题目
如图所示,一质量为m的子弹以水平速度射入一静止悬于顶端长棒的下端,穿出后速度损失(3)/(4),求子弹穿出后棒的角速度omega .已知棒长为l,质量为M.---|||----|||-A w 0 A
如图所示,一质量为$m$的子弹以水平速度射入一静止悬于顶端长棒的下端,穿出后速度损失$\frac{3}{4}$,求子弹穿出后棒的角速度$\omega $.已知棒长为$l$,质量为$M$.

题目解答
答案
$\frac{9m{{v}_{0}}}{4Ml}$
解析
步骤 1:确定子弹穿出后的速度
子弹穿出后速度损失$\frac{3}{4}$,即子弹穿出后的速度为$V_{1} = \frac{1}{4}V_{0}$,其中$V_{0}$是子弹射入时的速度。
步骤 2:应用角动量守恒定律
子弹射入并穿出长棒的过程中,系统(子弹+长棒)的角动量守恒。设子弹射入时的角动量为$L_{0}$,子弹穿出时的角动量为$L_{1}$,长棒的角动量为$L_{棒}$。根据角动量守恒定律,有$L_{0} = L_{1} + L_{棒}$。
步骤 3:计算子弹射入时的角动量
子弹射入时,其角动量$L_{0} = mV_{0}l$,其中$m$是子弹的质量,$V_{0}$是子弹射入时的速度,$l$是棒的长度。
步骤 4:计算子弹穿出时的角动量
子弹穿出时,其角动量$L_{1} = mV_{1}l = m\frac{1}{4}V_{0}l$。
步骤 5:计算长棒的角动量
长棒的角动量$L_{棒} = I_{棒}\omega$,其中$I_{棒}$是长棒对悬点的转动惯量,$\omega$是长棒的角速度。对于一根质量为$M$、长度为$l$的均匀细棒,其对悬点的转动惯量为$I_{棒} = \frac{1}{3}Ml^{2}$。
步骤 6:联立角动量守恒方程求解角速度
根据角动量守恒定律,有$mV_{0}l = m\frac{1}{4}V_{0}l + \frac{1}{3}Ml^{2}\omega$。解此方程可得$\omega = \frac{9mV_{0}}{4Ml}$。
子弹穿出后速度损失$\frac{3}{4}$,即子弹穿出后的速度为$V_{1} = \frac{1}{4}V_{0}$,其中$V_{0}$是子弹射入时的速度。
步骤 2:应用角动量守恒定律
子弹射入并穿出长棒的过程中,系统(子弹+长棒)的角动量守恒。设子弹射入时的角动量为$L_{0}$,子弹穿出时的角动量为$L_{1}$,长棒的角动量为$L_{棒}$。根据角动量守恒定律,有$L_{0} = L_{1} + L_{棒}$。
步骤 3:计算子弹射入时的角动量
子弹射入时,其角动量$L_{0} = mV_{0}l$,其中$m$是子弹的质量,$V_{0}$是子弹射入时的速度,$l$是棒的长度。
步骤 4:计算子弹穿出时的角动量
子弹穿出时,其角动量$L_{1} = mV_{1}l = m\frac{1}{4}V_{0}l$。
步骤 5:计算长棒的角动量
长棒的角动量$L_{棒} = I_{棒}\omega$,其中$I_{棒}$是长棒对悬点的转动惯量,$\omega$是长棒的角速度。对于一根质量为$M$、长度为$l$的均匀细棒,其对悬点的转动惯量为$I_{棒} = \frac{1}{3}Ml^{2}$。
步骤 6:联立角动量守恒方程求解角速度
根据角动量守恒定律,有$mV_{0}l = m\frac{1}{4}V_{0}l + \frac{1}{3}Ml^{2}\omega$。解此方程可得$\omega = \frac{9mV_{0}}{4Ml}$。