*角動量守恒與動量守恒及能量守恒定理并稱為三大守恒定理,這三大守恒定理的創立有著深刻的內在緣由。現代數學學已確認,這種守恒定理是和自然界的更為普遍的屬性——時空對稱性相聯系的。5.2質點的角動量定律與角動量守恒定理*5.2質點的角動量定律與角動量守恒定理*因為該系統剛體速率為零,所以,系統總動量為零。系統有機械運動,總動量卻為零?不宜使用動量來量度轉動物體的機械運動量。問題:將一繞通過剛體的固定軸轉動的圓盤視為一個質點系,系統總動量為多少?CM引入與動量對應的角量——角動量(動量矩)*角動量概念的完善,和轉動有密切的關系。在自然界中常常會碰到質點或質點系圍繞著某一個確定點或軸轉動的情況。諸如:行星繞太陽的公轉,人造衛星繞月球轉動,電子繞原子核轉動以及質心的轉動等等。在這種問題中,動量及機械能的有關規律并不適用,這時若采用角動量概念討論問題就比較便捷。角動量與動量一樣,是一個重要概念。*教學基本要求一理解質點對固定點的角動量、力矩的概念。二理解角動量守恒定理及適應條件,并能用該定理剖析估算有關的問題。難點:角動量概念,角動量定律及角動量守恒定理的應用。
*5.2質點的角動量定律與角動量守恒定理*事實表明:要改變一個物體的轉動狀態,使之形成角加速度質點動量定理表達式,光有力的作用是不夠的,必須有扭力的作用。諸如:門繞軸的轉動。轉矩(ofForce),反映力的大小、方向、作用點對物體轉動的影響。改變物體的轉動狀態物體獲得角加速度?力?質點獲得加速度改變質點的運動狀態*大小:方向:左手螺旋定則斷定。力臂:轉矩是力與力臂的乘積。定義:為作用在質點上的力對參考點O的轉矩。是作用點A相對于固定點O的位矢。單位:N?m(不能寫成功的單位J)一、力矩1、對參考點O的扭矩A*1)同一個力對于不同的參考點有不同的扭矩,因而提到扭矩時必須指明是相對于哪一點而言的。2)當力F的作用線通過所選的參考點時,力F對該點的扭矩為零。3)在直角座標系中,扭力可表示為導數:注意:扭力:*其中:如:力對O點的扭矩在通過O點的任一軸線(如z軸)上的份量,稱作力對z軸的扭矩,用表示。扭力沿某座標軸的份量一般叫做力對該軸的扭矩。*二、質點的角動量(動量矩)()質量為的質點以速率在空間運動,某時刻相對原點O的位矢為,質點相對于原點的角動量為:大小:Om方向:*2)角動量與位矢有關,說到角動量時必須指明是相對哪一參照點而言;3)作圓周運動質點的角動量。
1)角動量是描述轉動狀態的化學量;說明:質點以角速率作直徑為的圓周運動,相對圓心的角動量大小為:推論:質點作勻速圓周運動時,對圓心的角動量守恒。方向如圖。*4)在直角座標系中,角動量的表達式為:當質點在xoy面內作通常平面運動時,角動量為:為對z軸的角動量。*諸如,電子繞核運動,具有軌道角動量,電子本身還有載流子運動,具有載流子角動量等等。5)角動量的概念,不但能描述精典熱學中的運動狀態,在近代化學理論中一直是表征微觀運動狀態的重要化學量。原子、分子和原子核系統的基本性質之一是,它們的角動量僅具有一定的不連續的量值,這稱作角動量的量子化。因而,在這些系統的性質的描述中,角動量起著主要的作用。對軸的角動量:當質點作平面運動時,對運動平面內某參考點O的角動量,俗稱為質點對過O點垂直于運動平面的軸的角動量。*例:一質點m,速率為v,如圖所示,A、B、C分別為三個參考點,此時m相對三個點的距離分別為d1、d2、d3,求:此時刻質點對三個參考點的角動量。md1d2d3ABC解:*練習:有一個質量為m=1kg的物體,在力的作用下運動。
當t=0時,求:t=1s時,*敘述:作用在質點上的合力對某參考點的扭矩,等于質點對同一參考點的角動量隨時間的變化率。三、質點的角動量定律(質點角動量定律的微分方式)*沖量矩:質點的角動量定律:質點所受合扭矩的沖量矩等于質點角動量的增量。注意:定律中的轉矩和角動量都必須是相對于同一參考點而言的。說明:1)沖量矩是質點角動量變化的誘因。2)質點角動量的變化是扭力對時間的積累結果。在實際過程中,要研究的是扭力對時間的積累效應。*假如對于某一固定點質點動量定理表達式,質點所受的合扭力為零,則質點對該點的角動量為一恒矢量。四、質點的角動量守恒定理說明:1)質點的角動量守恒的條件是合扭力為零。諸如:質點作勻速直線運動。一種是合力為零;另一種是力F不為零時,扭矩為零。有兩種情況:當時,恒矢量。諸如:有心力的情況。一是力的作用點就在參考點O,此時位置矢量r=0;另一種是力的延長線通過參考點O,此時:*例:行星在繞太陽的運動中,對太陽的角動量守恒;人造月球衛星繞月球運行時,它對地心的角動量守恒;電子繞原子核運動時,電子對原子核的角動量守恒。假如質點在運動中遭到的力仍然指向某個固定的中心,這些力稱作有心力,該固定中心稱為力心。有心力相對于力心的扭矩恒為零。在有心力作用下質點對力心的角動量守恒。2)有心力問題3)角動量守恒定理是物