题目
刚体角动量守恒的充分而必要的条件是( )A. 刚体不受外力矩的作用B. 刚体所受合外力矩为零C. 刚体所受的合外力和合外力矩均为零D. 刚体的转动惯量和角速度均保持不变.
刚体角动量守恒的充分而必要的条件是( )
A. 刚体不受外力矩的作用
B. 刚体所受合外力矩为零
C. 刚体所受的合外力和合外力矩均为零
D. 刚体的转动惯量和角速度均保持不变.
题目解答
答案
B. 刚体所受合外力矩为零
解析
刚体角动量守恒的条件是经典力学中的核心知识点。角动量守恒的充分必要条件是刚体所受合外力矩为零。需要明确:
- 合外力矩为零包含两种情况:外力矩不存在(选项A)或多个外力矩矢量和为零;
- 角动量守恒与平动的合外力无关(排除选项C);
- 转动惯量和角速度不变(选项D)是角动量守恒的结果,而非条件。
选项分析
选项A:刚体不受外力矩的作用
若刚体完全不受外力矩作用,则合外力矩必然为零,此时角动量守恒。但题目要求充分必要条件,而选项A仅是合外力矩为零的一种特例(未涵盖多个外力矩矢量和为零的情况),因此不全面。
选项B:刚体所受合外力矩为零
根据角动量定理 $\boldsymbol{\tau} = \frac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t}$,当合外力矩 $\boldsymbol{\tau}_{\text{合}} = \boldsymbol{0}$ 时,$\boldsymbol{L}$ 保持不变。此条件既必要又充分,是正确答案。
选项C:刚体所受的合外力和合外力矩均为零
角动量守恒仅要求合外力矩为零,与平动的合外力无关。例如,刚体在合外力作用下平动,只要合外力矩为零,角动量仍守恒。因此条件过于严格,错误。
选项D:刚体的转动惯量和角速度均保持不变
$\boldsymbol{L} = I\boldsymbol{\omega}$,若 $I$ 和 $\boldsymbol{\omega}$ 均不变,则 $\boldsymbol{L}$ 不变。但这仅是角动量守恒的一种表现形式,而非条件。例如,$I$ 减小而 $\boldsymbol{\omega}$ 增大时,$\boldsymbol{L}$ 可保持不变。因此混淆了条件与结果,错误。