题目
04一长为L,质量为m的均匀细棒,一端可绕水平光滑轴O在竖直平面内转动。当细棒静止在竖直位置时,有质量为m0,速度为overrightarrow({{v)_(0)}}的子弹,水平射入其下端而不复出。此后棒摆到水平位置后又下落。求子弹射入棒前的速度overrightarrow({{v)_(0)}}。
一长为L,质量为m的均匀细棒,一端可绕水平光滑轴O在竖直平面内转动。当细棒静止在竖直位置时,有质量为m0,速度为$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$的子弹,水平射入其下端而不复出。此后棒摆到水平位置后又下落。求子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$。题目解答
答案
解:设子弹射入细棒后,系统的角速度ω,由机械能守恒定律可得m0gL+$\frac{mgL}{2}$=$\frac{({J}_{1}+{J}_{2}){ω}^{2}}{2}$
其中J1为均匀细棒的转动惯量为J1=$\frac{m{L}^{2}}{3}$
J2为子弹的转动惯量为J2=m0L2
解得ω=$\sqrt{\frac{3(2{m}_{0}gL+mgL)}{3{m}_{0}{L}^{2}+m{L}^{2}}}$
子弹射入细棒过程中,系统角动量守恒,可得$\frac{{J}_{2}\overrightarrow{{v}_{0}}}{L}$=(J1+J2)ω
解得$\overrightarrow{{v}_{0}}$=$\frac{\sqrt{3(2{m}_{0}gL+mgL)(3{m}_{0}{L}^{2}+m{L}^{2})}}{3{m}_{0}L}$
答:子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$为$\frac{\sqrt{3(2{m}_{0}gL+mgL)(3{m}_{0}{L}^{2}+m{L}^{2})}}{3{m}_{0}L}$
其中J1为均匀细棒的转动惯量为J1=$\frac{m{L}^{2}}{3}$
J2为子弹的转动惯量为J2=m0L2
解得ω=$\sqrt{\frac{3(2{m}_{0}gL+mgL)}{3{m}_{0}{L}^{2}+m{L}^{2}}}$
子弹射入细棒过程中,系统角动量守恒,可得$\frac{{J}_{2}\overrightarrow{{v}_{0}}}{L}$=(J1+J2)ω
解得$\overrightarrow{{v}_{0}}$=$\frac{\sqrt{3(2{m}_{0}gL+mgL)(3{m}_{0}{L}^{2}+m{L}^{2})}}{3{m}_{0}L}$
答:子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$为$\frac{\sqrt{3(2{m}_{0}gL+mgL)(3{m}_{0}{L}^{2}+m{L}^{2})}}{3{m}_{0}L}$
解析
步骤 1:确定子弹射入细棒后系统的角动量守恒
子弹射入细棒的过程中,由于外力矩为零,系统角动量守恒。设子弹射入细棒后,系统的角速度为ω,子弹的初速度为$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$,则有:
$$
\frac{{J}_{2}\overrightarrow{{v}_{0}}}{L} = (J_1 + J_2)ω
$$
其中,$J_1$为均匀细棒的转动惯量,$J_2$为子弹的转动惯量。
步骤 2:计算细棒和子弹的转动惯量
细棒的转动惯量$J_1$为:
$$
J_1 = \frac{mL^2}{3}
$$
子弹的转动惯量$J_2$为:
$$
J_2 = m_0L^2
$$
步骤 3:利用机械能守恒定律求解角速度ω
子弹射入细棒后,系统从竖直位置摆到水平位置,再下落,机械能守恒。设细棒和子弹的总质量为$m+m_0$,则有:
$$
m_0gL + \frac{mgL}{2} = \frac{(J_1 + J_2)ω^2}{2}
$$
解得:
$$
ω = \sqrt{\frac{3(2m_0gL + mgL)}{3m_0L^2 + mL^2}}
$$
步骤 4:求解子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$
将步骤 3 中求得的角速度ω代入步骤 1 中的角动量守恒方程,解得子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$为:
$$
\overrightarrow{{v}_{0}} = \frac{\sqrt{3(2m_0gL + mgL)(3m_0L^2 + mL^2)}}{3m_0L}
$$
子弹射入细棒的过程中,由于外力矩为零,系统角动量守恒。设子弹射入细棒后,系统的角速度为ω,子弹的初速度为$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$,则有:
$$
\frac{{J}_{2}\overrightarrow{{v}_{0}}}{L} = (J_1 + J_2)ω
$$
其中,$J_1$为均匀细棒的转动惯量,$J_2$为子弹的转动惯量。
步骤 2:计算细棒和子弹的转动惯量
细棒的转动惯量$J_1$为:
$$
J_1 = \frac{mL^2}{3}
$$
子弹的转动惯量$J_2$为:
$$
J_2 = m_0L^2
$$
步骤 3:利用机械能守恒定律求解角速度ω
子弹射入细棒后,系统从竖直位置摆到水平位置,再下落,机械能守恒。设细棒和子弹的总质量为$m+m_0$,则有:
$$
m_0gL + \frac{mgL}{2} = \frac{(J_1 + J_2)ω^2}{2}
$$
解得:
$$
ω = \sqrt{\frac{3(2m_0gL + mgL)}{3m_0L^2 + mL^2}}
$$
步骤 4:求解子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$
将步骤 3 中求得的角速度ω代入步骤 1 中的角动量守恒方程,解得子弹射入棒前的速度$\overrightarrow{{{v}_{0}}}$为:
$$
\overrightarrow{{v}_{0}} = \frac{\sqrt{3(2m_0gL + mgL)(3m_0L^2 + mL^2)}}{3m_0L}
$$