题目
如图所示,一人站在转台中心,设转轴光滑,人的两手各握一重物并伸直。以人、转台和重物为系统,在人向自身胸部收回双手的过程中,下面说法正确的是哪几项?( )A. 系统转动的角速度增大B. 系统的转动惯量减小C. 系统的转动动能保持不变D. 系统的角动量保持不变
如图所示,一人站在转台中心,设转轴光滑,人的两手各握一重物并伸直。以人、转台和重物为系统,在人向自身胸部收回双手的过程中,下面说法正确的是哪几项?( )
A. 系统转动的角速度增大
B. 系统的转动惯量减小
C. 系统的转动动能保持不变
D. 系统的角动量保持不变
题目解答
答案
ABD
A. 系统转动的角速度增大
B. 系统的转动惯量减小
D. 系统的角动量保持不变
A. 系统转动的角速度增大
B. 系统的转动惯量减小
D. 系统的角动量保持不变
解析
步骤 1:分析系统角动量守恒
根据角动量守恒定律,当系统不受外力矩作用时,系统的总角动量保持不变。由于转轴光滑,系统不受外力矩作用,因此系统的角动量保持不变。
步骤 2:分析转动惯量变化
当人向自身胸部收回双手时,重物的转动半径减小,系统的转动惯量减小。转动惯量是物体对转动的惯性,与物体的质量分布和转动轴的位置有关。当质量分布更靠近转动轴时,转动惯量减小。
步骤 3:分析角速度变化
根据角动量守恒定律,系统的角动量保持不变,即 \(I_1\omega_1 = I_2\omega_2\),其中 \(I_1\) 和 \(I_2\) 分别是系统在初始和最终状态的转动惯量,\(\omega_1\) 和 \(\omega_2\) 分别是系统在初始和最终状态的角速度。由于 \(I_2 < I_1\),所以 \(\omega_2 > \omega_1\),即系统的角速度增大。
步骤 4:分析转动动能变化
系统的转动动能 \(K = \frac{1}{2}I\omega^2\),由于 \(I\) 减小,\(\omega\) 增大,但 \(I\) 的减小幅度大于 \(\omega\) 的增大幅度,因此系统的转动动能增加。
根据角动量守恒定律,当系统不受外力矩作用时,系统的总角动量保持不变。由于转轴光滑,系统不受外力矩作用,因此系统的角动量保持不变。
步骤 2:分析转动惯量变化
当人向自身胸部收回双手时,重物的转动半径减小,系统的转动惯量减小。转动惯量是物体对转动的惯性,与物体的质量分布和转动轴的位置有关。当质量分布更靠近转动轴时,转动惯量减小。
步骤 3:分析角速度变化
根据角动量守恒定律,系统的角动量保持不变,即 \(I_1\omega_1 = I_2\omega_2\),其中 \(I_1\) 和 \(I_2\) 分别是系统在初始和最终状态的转动惯量,\(\omega_1\) 和 \(\omega_2\) 分别是系统在初始和最终状态的角速度。由于 \(I_2 < I_1\),所以 \(\omega_2 > \omega_1\),即系统的角速度增大。
步骤 4:分析转动动能变化
系统的转动动能 \(K = \frac{1}{2}I\omega^2\),由于 \(I\) 减小,\(\omega\) 增大,但 \(I\) 的减小幅度大于 \(\omega\) 的增大幅度,因此系统的转动动能增加。