角动量 角动量守恒定律
合集下载
角动量和角动量守恒定律
恒矢量
M 0
质点或质点系所受对参考点 O 的合外力矩为零 时，质点或系统对该参考点 O 的角动量为一恒矢量 . (1) 不受外力
(2) 力臂 d 0 (3) F // r
3 – 2 角动量 角动量守恒动量守恒。
质点在有心力作用下的运动：r 与 F 同向或
第三章 刚体力学
dp dL F, ? Lrp dt d t dL d dp dr (r p) r p dt dt d t dt dr dL dp v, v p 0 r r F dt dt dt 作用于质点的合力对参考点 O dL 的力矩 ，等于质点对该点 O 的角 M dt 动量随时间的变化率 .
L mR
2 32 12
2g 12 ( sin ) R
L mR (2g sin )
Lx 、Ly 、Lz 质点对x、y、z 轴的角动量 M y、 M x、 M z 质点对x、y、z 轴的力矩
3 – 2 角动量 角动量守恒定律
第三章 刚体力学
1）求角动量和力矩某一方向的分量的方法
L ( xi yj zk ) ( pxi py j pz k ) M （xi yj zk） （Fxi Fy j Fz k）
rb
通过一点（力心）—— 力对力心的力矩为零。
当力 F 的作用线始终
vb
ra mva rb mvb ra v b va va rb
ra
r
F
3 – 2 角动量 角动量守恒定律
第三章 刚体力学
举例： 将一个质量为m的小球系在轻绳的一端，放在 光滑的水平桌面上，轻绳的另一端从桌面中间的一 光滑小孔穿出。先使小球以一初速度在水平桌面上 作圆周运动，然后向下拉绳。 动画演示：模拟实验
量子力学中的角动量与角动量守恒定律
量子力学中的角动量与角动量守恒定律量子力学是20世纪物理学的重要进展之一，它以其奇特的原理和理论体系引起了广泛的兴趣和研究。
在量子力学中，角动量是一个重要的物理量，它在物理过程中具有很多奇异的性质。
本文将介绍量子力学中的角动量和角动量守恒定律，并探讨其在不同体系中的应用。
量子力学中的角动量是描述一个物体自旋和转动的性质。
它与经典力学中的角动量概念相似，但存在着一些重要的区别。
首先，量子力学中的角动量是离散的，即只能取某些特定的数值；而经典力学中的角动量可以取任意实数值。
其次，量子力学中的角动量是通过测量得到的，而经典力学中的角动量是确定的。
在量子力学中，角动量运算符是描述角动量的数学工具。
角动量运算符可以分为两个部分，一个部分是轨道角动量运算符，描述物体的转动；另一个部分是自旋角动量运算符，描述物体的自旋。
这两个部分的和构成了总角动量运算符。
通过对角动量运算符的求解，可以得到角动量的具体数值和方向。
角动量守恒定律是指在物理过程中，系统的总角动量守恒不变。
这个定律可以通过量子力学的数学框架来解释和证明。
系统的总角动量守恒不变意味着系统中的角动量不能被创建或者销毁，只能在不同的子系统之间转移。
这个定律在很多物理过程中都有广泛的应用，例如原子的电子能级跃迁、核反应等。
在讨论角动量守恒的过程中，我们需要了解不同体系中的角动量性质。
在轨道角动量中，角动量量子数l描述了轨道的形状和空间分布。
l的取值范围为0到n-1，其中n是主量子数。
通过角动量量子数l的不同取值，可以得到不同的轨道，例如s轨道、p轨道等。
自旋角动量主要描述物体内部的自旋状态，其量子数为s，其取值范围为±1/2。
自旋角动量是一个基本粒子的内禀属性，不同的基本粒子具有不同的自旋。
除了轨道角动量和自旋角动量，角动量还有一个重要的性质是角动量的选择定则。
角动量的选择定则规定了在特定过程中角动量的变化规律。
通过角动量选择定则，我们可以确定许多物理现象的发生概率和过程。
刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律
刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律
1、刚体定轴转动的角动量
刚体绕定轴转动的角动量等于刚体对该轴的转动惯量与角速度的乘积；方向与角速度的方向相同。
2、刚体定轴转动的角动量定理
（1）微分形式：刚体绕某定轴转动时，作用于刚体的合外力矩，等于刚体绕该定轴的角动量随时间的变化率。
（2）积分形式：当物体绕某定轴转动时，作用在物体上的冲量矩等于角动量的增量。
3、刚体定轴转动的角动量守恒定律
如果物体所受的合外力矩等于零，或者不受外力矩作用，物体的角动量保持不变。
练习：1角动量守恒的条件是 。
0=M 11222
1ωωJ J Mdt t t -=⎰刚体 ） 21J J ==ωJ 恒量
ωJ L =()ωJ dt d dt dL M ==。
角动量、角动量守恒
T
（3） ）
m, l
联立(1)、(2)、(3)式求解 式求解 联立
mg
1 T = mg 4
例5：在光滑水平桌面上放置一个静止的质量 ： 可绕中心转动的细杆， 为 M、长为 2l 、可绕中心转动的细杆，有一质 、 量为 m 的小球以速度 v0 与杆的一端发生完全弹 性碰撞， 性碰撞，求小球的反弹速度 v 及杆的转动角速 度ω。 解：在水平面上，碰撞 在水平面上， 过程中系统角动量守恒， 过程中系统角动量守恒，
∆A/ ∆t = 恒 量
两个共轴飞轮转动惯量分别为J 例1：两个共轴飞轮转动惯量分别为 1、J2， 角速度分别为 ω1 、ω2，求两飞轮啮合后共同 啮合过程机械能损失。 的角速度 ω 。啮合过程机械能损失。 J1 J2 解：两飞轮通过摩 擦达到共同速度,合 擦达到共同速度 合 外力矩为0， 外力矩为 ，系统角 动量守恒。 动量守恒。
定义：力对某点 的力矩等于力的作用点 定义：力对某点O的力矩等于力的作用点 的矢量积。 的矢径 r 与力F的矢量积。 v v
v Mo
ϕ
注意： 注意： 1）大小： o = rF sin ϕ ）大小： M v v 的方向 2）方向： × F ）方向： r 3）单位：牛顿米 ）单位： v r 4）当 F ≠ 0 时， ） 有两种情况 Mo = 0 v A） r = 0 ） B）力的方向沿矢径的方向（ sin ϕ = 0） ）力的方向沿矢径的方向（
ω1 L0 = L = C J1ω1 + J2ω2 = (J1 + J2 )ω
ω2
J1ω1 + J2ω2 共同角速度 ω = J1 + J2
啮合过程机械能损失
∆E = E − E0
1 1 1 2 2 2 ∆E = (J1 + J2 )ω − ( J1ω1 + J2ω2 ) 2 2 2 J1ω1 + J2ω2 其中 ω = J1 + J2
角动量 角动量守恒定律
角动量与线动量关系
角动量与线动量的关系
角动量是线动量在物体绕某点或某轴 转动时的表现形式，二者之间存在密 切关系。
动量守恒定律
在不受外力作用的情况下，物体的总 动量（包括线动量和角动量）保持不 变，即动量守恒定律。
02
角动量守恒定律
守恒条件及适用范围
守恒条件
当系统不受外力矩作用时，系统的角动量守恒。即在没有外力矩的情况下，系统内部各部分之间的相 互作用力不会导致系统总角动量的改变。
06
总结与展望
课程内容回顾与总结
角动量的定义与性
质
角动量是物体绕某点或某轴转动 的动量，具有矢量性质，其大小 与物体的质量、速度和转动半径 有关。
角动量守恒定律的
表述
在没有外力矩作用的情况下，系 统内的角动量保持不变，即角动 量守恒。
角动量守恒定律的
应用
角动量守恒定律在天体物理、刚 体转动、分子运动等领域有广泛 应用，如行星运动、陀螺仪工作 原理等。
对未来研究方向的展望
角动量守恒定律在复 杂系统较成熟，但在复 杂系统中的应用还有待深入研究， 如多体问题、非线性问题等。
角动量与其他物理量 的关系研究
角动量与能量、动量等物理量之 间存在一定的联系，未来可以进 一步探讨它们之间的关系，以及 如何利用这些关系解决实际问题。
在机械工程中，飞轮储能系统被应用 于能量回收和节能领域。飞轮储能系 统利用刚体定轴转动的角动量守恒定 律，通过加速和减速飞轮来储存和释 放能量。这种储能方式具有高效率、 环保等优点，在电动汽车、风力发电 等领域具有广阔的应用前景。
04
质点和质点系相对于固定 点角动量守恒
质点相对于固定点角动量定义和性质
双星系统由两颗互相绕转的恒星组成。在双星系统中，两颗恒星的角动量守恒，因此它们的轨道周期、距离和质量之 间存在一定关系。
物理-定轴转动刚体的角动量定理和角动量守恒定律
或 Lz = I = 恒量
当刚体相对惯性系中某给定转轴的合外力矩为 零时，该刚体对同一转轴的角动量保持不变。
——对转轴的角动量守恒定律
二、定轴转动中的角动量守恒
说明 1、 关于该守恒定律的条件：
Mz Miz 0
特别地，若每一个力的力矩均为零，即 则
二、定轴转动中的角动量守恒
M iz ri Fi sini 0 的几种情况
10
f
20
O1 R1 A
R2 O2 fB
随堂练习
当两圆柱接触处无相对滑动时，两者转速相反
10
20
O1 R1 A
R2 O2 B
且两者接触点的线速率相等！
二、定轴转动中的角动量守恒
由定轴转动的角动量定理
Mz
dLz dt
若刚体所受对转轴的合外力矩 M z 0，则有
dLz d ( I ) 0
dt
dt
二、定轴转动中的角动量守恒
(3) 对共轴非刚体系（其中各质元到转轴的距离可 变则）系：统的转动惯量可变，此时系统对转轴的角动量守恒，
即：I =恒量
• 特别地，若各质元的 保持一致，
Lz =I =恒量
当 I 增大时， 就减小； 当 I 减小时， 就增大 。
二、定轴转动中的角动量守恒
例如：花样滑冰运动员在冰面上旋转时 运动了角动量守恒定律
（1）
（2）
（3）
二、定轴转动中的角动量守恒
2、对转轴的角动量守恒定律的适用范围： • 不仅适用于刚体， • 也适用于绕同一转轴转动的任意质点系。
二、定轴转动中的角动量守恒
3、对转轴的角动量守恒的几种典型表现 (1) 对定轴刚体：I 不变， 大小和方向均不变；
大学物理-角动量定理和角动量守恒定律
当系统所受外力矩为零时，系统内各物体角动量 之和保持不变。
系统内物体之间的相互作用力矩不会改变系统的 总角动量。
角动量守恒的应用举例
天体运动
行星绕太阳公转、卫星绕地球运 行等天体运动中，角动量守恒定
律是重要的理论基础。
陀螺仪
陀螺仪利用角动量守恒原理，通过 高速旋转来保持方向稳定，广泛应 用于导航、制导和控制系统。
机械系统
在机械系统中，如旋转机械、齿轮 传动等，角动量守恒定律用于分析 系统的动态平衡和稳定性。
04 角动量定理与守恒定律的 实际意义
在天文学中的应用
描述行星和卫星的运动
角动量定理和守恒定律在天文学中用于描述行星和卫星围绕中心天体的运动。 这些定律帮助科学家理解天体的旋转和轨道运动，以及它们之间的相互作用。
预测天文现象
通过应用角动量定理和守恒定律，科学家可以预测天文现象，如行星的轨道变 化、卫星的旋转等。这些预测有助于更好地理解宇宙的演化。
在航天工程中的应用
航天器姿态控制
角动量定理和守恒定律在航天工程中用于控制航天器的姿态 。通过合理地布置航天器上的动量轮，可以调整航天器的角 动量，实现姿态的稳定和控制。
L = m × v × r，其中L是 角动量，m是质量，v是 速度，r是转动半径。
角动量单位
在国际单位制中，角动量 的单位是千克·米²/秒 (kg·m²/s)。
角动量定理表述
角动量定理
01
对于一个封闭系统，其总角动量保持不变，即系统内力的力矩
之和为零。
表述形式
02
dL/dt = ΣM = 0，其中dL/dt表示角动量的时间变化率，ΣM表
角动量守恒的应用
角动量守恒定律在许多物理现 象中都有应用，如行星运动、 陀螺仪等。
系统内物体之间的相互作用力矩不会改变系统的 总角动量。
角动量守恒的应用举例
天体运动
行星绕太阳公转、卫星绕地球运 行等天体运动中，角动量守恒定
律是重要的理论基础。
陀螺仪
陀螺仪利用角动量守恒原理，通过 高速旋转来保持方向稳定，广泛应 用于导航、制导和控制系统。
机械系统
在机械系统中，如旋转机械、齿轮 传动等，角动量守恒定律用于分析 系统的动态平衡和稳定性。
04 角动量定理与守恒定律的 实际意义
在天文学中的应用
描述行星和卫星的运动
角动量定理和守恒定律在天文学中用于描述行星和卫星围绕中心天体的运动。 这些定律帮助科学家理解天体的旋转和轨道运动，以及它们之间的相互作用。
预测天文现象
通过应用角动量定理和守恒定律，科学家可以预测天文现象，如行星的轨道变 化、卫星的旋转等。这些预测有助于更好地理解宇宙的演化。
在航天工程中的应用
航天器姿态控制
角动量定理和守恒定律在航天工程中用于控制航天器的姿态 。通过合理地布置航天器上的动量轮，可以调整航天器的角 动量，实现姿态的稳定和控制。
L = m × v × r，其中L是 角动量，m是质量，v是 速度，r是转动半径。
角动量单位
在国际单位制中，角动量 的单位是千克·米²/秒 (kg·m²/s)。
角动量定理表述
角动量定理
01
对于一个封闭系统，其总角动量保持不变，即系统内力的力矩
之和为零。
表述形式
02
dL/dt = ΣM = 0，其中dL/dt表示角动量的时间变化率，ΣM表
角动量守恒的应用
角动量守恒定律在许多物理现 象中都有应用，如行星运动、 陀螺仪等。
角动量定理、角动量守恒定律
在 M d L 中 ，若 M 0 dt
即：J J
1
2
M 0 的原因可能有：
则 L常量
（1） F 0 （不受外力）
（2）外力作用于转轴上
（3）外力作用线通过转轴
（4）外力作用线与转轴平行
以上几种情况对定轴转动均没有作用，则刚
体对此轴的角动量守恒。
角动量守恒定律也适用于定轴转动系统。
例1：一个人站在有光滑固定转轴的转动平台上，双臂伸 直水平地举起两哑铃，在该人把此二哑铃水平收缩 到胸前的过程中，人、哑铃与转动平台组成的系统 的：
（A）机械能守恒，角动量守恒 （B）机械能守恒，角动量不守恒 （C）机械能不守恒，角动量守恒 （D）机械能不守恒，角动量不守恒
选C
像其他所有行星一样，太阳是由大量的灰尘雾和早 先充满宇宙空间的气体所组成。在几十亿年的时间内， 这些物质在引力的吸引下，慢慢缩聚起来，刚开始的时 候，这些气体团旋转的很慢，后来随着它们体积的缩小， 旋转速度不断提高，这个道理就和滑冰运动员把自己的 双臂逐渐收拢起来的时候，她的旋转速度就会不断加快 的道理一样。缩聚和旋转速度的加快，使组成太阳的物 质变成一个碟子般的东西。
2、刚体的角动量定理 在定轴转动中
MJaJddJ
dt dt
积分形式：
0 tM d tL L 1 2d L L 2 L 1 J2 J1
左边为对某个固定转轴的外力矩的作用在某段时间内 的积累效果，称为冲量矩。 右边为刚体对同一转动轴的角动量的增量。
3、角动量守恒定律
盘状星系——角动量守恒的结果
例2：有一个半径为R的水平圆转台，可绕通过其中心的竖 直固定光滑轴转动，转动惯量为J，开始时转台以匀 角速度 0 转动，此时有一质量为m的人站在转台中 心。随后人沿半径向外跑去，当人到达转台边缘时 转台的角速度为：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
h
vN2 2g
1 2g
3mvM m 6m
2
h
3m m 6m
2
19
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
P104例3 质量很小长度为l 的均匀细杆, 可绕过其中心
O 并与纸面垂直的轴在竖直平面内转动 . 当细杆静止于
水l/4平处位, 置并时背,离有点一O只向小细虫杆以的速端率点vvA0 0垂爬直行落. 设在小距虫点与O细为杆
14
4-3 角动量 角动量守恒定律
比较 动量
F
dP dt
t2
Fdt ΔP
t1
F 0 P 0
F
P
mv
力 动量
t2
Fdt 力的冲量
t1
第四章 刚体转动
角动量
M
dL dt
t2
Mdt ΔL
t1
LMMrrp0F角L力动矩量0或或角动力量矩
其角速度为ω, 求齿轮啮合后两圆盘的角速度.
解: 系统角动量守恒
J11 J22 (J1 J2)
J11 J22
(J1 J2 )
16
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
P103例2 一杂技演员 M 由距水平跷板高为 h 处自由下
落到跷板的一端 A, 并把跷板另一端的演员 N 弹了起来.
R
x
26
dP
F dt
t2
Fdt ΔP
t1
F 0 P 0
角动量
dL
M dt
t2
Mdt ΔL
t1
M 0 L 0
形式上完全相同，所以记忆上就可简化。 从动量定理变换到角动量定理，只需将相应的 量变换一下，名称上改变一下。
（趣称 头上长角 尾部添矩）
推论：在有心力作用下，质点对力心的角动量都是守恒 的。
6
4-3 角动量 M 0
角, 动L量守恒r定律
mv＝恒矢量,
第四章 刚体转动
或
L1 L2
推论：在有心力作用下，质点对力心的角动量都是守恒
的。
例如：质点作匀速率圆周运动时，作用于质点的合力是指 向圆心的有心力，故此时质点对圆心的角动量是守恒的。
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
一 质点对定点 O 的角动量
v 质量为m的质点以速度
在空间运动，某时刻相对原点
r O 的位矢为 ，质点相对于原
点的角动量定义为
L
r
p
r
mv
L
v
rm
o
大小
L
rmv
sin
L 的方向：右手螺旋法则.
单位：kg·m2/s 或 Js。
若 M 0 ，则 L J 常量
第四章 刚体转动
说明 (1) 守恒条件 M=0 若 J 不变，ω 不变；若 J 变，ω也变，但 L=Jω不变. (2) 内力矩不改变系统的角动量.
(3) 在冲击等问题中 M in M ex ∴L≈常量。
(4) 角动量守恒定律是自然界的一个基本定律，不仅适 用于宏观体系，也适用于微观系统。
又如太阳位于行星椭圆轨道的两个焦点之一，太阳作用 于行星的引力是指向太阳的有心力，因此如以太阳为参考 点O，则行星的角动量也是守恒的。
(6) 动量守恒与角动量守恒是相互独立的定律。
如行星运动 动量不守恒
角动量守恒
7
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
讨 论 系统的动量、角动量和机械能是否守恒？
质点作圆周运动时，相对 圆心的角动量
L mrv mr2
L
p
o
m
r
1
4-3 角动量 角动量守恒定律
一 质点的角动量
L
r
p
二 刚体定轴转动的角动量
质元的角动量
Li
ri
mi vi
∵作圆周运动 Li miri vi
第四章 刚体转动
o
M
r
r
F
P
z
dt 2 dt
M
o
m
R
x
积分 mR2d 1 MR2d
0
02
25
4-3 角动量 角动量守恒定律
mR2d 1 MR2d
0
02
得 m 1 M
2
人在盘上走一周时 2
∴ 4m
2m M
第四章 刚体转动
M
o
m
的质量均为m. 问: 欲使细杆以恒定的角速度转动, 小虫
应以多大速率向细杆端点爬行?
解: 碰撞前后系统角动量守恒
mv0
l 4
1 12
ml2
m(
l 4
)2
12v0
7l
20
4-3 角动量 角动量守恒定律
12 v0
7l
由角动量定理（ω恒定）
M dL d(J) dJ
L mirivi ( miri2 )
i
i
L J
O ri vi
mi
2
4-3 角动量 角动量守恒定律
二 刚体定轴转动的角动量 L J
三 刚体定轴转动的角动量定理
第四章 刚体转动
将角动量式两边对时间导数
M dL d(J) —微分式
dt dt
刚体绕某定轴转动时，作用于刚体的合外力矩等于 刚体绕此定轴的角动量随时间的变化率。
dt dt
dt
第四章 刚体转动
mgr cos d ( 1 ml2 mr2 ) 2mr dr
dt 12
dt
考虑到 t
dr g cost 7lg cos(12v0 t)
dt 2
24v0
7l
21
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
本节小结：
一.角动量： L J
➢花样滑冰
➢跳水运动员 跳水
播放教学资料片
CD1 角动量守恒 陀螺的定轴性 CD2 旋进
9
4-3 角动量 角动量守恒定律
飞轮
1
2
航天器调姿
第四章 刚体转动
10
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
角动量守恒定律在技术中的应用
惯性导航仪（陀螺）
被中香炉
播放教学资料片 被中香炉
11
4-3 角动量 角动量守恒定律
B日点
由质点的角动量定义： L rmvsin
即 rAmvA sin A rBmvB sin B
12
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
解： rAmvA sin A rBmvB sin B
90
A
B
rAvA rBvB
即 rv C
彗星
v1 r
t2
Mdt
t1
力矩的冲量 或冲量矩 15
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
P103例1 两个转动惯量分别为 J1 和 J2 的圆盘 A和 B. A 是机器上的飞轮, B 是用以改变飞轮转速的离合器圆
盘. 开始时, 他们分别以角速度ω1 和ω2 绕水平轴转动.
然后,两圆盘在沿水平轴方向力的作用下.啮合为一体,
对于非刚体：
t2 t1
Mdt
J 22
J11
L2
L1
四 刚体定轴转动的角动量守恒定律
若 M 0 则 L J 常量 或 L2 L1
如果物体所受的合外力矩等于零，或者不受外力矩 作用，物体的角动量保持不变。——角动量守恒定律 4
4-3 角动量 角动量守恒定律
四 刚体定轴转动的角动量守恒定律
t2 t1
Mdt
J2
J1
L2
L1
—积分式
刚体定轴转动时，作用在刚体上的冲量矩等于角动
量的增量。
3
4-3 角动量 角动量守恒定律
三 刚体定轴转动的角动量定理
第四章 刚体转动
M dL d(J) dt dt
t2 t1
Mdt
J2
J1
L2
L1
冲量矩（角冲量）： t2 Mdt t1
和子弹开始一起运动时的角速度。
解: 把子弹和棒看作一个系统 .子弹射
o
入棒的过程系统角动量守恒
L1 L2Βιβλιοθήκη lMmlv0 ml2
1 3
Ml 2
m
v0
v
3mv0
(3m M )l
注: 子弹射入棒的过程 系统动量不守恒。 24
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
vM
l/2
l
17
4-3 角动量 角动量守恒定律
第四章 刚体转动
解: (1) M下落过程;
vM 2gh h'
(2) 碰撞过程, 角动量 vN
N
C
M
h A
vM
守恒. L1 L2
B
l/2
l
以顺时针方向为正, 有 LM L板 LM LN