平动的刚体()A. 对原点的角动量一定为0B. 所受对原点的力矩一定为0C. 对原点的角动量可能为0,也可能不为0D. 对原点的角动量一定不为0
A. 对原点的角动量一定为0
B. 所受对原点的力矩一定为0
C. 对原点的角动量可能为0,也可能不为0
D. 对原点的角动量一定不为0
题目解答
答案
解析
本题考查刚体平动时对原点的角动量和所受对原点的力矩的相关知识。解题思路是先明确刚体平动的特点,再根据角动量和力矩的定义式来分析刚体平动时对原点的角动量和所受对原点的力矩的情况。
1. 明确刚体平动的特点
刚体平动是指刚体在运动过程中,其上任意一条直线始终保持与它原来的位置平行。设刚体的质量为 $m$,质心的速度为 $\vec{v}_c$,则刚体平动时,其上各点的速度都相同,都等于质心的速度 $\vec{v}_c$。
2. 分析刚体平动时对原点的角动量
刚体对原点的角动量 $\vec{L}=\sum_{i} \vec{r}_i\times m_i\vec{v}_i$,对于平动刚体,$\vec{v}_i = \vec{v}_c$,则 $\vec{L}=\left(\sum_{i} m_i\vec{r}_i\right)\times\vec{v}_c$。
根据质心的定义,$\vec{r}_c=\frac{\sum_{i} m_i\vec{r}_i}{m}$,即 $\sum_{i} m_i\vec{r}_i = m\vec{r}_c$,所以 $\vec{L}=m\vec{r}_c\times\vec{v}_c$。
- 当质心的位置矢量 $\vec{r}_c$ 与速度矢量 $\vec{v}_c$ 共线时,根据矢量叉乘的性质 $\vec{a}\times\vec{b}=\vert\vec{a}\vert\vert\vec{b}\vert\sin\theta\vec{n}$(其中 $\theta$ 为 $\vec{a}$ 与 $\vec{b}$ 的夹角,$\vec{n}$ 为垂直于 $\vec{a}$ 和 $\vec{b}$ 所构成平面的单位矢量),此时 $\theta = 0^{\circ}$ 或 $180^{\circ}$,$\sin\theta = 0$,则 $\vec{L}=0$。
- 当质心的位置矢量 $\vec{r}_c$ 与速度矢量 $\vec{v}_c$ 不共线时,$\sin\theta\neq 0$,则 $\vec{L}\neq 0$。
所以刚体平动时对原点的角动量可能为 0,也可能不为 0。
3. 分析刚体平动时所受对原点的力矩
根据牛顿第二定律 $\vec{F}=m\vec{a}_c$($\vec{F}$ 为刚体所受的合外力,$\vec{a}_c$ 为质心的加速度),刚体平动时所受对原点的力矩 $\vec{M}=\vec{r}_c\times\vec{F}$。
若刚体做匀速直线平动,$\vec{a}_c = 0$,则 $\vec{F}=0$,此时 $\vec{M}=\vec{r}_c\times\vec{F}=0$;若刚体做变速直线平动,$\vec{a}_c\neq 0$,$\vec{F}\neq 0$,当 $\vec{r}_c$ 与 $\vec{F}$ 共线时,$\vec{M}=0$,当 $\vec{r}_c$ 与 $\vec{F}$ 不共线时,$\vec{M}\neq 0$。所以刚体平动时所受对原点的力矩不一定为 0。