第三章动量与角动量

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第3章_动量与角动量

第3章_动量与角动量
m a/2
o
a/2 m V0 m
(a/2) mv0 =(a/2)2mv+(a/2)mv
设碰后杆转动的角速度为 则碰后三质点的速率为
m
V
V=a/2

a/2
o a/2
V
解出
=2v0/3a
作 业 3.2、3.22、3.23
f mac
f ac m
c
ac
f
1 2 1 f 2 xc ac t ( )t 2 m 2
作 业
3.1、3.5、3.11、3.19
22
§3.4 质点的角动量和角动量守恒定律 一、质点的角动量
L
L r P r m
L
角动量的大小
P

m
r
o
L rP sin mr sin
注意:同一质点相对于不同的定点,角动量可以不同。
在说明质点的角动量时,必须指明是对哪个点而言的。
二、质点的角动量定理
dL d r P 角动量对时间的变化率 dt dt


dB dA d ( A B) A B dt dt dt
t0
(积分形式) 方向? 重要性:动量定理将过程量的计算转化为 状态量的计算,比较方便。
例题1 质量为m的质点,以恒速率v 沿一正三角形的 三边顺时针运动一周。求作用于正三角形一顶点处质 点的冲量。
P 2
解:由质点的动量定理
m
I P2 P1
P 1 P 2 m

120
v M
m
解:
发炮前,系统在竖直方向上的外力有重力 G 地面支持力 N 而且 G N

大学物理课件 第3章 动量 角动量

大学物理课件 第3章   动量   角动量

例 如图所示,一个有四分之一圆弧光滑槽的大物体,质量为 M, 置于 光滑的水平面上。另一质量为m的小物体从圆弧顶点由静止开始下滑。 求当小物体m滑到底时,M滑槽在水平上移动的距离。
解 以 M和 m 为研究对象,其在水平方向不受外力(所受外力都 在竖直方向),故水平方向动量守恒。
设在下滑过程中,m相对于M的滑动速度为m , M 对地速 度为 M ,并以水平方向右为正,则有
t
问题 结果与m与槽M间是否存在摩擦有关系吗?
3. 质心运动定理
C
mii mc m i 1 质点系的动量 p mc
i 1
m
n
rC
mi ri
n i 1
m
n
i i
质点系的动量等于质点系的质量乘以质心的速度。 注 质点系的动量的两种表达式
n p mii , p mc
pA m j ,
pB mi
y
B
I AB pB pA m (i j )
C
pC m j
o
A
x
I AC pC pA 2m j
质点的动量定理
例 一质量为10kg的物体沿x轴无摩擦地运动,设t=0时,物体 位于原点,速度为零。设物体在力(F=3+4t)N作用下运动了3秒, 求此时它的速度和加速度。 解
3.2
角动量定理 角动量守恒定律
3.2.1 质点的角动量定理及守恒定律
1. 力矩
讨论
力F 对定点O 的力矩 Mo F r F
单位:牛 米(N m)
(1)力矩的大小和方向
所组成的平面,指向是由 180 的角转到 F 时的右手螺旋前进的方向
①方向垂直于 r 和 F o
r 经小于
x 方向: m sin m0 sin 0 y 方向: ( f mg )t m cos m0 cos sin 由第一式 0 sin

第3章动量角动量

第3章动量角动量
(3)动量守恒定律只适用于惯性系, 使用时所有速度必须相 对于同一惯性系。
(4)动量守恒定律是物理学中最普遍、最基本的定律之一。 在微观高速范围同样适用。
例3-3 如图,在光滑的水平面上,有一质量为M、长为l 的小车, 车上一端站有质量为m的人,起初m、M均静止,若人从车 的一端走到另一端,则人和车相对地面走过的距离为多少?
为ω,杆长均为l 。(2)如系统作加速转
动,系统的动量和角动量变化吗?
三、质点的角动量(动量矩)定理
Lrp

dL

d (r
p)
dr
p
r
dp
F
dt
dt
M
dL
dt
dt
dt
质点的角动量定理(微分形式)
质点所受合力对点O 的力矩, 等于质点对点O的角 动量的时间变化率。
M
dL
dt
改写
Mdt dL
t2 t1
F dt
p2
p1
(1)定理中的冲量指的是质点所受合力的冲量,或者质点所
受冲量的矢量和。
I
t2 t1
F合
dt
= =
t2 t1
(
F1+F2++Fn
)
d
t
t2 t1
F1dt
t2 t1
F2dt+

t2 t1
Fndt =
i 1
Ii
(2)冲量是过程量,动量是状态量,冲量的方向可用动量变化的
由动量定理 I p2 得 p1
(3) 2.7 m/s
(2)3s末质点的加速度
a(3) F (3) 1.5 m/s2 m
3.1.2 质点系的动量定理 动量守恒定律

03动量和角动量

03动量和角动量
r
m
r F M
Lr pC
M 0
dL 0 dt
合外力矩为零时,质点角动量(动量 矩)为恒量。
M 0, L C , r mv r p C M rF sin 可能性1、 S F = 0 ; 表示F 平行r (过 o点) 2、 sin =0 没有转动!!
微分公式
dB dA d ( A B) A B dt dt dt
dL d dr dp r p pr dt dt dt dt v p r F r F M
m1v z1 m2 v z 2 常量
动量守恒定律的几点说明:
1. 系统的动量守恒是指系统的总动量不变, 系统内任 一物体的动量是可变的, 各物体的动 量必相对于同一惯性参考系。。 2. 动量定理及动量守恒定律只适用于惯性系。 3. 动量若在某一惯性系中守恒,则在其它一 切惯性系中均守恒。 4.若某个方向上合外力为零,则该方向上动量 守恒,尽管总动量可能并不守恒。
v2 θ tg v1
1
v2
例4.水平光滑铁轨上有一小车M,长l, 车 端站有一人m,人和车原都不动。现人从车 的一端走到另一端。问人和车各移动多少 距离? l
分析:
动量守恒 +相对运动
x人地
x车地 x车地+x人地=l
解: 以地为参考系
mv人地 MV车地= 0 mv人地 dt MV车地 dt
角动量定理
dL M dt
1、力矩意义(在转动中)
相对确定的点o r 是 质点与o 的连线
F
M
r o
M r F

第三章动量与角动量

第三章动量与角动量
上式表明,火箭发动机的推力与燃料燃烧速率 (dm / dt )及 喷 出 气 体 的 相 对 速 度 u 成 正 比 。 Mi v f v i u ln 练习:3.9 M f
z
3.4
质心
rC
C
一. 质心的定义
由下式决定的位置矢量 rc 所对
应的c,称为质点系的质心。
rC mi mi ri
动量(角动量)、动量(角动量)定理、 动量(角动量)守恒定律
本次课主要内容
1、第二章小结 2、冲量、动量 #3、动量定理、动量守恒 4、火箭飞行原理
3.1 冲量与动量定理
一、冲量和动量
1. 冲量: 力F对dt时间的积累 量,叫做在dt时间 内质点所受合外力 的冲量。
F
I

t
Fdt
O t0
K
R
t
v0 R vt R K vt v0t vt ( R K v0t ) v0 R vt v0 R ( R K v0t )
S

t 0
vt d t
t 0
v0 R R v0 K t 1
dt

v0 R v0 K R

t 0
R v0 K t
2. 动量
p mv
F dp dt Fdt dp
二. 用冲量表示的动量定理
1. 牛顿第二定律的普遍形式
2. 动量定理(质点)


t t0
Fdt

p p0
dp
I p p0
上式表明在dt时间内质点所受合外力的冲量等于在 同一时间内质点动量的增量。
矢量法

第三章-动量-角动量

第三章-动量-角动量

对于同一点的角动量对时间的变化率,这一结论称为质点的角
动量定理。
质点的角动量定理可以写为
Mdt dL
其中 Mdt 称为dt 时间内力矩 M对质点的冲量矩。两边
积分有:
t2 t1
Mdt
L2
L1
上式表明:作用于质点的合外力矩M 从 t1 到 t2 时间间隔 内的冲量矩,等于质点在同一时间间隔内角动量的增量。
力心
例4、一质点在x-y平面内运动,已知质点的质量为20 g,在A 、
B 两位置处的速率都是20 m/s ,vA与X轴成45 o角,vB垂 直于y轴。求质点由A点到B点这段时间内,作用在质点
上外力对O点的总冲量矩(已知OA=2m,OB=4m)。
解: 由质点的角动量定理知:
y vB B
由A到B,角动量的方向均垂 直于x-y平面向上
标量式为
(3-5)
对于冲量 I 应注意:
(1)冲量是力对时间的积累作用。
I
t2
Fdt
t1
mv1
mv
mv2
(2)冲量是矢量,其方向与动量增量方向相同。 即 I 的方向与 P 或 mv 的方向相同。
对动量原理应注意:
(1) F 是指物体所受的合外力,I 是合外力的冲量。 (2) 动量原理是矢量式,常用其分量式。 (3) 动量原理用于惯性系。
②已知炮弹对炮车的相对速度为v ,仰角
为时速θ ,度由v速’ 的度水叠平加分原量理为,炮弹对V地的瞬
v’ x = v cosθ – V
系统总动量为 m (v cosθ - V) – MV 系统总动量的水平分量守恒方程:
m (v cos θ - V) – MV = 0
代入数字 解得:
v v

第三章 动量和角动量

第三章 动量和角动量

2、冲量的方向
由动量定理: I p2 p1
冲量的方向与动量增量的方向一致 3、平均冲力
p2
I
p1
F
平均冲力:真实力在一个作用过程中的时间平均值
F

t2
t1
Fdt
t 2 t1
Fm I p p2 p1 t t t 2 t1 F
平均冲力等于质点动量的增量与作用时间之比。
o
t1
t2
t
例 1 一质量为0.05kg、速率为10m· s-1的刚球,以与钢板法线 呈45º 角的方向撞击在钢板上,并以相同的速率和角度弹回来 . 设碰撞时间为0.05s.求在此时间内钢板所受到的平均冲力 F .
解 建立如图坐标系, 由动量定理得
2mv cos Fy t mv2 y mv1 y mv sin α mv sin 0 2mv cos mv2 F Fx 14.1 N
2. 动量守恒定律
如 果 F外 Fi 0 i 则 P2 P1 0
§ 3-4
角动量 质点的角动量定理
前面我们引入了描述物体运动状态的量 ——动量。 本章引入新的状态量 —— 角动量
地球绕太阳运动?原子中的电子绕着原子核运动?
引入角动量是为了研究转动,角动量守恒定律的应用 非常广泛。
解:由质点的动量定理,
t1
F/N 30
t2 I Fdt p2 p1
0-4s,F为恒力
I ( F m g)t p2 p1 0 7 t/s 4 v 4m / s 1 0-7s, I (4 7) 30 mg t 25 N s p2 p1 2 v 2.5m / s

第三章动量与角动量

第三章动量与角动量

分量式:
Ix
t 0
t 0
Fi xdt mi vi x mi vi 0 x
Fi ydt mi vi y mi vi 0 y
Iy
§2.质点系动量定理和质心运动定理
一.质点系动量定理 对于有n个质点的质点系,它们每个质点既所受外力, 也受内力. 若第i质点在to时刻动量为
t ix i ix i
0
ix 0
t
iy
i
iy
i
iy 0
0
t
iz
i
iz
i
iz 0
0
二.质心
对于有n个质点的质点系,
, m , m 的位置矢量分别为 : r , r , r ; m
1 2 n 1 2 n
则定义质点系的质心位置:
r
c
mr mr mr
1 1 2 2 n
第三章
动量与角动量
§1.冲量和动量定理
1. 动量
P mv
大小: mv
方向: 速度的方向 单位: kg m · -1 s
2. 力的冲量 元冲量
dI Fdt
大小:
Fdt
方向: 力的方向 单位: N · s
(1) 恒力的冲量
(2) 变力的冲量 分量式
I FΔt t I Fd t
n
上式表明:作用于质点系的外力矢量和的冲量等于 质点系动量的增量. 上式称为质点系动量定理.
. t F dt m v m v
t n n
0
i
i 1
i
i
i 1
i
i0
分量式:
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若Fx 0 则Px Pix mivix 常量
注意:1、动量守恒定律只适用于惯性系。
2、系统动量守恒,但每个质点的动量可能变化。
3、系统动量守恒条件为外力矢量和为零,也可放宽为外 力与内力相比小很多的情形,如在碰撞、打击、爆炸等 相互作用时间极短的过程中,往往可忽略外力。
4、某一方向上的动量守恒
o
(x1,y1)
x2 x
yc
m y1 3m
y1 3
质量连续 分布时:
xc
xdm dm
yc
ydm dm
zc
zdm dm
dm为质量元,简称质元。其计算方法如下:
质量为线分布 dm dl 其中、、分
质量为面分布
dm ds
别为质量的线密 度、面密度和体
质量为体分布 dm dV 密度。
线分布
rc
mi ri
i
m
2、质心运动定律
质心
位移:
rc
i
mi ri (或xc
m
i
mi xi )
m
质速心度:vc
drc dt
1 m
mvc
i
mi
mi vi
dri dt
P
1 m P
mi
i
mvc
vi
i
质点系的总动量等于它的总质量与它的质心 的运动速度的乘积。
mvc
mi vi
P
P
mivi 2
mi vi1
微分形式 Fdt d P F d P
dt
t2 Fdt P t1
mivi 2
mi vi1
动量定理 分量形式
t2 Fxdt
t1
mi vi 2x
mi vi1x
t2 Fydt
t1
mivi 2 y
mi vi1y
2、质点系动量守恒定律
若F 0 有P 0
失败的原因。
mv2
mv1
I
A
mv2
吹管 B
C
注意:动量为状态量,
Fx
冲量为过程量。
I
t2 t1
Fdt
mv2
-
mv1
Fx
动量定理可写成分量式,即: 0
tt
Ix Fxdt Fxt mv2x mv1x
I y Fydt Fytmv2y mv1y
例1.一重锤从高度h=1.5m处自静止落下,锤与
一个质点系 所受的外力矢 量和为零时,
即P
Pi
mi vi
常矢量
这一质点系的 总动量就保持
i
i
不变。
由动量定理分量形式
t2 Fxdt
t1
mi vi 2x
mi vi1x
t2 Fydt
t1
mivi 2 y
mi vi1y
可得动量守恒定律分量形式: (即某一方向的动量守恒定律)
t2 t1
(F1
F2
)dt=(P1
P2
)
• 推广到n个质点的系统
由于内力总是成对出现的,所以内力矢量和为零。
所以: t2
( Fi )dt ( Pi )
t1 i
i
以F和P表示系统的外力矢量和与总动量,即
F Fi
P Pi
上式可 t2
写为: Fdt P
t1
所以有质点系的动量定理:
积分形式 t2 Fdt P t1
例2.图示一圆锥摆,质量为m 的小球在水平面内以角速度w 匀速转动。在小球转动一周的 过程中,
· m w
(1)小球动量增量的大小等于 0
(2)小球所受重力的冲量的大小等于
m
gt
mg
2 w
(3)小球所受绳子拉力的冲量大小等于
mg 2 w
二、质点系的动量定理 动量守恒定律
1、质点系的动量定理
质点系(内力f、外力F) Fi
t
0 (N-mg)dt mvz mv0 m 2gh
Nt mgt m 2gh 6.5
N
1 2h
0.55 56
1
1
mg t g
t
5.5×102
△t为10-1s、10-2s、10-3s、10-4s 5.5×103
计算结果表明,撞击作用持续时间愈短,平均 冲击力N与重力之比就愈大。若作用的持续时间 只有10-4秒时,N比mg要大5500倍,相比之下 重力微不足道。因此,在许多打击和碰撞问题 中,只要持续作用时间足够短,略去诸如重力 这类有限大小的力是合理的。
2、角动量守恒定律
M
dL
dt
如果M
0,

dL
0
dt
即L=常矢量
如果对于某一固定点,质点所受的合外力矩为 零,则此质点对该固定点的角动量矢量保持不变。 注意: 1、这也是自然界普遍适用的一条基本规律。
2、M=0,可以是r = 0,也可以是F = 0,还可能 是r与F同向或反向(例如有心力情况)。
面分布
体分布
例5.一段均匀铁丝弯成半径为R的半圆形,求此
半圆形铁丝的质心。
解:选如图坐标系,取长
为dl的铁丝,质量为dm,
以λ表示线密度,dm=dl.分
析得质心应在y轴上。
yc
ydl
m
y R sin
dl Rd
yc
1 m
R sinRd
1
2 R2
0
m
m R
yc
2
R
注意:质心并 不在铁丝上。
I=
t2
Fdt
t1
大小:
t2
Fdt
t1
方向:由力的性质决定
单位:Ns
F为恒力时,可以得出I=F t
3、动量定理:(将力的作用过程与效
果〔动量变化〕联系在一起)
F dP dt
d P Fdt
P2
t2
d P Fdt
P1
t1
F m d v d (mv)
P2 P1 I t2 Fdt t1
dt
dt
I
t2
Fdt=P
mv2
- mv1
t1
质点所受合外力的冲量,等于该质点动量 的增量。这个结论称为质点的动量定理。
例:在一次物理竞赛中,赛题是从桌角A 处向B发射一个乒乓球,让竞赛者在桌边 B处用一只吹管将球吹进球门C(见本题 图),看谁最先成功。某生将吹管对准C
拼命吹,但球总是不进球门。试分析该生
dt dr v
dP
dt F
dt
dt
dL
v
mv
r
F
dt
称:M
r
F
dL
v
mv
r
F
dt
为质点所受合外力对同一固定点o的合外力矩
大小:M=rFsin (为矢径与力之间的夹角)
方向:右手螺旋定则
M
单位:mN
v mv=0
o
r
F
dL
r
F
M
dt
M
dL
角动量定理:质点所受的合外力矩
dt 等于它的角动量对时间的变化率。
0 MV m(v cos V )
V mvcos
M m
3.一块很长的木板,下面装有活动轮子,静止 的置于光滑的水平面上,如图。质量为mA和mB 的两个人A和B站在板的两头,他们由静止开始 相向而行。若mA<mB,A和B对地的速度大小相 同,问木板将如何运动?
1.向左运动
2.向右运动 3.静止不动
如:在水平冰面上以一定速度向东行驶的炮车,向
东南(斜向上)方向发射一炮弹,对于炮车和炮弹这 一系统,在此过程中(忽略冰面摩擦力及空气阻力)
(A)总动量守恒。 (B)总动量在任何方向的分量均不守恒。
(C)总动量在水平面上任意方向的分量守 恒,竖直方向分量不守恒。
[C]
例3:质量为M、半径为R的圆弧形槽停在光滑 水平面上,小物体m自槽顶静止下滑,求当m 滑至槽底时, M在水平面上移动的距离。 解: m和M组成的系统水平方向上动量守恒
例8:质量为0.05kg的小块物体, 置于一光滑水平桌面上。有一 绳一端连接此物,另一端穿过 桌面中心的小孔(如图所示)。 该物体原以3rad/s的角速度在距 孔0.2m的圆周上转动。今将绳 从小孔缓慢往下拉,使该物体 之转动半径减为0.1m。则物体
的角速度 w 12rad/s
例9:(习题指导典型例题2)我国的第一颗人造地球卫星绕地球作 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 的平均半径R=6378km,卫星距地面最近距离l1=439km,最远 距离l2=2384km。若卫星在近地点速率v1=8.10 kms-1,求远地 点速率v2 。
被加工的工件碰撞后末速为0。如打击时间△t为
10-1s、10-2s、10-3s、10-4s,试计算这几种情
形下平均冲击力与重力的比值。
z
解:选取如图所示的z坐标。重锤 m与工
件撞击前的速度v0 2gh,撞
击后的速度vz=0。在撞击时间△t内,
h
重锤受工件的冲击力N和重力mg。
根据质点动量定理有:
mvc
i
F
dP
m
dvc
dt
dt
mac
F
mac
Fx macx Fy macy
若 Fx 0 则 acx 0
质心运动定律:系统的总质量和质心加速 度的乘积等于质点系所受外力的矢量和。
简化 复杂 运动 的分

例6.(利用质心运动定理重解例3)质量为M、半径
为R的圆弧形槽停在光滑水平面上,小物体m自槽顶
•两个质点的系统
i ·fij
·
· · f ji j
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