第2章-能量守恒定律(刚体的定轴转动)

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2 j j 2 11 2 2 2
2 j j
质量连续分布
J m r r dm
2 j j 2 j
dm:质量元 d V :体积元
r dV
2 V
第二章 守恒定律
17
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
转动定律应用 说明 (1) M J ,
M J
与 M 方向相同.
r
F
m Fn
M rFt mr 2 M mr
2
第二章 守恒定律
12
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
(2)刚体 质量元受外力 Fej, 内力 Fij
2 j j
z
O
Mej Mij m r
内力矩
ej
r j m j
Fej
外力矩
Fij
2 j j
第二章 守恒定律
角位移 (t t) (t)
x
方向: 右手螺旋方向
6
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
刚体定轴转动 (一维转动)的转动 方向可以用角速度 的正、负来表示.

d 角加速度 dt


>0
z

z

<0
7

第二章 守恒定律
物理 (工)
2-4
F
r
d
*
P

F F Fi 0, M i 0 i i
F Fi 0, M i 0 i i
9
F
第二章 守恒定律
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
讨论
(1)若力 F 不在转动平面内,把力分
解为平行和垂直于转轴方向的两个分量
力矩为零,故 F 对转 轴的力矩
其中 Fz 对转轴的
F Fz F
z
k
O
F
M z k r F M z rF sin
第二章 守恒定律
r
Fz

F
10
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
(2)合力矩等于各分力矩的矢量和
M M1 M 2 M 3
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
§2-4 刚体的定轴转动
第二章 守恒定律
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
刚体:在外力作用下,形状和大小都不 发生变化的物体.(任意两质点间距离保持 不变的特殊质点组.) ⑴ 刚体是理想模型 说明: ⑵ 刚体模型是为简化问题引进的.
刚体的运动形式:平动、转动.
第二章 守恒定律
2012.10真题第22、30题
第二章 守恒定律
29
第二章 守恒定律
23
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
对定轴转的刚体,受合外力矩M,从 t1到 t 2内,角速度从 ω1变为 ω2,积分可得:

t2
t1
Mdt J2 J1
非刚体定轴转动的角动量定理

t2
t1
Mdt J 22 J11
当转轴给定时,作用在物体上的冲量 矩等于角动量的增量.——定轴转动的角 动量定理
刚体的一般运动可看作: 随质心的平动
+
绕质心的转动
的合成
第二章 守恒定律
5
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动

刚体转动的角速度和角加速度 z 角坐标 (t )
沿逆时针方向转动 > 0 沿顺时针方向转动 < 0
O
ω
d P(t)
r P’(.t+dt)
.
d 角速度矢量 lim t 0 t dt
刚体的定轴转动
定轴转动的特点 (1) 每一质点均作圆周运动,圆面为转动 平面;
(2) 任一质点运动 , , 均相同,但 v, a 不同;
(3) 运动描述仅需一个角坐标.
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动

力矩
z
O
M
用来描述力对刚体 的转动作用.
M Fr sin Fd d : 力臂 F 对转轴 z 的力矩 M r F
(2) 为瞬时关系.
(3) 转动中 M J与平动中F ma 地位相同.
第二章 守恒定律
18
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2-4
刚体的定轴转动
说明 刚体的转动惯量与以下三个因素有关: (1)与刚体的体密度 有关. (2)与刚体的几何形状(及体密度 的分 布)有关. (3)与转轴的位置有关.
第二章 守恒定律
Fij
转动定律 M J 刚体定轴转动的角加速度与它所受的合 外力矩成正比,与刚体的转动惯量成反比.
第二章 守恒定律
14
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
转动定律 M J
M 讨论 (1) J
d (2) M J J dt
(3)M 0, ω=常量
第二章 守恒定律
15
物理 (工)
第二章 守恒定律
24
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
3 刚体定轴转动的角动量守恒定律
若 M 0 ,则 L J =常量 如果物体所受的合外力矩等于零, 或者不受外力矩的作用,物体的角动量 保持不变.——角动量守恒定律
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
讨论 守恒条件 M 0 若 J 不变, 不变; 若 J 变, 也变,但 L J 不变. 内力矩不改变系统的角动量. 在冲击等问题中 M
2-4
刚体的定轴转动

转动惯量
J m r
j
2 j j
J r dm
2
转动惯量的单位:kg· m2 J 的意义:转动惯性的量度 .
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
J 的计算方法 质量离散分布
J m r m r m r m r
in
>> M L 常量
ex
角动量守恒定律是自然界的一个基本定律.
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
例题 一轻绳绕在有水平轴的定滑轮上, 滑轮质量为 m ,绳下端挂一物体,物体所受 重力为 G, 滑轮的角加速度为 β 1 ,若将物体 去掉而以与G相等的力 直接向下拉绳子,滑 β2 β1 R R 轮的角加速度β 2将 (A) 不变 (C) 变大 (D) 无法判断
dLi d( J ) d 2 Mi (mi ri ) dt dt dt in 合外力矩 对定轴转动的刚体 M i 0 , ex d d ( J ) 2 M M i ( mi ri ) dt d t d( J ) dL M dt dt
第二章 守恒定律
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
二 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

ri
z
2 L mi ri
i
2
( mi ri )

O
vi
mi
L J
第二章 守恒定律
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i
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
2 刚体定轴转动的角动量定理 质点mi受合力矩Mi(包括Miex、 Miin )
M
j
M ij m r
j
M ij M ji
M ij 0
j
13
第二章 守恒定律
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
M
j
ej
( m r )α
2 j j
z
O
J m r J r 2 dm
2 j j j
定义转动惯量
r j m j
Fej
解 设圆盘面密度为 , 在盘上取半径为 ,宽为 dr 的圆环
r

圆环质量
dm 2 π r dr
2 3
R R
O
r dr
圆环对轴的转动惯量
dJ r dm 2π r dr R 3 J 2π r dr π R 4 0
2

m π R
2
所以
1 2 J mR 2
21
2
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
平动:刚体中所 有点的运动轨迹都保 持完全相同. 特点:各点运动 状态一样,如: v、 a 等都相同. 刚体平动 质点运动
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
转动:分定轴转动和非定轴转动
刚体的平面运动
第二章 守恒定律
4
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
(3)刚体内作用力和反作用力的力矩 互相抵消.
M ij
rj
j
Fji
ij
O
M ji
d
iF ri
Mij M ji
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动

转动定律
(1)单个质点 m 与转轴刚性连接
z
M
O
Ft
Ft mat mr
M rF sin θ
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
2010.10 一匀质圆盘对某轴的转动惯量J=50kg· m2, 若它受到对于该轴的合外力矩M=l00N· m, 则圆盘的角加速度 α=______________rad/s2.
第二章 守恒定律
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物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
例2-14 一质量为 m 、半径为 R 的均匀圆盘,求通 过盘中心 O 并与盘面垂直的轴的转动惯量 .
第二章 守恒定律
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(B) 变小
G
物理 (工)
2-4
刚体的定轴转动
解 GR J 2 2 GR J
FT R J1 1 FT R J
又 所以
G > FT
2 > 1
R
FT’ G
β
1
FT
R
G
β
2
答案:选(C)
第二章 守恒定律
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物理 (工)
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刚体的定轴转动
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