高中物理竞赛角动量守恒定律
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高中物理竞赛辅导讲义第6篇 角动量【知识梳理】 1.力矩(1)力对轴的力矩 力矩=力×力臂(2)力对参考点的力矩 M r F =⨯从参考点指向力的作用点的矢量r 与作用力F 的矢积。
大小 sin M Fr α=;方向 由右手螺旋定则确定。
2.角动量为了描述质点相对某一参考点的运动,可仿照力矩的定义引入动量矩的概念。
从给定的参考点指向质点的矢量和质点动量的矢积称为质点对于参考点的的动量矩。
L r p =⨯,大小 sin L pr θ=,方向 由右手螺旋定则确定。
动量矩又称角动量。
角动量是矢量,方向由右手螺旋定则确定。
3.冲量矩仿照力对时间的积累效应叫冲量,引入冲量矩的概念。
力对时间的积累效应Mt叫做冲量矩。
4.质点角动量定理质点对任参考点的角动量的增量等于外力的冲量矩。
21M t L L ⋅∆=- 。
质点对参考点的角动量的时间变化率等于外力对该点的力矩。
L M t∆=∆。
5.角动量守恒定律当质点所受外力对固定参考点(简称定点)的力矩为零时,质点对该点的角动量守恒。
6.转动惯量 在经典力学中,转动惯量(又称质量惯性矩,简称惯距)通常以I 或J 表示,SI 单位为kg·m 2。
对于一个质点,I =mr 2,其中m 是其质量,r 是质点和转轴的垂直距离。
转动惯量在转动中的角色相当于平动中的质量,可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性,用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。
7.描述平动与描述转动的相关物理量对照平动转动质量m转动惯量I=∑Δm i r i2速度v=Δx/Δt角速度ω=Δθ/Δt = v/r加速度a=Δv/Δt角加速度β=Δω/Δt = aτ/r动量p=m v角动量(动量矩)L=Iω = Σm i r i2力F力矩M = Fr sinθ牛顿第二定律F=ma刚体定轴转动定律M=Iβ冲量Ft冲量矩Mt动量定理Ft=Δp角动量定理Mt=ΔL动量守恒条件F=0 角动量守恒条件M=0平动动能m v2/2 转动动能Iω2/2【例题选讲】1.如图所示,质量为m的小球自由落下,某时刻具有速度v,此时小球与图中的A、B、C三点恰好位于某长方形四个顶点,且小球与A、C点的距离分别为l1、l2。
角动量守恒定律的公式
1. 角动量守恒定律公式。
- 对于质点,角动量L = r× p(其中r是质点相对于某参考点的位矢,p = mv 是质点的动量,×表示矢量叉乘)。
- 在合外力矩M = 0时,角动量守恒,即L_1 = L_2。
- 对于定轴转动的刚体,角动量L = Iω(其中I是刚体对轴的转动惯量,ω是刚体的角速度)。
当合外力矩M = 0时,I_1ω_1=I_2ω_2。
2. 相关知识点(人教版教材相关内容补充)
- 转动惯量。
- 对于离散质点系,I=∑_im_ir_i^2,其中m_i是第i个质点的质量,r_i是该质点到转轴的垂直距离。
- 对于质量连续分布的刚体,I = ∫ r^2dm。
不同形状的刚体转动惯量有不同的计算公式,例如,对于质量为m、半径为R的均匀圆盘绕通过圆心且垂直于盘面的轴转动,其转动惯量I=(1)/(2)mR^2;对于质量为m、长为l的细棒绕通过中心且垂直于棒的轴转动,I=(1)/(12)ml^2。
- 角动量定理。
- 对于质点,M=(dL)/(dt)(M是合外力矩),这表明质点所受合外力矩等于它的角动量对时间的变化率。
- 对于刚体定轴转动,M = Iα(α是角加速度),结合L = Iω也可推导出
M=(dL)/(dt)。
“角动量及角动量守恒定律的应用角动量(angular momentum) 在物理学中是与物体到原点的位移和动量相关的物理量。
概念:转动物体的转动惯量(rotational inertia) 和角速度(angular velocity) 的乘积叫做它的角动量。
L = IωI 是转动惯量,ω(欧米伽)是角速度。
角动量在经典力学中表示为到原点的位移和动量的叉乘,通常写做L 。
角动量是矢量。
L= r×p其中,r表示质点到旋转中心(轴心)的距离(可以理解为半径),L表示角动量。
p 表示动量。
角动量的方向:角动量是r(参考点到质点的距离矢量)叉乘动量,是两个矢量的叉乘,在右手坐标系里遵循右手螺旋法,即右手四指指向r的方向,转过一个小于180度的平面角后四指指向动量的方向,则大拇指所指的方向就是角动量的方向。
在不受外力矩作用时,体系的角动量是守恒的。
角动量在量子力学中与角度是一对共轭物理量。
角动量是一种特殊的动量,它的大小取决于转动的速率和转动物体的质量分布。
角动量守恒定律(conservation of angular momentum,law of)物理学的普遍定律之一。
反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律。
反映不受外力作用或所受诸外力对某定点(或定轴)的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点(或轴)运动的普遍规律。
例如一个在有心力场中运动的质点,始终受到一个通过力心的有心力作用,因有心力对力心的力矩为零,所以根据角动量定理,该质点对力心的角动量守恒。
因此,质点轨迹是平面曲线,且质点对力心的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。
如果把太阳看成力心,行星看成质点,则上述结论就是开普勒行星运动三定律之一。
一个不受外力或外界场作用的质点系,其质点之间相互作用的内力服从牛顿第三定律,因而质点系的内力对任一点的主矩为零,从而导出质点系的角动量守恒。
如质点系受到的外力系对某一固定轴之矩的代数和为零,则质点系对该轴的角动量守恒。
角动量及角动量守恒定律-k大量天文观测表明TmV sin& =常量定义:运动质点m对O点的角动量为L = Fx p = Hx mv 大小:Z = rmvsvnO 方向:〒x(加〒)出L=rXmV则77L=-^-<Fx»l v) = TT-X/MV + rx 生鄂^得# = r x r质点加対参考点o的d r堑千位置矿矽乖所坯的齐角动量的angular momentum吋间变化率莎"矢量尸乂来合外力炉/ -> 二二—F ................. ^-■■■■•.. ... ..... —-亠一亠g ^ ■■■I ■川工= 一二_一】大小M—FYsmG =Fd即力北Af = F X F方向垂直于天亓所决定的平面,出右螺旋法则定指向。
得质点m対给定参考点o的角动量的时I'川变化率=7 x F -M 所受的介外力矩称为质点的角动量龙理的微分形式如果各分力与。
点共面,力矩只含止、反两种方向。
可设顺时针为止向,用代数法求合力矩9质点的角动量守恒定律根据质点的角动量定理^=M ( M=r x F)若M=r x F =0则帶=0即L =常矢量当质点加所受的合外力对某参考点0的力雪历为零时,质点对该点的角动量的时间变化率豁为零,即质点对该点的角动量L守恒。
称为质点的角动量守恒定律若质点所受的合外力的方向始终通过参考点,其角动量守恒,如行星绕太阳运动,以及微观粒子中与此类似的运动模型,服从角动量守恒定律。
质点系的角动量dZ _^T7质点受:外力的时间变化率^dT~i Mi外矩的矢量和 称为 质’点:条旳角动量定瑾微分形式由菲=干莎外=図 j 匸。
"=!z odL =K-Ko 若 M = O 贝!J ZT = Lo 或 L =恒矢量当质点系所受的合外力矩为零时,苴角动量守恒。
.of angular :of partical systei 0 “点白勺箱勻云力质点系的角动量V 2Z =孚 L*=S Af XW/Vzi各质点对给定参考点的角动量的矢量和•丙恵济旳加动垦走翼 将 三=号乙=孚耳厉对时间求导#=?#=? [^=耳[vi^miVi +A ; x/w/fl/J+ A} x 用■=耳[右x Fi 内 +右x 尺外]得=另M i 内+三M ,外=E M i 外=s dr X7M/P/ + 不X 哥-(加了厉)] 某给定 O参考点尺rj dW1r 2m2二见内 用内F L 外内力矩在求矢 量和时成对相消惯性系中某给定参考点/Mi我国第i颗人造卫星沿椭圆轨道运动,地球的中心O为该椭圆的一个焦点•已知地球半径R=6378 kin,卫星与地]fli的最近距离Zi=439km, 与地Ifli的最远距离/2=2384 km・若卫星在近地点A\的速度s=8.1 km-s,则卫星在远地点Ai 的速度s= _____________________ .1.如木题图,一质最为m的质点白由降落,在某时刻具有速度v。
角动量及角动量守恒定律
1.如本题图,一质量为m 的质点自由降落,在某时刻具有速度v 。
此时它相对于A 、B 、C 三参考点的距离分别为d 1、d 2、d 3。
求
(1)质点对三个点的角动量; (2)作用在质点上的重力对三个点的力矩。
2两个质量都是m 的滑雪者,在冰场两条相距为L 0的平直跑道上均以速度V 0迎面匀速滑行,当两者之间的距离等于L 0时,分别抓住一根长为L 0的轻绳两端,而后每个人用力对等的力缓慢向自己一边拉绳子,知道二者相距L (小于L 0)时为止,求这一过程中,两位滑冰者动能总增量。
为多少,求摆锤的速度为时,与竖直方向的夹角摆长拉倒,为,且与竖直方向的夹角时摆锤的线速度为设摆长为我们可将它逐渐拉短。
,
子,系摆锤的线穿过它央支柱是一个中空的管如本题图,圆锥摆的中—22211.44v l v l θθ
A 1d 2d 3d v m θO
5、质量均为m的小球1和2,用长为4a的轻质细线相连后,均以初速v沿着与线垂直的方向在光滑水平面上运动,开始时线处于伸直状态,在运动的过程中,线上距离小球1为a的点部位与固定在水平面上的一竖直光滑细钉接触,如图所示,设在以后的运动过程中两球不相碰,试求小球1与钉的最大距离(精确倒0.001a)
6在半顶角为α的圆锥面内壁李锥顶h高处以一定初速度沿内壁水平射出一质量为m的小球,设锥面内壁是光滑的,求:
1、为使小球在h高度的水平面上做匀速圆周运动的助速度V0为多少?
2、若初速度V1=2V0,求小球在运动过程中的最大高度和最小高度。