：
5-2-4 质点在有心力作用下的运动
M r F
v1
v2 r1
力学、赵凯华、第四章 角动量守恒. 刚体力学-5
3 3 2 1 2 mv L ML + m( L) 4 4 3
9 1 3mv 4 ML + ML 16 3
=8.89 rad/s
②对杆、子弹、地球系统机械能守恒
1 1 9 L 3 2 2 ( ML + mL ) ( Mg + mg L)(1 cosq ) 2 3 16 2 4
(5)
3 g cos q
a
ct
a
7
N N 13
(6) mg sin q ,
由 (3)(4)(5)(6)
可解得：
l t
7
4 mg 7
cos q
v 13 4 $ mg cos q t $ N mg sin q l 7 7 mg N 153 sin 2 q + 16 7
a tg 1
M I
d 1 2 1 2 Mdq I dq Id I I o qo qo o dt 2 2 q q
A外 + A非保内 E EO
A外 0
A非保内 0
E EO const
例：长为 l 质量为m的细棒，可绕其一 端在铅直平面内自由转动。设棒原来静止 在水平位置，现让其自由摆下。求①棒摆 到铅直位置时的角速度和摆下端点A的速 度，②棒在竖直位置时，轴O受的作用力。
q0 q0
q
q
外力矩做功
dA Mdq P M dt dt
3、定轴转动刚体的动能定理
A内 0
1 1 2 A外 mi vi mi vio i 2 i 2
1 2 1 2 Mdq I I o θo 2 2
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第三章 角动量守恒定律
序号 学号 姓名 专业、班级
一 选择题
[ C ]1． 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。
[ B ]２．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 。
[ B ]３．两个均质圆盘A 和B 密度分别为A ρ和B ρ，若A ρ>B ρ，但两圆盘质量与厚度相同，如两盘对通过盘心垂直于盘面轴的转动惯量各为A J 和B J ，则 (A) A J >B J (B) B J >A J
(C) A J ＝B J
(D) A J 、B J 哪个大，不能确定
[ A ]４．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，它们对轴的合力矩一定是零； (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：
(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。
[ A ]5．关于力矩有以下几种说法：
(1) 对某个定轴而言，刚体的角动量的改变与内力矩有关。
(2) 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物体，在相同力矩的作用下，它们的角加速度一定相等。
在上述说法中，
(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。
[ C ]6．一圆盘正绕垂直于盘面的水平光滑固定轴O 转动，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，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 (A) 增大 (B) 不变 (C) 减小 (D) 不能确定
[ E ]7. 如图所示，有一个小块物体，置于一个光滑的水平桌面上，有一绳其一端连结此物体，另一端穿过桌面中心的小孔，该物体原以角速度
ω在距孔为R 的圆周上转动，今将绳从小孔缓慢往下拉，则物体
(A) 动能不变，动量改变。
(B) 动量不变，动能改变。
(C) 角动量不变，动量不变。
(D) 角动量改变，动量改变。
(E) 角动量不变，动能、动量都改变。
[ A ]8．已知地球的质量为m ，太阳的质量为M ，地心与日心的距离为R ，引力常数为G ，则地球绕太阳作圆周运动的角动量为 (A) GMR m
(B)
R
GMm (C) R G
Mm
(D)
R
GMm
2 二 填空题
1.质量为m 的质点以速度 v 沿一直线运动，则它对直线上任一点的角动量为 ___0_。
2.飞轮作匀减速转动，在5s 内角速度由40πrad·s
1
-减到10πrad·s
1
-，则飞轮在这5s 内总共
转过了___62.5_____圈，飞轮再经_______1.67S_____的时间才能停止转动。
3． 一长为l 、质量可以忽略的直杆，两端分别固定有质量为2
m 和m 的小球，杆可绕通过其中心
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O 且与杆垂直的水平光滑固定轴在铅直平面内转动。
开始杆与水平方向成某一角度θ，处于静止状态，如图所示。
释放后，杆绕O 轴转动，则当杆
转到水平位置时，该系统所受的合外力矩的大小M = mgl 21 ，此
时该系统角加速度的大小β= l g
32 。
4．可绕水平轴转动的飞轮，直径为1.0m ，一条绳子绕在飞轮的外周边缘上，如果从静 止开始作匀角加速运动且在4s 内绳被展开10m ，则飞轮的角加速度为2
/5.2s rad 。
５．决定刚体转动惯量的因素是 ___刚体的质量____ __；__刚体的质量分布____ ________；_____转轴的位置_______。
６．一根质量为m ，长为l 的均匀细杆，可在水平桌面上绕通过其一端的竖直固定轴转动。
已知细杆与桌面的滑动摩擦系数为μ，则杆转动时受的摩擦力矩的大小为mgl μ2
1。
７．转动着的飞轮的转动惯量为J ，在t=0时角速度为ω0，此后飞轮经历制动过程，阻力矩M 的大小与角速度ω的平方成正比，比例系数为k(k 为大于0的常数)。
当ω=03
1ω时，飞轮的角加速度β= J k 92
ϖ-。
从开始制动到ω=031ω所经过的时间t= 0
2ϖk J。
8. 在力矩作用下，一个绕轴转动的物体作 ______变角速_______________运动，系统所受的合外力矩为零，则系统的__________________角动量__________________________________守恒。
三 计算题
１．一半径为R 的圆形平板放在水平桌面上，平板与水平桌面的摩擦系数为u ，若平板绕通过其中心且垂直板面的固定轴以角速度0ω开始旋转，它将在旋转几圈后停止？
解：设圆板面密度为⎪⎭
⎫
⎝⎛
=
2R m πσσ，则转动时受到的摩擦阻力矩大小为 ⎰
⎰=⋅==R
gR r r g M M 0
32
3
2
d 2d πμσπμσ
由转动定律βJ M =可得角加速度大小
R Mg m R gR M J M 342
132
23
=
==σπβ 设圆板转过n 转后停止，则转过的角度为n πθ2=。
由运动学关系
()0,02202<==-βωβθ
ωω
可得旋转圈数
g
R R
Mg
n πμωπω16323422
02
0=
⨯⨯
=
2．如图所示，两物体的质量分别为 1m 和 2m ，滑轮的转动惯量为J ，半径为r 。
(1)若 2m 与桌面的摩擦系数为μ，求系统的加速度a 及绳子中的张力(绳子与滑轮间无相对滑动)；
(2)若2m 与桌面为光滑接触，
求系统的加速度a 及绳子中的张力。
解：参见《大学物理学习指导》
3．半径为R 具有光滑轴的定滑轮边缘绕一细绳，绳的下端挂一质量为m 的物体，绳的质量可以忽略，绳与定滑轮之间无相对滑动，若物体下落的加速度为a ，求定滑轮对轴的转动惯量。
解：分别以定滑轮和物体为研究对象，对物体应用牛顿运动定律，对定滑轮
应用转动定律列方程：
ma T mg =- （1）
βJ R T =' （2）
由牛顿第三定律有
T T =' （3）
由角量和线量的关系有 βR a = （4）
由以上四式联解可得 ()a R a g m J /2-=
∙
a
'。