大学物理-质心

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大学物理3-4质心 质心运动定理 动量守恒定律

大学物理3-4质心 质心运动定理 动量守恒定律
§3-4 质心 质心运动定理 动量守恒定律
1. 质心
Y
质点系(或物体) 的质量中心,简称 质心。
C
O
X
抛手榴弹的过程
质心运动反映了质点系的整体运动趋势。
质心
对于N个质点组成的质点系:
m1, m2,, mi ,mN M mi 系统总质量
r1, r2, , ri , rN
直角坐标系中 质心的定义:
F1
f12
f13
f1n
m2a2
m2
d v2 dt
F2
f21
f23
f2n
mnan
mn
d vn dt
Fn
fn1
fn2
fn3
fnn1
质心运动定理
对于内力 f12 f21 0,, fin fni 0,
ac
mi
ai miai mi
F
i
ac
Fi mi
Fi
M
质心运
条件 定律
vc
Fi
0
mivi
M
=常矢量
P
mi vi
Mvc
=常矢量
i
动量守恒定律
直角坐标系下的分量形式
m1v1x m2v2x mnvnx =常量 m1v1y m2v2 y mnvny=常量 m1v1z m2v2z mnvnz =常量
动量守恒定律
例题3-8 如图所示,设炮车以仰角 发射一炮弹,炮车
线分布 d m dl 面分布 d m d S 体分布 d m dV
质心
注意:
质心的位矢与参考系的选取有关。
刚体的质心相对自身的位置确定不变。
质量均匀的规则物体的质心在几何中心。

大学物理第2章-质点动力学基本定律

大学物理第2章-质点动力学基本定律
②保守力作功。
势能的绝对值没有意义,只关心势能的相对值。 势能是属于具有保守力相互作用的系统 计算势能时必须规定零势能参考点。但是势能差是一定的,与零点的选择无关。 如果把石头放在楼顶,并摇摇欲坠,你就不会不关心它。 一块石头放在地面你对它并不关心。
重力势能:以地面为势能零点
01
万有引力势能:以无限远处为势能零点
m
o
θ
设:t 时刻质点的位矢
质点的动量
运动质点相对于参考原点O的角动量定义为:
大小:
方向:右手螺旋定则判定
若质点作圆周运动,则对圆心的角动量:
质点对轴的角动量:
质点系的角动量:
设各质点对O点的位矢分别为
动量分别为
二.角动量定理
对质点:
---外力对参考点O 的力矩
力矩的大小:
力矩的方向:由右手螺旋关系确定
为质点系的动能,

---质点系的动能定理
讨论
内力和为零,内力功的和是否为零?
不一定为零
A
B
A
B
S
L
例:炸弹爆炸,过程内力和为零,但内力所做的功转化为弹片的动能。
内力做功可以改变系统的总动能
例 用铁锤将一只铁钉击入木板内,设木板对铁钉的阻力与铁钉进入木板之深度成正比,如果在击第一次时,能将钉击入木板内 1 cm, 再击第二次时(锤仍以第一次同样的速度击钉),能击入多深? 第一次的功 第二次的功 解:
(1)重力的功
重力做功仅取决于质点的始、末位置za和zb,与质点经过的具体路径无关。
(2) 万有引力的功
*
设质量M的质点固定,另一质量m的质点在M 的引力场中从a运动到b。
M
a
b

碰撞 碰撞定律 质心运动定律 东北大学 大学物理

碰撞 碰撞定律 质心运动定律  东北大学 大学物理

M Rd
πR
2R
M
M
π
xc 0
几何对称性
例题 如图,人与船构成质点系,人向右走时船向左动,当人从 船头走到船尾时(船长为l)则 质心位置不变 xc xc 开始时,系统质心位置
x1' x1
xc
mx1 m
Mx2 M
O
•• x2'
x
x2
i
1 完全弹性碰撞 动量守恒,机械能守恒
2 完全非弹性碰撞 动量守恒,机械能不守恒
3 非完全弹性碰撞 动量守恒,机械能不守恒
4/16
例题: 求两物到达最高处的张角
解:分三个过程:
(1)小球自A下落到B,机械能守恒:
1 2
m1v 2
m1gh1
m1gl(1 cos )
1
m1 m2
(2)小球与蹄状物碰撞过程,动量守恒:
此时,物体碰撞后以同一速度运动,不再分开,这就 是说物体碰撞后已经完全不能恢复形变。
(3) 非完全弹性碰撞 当0<e<1时, v2 v1 e(v10 v20 )
此时,碰撞后形变不能完全恢复,一部分机械能将被转 变为其他形式的能量 (如热能)。
一般情况碰撞时 F ex F in
pi C
miri / M
i
xC mi xi / M yC mi yi / M
zC mi zi / M
质量连续分布的系统的质心位置:
rC rdm / M
xc
xdm M
yc
ydm M
zc
zdm M
(3) 质心不同与重心: 物体体积不太大时两者重和;物体远 离地球时不受重力,“重心”失去意义,“质心”仍在。
度是互相垂直的。

大学物理-质心质心运动定律

大学物理-质心质心运动定律
角动量守恒条件
当刚体绕定轴转动时,如果作用于刚体上的外力矩为零,则刚体的 角动量守恒。
角动量守恒应用
利用角动量守恒原理可以解决一些实际问题,如陀螺仪的工作原理、 天体运动中行星轨道的确定等。
角动量不守恒情况
当作用于刚体上的外力矩不为零时,刚体的角动量将发生变化。此时 需要根据外力矩的作用时间和大小来计算角动量的变化量。
适用范围和条件
01
适用范围:质心运动定律适用于任何由多个质点组成的系统,无论这 些质点之间是否存在相互作用力。
02
适用条件:质心运动定律的应用需要满足以下两个条件
03
质点系所受的外力可以视为作用于质心上的合力。
04
质点系内部的相互作用力对质心的运动没有影响,或者其影响可以忽 略不计。
质点系相对于质心参
角动量
描述刚体绕定轴转动时动量的大小 和方向,等于转动惯量与角速度的 乘积。
刚体绕定轴转动时质心位置变化规律
质心位置不变
刚体绕定轴转动时,其质 心位置保持不变,始终位 于转轴上。
质心速度为零
由于质心位于转轴上,因 此质心的速度为零。
质心加速度为零
由于质心速度为零,因此 质心的加速度也为零。
刚体绕定轴转动时角动量守恒原理
02
考系运动
质点系内各点相对于质心参考系位移
01
02
03
定义
质点系内各点相对于质心 的位置矢量称为相对位移。
性质
相对位移是描述质点系内 各点相对于质心位置变化 的物理量,具有矢量性。
计算方法
通过几何方法或解析方法 求出各点相对于质心的位 置矢量。
质点系内各点相对于质心参考系速度
定义
质点系内各点相对于质心的速度称为相对速度。

4.4 质心 质心运动定理

4.4 质心 质心运动定理
解根据火箭速度公式,在第一级火箭燃料耗尽时 达到的速度为 v1 uln N1
大学物理 第三次修订本
17
第4章 冲量和动量
在第二级火箭燃料耗尽时, 火箭主体的 速度达到了v2 , 由公式得
v v0 uln
M0 M
v2 v1 uln N 2
在第三级火箭燃料耗尽时, 火箭主体最后 达到的速度为v, 应满足
M v [(M dM )(v dv) (dM )(v dv u )]

M dv udM 0
v
0
积分得 v
dv u
M
dM M
0
M0
v v 0 u(ln M ln M 0 ) 0 v v 0 u ln
M0 M
12
大学物理 第三次修订本
第4章 冲量和动量
16
第4章 冲量和动量
例3有一个三级火箭, 第一级火箭脱落前的质量 比为 N1 , 第二级火箭刚发动时火箭的质量与第 二级火箭燃料耗尽时火箭的质量之比为 N2 , 第 三级火箭刚点燃时火箭的质量与燃料耗尽时火 箭的质量之比为N3 。 若取N1 = N2 = N3 = 7.4;各级火箭的喷射速 度都为u =2.5kms-1。不计重力影响, 求该火箭最 后达到的速度。
第4章 冲量和动量
各级火箭中燃料烧完后, 火箭的速率为
v1 u ln N1
v2 v1 u ln N 2
v3 v2 u ln N 3
若火箭粒子流的喷射速率u=2.5kms-1,每 一级的质量比分别为N1=4, N2=3, N3=2, 可得: v3=7.93kms-1。
大学物理 第三次修订本
ri
rc
mi

大学物理 第三章 动量守恒定律和能量守恒定律 3-9 质心 质心运动定律

大学物理 第三章 动量守恒定律和能量守恒定律 3-9 质心 质心运动定律
物理学
第五版
3-9 质心 -
质心运动定律
一 质心
1 质心的概念
板上C点的运动轨迹是抛物线 板上 点的运动轨迹是抛物线 其余点的运动=随 点的平动+绕 点的 点的平动 点的转动 其余点的运动 随C点的平动 绕C点的转动
第三章 动量守恒和能量守恒
1
物理学
第五版
3-9 质心 -
质心运动定律
2 质心的位置 由n个质点组成 个质点组成 的质点系, 的质点系,其质心 的位置: 的位置:
13
物理学
第五版
3-9 质心 n n v v v m'vC = ∑ mi vi = ∑ pi = p i =1 i =1
质心运动定律
求一阶导数, 再对时间 t 求一阶导数,得
质心加速度
dp v m'aC = dt v v dp ex 根据质点系动量定理 = Fi dt
第三章 动量守恒和能量守恒
}⇒
x2 = 2 xC
17
第三章 动量守恒和能量守恒
物理学
第五版
3-9 质心 -
质心运动定律
例4 用质心运动定律 y F 来讨论以下问题. 来讨论以下问题. 一长为l 一长为 、密度均匀的 y 柔软链条, 柔软链条,其单位长度的质 c yC 量为 λ .将其卷成一堆放在 地面. 若手提链条的一端, 地面. 若手提链条的一端, o 以匀速v 将其上提.当一端 以匀速 将其上提. 被提离地面高度为 y 时,求手的提力. 求手的提力.
竖直方向作用于链条的合外力为 F − λyg
第三章 动量守恒和能量守恒
20
物理学
第五版
3-9 质心 -
质心运动定律
v 得到 F − yλg = lλ ⋅ l

大学物理 马文蔚 课堂笔记

大学物理 马文蔚 课堂笔记
上海师范大学
即水分子的质心在对称轴上 距氧原子中心6.8 10-12m处.
3 /14
§3.9 质心 质心运动定律
例 2 求半径为R的匀质半薄球壳的质心. 解 如图所示, 将坐标原点建在球壳的球心.
根据对称性可知, 质心的位置应该在对称轴(z轴)上. 即 xc 0 ; yc 0 由质心的计算公式可得,
化简得
m2 2 (m ) m 2mgR m'
2m' gR ; m m'
上海师范大学
m
m'
m m m m' m'
2m' gR m m'
13 /14
习 题 课
m
2m' gR ; m m'
m'
m m'
2m' gR m m'
2m' gR m m'
d rc d ri 由速度的定义式可知 是质心的运动速度; 是第i个质点的运动速度. dt dt 因此, (5)式可以写成, n n m'c mii pi pc (6)
i 1 i 1
n dr dr m' c mi i dt dt i 1
m1 2m2


2m2 ' 0 m1
10 /14
上海师范大学
习 题 课
碰撞后,摆锤在竖直平面内作圆周运动,
' 最高点处的速率为 H , 最高点处摆锤受到重力mg和绳子
' H
的拉力F的作用, 如图所示 因此 在最高点处有,
F mg Fn
m1
F mg
' ( H ) 2 由此可得 F m2 g m2 l ' ( H ) 2 F 0 m2 m2 g l

大学物理 动量守恒定律 质心运动定理

大学物理 动量守恒定律  质心运动定理

mi vi 2 mi vi1
i 1 i 1
质点间的作用力是相互的,满足牛顿第三定律
f ji 0
n n 1 i 1 j 1
第2章 运动定律与力学中的守恒定律
2–3 动量 动量守恒定律 *质心运动定理
8

t2
t1
n n ( Fi外 )dt mi vi 2 mi v i1 n i 1 i 1 i 1
1 n zc m i z i m i 1
对质量连续分布的物体:
xdm xc m
说明
ydm yc m
zdm zc m
对密度均匀、形状对称的物体,其质心在 其几何中心.
第2章 运动定律与力学中的守恒定律
2–3 动量 动量守恒定律 *质心运动定理
1
力的累积效应 一、质点的动量定理 动量
F (t ) 对 t 积累 p , I F 对 r 积累 W , E
p mv
动量为矢量,方向与速度的方向相同。 单位:
kg m / s
第2章 运动定律与力学中的守恒定律
F ma d(mv) dp dv F a dt dt dt Fdt dp d (mv)
n 1 t2 t1 ( Fi外 f ji )dt i 1 j 1 n mi vi 2 mi vi1 n i 1
第2章 运动定律与力学中的守恒定律
2–3 动量 动量守恒定律 *质心运动定理
7

t2
t1
n n 1 t2 ( Fi 外 )dt ( f ji )dt n i 1 t1 i 1 j 1 n n
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片铅直自由下落,另一碎片水平抛出,它们同时落地。问第二
块碎片落在何处。
解: 在爆炸的前后,质心始终
只受重力的作用,因此质
心的轨迹为一抛物线,它
的落地点为 xc .
xc
m1x1 m2 x2 m1 m2
o
xc x2 x
m1 m2 m , x1 0
xc
mx2 2m
x2 2xc
作业:3.4.11 3.4.16 3.5.2 4.2.3 4.2.4 4.3.5
§3.7 关于质点组的一个概念 ---- 质心
教材 P.94
一、质心的定义
n 个质点: m1,m2,,mn
位置矢量: r1 r2 rn
z
r1
rc
r2
C
y
质心位置:
x
rc
m1r1 m2r2 m1 m2
mnrn mn
mi ri M
质心的坐标:
xc
mi xi mi
yc
mi yi mi
zc
mi zi mi
连续体的质心位置:
xc
xdm dm
yc
ydm dm
zc
zdm dm
对于密度均匀、形状对称的物体, 其质心都在它的几何中心。
二、质点组的动量
Mrc miri
M drc dt
mi
dri dt
Mvc mivi
系统中各质点的动量之矢量和等于 质心的速度乘以质点系的总质量。
三、质心运动定理
dP d
Fi
dt
dt
mivi
mi
dvi dt

M
dvc dt
Fi
Mac
质心运动定理:
质心的运动等同于一个质点的运动,这个质点具 有质点系的总质量M,它受到的外力为质点系所受 所有外力的矢量和。
四、质心参考系
1. 相对于质心参考系的质点组总动量为零
2. 相对于质心参考系的质点组动能
克尼希定理
z
Ek
1 2
i
mi vi2
1 2
i
mi (vic
vc
)2
1 2
i
mi (vic2 vc2 2vic vc )
O x
Ekc
1 2
Mvc2
mivic 0
i
vc C vic
vi
mi
y
例 有质量为 2m 的弹丸,从地面斜抛出去,它的落地点为 xc . 如果它在飞行到最高点处爆炸成质量相等的两碎片,其中一碎
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