定轴转动刚体的转动定律度力矩角动量转动惯量
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大学物理角动量转动惯量及角动量的守恒定律
方向垂直于轴，其效果是改
变轴的方位，在定轴问题中，
第二项
与轴承约束力矩平衡。
M 2rF
方称为向力平对行于轴的轴矩，，其效表果为代是数改变量绕：轴M 转z 动 状r态，F
即： i j k
Mo rFx y z
Fx FyFz
i yFz zFy jzFxxFzk xFyyFx
Mz xFyyFx
由
rc
i
miri M
rc
i
miri M
ri m ivcM rc vc0
i
质心对自己的位矢
L r c m iv ir i m iv c r i m iv i
i
i
i
与 i 有关
第三项：
rimivi 各质点相对于质心角动量的矢量和
i
反映质点系绕质心的旋转运动，与参考点O的选择无关，
o ri
vi
mi
L io 大 方小 向 Lio ： ： rimiv沿 i miri2 即 L iomiri2
在轴上确定正方向，角速度 表示为代数量，则
定义质点对 z 轴的角动量为:
LizLiom iri2
刚体对 z 轴的总角动量为：
Lz Liz ri2mi
i
i
ri2mi
i
对质量连续分布的刚体：
02
3
4. 求质量 m ,半径 R 的均匀球体对直径的转动惯量
解：以距中心 r，厚 dr 的球壳
dr
R
r
o
为积分元
dV4r2dr
m
m
4 R3
3
dJ3 2dmr22m R3 4rdr
dm dV
J
R
dJ
刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律
刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律
1、刚体定轴转动的角动量
刚体绕定轴转动的角动量等于刚体对该轴的转动惯量与角速度的乘积；方向与角速度的方向相同。
2、刚体定轴转动的角动量定理
（1）微分形式：刚体绕某定轴转动时，作用于刚体的合外力矩，等于刚体绕该定轴的角动量随时间的变化率。
（2）积分形式：当物体绕某定轴转动时，作用在物体上的冲量矩等于角动量的增量。
3、刚体定轴转动的角动量守恒定律
如果物体所受的合外力矩等于零，或者不受外力矩作用，物体的角动量保持不变。
练习：1角动量守恒的条件是 。
0=M 11222
1ωωJ J Mdt t t -=⎰刚体 ） 21J J ==ωJ 恒量
ωJ L =()ωJ dt d dt dL M ==。
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
二、刚体定轴转动的转动定律
～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：oz为定轴， 为 P 刚体中任一质点 i ，其 质量为 ∆ m i。质点 iv ur 受外力 F i ，内力 F i ′ 的作用，均在与 O z 轴 相垂直的同一平面内。 ①牛顿第二定律： ur r v F i + Fi ′ = ∆ m i a i 建立自然坐标：切向、法向；
三、转动惯量 J 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。 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。
R 3
例3、求长为L、质量为m的均匀细棒对图中不同轴的 转动惯量。 B 解：取如图坐标，dm=λdx A
J
A
=
∫
∫
L
0
x 2 λ dx = mL 2 / 3
A
x λ dx = mL
2 2
JC =
L 2 L − 2
L C L/2 L/2
X B X
/ 12
例4. 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
F i t ri + F i t′ ri = ∆ m i ri 2 α
外力矩 内力矩
③对所有质元的同样的式子求和：
第三章 刚体的定轴转动
令
m r
i 1
n
2
i i
=J
1 2 Ek Jω 2
转动动能
ω 对应 v
J 对应 m
1 2 Ek mv 2
质点的动能
二 转动惯量 ( moment of inertia ) 质量 质点惯性大小的量度
J 与 m 对应
转动惯量 刚体转动惯性大小的量度
n
J mi ri
i 1
2
体分布
dm =ρdV dm =σdS dm =λdl
面分布 线分布
J r dm
2 m
单位:
kg · 2 m
说明： J r 2dm
m
1. J 与刚体的质量有关； 2. 质量一定，与质量的分布有关；
3. 与轴的位置有关。因此叫作绕轴的
转动惯量。
转动惯量的计算
例1 质量为m，半径为 r 的均匀细圆环， 对通过其中心并垂直环面的转轴的转动惯量。 解： 根据转动惯量的定义求解。
3. 题 3－2，3－8，3－9。
§3-1
刚体的定轴转动
刚体 ( rigid body ) ：在任何情况下，其形状和大 小都不发生任何变化的物体 刚体是一种理想模型
一 刚体的运动 刚体的运动
｛ 转动
平动
平动 ( translation ) 刚体运动时，其上任意两点的连线 ， 在运动过程中始终保持其方向不变 。 刚体的平动遵从质点运动的规律
ω ω0 αt
1 2 θ θ0 ω0t αt 2 2 2 ω ω0 2α(θ θ0 )
切向加速度 ( tangential acceleration )
dv at dt d (rω) dt dω r dt
m r
i 1
n
2
i i
=J
1 2 Ek Jω 2
转动动能
ω 对应 v
J 对应 m
1 2 Ek mv 2
质点的动能
二 转动惯量 ( moment of inertia ) 质量 质点惯性大小的量度
J 与 m 对应
转动惯量 刚体转动惯性大小的量度
n
J mi ri
i 1
2
体分布
dm =ρdV dm =σdS dm =λdl
面分布 线分布
J r dm
2 m
单位:
kg · 2 m
说明： J r 2dm
m
1. J 与刚体的质量有关； 2. 质量一定，与质量的分布有关；
3. 与轴的位置有关。因此叫作绕轴的
转动惯量。
转动惯量的计算
例1 质量为m，半径为 r 的均匀细圆环， 对通过其中心并垂直环面的转轴的转动惯量。 解： 根据转动惯量的定义求解。
3. 题 3－2，3－8，3－9。
§3-1
刚体的定轴转动
刚体 ( rigid body ) ：在任何情况下，其形状和大 小都不发生任何变化的物体 刚体是一种理想模型
一 刚体的运动 刚体的运动
｛ 转动
平动
平动 ( translation ) 刚体运动时，其上任意两点的连线 ， 在运动过程中始终保持其方向不变 。 刚体的平动遵从质点运动的规律
ω ω0 αt
1 2 θ θ0 ω0t αt 2 2 2 ω ω0 2α(θ θ0 )
切向加速度 ( tangential acceleration )
dv at dt d (rω) dt dω r dt
物理-定轴转动刚体的角动量定理和角动量守恒定律
或 Lz = I = 恒量
当刚体相对惯性系中某给定转轴的合外力矩为 零时，该刚体对同一转轴的角动量保持不变。
——对转轴的角动量守恒定律
二、定轴转动中的角动量守恒
说明 1、 关于该守恒定律的条件：
Mz Miz 0
特别地，若每一个力的力矩均为零，即 则
二、定轴转动中的角动量守恒
M iz ri Fi sini 0 的几种情况
10
f
20
O1 R1 A
R2 O2 fB
随堂练习
当两圆柱接触处无相对滑动时，两者转速相反
10
20
O1 R1 A
R2 O2 B
且两者接触点的线速率相等！
二、定轴转动中的角动量守恒
由定轴转动的角动量定理
Mz
dLz dt
若刚体所受对转轴的合外力矩 M z 0，则有
dLz d ( I ) 0
dt
dt
二、定轴转动中的角动量守恒
(3) 对共轴非刚体系（其中各质元到转轴的距离可 变则）系：统的转动惯量可变，此时系统对转轴的角动量守恒，
即：I =恒量
• 特别地，若各质元的 保持一致，
Lz =I =恒量
当 I 增大时， 就减小； 当 I 减小时， 就增大 。
二、定轴转动中的角动量守恒
例如：花样滑冰运动员在冰面上旋转时 运动了角动量守恒定律
（1）
（2）
（3）
二、定轴转动中的角动量守恒
2、对转轴的角动量守恒定律的适用范围： • 不仅适用于刚体， • 也适用于绕同一转轴转动的任意质点系。
二、定轴转动中的角动量守恒
3、对转轴的角动量守恒的几种典型表现 (1) 对定轴刚体：I 不变， 大小和方向均不变；
-,-,-,-刚体的定轴转动转动定律转动惯量角动量角动量守恒定律动能定理(forC)
其中 Fz对转 轴的
力矩为零，故 F 对转
轴的力矩 M zk
r
F
z
F
k
O rFz
F
M z rF sin
2019/10/24
shenyuhm44@
16
（2）合力矩等于各分力 矩的矢量和 M M1 M2 M3
（3）刚体内作用力和反作用力的力矩 互相抵消．
杆将在重力作用下由静止开始绕铰链O 转
动．试计算细杆转动到与竖直线成 角时
的角加速度和角速度．
2019/10/24
shenyuhm44@
32
解 细杆受重力和 铰链对细杆的约束力FN
作用，由转动定律得
1 mgl sin J
2
m,l FN
θ mg
O
式中 J 1 ml2 3
盘, 可绕通过盘心 O 垂直盘面的水平轴转动. 转轴与
圆盘之间的摩擦略去不计. 圆盘上绕有轻而细的绳索,
绳的一端固定在圆盘上, 另一端系质量为 m 的物体.
试求物体下落时的加速度、绳中的张力和圆盘的角加速
度.
m
Ro
m
T
m
oR m
T'
Py
解：1）分析受力 2）选取坐标
注意：转动和平 动的坐标取向要一致.
转轴旋转．开始起动时，角速度为零．起动
后其转速随时间变化关系为： m (1 et / )
式中 m 540 r s1， 2.0 s ．求： (1)t=6 s时电动机的转速．(2)起动后，电动 机在 t=6 s时间内转过的圈数．(3)角加速度 随时间变化的规律．
刚体定轴转动的角动量定理 角动量守恒定律
典型例子
[例题]如图(a)表示半径为R的放水弧形闸门，可绕图中
左方质点转动，总质量为m,质心在距转轴
7 9
2 处，闸 R 3
门及钢架对质点的总转动惯量为 I mR 2 ,可用钢丝 绳将弧形闸门提起放水，近似认为在开始提升时钢架 部分处于水平，弧形部分的切向加速度为a=0.1g，g为 重力加速度,不计摩擦,不计水浮力.
图(a)
（1）求开始提升时的瞬时，钢丝绳对弧形闸门的拉力 和质点对闸门钢架的支承力. （2）若以同样加速度提升同样重量的平板闸门[图(b)]
需拉力是多少？
FT
W
图(b)
[解]（1）以弧形闸门及钢架 为隔离体，受力如图(a)所示. 建立直角坐标系Oxy， 根据质心运动定理 FT FN W mac 向x及y轴投影得
考虑到
t
12v0 dr g 7lg v cos t cos( t) dt 2 24v0 7l
例：圆盘（R，M），人（m）开始静止，人
走一周，求盘相对地转动的角度.
1 I 2 MR 2 2
解： 系统对转轴 角动量守恒
M=0
I11 () I 22 0
I1 mR
2
人— ，盘— （对地的角位移） d d m 1 2 dt dt
I1d I 2 d
1 2 0
2
1 M 2
I d I d
0
2m 2 2m M
例：
圆盘质量M,半径R,J=MR2/2, 转轴光滑,人的质量m,开始时， 两者静止．求：人在盘上沿边 缘走过一周时，盘对地面转过 的角度．
in ex
角动量守恒定律是自然界的一个基本定律.
2.91刚体的定轴转动力矩 转动定律 转动惯量
Fi 0 , M i 0
M r F
d
P
F
F
Fi 0 , M i 0
F
F
2.9刚体的定轴转动定律
讨论
第二章 守恒定律
1）若力 F 不在转动平面内，把力分解为平行和垂
直于转轴方向的两个分量 其中 Fz 对转轴的力 矩为零，故 F 对转轴的 力矩
代入初始条件积分 得
3g d sind 2l
3g (1 cos ) l
考虑到
7lg 12 v0 dr g cost cos( t) dt 2 24 v0 7l
t
2.9刚体的定轴转动定律
第二章 守恒定律
例4 一长为 l 质量为 m 匀质细杆竖直放置，其 下端与一固定铰链 O 相接，并可绕其转动 . 由于此 竖直放置的细杆处于非稳定平衡状态，当其受到微小 扰动时，细杆将在重力作用下由静止开始绕铰链O 转 动 .试计算细杆转动到与竖直线成 角时的角加速度 和角速度 .
刚体定轴转动的角动量定理
第二章 守恒定律
t2
t1
Mdt J 2 J1
3 刚体定轴转动的角动量守恒定律 若M 讨论 若 J 不变， 不变；若 J 变， 也变，但 L 内力矩不改变系统的角动量.
守 恒条件
0 ，则 L J 常量
M 0
J 不变.
在冲击等问题中
L mi ri vi (
i
2 mi ri )
L J
i
ri
mi
z
2 刚体定轴转动的角动量定理 dL d( J ) M dt dt
O
vi
t1
M r F
d
P
F
F
Fi 0 , M i 0
F
F
2.9刚体的定轴转动定律
讨论
第二章 守恒定律
1）若力 F 不在转动平面内，把力分解为平行和垂
直于转轴方向的两个分量 其中 Fz 对转轴的力 矩为零，故 F 对转轴的 力矩
代入初始条件积分 得
3g d sind 2l
3g (1 cos ) l
考虑到
7lg 12 v0 dr g cost cos( t) dt 2 24 v0 7l
t
2.9刚体的定轴转动定律
第二章 守恒定律
例4 一长为 l 质量为 m 匀质细杆竖直放置，其 下端与一固定铰链 O 相接，并可绕其转动 . 由于此 竖直放置的细杆处于非稳定平衡状态，当其受到微小 扰动时，细杆将在重力作用下由静止开始绕铰链O 转 动 .试计算细杆转动到与竖直线成 角时的角加速度 和角速度 .
刚体定轴转动的角动量定理
第二章 守恒定律
t2
t1
Mdt J 2 J1
3 刚体定轴转动的角动量守恒定律 若M 讨论 若 J 不变， 不变；若 J 变， 也变，但 L 内力矩不改变系统的角动量.
守 恒条件
0 ，则 L J 常量
M 0
J 不变.
在冲击等问题中
L mi ri vi (
i
2 mi ri )
L J
i
ri
mi
z
2 刚体定轴转动的角动量定理 dL d( J ) M dt dt
O
vi
t1
刚体定轴转动的力矩转动定律转动惯量资料重点
L L/ 2
12
例2、均质细圆环的转动惯量
任取线元dl ， dm=dl，距离轴 r
I r2dm r2 dm mr2
例3、质量为m，半径为R 的均质圆盘的转动惯量
可看作由半径不同的圆环构成，盘面
单位面积的质量为 m R2
任取面元ds（离r 远处dr 宽细环）
R
dm 2rdr
对转动惯量的贡献为: dI r2dm 2 r3dr
5）假想将物体的质量集中在半径为 rc 的细圆环
上，而保持转动惯量不变，称这圆环半径为物体 的回转半径.
I mrc2
注意
转动惯量的大小取决于刚体的质量、形状 及转轴的位置 .
说 明：
（1）实际上只有对于形状简单、质量连续且均匀分布 的刚体，才能用积分的方法算出它们的转动惯量。
（2）对于任意刚体的转动惯量，通常是用实验的方法 测定出来的。
2、M 符号 ——使刚体向规定的转动正方向加速的力矩为正；
确定了转轴方向时， M 方向与转轴方向相同取为正;
M 方向与转轴方向相反取为负.
§ 转动惯量的计算
1、定义（对轴）:
I miri2
i
（ri 为质元相对于转轴的垂直距离）
dm ➢ 物理意义：描述刚体对轴转动惯
性大小的物理量.
m
r
理论计算:
JC
J
Cdm
平行
1）对同一轴 I 具有可叠加性
I Ii
2）平行轴定理
I Ic md 2 d --两平行轴距离
2） 平行轴定理
质量为m 的刚体，如果对
其质心轴的转动惯量为 JC ，则
对任一与该轴平行，相距为 d
的转轴的转动惯量
IO IC md 2
3-(1-2)刚体、转动动能、转动惯量
O
R
Y
r
2
R Z
2
2
X
其体积：
2 2
dV r dZ ( R Z )dZ
其质量： dm dV ( R Z )dZ
2 2
其转动惯量： dI
1 2
r dm
2
1 2
( R Z ) dZ
2 2 2
15 – 8 1 多普勒效应 2
dI
r dm
2 n 2
第十五章 机械波
2 i 1 质量连续分布 mi 0
n
ri M
vim
i
Ek lim
mi 0 i 1 n
2m r
2 i i
2
1
2
令I
r dm
2 n 2
1 2 1
2
( r dm )
2
或I= mi ri
i 1
I
2
Ek
1 2
对（1）式求导：
rj
mj
rij
O
rj ri rij (1) v j vi a j ai
选取参考 点O，则：
mi ri
rij c
第十五章 机械波 15 – 8 多普勒效应 结论：刚体平动时，其上各点具有相同的速度、加速
I
2
15 – 8
多普勒效应
1 2
2
第十五章 机械波
Ek
I
2
Ek
1 2
mv
2
I－转动惯量
I mi ri －质量不连续分布
i
I r dm
刚体定轴转动的转动定律力矩
rk
Fk
fk
在上式两边同乘以 rk Fk rk fk rk mk ak rk mk rk rk
对所有质元求和
Fk rk fk rk ( mkrk 2 )
内力矩之和为0
转动惯量 J
刚体绕定轴转动微分方程（刚体的转动定律） M J
与牛顿第二定律比较： M F, J m, a
定轴转动刚体所受合外力矩的冲量矩等于其动量矩的增量
3. 刚体定轴转动的动量矩守恒定律
对定轴转动刚体
Mz 0
Lz 0
Jω 常量
说明
变形体绕某轴转动时，若 M z 0
则变形体对该轴的动量矩 Lz Jkk C
k
动量矩守恒举例
z
rk
mk
J t ω 常量 J t ω
J t ω
探究问题:为跳水\芭蕾舞\花样滑冰项目写一篇技术报告
Nx y
v0
m
求 它由此下摆 角时的
解 M 1 mglcos
O•
ml x
2
•C
由动能定理
A
0
Md
0
l mgcosd
2
mg
lmg sin 0 1 J2 0
2
2
J 1 ml2 3
2 3gsin
l
(3gsin )1/2
l
此题也可用机械能守恒定律方便求解
3.2.3 刚体定轴转动的角动量守恒定律
1. 质点动量矩 (角动量)定理和动量矩守恒定律
行星对太阳的位矢在相等的时间内扫过相等的面积
L mvrsin m Δr rsin 2m ΔS
Δt
Δt
ΔS
•
M Δrr
mv1
•M
《大学物理》34刚体定轴转动的角动量定理角动量守恒定律.
矩为零故角动量守恒。
设子弹射入后杆起摆的角速度为ω，则有：
1 m v 0 a ( ML2 ma 2 ) 3
子弹射入后一起摆动的过程只有重力做功，故系统机 械能守恒。
1 1 L 2 2 2 ( ML ma ) mga (1 cos60 ) Mg (1 cos60 ) 2 3 2
1
2.刚体的角动量定理及守恒定律
刚体所受合外力矩与角加速度关系为
d M J J dt
利用角动量表示
dJ dL M dt dt
刚体绕定轴转动时，作用于刚体的合外力矩等于刚 体绕此轴的角动量对时间的变化率。这是刚体角动 量定理的一种形式。
当合外力矩为零时
d J dL M dt dt
如果质点所受合外力矩为零，则质点的角动量保持不变， 这就是质点的角动量守恒定律。
1. 质点角动量定理及守恒定律
例：我国第一颗人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运动，地心为该椭圆 的一个焦点。已知地球半径 R ，卫星的近地点到地面距离 l ，卫星的远 地点到地面距离 l 。若卫星在近地点速率为 v1 ，求它在远地点速率 v2 。
3.4刚体定轴转动的角动量定理 角动量守恒定律
一、冲量矩 角动量 1.冲量矩
定义：力矩与力矩作用时间的乘积称为冲量矩。
数学表达：
M dt
0
t
2.角动量
整个刚体的角动量就是刚体上每一个质元的角动 量——即每个质元的动量对转轴之矩的和。
2.1质点的角动量
o
r
v
o
L
m
L
r
m
J 恒量
如果物体所受合外力矩为零，或不受外力矩的作用， 物体的角动量保持不变，这就是角动量守恒定律。
设子弹射入后杆起摆的角速度为ω，则有：
1 m v 0 a ( ML2 ma 2 ) 3
子弹射入后一起摆动的过程只有重力做功，故系统机 械能守恒。
1 1 L 2 2 2 ( ML ma ) mga (1 cos60 ) Mg (1 cos60 ) 2 3 2
1
2.刚体的角动量定理及守恒定律
刚体所受合外力矩与角加速度关系为
d M J J dt
利用角动量表示
dJ dL M dt dt
刚体绕定轴转动时，作用于刚体的合外力矩等于刚 体绕此轴的角动量对时间的变化率。这是刚体角动 量定理的一种形式。
当合外力矩为零时
d J dL M dt dt
如果质点所受合外力矩为零，则质点的角动量保持不变， 这就是质点的角动量守恒定律。
1. 质点角动量定理及守恒定律
例：我国第一颗人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运动，地心为该椭圆 的一个焦点。已知地球半径 R ，卫星的近地点到地面距离 l ，卫星的远 地点到地面距离 l 。若卫星在近地点速率为 v1 ，求它在远地点速率 v2 。
3.4刚体定轴转动的角动量定理 角动量守恒定律
一、冲量矩 角动量 1.冲量矩
定义：力矩与力矩作用时间的乘积称为冲量矩。
数学表达：
M dt
0
t
2.角动量
整个刚体的角动量就是刚体上每一个质元的角动 量——即每个质元的动量对转轴之矩的和。
2.1质点的角动量
o
r
v
o
L
m
L
r
m
J 恒量
如果物体所受合外力矩为零，或不受外力矩的作用， 物体的角动量保持不变，这就是角动量守恒定律。
刚体的转动定律
6
例2、求质量为 ， 、求质量为m， 长度为l的均匀细棒 的均匀细棒， 长度为 的均匀细棒， l/2 h 对下列转轴C、 、 对下列转轴 、G、H H G C 的转动惯量。 的转动惯量。 设棒的线密度为λ， 解：设棒的线密度为 ，由转动惯量的定义式 2 J = ∫ x λdx 对C点： 点
1 3 2λ l 3 ml 2 J C = x λdx = λx = ( ) = 3 3 2 12 −l / 2 −l / 2
θ
dω dω dθ dω β= = =ω dt dθ dt dθ
得
两边乘以dθ后积分得： 两边乘以 后积分得： 后积分得
1 2 3g cosθ 3g sin θ ∫ ωdω = 2 ω = ∫ 2l dθ = 2l 0 0
ω=
3g sin θ l
用能量守恒原理也可以解出ω 用能量守恒原理也可以解出 下降时重力做的功为: 由于均匀细棒的质心在 l/2 处，下降时重力做的功为: 下降时重力做的功为
在机械能守恒定律中， 在机械能守恒定律中，刚体定轴转动的动能由上式 12 计算。 计算。
的均匀细直棒， 例4、一根长为l、质量为m的均匀细直棒，其一端有一固定的光 滑水平轴，因而可以在竖直平面内转动。 滑水平轴，因而可以在竖直平面内转动。最初棒静止在水平位 角时的角加速度和角速度。 置，求它由此下摆θ角时的角加速度和角速度。 解：棒下摆为加速过程，外力 棒下摆为加速过程， 矩为重力对O的力矩。 矩为重力对O的力矩。 在棒上 取质元dm,当棒处在下摆θ角时， dm,当棒处在下摆 取质元dm,当棒处在下摆θ角时， 质元的重力为： 质元的重力为： dM=ldm g sin(900-θ) =λgldlcos(θ)
dt
角加速度 切向加速度为
刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律课件
转动惯量的特性
只与刚体的质量和各质点到转动轴 的距离有关，与转动角速度的大小 无关。
02
角动量定理
角动量的定义与性质
角动量的定义
角动量是描述刚体转动状态的物理量 ，等于刚体的转动惯量乘以角速度。
角动量的性质
角动量是矢量，具有方向和大小；对 于定轴转动，角动量位于转轴上；角 动量是相对量，与参考系的选择有关 。
理解角动量守恒定律的证明方法是深入理解该定律的重要途径。
详细描述
证明角动量守恒定律的方法主要有两种，一种是基于牛顿第二定律和转动定理推导，另一种是通过分析系统的能 量变化来证明。通过这些证明方法，可以更深入地理解角动量守恒定律的物理意义和适用条件。
04
刚体定轴转动的实例 分析
刚体定轴转动的实例介绍
角动量守恒定律的内容及应用
总结词
掌握角动量守恒定律的内容及应用是解决实际问题的关键。
详细描述
角动量守恒定律表明，对于不受外力矩或所受外力矩的矢量和为零的系统，其总角动量保持不变。这 一原理在日常生活、工程技术和科学研究中有广泛的应用，如行星运动、陀螺仪、火箭飞行等。
角动量守恒定律的证明方法
总结词
陀螺仪
风扇
陀螺仪是一个典型的刚体定轴转动实 例，其工作原理就是角动量守恒定律 。
当风扇的扇叶旋转时，可以将其视为 刚体定轴转动，这个过程涉及到角动 量定理的应用。
自行车轮
自行车轮在转动时，也是一个刚体定 轴转动的例子，其转动惯量对于理解 角动量定理和角动量守恒定律非常有 帮助。
刚体定轴转动的角动量定理应用实例
舞蹈演员在进行旋转动作时，可以通过改变身体的姿势来改变转动惯量，从而控制旋转的 速度。
刚体定轴转动的角动量守恒定律应用实例
只与刚体的质量和各质点到转动轴 的距离有关，与转动角速度的大小 无关。
02
角动量定理
角动量的定义与性质
角动量的定义
角动量是描述刚体转动状态的物理量 ，等于刚体的转动惯量乘以角速度。
角动量的性质
角动量是矢量，具有方向和大小；对 于定轴转动，角动量位于转轴上；角 动量是相对量，与参考系的选择有关 。
理解角动量守恒定律的证明方法是深入理解该定律的重要途径。
详细描述
证明角动量守恒定律的方法主要有两种，一种是基于牛顿第二定律和转动定理推导，另一种是通过分析系统的能 量变化来证明。通过这些证明方法，可以更深入地理解角动量守恒定律的物理意义和适用条件。
04
刚体定轴转动的实例 分析
刚体定轴转动的实例介绍
角动量守恒定律的内容及应用
总结词
掌握角动量守恒定律的内容及应用是解决实际问题的关键。
详细描述
角动量守恒定律表明，对于不受外力矩或所受外力矩的矢量和为零的系统，其总角动量保持不变。这 一原理在日常生活、工程技术和科学研究中有广泛的应用，如行星运动、陀螺仪、火箭飞行等。
角动量守恒定律的证明方法
总结词
陀螺仪
风扇
陀螺仪是一个典型的刚体定轴转动实 例，其工作原理就是角动量守恒定律 。
当风扇的扇叶旋转时，可以将其视为 刚体定轴转动，这个过程涉及到角动 量定理的应用。
自行车轮
自行车轮在转动时，也是一个刚体定 轴转动的例子，其转动惯量对于理解 角动量定理和角动量守恒定律非常有 帮助。
刚体定轴转动的角动量定理应用实例
舞蹈演员在进行旋转动作时，可以通过改变身体的姿势来改变转动惯量，从而控制旋转的 速度。
刚体定轴转动的角动量守恒定律应用实例
17定轴转动刚体的角动量守恒定律
啮合过程机械能损失J：1 J 2
E
E0 E
(1 2
J112
1 2
J
2
22
)
1 2
(
J1
J2
)
2
J1J2 (1 2 )2
2(J1 J2 )103由于刚体的角动量等于刚体的转动惯量和角速度 的乘积。定轴转动刚体角动量的情况有两种：
a)对于定轴转动的刚体，其转动惯量I为常数，其角
速度 也为常数， =0。
0 0 , 0 0 C , C
即刚体在受合外力矩为0时，原来静止则永远保持静止， 原来转动的将永远转动下去。证明了牛顿第一定律。
端A相碰撞，并被棒反向弹回，碰撞时间极短。已知 小滑块与细棒碰撞前后的速率分别为v和u，则碰撞后
棒绕轴转动的角速度 为多大？
解: 对于整个系统不考虑轴间摩擦阻力矩,则系统不受外力
矩作用, 碰撞前后角动量守恒.
m2vl I m2ul
细棒绕O转动的转动惯量为
I
1 3
m1l 2
m2 v
uA
O
m1
代入上式求得 3(v u)m2
定轴转动刚体的 角动量守恒定律
1
一、定轴转动刚体的角动量定理
刚体定轴转动定律： M I I d d(I) dL
dt dt dt
M dL dt
定轴转动刚体角动量 定理微分形式
定轴转动刚体所受的合外力矩等于刚体的角动量
对时间的变化率。
将 M dL 两边同时乘以dt并积分，得：
dt
t
L
Mdt t0
I2 I0 2ml22 60 2 5 0.22 60.4kg m 2
2
I11
I2
3 70 60 .4
E
E0 E
(1 2
J112
1 2
J
2
22
)
1 2
(
J1
J2
)
2
J1J2 (1 2 )2
2(J1 J2 )103由于刚体的角动量等于刚体的转动惯量和角速度 的乘积。定轴转动刚体角动量的情况有两种：
a)对于定轴转动的刚体，其转动惯量I为常数，其角
速度 也为常数， =0。
0 0 , 0 0 C , C
即刚体在受合外力矩为0时，原来静止则永远保持静止， 原来转动的将永远转动下去。证明了牛顿第一定律。
端A相碰撞，并被棒反向弹回，碰撞时间极短。已知 小滑块与细棒碰撞前后的速率分别为v和u，则碰撞后
棒绕轴转动的角速度 为多大？
解: 对于整个系统不考虑轴间摩擦阻力矩,则系统不受外力
矩作用, 碰撞前后角动量守恒.
m2vl I m2ul
细棒绕O转动的转动惯量为
I
1 3
m1l 2
m2 v
uA
O
m1
代入上式求得 3(v u)m2
定轴转动刚体的 角动量守恒定律
1
一、定轴转动刚体的角动量定理
刚体定轴转动定律： M I I d d(I) dL
dt dt dt
M dL dt
定轴转动刚体角动量 定理微分形式
定轴转动刚体所受的合外力矩等于刚体的角动量
对时间的变化率。
将 M dL 两边同时乘以dt并积分，得：
dt
t
L
Mdt t0
I2 I0 2ml22 60 2 5 0.22 60.4kg m 2
2
I11
I2
3 70 60 .4
4第四章 刚体的定轴转动
七、能综合应用转动定律和牛顿运动定律及质点、刚体定轴转 动的运动学公式计算质点刚体系统的简单动力学问题. 八、能综合应用守恒定律求解质点刚体系统的简单动力学问题. 明确选择分析解决质点刚体系统力学问题规律时的优先考虑顺序.
第 1 讲 刚体的定轴转动
预习要点 1. 理解刚体的运动； 2. 掌握描述刚体定轴转动的运动学方法； 3. 理解力矩的概念及力矩的功；
式中 mi ri2 表示第i个质点对转轴的转动惯量；
对质量连续分布的刚体，任取质量元 dm ，其到轴的
距离为 r ，则转动惯量：
J r2dm 单位：kg ·m2
若系统由多个刚体组成，则系统对转轴的总转动惯量， 等于各部分对同一转轴的转动惯量之和
一个长为4L的轻杆，连有两个质量都是m的小球（大小可 忽略），此系统可绕垂直于杆的轴转动，求下列转动惯量；
在转动平面内，O为转动平面与转轴的焦点，r 为从O 点指向
M 力的作用点 A 的位矢，两矢量的夹角为 ；
力 F 对定轴 OZ 的力矩 ：
（力臂：力的作用线到转轴的距离）
z
M Z Fd Fr sin
通常，从OZ轴正向俯视，有 逆时针转动（趋势）力矩为正， 反之为负；
单位：牛·米（N ·m）
F
Or
例:一轻绳跨过一轴承光滑的定滑轮，绳的两端分别悬
有质量为m1和m2的物体，滑轮可视为均质圆盘， 质量 为m，半径为r，绳子不可伸长而且与滑轮之间无相对 滑动.求物体加速度、滑轮转动的角加速度和绳子的张
力. 设 m2 m1
解: 受力分析如图：
FT1 m1g m1a m2g FT2 m2a
FT2R FT1R J a r
m2
)
gl
sin
α
第 1 讲 刚体的定轴转动
预习要点 1. 理解刚体的运动； 2. 掌握描述刚体定轴转动的运动学方法； 3. 理解力矩的概念及力矩的功；
式中 mi ri2 表示第i个质点对转轴的转动惯量；
对质量连续分布的刚体，任取质量元 dm ，其到轴的
距离为 r ，则转动惯量：
J r2dm 单位：kg ·m2
若系统由多个刚体组成，则系统对转轴的总转动惯量， 等于各部分对同一转轴的转动惯量之和
一个长为4L的轻杆，连有两个质量都是m的小球（大小可 忽略），此系统可绕垂直于杆的轴转动，求下列转动惯量；
在转动平面内，O为转动平面与转轴的焦点，r 为从O 点指向
M 力的作用点 A 的位矢，两矢量的夹角为 ；
力 F 对定轴 OZ 的力矩 ：
（力臂：力的作用线到转轴的距离）
z
M Z Fd Fr sin
通常，从OZ轴正向俯视，有 逆时针转动（趋势）力矩为正， 反之为负；
单位：牛·米（N ·m）
F
Or
例:一轻绳跨过一轴承光滑的定滑轮，绳的两端分别悬
有质量为m1和m2的物体，滑轮可视为均质圆盘， 质量 为m，半径为r，绳子不可伸长而且与滑轮之间无相对 滑动.求物体加速度、滑轮转动的角加速度和绳子的张
力. 设 m2 m1
解: 受力分析如图：
FT1 m1g m1a m2g FT2 m2a
FT2R FT1R J a r
m2
)
gl
sin
α
刚体力学第2讲——定轴转动中的功能关系刚体的角动量定理和角动量守恒定律
圆盘质量的1/10．开始时盘载人对地以角速度w0匀速转 动，现在此人垂直圆盘半径相对于盘以速率v沿与盘转
动相反方向作圆周运动(如图) 求：1) 圆盘对地的角速度．
2）欲使圆盘对地静止，人应沿着圆周对圆盘的速 度的大小及方向？
R
R/2 v
解：取人和盘为系统，
M 外 0 系统的角动量守恒.
R /2
Ro
v
(1)开始系统的角动量为
m
12 R
2
0
1 2
M
R 20
后来：
m
1 4
R 2 mE
1 2
M
R 2 ME
mE ME mM 21 M R 20 / 40
R /2
Ro
v
MR 40
2
ME
2v R
M
R 2 ME
/2
为
亦即l>6s；当‘’取负值，则棒向右摆，其条件为
3gl 3 2gs 0 亦即l<6s
棒的质心C上升的最大高度，与第一阶段情况相似，也可由 机械能守恒定律求得：
mgh 1 1 ml 2 2
23
把式（5）代入上式，所求结果为
h l 3s 6sl
解 这个问题可分为三个
阶段进行分析。第一阶段 是棒自由摆落的过程。这
O
时除重力外，其余内力与
外力都不作功，所以机械
能守恒。我们把棒在竖直
C
位置时质心所在处取为势
能零点，用表示棒这时
的角速度，则
mg l 1 J 2＝1 1 ml 2 2
22
23
（1）
动相反方向作圆周运动(如图) 求：1) 圆盘对地的角速度．
2）欲使圆盘对地静止，人应沿着圆周对圆盘的速 度的大小及方向？
R
R/2 v
解：取人和盘为系统，
M 外 0 系统的角动量守恒.
R /2
Ro
v
(1)开始系统的角动量为
m
12 R
2
0
1 2
M
R 20
后来：
m
1 4
R 2 mE
1 2
M
R 2 ME
mE ME mM 21 M R 20 / 40
R /2
Ro
v
MR 40
2
ME
2v R
M
R 2 ME
/2
为
亦即l>6s；当‘’取负值，则棒向右摆，其条件为
3gl 3 2gs 0 亦即l<6s
棒的质心C上升的最大高度，与第一阶段情况相似，也可由 机械能守恒定律求得：
mgh 1 1 ml 2 2
23
把式（5）代入上式，所求结果为
h l 3s 6sl
解 这个问题可分为三个
阶段进行分析。第一阶段 是棒自由摆落的过程。这
O
时除重力外，其余内力与
外力都不作功，所以机械
能守恒。我们把棒在竖直
C
位置时质心所在处取为势
能零点，用表示棒这时
的角速度，则
mg l 1 J 2＝1 1 ml 2 2
22
23
（1）
刚体绕定轴转动定律和角动量定理的表达式
刚体绕定轴转动定律和角动量定理的表达
式
刚体绕定轴转动定律和角动量定理是物理学中的一对重要定律，它们描述了刚体绕定轴转动的动力学过程。
首先，刚体绕定轴转动定律表明，当刚体绕定轴转动时，角加速度与作用于该刚体的合力成正比，且方向与合力方向一致，可用公式表示为：α=F/I，其中α为角加速度，F为合力，I为惯性矩。
其次，角动量定理表明，刚体绕定轴转动时，角动量的变化量等于作用于刚体的合力矩的积分，可以用公式表示为：ΔL=∫F·ds，其中ΔL为角动量的变化量，F为合力，ds为沿着转动轴的增量。
这两个定律对刚体绕定轴转动的过程有着重要的解释作用。
它们揭示了角加速度与合力之间的关系，以及角动量的变化量与合力矩之间的关系。
同时，它们也为刚体绕定轴转动的动力学研究提供了重要的参考依据，从而为我们更好地理解刚体绕定轴转动的动力学过程提供指导。
总之，刚体绕定轴转动定律和角动量定理是物理学中的重要定律，它们描述了刚体绕定轴转动的动力学过程，并为我们更好地理解刚体绕定轴转动的动力学过程提供指导。
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Iz Ix Iy
z
定理证明：
对于质量平面分布的刚体， 绕 x 轴的转动惯量为：
o
yy
Ix y2dm
x
dm
绕 y 轴的转动惯量为：
I y x2dm
x
绕 z 轴的转动惯量为：
19
z
Iz z2dm (x 2 y2 )dm
y2dm x 2dm I x I y 证毕
o
yy
x z dm
0
M
绕圆环质心轴的转动惯量为
dm
oR
I MR2
例2：在无质轻杆的 b 处 3b 处各系质量为 2m 和 m 的 质点，可绕 o 轴转动，求：质点系的转动惯量I。
解：由转动惯量的定义
I
2
mi ri 2
2mb 2
m
(3b)2
11mb 2
i 1
9
例3： 如图所示，一质量为m、长为l的均质空心圆柱
体（即圆筒圆筒）其内、外半径分别为R1和R2。试求
的质元受阻力矩大，
细杆的质量密度 m
l
质元质量 dm dx
o
xl dm m dx
x
质元受阻力矩：
dM 阻 dmgx
细杆受的阻力矩
m l
M阻
dM
阻
0l
gxdx
1 2
gl 2
1 2
mgl
4
二、定轴转动刚体的角动量
1 .质点对点的角动量
L
r
P
r
mv
作圆周运动的质点的角动量L＝rmv;
l
x2dm
L
x2dx
1 L3
0
1 mL2
0
3
A
o
x
dm
dx L
l
B
3
（2）对于通过棒的中心的轴 A
C dm B
L/2
L/2
Ic x2dm x2dx
o
L2
x dx
L2
L/2
L / 2
1 L3 1 mL2
12
12
IA
IC
m(
L)2 2
11
上例中IC表示相对通过质心的轴的 转动惯量， IA表示相对通过棒端 的轴的转动惯量。两轴平行，相距
强调：对于刚体的定轴转动，我们只能用角动量来 描述，而不能用动量来描述。
6
三、定轴转动刚体的转动惯量
1 .定义 刚体对固定轴的转动惯量等于各质元质量与其至
转轴的垂直距离的平方的乘积之和。
I (Δmiri2 )
I是描述刚体转动惯性大小的物理量。
刚体的转动惯量与哪些物理量有关？
①.与刚体质量有关。
②.与质量对轴的分布有关。
例：半径为 R 质量为 M 的圆盘，求绕x 直径轴转动的转
动惯量Jy。
解：圆盘绕垂直于盘面的质心 z
轴转动的转动惯量为：
Iz
1 2
MR2
y
动 画
Iz Ix Iy 2Iy
z
Iy
1 2
Iz
1 MR2 4
x
20
计算变力对某一转轴的力矩则应当采取分小段的 办法，将每一小段的力视为恒力，再按照恒力矩的计 算方法进行计算，最后求和。
3
例1：一匀质细杆，长为 l 质量为 m ，在摩擦系数为
的水平桌面上转动，求摩擦力的力矩 M阻。
解：杆上各质元均受摩擦力作用，但各质元受的摩
擦阻力矩不同，靠近轴的质元受阻力矩小，远离轴
3. 具有瞬时性，是力矩的瞬时效应。
4. 转动惯量I是刚体转动惯性大小的量度。
5.刚体转动定律的地位与牛顿第二定律相当。
15
例6 一个质量为Ｍ、半径为Ｒ的定滑
轮（当作均匀圆盘）上面绕有细绳，
绳的一端固定在滑轮边上，另一端挂
一质量为ｍ的物体而下垂。忽略轴处
摩擦，求物体ｍ由静止下落高度ｈ时 mg
的速度和此时滑轮的角速度。
解： 对M：M ＝ TR＝Iβ
I＝1 MR2 2
对m : mg T ma a Rβ
解 方 程 得 ： a
m
m M
2
g
v
2ah
4mgh 2m M
ω
v R
1 R
4mgh 2m M
16
例7 两个匀质圆盘，同轴地粘结在一起，构成一个组合轮。小
圆盘的半径为r，质量为m；大圆盘的半径r’=2r，质量m’ = 2m。
质量的线密度、面 密度和体密度。
质量均匀分布且形状以规则对称的，可利用上 面的公式计算转动惯量，对于形状复杂的刚体通 常通过实验测得其转动惯量。
8
例2：半径为 R 质量为 M 的圆环，绕垂直于圆环平面 的质心轴转动，求转动惯量I。
解：分割质量元 dm圆环上各质量元到轴的距离相等，
M
I R2dm R 2 0M dm MR 2
对几何轴oz的转动惯量。
z
解：在半径为r( R1 r R2 )处,取一薄圆
R1
dr
r
柱壳形状的质元,其长为l半径为r厚度为dr, R2
则该质元的质量为dm dV ( 2 rdr )l
l
I
r2dm
m
R2 R1
2
l
r 3dr
l
2
(
R24
R14
)
圆筒的体密度
m (R22 R12 )l
I
1 2
m(R22
R12 )
o
若R1
0,
R2
R,
I
1 2
mR 2
若R1 R2 R, I mR 2
10
例4 求长度为L，质量为m的均匀细棒AB的转动惯量。
（1）对于通过棒的一端与棒垂直的轴。
x x
（2）对于通过棒的中心与棒垂直的轴。
解（1）细杆为线质量分布，单位长度的质量为： m
I A
该力对转轴的力矩为零。 M r F
大小：M Fr sin
z
F∥
or
F θ F⊥
转轴
转动平面 2
说明： a)力的作用线与转轴相交或平行时力对该转轴的矩为0；
b)同一个力对不同的转轴的矩不一样；
c)当所给的力在转动平面内，力对转轴的矩与力对交 点O的矩等值。但不能说完全相同。
d)在定轴转动中，如果有几个外力同时作用在刚体上， 它们的作用可以与某一个力矩相当这个力矩叫做这几 个力的合力矩。合力矩与合力的矩是不同的概念，不 要混淆。 在研究力对轴的矩时，可用正负号来表示力矩的方向。 3 .力矩的计算
刚体定轴
合外力矩 内力矩之和 转动定律！
I
用M表示∑Fit ri （合外力矩），有： M I
刚体所受的对于某一固定转动轴的合外力矩等于刚 体对此转轴的转动惯量与刚体在此合外力矩作用下所 获得的角加速度的乘积。
注意几点:
1. 是矢量式（在定轴转动中力矩只有两个方向）。
2. M、I、是对同一轴而言的。
例8 如图所示，一均匀细棒，可绕通过其端点并与棒垂直的 水平轴转动。已知棒长为l，质量为m，开始时棒处于水平位 置。令棒由静止下摆，求：（1）棒在任意位置时的角加速度；
（2） 角为300，900时的角速度。
解 : (1) 棒在任意位置时的重力 矩
M mg l cos
2
M I 1 ml2
3g cos
组合轮可以绕通过其中心且垂直于盘面的光滑水平固定轴o转
动，对o轴的转动惯量J=9mr2/2 。两圆盘边缘上分别绕有轻质
细绳，细绳下端各悬挂质量为m的物体A和B，这一系统从静止
开始运动,绳与盘无相对滑动且长度不变。已知r =10cm 。 求：
（1）组合轮的角加速度；（2）当物体上升h=0.4m时，组合轮
定轴转动刚体的 转动定律度 力矩 角动量 转动惯量
1
一、作用于定轴刚体的合外力矩
1 .力对固定点的矩
M
r F
2 .力对固定轴的矩
（1）力垂直于转轴
这种情况相当于质点绕固定
点O转动的情形。
M
F
Or
d
Pr
（2）力与转轴不垂直 可以把力分解为平行于转轴的
分量和垂直于转轴的分量。
平行转轴的力不产生转动效果，
解：绕细杆质心的转动惯量为： IC
绕杆的一端转动惯量为 I 1 ml2
1 ml2
12
m
l
2
1
ml
2
12
2 3
13
四、定轴转动的转动定律
取刚体内任一质元i，它所受合外力为 Fi，内力为 f。i
只考虑合外力与内力均在转动平面 内的情形。
z (, )
对mi用牛顿第二定律： Fi fi miai
的角速度。
解： T mg ma 解得: 2g (19r )
o
mg T ma
T (2r) Tr 9mr 2
a r
10.3rads2
2
a
m, r
T
m, r
T
A
T
T
B a
a (2r)
mg
mg
(2) 设 为组合轮转过的角度 ,则: h r
2 2 (2 h r)1 2 9.08 rad s1 17
5
L Li (riΔmivi) (Δmiri2 )ω
令：I (Δmiri2 )
刚体绕OZ轴转动的转动惯量
L Iω
注意：
刚体绕OZ轴转动的角动量
a)力矩、角动量都是瞬时量，它们只能针对某一时 刻而言，它们都不是时间的累积效应。
b)力矩、角动量都是相对量，都必须指明它们是相 对于哪个轴或哪个点。
3
2l
(2) mg 1 cos 1 ml2 d
2