刚体定轴转动 · 功—能实验台

力矩做的功,究竟去了哪里?

给圆盘持续“拧一把”,它会越转越快;反着拧,它可能在到达目标角度前就停下。调节实验条件,看看功和转动动能怎样逐焦耳对上。

定轴转动圆盘 圆盘绕中心轴转动,橙色弧形箭头表示外力矩方向。 正力矩 起始线

等待播放 · 圆盘位于起始线

当前角速度

2.00 弧度/秒

加速转动。正力矩做正功,圆盘的转动动能增加。

把两本“账”摆在一起

左边从外力矩算输入功,右边从初、末角速度算动能变化。

外力矩做功 W = MΔθ = 3.0 × 3.142
末角速度关系 ω² = ω0² + 2MΔθ/I = 13.425
转动动能变化 ΔEk = ½I(ω² − ω0²) = 9.425 焦耳
外力矩做功 W 9.425 焦耳
=完全相等
转动动能变化 ΔEk 9.425 焦耳

先想一想

把转动惯量调大,而保持 力矩和转角不变,力矩做的功会变吗?末角速度变化又会怎样?拖动滑块前,不妨先给出自己的判断。

容易踩的坑

功由 力矩 × 转角 决定,与转动惯量无关;但同样的能量变化分摊到更大的转动惯量上,角速度变化会更小。还有,算出负的 ω² 不是“出现负角速度”,而是说明物体早已停下,设定的正向终点根本到不了。