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本章共 3讲第二篇 实物的运动规律第五章 角动量 角动量守恒定律
§ 5.3 角动量守恒定律一,角动量守恒定律恒量时恒量时恒量时



zz
yy
xx
LM
LM
LM
0
0
0
分量式:
对定轴转动刚体:当 0?轴M 时,恒量轴?L
时,得:当 外 0?ML? 恒矢量由角动量定理:
研究对象,质点系
t
LM
d
d
外当质点系所受外力对某参考点(或轴)的力矩的矢量和为零时,质点系对该参考点(或轴)的角动量守恒。
角动量守恒定律:
2.守恒条件,)0(?
轴M0?外M
能否为?tM 0d

注意:
1.与动量守恒定律对比:
当 时,0?
外M
L? 恒矢量
p? 恒矢量当 时,0?外F? 彼此独立不能,后者只能说明初、末态角动量相等,不能保证过程中每一时刻角动量相同。
角动量守恒现象举例适用于一切转动问题,大至天体,小至粒子,..
为什么银河系呈旋臂盘形结构?
为什么猫从高处落下时总能四脚着地?
体操运动员的“晚旋”
芭蕾、花样滑冰、跳水 …,..
为什么直升飞机的尾翼要安装螺旋桨?
茹科夫斯基凳实验
[例 1] 一半径为 R、质量为 M 的转台,可绕通过其中心的竖直轴转动,质量为 m 的人站在转台边缘,
最初人和台都静止。若人沿转台边缘跑一周 (不计阻力 ),相对于地面,人和台各转了多少角度?
R
M
m?

思考:
1.台为什么转动?向什么方向转动?
2.人相对转台跑一周,相对于地面是否也跑了一周?
3.人和台相对于地面转过的角度之间有什么关系?
系统对转轴合外力矩为零,角动量守恒。以向上为正:
0 JJ Mm2
设人沿转台边缘跑一周的时间为 t,
2dd
00

tt
tt
22 21 MRJmRJ
选地面为参考系,设对转轴人,J,? ; 台,J ′,?′
解:
R
M
m?

人相对地面转过的角度:
Mm
Mt
2
2dt
0

台相对地面转过的角度:
Mm
mtt
2
4d
0

R
M
m?

二,物体在 有心力 场中的运动力的作用线始终通过某 定点 的力力心有心力对力心的力矩为零,只受有心力作用的物体对力心的角动量守恒。
应用广泛,例如:
天体运动
(行星绕恒星、卫星绕行星,..)
微观粒子运动
(电子绕核运动;原子核中质子、中子的运动一级近似;加速器中粒子与靶核散射,..)
[例 2] 已知:地球 R=6378 km
卫星 近地,h1= 439 km v1=8.1 km.s-1
远地,h2= 2384 km
求,v2=?
h2
m
h1解,建立模型卫星 ~质点 m
地球 ~均匀球体对称性:引力矢量和过地心对地心力矩为零卫星 m 对地心 o 角动量守恒
O dF m
dm
dm'
dF1
dF2
卫星 m 对地心 o 角动量守恒
1
1
1
2
1
2 skm361823846378
4396378 v..v
hR
hRv


2211 hRmvhRmv
增加通讯卫星的可利用率探险者号卫星偏心率高近地 14
1
1
skm10383
km91 6 0

.v
.h
1
2
5
2
skm1 2 2 5
km10032


v
.h
大充分利用t?
远地小很快掠过t?
mh1h2
R
1v?
2v?
.o
卫星轨道平面与地球赤道平面倾角为零轨道严格为圆形运行周期与地球自转周期完全相同
( 23小时 56分 4秒)
严格同步条件
地球同步卫星的定点保持技术地球同步卫星:相对地球静止,定点于赤道上空,轨道半径约 36000km,实现全球 24
小时通信。
地球偏心率,太阳、月球摄动引起同步卫星星下点漂移,用角动量、动量守恒调节 ~ 定点保持技术
研究微观粒子相互作用规律 自学教材 P108[例 4]
第五章 角动量 角动量守恒 习题课复习提要,三个概念,两条规律一、转动惯量

mi
ii mrrmJ d
22
二、角动量质点质点系定轴刚体
vmrL

i
iiicc vmrvmrLLL

自旋轨道
JωL z?
三、力矩
0;;
i
iz MFrMFrM 内

五、角动量守恒恒量恒矢量外


zz LM
LM
0
0

质点

2
1
ddd
t
t
LtMtLM

质点系定轴刚体

2
1
ddd
t
t
LtMtLM

外外
J βM z2
1
d
t
t
zz LtM
四、角动量定理
[例 1]已知:两平行圆柱在水平面内转动,
求:接触且无相对滑动时
20221011,Rm;,Rm,,
21
.o1
m1
R1,o2R2
m2
10? 20?
o1,o2.
1? 2?
请自行列式。
解一,因摩擦力为内力,外力过轴,外力矩为零,
则,J1 + J2 系统角动量守恒,以顺时针方向旋转为正方向:
又:
321 2111 RmJ?
421 2222 RmJ?
联立 1,2,3,4式求解,对不对?
12211202101 JJJJ
接触点无相对滑动:
22211 RRo1.,o2
1? 2?
1R 2R
问题:( 1)式中各角量是否对同轴而言?
( 2) J1 +J2 系统角动量是否守恒?
0 2
0 1
1
2
2
1
F
F
Mo)(
Mo)(
为轴为轴系统角动量不守恒!
此解法不对。
分别以 m1,m2 为研究对象,受力如图:
o2
F2
o1.
F1
f1
f2
1R 2
R
解二,分别对 m1,m2 用角动量定理列方程分别以 m1,m2 为研究对象,受力如图:
o2
F2
o1.
F1
f1
f2
1R 2
R
设,f1 = f2 = f,
以顺时针方向为正
1? 2?
m1对 o1 轴:
2
111
101111
2
1
d
RmJ
,JJtfR

m2对 o2 轴:
2
222
202222
2
1
d
RmJ
,JJtfR

接触点:
2211 RR
联立各式解得:

221
20221011
2
121
20221011
1
Rmm
RmRm
Rmm
RmRm


解一,m和 m2 系统动量守恒
m v0 = (m + m2 ) v
解二,m 和 (m1 + m2 )系统动量守恒
m v0 = (m + m1 + m2 ) v
解三,m v0 = (m + m2 ) v + m1? 2v
以上解法对不对?
[例 2]已知:轻杆,m1 = m,m2 = 4m,油灰球 m,
m 以水平速度 v0 撞击 m2,发生完全非弹性碰撞求:撞后 m2的速率 v?
m2
m1
m0v?
2L
2L
A
因为相撞时轴 A作用力不能忽略不计,
故系统动量不守恒。
因为重力、轴作用力过轴,对轴力矩为零,故系统角动量守恒。
由此列出以下方程:
LvmLvmmLmv 222 120
或,
vL;vL
Lm
L
mm
L
m



22
22
00
2
1
2
20
2


得:
9
0vv?
m2
m1
m
2L
2L
A
Ny
Nx
注意:区分两类冲击摆
( 1) o
l
m M
0v?
质点 质点 柔绳无切向力
( 2)
0v
o
l
m M
FxFy 质点 定轴刚体 (不能简化为质点)
水平方向,Fx =0,px 守恒
m v 0 = ( m + M ) v
对 o 点:,守恒
m v 0 l = ( m + M ) v l
0?M? L?
轴作用力不能忽略,动量不守恒,但对 o 轴合力矩为零,
角动量守恒
lv
Mlmllmv

220 31
回顾 ch4-2例题( p84 4 -10 )
vRMmRghm
OM mM
pMmF



2
0;0
点角动量守恒对系统不守恒系统轴轴

hM
m
绳拉紧时冲力很大,轮轴反作用力 不能忽略,N?
hM
m
N?+
0?轴F? A,B,C系统 不守恒;p?
0?轴M? A,B,C系统对 o 轴角动量守恒
vRmmmRvmm cBABA 1
C B
Nx
Ny
A
o
回顾习题( p84 4 -11)
练习,已知 m = 20 克,M = 980 克,v 0 =400米 /秒,
绳不可伸长。求 m 射入 M 后共同的 v =?
哪些物理量守恒(总动量、动量分量、角动量)?
解,m,M系统水平方向动量守恒( F x =0)
竖直方向动量不守恒(绳冲力不能忽略)
对 o 点轴角动量守恒(外力矩和为零)
vMmmv00 30s i n
或:
000 90s i n30s i n lMmvlmv
v = 4 m.s-1得:
o
m
M
v?
30
0v?

[例 3] 已知,匀质细棒 m,长 2l ;在光滑水平面内以 v 0 平动,与固定支点 O 完全非弹性碰撞。
求,碰后瞬间棒绕 O 的
v0
c
l
B
A
l / 2
l / 2
O
m 解,碰撞前后 AB棒对 O的角动量守恒思考,碰撞前棒对 O角动量 L=?
碰撞后棒对 O角动量 =?L?
撞前:
自旋轨 LLL
)1(
020 lmvL
思考,碰撞后的旋转方向?---绕 o逆时针旋转。
撞前:( 2)各微元运动速度相同,但到 O距离不等,
棒上段、下段对轴 O角动量方向相反
v0
c
B
A
O
m
x
dm
-l/2
3l/2
lm2
l xmxm 2ddd
xxlmvxvmL d2dd 00
质元角动量:
线密度:
取质元:
设垂直向外为正方向,总角动量:
lmvxxlmvxxlmvL
l
l
0
0
2
0
23
0
0
2
1d
2d2
撞后:
令:
20
12
7
2
1
mllmv
LL

得:
l
v
7
6 0
222 12722121 mllmlmJL




平行轴定理
c
B
A
Om
x
-l/2
3l/2
[例 4]
有的恒星在其核燃料燃尽,达到生命末期时,
会发生所谓超新星爆发,这时星体中有大量物质喷射到星际空间,同时该星的内核向内收缩,坍缩成体积很小、异常致密的中子星。由于中子星的致密性和极快的自转角速度,在星体周围形成极强的磁场并发射出很强的电磁波。当中子星的辐射束扫过地球时,地面上就测得脉冲信号。因此,中子星又称为脉冲星。目前,我们探测到的脉冲星已超过 550个。设某恒星绕自转轴每 45天转一周,它的内核半径 约为,坍缩为半径仅为 6000m的中子星,将星体内核当作质量不变的匀质圆球,计算中子星的角速度。
0R m102
7?
赫威斯 (1924~ )
英国物理学家
1967年利用射电望远镜第一次发现了脉冲星。
于 1974年获诺贝尔奖。
脉冲星(左边照片中间白点为变亮的脉冲星,右边为脉冲星变暗后的照片)
已确认的超新星爆炸事件:
公元(年),185,1006,1054,1181,
1572,1604,1987,
恒星,发光的星体(亮度不一定恒定)
变星,较短时间内,亮度规则或不规则变化新星,亮度突然增大几千倍超新星:不到一天内亮度突然增大几亿倍,10秒内释放的能量比太阳在全部寿命中释放的总能量大 100倍,
其中光能占 10 - 4,已足以盖过整个银河发光的总和。
( 10 37 J/s )
1054 年:北宋记载,目前遗迹:蟹状星云、中子星。
由此提出超新星爆发机制假说。
1987年 2月 23日,用观测对假说进行验证参看,现代物理知识,92年 4 - 5期连载
,1987超新星事件,
1987.2.23.格林威治时间 7,36-
空前强大的中微子流扫过地球,16万年前起源于南半球星空的大麦哲伦星云。日本神岗 2号和美国 IMB
中微子探测站记录到讯号。
9,00- 新西兰天文爱好者偶然观察 SN1987A,未见异常。
10,00- 澳大利亚天文学家拍下最初增亮照片。
在智利工作的加拿大天文学家谢尔顿 -
对照两张大麦哲伦星云的例行照片,发现刚拍的一张上多一个白点,疑为底片上的尘埃,当他走出暗室向天空望去,有幸成为自 1604年以来第一个用肉眼看到超新星爆发的人。
不到一天- 南半球几乎所有天文设备指向该位置。
直到现在- 人类使用卫星、火箭、高空飞机 …… 进行全面观测。
雷蒙德,戴维斯(美国);小柴昌俊(日本)
表彰他们在 1987年超新星爆发中探测宇宙中微子,开创中微子天文学方面取得的成就与卡尔多,贾科尼(美国,发现宇宙 X射线源)共同获得 2002年诺贝尔物理奖哈勃望远镜拍摄的超新星
1987A爆发的 结果,
中央斑点是一个新的中子星解,内核坍缩过程不受外力矩作用,
对自转轴的角动量守恒
2020 5252 mRmR?
得坍缩后的角速度为:
-1
2
3
7
0
2
0 sr a d917
3 6 0 02445
2
106
102




,
R
R
注意,在下次课前按要求自学第六章,下次课总结。
第六章 能量 能量守恒定律 自学要求一,基本内容:
1.功的计算,熟练计算变力的功,理解保守力做功的特征;
2.质点、质点系、定轴刚体的动能;
3.保守力与其相关势能的关系,由势能曲线分析物体运动特征;
4.熟练使用动能定理或功能原理解题,注意内力的功可以改变质点系的总动能;
5.熟练使用机械能守恒定律解题,对综合性问题要能划分阶段,分别选用恰当的力学定理或守恒定律求解

大作业二,自学要求
1.阅读教材 114页- 141页;
2.完成作业,No.4
三,考核方法第 7周第一次课交作业 No4;
第 8周第一次课交自学报告 (成绩占总成绩 10%)
内容:
( 1)将 114页“结构框图”具体化,形成较详尽的
“全章总结”(格式不限);
( 2)学习效果的自我评价、收获体会;
( 3)对本章教学方式的反馈意见。