| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
5.1.A |
Boundary statement: Descriptions of the directions of rotation for a point or object are limited to clockwise and counterclockwise with respect to a given axis of rotation. |
力矩与转动动力学
AP 物理 1 · 第 5 主题
5.1
转动运动学
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
旋转由映照线性量的角量描述:

- 角位移(angular displacement)$\theta$(以弧度(radians)),
- 角速度(angular velocity)$\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}$,
- 角加速度(angular acceleration)$\alpha=\dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}$。
对于恒定 $\alpha$,旋转运动学方程有与线性的相同形式,$\theta,\omega,\alpha$ 替换 $x,v,a$:$\omega=\omega_0+\alpha t$、$\theta=\omega_0 t+\tfrac12\alpha t^2$,和 $\omega^2=\omega_0^2+2\alpha\theta$。
Worked example. 一个轮子从静止开始并在 $6.0\ \text{s}$ 里均匀加速到 $30\ \text{rad/s}$。求它的角加速度和转过的总角度:
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| angular displacement | 角位移 | jiǎo wèi yí |
| radians | 弧度 | hú dù |
| angular velocity | 角速度 | jiǎo sù dù |
| angular acceleration | 角加速度 | jiǎo jiā sù dù |
5.2
连接线运动与转动
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
5.2.A |
Boundary statement: Descriptions of the directions of rotation for a point or object are limited to clockwise and counterclockwise with respect to a given axis of rotation. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个离轴半径 $r$ 的点有与角量绑定的线性量:

Worked example. 一个半径 $0.35\ \text{m}$ 的自行车轮以 $12\ \text{rad/s}$ 旋转。轮缘上一个点(因而自行车)以 $v=r\omega=0.35\times12=4.2\ \text{m/s}$ 移动。一个到轴一半的点以那速率的一半移动。
5.3
力矩
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
5.3.A |
|
5.3.B |
Boundary statement: While AP Physics 1 expects students to mathematically manipulate the magnitude of torque using vector conventions, the direction of torque is beyond the scope of the course. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
力矩(torque)是一个力的旋转效应——它多有效地使一个物体绕一个轴转:

Worked example. 你在一把 $0.30\ \text{m}$ 扳手的末端以 $20\ \text{N}$ 推。垂直于扳手力矩是 $\tau=rF=0.30\times20=6.0\ \text{N m}$。若你相反以与扳手 $60^{\circ}$ 推,只有垂直部分计入:$\tau=rF\sin 60^{\circ}=0.30\times20\times0.87=5.2\ \text{N m}$ ——这就是为什么你以一个直角推以获得最多的转动效应。
Balance torques on a beam
Torque is force times perpendicular distance, $\tau=Fd$. The beam is in rotational equilibrium when the torques on each side are equal.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Torque | 力矩 | lì jǔ |
| moment arm | 力臂 | lì bì |
5.4
转动惯量
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
5.4.A |
|
5.4.B |
Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to calculate the rotational inertia for systems of five or fewer objects arranged in a two-dimensional configuration. Boundary statement: Students do not need to know the rotational inertia of extended rigid systems, as these will be provided within the exam. Students should have a qualitative understanding of the factors that affect rotational inertia; for example, how rotational inertia is greater when mass is farther from the axis of rotation, which is why a hoop has more rotational inertia than a solid disk of the same mass and radius. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
转动惯量(rotational inertia)(moment of inertia)$I$ 测量改变一个物体的旋转有多难——质量的旋转版本。它取决于质量和那质量离轴多远:质量散布得更远给出一个更大的 $I$。对于一个点质量,$I=mr^2$;对于延展的物体,提供标准公式(一个环是 $mR^2$、一个实心圆盘 $\tfrac12 mR^2$)。这就是为什么一个花样滑冰者在她收臂时旋转更快——她减小 $I$。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Rotational inertia | 转动惯量 | zhuǎn dòng guàn liàng |
5.5
转动平衡与转动形式的牛顿第一定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
5.5.A |
Boundary statement: AP Physics 1 does not expect students to simultaneously analyze rotation in multiple planes. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个物体处于转动平衡(rotational equilibrium),当合力矩是零时,所以它的角速度保持恒定。对于一个平衡(静态)的物体,合力和合力矩都是零。把轴选在一个未知力的位置从力矩方程移除它——梁和梯子问题的一个有用诀窍。

Worked example. 一个 $30\ \text{kg}$ 的孩子坐在离一个跷跷板支点 $2.0\ \text{m}$ 处。一个 $40\ \text{kg}$ 的孩子必须坐在另一侧哪里来平衡它?把顺时针力矩设为等于逆时针力矩($g$ 约去):
Find the balance point
For rotational equilibrium the total clockwise torque equals the total anticlockwise torque. Move the forces and distances until the beam balances.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| rotational equilibrium | 转动平衡 | zhuǎn dòng píng héng |
5.6
转动形式的牛顿第二定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
5.6.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
合力矩产生角加速度,与 $F=ma$ 直接类比:
Worked example. 一个 $12\ \text{N m}$ 的合力矩作用在一个转动惯量 $I=3.0\ \text{kg m}^2$ 的轮子上。它的角加速度是 $\alpha=\tau/I=12/3.0=4.0\ \text{rad/s}^2$ —— $a=F/m$ 的确切旋转孪生。
5.6
考试技巧
- 力矩 $\tau=Fr_\perp$ 使用从支点的垂直距离;一个通过支点的力给出零力矩。
- 对于平衡,设顺时针力矩 = 逆时针力矩;把支点选在一个未知力处从方程移除它。
- 使用旋转类比:$\tau\leftrightarrow F$、$I\leftrightarrow m$、$\alpha\leftrightarrow a$,所以 $\sum\tau=I\alpha$ 映照 $\sum F=ma$。
- 转动惯量取决于质量离轴多远,不只是它的量——一个环比一个相等质量的圆盘更抵抗旋转。
- 把角转换成弧度并用 $v=r\omega$、$a_t=r\alpha$ 把线性连接到角。
本主题的互动课程
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