题目
如图所示,半径的定滑轮上绕轻绳,绳上挂质量的物体,设滑轮对转轴的转动惯量为,则滑轮转动的角加速度为________。
如图所示,半径
的定滑轮上绕轻绳,绳上挂质量
的物体,设滑轮对转轴的转动惯量为
,则滑轮转动的角加速度为________。

题目解答
答案
解:由题:



解析
考查要点:本题主要考查转动定律与牛顿运动定律的结合应用,涉及刚体的转动和物体的平动之间的动力学关系。
解题核心思路:
- 转动定律:滑轮受绳子拉力产生的力矩,根据 $\tau = J \beta$ 建立方程。
- 牛顿第二定律:物体在重力和拉力作用下的线加速度与滑轮的角加速度通过 $a = \beta R$ 联系。
- 联立方程:通过拉力 $T$ 将两个方程联立,最终解出角加速度 $\beta$。
破题关键点:
- 明确滑轮的角加速度 $\beta$ 与物体线加速度 $a$ 的关系 $a = \beta R$。
- 正确写出滑轮所受力矩 $\tau = T R$ 和物体的受力方程 $mg - T = m a$。
步骤1:对滑轮应用转动定律
滑轮受绳子的拉力 $T$ 产生的力矩为 $\tau = T R$,根据转动定律 $\tau = J \beta$,得:
$T R = J \beta \quad \Rightarrow \quad T = \frac{J \beta}{R}$
步骤2:对物体应用牛顿第二定律
物体受重力 $mg$ 和拉力 $T$,加速度为 $a = \beta R$,由牛顿第二定律:
$mg - T = m a = m \beta R$
步骤3:联立方程求解 $\beta$
将步骤1中的 $T = \frac{J \beta}{R}$ 代入步骤2的方程:
$mg - \frac{J \beta}{R} = m \beta R$
整理得:
$mg = \beta \left( m R^2 + J \right)$
最终解得角加速度:
$\beta = \frac{mgR}{mR^2 + J}$