题目
有A、B两个半径相同, 质量相同的细圆环. A环的质量均匀分布, B环的质量不均匀分布, 设它们对过环心的中心轴的转动惯量分别为IA和I B, 则有A. IA>IBB. IA<IBC. 无法确定哪个大D. IA=IB
有A、B两个半径相同, 质量相同的细圆环. A环的质量均匀分布, B环的质量不均匀分布, 设它们对过环心的中心轴的转动惯量分别为IA和I B, 则有
A. IA>IB
B. IA<IB
C. 无法确定哪个大
D. IA=IB
题目解答
答案
D. IA=IB
解析
考查要点:本题主要考查对转动惯量概念的理解,特别是当质量分布不均匀时,转动惯量的计算方式。
解题核心思路:
转动惯量的公式为 $I = \int r^2 \, dm$,其中 $r$ 是质量元到转轴的距离,$dm$ 是质量元。对于细圆环,所有质量元到转轴的距离均为环的半径 $r$,因此转动惯量可简化为 $I = MR^2$,与质量分布无关。即使质量分布不均匀,只要总质量 $M$ 和半径 $R$ 相同,转动惯量就相等。
破题关键点:
明确转动惯量的计算本质是所有质量元到转轴距离平方的加权和,而细圆环的特殊性(所有质量元到轴的距离相同)使得质量分布不影响最终结果。
转动惯量的公式推导
对于细圆环,所有质量元到转轴的距离均为 $R$,因此转动惯量为:
$I = \int r^2 \, dm = \int R^2 \, dm = R^2 \int dm = R^2 M$
其中 $M$ 是圆环的总质量。
对题意的分析
- A环:质量均匀分布,转动惯量 $I_A = MR^2$。
- B环:质量不均匀分布,但总质量 $M$ 和半径 $R$ 与A环相同。
由于转动惯量的计算仅依赖于 $R$ 和 $M$,与质量分布无关,因此 $I_B = MR^2$。
结论:$I_A = I_B$,选项D正确。