MCAT物理:旋转,圆形和谐波运动

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例子问题

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例子问题1:转矩

一根长50cm、质量0.2kg的均匀杆被放置在距杆左端40cm的支点上。一个0.6公斤的物体应该挂在距离杆子左端多远的地方以平衡杆子?

可能的答案:

这根杆不能与这个质量平衡

45厘米

42厘米

50厘米

48厘米

正确答案:

45厘米

解释

为了使杆保持平衡,围绕轴心点的逆时针和顺时针力矩必须相等。以支点为枢轴点,逆时针力矩是由杆的重量,在杆的中心向下作用的重力引起的。如果我们用支点作为参考点,那么杆的中心距离参考点是15cm。

设这个等于由额外质量产生的顺时针力矩,轴向右r的距离。

求出r,得到r =轴右0.05m,也就是距离杆左端40 + 5 cm。

例子问题1:转矩

一个2公斤重的物体悬挂在绳子上,绳子缠绕着连接在天花板上的无摩擦滑轮,滑轮的质量为0.01公斤,半径为0.25米。绳子的另一端连接到一个无质量的悬浮平台上,上面可以放置0.5公斤的重物。当系统最初处于平衡状态时,绳子随后在重物上方被切断,然后通过拉绳子使平台上升。

Screen_shot_2013-10-09_at_10.32.21_pm

当系统静止时,滑轮上的力矩是多少?

可能的答案:

9.8 n * m

19.6 n * m

0 n * m

10 n * m

正确答案:

0 n * m

解释

滑轮上的合扭矩为零。记住,假设力垂直于半径。因为在这个问题中滑轮是对称的(意味着r是相同的),整个绳子的张力是相同的(意味着F是相同的),我们知道逆时针的扭矩抵消了顺时针的扭矩,因此,净扭矩为零。

在下图中,T1(由于平台有4个0.5kg的重量)= T2(2公斤质量)。

Screen_shot_2013-10-09_at_10.35.51_pm

例子问题1:转矩

两个学生在10米长的跷跷板上保持平衡。跷跷板被设计成每边5米长。左边的学生体重60公斤,站在离中心3米远的地方。右边的学生重45公斤。跷跷板与地面平行。假设跷跷板是无质量的。

如果想让跷跷板与地面平行,右边的学生应该离跷跷板中心多远?

可能的答案:

正确答案:

解释

力矩由这个方程定义.因为两个学生都要施加垂直于跷跷板长度的向下的力,.在我们的例子中,力是重力,如下所示,并且就是到跷跷板中心的距离。

由于为了使跷跷板保持平行(不移动),扭矩必须为零,右边较轻的学生必须使他在右边的扭矩等于左边学生的扭矩。我们可以通过使它们的力矩相等来确定所需的距离。

例子问题1:转矩

两个学生在10米长的跷跷板上保持平衡。跷跷板被设计成每边5米长。左边的学生体重60公斤,站在离中心3米远的地方。右边的学生重45公斤。跷跷板与地面平行。假设跷跷板是无质量的。

假设两个学生坐在跷跷板上力矩是.下列哪个变化会改变跷跷板的扭矩?

可能的答案:

另一个学生完美地站在跷跷板的中央。

另外两个学生坐在跷跷板上,每个人重45公斤。他们都坐在跷跷板的两端,离中心有5米远。

两个学生都向中心移动了一米。

较胖的学生向前移动1米,较轻的学生向前移动1.33米。

正确答案:

两个学生都向中心移动了一米。

解释

在这种情况下,扭矩取决于学生施加的力以及他们到旋转点的距离。结果,两个学生向前移动1米,就会对跷跷板产生非零力矩。这是因为较重的学生的力和距离的比例比较轻的学生将导致更小的扭矩在他的一边。

例子问题2:转矩

一根3米重的可忽略不计的梁与一个距其左端1米的支点保持平衡。如果在它的右端施加50N的力,那么左端需要施加多少力?

可能的答案:

正确答案:

解释

这是一个涉及扭矩的转动平衡的例子。力矩的公式是,在那里力矢量与物体的夹角是否处于平衡状态就是从支点到力矢量点的距离。为了达到平衡,我们的力矩必须相等。

因为力是垂直于梁的,就1。支点到左端距离为1m,到右端距离为2m。

因为50N的力距离支点的距离是施加在左边的力的两倍,所以它必须是施加在左边的力的一半。左边的力可以被发现是100N。

例子问题1:转矩

跷跷板的一边有一个距离支点四米的质量和距离支点两米的质量。为了平衡跷跷板,在距离支点9米的前面两个物体的对面应该放置什么物体?

可能的答案:

正确答案:

解释

要使跷跷板保持平衡,系统必须处于转动平衡状态。要做到这一点,两边的力矩是一样的。

为了使合扭矩为零,总扭矩必须在两边相等。

把转矩公式代入这个方程。

现在我们可以用给定的值来解出缺失的质量。

重力的加速度每一项都抵消了。

例子问题1:转矩

两个质量的物体悬挂在一个无质量的米尺下面。质量1位于10cm处,重量为15kg,质量2位于60cm处,重量为30kg。为了平衡系统,弦必须在两个质量之间的哪个点上?

可能的答案:

正确答案:

解释

这个问题涉及扭矩和平衡。注意到弦在两个质量之间,我们可以使用的力矩方程.我们可以用这个方程求力矩。因为力垂直于距离,我们可以用这个方程(sin (90o为1)。在这种情况下,力是重力,因此F=mg,使用变量x作为字符串的位置,我们可以找到r。

X =43,因此绳子被放置在43cm标记处。

问题2

例子问题1:旋转,圆形,调和运动

一个2公斤重的物体悬挂在缠绕在无摩擦滑轮上的绳子上。滑轮连接在天花板上,质量为0.01kg,半径为0.25m。绳子的另一端连接到一个无质量的悬浮平台上,上面可以放置0.5公斤的重物。当系统最初处于平衡状态时,绳子随后在重物上方被切断,然后通过拉绳子使平台上升。

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绳子在2公斤重的物体上方被切断,平台开始下降。绳子还缠在滑轮上。绕着滑轮的力矩是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

当绳子在2千克质量的正上方被切断时,滑轮现在有了逆时针方向的净扭矩,因为有质量的平台仍然连接在绕着滑轮的绳子上。知道,我们可以通过知道滑轮上的力(F)是由平台的张力(T)引起的来确定扭矩。拉力是19.6N(等于重量),已知滑轮的半径是0.25m,我们可以解出扭矩。

例子问题1:转矩

当θ是力F绕旋转轴作用的角度时,哪个是力矩τ的正确表达式?

  1. τ = F cos θ
  2. τ = F sin θ
  3. τ = F tan θ
  4. τ = F cotan θ
  5. τ = F sec θ
可能的答案:

2

4

3.

1

5

正确答案:

2

解释

选项2是正确的。想想换轮胎的时候,为了产生最大的力,你要在轮胎铁上施加尽可能垂直的力。

因为正弦90度等于1,那么根据方程τ = fsin θ,你应用的是你能产生的最大扭矩。

示例问题9:转矩

科学博物馆的一个景点帮助学生了解扭矩的力量。有一根长金属梁,它有一个支点。栏杆的一端挂着一辆轿厢,另一端是一根绳子,学生们可以拉着绳子把轿厢拉离地面。

横梁长40米,轴心点距一端5米。一辆500公斤重的汽车挂在梁的短端。忽略梁的质量,一个学生能吊在绳子上并开始把车抬离地面的最小质量是多少?

可能的答案:

需要更多的信息来回答这个问题

正确答案:

解释

我们试着找出需要给绳子施加多大的力才能使梁上的力矩为零。

汽车施加的扭矩:

我们可以用它来求出一个学生在吊在绳子上时产生相同力矩的质量:

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