题目
两个质量和半径均相同心和空心的圆盘,绕通过盘心且垂直于盘面的轴转动,若施加相同的合外力矩,则两者的角加速度关系为()。A. 实心圆盘的角加速度更大B. 空心圆盘的角加速度更大C. 两者角加速度相等D. 无法确定
两个质量和半径均相同心和空心的圆盘,绕通过盘心且垂直于盘面的轴转动,若施加相同的合外力矩,则两者的角加速度关系为()。
A. 实心圆盘的角加速度更大
B. 空心圆盘的角加速度更大
C. 两者角加速度相等
D. 无法确定
题目解答
答案
A. 实心圆盘的角加速度更大
解析
本题考查刚体定轴转动定律的应用,解题的关键在于明确刚体定轴转动定律的表达式,并分析实心圆盘和空心圆盘转动惯量的大小关系,进而比较它们在相同合外力矩作用下的角加速度。
- 首先明确刚体定轴转动定律:
- 刚体定轴转动定律的表达式为$\tau = I\alpha$,其中$\tau$是合外力矩,$I$是刚体对该轴的转动惯量,$\alpha$是刚体的角加速度。
- 由此可推导出角加速度的表达式为$\alpha=\frac{\tau}{I}$。
- 然后分析实心圆盘和空心圆盘的转动惯量:
- 对于质量为$m$、半径为$R$的实心圆盘,其绕通过盘心且垂直于盘面的轴的转动惯量$I_{实}=\frac{1}{2}mR^{2}$。
- 对于质量为$m$、半径为$R$的空心圆盘,其绕通过盘心且垂直于盘面的轴的转动惯量$I_{空}=\frac{1}{2}mR^{2}$(这里需要注意,虽然质量和半径相同,但空心圆盘的质量分布更远离转轴,实际计算中空心圆盘转动惯量大于实心圆盘转动惯量,为了更准确说明,设空心圆盘转动惯量$I_{空}=mR^{2}$ ,一般情况下空心圆盘转动惯量$I_{空}\gt I_{实}$)。
- 最后比较两者的角加速度:
- 已知施加相同的合外力矩$\tau$,根据$\alpha=\frac{\tau}{I}$,对于实心圆盘角加速度$\alpha_{实}=\frac{\tau}{I_{实}}$,对于空心圆盘角加速度$\alpha_{空}=\frac{\tau}{I_{空}}$。
- 因为$I_{空}\gt I_{实}$,分子$\tau$相同,分母越大,分数值越小,所以$\alpha_{实}\gt\alpha_{空}$,即实心圆盘的角加速度更大。