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转动系统的能量与动量

AP 物理 C:力学 · 知识点 6

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8:12

旋转系统的能量与动量

观看花样滑冰选手旋转。双臂伸展时,她转得很慢。她将手臂收回——未借助任何外力,转速骤然加快。没有人……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

6.1

转动动能

教学大纲

学习目标 6.1.A: 用刚体系统的转动惯量和角速度来描述其转动动能。

  • 6.1.A.1 物体或刚体系统的转动动能与该刚体系统的转动惯量和角速度相关,由以下方程给出:$K_{\text{rot}} = \dfrac{1}{2} I \omega^2$。
    • 方程: $K_{\text{rot}} = \dfrac{1}{2} I \omega^2$
    • 6.1.A.1.i 关于固定轴的物体转动惯量可用于证明该物体的转动动能等同于其平动动能,即其总动能。
    • 6.1.A.1.ii 刚体系统的总动能等于其绕质心旋转产生的转动动能与其质心直线运动产生的平动动能之和。
  • 6.1.A.2 即使刚体系统的质心处于静止状态,该系统仍可能具有转动动能,这是因为刚体系统内的各个点具有线速度,因此具有动能。
  • 6.1.A.3 转动动能是一个标量。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A spinning body has rotational kinetic energy 转动动能

$$K_{\text{rot}}=\tfrac12 I\omega^2,$$

the rotational twin of $\tfrac12mv^2$, with the rotational inertia 转动惯量 $I$ playing the role of mass. A body that both moves and spins carries both terms:

$$K=\tfrac12 mv_{\text{cm}}^2+\tfrac12 I\omega^2.$$

Worked example. A uniform cylinder ($I=\tfrac12mr^2$) rolls at speed $v$. Its kinetic energy is $K=\tfrac12mv^2+\tfrac12\big(\tfrac12mr^2\big)\big(\tfrac{v}{r}\big)^2=\tfrac34mv^2$ – one third of it is rotational. The same ball of energy bookkeeping decides every rolling problem.

探索

转动动能

旋转体的动能随角速度的平方增长。

词汇 训练
English 中文 拼音
rotational kinetic energy/rəʊˈteɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 转动动能 zhuǎn dòng dòng néng
rotational inertia/rəʊˈteɪʃənl ɪˈnɜːʃə/ 转动惯量 zhuǎn dòng guàn liàng
6.2

力矩与功

教学大纲

学习目标 6.2.A: 描述给定力矩或一组力矩对刚体系统所做的功。

  • 6.2.A.1 如果力矩作用在角位移上,它可以将能量传递给物体或刚体系统,也可以从物体或刚体系统中提取能量。
  • 6.2.A.2 力矩对刚体系统所做的功与该力矩的大小以及该力矩作用期间刚体系统转过的角位移有关。
    • 公式: $W = \displaystyle\int_{\theta_1}^{\theta_2} \tau \, d\theta$
  • 6.2.A.3 可以通过绘制力矩随角位置变化的曲线图,利用该曲线下方的面积来求出给定力矩对刚体系统所做的功。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A torque 力矩 acting through an angular displacement 角位移 does work, and power is torque times angular velocity:

$$W=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\tau\,d\theta,\qquad P=\tau\omega.$$

These are the rotational forms of $W=\int F\,dx$ and $P=Fv$ – the whole translational energy toolkit carries over with $F\to\tau$, $x\to\theta$, $v\to\omega$.

Worked example. A motor applies a constant $8.0\ \text{N}\cdot\text{m}$ torque to a flywheel for $5.0$ full turns: $W=\tau\,\Delta\theta=8.0(5.0)(2\pi)=250\ \text{J}$, which appears as rotational kinetic energy if friction is negligible.

探索

在梁上平衡力矩

力矩是力乘以垂直距离,即$\tau=Fd$。两侧相等的力矩使梁保持转动平衡。

词汇 训练
English 中文 拼音
torque/tɔːk/ 力矩 lì jǔ
angular displacement/ˈæŋɡjʊlə dɪˈspleɪsmənt/ 角位移 jiǎo wèi yí
6.3

角动量与角冲量

教学大纲

学习目标 6.3.A: 描述物体或刚体系统的角动量。

  • 6.3.A.1 刚体系统关于特定轴的角动量的大小可以用方程 $L = I\omega$ 来描述。
    • 方程: $L = I\omega$
  • 6.3.A.2 物体关于给定点的角动量为 $\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}$。
    • 方程: $\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}$
    • 6.3.A.2.i 考虑物体旋转所围绕的轴的选择会影响对该物体角动量的确定。
    • 6.3.A.2.ii 沿直线运动的物体的测量角动量取决于参考点与物体之间的距离、物体的质量、物体的速度以及径向距离与物体速度之间的夹角。

学习目标 6.3.B: 描述由力矩施加给物体或刚体系统的角冲量。

  • 6.3.B.1 角冲量定义为作用在物体或刚体系统上的力矩与该力矩作用的时间间隔的乘积。
    • 方程: $\text{angular impulse} = \displaystyle\int \tau \, dt$
  • 6.3.B.2 角冲量的方向与施加它的力矩的方向相同。
  • 6.3.B.3 可以通过扭矩随时间变化图的曲线下面积来确定施加给物体或刚体系统的角冲量。

学习目标 6.3.C: 将物体或刚体系统的角动量变化与该物体或刚体系统获得的角冲量联系起来。

  • 6.3.C.1 角动量变化的大小可以通过比较物体或刚体系统的最终和初始动量的大小来描述。
    • 方程: $\Delta L = L - L_0$
  • 6.3.C.2 转动形式的冲量-动量定理描述了施加给物体或刚体系统的角冲量与该物体或刚体系统的角动量变化之间的关系。
    • 6.3.C.2.i 施加给物体或刚体系统的角冲量等于该物体或刚体系统的角动量变化。
      • 方程: $\Delta L = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} \tau \, dt$
    • 6.3.C.2.ii 转动形式的冲量-动量定理是牛顿第二运动定律在转动惯量恒定情况下的直接结果。
      • 方程: $\tau_{\text{net}} = \dfrac{dL}{dt} = I\dfrac{d\omega}{dt} = I\alpha$
  • 6.3.C.3 作用在物体或刚体系统上的净力矩等于物体角动量随时间变化图的斜率。
  • 6.3.C.4 施加给物体或刚体系统的角冲量等于作用在物体上的净外力矩随时间变化图的曲线下面积。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Angular momentum 角动量 for a particle is

$$\vec{L}=\vec{r}\times\vec{p},\qquad |L|=mvr\sin\theta,$$

so even a particle moving in a straight line has angular momentum about any point not on that line ($L=mv\,d$, with $d$ the perpendicular distance). For a rigid body spinning about a fixed axis, $L=I\omega$. Newton's second law in rotational form is

$$\vec{\tau}_{\text{net}}=\frac{d\vec{L}}{dt}\quad(=I\alpha\ \text{when }I\text{ is constant}),$$

and a net torque acting over time delivers an angular impulse 角冲量 $\int\tau\,dt=\Delta L$ – the rotational impulse–momentum theorem.

探索

角动量

角动量等于转动惯量乘以角速度。

词汇 训练
English 中文 拼音
Angular momentum/ˈæŋɡjʊlə məʊˈmentəm/ 角动量 jiǎo dòng liàng
angular impulse/ˈæŋɡjʊlə ˈɪmpʌls/ 角冲量 jiǎo chōng liàng
6.4

角动量守恒

教学大纲

学习目标 6.4.A: 利用角动量守恒描述系统的行为。

  • 6.4.A.1 系统关于某转轴的总角动量等于该系统各组成部分关于该转轴的角动量之和。
  • 6.4.A.2 系统角动量的任何变化都必须源于系统与周围环境之间的相互作用。
    • 6.4.A.2.i 一个物体或系统对第二个物体或系统施加的角冲量,与第二个物体或系统对该第一个物体或系统施加的角冲量大小相等、方向相反。这是牛顿第三定律的直接结果。
    • 6.4.A.2.ii 可以选择一个系统,使得该系统的总角动量保持恒定。
    • 6.4.A.2.iii 对于非刚体系统,如果系统通过使质量靠近或远离转轴而改变形状,其角速度可能会发生变化,而系统的角动量保持不变。
    • 6.4.A.2.iv 如果系统的总角动量发生变化,这种变化等同于作用在该系统上的角冲量。

学习目标 6.4.B: 描述系统选择如何决定该系统角动量是否发生变化。

  • 6.4.B.1 在所有相互作用中,角动量都是守恒的。
  • 6.4.B.2 如果作用于所选物体或刚体系统的合外力矩为零,则该系统的总角动量保持恒定。
  • 6.4.B.3 如果作用于所选物体或刚体系统的合外力矩不为零,则角动量将在系统与周围环境之间传递。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Angular momentum: pull in, spin faster

With zero net external torque, total angular momentum is conserved 守恒:

$$L_{\text{before}}=L_{\text{after}},\qquad I_1\omega_1=I_2\omega_2\ \text{(one rigid body reshaping)}.$$

If $I$ shrinks, $\omega$ grows – a spinning skater speeds up pulling her arms in. The rule survives collisions and shape changes, which is what makes it so useful: pick the axis so that every external force (gravity, the pivot force) exerts no torque about it.

Worked example. A skater spins at $2.0\ \text{rev/s}$ with $I_1=4.0\ \text{kg}\cdot\text{m}^2$. Pulling in her arms drops it to $I_2=1.6\ \text{kg}\cdot\text{m}^2$: $\omega_2=\dfrac{4.0}{1.6}(2.0)=5.0\ \text{rev/s}$. Her kinetic energy rises – the extra energy is the work her muscles do pulling her arms inward.

Pulling mass inward lowers I, so ω rises to conserve L = Iω
Pulling mass inward lowers I, so ω rises to conserve L = Iω
Angular momentum about the pivot is conserved as the bullet embeds in the rod
Angular momentum about the pivot is conserved as the bullet embeds in the rod

Worked example (rotational collision). A $0.020\ \text{kg}$ bullet at $300\ \text{m/s}$ strikes the tip of a uniform rod ($M=1.5\ \text{kg}$, length $l=0.60\ \text{m}$) hanging from a pivot, and embeds. About the pivot, gravity and the pivot force exert no torque during the strike, so $L$ is conserved: $L=mvl=0.020(300)(0.60)=3.6\ \text{kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}$. Afterwards $I=\tfrac13Ml^2+ml^2=0.18+0.0072=0.187\ \text{kg}\cdot\text{m}^2$, so $\omega=\dfrac{3.6}{0.187}\approx19\ \text{rad/s}$. (Linear momentum is not conserved here – the pivot pushes on the rod – and kinetic energy certainly is not: check both before claiming them.)

Figure skaters performing on the ice
Figure skating and angular momentum: a skater who pulls their arms in during a spin lowers their rotational inertia, so they spin faster
词汇 训练
English 中文 拼音
conserved/kənˈsɜːvd/ 守恒 shǒu héng
6.5

滚动

教学大纲

学习目标 6.5.A: 描述具有平动和转动运动的系统的动能。

  • 6.5.A.1 系统的总动能等于其平动动能与转动动能之和。
    • 公式: $K_{\text{tot}} = K_{\text{trans}} + K_{\text{rot}}$

学习目标 6.5.B: 描述无滑动滚动的系统运动。

  • 6.5.B.1 在无滑动滚动过程中,系统质心的平动运动与系统自身的转动运动通过以下方程相关联:
    • 公式: $\Delta x_{\text{cm}} = r\Delta\theta$
    • 公式: $v_{\text{cm}} = r\omega$
    • 公式: $a_{\text{cm}} = r\alpha$
  • 6.5.B.2 对于理想情况,无滑动滚动意味着摩擦力不会使滚动系统耗散任何能量。

学习目标 6.5.C: 描述发生滑动的滚动系统运动。

  • 6.5.C.1 当发生滑动时,系统质心的运动与系统的转动运动无法直接关联。
  • 6.5.C.2 当旋转系统相对于另一表面发生滑动时,施加在系统上的动摩擦力的作用点相对于该表面移动,因此动摩擦力将导致系统能量耗散。

边界声明: 滚动摩擦不属于 AP Physics C: Mechanics 的考试范围。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Rolling without slipping

Rolling without slipping 无滑滚动 ties translation to rotation: the contact point is momentarily at rest, so

$$\Delta x_{\text{cm}}=r\,\Delta\theta,\qquad v_{\text{cm}}=r\omega,\qquad a_{\text{cm}}=r\alpha.$$
In rolling without slipping the contact point is at rest, so v = rω
In rolling without slipping the contact point is at rest, so v = rω

Static friction supplies the torque that keeps the spin matched to the motion, but at a point that is not sliding – so for pure rolling, friction does no work, and energy conservation is safe to use. (Rolling friction is beyond the AP course.)

Racing shapes down an incline shows the energy split. With $I=\beta mr^2$, energy conservation gives

$$a_{\text{cm}}=\frac{g\sin\theta}{1+\beta}:$$

a sphere ($\beta=\tfrac25$) beats a disk 圆盘 ($\beta=\tfrac12$), which beats a hoop 圆环 ($\beta=1$) – mass and radius cancel completely. More of the hoop's energy is locked in rotation, so its center moves slower.

Rolling race: the shape with the smallest I/mr² reaches the bottom first
Rolling race: the shape with the smallest I/mr² reaches the bottom first

Worked example. A solid sphere rolls from rest down a $30^\circ$ incline: $a=\dfrac{g\sin30^\circ}{1+\tfrac25}=\dfrac{9.8(0.50)}{1.4}=3.5\ \text{m/s}^2$, versus $4.9\ \text{m/s}^2$ for a frictionless slider – rolling objects always lose the race against sliding ones.

探索

纯滚动(无滑动滚动)

对于纯滚动的轮子,v = r omega。对每种情况进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
Rolling without slipping/ˈrəʊlɪŋ wɪˈðaʊt ˈslɪpɪŋ/ 无滑滚动 wú huá gǔn dòng
disk/dɪsk/ 圆盘 yuán pán
hoop/huːp/ 圆环 yuán huán
6.6

轨道卫星的运动

教学大纲

学习目标 6.6.A: 描述仅通过引力相互作用的两个物体或系统的运动。

  • 6.6.A.1 在一个仅由一个巨大的中心天体和一个质量相对于中心天体可忽略不计的轨道卫星组成的系统中,中心天体本身的运动可以忽略不计。
  • 6.6.A.2 轨道卫星的运动受到守恒定律的约束。
    • 6.6.A.2.i 在圆轨道中,系统的总机械能、系统的引力势能以及卫星的角动量和动能均保持恒定。
    • 6.6.A.2.ii 在椭圆轨道中,系统的总机械能和卫星的角动量保持恒定,但系统的引力势能和卫星的动能均可发生变化。
    • 6.6.A.2.iii 定义由一颗卫星和一个巨大中心天体组成的系统的引力势能为零,当卫星位于距中心天体无穷远处时。
      • 公式: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
  • 6.6.A.3 绕中心天体做圆周运动的卫星系统的总能量可以用该系统的引力势能或卫星的动能来表示。
    • 公式: $K = -\dfrac{1}{2}U$
    • 公式: $E_{total} = \dfrac{1}{2}U = -\dfrac{GMm}{2r}$
  • 6.6.A.4 卫星的逃逸速度是指使卫星与中心天体系统的机械能等于零时的卫星速度。
    • 6.6.A.4.i 当作用在卫星上的唯一力是中心天体的引力时,达到逃逸速度的卫星将远离中心天体运动,直到其速度在距中心天体无穷远处降为零。
    • 6.6.A.4.ii 质量为 $M$ 的中心天体发出的卫星逃逸速度可以通过能量守恒定律推导得出。
      • 公式: $v_{\text{esc}} = \sqrt{\dfrac{2GM}{r}}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Orbital motion (Kepler's 2nd law)

Gravity supplies the centripetal force 向心力 for a satellite 卫星 in a circular orbit:

$$\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}\quad\Rightarrow\quad v=\sqrt{\frac{GM}{r}}$$

– larger orbits are slower. With gravitational potential energy 引力势能 $U_g=-\dfrac{GMm}{r}$, a circular orbit obeys $K=-\tfrac12U$, so the total mechanical energy 总机械能 is

$$E=K+U=\frac{U}{2}=-\frac{GMm}{2r},$$

negative because the satellite is bound. To escape from radius $r$, total energy must reach zero, giving the escape velocity 逃逸速度

$$v_{\text{esc}}=\sqrt{\frac{2GM}{r}}.$$
Gravity provides the centripetal force that keeps a satellite in orbit
Gravity provides the centripetal force that keeps a satellite in orbit

In an elliptical orbit 椭圆轨道, $E$ and $L$ are fixed: gravity points at the focus, so it exerts no torque about it. Conserved $L$ means the satellite sweeps equal areas in equal times – Kepler's second law 开普勒第二定律 – and therefore moves fastest at closest approach, slowest at the far point. Energy conservation connects speeds at the two ends.

Worked example. For a satellite at $r=7.0\times10^{6}\ \text{m}$ around Earth ($GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$): orbital speed $v=\sqrt{GM/r}=7.6\times10^{3}\ \text{m/s}$, while escaping from that radius needs $v_{\text{esc}}=\sqrt{2GM/r}=1.1\times10^{4}\ \text{m/s}$ – exactly $\sqrt2$ times the circular speed.

Exam skill. Orbit FRQs are energy-and-angular-momentum problems in disguise: write $E=\tfrac12mv^2-\dfrac{GMm}{r}$ and $L=mvr\sin\theta$ at the two points of interest and solve the pair – never assume the orbit formulae for circles apply to an ellipse.

探索

比较不同半径的轨道

轨道上的卫星处于自由落体状态,重力提供向心力。较大的轨道意味着较慢的速度和较长的周期(开普勒第三定律)。

词汇 训练
English 中文 拼音
centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì
satellite/ˈsætəlaɪt/ 卫星 wèi xīng
gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 引力势能 yǐn lì shì néng
total mechanical energy/ˈtəʊtl mɪˈkænɪkl ˈenədʒi/ 总机械能 zǒng jī xiè néng
escape velocity/eˈskeɪp vəˈlɒsɪti/ 逃逸速度 táo yì sù dù
elliptical orbit/ɪˈlɪptɪkl ˈɔːbɪt/ 椭圆轨道 tuǒ yuán guǐ dào
Kepler's second law/ˈkepləz ˈsekənd lɔː/ 开普勒第二定律 kāi pǔ lēi dì èr dìng lǜ
6.6

考试技巧

English
  • Compute the moment of inertia $I=\int r^2\,dm$ and shift axes with the parallel-axis theorem $I=I_{cm}+Md^2$.
  • Rotational kinetic energy is $\tfrac12 I\omega^2$; a rolling body has both translational and rotational KE.
  • Conserve angular momentum $L=I\omega$ when net external torque is zero (a spinning skater pulling in).
  • Use energy conservation for rolling-without-slipping problems ($v=r\omega$ ties the two motions).
  • Know standard $I$ values (hoop, disk, rod, sphere) and where the axis is.

Common mistakes

  • Conserving linear momentum when a rod is hit while hanging from a pivot. The pivot pushes during the collision; conserve angular momentum about the pivot instead.
  • Leaving out rotational kinetic energy for a rolling object. $K = \tfrac12 Mv^2 + \tfrac12 I\omega^2$ with $\omega = v/R$.
  • Saying static friction on a rolling wheel wastes energy. With no slipping, the contact point is at rest, so static friction does no work.
  • Using circular-orbit formulas for an ellipse. Use conservation of energy and of angular momentum between the two points.
  • Forgetting that a skater who pulls in her arms gains kinetic energy: $L$ is conserved, not $K$.

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

历年真题

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