题目
质量为m的小孩站在半径为R的水平平台边缘上.平台可以绕通过其中心的竖直光滑固定轴自由转动,转动惯量为J.平台和小孩开始时均静止.当小孩突然以相对于地面为v的速率在台边缘沿逆时针转向走动时,则此平台相对地面旋转的角速度和旋转方向分别为A. omega=(mR^2)/(J+mR^2)((v)/(R)), 逆时针.B. omega=(mR^2)/(J)((v)/(R)), 逆时针.C. omega=(mR^2)/(J+mR^2)((v)/(R)), 顺时针.D. omega=(mR^2)/(J)((v)/(R)), 顺时针.
质量为$m$的小孩站在半径为$R$的水平平台边缘上.平台可以绕通过其中心的竖直光滑固定轴自由转动,转动惯量为$J$.平台和小孩开始时均静止.当小孩突然以相对于地面为$v$的速率在台边缘沿逆时针转向走动时,则此平台相对地面旋转的角速度和旋转方向分别为
A. $\omega=\frac{mR^2}{J+mR^2}\left(\frac{v}{R}\right)$, 逆时针.
B. $\omega=\frac{mR^2}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$, 逆时针.
C. $\omega=\frac{mR^2}{J+mR^2}\left(\frac{v}{R}\right)$, 顺时针.
D. $\omega=\frac{mR^2}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$, 顺时针.
题目解答
答案
D. $\omega=\frac{mR^2}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$, 顺时针.
解析
本题考查角动量守恒定律的应用。解题的关键思路是明确系统在整个过程中所受合外力矩为零,因此系统的总角动量守恒。我们需要分别计算小孩和平台的角动量,然后根据角动量守恒定律列出方程,进而求解平台的角速度和旋转方向。
- 确定系统初态角动量:
已知平台和小孩开始时均静止,根据角动量的定义$L = I\omega$(其中$L$为角动量,$I$为转动惯量,$\omega$为角速度),由于初态角速度$\omega = 0$,所以系统初态总角动量$L_{初}=0$。 - 计算小孩的角动量:
小孩站在平台边缘,以相对于地面为$v$的速率沿逆时针转向走动,小孩可看作质点,其相对于轴的转动惯量$I_{孩}=mR^{2}$($m$为小孩质量,$R$为平台半径),角速度$\omega_{孩}=\frac{v}{R}$。
根据角动量公式$L = I\omega$,可得小孩相对于地面的角动量$L_{孩}=I_{孩}\omega_{孩}=mR^{2}\cdot\frac{v}{R}=mRv$,规定逆时针方向为正方向,则$L_{孩}$为正。 - 计算平台的角动量:
设平台相对地面旋转的角速度为$\omega$,平台的转动惯量为$J$,根据角动量公式$L = I\omega$,可得平台的角动量$L_{台}=J\omega$。 - 根据角动量守恒定律列方程求解:
因为系统所受合外力矩为零,所以系统的总角动量守恒,即$L_{初}=L_{末}$。
系统末态总角动量$L_{末}=L_{孩}+L_{台}$,又因为$L_{初}=0$,所以$L_{孩}+L_{台}=0$,即$mRv + J\omega = 0$。
移项可得$J\omega=-mRv$,解得$\omega = -\frac{mRv}{J}$。
负号表示平台旋转方向与小孩的运动方向相反,小孩沿逆时针方向运动,所以平台沿顺时针方向旋转。
为了与选项形式一致,将$v = R\omega_{孩}$代入$\omega = -\frac{mRv}{J}$中,可得$\omega = -\frac{mR^{2}}{J}\cdot\frac{v}{R}$,其大小为$\omega=\frac{mR^{2}}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$。