§3.6 质点的角动量和角动量守恒定律 |
(angular momentum of a particle and the law of conservation of angular momentum) |
1. 质点的角动量 |
角动量是质点运动的另一个重要物理量。质点m对固定点 O的角动量定义为: |
由叉乘的定义,角动量大小: |
单位: kg·m2/s 或 J·s |
角动量的方向由右手定则决定。 |
(图一) |
角动量与位矢有关,因此,说明角动量时,必须指明相对的o点。 |
2. 力矩 (Torque) |
由牛顿第二定律可知,质点的动量的变化率是由质点受的合外力决定的。那么质点的角动量变化率又由什么决定呢? |
定义力对定点 O 的力矩为: |
力矩的大小 |
--称力臂 |
力矩的单位(SI)是 N·m |
力矩的方向由右手定则决定 |
于是有 |
或 |
质点所受的合外力矩等于它的角动量对时间的变化率。这就是质点的角动量定理。 (微分形式) |
积分: |
质点角动量定理(积分形式) |
称冲量矩——力矩对时间的积累作用。 |
3. 角动量守恒定律 |
在质点的角动量定理中,特殊地: |
就是说,如果对某一固定点,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。 |
——质点角动量守恒定律 |
ⅰ°角动量守恒定律是物理学的基本定律之一,它不仅适用于宏观体系,也适用于微观体系,而且在高速低速范围均适用。 |
ⅱ°由的条件可知,它可以是;也可以是;还可以是与的夹角之正弦为零。 |
例:证明行星运动的开普勒第二定律。即:行星对太阳的矢径在相同的时间扫过相同的面积。 |
证明: |
行星受的引力始终沿()方向,因此有: |
即:行星运动过程中,相对于太阳的角动量不变。由图一: |
(图一) |
总结: |
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