*角动量守恒与动量守恒及能量守恒定理并称为三大守恒定理,这三大守恒定理的创立有着深刻的内在缘由。现代数学学已确认,这种守恒定理是和自然界的更为普遍的属性——时空对称性相联系的。5.2质点的角动量定律与角动量守恒定理*5.2质点的角动量定律与角动量守恒定理*因为该系统刚体速率为零,所以,系统总动量为零。系统有机械运动,总动量却为零?不宜使用动量来量度转动物体的机械运动量。问题:将一绕通过刚体的固定轴转动的圆盘视为一个质点系,系统总动量为多少?CM引入与动量对应的角量——角动量(动量矩)*角动量概念的完善,和转动有密切的关系。在自然界中常常会碰到质点或质点系围绕着某一个确定点或轴转动的情况。诸如:行星绕太阳的公转,人造卫星绕月球转动,电子绕原子核转动以及质心的转动等等。在这种问题中,动量及机械能的有关规律并不适用,这时若采用角动量概念讨论问题就比较便捷。角动量与动量一样,是一个重要概念。*教学基本要求一理解质点对固定点的角动量、力矩的概念。二理解角动量守恒定理及适应条件,并能用该定理剖析估算有关的问题。难点:角动量概念,角动量定律及角动量守恒定理的应用。
*5.2质点的角动量定律与角动量守恒定理*事实表明:要改变一个物体的转动状态,使之形成角加速度质点动量定理表达式,光有力的作用是不够的,必须有扭力的作用。诸如:门绕轴的转动。转矩(ofForce),反映力的大小、方向、作用点对物体转动的影响。改变物体的转动状态物体获得角加速度?力?质点获得加速度改变质点的运动状态*大小:方向:左手螺旋定则断定。力臂:转矩是力与力臂的乘积。定义:为作用在质点上的力对参考点O的转矩。是作用点A相对于固定点O的位矢。单位:N?m(不能写成功的单位J)一、力矩1、对参考点O的扭矩A*1)同一个力对于不同的参考点有不同的扭矩,因而提到扭矩时必须指明是相对于哪一点而言的。2)当力F的作用线通过所选的参考点时,力F对该点的扭矩为零。3)在直角座标系中,扭力可表示为导数:注意:扭力:*其中:如:力对O点的扭矩在通过O点的任一轴线(如z轴)上的份量,称作力对z轴的扭矩,用表示。扭力沿某座标轴的份量一般叫做力对该轴的扭矩。*二、质点的角动量(动量矩)()质量为的质点以速率在空间运动,某时刻相对原点O的位矢为,质点相对于原点的角动量为:大小:Om方向:*2)角动量与位矢有关,说到角动量时必须指明是相对哪一参照点而言;3)作圆周运动质点的角动量。
1)角动量是描述转动状态的化学量;说明:质点以角速率作直径为的圆周运动,相对圆心的角动量大小为:推论:质点作匀速圆周运动时,对圆心的角动量守恒。方向如图。*4)在直角座标系中,角动量的表达式为:当质点在xoy面内作通常平面运动时,角动量为:为对z轴的角动量。*诸如,电子绕核运动,具有轨道角动量,电子本身还有载流子运动,具有载流子角动量等等。5)角动量的概念,不但能描述精典热学中的运动状态,在近代化学理论中一直是表征微观运动状态的重要化学量。原子、分子和原子核系统的基本性质之一是,它们的角动量仅具有一定的不连续的量值,这称作角动量的量子化。因而,在这些系统的性质的描述中,角动量起着主要的作用。对轴的角动量:当质点作平面运动时,对运动平面内某参考点O的角动量,俗称为质点对过O点垂直于运动平面的轴的角动量。*例:一质点m,速率为v,如图所示,A、B、C分别为三个参考点,此时m相对三个点的距离分别为d1、d2、d3,求:此时刻质点对三个参考点的角动量。md1d2d3ABC解:*练习:有一个质量为m=1kg的物体,在力的作用下运动。
当t=0时,求:t=1s时,*叙述:作用在质点上的合力对某参考点的扭矩,等于质点对同一参考点的角动量随时间的变化率。三、质点的角动量定律(质点角动量定律的微分方式)*冲量矩:质点的角动量定律:质点所受合扭矩的冲量矩等于质点角动量的增量。注意:定律中的转矩和角动量都必须是相对于同一参考点而言的。说明:1)冲量矩是质点角动量变化的诱因。2)质点角动量的变化是扭力对时间的积累结果。在实际过程中,要研究的是扭力对时间的积累效应。*假如对于某一固定点质点动量定理表达式,质点所受的合扭力为零,则质点对该点的角动量为一恒矢量。四、质点的角动量守恒定理说明:1)质点的角动量守恒的条件是合扭力为零。诸如:质点作匀速直线运动。一种是合力为零;另一种是力F不为零时,扭矩为零。有两种情况:当时,恒矢量。诸如:有心力的情况。一是力的作用点就在参考点O,此时位置矢量r=0;另一种是力的延长线通过参考点O,此时:*例:行星在绕太阳的运动中,对太阳的角动量守恒;人造月球卫星绕月球运行时,它对地心的角动量守恒;电子绕原子核运动时,电子对原子核的角动量守恒。假如质点在运动中遭到的力仍然指向某个固定的中心,这些力称作有心力,该固定中心称为力心。有心力相对于力心的扭矩恒为零。在有心力作用下质点对力心的角动量守恒。2)有心力问题3)角动量守恒定理是物