I?2v?v? ⑤
m220所以
(v0?求得
I?212)?v0??2 mlmv0??(2)相碰时小球受到的冲量为
l?Il1M(1?2)?(1?)?223mml6(2?33m?M12mgl
?Fdt??mv?mv?mv由①式求得
0
?Fdt?mv?mv0????6(2?3)M6gl
I?1??Ml? l3负号说明所受冲量的方向与初速度方向相反．
题2-30图
2-30 一个质量为M、半径为R并以角速度?转动着的飞轮 (可看作匀质圆盘)，在某一瞬时突然有一片质量为m的碎片从轮的边缘上飞出，见题2-30图．假定碎片脱离飞轮时的瞬时速度方向正好竖直向上． (1)问它能升高多少?
(2)求余下部分的角速度、角动量和转动动能． 解: (1)碎片离盘瞬时的线速度即是它上升的初速度
v0?R?
设碎片上升高度h时的速度为v，则有
2v2?v0?2gh
令v?0，可求出上升最大高度为
2v0122H??R?
2g2g(2)圆盘的转动惯量I?11MR2，碎片抛出后圆盘的转动惯量I??MR2?mR2，碎片脱离前，盘的角动量为I?，22碎片刚脱离后，碎片与破盘之间的内力变为零，但内力不影响系统的总角动量，碎片与破盘的总角动量应守恒，即
I??I????mv0R
式中??为破盘的角速度．于是
11MR2??(MR2?mR2)???mv0R 2211(MR2?mR2)??(MR2?mR2)?? 22得???? (角速度不变)
圆盘余下部分的角动量为
1(MR2?mR2)? 2转动动能为
题2-31图
Ek?11(MR2?mR2)?2 222-31 一质量为m、半径为R的自行车轮，假定质量均匀分布在轮缘上，可绕轴自由转动．另一质量为m0的子弹以速度
v0射入轮缘(如题2-31图所示方向)．
(1)开始时轮是静止的，在质点打入后的角速度为何值?
(2)用m,m0和? 表示系统(包括轮和质点)最后动能和初始动能之比． 解: (1)射入的过程对O轴的角动量守恒
Rsin?m0v0?(m?m0)R2?
∴ ??m0v0sin?
(m?m0)Rmvsin?21[(m?m0)R2][00]Ek2(m?m0)Rm0sin2???(2)
1Ek0m?m02m0v022-32 弹簧、定滑轮和物体的连接如题2-32图所示，弹簧的劲度系数为2.0 N2m；定滑轮的转动惯量是0.5kg2m，半径为0.30m ，问当6.0 kg质量的物体落下0.40m 时，它的速率为多大? 假设开始时物体静止而弹簧无伸长．
解: 以重物、滑轮、弹簧、地球为一系统，重物下落的过程中，机械能守恒，以最低点为重力势能零点，弹簧原长为弹性势能零点，则有
-1
2
mgh?又 ??v/R
111mv2?I?2?kh2 222(2mgh?kh2)k2故有 v?
mR2?I(2?6.0?9.8?0.4?2.0?0.42)?0.32? 6.0?0.32?0.5?2.0m?s?1
题2-32图 题2-33图
2-33 空心圆环可绕竖直轴AC自由转动，如题2-33图所示，其转动惯量为I0，环半径为R，初始角速度为?0．质量为m的小球，原来静置于A点，由于微小的干扰，小球向下滑动．设圆环内壁是光滑的，问小球滑到B点与C点时，小球相对于环的速率各为多少?
解: (1)小球与圆环系统对竖直轴的角动量守恒，当小球滑至B点时，有
I0?0?(I0?mR2)? ①
该系统在转动过程中，机械能守恒，设小球相对于圆环的速率为vB，以B点为重力势能零点，则有
11122I0?0?mgR?(I0?mR2)?2?mvB ② 222联立①、②两式，得
22I0?0RvB?2gR? 2I0?mR(2)当小球滑至C点时，∵Ic?I0 ∴?c??0 故由机械能守恒，有
mg(2R)?∴ vc?2gR 请读者求出上述两种情况下，小球对地速度．
12mvc 2习题四
4-1 符合什么规律的运动才是谐振动?分别分析下列运动是不是谐振动： (1)拍皮球时球的运动；
(2)如题4-1图所示，一小球在一个半径很大的光滑凹球面内滚动(设小球所经过的弧线很 短)．
题4-1图
解：要使一个系统作谐振动，必须同时满足以下三个条件：一 ，描述系统的各种参量，如质量、转动惯量、摆长……等等在运动中保持为常量；二，系统 是在 自己的稳定平衡位置附近作往复运动；三，在运动中系统只受到内部的线性回复力的作用． 或者说，若一个系统的运动微分方程能用
d2???2??0 2dt描述时，其所作的运动就是谐振动．
(1)拍皮球时球的运动不是谐振动．第一，球的运动轨道中并不存在一个稳定的平衡位置； 第二，球在运动中所
受的三个力：重力，地面给予的弹力，击球者给予的拍击力，都不是线 性回复力．
(2)小球在题4-1图所示的情况中所作的小弧度的运动，是谐振动．显然，小球在运动过程中 ，各种参量均为常量；该系统(指小球凹槽、地球系统)的稳定平衡位置即凹槽最低点，即系统势能最小值位置点O；而小球在运动中的回复力为?mgsin?，如题4-1图(b)所示．题 中所述，?S＜＜R，故???S→0，所以回复力为?mg?.式中负号，表R示回复力的方向始终与角位移的方向相反．即小球在O点附近的往复运动中所受回复力为线性的．若以小球为对象，则小球在以O?为圆心的竖直平面内作圆周运动，由牛顿第二定律，在凹槽切线方向上有
d2?mR2??mg?
dt令??2g，则有 Rd2???2?0 2dt4-2 劲度系数为k1和k2的两根弹簧，与质量为m的小球按题4-2图所示的两种方式连 接，试证明它们的振动均为谐振动，并分别求出它们的振动周期．
题4-2图
解：(1)图(a)中为串联弹簧，对于轻弹簧在任一时刻应有F?F1?F2，设串联弹簧的等效倔强系数为K串等效位移为
x，则有
F??k串xF1??k1x1
F2??k2x2
又有 x?x1?x2
x?所以串联弹簧的等效倔强系数为
FFF?1?2 k串k1k2k串?k1k2
k1?k2即小球与串联弹簧构成了一个等效倔强系数为k?k1k2/(k1?k2)的弹簧振子系统，故小球作谐振动．其振动周期为
T?2???2?m(k1?k2)m?2? k串k1k2(2)图(b)中可等效为并联弹簧，同上理，应有F?F1?F2，即x?x1?x2，设并联弹簧的倔强系数为k并，则有
k并x?k1x1?k2x2