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《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___________。
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。
刚体结构力学试题及答案一、选择题（每题4分，共20分）1. 刚体的转动惯量与物体的质量和形状有关，以下说法正确的是（）。
A. 质量越大，转动惯量越大B. 质量分布越集中，转动惯量越小C. 质量分布越分散，转动惯量越大D. 转动惯量与物体的质量无关答案：C2. 刚体在力的作用下发生旋转，下列说法正确的是（）。
A. 力矩的大小与力的大小成正比B. 力矩的大小与力臂的长度成反比C. 力矩的大小与力的大小和力臂的长度都成正比D. 力矩的大小与力的大小和力臂的长度都无关答案：C3. 刚体的角速度与线速度之间的关系是（）。
A. 角速度是线速度的两倍B. 线速度是角速度的两倍C. 角速度与线速度成正比D. 角速度与线速度成反比答案：C4. 在刚体的平移运动中，下列说法正确的是（）。
A. 刚体上任意两点的位移相同B. 刚体上任意两点的速度相同C. 刚体上任意两点的加速度相同D. 以上说法都正确答案：D5. 刚体的转动惯量与物体的转动轴有关，以下说法正确的是（）。
A. 转动轴越靠近物体的重心，转动惯量越小B. 转动轴越远离物体的重心，转动惯量越大C. 转动轴的位置不影响转动惯量D. 转动轴的位置与转动惯量无关答案：A二、填空题（每题4分，共20分）1. 刚体的转动惯量定义为物体的质量与其到转轴的____的乘积。
答案：距离平方2. 刚体在力矩作用下产生的角加速度的大小与力矩成正比，与物体的____成反比。
答案：转动惯量3. 根据牛顿第二定律，刚体的角加速度等于力矩除以物体的____。
答案：转动惯量4. 刚体的角速度和角位移的单位分别是____和____。
答案：弧度每秒，弧度5. 刚体在平面内的运动可以分解为____和____。
答案：平移，旋转三、简答题（每题10分，共30分）1. 请简述刚体的转动惯量与哪些因素有关，并举例说明。
答案：刚体的转动惯量与物体的质量分布和转轴的位置有关。
例如，一个均匀的圆盘绕通过其质心的轴旋转时，其转动惯量较小；而如果绕通过其边缘的轴旋转，其转动惯量则较大。
作业5 刚体力学♫刚体：在力的作用下不发生形变的物体⎰=-⇒=210t t dt dtd ωθθθω角速度⎰=-⇒=210t t dt dtd βωωωβ角加速度1、根底训练〔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=，那么飞轮的角加速度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：200.05rad s tωωβ-==-据2012t 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、根底训练〔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)，如下图．绳与轮之间无相对滑动．假设某时刻滑轮沿逆时针方向转动，那么绳中的力 (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m 2m 1 O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 >[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 maTR J a R ββ-=== 所以2mgRJ mRβ=+,当以2F mg =的拉力代替重物拉绳时，有： '2mgR J β=，2'mgRJβ=，比拟二者可得出结论。
刚体的简单运动习题及答案刚体的简单运动习题及答案刚体是物理学中的一个基本概念，它指的是在运动过程中形状和大小不发生改变的物体。
在学习刚体的运动时，我们可以通过一些简单的习题来加深对刚体运动的理解。
下面，我将为大家提供一些常见的刚体运动习题及答案。
习题一：平抛运动小明站在一个高处，手中拿着一个小球，以一定的初速度将球水平抛出。
假设空气阻力可以忽略不计，请问球的运动轨迹是什么形状？答案：球的运动轨迹是一个抛物线。
在平抛运动中，刚体在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上受到重力的作用，所以球的轨迹是一个抛物线。
习题二：滚动运动一个圆柱体沿着水平面滚动，它的质心速度和边缘速度哪个更大？答案：质心速度和边缘速度相等。
在滚动运动中，刚体的质心沿着运动方向做匀速直线运动，而刚体的边缘点则具有线速度和角速度的叠加效果。
由于圆柱体的每个点都有相同的角速度，所以质心速度和边缘速度相等。
习题三：转动惯量一个均匀的圆盘和一个均匀的长方体，它们的质量和半径（或边长）相同，哪个的转动惯量更大？答案：圆盘的转动惯量更大。
转动惯量是刚体旋转时惯性的量度，它与刚体的质量分布有关。
由于圆盘的质量分布更加均匀，所以它的转动惯量更大。
习题四：平衡条件一个悬挂在绳子上的物体处于平衡状态，绳子与竖直方向的夹角是多少？答案：绳子与竖直方向的夹角等于物体所受的重力与绳子张力的夹角。
在平衡状态下，物体所受的重力与绳子张力必须保持平衡，即两者的合力为零。
因此，绳子与竖直方向的夹角取决于物体所受的重力与绳子张力的大小关系。
习题五：平移运动和转动运动一个刚体在平面上做平移运动时，它的转动惯量是多少？答案：在平移运动时，刚体的转动惯量为零。
平移运动是指刚体的质心沿直线运动，此时刚体没有绕任何轴心旋转，所以转动惯量为零。
通过以上习题的解答，我们可以更好地理解刚体的运动特性。
刚体的运动涉及到平抛运动、滚动运动、转动惯量和平衡条件等方面的知识，通过解答这些习题，我们可以加深对刚体运动的理解，提高解题能力。
作业5 刚体力学♫刚体：在力的作用下不发生形变的物体⎰=-⇒=21ttdtdtdωθθθω角速度⎰=-⇒=21ttdtdtdβωωωβ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5rad sω=，t＝20s时角速度为0.8ωω=，则飞轮的角加速度β=-0.05 rad/s2 ，t＝0到t＝100 s时间内飞轮所转过的角度θ=250rad．【解答】飞轮作匀变速转动，据tωωβ=+，可得出：200.05rad stωωβ-==-据212t tθωβ=+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.βJM=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m1和m2的物体(m1＜m2)，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．【解答】逆时针转动时角速度方向垂直于纸面向外, 由于(m1＜m2)，实际上滑轮在作减速转动,角加速度方向垂直纸面向内,所以,由转动定律21()T T R Jβ-=可得：21T T>[ 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m2m1O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2mgRJ mRβ=+,当以2F mg =的拉力代替重物拉绳时，有： '2mgR J β=，2'mgRJβ=，比较二者可得出结论。
刚体的定轴转动作业题答案1.{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，下述说法正确的是（）}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，角加速度从小到大答案:A题型:单选题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．若将物体去掉而以与P相等的力直接向下拉绳子，滑轮的角加速度将（）A.不变B.变小C.变大D.如何变化无法判断答案:C题型:单选题3.一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E.动量、机械能和角动量都不守恒答案:C题型:单选题4.一刚体以每分钟60转绕z轴做匀速转动(沿z轴正方向)设某时刻刚体上一点P的位置矢量为，其单位为“10-2m”，若以“10-2m·s-1”为速度单位，则该时刻P点的速度为（）A.B.C.D.试题编号:E17549 24678答案:B题型:单选题5.{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m1和m2的物体(m1＜m2)，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.哪边大无法判断试题编号:E17549 24680答案:C题型:单选题6.{一圆盘绕过盘心且与盘面垂直的光滑固定轴O以角速度w按图示方向转动.若如图所示的情况那样，将两个大小相等方向相反但不在同一条直线的力F沿盘面同时作用到圆盘上，则圆盘的角速度将（）}A.必然增大B.必然减少C.不会改变D.如何变化，不能确定试题编号:E17549 24681答案:A题型:单选题7.两个匀质圆盘A和B的密度分别为和，若＞，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轴的转动惯量各为J A和J B，则（）A.J A＞J BB.J B＞J AC.J A＝J BD.J A、J B哪个大，不能确定试题编号:E17549 24682答案:B题型:单选题8.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C.大于D.等于试题编号:E17549 24684答案:C题型:单选题9.{光滑的水平桌面上有长为、质量为m的匀质细杆，可绕通过其中点O且垂直于桌面的竖直固定轴自由转动，转动惯量为，起初杆静止．有一质量为m的小球在桌面上正对着杆的一端，在垂直于杆长的方向上，以速率v运动，如图所示．当小球与杆端发生碰撞后，就与杆粘在一起随杆转动．则这一系统碰撞后的转动角速度是（）}A.B.C.D.试题编号:E17549 24686答案:C题型:单选题10.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.，顺时针B.，逆时针C.，顺时针D.，逆时针试题编号:E17549 24687答案:A题型:单选题11.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转动，此时有一质量为m的人站在转台中心．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.B.C.D.试题编号:E17549 24688答案:A题型:单选题12.一块方板，可以绕通过其一个水平边的光滑固定轴自由转动．最初板自由下垂．今有一小团粘土，垂直板面撞击方板，并粘在板上．对粘土和方板系统，如果忽略空气阻力，在碰撞中守恒的量是（）A.动能B.绕木板转轴的角动量C.机械能D.动量试题编号:E17549 24690答案:B题型:单选题13一个作定轴转动的轮子，对轴的转动惯量J =2.0kg·m2，正以角速度作匀速转动．现对轮子加一恒定的力矩M = -12N·m，经过时间ｔ＝8.0ｓ时轮子的角速度＝－，则＝___.试题编号:E17549 24694答案:24 rad/s题型:填空题14.{有一半径为R的匀质圆形水平转台，可绕通过盘心O且垂直于盘面的竖直固定轴OO＇转动，转动惯量为J．台上有一人，质量为m．当他站在离转轴r处时(r＜R)，转台和人一起以的角速度转动，如图．若转轴处摩擦可以忽略，问当人走到转台边缘时，转台和人一起转动的角速度＝___.}试题编号:E17549 24696答案:题型:填空题15.{长为l、质量为M的匀质杆可绕通过杆一端O的水平光滑固定轴转动，转动惯量为，开始时杆竖直下垂，如图所示．有一质量为m的子弹以水平速度射入杆上A点，并嵌在杆中，OA＝2l/ 3，则子弹射入后瞬间杆的角速度＝___.}试题编号:E17549 24697答案:题型:填空题16.{质量为m、长为l的棒，可绕通过棒中心且与棒垂直的竖直光滑固定轴O在水平面内自由转动(转动惯量J＝m l2/ 12)．开始时棒静止，现有一子弹，质量也是m，在水平面内以速度v0垂直射入棒端并嵌在其中．则子弹嵌入后棒的角速度＝___.}试题编号:E17549 24698答案:3v0/ (2l)题型:填空题17.一个圆柱体质量为M，半径为R，可绕固定的通过其中心轴线的光滑轴转动，原来处于静止．现有一质量为m、速度为v的子弹，沿圆周切线方向射入圆柱体边缘．子弹嵌入圆柱体后的瞬间，圆柱体与子弹一起转动的角速度＝___.(已知圆柱体绕固定轴的转动惯量J＝)试题编号:E17549 24700答案:题型:填空题18.一飞轮以角速度绕光滑固定轴旋转，飞轮对轴的转动惯量为J1；另一静止飞轮突然和上述转动的飞轮啮合，绕同一转轴转动，该飞轮对轴的转动惯量为前者的二倍．啮合后整个系统的角速度＝___.试题编号:E17549 24703答案:题型:填空题19.可绕水平轴转动的飞轮，直径为1.0 m，一条绳子绕在飞轮的外周边缘上．如果飞轮从静止开始做匀角加速运动且在4 s内绳被展开10 m，则飞轮的角加速度为___.试题编号:E17549 24704答案:2.5 rad / s2题型:填空题20.一飞轮作匀减速转动，在5 s内角速度由40rad·s-1减到10rad·s-1，则飞轮在这5 s内总共转过了___圈，飞轮再经___的时间才能停止转动．试题编号:E17549 24705答案:62.5 | 1.67ｓ题型:填空题21.{如图所示，一质量为m、半径为R的薄圆盘，可绕通过其一直径的光滑固定轴转动，转动惯量J＝mR2/ 4．该圆盘从静止开始在恒力矩M作用下转动，t秒后位于圆盘边缘上与轴的垂直距离为R的B点的切向加速度a t＝___,法向加速度a n＝___.}试题编号:E17549 24706答案:4M/ (mR) |题型:填空题22.一长为L的轻质细杆，两端分别固定质量为m和2m的小球，此系统在竖直平面内可绕过中点O且与杆垂直的水平光滑固定轴(O轴)转动．开始时杆与水平成60°角，处于静止状态．无初转速地释放以后，杆球这一刚体系统绕O轴转动．系统绕O轴的转动惯量J＝___.释放后，当杆转到水平位置时，刚体受到的合外力矩M＝___；角加速度___.试题编号:E17549 24707答案:3mL2/ 4 |mgL |题型:填空题23.{有两位滑冰运动员，质量均为50 kg，沿着距离为3.0 m的两条平行路径相互滑近．他们具有10 m/s的等值反向的速度．第一个运动员手握住一根3.0 m长的刚性轻杆的一端，当第二个运动员与他相距3m时，就抓住杆的另一端．(假设冰面无摩擦)(1)试定量地描述两人被杆连在一起以后的运动．(2)两人通过拉杆而将距离减小为1.0m，问这以后他们怎样运动？}A. (%)试题编号:E17549 24710答案:{解:(1)对两人系统，对于杆中点合外力矩为零，角动量守恒.故 1分1分=2v/＝6.67 rad / s∴w0两人将绕轻杆中心O作角速度为6.67 rad/s的转动． 1分(2)在距离缩短的过程中，合外力矩为零，系统的角动量守恒，则J0w0= J1w11分1分即作九倍原有角速度的转动．}题型:计算题题型:计算题24.{一轴承光滑的定滑轮，质量为M＝2.00 kg，半径为R＝0.100 m，一根不能伸长的轻绳，一端固定在定滑轮上，另一端系有一质量为m＝5.00 kg的物体，如图所示．已知定滑轮的转动惯量为J＝，其初角速度＝10.0 rad/s，方向垂直纸面向里．求：(1)定滑轮的角加速度的大小和方向；(2)定滑轮的角速度变化到0时，物体上升的高度；(3)当物体回到原来位置时，定滑轮的角速度的大小和方向．}A. (%)试题编号:E17549 24712答案:{解:(1) ∵ mg－T＝ma 1分TR＝J2分a＝R1分∴＝81.7 rad/s21分方向垂直纸面向外． 1分(2) ∵当＝0时，物体上升的高度h=R=6.12×10-2m 2分(3)10.0 rad/s方向垂直纸面向外.2分}题型:计算题25.{一质量均匀分布的圆盘，质量为M，半径为R，放在一粗糙水平面上(圆盘与水平面之间的摩擦系数为)，圆盘可绕通过其中心O的竖直固定光滑轴转动．开始时，圆盘静止，一质量为m的子弹以水平速度v0垂直于圆盘半径打入圆盘边缘并嵌在盘边上，求(1)子弹击中圆盘后，盘所获得的角速度．(2)经过多少时间后，圆盘停止转动．(圆盘绕通过O的竖直轴的转动惯量为，忽略子弹重力造成的摩擦阻力矩)}A. (%)试题编号:E17549 24715答案:{解:(1)以子弹和圆盘为系统，在子弹击中圆盘过程中，对轴O的角动量守恒．1分mv0R＝(MR2＋mR2)2分1分(2)设s表示圆盘单位面积的质量，可求出圆盘所受水平面的摩擦力矩的大小为2分设经过时间圆盘停止转动，则按角动量定理有－M f＝0－J＝－(MR2＋mR2-)＝-mv0R 2分∴ 2分}题型:计算题26.{质量为M1＝24 kg的圆轮，可绕水平光滑固定轴转动，一轻绳缠绕于轮上，另一端通过质量为M2＝5 kg的圆盘形定滑轮悬有m＝10 kg的物体．求当重物由静止开始下降了h＝0.5 m时，(1)物体的速度；(2)绳中张力．(设绳与定滑轮间无相对滑动，圆轮、定滑轮绕通过轮心且垂直于横截面的水平光滑轴的转动惯量分别为，)}A. (%)试题编号:E17549 24717答案:{解:各物体的受力情况如图所示．图2分由转动定律、牛顿第二定律及运动学方程，可列出以下联立方程:T 1R ＝J 11＝方程各1分共5分T 2r －T 1r ＝J 22＝mg －T 2＝ma , a ＝R 1＝r2, v2＝2ah求解联立方程，得m/s 2=2 m/s 1分T 2＝m(g －a)＝58 N 1分T 1＝＝48 N 1分 }题型:计算题 27.{如图所示的阿特伍德机装置中，滑轮和绳子间没有滑动且绳子不可以伸长，轴与轮间有阻力矩，求滑轮两边绳子中的张力．已知m 1＝20 kg ，m 2＝10 kg ．滑轮质量为m 3＝5 kg ．滑轮半径为r ＝0.2 m ．滑轮可视为均匀圆盘，阻力矩M f ＝6.6N·m ，已知圆盘对过其中心且与盘面垂直的轴的转动惯量为．}A. (%)试题编号:E17549 24718 答案:{解:对两物体分别应用牛顿第二定律(见图)，则有 m 1g －T 1=m 1a ①T 2– m 2g= m 2a ② 2分对滑轮应用转动定律，则有③ 2分对轮缘上任一点，有 a =r ④ 1分又:=T1，=T2⑤则联立上面五个式子可以解出＝2 m/s22分T1＝m1g－m1a＝156 NT2＝m2g－m2a＝118N 3分}题型:计算题2844.{一匀质细棒长为2L，质量为m，以与棒长方向相垂直的速度v0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处，如图所示．求棒在碰撞后的瞬时绕O点转动的角速度．(细棒绕通过其端点且与其垂直的轴转动时的转动惯量为，式中的和分别为棒的质量和长度．)}A. (%)试题编号:E17549 24720答案:{解:碰撞前瞬时，杆对O点的角动量为3分式中r为杆的线密度．碰撞后瞬时，杆对O点的角动量为3分因碰撞前后角动量守恒，所以3分∴= 6v0/ (7L) 1分.{一匀质细棒长为2L，质量为m，以与棒长方向相垂直的速度v0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处，如图所示．求棒在碰撞后的瞬时绕O点转动的角速度．(细棒绕通过其端点且与其垂直的轴转动时的转动惯量为，式中的和分别为棒的质量和长度．)}A. (%)试题编号:E17549 24720答案:{解:碰撞前瞬时，杆对O点的角动量为3分式中r为杆的线密度．碰撞后瞬时，杆对O点的角动量为3分因碰撞前后角动量守恒，所以3分∴= 6v0/ (7L) 1分29.质量为75 kg的人站在半径为2 m的水平转台边缘．转台的固定转轴竖直通过台心且无摩擦．转台绕竖直轴的转动惯量为3000 kg·m2．开始时整个系统静止．现人以相对于地面为1 m·s-1的速率沿转台边缘行走，求：人沿转台边缘行走一周，回到他在转台上的初始位置所用的时间．A. (%)试题编号:E17549 24709答案:解:由人和转台系统的角动量守恒 J11+ J22= 0 2分其中 J1＝300 kg·m2，1=v/r=0.5rad / s， J2＝3000kg·m2∴2＝－J11/J2＝－0.05 rad/s 1分人相对于转台的角速度＝1－2＝0.55 rad/s 1分∴ t＝2/＝11.4 s 1分。
中文书作业P148: 4.27，4.28 P145:4.3, 4.6 ,4.7 P149 4.40P145, 4.3——顶点悬挂于定点Ｏ的圆锥，以等角速度1ω绕其几何轴Ｏｚ运动，Oz 轴恒在铅直平面Oy 0z 0内，并绕水平轴以角速度2ω转动。
设圆锥高为h, 底面半径为R, 问角速度1ω、2ω满足什么条件时，可使圆锥的瞬时转轴位于圆锥表面上？[解法１] 要使圆锥的瞬时转轴位于圆锥表面上，要求刚体的总角速度21ωωω+=方向位于圆锥表面上。
由上图几何关系可知，角速度1ω、2ω应满足以下条件R h //21=ωω[解法２] 要使圆锥的瞬时转轴位于圆锥表面上，要求圆锥表面任意一点Ｐ的速度为0, 即0)(21=⨯+=⨯=OP OP P r r vωωω即OP OP r r⨯-=⨯21ωω矢量大小满足 OPOP r r⨯=⨯21ωω或 )2/sin(sin 21απωαω-=OP OP r r即R h /cot /21==αωω这就是刚体的总角速度21ωωω+=方向位于圆锥表面上时，角速度1ω、2ω应满足的条件。
P145, 4.6——杆ＡＢ与半径为Ｒ的半圆周相切，Ａ端以等速度0v沿水平方向运动，求杆ＡＢ的角速度ω及杆上和圆相切点D 的速度D v。
【解】已知Ａ端以等速度0v沿水平方向运动，切点D的速度D v方向沿圆周切线方向。
过Oy 021ＡＤ两点，作此两速度方向的垂线，垂线交点即为杆的瞬时转动中心O '。
该瞬心O '的瞬时速度为0='o v。
设杆ＡＢ的角速度为ω，则Ａ、Ｄ两点的速度分别满足O A A r v '⨯= ω，O D D r v '⨯=ω 注意到O A r '⊥ω，O D r '⊥ ω则Ａ、Ｄ两点速度大小为 O A A r v '⋅=ω，O D D r v '⋅=ω即杆之角速度大小为O A A r v '=/ωＤ点的速度大小为O D D r v '⋅=ω设杆AB 与水平方向的夹角为θ，注意到θtan /R AD =，θtan /='O D AD ，θsin /='O A AD ，所以O A r R AD O A '==='θθθtan sin /sin /O D r R AD O D '==='θθ2tan /tan /故以圆心为原点，建立空间坐标系，则O D D r '⨯= ω可写为)sin cos (i r j r k v O D O D Dθθω''--⨯=)sin (cos j i r O D θθω-⋅=')sin (cos cos j i v Aθθθ-=P146：4.7——高为h 、顶角为2α的圆锥体在一平面上作无滑滚动。
如此圆锥以等角速度ω绕竖直轴转动，试求此圆锥底面上最高点Ａ的速度和加速度。
[解:] 圆锥属于定点转动。
设圆锥的自转角速度为1ω，则圆锥的总角速度为进动角速度ω与自转角速度1ω的矢量和1ωω+=Ω（圆锥没有张动）。
取Ｏ为基点，最高点Ａ的速度和加速度分别为OA A r v⨯Ω=k)(OA OA A r r dt d a⨯Ω⨯Ω+⨯Ω=关键是求圆锥的总角速度为1ωω+=Ω。
为此以Ｏ为原点，建立体坐标系oxyz ，其中z 沿对称轴，z y ,轴与空间竖直轴0z 共面，则圆锥的总角速度)(10k e z-+=Ωωω注意到k j j k e zααααπsin cos cos )2cos(0+=+-=自转角速度大小1要通过无滑滚动条件－圆锥与地面接触点P 的速度为零—0=⨯Ω=OP P r v则0=⨯Ω=OP P r v变为[][]0)(tan )sin (cos 1=-+⨯-+j h k h k jαωαωαω即0tan )sin (cos1=-+αωαωαωh h即αωωsin 1=⎪⎩⎪⎨⎧-=Ω=Ω=Ωcotcos cos 0αωαωz y x 注意到j h k h r OAαtan +=最高点Ａ的速度OA A r v⨯Ω=)tan ()cot (cos j h k h k jαααω+⨯-=即最高点Ａ的速度▓最高点Ａ的向心加速度为A OA A v r a⨯Ω=⨯Ω⨯Ω=)(1)cot (cos 222i k i j h ⨯-⨯=ααω)cot (cos 222j k h ααω--=向心加速度大小为▓最高点Ａ的切向加速度为OA A r dtd a ⨯Ω=2)tan ()cot (cos j h k h k j dt dαααω+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=注意到体坐标系oxyz 的角速度为进动角速度k j e zαωαωωωsin cos 0+==（体坐标系oxyz 不随圆锥自转而变化）， 故其单位矢量随时间的变化分别为i dt i d ⨯=ω，j dtj d⨯=ω，k dt k d ⨯=ω 所以j k i k j i dt i dαωαωαωαωωsin cos )sin cos (+-=⨯+=⨯= i j k j j dt j dαωαωαωωsin )sin cos (-=⨯+=⨯= i k k j k dtk dαωαωαωωcos )sin cos (=⨯+=⨯= 则最高点Ａ的切向加速度)tan ()cot (cos 2j h k h k j dt d a Aαααω+⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=[])tan (cos cot sin cos j h k h i iαααωαωαω+⨯--=[])tan (cos cot sin cos 2j i h k i h⨯+⨯+-=αααααω)(cot 2k j h -=αω切向加速度大小为▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ 最高点Ａ的加速度)tan (cot )cot (cos 2222k j h j k h ααωααω-+--=)tan (cot )tan (cot cos 2222k j h k j h ααωαααω-++-=[]k jh ααααωtan )cos 21()cos 21(cot 222+--=事实上，最高点Ａ的加速度也可由速度的导数来求，即注意到则最高点Ａ的加速度为)sin cos (cos 2j k h a Aαωαωαω+-=)cot (cos sin 22k j h αααω-=中文书P148: 4.27均匀椭球绕自己的一个对性轴AB 以角速度ϕ转动，并且AB 轴又以角速度θ 绕通过椭球中心并与AB 垂直的CD 轴转动，写出椭球的动能和角动量。
【解】取刚体的三个惯量主轴为坐标轴，建立主轴体坐标系z y x O '''，其中z y x ''',,分别沿半轴a,b,c 。
刚体的角速度为k e zϕθω+=0（进动角速度＋自转角速度，无章动） 注意到 j i e zϕϕcos sin 0+=则有k j iϕϕθϕθω++=cos sin 即角速度在体轴z y x '''上的投影为⎪⎩⎪⎨⎧===ϕωϕθωϕθω 321cos sin （进动角速率θ，自转角速率ϕ ，自转角ϕ，章动角090=，章动角速率＝0）在主轴体坐标系z y x O '''下，转动动能为)(21233222211ωωωI I I T r ++=角动量为k I j I i I L O332211ωωω++=其中),,(321I I I 为绕体轴z y x '''（半轴长分别为a,b,c ）的转动惯量BAz 0⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=+=+=)(5)(5)(5223222221b a m I c a m I c b m I ,所以[]232222222122)()()(10ωωωb a c a c b m T r +++++=[]22222222222)(cos )(sin )(10ϕϕθϕθb ac a c b m +++++=[]k b a j c a i c b m L O 322222122)()()(5ωωω+++++=[]k b a j c a i c b m ϕϕθϕθ)(cos )(sin )(5222222+++++=P148: 4.28两个质量分别为m 半径为b 的全同均匀钢球和一质量可忽略的刚性轻杆组成一“哑铃”状刚体，刚体可绕其质心O 自由转动。
两球心间距为l 。
设在时刻t ，此哑铃的杆正好和0Oz 轴重合，且角速度ω 正好在00z Oy 平面内，ω与0Oz 轴的夹角为030=ϕ。
写出此时刻哑铃的动能和角动量。
【解】以系统质心为原点，主轴为坐标轴，建立主轴体坐标系),,(k j i。
在主轴体坐标系下，转动动能为)(21233222211ωωωI I I T r ++=角动量为i 0yk I j I i I L O332211ωωω++=其中),,(321I I I 为绕体轴),,(k j i 的转动惯量，),,(321ωωω为角速度在体轴),,(k j i上的投影。
利用平行轴定理，有⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⨯=+=⨯+=+=⨯+=22322222222215425221542)452(21542)452(mb mb I ml mb l m mb I ml mb l m mb I t 时刻角速度在体轴),,(k j i上的投影为⎪⎩⎪⎨⎧=====2/3cos 2/sin 0321ωϕωωωϕωωω 故t 时刻转动动能为]43544)2154[(2122222ωωmb ml mb T r ++=222)8154(21ωm l b += t 时刻角动量为k mb j ml mb L O 23542)2154(222ωω++=k b m j l b m 222352)58(20ωω++= P149: 4.40由四根质量为m 、长为l 的均质杆所组成的正方形刚体ABCD 绕顶角A 自由转动。
（１）找出A 点的惯量主轴，并计算其主转动惯量；（２）设t=0时刻，体系位于铅直平面内，AC 与铅直线的夹角为30度，角速度的大小为ω，方向正好与铅直线一致，写出此时刻刚体的角动量和动能。
（３）写出体系的运动方程。
[解]：该问题属于陀螺的定点转动问题。
(1) 以Ａ为原点，建立体坐标系Axyz ，其中z 轴沿AC, x 轴在正方形所在平面。
显然xyz 为刚体的惯量主轴。
下面求刚体绕三个主轴的转动惯量。
先求通过刚体质心且与y 轴平行的y ’轴的转动惯量y I '。
根据薄板理论，有2223422121222ml l m ml I I I I abcd ab y =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯==+='另一方面，由薄板理论z AC BD AC y I I I I I 22==+='，ab即)32,310,38(),,(222ml ml ml I I I z y x =(2) 在主轴体坐标系下，转动动能为)(21222z z y y x x r I I I T ωωω++= 角动量为 k I j I i I L z z y y x x O ωωω++=其中)32,310,38(),,(222ml ml ml I I I z y x =为绕主轴),,(k j i 的转动惯量，),,(z y x ωωω为角速度在主轴),,(k j i 上的投影。
