《大学物理学》第二章 刚体力学基础 自学练习题
《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___________。
大学物理刚体习题
7 ml 48
2
(2)
6 g sin 由(1)、(2)得： 2 7l 应用质心运动定理： N mg ma c l$方向： mg sin Nl macl t$方向： mg cos Nt mact
(3) (4)
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l 2 6 g sin a cl (5) 4 7 l l l 4 mg cos 3 g cos a (6) ct 4 4 J 7 o 13 N mg sin , 由 (3)(4)(5)(6) 可解得： l 7
(2)角动量定理
与同向
dL d ( J ) M 或 Mdt J 2 2 J 1 1 dt dt
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。
(3)角动量守恒定律
M 0
J i i
恒量
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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。
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) ，
M
碰撞过程角动量守恒,得：
3 mv 4 L = ( Jm+ JM )ω 2 1 3 2 JM = 3 M L Jm = m ( 4 L )
3L 4 M θ m L
ω
3 mv L 3 mv 4 =9 4 2 1 = 2 9 mL 1 M L m L M L +3 +3 16 16
大学物理试题及答案
第2章 刚体的转动一、 选择题1、 如图所示，A 、B 为两个相同的绕着轻绳的定滑轮．A 滑轮挂一质量为M 的物体，B 滑轮受拉力F ，而且F ＝Mg ．设A 、B 两滑轮的角加速度分别为A和B，不计滑轮轴的摩擦，则有(A) A＝B． (B) A＞B．(C)A ＜B． (D) 开始时A＝B，以后A＜B．［ ］2、 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J A 和J B ，则 (A) J A ＞J B ． (B) J A ＜J B ．(C) J A = J B ． (D) 不能确定J A 、J B 哪个大． ［ ］ 3、 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． ［ ］4、 质量为m 的小孩站在半径为R 的水平平台边缘上．平台可以绕通过其中心的竖直光滑固定轴自由转动，转动惯量为J ．平台和小孩开始时均静止．当小孩突然以相对于地面为v 的速率在台边缘沿逆时针转向走动时，则此平台相对地面旋转的角速度和旋转方向分别为(A) ⎪⎭⎫ ⎝⎛=R J mR v 2ω，顺时针． (B) ⎪⎭⎫⎝⎛=R J mR v 2ω，逆时针．(C) ⎪⎭⎫⎝⎛+=R mR J mR v 22ω，顺时针． (D) ⎪⎭⎫⎝⎛+=R mR J mR v 22ω，逆时针。
［ ］ 5、 如图所示，一静止的均匀细棒，长为L 、质量为M ，可绕通过棒的端点且垂直于棒长的光滑固定轴O 在水平面内转动，转动惯量为231ML ．一质量为m 、速率为v 的子弹在水平面内沿与棒垂直的方向AMBFOv ϖ21v ϖ俯视图射出并穿出棒的自由端，设穿过棒后子弹的速率为v 21，则此时棒的角速度应为(A)ML m v ． (B) MLm 23v． (C)ML m 35v ． (D)MLm 47v． ［ ］ 6、 一个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) 它受热时角速度变大，遇冷时角速度变小． (C) 它受热或遇冷时，角速度均变大．(D) 它受热时角速度变小，遇冷时角速度变大． ［ ］ 7、 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(A) 增大． (B) 不变．(C) 减小． (D) 不能确定. ［ ］ 二、填空题1、 一个以恒定角加速度转动的圆盘，如果在某一时刻的角速度为1＝20rad/s ，再转60转后角速度为2＝30rad /s ，则角加速度 =_____________，转过上述60转所需的时间Δt ＝________________。
精选-《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(ϖϖϖ-=，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)4302092935i j kM 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。
刚体力学基础习题课
刚体的动量矩
刚体的进动和章动
第五章
进动的定义和计算
进动是指刚体绕自身某定点作角速度矢量沿着垂直于该定点轴的平面内的圆周运动。
进动的角速度矢量可以表示为$omega = omega_0 + alpha times omega_0$，其中$omega_0$是初始角速度矢量，$alpha$是进动角速度矢量。
平动刚体的动能和动量分别为 (E = frac{1}{2}mv^2) 和 (p = mv)，其中 m 为刚体的质量，v 为刚体的速度。
平动刚体的特征
平动刚体的运动规律
平动刚体的动能和动量
刚体的转动
转动刚体上任意两点的连线在运动过程中始终保持长度不变，但可以形成不同的角度。转动刚体的角速度和角加速度是矢量。
进动的角速度矢量的大小和方向可以通过向量的外积运算计算得出，即$|omega| = |omega_0| sqrt{1 + alpha^2}$，$tan theta = frac{alpha}{1 + alpha^2}$，其中$theta$是进动角。
章动的定义和计算
章动的角位移矢量的大小和方向可以通过向量的外积运算计算得出，即$|theta| = |theta_0| + frac{1}{2} |beta| t^2$，$tan varphi = frac{beta t}{2 |theta_0|}$，其中$varphi$是章动角。
01
静态平衡是稳定的，只要刚体受到微小的扰动，它就会恢复到原来的平衡状态。
刚体的平衡稳定性
03
刚体在静态平衡状态下，其重心位置保持不变，且各方向上的力矩平衡。
刚体的平衡状态
02
刚体的动态平衡
大学物理上练习册 第2章《刚体定轴转动》答案-2013
第2章 刚体定轴转动一、选择题1(B)，2(B)，3(C)，4(C)，5(C) 二、填空题(1). 62.5 1.67ｓ (2). 4.0 rad/ (3). 0.25 kg ·m 2(4). mgl μ21参考解：M ＝⎰M d ＝()mgl r r l gm l μμ21d /0=⎰(5). 2E 0三、计算题1. 如图所示，半径为r 1＝0.3 m 的A 轮通过皮带被半径为r 2＝0.75 m 的B 轮带动，B 轮以匀角加速度π rad /s 2由静止起动，轮与皮带间无滑动发生．试求A 轮达到转速3000 rev/min 所需要的时间．解：设A 、B 轮的角加速度分别为βA 和βB ，由于两轮边缘的切向加速度相同， a t = βA r 1 = βB r 2则 βA = βB r 2 / r 1 A 轮角速度达到ω所需时间为 ()75.03.060/2300021⨯π⨯π⨯===r r t B A βωβωs ＝40 s2.一砂轮直径为1 m 质量为50 kg ，以 900 rev / min 的转速转动．撤去动力后，一工件以 200 N 的正压力作用在轮边缘上，使砂轮在11.8 s 内停止．求砂轮和工件间的摩擦系数．(砂轮轴的摩擦可忽略不计，砂轮绕轴的转动惯量为21mR 2，其中m 和R 分别为砂轮的质量和半径).解：R = 0.5 m ，ω0 = 900 rev/min = 30π rad/s ，根据转动定律 M = -J β ① 这里 M = -μNR ②μ为摩擦系数，N 为正压力，221mR J =． ③ 设在时刻t 砂轮开始停转，则有： 00=+=t t βωω从而得 β＝-ω0 / t ④将②、③、④式代入①式，得 )/(2102t mR NR ωμ-=- ∴ m =μR ω0 / (2Nt )≈0.5r1. 有一半径为R 的圆形平板平放在水平桌面上，平板与水平桌面的摩擦系数为μ，若平板绕通过其中心且垂直板面的固定轴以角速度ω0开始旋转，它将在旋转几圈后停止？（已知圆形平板的转动惯量221mR J =，其中m 为圆形平板的质量）解：在r 处的宽度为d r 的环带面积上摩擦力矩为r r r R mgM d 2d 2⋅π⋅π=μ总摩擦力矩 mgR M M R μ32d 0==⎰故平板角加速度 β =M /J设停止前转数为n ，则转角 θ = 2πn由 J /Mn π==4220θβω可得 g R MJ n μωωπ16/342020=π=2. 一转动惯量为J 的圆盘绕一固定轴转动，起初角速度为ω0．设它所受阻力矩与转动角速度成正比，即M ＝－k ω (k 为正的常数)，求圆盘的角速度从ω0变为021ω时所需的时间．解：根据转动定律： J d ω / d t = -k ω ∴ t J kd d -=ωω两边积分：⎰⎰-=t t J k02/d d 100ωωωω得 ln2 = kt / J∴ t ＝(J ln2) / k5.一质量为m 的物体悬于一条轻绳的一端，绳另一端绕在一轮轴的轴上，如图所示．轴水平且垂直于轮轴面，其半径为r ，整个装置架在光滑的固定轴承之上．当物体从静止释放后，在时间t 内下降了一段距离S ．试求整个轮轴的转动惯量(用m 、r 、t 和S 表示)．解：设绳子对物体(或绳子对轮轴)的拉力为T ，则根据牛顿运动定律和转动定律得：mg T ＝ma ① T r ＝J β ② 由运动学关系有： a = r β ③ 由①、②、③式解得： J ＝m ( g －a ) r 2 / a ④ 又根据已知条件 v 0＝0 ∴ S ＝221at ， a ＝2S / t 2 ⑤将⑤式代入④式得：J ＝mr 2(Sgt 22－1)3.如图所示，设两重物的质量分别为m 1和m 2，且m 1＞m 2，定滑轮的半径为r ，对转轴的转动惯量为J ，轻绳与滑轮间无滑动，滑轮轴上摩擦不计．设开始时系统静止，试求t 时刻滑轮的角速度． 解：作示力图．两重物加速度大小a 相同，方向如图.m 1g －T 1＝m 1a T 2－m 2g ＝m 2a 设滑轮的角加速度为β，则 (T 1－T 2)r ＝J β 且有 a ＝r β 由以上四式消去T 1，T 2得： ()()J r m m gr m m ++-=22121β 开始时系统静止，故t 时刻滑轮的角速度．()()Jrm m grt m m t ++-==22121 βω7.一根放在水平光滑桌面上的匀质棒，可绕通过其一端的竖直固定光滑轴O 转动．棒的质量为m = 1.5 kg ，长度为l = 1.0 m ，对轴的转动惯量为J = 231ml ．初始时棒静止．今有一水平运动的子弹垂直地射入棒的另一端，并留在棒中，如图所示．子弹的质量为m '= 0.020 kg ，速率为v = 400 m ·s -1．试问：(1) 棒开始和子弹一起转动时角速度ω有多大？(2) 若棒转动时受到大小为M r = 4.0 N ·m 的恒定阻力矩作用，棒能转过多大的角度θ？解：(1) 角动量守恒：ω⎪⎭⎫ ⎝⎛'+='2231l m ml l m v ∴ l m m m ⎪⎭⎫ ⎝⎛'+'=31vω＝15.4 rad ·s -1(2) 由转动定律，得： －M r ＝(231ml ＋2l m ')β0－ω 2＝2βθ∴ rM l m m 23122ωθ⎪⎭⎫ ⎝⎛'+=＝15.4 rad8.如图所示，A 和B 两飞轮的轴杆在同一中心线上，设两轮的转动惯量分别为 J ＝10 kg ·m 2 和 J ＝20 kg ·m 2．开始时，A 轮转速为600 rev/min ，B 轮静止．C 为摩擦啮合器，其转动惯量可忽略不计．A 、B 分别与C 的左、右两个组件相连，当C 的左右组件啮合时，B 轮得到加速而A 轮减速，直到两轮的转速相等为止．设轴光滑，求： mm , lOm '(1) 两轮啮合后的转速n ； (2) 两轮各自所受的冲量矩．解：(1) 选择A 、B 两轮为系统，啮合过程中只有内力矩作用，故系统角动量守恒J A ωA ＋J B ωB = (J A ＋J B )ω，又ωB ＝0得： ω ≈ J A ωA / (J A ＋J B ) = 20.9 rad / s 转速 ≈n 200 rev/min (2) A 轮受的冲量矩⎰t M A d = J A (J A ＋J B ) = -4.19×10 2N ·m ·s 负号表示与A ω方向相反． B 轮受的冲量矩⎰t MBd = J B (ω - 0) = 4.19×102 N ·m ·s方向与A ω相同．4.一匀质细棒长为2L ，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．碰撞点位于棒中心的一侧L 21处，如图所示．求棒在碰撞后的瞬时绕O 点转动的角速度ω．(细棒绕通过其端点且与其垂直的轴转动时的转动惯量为231ml ，式中的m 和l 分别为棒的质量和长度．)解：碰撞前瞬时，杆对O 点的角动量为L m L x x x x L L 0202/002/30021d d v v v v ==-⎰⎰ρρρ式中ρ为杆的线密度．碰撞后瞬时，杆对O 点的角动量为ωωω2221272141234331mL L m L m J =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=因碰撞前后角动量守恒，所以 L m mL 022112/7v =ω ∴ ω = 6v 0 / (7L)10. 空心圆环可绕光滑的竖直固定轴AC 自由转动，转动惯量为J 0，环的半径为R ，初始时环的角速度为ω0．质量为m 的小球静止在环内最高处A 点，由于某种微小干扰，小球沿环向下滑动，问小球滑到与环心O 在同一高度的B 点和环的最低处的C 点时，环的角速度及小球相对于环的速度各为多大?(设环的内壁和小球都是光滑的，小球可视为质点，环截面半径r <<R .)解：选小球和环为系统．运动过程中所受合外力矩为零，角动量守恒．对地球、小球和环系统机械能守恒．取过环心的水平面为势能零点．小球到B 点时： J 0ω0＝(J 0＋mR 2)ω ①2121()222220212121BRmJmgRJ v++=+ωωω②式中v B表示小球在B点时相对于地面的竖直分速度，也等于它相对于环的速度．由式①得：ω＝J0ω 0 / (J0 + mR2) 1分代入式②得2222Jm RRJgRB++=ωv当小球滑到C点时，由角动量守恒定律，系统的角速度又回复至ω0，又由机械能守恒定律知，小球在C的动能完全由重力势能转换而来．即：()RmgmC2212=v, gRC4=v四研讨题1. 计算一个刚体对某转轴的转动惯量时，一般能不能认为它的质量集中于其质心，成为一质点，然后计算这个质点对该轴的转动惯量？为什么？举例说明你的结论。
大学物理刚体力学基础习题思考题与答案
习题55-1．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2滑轮的转动惯量均为m r/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内的张力。
解：受力分析如图，可建立方程：2mgT22ma┄①T1┄②mgmaT(TT)rJ┄③2(TT)1rJ┄④a，r2Jmr┄⑤/2 1联立，解得：ag411，Tmg8。
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：ml，在杆上取一小质元dmdx，有微元摩擦力：dfdmggdx，微元摩擦力矩：dMgxdx，考虑对称性，有摩擦力矩：l1M2gxdxmgl；24（2）根据转动定律MJJ ddt，有：tMdtJd，112mgltml，∴0 412 t30lg。
或利用：MtJJ，考虑到0，12 Jml，12有：0t3 l g 。
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2R,其转动惯量为M R/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：mgTma┄①TR┄②JaR，12 JmR┄③22mgMmg联立，解得：aT，，M2m M2m考虑到a dvdt，∴vt2mgdvdt00M2m，有：v2m gtM2m。
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O2轴的转动惯量J/4，设人从静止开始以相对绳匀速向上爬MR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 T1人MaAMMT2ga物B44T1RTRJ滑轮22由约束方程:aaRJ,解上述方程组A和MR/4B得到g 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du物上升的速度，注意到u 为匀速，0dt，系统对轴的角动量为：1M32LMvRM(uv)R(R)MvRMu 442R(B 物体)(人)(A 物体)而力矩为： M13 MgRMgRMgR ， 44根据角动量定理dL3d3 M 有：MgR(MvRMuR)，∴dt4dt2 g a 。
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、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： （ ）B ）（1）、（2）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 F v （3i v 5 vj ）N 作用于某点上，其作用点的矢径为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；A ）只有（ 2）是正确的；C ）（2）、（ 3）是正r (4i 3 j ) m ，则该力对 坐标原点的力矩为 vv（A ） 3kN m ； （B ） 29kN m ；C ）29k v N m ； vD ) 3kN m 。
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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(ϖϖϖ-=，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)4302092935i j kM 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； （D ）角速度不变，角加速度为零。
【提示：棒下落的过程中，越来越快，则角速度变大；力矩变小，则角加速度变小】5． 圆柱体以80rad /s 的角速度绕其轴线转动，它对该轴的转动惯量为24m kg ⋅。
由于恒力矩的作用，在10s 内它的角速度降为40rad /s 。
圆柱体损失的动能和所受力矩的大小为：（ ） （A ）80J ，80m N ⋅；（B ）800J ，40m N ⋅；（C ）4000J ，32m N ⋅；（D ）9600J ，16m N ⋅。
【提示：损失的动能： 22011960022k E J J ωω∆=-=；由于是恒力矩，可利用0t ωωα=+求得4α=-，再利用M J α=得16MN m =-⋅】6． 一匀质圆盘状飞轮质量为20kg ，半径为30cm ，当它以每分钟60转的速率旋转时，其动能为： （ ）（A ）22.16π J ； （B ）21.8πJ ； （C ）1.8J ； （D ）28.1πJ 。
【圆盘转动惯量：210.92J mR ==；角速度：2260n πωπ==；动能：221 1.82k E J ωπ∆==】 4-5．假设卫星绕地球中心作椭圆运动，则在运动过程中，卫星对地球中心的（ ） （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 ）角动量不守恒，动能也不守恒。
【提示：因为万有引力是指向圆心的有心力，所以提供的力矩为零，满足角动量守恒定律；又因为万有引力是保守力，所以满足机械能守恒定律】4--1．如图所示，一均匀细杆，质量为m ，长度为l ，一端固定， 由水平位置自由下落，则在最开始时的水平位置处，其质心 的加速度为：（ ）（A ）g ； （B ）0； （C ）34g ； （D ）12g 。
【提示：均匀细杆质心位置在l /2处。
利用转动定律M J α=→2123l mg ml α⋅=⋅有最开始时的质心加速度：324Cl a g α=⋅=】4--2．如图所示，两个质量均为m ，半径均为R 的匀质圆盘状 滑轮的两端，用轻绳分别系着质量为m 和2m 的物体，若 系统由静止释放，则两滑轮之间绳内的张力为：（ ） （A ）118m g ； （B ）32m g ； （C ）m g ； （D ）12m g【提示：均匀细杆质心位置在l /2处。
利用转动定律M J α=→2123l mg ml α⋅=⋅，有最开始时的质心加速度：324Cl a g α=⋅=】4--3．一花样滑冰者，开始时两臂伸开，转动惯量为0J ，自转时，其动能为200012E J ω=，然后他将手臂收回，转动惯量减少至原来的13，此时他的角速度变为ω，动能变为E ，则有关系：（ ）（A ）03ωω=，0E E =； （B ）013ωω=，03E E =； （C）0ω=，0E E =； （D ）03ωω=，03E E =。
【提示：利用角动量守恒定律有：00J J ωω=→03ωω=，则20132E J E ω==】11． 一根质量为m 、长度为L 的匀质细直棒，平放在水平桌面上。
若它与桌面间的滑动摩擦系数为μ，在t =0时，使该棒绕过其一端的竖直轴在水平桌面上旋转，其初始角速度为0ω，则棒停止转动所需时间为 （ ）（A ）023L g ωμ； （B ）03L g ωμ； （C ） 043L g ωμ； （D ） 06Lgωμ。
【提示：摩擦力产生的力矩为012L m g xd x mgL L μμ=⎰（或考虑摩擦力集中于质心有12f M mg L μ=-⋅）；取213J mL =；利用角动量定律0f M t J J ωω⋅=- →023L t g ωμ=】 12． 一质量为60kg 的人站在一质量为60kg 、半径为l m 的匀质圆盘的边缘，圆盘可绕与盘面相垂直的中心竖直轴无摩擦地转动。
系统原来是静止的，后来人沿圆盘边缘走动，当人相对圆盘的走动速度为2m /s 时，圆盘角速度大小为 （ ） （A ） 1rad/s ；（B ）2rad/s ； （C ）23rad/s ； （D ） 43rad/s 。
【提示：匀质圆盘的转动惯量2112J mR =，人的转动惯量22J mR =；利用系统的角动量守恒定律： 1121()J J ωωω=∆-→12433ωω∆==】13． 如图所示，一根匀质细杆可绕通过其一端O 的水平轴在竖直平面内自由转动，杆长53m 。
今使杆从与竖直方向成60o角由静止 释放(g 取10m /s 2)，则杆的最大角速度为： （ ）（A ）3 rad/s ； （B ）π rad/s ；（Crad/s ；（Drad/s【提示：棒的转动惯量取213J mL =，重力产生的力矩考虑集中于质心， 有：1sin 2M mg L θ=⋅）；利用机械能守恒定律：22312Md J ππθω=⎰→232g L ω=→ 3ω=】 4-4． 对一个绕固定水平轴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 ） 增大； （B ）减小； （C ）不变；（D ）无法确定。
【提示：两子弹和圆盘组成的系统在射入前后系统的角动量守恒，但对于转盘而言两子弹射入后转盘的转动惯量变大，利用角动量 守恒定律：知转盘的角速度应减小】15．一根长为l 、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0v 射向 棒的中心，并以02v 的水平速度穿出棒，此后棒的最大偏转角恰为90o，则0v 的大小为 ：（ ）（A（B（C（D ）22163M glm。
【提示：（1）应用角动量守恒定律：2200/21232/2v l l mv Ml m l ω⎛⎫⋅=⋅+⋅ ⎪⎝⎭，可得：034mv M l ω=；（2）应用机械能守恒定律：2211232lMl Mg ω⋅=⋅，得：0v =二、填空题1．半径为 1.5r m =的飞轮，初角速度010/rad s ω=，角加速度25/rad s β=-，若初始时刻角位移为零，则在t = 时角位移再次为零，而此时边缘上点的线速度v = 。
【提示：由于角加速度是常数，可用公式2012t t θωβ=+，当0θ=时，有02t ωβ=-=4s ；再由0t ωωβ=+得：10/rad s ω=-，有v = 15/m s -】2．某电动机启动后转速随时间变化关系为0(1)te τωω-=-，则角加速度随时间的变化关系为 。
【提示：求导，有α=0te τωτ-】3．一飞轮作匀减速运动，在5s 内角速度由40πrad /s 减到10πrad /s ，则飞轮在这5s 内总共转过了 圈，飞轮再经 的时间才能停止转动。
【提示：由于是匀减速，可用公式02t ωωθ+∆=⋅，则024n t ωωθππ+∆==⋅=62.5圈；角加速度可由0tωωβ-=求得，为6βπ=-，再由0t ωβ=+∆得：t ∆=53s 】 4--4．在质量为m 1，长为l /2的细棒与质量为m 2长为l /2的 细棒中间，嵌有一质量为m 的小球，如图所示，则该系统 对棒的端点O 的转动惯量J = 。
2•212【2J r dm =⎰，考虑123J J J J =++有：2/222120/2/22/2l l l m m l J r dr m r drl l ⎛⎫=⋅++⋅ ⎪⎝⎭⎰⎰，求得：22212732232m m l l l J m ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=++= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭2123712m m m l ++】 4--5．在光滑的水平环形沟槽内，用细绳将两个质量分别为m 1和 m 2的小球系于一轻弹簧的两端，使弹簧处于压缩状态，现将绳 烧断，两球向相反方向在沟槽内运动，在两球相遇之前的过程 中系统的守恒量是： 。
【提示：水平环形沟槽光滑则不考虑摩擦力；弹簧力是系统内力所以提供的力矩为零，满足(1)角动量守恒；又因弹性力是保守力，所以满足（2）机械能守恒】4--6．如图所示，在光滑的水平桌面上有一长为l ，质量为m 的均匀细棒以与棒长方向相垂直的速度v 向前平动，与一固定 在桌子上的钉子O 相碰撞，碰撞后，细棒将绕点O 转动，则 转动的角速度ω= 。