一根为长L,质量为m的均匀细棒在地面上竖立着。如果让竖立着的棒,以下端与地面接触处为轴倒下,则棒中点到达地面时速率应为【 】A sqrt((3gL)/(2))B sqrt(6gL)C sqrt(3gL)D (sqrt(3gL))/(2)
一根为长$L$,质量为$m$的均匀细棒在地面上竖立着。如果让竖立着的棒,以下端与地面接触处为轴倒下,则棒中点到达地面时速率应为【 】
A $\sqrt{\frac{3gL}{2}}$
B $\sqrt{6gL}$
C $\sqrt{3gL}$
D $\frac{\sqrt{3gL}}{2}$
题目解答
答案
这是一道经典的物理力学题,主要考察机械能守恒定律和刚体定轴转动的知识。
1. 分析物理过程:
一根质量为 $m$、长度为 $L$ 的均匀细棒,初始时竖直立在地面上。以下端与地面的接触点为轴,棒倒下。在这个过程中,只有重力做功,忽略空气阻力和摩擦力,因此棒的机械能守恒。
2. 确定初末状态的能量:
-
初始状态(竖直立着):
- 棒的质心(中点)高度为 $h_1 = \frac{L}{2}$。
- 棒是静止的,所以动能 $E_{k1} = 0$。
- 以地面为零势能面,初始重力势能 $E_{p1} = mgh_1 = mg\frac{L}{2}$。
- 初始总机械能 $E_1 = E_{k1} + E_{p1} = mg\frac{L}{2}$。
-
末状态(棒中点到达地面,即棒完全水平倒下):
- 棒的质心高度为 $h_2 = 0$。
- 末重力势能 $E_{p2} = 0$。
- 棒绕下端点转动,具有转动动能。设此时棒的角速度为 $\omega$。
- 棒绕一端转动的转动惯量 $I = \frac{1}{3}mL^2$。
- 末动能(转动动能) $E_{k2} = \frac{1}{2}I\omega^2 = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{3}mL^2 \right) \omega^2 = \frac{1}{6}mL^2\omega^2$。
- 末总机械能 $E_2 = E_{k2} + E_{p2} = \frac{1}{6}mL^2\omega^2$。
3. 应用机械能守恒定律:
根据机械能守恒 $E_1 = E_2$,有:
$mg\frac{L}{2} = \frac{1}{6}mL^2\omega^2$
4. 求解角速度 $\omega$:
消去等式两边的质量 $m$ 和一个 $L$:
$g\frac{1}{2} = \frac{1}{6}L\omega^2$
$\omega^2 = \frac{6g}{2L} = \frac{3g}{L}$
$\omega = \sqrt{\frac{3g}{L}}$
5. 计算棒中点到达地面时的速率:
题目要求的是“棒中点到达地面时速率”。棒的中点距离转轴(下端)的距离为 $r = \frac{L}{2}$。
根据线速度与角速度的关系 $v = \omega r$,中点的线速度为:
$v = \omega \cdot \frac{L}{2}$
代入求得的 $\omega$:
$v = \sqrt{\frac{3g}{L}} \cdot \frac{L}{2} = \sqrt{\frac{3g}{L} \cdot \frac{L^2}{4}} = \sqrt{\frac{3gL}{4}} = \frac{\sqrt{3gL}}{2}$
对比选项,该结果与选项 D 一致。
正确答案是 D。