题目
一汽车发动机的转速在8秒内由600 , (r/min)均匀地增加到3000 , (r/min)(1) 求在这段时间内的初角速度omega_0、末角速度omega以及角加速度alpha;(2) 求这段时间内转过的圈数N。
一汽车发动机的转速在8秒内由$600 \, \text{r/min}$均匀地增加到$3000 \, \text{r/min}$ (1) 求在这段时间内的初角速度$\omega_0$、末角速度$\omega$以及角加速度$\alpha$; (2) 求这段时间内转过的圈数$N$。
题目解答
答案
1. 初始角速度:
\[
\omega_0 = \frac{2\pi \times 600}{60} = 20\pi \, \text{rad/s}
\]
末角速度:
\[
\omega = \frac{2\pi \times 3000}{60} = 100\pi \, \text{rad/s}
\]
角加速度:
\[
\alpha = \frac{\omega - \omega_0}{t} = \frac{80\pi}{8} = 10\pi \, \text{rad/s}^2
\]
2. 转过的角度:
\[
\theta = \frac{\omega_0 + \omega}{2} t = \frac{120\pi}{2} \times 8 = 480\pi \, \text{rad}
\]
转过的圈数:
\[
N = \frac{\theta}{2\pi} = \frac{480\pi}{2\pi} = 240 \, \text{圈}
\]
最终结果:
- 初角速度 $ \omega_0 = 20\pi \, \text{rad/s} $
- 末角速度 $ \omega = 100\pi \, \text{rad/s} $
- 角加速度 $ \alpha = 10\pi \, \text{rad/s}^2 $
- 转过的圈数 $ N = 240 \, \text{圈} $
解析
本题主要考查刚体定轴转动的相关知识,包括角速度、角加速度的计算以及转过角度和圈数的计算。解题思路如下:
- 计算初角速度$\omega_0$和末角速度$\omega$:
- 已知转速$n$与角速度$\omega$的关系为$\omega = 2\pi n$,这里的$n$单位为$r/s$。
- 对于初角速度$\omega_0$,题目中初转速$n_0 = 600 \, \text{r/min}$,将其换算为$r/s$,即$n_0=\frac{600}{60} \, \text{r/s}$。
- 根据公式$\omega_0 = 2\pi n_0$,可得$\omega_0 = 2\pi\times\frac{600}{60}$。
- 计算$2\pi\times\frac{600}{60}=20\pi$,所以$\omega_0 = 20\pi \, \text{rad/s}$。
- 对于末角速度$\omega$,题目中末转速$n = 3000 \, \text{r/min}$,换算为$r/s$为$n=\frac{3000}{60} \, \text{r/s}$。
- 根据公式$\omega = 2\pi n$,可得$\omega = 2\pi\times\frac{3000}{60}$。
- 计算$2\pi\times\frac{3000}{60}=100\pi$,所以$\omega = 100\pi \, \text{rad/s}$。
- 计算角加速度$\alpha$:
- 因为发动机做匀加速转动,角加速度$\alpha$的计算公式为$\alpha=\frac{\omega - \omega_0}{t}$,其中$t = 8 \, \text{s}$,$\omega = 100\pi \, \text{rad/s}$,$\omega_0 = 20\pi \, \text{rad/s}$。
- 先计算$\omega - \omega_0=100\pi - 20\pi = 80\pi$。
- 再将$\omega - \omega_0 = 80\pi$和$t = 8 \, \text{s}$代入公式$\alpha=\frac{\omega - \omega_0}{t}$,可得$\alpha=\frac{80\pi}{8}$。
- 计算$\frac{80\pi}{8}=10\pi$,所以$\alpha = 10\pi \, \text{rad/s}^2$。
- 计算转过的圈数$N$:
- 首先根据匀加速转动的位移公式$\theta=\frac{\omega_0 + \omega}{2}t$计算转过的角度$\theta$,其中$\omega_0 = 20\pi \, \text{rad/s}$,$\omega = 100\pi \, \text{rad/s}$,$t = 8 \, \text{s}$。
- 先计算$\omega_0 + \omega=20\pi + 100\pi = 120\pi$。
- 再将$\omega_0 + \omega = 120\pi$和$t = 8 \, \text{s}$代入公式$\theta=\frac{\omega_0 + \omega}{2}t$,可得$\theta=\frac{120\pi}{2}\times 8$。
- 计算$\frac{120\pi}{2}\times 8 = 480\pi$,所以$\theta = 480\pi \, \text{rad}$。
- 因为转一圈的角度为$2\pi \, \text{rad}$,所以转过的圈数$N=\frac{\theta}{2\pi}$。
- 将$\theta = 480\pi \, \text{rad}$代入公式$N=\frac{\theta}{2\pi}$,可得$N=\frac{480\pi}{2\pi}$。
- 计算$\frac{480\pi}{2\pi}=240$,所以$N = 240 \, \text{圈}$。