题目
一质量为m`、半径为R的转台,以角速度wa转动,转轴的摩擦略去不计.(1)有一质量为m的-|||-蜘蛛垂直地落在转台边缘上,此时,转台的角速度ub为多少?(2)设蜘蛛下落前距离转台很近.若-|||-蜘蛛随后慢慢地爬向转台中心,当它离转台中心的距离为r时,转台的角速度wc为多少?

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查角动量守恒定律的应用,涉及转动惯量的计算及系统角速度的变化。
解题核心思路:
- 确定系统是否满足角动量守恒:题目中转轴摩擦忽略不计,说明系统所受外力矩为零,角动量守恒。
- 分析转动惯量的变化:蜘蛛落在转台边缘或爬向中心时,系统的总转动惯量发生变化,但角动量保持不变。
- 分阶段处理问题:第(1)问为蜘蛛与转台碰撞过程,第(2)问为蜘蛛缓慢移动过程,均需独立应用角动量守恒。
破题关键点:
- 转动惯量公式:转台为圆盘,转动惯量为 $I_0 = \dfrac{1}{2}m'R^2$;质点的转动惯量为 $I = mr^2$。
- 角动量守恒方程:碰撞或移动过程中,总角动量 $I_{\text{初}} \omega_{\text{初}} = I_{\text{末}} \omega_{\text{末}}$。
第(1)题
蜘蛛垂直落在转台边缘时,系统(转台+蜘蛛)角动量守恒。
初始状态:转台转动惯量为 $I_0 = \dfrac{1}{2}m'R^2$,角速度为 $\omega_a$。
末态状态:总转动惯量为 $I_0 + I_1 = \dfrac{1}{2}m'R^2 + mR^2$,角速度为 $\omega_b$。
角动量守恒方程:
$I_0 \omega_a = (I_0 + I_1) \omega_b$
代入 $I_0$ 和 $I_1 = mR^2$,解得:
$\omega_b = \dfrac{m'}{m' + 2m} \omega_a$
第(2)题
蜘蛛缓慢爬向中心时,系统角动量仍守恒。
初始状态:转台转动惯量为 $I_0 = \dfrac{1}{2}m'R^2$,角速度为 $\omega_a$(题目中未明确说明是否与第(1)问连续,但答案假设为独立情况)。
末态状态:总转动惯量为 $I_0 + I_2 = \dfrac{1}{2}m'R^2 + mr^2$,角速度为 $\omega_c$。
角动量守恒方程:
$I_0 \omega_a = (I_0 + I_2) \omega_c$
代入 $I_0$ 和 $I_2 = mr^2$,解得:
$\omega_c = \dfrac{m'R^2}{m'R^2 + 2mr^2} \omega_a$