大学物理第三章
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大学物理.第三章.刚体的转动
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 .
解 细杆受重力和
铰链对细杆的约束力
FN
作用 3g sin
2l
3g (1 cos )
l
§3-4 力矩的功 定轴转动的动能定理
一、力矩的功
z
O
d r
速度ω 绕端点转动，摩擦系数为μ 求M摩擦力。
ω
解: 质量线密度:
m L
dm
r dr
质量元:
r dm dr
所受摩擦力为:
dF gdm gdr
例3-5 现有一圆盘在平面内以角速度ω 转动，求 摩擦力产生的力矩（μ 、m、R）。
dr
ωr
解:
dm ds rdrd dF gdm grdrd dM1 rdF r2gdrd
I mi ri2 －质量不连续分布
i
r 2dm －质量连续分布
d －线分布λ＝m/ι 质量元: dm ds －面分布σ＝m/S
dV －体分布ρ＝m/V
二、决定转动惯量的三因素
1）刚体的质量； 2）刚体的质量分布； （如圆 环与圆盘的不同）；
3）刚体转轴的位置。 （如细棒绕中心、绕一端）
运动。 一、何谓刚体
在任何情况下形状和大小都不发生变化的
物体。即每个质元之间的距离无论运动或
受外力时都保持不变。
理想模型
ri j c mj
二、刚体运动的两种基本形式 mi
平动----刚体运动时，刚体内任一直线恒保 持平行的运动(即该直线方向保持不变)
刚体的平动过程
c a b
刚体的平动过程
能运用以上规律分析和解决包括 质点和刚体的简单系统的力学问题.
和角速度 .
解 细杆受重力和
铰链对细杆的约束力
FN
作用 3g sin
2l
3g (1 cos )
l
§3-4 力矩的功 定轴转动的动能定理
一、力矩的功
z
O
d r
速度ω 绕端点转动，摩擦系数为μ 求M摩擦力。
ω
解: 质量线密度:
m L
dm
r dr
质量元:
r dm dr
所受摩擦力为:
dF gdm gdr
例3-5 现有一圆盘在平面内以角速度ω 转动，求 摩擦力产生的力矩（μ 、m、R）。
dr
ωr
解:
dm ds rdrd dF gdm grdrd dM1 rdF r2gdrd
I mi ri2 －质量不连续分布
i
r 2dm －质量连续分布
d －线分布λ＝m/ι 质量元: dm ds －面分布σ＝m/S
dV －体分布ρ＝m/V
二、决定转动惯量的三因素
1）刚体的质量； 2）刚体的质量分布； （如圆 环与圆盘的不同）；
3）刚体转轴的位置。 （如细棒绕中心、绕一端）
运动。 一、何谓刚体
在任何情况下形状和大小都不发生变化的
物体。即每个质元之间的距离无论运动或
受外力时都保持不变。
理想模型
ri j c mj
二、刚体运动的两种基本形式 mi
平动----刚体运动时，刚体内任一直线恒保 持平行的运动(即该直线方向保持不变)
刚体的平动过程
c a b
刚体的平动过程
能运用以上规律分析和解决包括 质点和刚体的简单系统的力学问题.
大学物理学第3章 力学的守恒定律
t1 t1
00:03
t2 I F (t )dt
t1
注意
•力的冲量是矢量，计算 冲量要考虑 方向 性。
•冲量是过程量。 •冲量决定于力和时间两个因素。
•F-t图上曲线下的面积与冲量大小 的关系。
00:03
（三）用冲量概念表述动量定理
质点动量定理的微分形式 dp
F
m v Fdp Fdt d
00:03
（3）矢量性质： 系统各质点的动量的矢量和不变；
若某一方向合外力为零, 则此方向动量守恒 .
ex x
F
0, 0,
px mi vix C x p y mi viy C y pz mi viz Cz
Fyex 0 , F
ex z
（4）瞬时特征： 任意两个瞬时，动量的大小和方向都相同。
m1 v' 则 v2 v m1 m2
v2 2. 10 m s 17
3 1
(m1 m2 )v m1v1 m2 v2
v1 3. 103 m s 1 17
• 力 F=12ti（SI）作用在质量m=2kg的物体上， 使物体由原点从静止开始运动，则它在3秒末的动量 为： (A)-54 i kg.m/s (B)54i kg.m/s (C)-108 i kg.m/s (D)108 i kg.m/s (B)
y
s
v
z'
y'
s'
v'
x x'
o
00:03
z
o'
已知
v 2.5 10 m s 3 1 v' 1.0 10 m s
00:03
t2 I F (t )dt
t1
注意
•力的冲量是矢量，计算 冲量要考虑 方向 性。
•冲量是过程量。 •冲量决定于力和时间两个因素。
•F-t图上曲线下的面积与冲量大小 的关系。
00:03
（三）用冲量概念表述动量定理
质点动量定理的微分形式 dp
F
m v Fdp Fdt d
00:03
（3）矢量性质： 系统各质点的动量的矢量和不变；
若某一方向合外力为零, 则此方向动量守恒 .
ex x
F
0, 0,
px mi vix C x p y mi viy C y pz mi viz Cz
Fyex 0 , F
ex z
（4）瞬时特征： 任意两个瞬时，动量的大小和方向都相同。
m1 v' 则 v2 v m1 m2
v2 2. 10 m s 17
3 1
(m1 m2 )v m1v1 m2 v2
v1 3. 103 m s 1 17
• 力 F=12ti（SI）作用在质量m=2kg的物体上， 使物体由原点从静止开始运动，则它在3秒末的动量 为： (A)-54 i kg.m/s (B)54i kg.m/s (C)-108 i kg.m/s (D)108 i kg.m/s (B)
y
s
v
z'
y'
s'
v'
x x'
o
00:03
z
o'
已知
v 2.5 10 m s 3 1 v' 1.0 10 m s
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
大学物理第三章刚体力学
薄板的正交轴定理：
Jz Jx J y
o x
y
X,Y 轴在薄板面上，Z轴与薄板垂直。
例3、质量m，长为l 的四根均匀细棒， O 组成一正方形框架，绕过其一顶点O 并与框架垂直的轴转动，求转动惯量。 解：由平行轴定理，先求出一根棒 对框架质心C的转动惯量：
C
m, l
1 l 2 1 2 2 J ml m( ) ml 12 2 3
M F2 d F2 r sin
若F位于转动平面内，则上式简化为
M Fd Fr sin
力矩是矢量，在定轴转动中， 力矩的方向沿着转轴，其指向 可按右手螺旋法则确定：右手 四指由矢径r的方向经小于的 角度转向力F方向时，大拇指的 指向就是力矩的方向。根据矢 量的矢积定义，力矩可表示为：
例9 行星运动的开普勒第二运动定律：行星对太阳 的位矢在相等的时间内扫过相等的面积。 解：行星在太阳引力（有心 力）作用下沿椭圆轨道运动， 因而行星在运行过程中，它 对太阳的角动量守恒不变。
L rmvsin 常量
因而掠面速度：
dS dt
r dr sin 2dt
1 rv sin 常量 2
Fi fi Δmi ai
切向的分量式为
Fi sin i f i sin i mi ri
Fi sin i f i sin i mi ri
两边同乘ri，得
Fi ri sin i fi ri sin i mi ri2
上式左边第一项为外力Fi对转轴的力矩，而第二项是 内力fi 对转轴的力矩。对刚体的所有质点都可写出类 似上式的方程，求和得
质点的角动量一质量为m的质点以速度v运动相对于坐标原点o的位置矢量为r定义质点对坐标原点o的角动量为sinrmv282质点的角动量定理质点所受的合外力对某一参考点的力矩等于质点对该点的角动量对时间的变化率角动量定理
大学物理 第3章动量定理
(m2
m1)v2o m1 m2
2m1v1o
2v1o
vr1o
m2 m1
当m1>>m2时，且第二个 球静止，则碰后，第一个球 速度不变，而第二球以2倍 于第一个球的初速度运动。
第一篇 力学
2.完全非弹性碰撞 totally non-elastic collision
特点：机械能不守恒，动量守恒。碰撞
大
数
理 学
例如：两队运动员拔河，有的人说甲队力气大，乙队
院 力气小，所以甲队能获胜，这种说法是否正确?
赵 承 均
甲队
乙队
第一篇 力学
重
大
数
理
学 院
r
F1
r F2
赵 承
均 分析：
拔河时，甲队拉乙队的力，与乙队拉甲队的力是一对作用 力与反作用力，为系统的内力，不会改变系统总的动量。只 有运动员脚下的摩擦力才是系统外力，因此哪个队脚下的摩 擦力大，哪个队能获胜。所以拔河应选质量大的运动员，以 增加系统外力。
重
大 数
质点质量与速度的乘积，可以表征质点瞬时运动的量，称为动量。
理
rr
学 院
p mv
单位：千克·米/秒, kg·m/s
赵 承 均
由Newton第二定律，得：F
ma
m
dv
d (mv)
dp
dt dt
即：
F dt
这就是动量定理。
在经典力学范围内，m=constant，动量定理与F=ma等价，但在高 速运动情况下，只有动量定理成立。
杆跃过自由下落，运动员与地面的作用时间分别
为 1 秒和 0.1 秒，求地面对运动员的平均冲击力。
《大学物理》第三章电势S
i
" p"
或： d
40 ri dq d 40 r
z • 你能否迅速算出“非均匀带电球面（只知道总电量）”
在球心处的电势？ • 如果用“路径积分法”，本题应如何解？
例计算均匀带电q 的园环轴线上任一点的电势。 解： 用“电势叠加法” y （以无穷远处 先考虑点电荷dq对电势的贡献 dq 的电势为0） dq d 4 0 r r q dq q R d 0 4 r 40 r 0 x o x Q 2 2 4 0 x 2 R 2 r x R
球面A 产生的电势分布
球面B 产生的电势分布
qA r R A A 4 0 RA q r RA A A 4 0 r
r RB r RB
qB B 4 0 RB qB B 4 0 r
A B
qB
qA R A
r RA
qA qB 4 0 RA 4 0 RB
E
●
●
dr
P2
2
空间变化率:
d E cos dr d E ( d dr dr ) Max
当
0
时
E
●
有最大值
沿电场方向电势随空间的变化率最大，就把这一最大值称为
1
P 1
dr
●
P2
2
该点的电势梯度 d ( ) Max 定义电势梯度--- grad
则：E dl a b
dl
a
E
E dl
0
dl
b
——场强与等势面正交。
若再取小位移 dl 与电场同向（由点 a到点b′） 则：E dl a b 0 , a b
" p"
或： d
40 ri dq d 40 r
z • 你能否迅速算出“非均匀带电球面（只知道总电量）”
在球心处的电势？ • 如果用“路径积分法”，本题应如何解？
例计算均匀带电q 的园环轴线上任一点的电势。 解： 用“电势叠加法” y （以无穷远处 先考虑点电荷dq对电势的贡献 dq 的电势为0） dq d 4 0 r r q dq q R d 0 4 r 40 r 0 x o x Q 2 2 4 0 x 2 R 2 r x R
球面A 产生的电势分布
球面B 产生的电势分布
qA r R A A 4 0 RA q r RA A A 4 0 r
r RB r RB
qB B 4 0 RB qB B 4 0 r
A B
qB
qA R A
r RA
qA qB 4 0 RA 4 0 RB
E
●
●
dr
P2
2
空间变化率:
d E cos dr d E ( d dr dr ) Max
当
0
时
E
●
有最大值
沿电场方向电势随空间的变化率最大，就把这一最大值称为
1
P 1
dr
●
P2
2
该点的电势梯度 d ( ) Max 定义电势梯度--- grad
则：E dl a b
dl
a
E
E dl
0
dl
b
——场强与等势面正交。
若再取小位移 dl 与电场同向（由点 a到点b′） 则：E dl a b 0 , a b
大学物理第三章动量守恒定律和能量守恒定律
动量守恒定律的表述
总结词
动量守恒定律表述为系统不受外力或所 受外力之和为零时，系统总动量保持不 变。
VS
详细描述
动量守恒定律是自然界中最基本的定律之 一，它表述为在一个封闭系统中，如果没 有外力作用或者外力之和为零，则系统总 动量保持不变。也就是说，系统的初始动 量和最终动量是相等的。
动量守恒定律的适用条件
能量守恒定律可以通过电磁学 的基本公式推导出来。
能量守恒定律可以通过相对论 的质能方程推导出来。
能量守恒定律的应用实例
01
02
03
04
机械能守恒
在无外力作用的系统中，动能 和势能可以相互转化，但总和
保持不变。
热能守恒
在一个孤立系统中，热量只能 从高温物体传递到低温物体，
最终达到热平衡状态。
电磁能守恒
详细描述
根据牛顿第三定律，作用力和反作用力大小相等、方向相反。如果将一个物体施加一个力F，则该力会产生一个 加速度a，进而改变物体的速度v。由于力的作用是相互的，反作用力也会对另一个物体产生相同大小、相反方向 的加速度和速度变化。因此，在系统内力的相互作用下，系统总动量保持不变。
02
能量守恒定律
能量守恒定律的表述
感谢观看
01
能量守恒定律表述为：在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭， 只能从一种形式转化为另一种形式。
02
能量守恒定律是自然界的基本定律之一，适用于宇宙中的一切物理过 程。
03
能量守恒定律是定量的，可以用数学公式表示。
04
能量守恒定律是绝对的，不受任何物理定律的限制。
能量守恒定律的适用条件
能量守恒定律适用于孤立系统，即系统与外界没有能量 交换。
大学物理 第3章 刚体力学基础
2 1
Jd
1 2
J22
1 2
J12
2 Md (1 J2 )
1
2
力矩对刚体所做的功，等于刚体转动动能的增量。
例 如图所示，一根质量为m，长为l的均匀细棒OA，可绕固定点O在竖直平 面内转动.今使棒从水平位置开始自由下摆，求棒摆到与水平位置成30°角 时中心点C和端点A的速度.
F
·
F
式中为力F到轴的距离
F
若力的作用线不在转动在平面内，
则只需将力分解为与轴垂直、平行
r
的两个分力即可。
力对固定点的力矩为零的情况：
1、力F等于零， 2、力F的作用线与矢径r共线
（有心力对力心的力矩恒为零）。
力对固定轴的力矩为零的情况：
若力的作用线与轴平行 若力的作用线与轴相交
则力对该轴无力矩作用。
dJ R2dm
考虑到所有质元到转轴的距离均为R，所以细圆环对中心轴的转动惯量为
J dJ R2dm R2 dm mR2
m
m
(2)求质量为m，半径为R的圆盘对中心轴的转动惯量.整个圆盘可以看成许
多半径不同的同心圆环构成.为此，在离转轴的距离为r处取一小圆环，如
图2.36(b)所示，其面积为dS＝2πrdr，设圆盘的面密度(单位面积上的质量)
力矩在x,y,z轴的分量式，称力对轴的矩。例如上面所列
Ｍx , My , Mz , 即为力对Ｘ轴、Ｙ轴、Ｚ轴的矩。 设力Ｆ 的作用线就在Z轴
的转动平面内，作用点到Ｚ
轴的位矢为r，则力对Ｚ轴
的力矩为
M z rF sin
r sin F F rF sin rF
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t=0 时， 0 0i 质点受力 f f i
ft 滑块任意时刻 t 的速度 0 i m ft 2 i 滑块任意时刻t的位置矢量 r xi 0t 2m
任意时刻t 滑块对原点O的角动量为 L r m 0
M
i
J
3 转动惯量
定义
J mi ri
2
对质量连续
分布的物体
J r 2dm
第三章 刚体力学基础
若刚体上任一质元都在做绕同一固定直线的平面圆周 运动，这种运动就称为刚体绕固定轴的转动 ，其中相对 于参考系固定不动的直线称转轴。 定轴转动的特点： 1,转轴相对参考系固定 2, 刚体内所有点都具有相同的角位移、 角速度、角加速度.这些角量也称
刚体的角量。
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3-1 刚体的基本运动形式
表示方向。
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3-2 转动定理
三、转动惯量 1 物理意义：转动惯性的量度 2 转动惯量的计算方法
第三章 刚体力学基础
SI单位 kg m
2
质量离散分布刚体的转动惯量
J mi ri m r m r
2 2 11 2 2 2
质量连续分布刚体的转动惯量
J mi ri r dm
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3-2 转动定理
说明
第三章 刚体力学基础
M
i
i
J
地位相当，m反映质
1.
M
J 与
F＝ma
点的平动惯性，J反映刚体的转动惯性。 2. 力矩是使刚体转动状态发生改变而产生角加速度的原因。 3. 力矩是矢量，方向沿转轴(右手法则)，在规定了转轴
的方向后，对定轴转动只有两个方向，可以用正负号
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ω
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3-4 角动量 角动量守恒定律 第三章 刚体力学基础
四、角动量问题举例
例 3-5 设一质量为m的滑块在水平面(Oxy)内以初速度 0 0i 从原点O出发沿x轴滑动.假设滑块与水平面的摩擦力 f f i
恒定不变，试求任意时刻滑块对原点O的角动量. 解
3-1 刚体的基本运动形式
一、刚体
第三章 刚体力学基础
刚体是一种特殊的质点系，系统内任意两质点间的距离恒 保持不变。是一种理想模型。
二、刚体的平动
刚体上任意两点间的连线 在运动过程中始终平行于 它们初始位置间的连线时， 刚体的运动称为平动。
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3-1 刚体的基本运动形式
三、刚体绕固定轴的转动
刚体内相互作用力的力矩之和为零
' M i 0
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3-2 转动定理
2 M m r i ii
第三章 刚体力学基础
令
J mi ri2
刚体对转轴O的转动惯量
M
定轴转动刚体的转动定理:
i
J
刚体绕固定轴转动时，所获得的角加速度的大小与其所 受到的合外力矩成正比，与转动惯量成反比；角加速度 的方向与合外力矩的方向一致.
ml0 ml J
1 2 J Ml 3 l
M
l
3m20 解以上三式，得 (3m M )l
v0
m
v
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本章要点
第三章 刚体力学基础
第三章 刚体力学基础
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本章要点
一、刚体的基本运动形式
第三章 刚体力学基础
1 刚体: 在任何情况下大小、形状都保持不变的物体.
切向分量式为：
第三章 刚体力学基础
二、转动定理
fi sin i fi ' sin i ' mi ait
两边同乘ri
ait ri
fi ri sin i fi ri sin mi ri
' ' i 2
外力矩
内力矩
M i M mi ri
' i 2
' 2 M M m r 对所有质点求和： i i i i
b
J1 mb mb 2mb
2 2
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2
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3-2 转动定理
② 系统绕竖直轴旋转
第三章 刚体力学基础
J 2 ma ma 2ma
2 2
2
(2) 考虑细杆的质量为M ① 系统绕水平轴旋转
1 2 J 2mb M (2b) 12
' 1 2
② 系统绕竖直轴旋转
1 J 2 2ma M(2a) (2a )2 2 12
m g 联立以上三式，可得物体加速度 a M m 2
4mgh 物体速度 2ah 2m M
1 4mgh 滑轮角速度 R R 2m M
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3-4 角动量 角动量守恒定律 第三章 刚体力学基础
一、角动量
1. 质点的角动量
质量为 m 的质点以速度 v 在空间
2 2
dm: 质量元
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3-2 转动定理
第三章 刚体力学基础
质量连续分布刚体的转动惯量
J mi ri r dm
2 2
dm:质量元
对质量线分布的刚体： dm
dl :质量线密度
dS :质量面密度
对质量面分布的刚体：dm
对质量体分布的刚体：dm
四、刚体的一般运动： 质心的平动
如车轮的滚动
第三章 刚体力学基础
+
绕质心轴的转动
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3-2 转动定理
一、力矩 1. 定义
第三章 刚体力学基础
刚体绕 O z 轴旋转 , 力 F 作用在
由点O 到力的作用点 P 的矢径 .
M
M
O
刚体上点 P , 且在转动平面内, r 为
F 对转轴 Z 的力矩
' 2
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3-2 转动定理
第三章 刚体力学基础
例3-2 求质量为m、半径为R的均匀薄圆环和薄圆盘对垂 直中心轴的转动惯量。 解：(1) 在环上任取质元dm, 由于各质元至转轴的 距离都等于R, 故圆环的转动惯量为
J R 2 d m mR 2
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3-2 转动定理
d dp 用矢径叉乘上式两边 r F r (r p) dt dt
合外力矩
dL M dt
质点的角动量定理：做圆周运动的质点角动量对时间的 变化率等于其所受到的合外力矩。
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3-4 角动量 角动量守恒定律 第三章 刚体力学基础
2. 定轴转动刚体的角动量定理
质点以角速度 作半径为 r 的圆周运动，
质点相对圆心的角动量大小
L rmv rmr m r J
2
L
p
o r
m
角动量方向与角速度矢量的方向相同。
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3-4 角动量 角动量守恒定律 第三章 刚体力学基础
2 刚体的角动量 刚体上某质元对轴的角动量为
z
r
F
*
M r F
d : 力臂
d
P
M Fr sin Fd
国际单位制 N· m
上页
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3-2 转动定理
2. 物理意义
第三章 刚体力学基础
力矩是决定刚体转动的物理量,表明力的大小、方向和 作用点对物体转动的影响。
3. 注意 (1) 对固定轴的力矩只有两个方向，规定了正方向后， 可用正负号表示力矩的方向; (2) 若有n个力作用在刚体上，且都在与转轴相垂直的平 面内，则合力矩为所有力对刚体力矩的代数和;
M z rF sin
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3-2 转动定理
第三章 刚体力学基础
（4）刚体内作用力和反作用力的力矩互相抵消。
M ij
O
M ji
d
ri
Fji iF
ij
rj
j
Mij M ji
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3-2 转动定理
' 对mi 用牛顿第二定律： f i f i mi ai
z
L
O
运动，某时刻相对原点 O 的位矢 为 r ，质点相对于原点的角动量：
y
L r p r mv
rmv sin
x
r
m
大小：L
方向：符合右手法则 SI单位： kg m2 s-1
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3-4 角动量 角动量守恒定律 第三章 刚体力学基础
刚性条件：刚体上任意两点间的距离恒保持不变.
2 平动：刚体上任意一条直线在运动中始终保持 彼此平行. 3 定轴转动：刚体上各点都绕同一固定直线(轴) 做平面圆周运动.
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本章要点
二、转动定理
第三章 刚体力学基础
1 力矩
M r F
2 转动定理
刚体绕定轴转动时所获得的角加速度的大小与其所受到的合外 力矩成正比；与转动惯量成反比；角加速度的方向与合外力矩 的方向一致.
dV :质量体密度
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3-2 转动定理
注意第三章 ຫໍສະໝຸດ 体力学基础转动惯量的大小取决于刚体的总质量、