[大学物理]习题册题目及答案第3单元 角动量守恒定律

第3单元 角动量守恒定律

序号 学号 姓名 专业、班级

一 选择题

[ A ]1.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) m GMR

(B)

GMm G

(C) Mm

R R

(D)

GMm

2R

[ C ]2. 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。

[ E ]3. 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

动能不变,动量改变。

动量不变,动能改变。

角动量不变,动量不变。

角动量改变,动量改变。

角动量不变,动能、动量都改变。

[ A ]4.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 ]5.两个均质圆盘A 和B 密度分别为ρA 和ρB ,若ρA >ρB ,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J A 和J B ,则 (A) J A >J B (C) J A =J B

(B) J B >J A

(D) J A 、J B 哪个大,不能确定

[ A ]6.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。

[ C ]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ω (A) 增大 (B) 不变 (C) 减小 (D) 不能确定

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2m 和m 的小球,杆可绕通过其中心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 =

2g 1mgl 2 ,此时该系统角加速度的大小β= 3l 。

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. 5rad /s 。

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____

2

________;_____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

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=ω0时,

1

μmgl 。 2

13

k ϖ0212J

飞轮的角加速度β= -。从开始制动到ω=ω0所经过的时间t= 。

39J k ϖ0

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ω0开始旋转,它将在旋转几圈后停止? 解:设圆板面密度为σ σ=

R

⎛⎝

m πR 2

⎪,则转动时受到的摩擦阻力矩大小为 ⎭

M =⎰d M =⎰μσg ⋅2πr 2d r =

2

πμσgR 3 3

由转动定律M =J β可得角加速度大小

2

m σgR

M 4g μ β===

J 3R mR 22

设圆板转过n 转后停止,则转过的角度为θ=2πn 。由运动学关系

ω2-ω02=2βθ

可得旋转圈数

(ω=0, β

n =

2⨯

ω023R

3R ω02 =

16πμg ⨯2π

2.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:

mg -T =ma (1) T 'R =J β (2

T '=T (3由牛顿第三定律有

'

由角量和线量的关系有 a =R β (4由以上四式联解可得

J =m (g -a )R 2/a

a

第3单元 角动量守恒定律

序号 学号 姓名 专业、班级

一 选择题

[ A ]1.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) m GMR

(B)

GMm G

(C) Mm

R R

(D)

GMm

2R

[ C ]2. 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。

[ E ]3. 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

动能不变,动量改变。

动量不变,动能改变。

角动量不变,动量不变。

角动量改变,动量改变。

角动量不变,动能、动量都改变。

[ A ]4.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 ]5.两个均质圆盘A 和B 密度分别为ρA 和ρB ,若ρA >ρB ,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J A 和J B ,则 (A) J A >J B (C) J A =J B

(B) J B >J A

(D) J A 、J B 哪个大,不能确定

[ A ]6.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。

[ C ]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ω (A) 增大 (B) 不变 (C) 减小 (D) 不能确定

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2m 和m 的小球,杆可绕通过其中心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 =

2g 1mgl 2 ,此时该系统角加速度的大小β= 3l 。

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. 5rad /s 。

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____

2

________;_____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

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=ω0时,

1

μmgl 。 2

13

k ϖ0212J

飞轮的角加速度β= -。从开始制动到ω=ω0所经过的时间t= 。

39J k ϖ0

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ω0开始旋转,它将在旋转几圈后停止? 解:设圆板面密度为σ σ=

R

⎛⎝

m πR 2

⎪,则转动时受到的摩擦阻力矩大小为 ⎭

M =⎰d M =⎰μσg ⋅2πr 2d r =

2

πμσgR 3 3

由转动定律M =J β可得角加速度大小

2

m σgR

M 4g μ β===

J 3R mR 22

设圆板转过n 转后停止,则转过的角度为θ=2πn 。由运动学关系

ω2-ω02=2βθ

可得旋转圈数

(ω=0, β

n =

2⨯

ω023R

3R ω02 =

16πμg ⨯2π

2.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:

mg -T =ma (1) T 'R =J β (2

T '=T (3由牛顿第三定律有

'

由角量和线量的关系有 a =R β (4由以上四式联解可得

J =m (g -a )R 2/a

a


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