4 角动量整理ppt.PPT

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4 角动量整理ppt

* 第五章 角动量 角动量守恒定律 刚体定轴转动定律 角动量 转动惯量 角动量变化率 力矩 角动量定理 角动量守恒定律 空间旋转对称性 重要性:中学未接触的新内容 大到星系,小到基本粒子都有旋转运动; 微观粒子的角动量具有量子化特征; 角动量遵守守恒定律,与空间旋转对称性相对应。 §5.1 角动量 转动惯量 力矩 一、角动量 问题:将一绕通过质心的固定轴转动的圆盘视为一个质点系,系统总动量为多少? C M 由于该系统质心速度为零,所以,系统总动量为零,系统有机械运动,总动量却为零? 说明不宜使用动量来量度转动物体的机械运动量。 *引入与动量 对应的角量 ——角动量(动量矩) 动量对参考点(或轴)求矩 1. 质点的角动量 大小: 方向:右手螺旋法则 y z m o * 质点对某参考点的角动量反映质点绕该参考点旋 转运动的强弱。 *必须指明参考点,角动量才有实际意义。 o o 2. 质点系角动量 系统内所有质点对同一参考点角动量的矢量和 有:对质心 无:对参考点 由 第一项: 即将质点系全部质量集中于质心处的一个质点上,该质点对参考点的角动量 描述质点系整体绕参考点的旋转运动: 第二项: 质心对自己的位矢 于是 反映质点系绕质心的旋转运动,与参考点的选择无关, 描述系统的内禀性质: 第三项: 各质点相对于质心角动量的矢量和 3. 定轴转动刚体的角动量 即 转轴 角速度 刚体上任一质点 转轴与其转动平面交点 绕 圆周运动半径为 转动平面 对 的角动量: 刚体定轴转动的特点: (1) 质点均在垂直于转轴的转动平面内,作半径不 同的圆周运动; (2) 各质点的角速度 大小相等,且均沿轴向。 定义:质点 对 点的角动量的大小,称为质点对转轴的角动量。 刚体对 z 轴的总角动量为: 式中 刚体对轴的转动惯量 刚体对z轴的总角动量为: 对质量连续分布的刚体: 式中 刚体对轴的转动惯量 二、刚体对轴的转动惯量 1. 定义 刚体对定轴的转动惯量等于其各质点的质量与该质点到转轴距离的平方之积求和。 若质量连续分布,则 积分元选取: m d 2. 计算 刚体对轴的转动惯量 J 与刚体总质量有关 与刚体质量分布有关 与转轴的位置有关 练习 1. 由长l 的轻杆连接的质点如图所示,求质点系对过A垂直于纸面的轴的转动惯量 2. 一长为 的细杆,质量 均匀分布 ,求该杆对垂直于杆,分别过杆的中点和一端端点的轴的转动惯量。 解:(1) 轴过中点 (2) 轴过一端端点 3. 求质量 m ,半径 R 的球壳对直径的转动惯量 解:取离轴线距离相等的点的 集合为积分元 m 4. 求质量 m ,半径 R 的球体对直径的转动惯量 解:以距中心 ,厚 的球壳 为积分元 m 注意: 对同轴的转动惯量才具有可加减性。 o r1 r2 m1 m2 同轴圆柱 r1 r2 m1 m2 空心圆盘 z 平行轴定理 正交轴定理 对平面刚体 一些均匀刚体的转动惯量表 练习 求长 L、质量 m 的均匀杆对 z 轴的转动惯量 解一: 解二: 解三: 三、角动量的时间变化率 力矩 1、质点角动量的时间变化率 质点位矢 合力 m 定义: 2、力矩 1) 对参考点的力矩 大小: 方向:服从右手螺旋法则 2) 对轴的力矩 第一项 方向垂直于轴,其效果是改变轴的方位,在定轴问题中,与轴承约束力矩平衡。 第二项 方向平行于轴,其效果是改变绕轴转动状态,称为力对轴的矩,表为代数量: 即: 力在转动平面内的分量 轴与转动平面的交点o到力作用点的位矢 力对o 点 的力矩在z轴方向的分量 1. 力矩求和只能对同一参考点(或轴)进行。 矢量和 代数和 2. 思考. 合力为零时,其合力矩是否一定为零? 合力矩为零时,合力是否一定为零? 不一定 3、质点系角动量的时间变化率 对 个质点 组成的质点系,由 可得 两边求和得 于是: 质点系总角动量的时间变化率等于质点系所受外力矩的矢量和 (合外力矩 ) 注意: 合外力矩 是质点系所受各外力矩的矢量和,而非合力的力矩。 由图可知 [例] 质量为 ,长为 的细杆在水平粗糙桌面上绕过其一端的竖直轴旋转,杆与桌面间的摩擦系数为 ,求摩擦力矩。 1) 杆的质量均匀分布 2) 杆的密度与离轴距离成正比 解1) 解2) 设杆的线密度 实际意义 半径 R ,质量 m 的匀质圆盘,与桌面间摩擦系数 μ,求摩擦力矩 等效 简化模型: 长 R ,线密度 总质量 m 的细杆 本讲内容:三个基本概念 1.角动量 质点 质点系 定轴刚体

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