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)((v)/(R)),顺时针。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 + mR^2)((v)/(R)),逆时针。
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. $\omega = \frac{mR^2}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$,顺时针。
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. $\omega = \frac{mR^2}{J + mR^2}\left(\frac{v}{R}\right)$,逆时针。
题目解答
答案
A. $\omega = \frac{mR^2}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$,顺时针。
解析
本题考查知识点为角动量守恒定律。解题思路如下:
- 首先明确系统:将小孩和平台看作一个系统。
- 分析系统所受外力矩:由于平台绕通过其中心的竖直光滑固定轴自由转动,系统在水平方向上不受外力矩作用,所以系统的角动量守恒。
- 确定初始状态角动量:平台和小孩开始时均静止,根据角动量公式$L = I\omega$(其中$L$为角动量,$I$为转动惯量,$\omega$为角速度),可知系统初始角动量$L_0 = 0$。
- 计算小孩走动时的角动量:小孩以相对于地面为$v$的速率在台边缘沿逆时针转向走动,小孩可看作质点,其转动惯量$I_{小孩}=mR^{2}$($m$为小孩质量,$R$为平台半径),角速度$\omega_{小孩}=\frac{v}{R}$,则小孩的角动量$L_{小孩}=I_{小孩}\omega_{小孩}=mR^{2}\cdot\frac{v}{R}$,方向为逆时针。
- 设平台相对地面旋转的角速度为$\omega$,平台的转动惯量为$J$,则平台的角动量$L_{平台}=J\omega$。
- 根据角动量守恒定律$L_0 = L_{小孩}+L_{平台}$,因为$L_0 = 0$,所以$0 = mR^{2}\cdot\frac{v}{R}+J\omega$。
- 求解平台的角速度$\omega$:
- 由$0 = mR^{2}\cdot\frac{v}{R}+J\omega$,移项可得$J\omega=-mR^{2}\cdot\frac{v}{R}$。
- 解得$\omega =-\frac{mR^{2}}{J}\left(\frac{v}{R}\right)$,负号表示平台的转动方向与小孩的转动方向相反,小孩沿逆时针转动,所以平台沿顺时针转动。