质心——质量中心简称,指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。
若重力场是均匀的,质心和重心是同一位置,在高中阶段,质心和重心是等同的。
例题:如图所示,一质量不计的竖直圆盘可绕固定的水平轴O在竖直平面内无摩擦地转动。
圆盘上固定着质量均为m小球A和B,且OA=√3a,OB=a,OA与OB垂直。
当OA处于水平位置静止释放,则在圆盘转动过程中,下列说法正确的有()A.转动过程中AB球组成的系统机械能守恒B.当A球位于O点正下方时,圆盘转动的角速度达到最大C.圆盘转动过程中,圆盘始终对A球不做功D.圆盘沿顺时针方向转动到角速度为0时OA与竖直方向成30°角解析:选AD。
圆盘在竖直平面内无摩擦地转动,对于A、B球组成的系统只有重力做功,系统的机械能守恒,故A正确;A、B球组成的系统重心位于两者连线的中点,当系统的重心到达点正下方时,系统重力势能减少量最大,则动能的增加量最大,圆盘转动的角速度最大,可知,当A球位于点正下方时,圆盘转动的角速度不是最大,故B错误;圆盘转动过程中,由于B的机械能是变化的,由系统的机械能守恒知,A的机械能是变化的,由功能关系可知圆盘对A球做功,故C错误;设圆盘沿顺时针方向转动到角速度为O时OA与竖直方向成角,根据系统的机械能守恒知:从开始释放到圆盘角速度为0的过程中,A的机械能减少量等于B的机械能增加量,得mg·3acosα=mga(1+sinα),解得α=30°,故D正确。
对于B选项,常规解法:设小球A转动θ时,圆盘转动的角速度最大,OB也逆时针转动θ,A下降Lsinθ,B上升L(1-cosθ),A减少重力势能√3mgLsinθ,B增加重力势能mgL(1-cosθ),A、B系统减少的重力势能√3mgLsinθ-mgL(1-cosθ)。
系统重力势能最小时,也就是减少的重力势能最大,根据机械能守恒,动能即最大。
也就是求√3mgLsinθ-mgL(1-cosθ)的最大值。
求√3sinθ-1+cosθ的最大值当θ=60°时最大。
两相对位置不变的小球质心位置的计算:两小球到质心的位置与质量成反比。
例题:质量不计的直角支架两端分别连接质量为m和2m的小球A和B,支架的两直角边长度分别为2l和l,支架可绕固定轴在竖直平面内无摩擦转动,如图所示.开始时OA处于水平位置,由静止释放,重力加速度为g,求系统的最大动能。
【解析】如图所示,在高中物理中,质心和重心是等同的。
A、B两小球的质心位置在C点,把A、C两小球等效为小球C,质量为3m.AC的长度可以根据几何关系得到,为2√5l/3,OC的长度可以由正弦定理得到:当OC转过45°时,小球C位置最低,重力势能最小,因此A、B此时动能最大。
可以得到上述答案。