| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
6.1.A |
|
转动系统的能量与动量
AP 物理 C:力学 · 第 6 主题
6.1
转动动能
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个旋转的物体有转动动能(rotational kinetic energy)
$\tfrac12mv^2$ 的旋转孪生,转动惯量(rotational inertia)$I$ 扮演质量的角色。一个既移动又旋转的物体携带两个项:
Worked example. 一个均匀圆柱($I=\tfrac12mr^2$)以速率 $v$ 滚动。它的动能是 $K=\tfrac12mv^2+\tfrac12\big(\tfrac12mr^2\big)\big(\tfrac{v}{r}\big)^2=\tfrac34mv^2$ ——它的三分之一是转动的。同样的能量核算球决定每个滚动问题。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| rotational kinetic energy | 转动动能 | zhuǎn dòng dòng néng |
| rotational inertia | 转动惯量 | zhuǎn dòng guàn liàng |
6.2
力矩与功
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
6.2.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个力矩(torque)作用过一个角位移(angular displacement)做功,而功率是力矩乘角速度:
这些是 $W=\int F\,dx$ 和 $P=Fv$ 的旋转形式——整个平动能量工具箱以 $F\to\tau$、$x\to\theta$、$v\to\omega$ 转移过来。
Worked example. 一个马达对一个飞轮施加一个恒定的 $8.0\ \text{N}\cdot\text{m}$ 力矩达 $5.0$ 整转:$W=\tau\,\Delta\theta=8.0(5.0)(2\pi)=250\ \text{J}$,若摩擦可忽略它作为转动动能出现。
Balance torques on a beam
Torque is force times perpendicular distance, $\tau=Fd$. Equal torques on each side keep the beam in rotational equilibrium.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| torque | 力矩 | lì jǔ |
| angular displacement | 角位移 | jiǎo wèi yí |
6.3
角动量与角冲量
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
6.3.A |
|
6.3.B |
|
6.3.C |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个粒子的角动量(angular momentum)是
所以即使一个沿直线移动的粒子也有绕不在那条线上的任何点的角动量($L=mv\,d$,$d$ 是垂直距离)。对于一个绕一个固定轴旋转的刚体,$L=I\omega$。旋转形式的牛顿第二定律是
而一个合力矩随时间作用传递一个角冲量(angular impulse)$\int\tau\,dt=\Delta L$ ——旋转冲量-动量定理。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Angular momentum | 角动量 | jiǎo dòng liàng |
| angular impulse | 角冲量 | jiǎo chōng liàng |
6.4
角动量守恒
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
6.4.A |
|
6.4.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
以零合外力矩,总角动量守恒(conserved):
若 $I$ 缩小,$\omega$ 增长——一个旋转的滑冰者收臂时加速。这个规则度过碰撞和形状变化,这就是使它如此有用的东西:挑选轴,使每个外力(重力、枢轴力)绕它不施加力矩。
Worked example. 一个滑冰者以 $2.0\ \text{rev/s}$、$I_1=4.0\ \text{kg}\cdot\text{m}^2$ 旋转。收臂把它降到 $I_2=1.6\ \text{kg}\cdot\text{m}^2$:$\omega_2=\dfrac{4.0}{1.6}(2.0)=5.0\ \text{rev/s}$。她的动能上升——额外的能量是她的肌肉向内收臂所做的功。


Worked example (rotational collision). 一颗 $0.020\ \text{kg}$ 以 $300\ \text{m/s}$ 的子弹撞一根从一个枢轴悬挂的均匀杆($M=1.5\ \text{kg}$、长度 $l=0.60\ \text{m}$)的尖端,并嵌入。绕枢轴,重力和枢轴力在撞击期间不施加力矩,所以 $L$ 守恒:$L=mvl=0.020(300)(0.60)=3.6\ \text{kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}$。之后 $I=\tfrac13Ml^2+ml^2=0.18+0.0072=0.187\ \text{kg}\cdot\text{m}^2$,所以 $\omega=\dfrac{3.6}{0.187}\approx19\ \text{rad/s}$。(线性动量在这里不守恒——枢轴推杆——而动能肯定不守恒:在声称它们之前检查两者。)
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| conserved | 守恒 | shǒu héng |
6.5
滚动
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
6.5.A |
|
6.5.B |
|
6.5.C |
Boundary statement: Rolling friction is beyond the scope of AP Physics C: Mechanics. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
无滑滚动(rolling without slipping)把平动与旋转绑定:接触点暂时静止,所以

静摩擦供应保持旋转与运动匹配的力矩,但在一个不滑动的点——所以对于纯滚动,摩擦不做功,而能量守恒安全可用。(滚动摩擦超出 AP 课程。)
让形状沿一个斜面赛跑显示能量分割。以 $I=\beta mr^2$,能量守恒给出
一个球($\beta=\tfrac25$)击败一个圆盘(disk)($\beta=\tfrac12$),它击败一个圆环(hoop)($\beta=1$)——质量和半径完全约去。圆环更多的能量被锁在旋转里,所以它的中心移动更慢。

Worked example. 一个实心球从静止沿一个 $30^\circ$ 的斜面滚下:$a=\dfrac{g\sin30^\circ}{1+\tfrac25}=\dfrac{9.8(0.50)}{1.4}=3.5\ \text{m/s}^2$,而一个无摩擦滑块是 $4.9\ \text{m/s}^2$ ——滚动物体总是输给滑动物体的赛跑。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Rolling without slipping | 无滑滚动 | wú huá gǔn dòng |
| disk | 圆盘 | yuán pán |
| hoop | 圆环 | yuán huán |
6.6
轨道卫星的运动
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
6.6.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
重力为一个圆形轨道里的卫星(satellite)供应向心力(centripetal force):
——更大的轨道更慢。以引力势能(gravitational potential energy)$U_g=-\dfrac{GMm}{r}$,一个圆形轨道遵循 $K=-\tfrac12U$,所以总机械能(total mechanical energy)是
负的,因为卫星被束缚。要从半径 $r$ 逃逸,总能量必须达到零,给出逃逸速度(escape velocity)

在一个椭圆轨道(elliptical orbit)里,$E$ 和 $L$ 固定:重力指向焦点,所以它绕它不施加力矩。守恒的 $L$ 意味着卫星在相等的时间里扫过相等的面积——开普勒第二定律(Kepler's second law)——因此在最接近时移动最快、在远点最慢。能量守恒连接两端的速率。
Worked example. 对于一个绕地球($GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$)在 $r=7.0\times10^{6}\ \text{m}$ 的卫星:轨道速率 $v=\sqrt{GM/r}=7.6\times10^{3}\ \text{m/s}$,而从那个半径逃逸需要 $v_{\text{esc}}=\sqrt{2GM/r}=1.1\times10^{4}\ \text{m/s}$ ——恰好是圆形速率的 $\sqrt2$ 倍。
Exam skill. 轨道 FRQ 是伪装的能量-和-角动量问题:在两个感兴趣的点写 $E=\tfrac12mv^2-\dfrac{GMm}{r}$ 和 $L=mvr\sin\theta$ 并解这一对——绝不假设圆的轨道公式适用于一个椭圆。
Compare orbits at different radii
An orbiting satellite is in free fall, gravity supplying the centripetal force. A larger orbit means a slower speed and longer period (Kepler's third law).
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| centripetal force | 向心力 | xiàng xīn lì |
| satellite | 卫星 | wèi xīng |
| gravitational potential energy | 引力势能 | yǐn lì shì néng |
| total mechanical energy | 总机械能 | zǒng jī xiè néng |
| escape velocity | 逃逸速度 | táo yì sù dù |
| elliptical orbit | 椭圆轨道 | tuǒ yuán guǐ dào |
| Kepler's second law | 开普勒第二定律 | kāi pǔ lēi dì èr dìng lǜ |
6.6
考试技巧
- 计算转动惯量 $I=\int r^2\,dm$ 并用平行轴定理 $I=I_{cm}+Md^2$ 移轴。
- 转动动能是 $\tfrac12 I\omega^2$;一个滚动物体既有平动又有转动 KE。
- 当合外力矩是零时守恒角动量 $L=I\omega$(一个收臂的旋转滑冰者)。
- 对无滑滚动问题用能量守恒($v=r\omega$ 把两个运动绑定)。
- 知道标准 $I$ 值(圆环、圆盘、杆、球)以及轴在哪里。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。