题目
一自由悬挂的匀质细棒AB,可绕A端在竖直平面内自由转动,现给B端一初速v0,则棒在向上转动过程中仅就大小而言()。A. 角速度不断减小,角加速度不断减少B. 角速度不断减小,角加速度不断增加C. 角速度不断减小,角加速度不变D. 所受力矩越来越大,角速度也越来越大
一自由悬挂的匀质细棒AB,可绕A端在竖直平面内自由转动,现给B端一初速v0,则棒在向上转动过程中仅就大小而言()。
A. 角速度不断减小,角加速度不断减少
B. 角速度不断减小,角加速度不断增加
C. 角速度不断减小,角加速度不变
D. 所受力矩越来越大,角速度也越来越大
题目解答
答案
B. 角速度不断减小,角加速度不断增加
解析
本题考查刚体定轴转动定律以及对角速度和角加速度变化情况的分析。解题的关键在于明确细棒转动过程中所受的外力矩,再根据刚体定轴转动定律分析角加速度的变化,最后结合角加速度与角速度的关系判断角速度的变化。
- 分析细棒所受外力矩:
- 细棒绕$A$端在竖直平面内转动,细棒受到重力作用,重力作用点在细棒的重心,即细棒的中点。设细棒长度为$L$,质量为$m$,重力$G = mg$。
- 根据力矩的定义$\vec{M}=\vec{r}\times\vec{F}$,对于绕$A$点转动的细棒,重力的力臂$r=\frac{L}{2}\cos\theta$($\theta$为细棒与竖直方向的夹角),则重力对$A$点的力矩$M = mg\times\frac{L}{2}\cos\theta$。
- 当细棒向上转动时,$\theta$从$0$开始增大,$\cos\theta$逐渐减小,所以力矩$M$逐渐减小。
- 根据刚体定轴转动定律分析角加速度:
- 刚体定轴转动定律表达式为$M = I\alpha$,其中$M$是合外力矩,$I$是刚体对该轴的转动惯量,$\alpha$是角加速度。
- 对于匀质细棒绕一端转动,其转动惯量$I=\frac{1}{3}mL^{2}$。
- 由$\alpha=\frac{M}{I}$,因为$M = mg\times\frac{L}{2}\cos\theta$,$I=\frac{1}{3}mL^{2}$,所以$\alpha=\frac{mg\times\frac{L}{2}\cos\theta}{\frac{1}{3}mL^{2}}=\frac{3g\cos\theta}{2L}$。
- 随着细棒向上转动,$\theta$增大,$\cos\theta$减小,$\vert\alpha\vert$增大(因为角加速度方向与转动方向相反,为负,$\cos\theta$减小,负得更厉害,所以角加速度的大小不断增加)。
- 分析角速度的变化:
- 角加速度$\alpha=\frac{d\omega}{dt}$,由于角加速度$\alpha$与角速度$\omega$方向相反(细棒向上转动,角加速度使转动减速),即$\alpha\lt0$,那么$\frac{d\omega}{dt}\lt0$。
- 这表明角速度$\omega$随时间$t$不断减小。