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例1 薄圆盘质量为M,半径为R,绳子绕在盘上,绳子一端在接力作用下运动的加速度是a,求拉力F。 思考: 变小则 变大, 乘积 保持不变, 变大则 变小。 收臂 大 小 用外力矩启动转盘后撤除外力矩 张臂 大 小 变小则 变大, 乘积 保持不变, 变大则 变小。 收臂 大 小 用外力矩启动转盘后撤除外力矩 张臂 大 小 花 样 滑 冰 收臂 大 小 张臂 大 小 先使自己转动起来 收臂 大 小 合外力矩为零时,系统总角动量不变。 3. 复杂系统——共轴(质点+刚体) ——合外力矩 ——总角动量 共轴系统 若 外 则 恒矢量 (1). 如何求角动量? 若质点速度不变, 则质点在 不同的点,角动量相同。 角动量与转轴有关,与点有关。 认定转轴 取逆时针为转动“+”方向,有 碰前: 碰后: 例: 碰前后瞬时m在点A,设OA = x (2).角动量定理和角动量守恒定理解题步骤 (1) 隔离物体,受力分析 (2) 认定转轴,建立坐标系,确定转动正方向。 (4) 分别写出系统在初、末态的总角动量。 (5)列方程,求结果。 (3) 计算合外力矩的冲量矩,若 ,则用 守恒律,否则,用角动量定理。 4. 平行轴定理与垂直轴定理 平行轴定理: m R 例: 垂直轴定理 例: o 竿子长些还是短些较安全? 飞轮的质量为什么大都分布于外轮缘? L R m m 匀质薄圆盘 匀质细直棒 转轴通过中心垂直盘面 2 2 J = mR 1 2 3 J = mL 1 转轴通过端点与棒垂直 两个常用的结果 18 解题要点: 对(刚体+质点)组成的系统,用隔离物体法 对刚体:力矩分析,用转动定律 对质点:受力分析, 用牛顿第二定律 辅助方程:线量与角量的关系 四、 转动定律的应用 a F 解:以滑轮为研究对象,分析力矩 由转动定理有 则得 盘边缘的切向加速度等于绳子下移的加速度, 例2 已知:定滑轮质量为M,半径为R,视为刚体。 求:m的加速度a=? 解: 选M为研究对象 选m为研究对象 (1) (2) (3) 联立方程(1)、(2)、(3)可得 m2 m1 R M R 解: 当滑轮质量M=0时, 力 的元功 力对转动刚体所作的功用力矩的功来计算 若在某变力矩 的作用下,刚体由 转到 , 作的总功为 一.力矩的功和功率 力矩的功率 对比: 质点的直线运动 刚体的定轴转动 功 功率 重 力 矩 做 的 功 重 力 做 的 功 力矩做功实质上仍是力所做的功 ∑ 刚体中任一质元 的速率 该质元的动能 对所有质元的动能求和 ∑ 转动惯量 I I 得 二.转动动能 三 、定轴转动动能定理 刚体定轴转动动能定理: 合外力矩的功 转动动能的增量 外力矩作的总功 从水平摆至垂直 由 得 代入得 本题 利用 的关系 还可算出此时杆上各点的线速度 水平位置静止释放 摆至垂直位置时杆的 匀直细杆 一端为轴 动能=质点动能+刚体的转动动能, 势能=质点势能+刚体质心的势能。 外力功=外力对质点所作的功+外 力矩对刚体定轴的功。 这时,功能原理、机械能守恒定律仍然适用。 机械 外 力 非保守内 力矩 力 力矩 动 势 动 势 质点 刚体 质点 刚体 势 推广: 对含有刚体和质点复杂系统,若 外力不做功,且内力都是保守力 ,则系统机械能守恒,即 势 A C A C 解法3: l A C 若:系统 则: 例2 如图示,均匀直杆质量为m,长为l,初始水 平静止。轴光滑, 求杆下摆到 角时, 角速度 解:取(杆+地球),只有重力作功,E 守恒。 初态: 末态: 则: (1) 由平行轴定理 有: (2) (1)、(2) 解得: 例3: 一质量为M,半径为R的圆柱,可绕一无摩擦的水平轴O转动。绳索一端在圆柱的边缘上,另一端悬挂质量为m的物体。问物体m由静止下落高度h时,其速度为多大?设绳的质量可以忽略,且绳不伸长。 解法一:取m末位置为重力势能零点, 代入 解得 h T T mg M R 忽略摩擦 外 力 力矩 非保守内 力矩 力 解法二:对m与圆盘分别应用动能定理 解得 h T T mg M R 考虑到 外力对m作功: 力矩对M作功: angular momentum in rotation of a rigid body 回顾: 质点的角动量 x z y o d = L m v r = L × p
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