[理学]05-4刚体的角动量定理和角动量守恒定律.ppt

* 4-3 刚体的角动量定理 角动量守恒定律 研究质点绕定点的圆周运动，用角动量描述比较方便 当刚体绕定轴转动时，刚体上各质点都在围绕转轴做半径不同的圆周运动 转动的刚体具有角动量 如何表示刚体绕定轴转动的角动量呢？ 刚体对转轴Oz的转动惯量J 刚体对定轴的角动量 一 定轴转动刚体的角动量 在定轴转动的刚体上，每个质元对转轴都有确定的角动量 O ——描写刚体绕定轴转动状态的物理量 如何改变刚体的角动量？ 整个刚体对转轴的角动量等于刚体上所有质元对转轴角动量的和 合外力矩的冲量矩 刚体角动量的增量 O 刚体对定轴的转动惯量不变 根据转动定律 作用在刚体上的合外力对转轴的力矩等于刚体对转轴的角动量变化率 二 定轴转动刚体的角动量定理 两边做积分 作用在绕定轴转动刚体上的合外力矩在某段时间内的冲量距等于刚体在同一时间内角动量的增量 ——反映了力矩对时间的累积效果 定轴转动刚体角动量定理的积分形式 定轴转动刚体的角动量定理 ——力矩是改变刚体角动量的原因 三 刚体的角动量守恒定律 刚体所受外力矩为零 当作用在定轴转动刚体上的合外力矩为零时，刚体的角动量保持不变 根据 由于刚体绕定轴转动的转动惯量为一常量，所以当刚体所受合外力矩为零时，刚体转动的角速度不变 地球近似为一刚体，所以地球的自转周期基本恒定，但活跃的地壳运动可以改变地球的转动惯量，从而影响地球的自转周期 讨论： 对绕定轴转动的可变形物体而言，在不同状态下物体对转轴的转动惯量可能不同，但是如果它所受合外力矩为零，那么它的角动量也将保持不变 花样滑冰运动员利用四肢的伸缩改变自身的转动惯量，可以改变绕自身竖直轴的角速度 合外力矩为零不仅是绕定轴转动刚体角动量守恒的条件，也是任何质点系对角动量守恒的条件 对于由几个物体组成的系统，如果它们都围绕同一定轴转动，那么当该系统所受合外力矩为零时，系统对该定轴的合角动量不变 如果该系统原来是静止的，则总角动量为零。当通过内力使系统的一部分转动时，另一部分必会沿反方向转动，而系统的总角动量仍将保持为零 当直升机上方的旋翼转动时，它必然引起机身反向打转，以维持总角动量为零，而直升机侧向的尾桨可以提供一个附加的水平力，保证机身不打转 双旋翼直升机不需要尾桨，它通过一对转向相反的螺旋桨，保持系统的总角动量仍然为零 并轴双旋翼直升机通过在同轴心的内外两轴上安装一对对转的螺旋桨来防止机身反向打转 鱼雷在其尾部也装有对转螺旋桨，其目的也是为了消除单螺旋桨造成鱼雷自身的反转问题 腿臂的动作正确、协调配合，对加大步长、提高步频都有一定作用，因而对提高跑步速度有明显影响 当一侧的腿向前跨出时，另一侧的臂必须同时向前摆出，这样躯干的上端（肩）和下端（髋）彼此向相反方向扭转，而躯干的中段和头部则大体保持在原来位置上，才可以保证整个身体对于竖直轴的角动量保持为零 为什么同手同脚地走路或跑步会使人觉得别扭呢？ 角动量守恒定律并不包含在动量守恒或能量守恒定律中，所以它是自然界一个独立的基本定律，不仅适用于经典力学领域，也适用于微观和高速领域 例1 一长为l、质量为M的均质棒，放在水平光滑桌面上，棒可绕通过其一端的固定光滑轴O转动。初始时棒静止，今有一水平运动的子弹垂直地射入棒的另一端并留在棒中，如果子弹的质量为m，速率为v0，求棒开始和子弹一起转动时角速度? 取棒和子弹为一系统 由于转轴O处有冲力作用，所以系统的动量不守恒！ 由于O处的冲力通过转轴，所以系统受外力矩为零，系统的角动量守恒 系统的角动量守恒 棒的转动惯量 子弹的转动惯量 例1 一质量为M，长为l 的均质细棒，可绕过其顶端的水平轴自由转动。当杆静止时，一质量为m的子弹以水平速度v0射入细杆底端并穿出，穿出后子弹速度损失3/4，求子弹穿出后棒的角速度? 取子弹和细杆作为系统，在子弹射入棒端并从棒中穿出的过程中，子弹与细杆之间的作用力为内力，转轴上的作用力和重力不产生力矩，系统所受外力矩为零，系统角动量守恒 例2 一长为l 的轻质细杆，两端分别固定质量为m 和2m 的小球，杆可绕水平光滑轴O转动，转轴O距杆的两端分别为l/3和2l/3，今有一质量为m点小球以水平速度v0与杆下端小球m做对心碰撞后以v0/2的速率返回，求碰撞后细杆获得的角速度 两端带小球的轻质细杆对转轴的转动惯量 整个系统受外力矩为零，所以角动量守恒 细杆获得的角速度 例3 一长度为L、质量为m的均质细棒的一端悬于O点，并可绕过O点的水平轴自由转动。在O点又有一轻绳，悬挂一质量也为m的小球。当小球偏离竖直方向某一角度由静止开始释放，并与静止的细杆发生弹性碰撞，问当绳为多长时，碰后小球刚好静止 以单摆和细杆作为系统，在碰撞过程系统所受合外力矩为零，系统角动量守恒 弹性碰撞，机械能守恒 设小球绳长为l，根据角动量守恒 例4一质量为M、半径为R的圆形水平