题目
一根为长L,质量为m的均匀细棒在地面上竖立着。如果让竖立着的棒,以下端与地面接触处为轴倒下,则棒中点到达地面时速率应为【 】A. (sqrt(3gL))/(2)B. sqrt(3gL)C. sqrt(6gL)D. sqrt((3gL)/(2))
一根为长L,质量为m的均匀细棒在地面上竖立着。如果让竖立着的棒,以下端与地面接触处为轴倒下,则棒中点到达地面时速率应为【 】
A. $\frac{\sqrt{3gL}}{2}$
B. $\sqrt{3gL}$
C. $\sqrt{6gL}$
D. $\sqrt{\frac{3gL}{2}}$
题目解答
答案
根据题意,一根长为 $L$、质量为 $m$ 的均匀细棒从竖直位置绕下端点倒下。在这个过程中,只有重力做功,系统的机械能守恒。
1. 确定初始状态和末状态的机械能
-
初始状态: 棒竖直静止立在地面上。
- 动能 $E_{k1} = 0$。
- 棒是均匀的,其质心位于棒的中点,即距离地面 $\frac{L}{2}$ 的高度。
- 重力势能(以地面为零势能面) $E_{p1} = mg\frac{L}{2}$。
- 初始总机械能 $E_1 = E_{k1} + E_{p1} = mg\frac{L}{2}$。
-
末状态: 棒刚到达地面(水平位置)。
- 棒绕下端点转动,具有角速度 $\omega$。
- 棒的转动动能 $E_{k2} = \frac{1}{2}I\omega^2$。
- 棒平躺在地面上,质心高度为 $0$,重力势能 $E_{p2} = 0$。
- 末状态总机械能 $E_2 = E_{k2} + E_{p2} = \frac{1}{2}I\omega^2$。
2. 计算转动惯量并应用机械能守恒定律
- 均匀细棒绕其一端点的转动惯量公式为:$I = \frac{1}{3}mL^2$。
- 根据机械能守恒定律 $E_1 = E_2$,可得:
$mg\frac{L}{2} = \frac{1}{2}I\omega^2$ - 将 $I = \frac{1}{3}mL^2$ 代入上式:
$mg\frac{L}{2} = \frac{1}{2} \left(\frac{1}{3}mL^2\right) \omega^2$ - 化简方程:
$mg\frac{L}{2} = \frac{1}{6}mL^2\omega^2$
消去两边的 $m$ 和一个 $L$:
$\frac{g}{2} = \frac{1}{6}L\omega^2$
$\omega^2 = \frac{3g}{L}$
$\omega = \sqrt{\frac{3g}{L}}$
3. 计算棒中点到达地面时的速率
- 棒上任意一点的线速度 $v$ 与其到转轴的距离 $r$ 和角速度 $\omega$ 的关系为 $v = \omega r$。
- 题目要求的是棒中点到达地面时的速率。棒中点到转轴(下端点)的距离为 $r = \frac{L}{2}$。
- 因此,中点的速率 $v_{mid}$ 为:
$v_{mid} = \omega \cdot \frac{L}{2}$ - 代入求得的 $\omega$:
$v_{mid} = \sqrt{\frac{3g}{L}} \cdot \frac{L}{2} = \sqrt{\frac{3g}{L}} \cdot \sqrt{\frac{L^2}{4}} = \sqrt{\frac{3gL}{4}} = \frac{\sqrt{3gL}}{2}$
对比选项,该结果与选项 A 一致。
正确答案是 A。