第2节质点系的角动量定理及角动量守恒定律

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角动量及其守恒定律

角动量及其守恒定律

m r2 r1 J0
22
因为 1 2, 1 1 2 E k 1 J 1 1 ( J 1 1 ) 1 2 2 相 E k1 E k 2 等 1 1 2 E k 2 J 2 2 ( J 2 2 ) 2 2 2 即系统的机械能不守恒。
23
人双臂收回过程中,内力做功,
J 2
l/2
r dr
2
1 12
l
3
0

1 12
ml
2
如转轴过端点垂直于棒 l 1 2 J r d r ml 2 0 3
例3 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 .
解 设圆盘面密度为 , 在盘上取半径为 r ,宽为 d r 的圆环
v M (2 gh )
u l 2
1 2
M

h N
B
l 2 1 12
2
2
把M、N和跷板作为 一个系统, 角动量守恒
mvM l 2 J 2 mu
C l
m l 1 2 1 6 m ( 2 gh )
A l/2
ml
2
解得

mvMl 2 m l
2
2
12 ml
2
2 2 2
质量连续分布刚体的转动惯量
J
m
j
j j
r
2
r dm
2
d m :质量元
例2 一质量为 m 、长为 l 的均匀细长棒,求 通过棒中心并与棒垂直的轴的转动惯量 .
O
l 2
O
dr
l 2
r
dr

角动量定理 角动量守恒定律

角动量定理   角动量守恒定律

量守恒。
13
第3章动量与角动量
例2 发射一宇宙飞船去考察一 质量为 M 、半径为 R 的行 星, 当飞船静止于空间距行星中心 4 R 时,以速度v 0发射一
质量为 m 的仪器。要使该仪器恰好掠过行星表面。 求 θ角及着陆滑行的初速度。 解 引力场(有心力) 系统的机械能守恒
m
r0
v0
v
R
OM

质点的动量矩守恒 1 GMm 1 2 GMm 2 mv 0 mv 2 r0 2 R
求 此时刻质点对三个参考点的动量矩
d1
m v
d3
d2

4
LA d1mv LB d1mv LC 0
第3章动量与角动量
B
C
二、力对定点的力矩 定义 为力对定点O的力矩 M r F 大小: M r F sin
方向:垂直 r , F 组成的平面 M ML2T 2 SI Nm 量纲:
r r r M r F 0
L
r L mvrsin m rsin t 1 r r rsin S 2 2m 2m t t
12
r r r L r m C

r r F
r

m
掠面 速度
行星对太阳的位矢在相等 的时间内扫过相等的面积
i i
L Li ri Pi
P2 r2 o
P 1
r1
质点系对参考点O 的动量矩就是质点系所有质点对同一参 考点的动量矩的矢量和
dLi 2. 质点系的动量矩定理 M i dt i i M M i ri Fi ri fi

角动量守恒定律ppt课件

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数学补充知识:
点积
abba
aaa2
叉积
a b b a
a a 0
c ( a b ) a ( b c ) b ( a c )
点积的微商 叉积的微商
c ( a b ) a ( b c ) b ( c a )
d(a b )a db da b
L
Or v
(对圆心的)角动量:
m
L r p r ( m v ) m r v (r v )
大小:
L mrv
方向:满足右手关系,向上。
2.行星在绕太阳公转时的椭圆轨道运动
对定点(太阳)的角动量:
v
L r p m (r v)
大小: Lmvsrin
v
r
r
Sun
方向: 满足右手关系,向上。
L dm trv m ( a c o ti s b si t jn )
( asit in bco t j) s
m m ( a a k c bb (2 恒矢o t k 量 ) a ss b 2 i t k ) n
M
dL
0
!
dt
或由 M rF 直接计算力矩
r a co ti s b sit j n
(1)对C点的角动量是否守恒?
(2)对O点的角动量是否守恒?
C T
O
mg C'
(3)对竖直轴CC'的角动量是否守恒?
请同学思考!
质点系的角动量定理和角动量守恒定律
1.一对作用力、反作用力对定点(定轴)的合力
矩等于零。
证明:
M 1r1f1
M 2r2f2
r2
f2
r
M 1 M 2 r 1 f 1 r 2 f 2

质点角动量定理 角动量守恒

质点角动量定理 角动量守恒

v2
o
v1
4)角动量守恒定律是物理学的基本定律之一。不 仅适用于宏观体系,也适用于微观系统。
2.5 质点角动量定理 角动量守恒
例1 一小球在光滑平面上作圆运动,小球被穿 过中心的线拉住 。开始时绳半径为r1 ,小球速 率为 v1 ;后来,往下拉绳子,使半径变为 r2 , 小球速率变为 v2 ,求v2 =?
ri fi 0
i

dL M外 dt
质点系的角动量定理:质点系对某定点的角 动量的时间变化率等于质点系对该点的合外 力矩。
2.5 质点角动量定理 角动量守恒
结论:
1)内力对定点的力矩之和为零。 2)只有外力矩才能改变系统的总角动量。 3.质点系的对轴的角动量
L Lx i Ly j Lz k
当质点系对某点的合外力矩为零时,则质点 系对该点的角动量保持不变,称为角动量守恒定 律。
角动量守 恒例题
2.5 质点角动量定理 角动量守恒
盘状星系——角动量守恒的结果
质点系对o点的角动量
r2
o
r1
L Li ri Pi
i i
质点系对o点的角动量等于系统中各质点对 同一点角动量的矢量和。
2.5 质点角动量定理 角动量守恒
2.质点系的角动量定理
用 f i 表示第i个质点所受内力之和
用 Fi 表示第i个质点所受外力之和
三、质点的角动量定理 dP 由牛顿第二定律 F dt
dP 两边用位矢叉乘 r F r dt dp d dr r (r p) p dt d dt t
由速度定义
dr v v p 0 dt

质点系角动量守恒定律

质点系角动量守恒定律

dL τ ,再考虑诸质点所受惯性力的力矩,即得 dt
dL τ i外 ri (mi ac ) dt 式中惯性力矩又可写作 mi ri dL ( mi ri) ac ( ) mac τ i外 m dt
此即质点系对质心的角动量定理,与惯性系中角动量定理具有完 全相同的形式。是表明质心系特殊和重要性的又一个例子。
第五章 角动量•关于对称性
前言 质点的角动量 质点系的角动量定理及角动量守恒定律 质点系对质心的角动量定理和守恒定律 对称性 • 对称性与守恒律 经典动力学的适用范围
§5.1 前
一、本章的基本内容及研究思路

角动量概念的建立和转动有密切联系,在研究物体的运动 时,人们经常可以遇到质点或质点系绕某一确定点或轴线运动 的情况,并且在这类运动中也存在着某些共同的重要规律。例 如,天文观测表明,行星绕日运动遵从开普勒第二定律,在近 日点附近绕行速度较快,远日点速度较慢,这个特点如果用角 动量及其规律很容易说明。特别是在有些过程中动量和机械能
当τ iz 0时,
Lz 常量.
§5.4 质点系对质心的角动量定理和 守 恒 定 律
前面给出的角动量定理和角动量守恒定律都相对于惯性系 而言,现在研究质心参考系中质点系角动量的变化规律。如图 (a),C xyz 即质心参考系。C 为质心,x ' , y ' 和 z 坐标轴
与惯性参考系 O xyz 的 x, y 和 z 轴总保持平行,而质心具有 加速度 ac 。 z
四、质点对轴的角动量定理和守恒定律(自阅)
§5.3 质点系的角动量定理及角动量守恒定 律
一、质点系角动量定理
设质点系由 N 个质点组成,对选定的某固定参考点,第 i 个 质 点的角动量定理的表达式为τ dLi

第2章-2-动量-角动量守恒定律2019

第2章-2-动量-角动量守恒定律2019

3
4 105
(2)
I
Fdt
00.003
400

4 105 3
t

dt

400t

4105t 2 23
0.003
0.6 N s
0
(3) I mv 0
m I 0.6 0.002kg 2g v 300
2.质点系的动量定理
设有 n 个质点构成一个系统
(2)系统内所有质点的动量都必须对同一个惯性参考 系而言。 (3)若系统所受合外力不为零,但是合外力在某一方 向上的分量为零,则系统在该方向上的总动量守恒。
Fix 0 Px mivix 常量
(4)当外力作用远小于内力作用时,可近似认为系统 的总动量守恒。(如:碰撞,打击,爆炸等过程)
称为“冲量矩”
质点系的角动量定理的推导:

m1
m2
质点系的角动量定理:
质点系对某一参考点的角动量随时间的变化率等于 质点所受的所有外力对同一参考点力矩的矢量和。
质点系角动量定理的积分式:
t2
t1
Mdt

L2

L1
作用于质点系的冲量矩等于质点系在作用时间内
的角动量的增量 。
质点系的z轴的角动量定理:

第 i 个质点: 质量mi

内力 fi
初速度 末速度
外力
vviio
Fi
由质点动量定理:
Fi
i
fi
t
to
Fi
fi
dt mivi
mi vio
t




to Fi fi dt mivi mi vio

角动量定理和角动量守恒定律

角动量定理和角动量守恒定律

O
M
l
l /2
1 1 2 2 l 0 = Ml ω + (Mg ) 2 3 2
3g ω= l
m
第二阶段:碰撞瞬间角动量守恒(不是动量守恒) 第二阶段:碰撞瞬间角动量守恒(不是动量守恒) 1 1 2 1 2 ′ + mVl = ( M + m)lV , V = ω′l Ml ω = Ml ω 3 3 3
t2

例:水平面内,均质杆 (M, l) 水平面内, 子弹 (m,V ) 击穿杆的 自由端后速度降为 V / 2 求:杆转动的角速度 ω 解:角动量守恒 3mV V 1 2 mVl = m l + Ml ω , ω = 2Ml 2 3
O
M
l
ω
m
V /2
V
例:rA = 0.2m ,mA = 2kg
ω0A = 50rads rB = 0.1m ,mB = 4kg ω0B = 200rads 1
dL d dω = (Iω) = I = Iβ = M dt dt dt dL = M :角动量定理 dt dL = Mdt
L = ∫ Mdt
t1 t2
y
x
如果 M = 0 ,则 L = C :角动量守恒定律 非刚体, 一般随时间变化, 非刚体, I 一般随时间变化, M = Iβ 不成立 角动量定理及角动量守恒定律仍成立! 角动量定理及角动量守恒定律仍成立! 定轴转动, dL = M , dL = Mdt , L = Mdt 定轴转动, dt t1 L = C , L = Iω , M = Iβ
如果合外力矩 M = 0
例:圆锥摆球在水平面内匀速转动 分别对固定点 A和 O ,讨论 小球受到的张力矩,重力矩, 小球受到的张力矩,重力矩, LA 合力矩和角动量 对 A: M = R ×T = 0

5-2 质点系的角动量定理及角动量守恒定律

5-2 质点系的角动量定理及角动量守恒定律

若质点系的所有质点均分别在与 z 轴垂直的平 面内运动,且一共同的角速度绕 z 轴作圆周运动, 则质点系对 z 轴的角动量为
Lz ri mi vi mi ri
i i
2
当质点系对轴的角动量守恒时:
ri 变小,则
M z 0 ,Lz 常量
增大;
ri 变大,则
减小.
质点系对轴的角动量定理
质点系对轴的角动量定理
dLz Mz dt
如果在一个过程中,质点系所受的外力 对 z 轴的力矩始终保持为零,则质点系对该 轴的角动量守恒.
M z 0 ,Lz 常量
质点系对轴的角动量守恒定律
当内力矩远大于外力矩时,质点系对轴的角动量 也是守恒的. (例:P170例1)
在直角坐标系中,上式沿三个坐标轴的投影式为
dLy dLx dLz M x M ix , My , Mz . dt dt dt
• 如果只考虑上式中某一个分量,例如 z 分量,则 表现为对轴的特征:即质点系对于 z 轴的角动量对时 间的变化率等于质点系所受一切外力对 z 轴力矩的代 数和,叫做质点系对 z 轴的角动量定理。
ri fij rj f ji (ri rj ) fij 0
ri fij 0
i i j
成对出现的内力对参考点的力矩矢量和为零. 由于系统内力总是成对出现,则系统内力矩的矢量和为零. • 可见,系统的内力矩只能使系统内各质点的角动量改变, 但不能改变质点系总的角动量。
如果在一个过程中,始终无外力矩作用或所受 的外力矩为零,则质点系的总角动量守恒 .
M外 0 ,L 常矢量
质点系对某一固定点的角动量守恒定律

角动量与角动量守恒定理

角动量与角动量守恒定理

∆s
b
行星在有心力作用下运动,故角动量守恒。又因质 量不变,所以 ∆ A / ∆ t = 恒 量 (证毕)
9
例:质量为m的小球,以速率v0沿质量为M,半径为 R的地球表面水平切向飞出,地轴OO′与v0平行,小 球的轨道与轴OO′ 相交于 3R的 C点,忽略地球自转 和空气阻力,求小球在C点的v与v0之间的夹角θ。 解:M,m 组成的系统机械能和角动量守恒。 (万有引力:保守力,且为有心力) 以无穷远为势能零点,则:r0 = R r1 = 3R 1 mM v0 2 Z mv 0 − G 2 R m r r1 0 C 1 mM 2 Y (1) = mv − G θ O O ′ 2 3R M v
v0
2 9v0 − 12GM / R
O M地 O′
v
Y θ
11
r0 × m v0 = r1 × m v
( 2)
X

10
由(1)式: 由(2)式:
v=
v0
2
4 GM − 3R
( 3)
ˆ = −3Rmv sin θiˆ − Rmv0i
Z
( 4)
v0
由(3)和(4)式得:
v0 v0 sin θ = = 2 3v 9v0 − 12GM / R
r0
X
m
r1
C
∴θ = arcsin
6
d Li = ∑ ri × Fi + ∑ ri × f i ∑ dt i i i
d Li = ∑ ri × Fi ∑ dt i i
合外力 矩M外
内力矩矢 量合为零
dL = M外 dt
质点系的角动量守恒定律: 当
质点系角动量定个系统 的角动量。
在直角坐标系中

角动量守恒定律

角动量守恒定律

tt12M dtL L 12d L L 2L 1 t2M dt为 质t内 点O 对 在 点 的 冲 量 矩
t1
质点的角动量
力是物体平动运动状态(用动量来描述)发生改
变的原因。力矩是引起物体转动状态(用角动量 来描述)改变的原因。
1. 质点的圆周运动 动量:pmv
L
Or v
(对圆心的)角动量:
m
行星对太阳的径矢在相等的时间内扫过相等的面积. —–开普勒第二定律 Kepler laws
讨论:行星受力方向与矢径在一条直线(中心力),
永远与矢径是反平行的。故对力心质点所受的力矩为
零。则对力心角动量守恒!
注意
L
力心
v
m
r
F
r
Lmsvir nm rsin
1rrs 2m2
t in2mS
t
t
——开普勒第二定律
小结:
质点角动量 质点角动量定理:
L rpm r v
dL M rF dt
一对作用力、反作用力对定点(定轴)的合力
矩等于零。
质点→质点系
角动量守恒的几种可能情况:
1 孤立系. 2 有心力场,对力心角动量守恒.
重点!
3 由分量式:
M ix0; L x 常量
即:虽然 Mi 0,但对某轴外力矩为零,则总角动
解:对象: 滑轮+绳+A+B,
z轴正向: O点向外 .
受外力:mAg=mBg=mg, N, 对z 轴的合力为0. 对z轴,系统角动量守恒,A,B对O点速率 v'A,v'B,初始时刻系统角动量为零,则:
rm vA rm vB 0 则 vA vB
可见,不论A、B对绳的速率vA、vB如何, 二人对O的速率相同, 故将同时到达O点.

动量与角动量守恒

动量与角动量守恒
解: 开谱勒第一定律告诉我们,行星绕太
阳沿椭圆轨道运动,太阳在此椭圆的一个 焦点上。行星受力为有心力,取力心太阳 为坐标原点,则行星相对于原点的角动量 守恒
dr
rdt
0
r
在dt时间内,
扫过的面积为
d A 1 rdr sin
2
1
r
dr
2
单位时间扫过面积为
d A 1 r dr 1 r
dt 2 dt 2
2)M , I , 应是对同一轴而言的
例4、一轴承光滑的定滑轮,质量M,半径 R,一根不可伸长的轻绳,一端固定在定 滑轮上,另一端系有质量为m的物体,求 定滑轮的角加速度。
T T
选择轴承为参照系。
对定滑轮
TR I 1 mR2
2
对物块
mg T ma
a R 轻绳不可伸长,物块的加速
度等于轮缘的切向速度
2gR sin
2g sin
R
L Rm Rm 2gR sin
(3)法3. 角动量定理
mgRcos dL dL dt d
dL L
d mR2 LdL m2gR3 cosd
L
LdL
m2 gR3 cosd
0
0
L mR 2gR sin
L mR2
2g sin
R
例2、证明绕太阳运动的一个行星,在相同 的时间内扫过相同的面积。
§4.2 刚体的定轴转动
个质转元轴都位以置相不同变的,角刚速体度上的和每角
加速度绕定轴作圆周运动。
一、 角速度矢量:
O’
O
角速度 d
dt
角加速度
d d2
dt dt2
距轴r处的质元
速度 v r

质点的角动量

质点的角动量


i
ri p i ,
对于标号为i的质点,它不仅受到来自系统外的作用力,而且 还受到系统内其它质点的作用力(内力)
fi

j
f ij ,
利用质点的角动量定理 可得
d dt
d Li dt
ri Fi f i ,

i


i
Li

i
ri ( Fi f i )
r1 , 以角速度 1旋转,然后慢慢向下拉 离为 r2时,拉力对质点所做的
v
绳,求质点离圆心距
功。

选小孔为参考点,任意 时刻质点受力矩 M r f 0 , 质点的角动量守恒,因 而有:
o r f
f
mr 1 1 mr 2 2
2 2
根据动能定理,外力做功为
v
O
rห้องสมุดไป่ตู้m
若一个质量为m的粒子在半径为r的圆周上以速 v 运动,则它的动量为 P m v ,相对于圆心的 度 位置矢量 r 与粒子运动速度 v 互相垂直 ,角 动量大小为: L m rv m r 2
是质点运动的角速度
角动量的方向由右手螺旋法则判断,垂直于物体转动 所在的平面
2
1
4、推广到质点系情形
利用牛顿第三定律,我们还可以将质点角动量定律推广到质 点系的情况,得到质点系总角动量的时间变化率与合外力 矩的简单关系,即质点系的角动量定理。 我们定义质点系对给定参考点O的总角动量为系统内所有质 点对选定参考点O的角动量的矢量和,即 :
L

i
Li
多个外力作用于同一个质点的合力矩等于各 力的力矩的矢量和,即如果

大学物理第3章第2节-角动量定理及其守恒定律

大学物理第3章第2节-角动量定理及其守恒定律

用角动量定理和守恒定律处理问题 (i) 确定研究对象 (单一刚体、刚体系、刚 体+质点); (ii) 确定是对点还是对轴; (iii) 受力分析 (外力) 并求各力的力矩; (iv) 求初、末状态的角动量; (v) 用角动量定理和角动量守恒定律 (对 点或对轴) 列方程求解.
例3.9 一半径为 R 、质量为 m 的匀质圆 R 盘平放在粗糙的水平面 上. 设盘与桌面的摩擦因 数为 , 令圆盘最初以角 速度0 绕过其中心且垂直于盘面的轴旋转, 问它经过多少时间才停止转动? 解 圆盘与桌面间有摩擦, 在转动过程 中受到摩擦力矩的作用, 对圆盘上半径为 r 宽度为 d r 的圆环, 受到的阻力矩为
解 受力分析 N N 人: m M 重力 mg R 支持力 N1 mg 转台: 重力 Mg 支持力 N 2 Mg 合外力为零, 不产生力矩, 角动量守恒.
2 1
设转台沿逆时 M 针转动, 对地的角速 度为 , 人沿顺时针运 动, 人对转台的角速度为 , 则人对地的角速度为 . 转动惯量 2 I MR 2 转台: 2 I mR 人:
dM f rd f
f ( d m) g d r (d m) g m d S d r ( d S ) g
m

R
m r (2 rd r ) g 2 R
m R 2 , d S 2 rd r
m
R

角动量守恒
I I ( ) 0
M

R
m
MR mR2 ( ) 0 2
2

解得
2m M , M 2m M 2m
当人在转台上跑一周时

4.0 质点的角动量 角动量定理和守恒定律

4.0 质点的角动量  角动量定理和守恒定律

定义: 质点对选取的参考点的角动量等于其 矢径 r 与其动量 mv 之矢量积。用 L 表示。
LO
LO
LO r mv
o m
mv r mv r
L
LO
o m
mv r
LO r mv
注意:1)为表示是对哪 个参考点的角动量,通 常将角动量L画在参考 点上. 2)单位:
MO
注意:
1)大小
MO r F
o m
F r
M
3)单位:牛顿米
2)方向: r F 的方向
M rF sin
F
r
M
O
4)当 F 0 时
A) r 0
有两种情况,
M 0
B)力的方向沿矢径的方向( sin 0 ) 有心力的力矩为零.
dL 0 L 恒矢量 则: dt
合外力矩
0
角动量守恒定律:当系统所受合外力矩为零 时,质点系的角动量保持不变. 注意:1、角动量守恒定律是宇宙中普遍成立的定律,
无论在宏观上还是微观领域中都成立. 2、守恒定律 :表明尽管自然界千变万化,变换 无穷,但决非杂乱无章,而是严格地受着某种规律的制 约,变中有不变. 这反映着自然界的和谐统一.
两式相加:
d M 1 M 10 M 2 M 20 ( L1 L2 ) 3 dt
d M 1 M 2 ( L1 L2 ) 4 dt 令:M M 1 M 2 质点所受的合外力矩
L L1 L2
F
三、角动量定理 1、角动量定理的微分形式 对一个质点:

质点系的角动量定理及角动量守恒定律

质点系的角动量定理及角动量守恒定律

对质点系
Mi内z
Mi外z
d dt
(ri
mi vi
sin
i
)

Mi内 0
Mi内z 0
Mi外z
d dt
(ri mivi
sin
i
)
d dt
Lz
——称质点系对z 轴的角动量定理.
3.质点系对轴的角动量守恒定律

Mi外z 0
Lz rimivi sin i 常量
若质点系各质点绕 z 作圆周运动
Liz ri mivi sin i
质点系对轴的角动量
Lz rimivi sin i
2.质点系对轴的角动量定理 质点在垂直于z 轴的平面内运动,第i个 质点
Miz
dLi dt
d dt
(ri
mivi
sin
i
)
M iz M i外z M i内z
M i内z
M
sin
i)
m 2gh v
2m m
本题也可以利用对点的角动量守恒求解,读者可自行完成.
§5.2质点系的角动量定理 及角动量守恒定律
§5.2.1质点系对参考点的角动量定理及守恒律
1.质点系对参考点的角动量
对参考点
L Li ri pi ri mivi
i
i
i
对质点系中的第 i 个质点,有
Mi
dLi dt
其中
Mi Mi外 Mi内
M i内
M i外
dLi dt
对质点系,有
M i内
M i外
dLi dt
2.内力的力矩
ri
Fij i
因质点i与质点 j 间的相互 作用力
i

大学物理-角动量守恒定律 PPT

大学物理-角动量守恒定律 PPT

dt 12
dt
考虑到 t
dr g cost 7lg cos(12v0 t)
dt 2
24 v0
7l
37
例6 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.问演员N可弹起多高?
M
h
N
C
A
B
l/2
l
38
设跷板是匀质的,长度为l,质量为m',
6mv0
(M 3m)l
v0 m
31
例3 摩擦离合器 飞轮1:J1、 w1 摩擦轮2: J2 静止,两轮沿轴向结合,结合后两轮达到 的共同角速度。 解:两轮对共同转轴的角动量守恒
21
试与下例的齿轮啮合过程比较。
32
例4 两圆盘形齿轮半径r1 、 r2 ,对通过盘心
垂轮直以于0 盘转面动转,轴然的后转两动轮惯正量交为啮J1合、,J2求,啮开合始后1
点o的矢径为 r ,动量为 p ,如下图。在计算其
角动量时,注意有两个特点:
(1) o点到 p 方向的垂直距离 r sin 不变;
(2) L 方向不变;
p2
假如 p 的大小也不变, 显然L 的大小不变。这表
明,自由质点对任意参考 点的角动量保持不变。
p1
1 r1

2
r2
r sin o
5
1.5.2 质点角动量定理
必须指明是对哪个点而言的
注意两点:
(1) 质点的角动量是相对某一参考点而言的,因此
对不同的参考点,角动量 L 不同;
(2) L 的大小在0~ rp 之间变化,如果把动量分解
为径向分量 pcos 和横向分量 psin ,则仅横

第2章-角动量守恒定律

第2章-角动量守恒定律

2.质点系角动量定理
i 1 i 1 dL dri dpi 两边对时间求导: pi ri dt dt dt dri dpi pi 0 ri ri Fi f i 上式中 dt dt dL ri Fi ri f i dt 上式中 ri fi 0 合内力矩为零
dr
r
证毕
例2.匀速直线运动的小球m,以速度 运动,试 求: (1)对直线外一固定点O的角动量? (2)问角动量是否守恒? 解: (1) 大小: 方向: (2) 不论
的方向,即垂直纸面向里 d
O
如何变,合力矩为零
守恒
L 恒矢量
质点或质点系的角动量守恒定律:
当系统所受外力对某参考点的力矩之矢量和始 终为零时,质点系对该点的角动量保持不变。
质点系对z 轴的角动量守恒定律: 系统所受外力对z轴力矩的代数和等于零, 则质点系对该轴的角动量守恒。
Lz 恒量
M z 0
注意: 1) 同一质点相对于不同的点,力矩和角动量可以 不同。在说明质点的力矩和角动量时,必须指明 是对哪个点而言的。角动量定理中力矩和角动量 都是对于惯性系中同一固定点而言的。 2)有心力作用下,物体角动量守恒。 3)角动量守恒定律是自然界的一条普遍定律,它 有着广泛的应用。
质点对某一参考点的角动量随时间的变化率 等于质点所受的合外力对同一参考点的力矩。 角动量定理的积分式:
dL M0 dt
--质点的角动量定理微分式

t2
t1
M 0dt L2 L1

t2
t1
M 0 dt 称为“冲量矩”
作用于质点的冲量矩等于质点在作用时间内 的角动量的增量 。
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速度:小球绕y轴作匀速圆周运动,速率为:
在图中所示位置:
重力矩:
拉力T的力矩:
角动量:
5.2.2理想滑轮悬挂两质量为m的砝码盘。用轻线拴住轻弹簧的两端使它处于压缩状态,将此弹簧竖直放在一砝码盘上,弹簧上端放一质量为m的砝码,另一砝码盘上也放一质量为m的砝码,使两盘静止。燃断轻线,弹簧达到自然伸展状态即与砝码脱离。求法码升起的高度。已知弹簧的劲度系数为k,被压缩的长度为L0
解:考虑法码和法码盘组成的质点系,外力为重力和滑轮两边绳的拉力。
选择坐标系:原点位于滑轮的中心,x轴沿水平方向,y轴铅直向上,z轴通过滑轮的轴线垂直纸面向外。
设滑轮的半径为r
由于是理想滑轮,故两边绳的拉力相等;在法码脱离弹簧前,两边法码和法码盘所受的重力也相等;故外力对z轴的力矩为零,体系对z轴的角动量守恒。
解:设绳子的中点为O。考虑两运动员组成的质点系,外力为重力和冰面的支撑力。由于是在水平面上运动,故重力和支撑力大小相等、方向相反。所以外力矩为零,角动量守恒。
(1)抓住绳子前: kgm2/s
抓住后,每个运动员将围绕O点作圆周运动,速率不变。由于速度方向还是与位置矢量方向垂直,且运动员距O点的距离不变,故角动量与抓住绳子前相同。
解:(本题中A点的位置不明确,A点应与两小球同高度)
以A点为坐标原点建立坐标系,x轴向右,y轴向上,z轴垂直于纸面向外。
左侧小球:
受力: ,
位失:相对于A点:
相对于B点:
速度:小球绕y轴作匀速圆周运动,速率为:
在图中所示位置:
重力矩:
拉力T的力矩:
角动量:
右侧小球:
受力: ,
位失:相对于A点:
相对于B点:
体系动能的改变量:
由机械能守恒 ,得:
砝码弹离弹簧后作自由上抛运动,设其上升的最大高度为h,则
砝码上升的总高度为:
5.2.3两个滑冰运动员的质量各为70kg,以6.5m/s的速率沿相反方向滑行,滑行路线间的垂直距离为10m.当彼此交错时,各抓住10m绳索的一端,然后相对旋转.(1)在抓住绳索一端之前,各自对绳中心的角动量是多少?抓住之后是多少?(2)他们各自收拢绳索,到绳长为5m时,各自的速率如何?(3)绳长为5m时,绳内张力多大? (4)二人在收拢绳索时,各做了多少功? (5)总动能如何变化?
先求法码弹离弹簧后体系重力势能的改变
由于开始时弹簧被压缩了L0,法码被弹离后,弹簧达到自然伸长,故法码和法码盘间的距离增加了L0。
设法码盘向下移动了y,法码向上移动了y:
由y+y = L0,得:
右侧的砝码和法码盘向上移动重力势能的改变为:
以弹簧自然伸长时为弹性势能的零点,则弹性势能的改变为:
即:向上弹起的砝码的速率是砝码盘的3倍。该式对在燃断轻线后、砝码在弹离弹簧前的任意时刻都适用。
考虑滑轮、弹簧、砝码、砝码盘和地球组成的质点系,外力为其他物体对滑轮的悬挂力,该力不做功;内力为滑轮两边绳的拉力(为一对内力)和弹簧的弹性力(为保守力)由于绳不伸长,故绳的拉力不做功;所以体系的机械能守恒。
(2)当绳长为5米时,运动员距O点的距离为r=2.5m。由于运动员绕O点作圆周运动,故运动员的角动量为:mvr。由角动量守恒:
(3)绳内张力提供向心力:
N
(4)由动能定理:
(5)总动能的改变:
总动能增加
初态:法码和法码盘静止,所以Lz= 0;
末态:
设被弹起的砝码的速度为 , 垂直向上, ,对z轴的角动量:
两侧砝码盘的速度分别为 和 , 方向垂直向下, 方向垂直向上。由于绳不伸长,故| |=| |=v
左侧的砝码盘向下运动: ,对z轴的角动量:
右侧的砝码和砝码盘一起运动, ,对z轴的角动量:
由角动量守恒: ,得
第5.2节质点系的角动量定理及角动量守恒定律
5.2.1离心调速器模型如图所示.由转轴上方向下看,质量为m的小球在水平面内绕AB逆时针作匀速圆周运动,当角速度为时,杆张开角.杆长为l.杆与转轴在B点相交.求(1)作用在小球上的各力对A点、B点及AB轴的力矩.(2)小球在图示位置对A点、B点及AB轴的角动量.杆质量不计
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