大学物理学第五版 马文蔚ch04-1.pptVIP

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大学物理学第五版 马文蔚ch04-1

* * 一、刚体的定轴转动(运动) 二、力矩、刚体定轴转动的转动定律、转动惯量 三、刚体的角动量、角动量定理和角动量守恒定律 四、力矩作功、刚体定轴转动的动能定理 主要内容: 刚体定轴转动定律 角动量定理 结构框图 角动量 角动量变化率 转动惯量 角动量守恒定律 力矩作功 转动动能 动能定理 刚体转动 力矩 牛顿定律 角量 角速度、角加速度 角量与线量关系 刚体运动学 刚体动力学 §4-1 刚体的定轴转动 一、刚体的基本运动 在运动过程中,其上任意两点的连线在各个时刻位置始终保持平行的运动。 平动: 刚体: 在无论多大的外力作用下,其形状和大小都不发生任何变化的物体。即其内部任意两点之间距离永远不变,刚体的各部分之间没有相对运动。 说明: ①刚体是一个物体,可视为由许多质点组成;因此研究质点系的方法和得出的一般结论均适合刚体。 ②刚体是物理学中的一个理想模型,绝对的刚体是不存在的。 刚体的平动:用质点的运动处理。 二、刚体转动的角速度、角加速度 由右手螺旋法则确定:右手弯曲的四指沿转动方向,伸直的大拇指即为角速度 的方向。 定轴转动: 转轴固定不动的转动。各质元均作圆周运动,其圆心都在一条固定不动的直线(转轴)上。各质元的线量一般不同(因为半径不同)但角量(角位移、角速度、角加速度)都相同。 一般刚体的运动:质心的平动+绕质心的转动 转动: 刚体上所有质点都绕同一直线作圆周运动。称为刚体的转动。这条直线称为转轴。 线速度与角速度之间的关系: 注意:?、?是矢量,由于在定轴转动中轴的方位不变,故用正负表示其方向。 在刚体作匀加速转动时,相应公式如下: 刚体运动学中所用的角量关系及角量和线量的关系如下: 角加速度矢量: 作业:P143 4-6 4-11 z d §4-2 力矩 转动定律转动惯量 一、力矩 在垂直与转轴的平面内,外力 与力线到转轴的距离d(力臂)的乘积定义为对转轴的力矩。 力矩逆时针方向 为正。 力矩顺时针方向 为负。 ②力矩: 定轴转动,规定: ①力臂:从转轴 与截面的交点O到力 的作用线的垂直距离d~力 对转轴的力臂 按矢量叠加。 若几个外力同时作用在一个绕定轴转动的刚体上,且这几个外力都在与转轴相垂直的平面内,则它们的合外力矩等于这几个外力矩的代数和。 ③合力矩: 即: 大小为 ;方向:右手法则确定。 单位: 牛顿米;量纲: 。 注:如果作用在刚体上的外力不在垂直转轴的平面内,那么 应当理解为外力在平面内的分矢量,这样该分矢量才对刚体转动产生影响。 结论:刚体内各质点间的作用力对转袖的合内力矩等于零。(参见P106 图4-12、4-13) 右手法则:把右手拇指伸直,其余四指弯曲,弯曲的方向是由径矢 通过小于 的角转向力 的方向,这时拇指所指的方向就是力矩的方向. z Oi ri 二、刚体定轴转动的转动定律 ?mi ~利用力矩定义+牛顿第二定律,研究刚体作定轴转动的动力学规律。 设: 为定轴, 为刚体中任一质点 ,其质量为 。质点 受外力 ,内力 的作用,均在与 轴相垂直的同一平面内。 ①牛顿第二定律: 建立自然坐标:切向、法向; 切向分量式为: 注:切向分力与圆的半径及转轴三者互相垂直。 切向分量式两边乘以ri ,有: 外力矩 内力矩 法向分量式为: ②利用 ,即为: ③对所有质元的同样的式子求和: 一对内力的力矩之和为零,所以有 为刚体对于转轴的转动惯量 ~合外力矩 则有: 结论:刚体绕定轴转动时,刚体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,叫做定轴转动时刚体的转动定律,简称转动定律。转动定律是解决刚体定轴转动问题的基本方程。 ?mj ?mi ro rj ri Oi Z ④定义: m反映质点的平动惯性,J反映刚体的转动惯性 与 地位相当 三、转动惯量 J 2.与转动惯量有关的因素:①刚体的质量;②转轴的 位置;③刚体的形状。 实质与转动惯量有关的只有前两个因素。形状即质量分布,与转轴的位置结合决定转轴到每个质元的矢径。 1.转动惯量的物理意义: 当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时,它们所获得的角加速度一般是不一样的,转动惯量大的刚体所获得的角加速度小,即角速度改变得慢,也就是保持原有转动状态的惯性大;反之,转动惯量小的刚体所获得的角加速度大,即角速度改变得快,也就是保持原有转动状态的惯性小。因此,转动惯量是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。 若质量连续分布 在(SI)中,J 的单位:kgm2 量纲:ML2 dm为质量元,简称质元。其计算方法如下: 质量为线分布 质量为面分布 质量为体分布 其中?、?

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