题目
质量为m的小孩站在半径为R、转动惯量为J的可以自由转动的水平平台边缘上(平台可以无摩擦地绕通过中心的竖直轴转动)。平台和小孩开始时均静止。当小孩突然一相对地面为v的速率沿台边缘逆时针走动时,此平台相对地面旋转的角速度ω为多少?
质量为m的小孩站在半径为R、转动惯量为J的可以自由转动的水平平台边缘上(平台可以无摩擦地绕通过中心的竖直轴转动)。平台和小孩开始时均静止。当小孩突然一相对地面为v的速率沿台边缘逆时针走动时,此平台相对地面旋转的角速度ω为多少?
题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查角动量守恒定律的应用,涉及转动惯量、角动量的矢量性等概念。
解题核心思路:
系统(小孩+平台)初始静止,总角动量为零。当小孩开始运动时,平台必须反向转动以保持总角动量为零。关键点在于正确计算小孩和平台的角动量,并建立守恒方程。
破题关键:
- 确定系统:小孩和平台组成的系统,外力矩为零(无摩擦),角动量守恒。
- 方向关系:小孩逆时针运动时,平台顺时针转动,角动量方向相反。
- 转动惯量:小孩的转动惯量为 $mR^2$,平台为 $J$。
角动量守恒方程:
初始总角动量为 $0$,运动后总角动量仍为 $0$,即:
$L_{\text{小孩}} + L_{\text{平台}} = 0$
小孩的角动量:
小孩线速度为 $v$,转动惯量为 $mR^2$,角速度 $\omega_{\text{小孩}} = \dfrac{v}{R}$,故角动量为:
$L_{\text{小孩}} = mR^2 \cdot \dfrac{v}{R} = mRv$
平台的角动量:
平台转动惯量为 $J$,角速度为 $\omega$,方向与小孩相反,故角动量为:
$L_{\text{平台}} = -J\omega$
联立方程:
$mRv - J\omega = 0$
解得平台角速度:
$\omega = \dfrac{mRv}{J}$