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,今使棒从水平位置由静止开始自由下落,在棒摆动到竖立位置的过程中,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.
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.
题目解答
答案
解析
本题考查刚体定轴转动的角速度和角加速度的变化情况,解题思路是分别分析在棒从水平位置摆动到竖立竖立位置的过程中,角速度和角加速度的的变化规律。
1. 分析角速度的变化
根据动能定理,刚体绕定轴转动的动能定理表达式为$W = \Delta E_{k}$,其中$W$是合外力矩做的功,$\Delta E_{k}$是刚体转动动能的变化量。
设细棒的质量为$m$,长度为$L$,细棒绕$一端的转动惯量\(I=\frac{1}{3}mL^{2}$。
在棒从水平位置摆动到竖直位置的过程中,重力矩做功$W = mg\frac{L}{2}$(重力作用点在棒的中心,下降的高度为$\frac{L}{2}$)。
转动动能$E_{k}=\frac{1}{2}I\omega^{2}$,初始时棒静止,$\omega_{0} = 0$,$E_{k0}=0$。
根据动能定理$mg\frac{L}{2}=\frac{1}{2}I\omega^{2}-0=\frac{1}{2}\times\frac{1}{3}mL^{2}\omega^{2}$,可得$\omega=\sqrt{\frac{3g}{L}}$。
在棒从水平位置到竖直位置的过程中,重力矩一直做正功,转动动能不断增加,由于$E_{k}=\frac{1}{2}I\omega^{2}$,转动惯量$I$不变,所以角速度$\omega$不断增大。
2. 分析角加速度的变化
根据刚体定轴转动定律$M = I\alpha$,其中$M$是合外力矩,$I$是转动惯量,$\alpha$是角加速度。
细棒受到的重力矩$mg$作用在棒的中心,重力矩$M = mg\frac{L}{2}\cos\theta$,其中$\theta$是棒与水平方向的夹角。
转动惯量$I=\frac{1}{3}mL^{2}$,由$\alpha=\frac{M}{I}=\frac{mg\frac{L}{2}\cos\theta}{\frac{1}{3}mL^{2}}=\frac{3g\cos\theta}{2L}$。
在从水平位置($\theta = 0$,$\cos\cos\theta = 1$)到竖直位置($\theta=\frac{\pi}{2}$,$\cos\theta = 0$)的过程中,$\cos\theta$逐渐减小,所以角加速度$\alpha$逐渐减小。
综上,在棒摆动到竖立位置的过程中,角速度从小到大,角加速度从大到小。