1、1conservation law of motion2 物理规律是分层次的，有的只对某物理规律是分层次的，有的只对某些具体事物适用，如胡克定律只适用于些具体事物适用，如胡克定律只适用于弹性体；有的在一定范畴内成立，如牛弹性体；有的在一定范畴内成立，如牛顿定律适用于一切低速运动的宏观物体；顿定律适用于一切低速运动的宏观物体；有的则在自然界的所有领域起作用，有的则在自然界的所有领域起作用，属于自然界更深层次、最为基本的属于自然界更深层次、最为基本的 规律规律，如能量守恒、动，如能量守恒、动 量守恒等量守恒等守恒定律守恒定律。3 宇宙大爆炸论提出时间是有起宇宙大爆炸论提出时间是有起点的，时间不具有
2、平移不变性了，点的，时间不具有平移不变性了，能量守恒的理论基础将出现裂痕。能量守恒的理论基础将出现裂痕。同时又发现万有引力常数随时间变同时又发现万有引力常数随时间变化，能量守恒定律面临挑战。化，能量守恒定律面临挑战。王燕生王燕生东北大学学报东北大学学报 （社会科学版）（社会科学版）1999年年10月月 第一卷第第一卷第4期期 4保守力保守力 成对力作功成对力作功 势能势能 功能原理功能原理 机械能守恒定律机械能守恒定律 能量守恒定律能量守恒定律 动量守恒定律动量守恒定律 碰撞碰撞 质点的角动量质点的角动量 角动量守恒定律角动量守恒定律 研究对象：研究对象：质点系统质点系统 过程问题过程问题 守
3、守 恒恒 量：量：对于物体系统内发生的各种过程，如对于物体系统内发生的各种过程，如果某物理量果某物理量始终保持不变始终保持不变，该物理量就叫做守恒，该物理量就叫做守恒量。量。守恒定律：守恒定律：由宏观现象总结出来的最深刻、最简由宏观现象总结出来的最深刻、最简洁的自然规律。（动量守恒定律、机械能守恒定洁的自然规律。（动量守恒定律、机械能守恒定律、能量守恒定律和角动量守恒定律等）律、能量守恒定律和角动量守恒定律等）适用范围：适用范围：不仅适用于宏观也适用于微观世界，不仅适用于宏观也适用于微观世界，不仅适用于任何物理过程，也适用于化学、生物不仅适用于任何物理过程，也适用于化学、生物等其他过程，是自然
4、界的普遍规律。等其他过程，是自然界的普遍规律。2、保守力、保守力 conservative force：作功的大小只与物体的始作功的大小只与物体的始末位置有关，而与所经历的路径无关，这种力叫做保守力。末位置有关，而与所经历的路径无关，这种力叫做保守力。重力、万有引力，弹性力及静电力都是保守力。没有这种重力、万有引力，弹性力及静电力都是保守力。没有这种性质的力称为非保守力性质的力称为非保守力nonconservative force(耗散力耗散力 dissipative force），如摩擦力。），如摩擦力。3.1 3.1 保守力保守力 成对力作功成对力作功 势能势能conservative f
5、orce,work done by twin force,potential energy bLazyxbLabLadzFdyFdxFrdFdsFA)()()()(cos 一、保守力一、保守力 conservative force 1、功与路径有关：、功与路径有关：由功的定义可知，一般来说，作功由功的定义可知，一般来说，作功与路径有关。与路径有关。3、保守力作功、保守力作功work done by conservative force有心力有心力为例为例central forcer+D D rroABF1F2 1 1 2 2D D r2D D r1路径路径1路径路径2rrfrF)()(2211
6、rFrFD DD D 有心力有心力central force做功与路径无关做功与路径无关所做的功与路径无关，这种力称为所做的功与路径无关，这种力称为保守力保守力 conservative force。)2()2(ABBAAA 0)2()1(ABBAAA)2()1(BABAAA 保守力沿任意闭合路径所做的功为零。保守力沿任意闭合路径所做的功为零。万有引力万有引力 universal gravitation,静电力静电力 electrostatic force,弹性力弹性力 elastic force 4、保守力场：、保守力场：conservative force field 如果质点在某一部分空
7、间内的任何位置，都受到如果质点在某一部分空间内的任何位置，都受到一个大小和方向完全确定的保守力的作用，称这部分一个大小和方向完全确定的保守力的作用，称这部分空间中存在着保守力场。空间中存在着保守力场。功的特点：功的特点：(1)与路径无关；与路径无关；(2)沿任意闭合路径沿任意闭合路径一周重力作功必为零；一周重力作功必为零；(3)质点上升重力作负功。质点上升重力作负功。2121)()(21MMzzzzzmgdzmgdzFA二、几种常见力的功二、几种常见力的功 work done by common forces1、重力的功：、重力的功：work done by gravity2、万有引力作功、万
8、有引力作功Work done by universal gravitation rrmMGf2 oBArArBCACACCBABAAAA )11(2ACrrACACrrGmMrdrGmMrdfAAC BACAACABrGmMrGmMrrGmMAA )11(功的特点：功的特点：(1)与路径无关；与路径无关；(2)沿任意闭合路径沿任意闭合路径一周引力作功必为零；一周引力作功必为零；(3)质点移近时（质点移近时（r2B，保守力所做的功与路径无关，而只保守力所做的功与路径无关，而只与这两点的位置有关。可引入一个与这两点的位置有关。可引入一个只与位置有关的函数，只与位置有关的函数，B点的函数值点的函数值
9、减去减去A点的函数值，定义为从点的函数值，定义为从B-A保守力所做的功，该函数就是势能保守力所做的功，该函数就是势能函数。函数。2、势能差、势能差 change in potential energy 质点从位置质点从位置A到位置到位置B，保守力作的功可以统，保守力作的功可以统一写为：一写为：BAPpBAAEBErdfA)()(定义了势能差，定义了势能差，函数函数 Ep只与质点的位置有关，称为质点的势能或只与质点的位置有关，称为质点的势能或位能。上式表示，位能。上式表示，保守力作的功等于势能的减少保守力作的功等于势能的减少：pdEdA 或：或：保守力的功只与始末位置有关，而与中间路径保守力的功
10、只与始末位置有关，而与中间路径无关，因此，要确定质点在保守力场中任一点的势无关，因此，要确定质点在保守力场中任一点的势能，必须先选定零势能的位置，由于零势能位置的能，必须先选定零势能的位置，由于零势能位置的选取是任意的，所以势能的值总是相对的，但两点选取是任意的，所以势能的值总是相对的，但两点的势能差是不变的。的势能差是不变的。选参考点（势能零点），设选参考点（势能零点），设0)(AEPB点的势能点的势能:ABPABE)(3、势能的相对性、势能的相对性 relativity of potential energyBAABrGmMrGmMA选无限远点势能为零选无限远点势能为零 Ar rprmMG
11、drrmMGE25、重力势能、重力势能 Gravitational potential energy 0)(zpmgzdzmgE 0221xpkxkxdxE4、万有引力势能、万有引力势能 universal gravitation potential energy 6、弹簧的弹性势能、弹簧的弹性势能elastic potential energy 7、势能曲线、势能曲线 potential energy curves 势能是位置的函数势能是位置的函数,把势能和相对位置的关系绘成曲线，把势能和相对位置的关系绘成曲线，便得到便得到势能曲线势能曲线。通过势能曲线，可以显示出系统总能量、动能和势能间通
12、过势能曲线，可以显示出系统总能量、动能和势能间的关系的关系 ，由，由 ，可以根据曲线的形，可以根据曲线的形状讨论物体的运动；状讨论物体的运动；pkEEE 0 kE 还可以根据势能还可以根据势能Ep(x,y,z)的情况，判断物体在各个位置的情况，判断物体在各个位置所受保守力的大小和方向：所受保守力的大小和方向：pxdEdxFdA dxdEFpx 221kxEp kxFx )(kzEjyEixEkFjFiFFpppzyx 如果势能是位置（如果势能是位置（x,y,z）的多元函数，则）的多元函数，则:得得例如：由弹性势能例如：由弹性势能8、由势能求保守力、由势能求保守力conservative for
13、ce from potential energy 3.2 3.2 功能原理功能原理 能量守恒定律能量守恒定律Work-energy principle The law of conservation of energy一、质点系动能定理一、质点系动能定理 kinetic energy of particle system 1、什么是质点系？、什么是质点系？particle system,many-body system （由有限个或无限个质点组成的系统。可以是固体也可（由有限个或无限个质点组成的系统。可以是固体也可以是液体，它概括了力学中最普遍的研究对象）以是液体，它概括了力学中最普遍的研究对
14、象）2、质点系的、质点系的内力与外力内力与外力是怎么规定的？是怎么规定的？external and internal force （质点系外的物体作用于质点系内各质点的力称为（质点系外的物体作用于质点系内各质点的力称为外外力力，质点系内各质点之间的相互作用力称为，质点系内各质点之间的相互作用力称为内力内力，外力和，外力和内力的内力的区分完全决定于区分完全决定于质点系（研究对象）的选取。）质点系（研究对象）的选取。）3、质点系、质点系内力的功内力的功：work done by internal force 一切内力矢量和恒等于零。但一般情况下，一切内力矢量和恒等于零。但一般情况下，所有内力作功的
15、总和并不为零。例如，两个彼此所有内力作功的总和并不为零。例如，两个彼此相互吸引的物体，移动一段位移，都作正功。相互吸引的物体，移动一段位移，都作正功。kkkEEEAD D 12kkkiiiiiieEEEvmvmAAD D 122122)2121(质点系动能定理：质点系动能定理：系统的外力和内力作功的总和等系统的外力和内力作功的总和等于系统动能的增量于系统动能的增量。外力和内力的功都可以改变质点系的动能。外力和内力的功都可以改变质点系的动能。4、质点系动能定理：、质点系动能定理：kinetic energy theorem of particle system由质点动能定理：由质点动能定理：二、
16、质点系功能原理二、质点系功能原理 Work-energy principle of particle system 1、系统的机械能、系统的机械能 mechanical energy of system 动能与势能的总和称为机械能动能与势能的总和称为机械能idiciAAA 3、由势能的定义，保守内力的功总等于系统、由势能的定义，保守内力的功总等于系统势能的减少势能的减少（保守内力的功由势能代替）picEAD D 2、内力的功可分为：、内力的功可分为：（保守内力的功和非保守（保守内力的功和非保守内力功内力功 conservative and nonconservative internal fo
17、rce）pkEEE 非保守内力的功将导致机械能与其他形式的非保守内力的功将导致机械能与其他形式的能量转换能量转换。energy transformidepkAAEEE D D D D D DkpideidiceieEEAAAAAAAD D D D 4、系统的功能原理、系统的功能原理 （由质点系动能定理）Work-energy principle of system 在选定的质点系内，在任一过程中，在选定的质点系内，在任一过程中，质点质点系总机械能的增量等于所有外力的功与非保守内系总机械能的增量等于所有外力的功与非保守内力的功的代数和力的功的代数和。三、能量守恒定律三、能量守恒定律 law of
18、 conservation of energy1、机械能守恒定律、机械能守恒定律law of conservation of mechanical energy 如果一个系统内只有保守内力作功，其他内力和一切如果一个系统内只有保守内力作功，其他内力和一切外力都不作功，外力都不作功，或者它们（或者它们（在每一瞬间所作在每一瞬间所作）的总功为零）的总功为零，则系统内各物体的动能和势能可以相互转换，但机械能的总则系统内各物体的动能和势能可以相互转换，但机械能的总值不变值不变。2、非保守内力作功，系统的机械能不守恒、非保守内力作功，系统的机械能不守恒 例如，摩擦力作功，机械能转变成热能例如，摩擦力作功
19、，机械能转变成热能。0 ideAA0 D D D D D DpkEEE常量 pkEE（由系统的功能原理（由系统的功能原理 ）idepkAAEEE D D D D D D 则则：或或即，即，如果如果：机械能守恒定律的条件的机械能守恒定律的条件的讨论讨论 discussion 例：在一光滑的水平桌面上，有一个质量为例：在一光滑的水平桌面上，有一个质量为m的的静止物体，用一个恒力先推它，运动了距离，静止物体，用一个恒力先推它，运动了距离，在这段时间里，物体做匀加速运动，速度从零增在这段时间里，物体做匀加速运动，速度从零增加到加到 v，然后再用同样的力拉物体，物体将做匀，然后再用同样的力拉物体，物体将
20、做匀减速运动，当运动了距离后，它一定停下来，减速运动，当运动了距离后，它一定停下来，在这个过程中，外力作的总功为：在这个过程中，外力作的总功为：（）但机械能并不守恒！但机械能并不守恒！可见，可见，“非保守内力和一非保守内力和一 切外力所作的总功为零切外力所作的总功为零”并不能保证系统的机械能守恒！并不能保证系统的机械能守恒！右图：力右图：力 f 作正功，作正功，f 作负功，总和作负功，总和为零，机械能守恒。为零，机械能守恒。3、孤立系统、孤立系统 isolated system 一个不受外界作用的系统叫作孤立系统。对于一个不受外界作用的系统叫作孤立系统。对于孤立系统，外界的功一定是零。孤立系统
21、，外界的功一定是零。4、能量守恒定律、能量守恒定律 law of conservation of energy 实验证明，实验证明，一个一个孤立系统孤立系统，历经任何变化过程，历经任何变化过程，该系统的所有能量的总和是不变的，能量只能从一该系统的所有能量的总和是不变的，能量只能从一种形式变化为另一种形式，或从一个物体传给另一种形式变化为另一种形式，或从一个物体传给另一个物体个物体。能量守恒定律能量守恒定律。“守恒守恒”：指在一个过程中始终不变。：指在一个过程中始终不变。“相等相等”：指两个特定状态之间的关：指两个特定状态之间的关系。系。“Conservation”and “Equation”5
22、、能量守恒定律的意义及其重要性、能量守恒定律的意义及其重要性signification and import of conservation of energy（1）因为能量是各种运动的一般量度，所以能量）因为能量是各种运动的一般量度，所以能量守恒定律所阐明的实质就是守恒定律所阐明的实质就是各种物质运动可以相互各种物质运动可以相互转化转化，但是，就物质或运动本身来说，却既不能创，但是，就物质或运动本身来说，却既不能创造，也不会消灭的。造，也不会消灭的。（2）能量守恒定律是）能量守恒定律是自然界中具有最大普遍性的定自然界中具有最大普遍性的定律律之一，适用于任何变化过程，包括机械的、热的、之一，适
23、用于任何变化过程，包括机械的、热的、电磁的、原子核的、化学的及生物的等等。电磁的、原子核的、化学的及生物的等等。（3）自然界一切已经实现的过程无一例外地遵）自然界一切已经实现的过程无一例外地遵守着这一定律，如果发现有所违反，那常常是因守着这一定律，如果发现有所违反，那常常是因为过程中孕含着还未被认识的新事物。于是人们为过程中孕含着还未被认识的新事物。于是人们就按守恒定律要求去就按守恒定律要求去寻找和发现新事物寻找和发现新事物。例如：。例如：中微子的发现。中微子的发现。(20世纪初世纪初 衰变的研究中发现实衰变的研究中发现实验结果与能量守恒相违背，泡利提出中微子假说，验结果与能量守恒相违背，泡利
24、提出中微子假说，20年后，科学终于证实了中微子的存在）。年后，科学终于证实了中微子的存在）。（4）凡违背守恒定律的过程不可能实现，由此）凡违背守恒定律的过程不可能实现，由此判断哪些过程是不可能发生的判断哪些过程是不可能发生的，例如：，例如：“永动永动机。机。”例题3-2：一汽车的速度一汽车的速度 ，驶至一斜率为驶至一斜率为0.010的斜坡时，关闭油的斜坡时，关闭油门，设车与路面间的摩擦阻力为车重门，设车与路面间的摩擦阻力为车重G的的0.05倍，问汽车能冲上斜面多远？倍，问汽车能冲上斜面多远？解法一解法一：应用动能定理应用动能定理，以车为研究对象。，以车为研究对象。车受力如图：摩擦力车受力如图：
25、摩擦力 fr，支持力，支持力N（不作功），重力（不作功），重力G。hkmv/360 20210sinmvsGsfr 2021sin05.0mvsGsG mgGtg ,010.0sin 2021010.005.0vgsgs )(85)010.005.0(81.9210)010.005.0(2220mgvs 由动能定理：由动能定理：由于由于fr=0.05G：又由于：又由于：故有：故有：由此得由此得：解法二解法二：取车和地球作为研究对象（系统），：取车和地球作为研究对象（系统），用功能原理用功能原理。车受的外力：摩擦力车受的外力：摩擦力 fr，支持力，支持力N，（重力，（重力G为内力）为内力）设坡底
26、势能为零，由功能原理设坡底势能为零，由功能原理)021()sin0(20 mvsmgsfr EAAideD D smgmvsmg 010.02105.020)(85)010.005.0(81.9210)010.005.0(2220mgvs 提示：提示：在应用功能原理时，由于取车与地球为系统，考在应用功能原理时，由于取车与地球为系统，考虑了系统的重力势能，因此，就不能再把重力当成外力虑了系统的重力势能，因此，就不能再把重力当成外力来计算它的功了。来计算它的功了。则：则：3.3 3.3 动量守恒定律动量守恒定律 碰撞碰撞law of conservation of momentum collisi
27、on 一、质点系的动量定理一、质点系的动量定理 momentum theorem of particle system1、质点系的动量、质点系的动量：质点系质点系内各质点动量的矢量和。内各质点动量的矢量和。iiivmp微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：iiiiidtFvmd)(iiittiiiiidtFvmvm210 iiIpp0质点系动量的增量，等于作用在质质点系动量的增量，等于作用在质点系上所有外力在同一时间内的冲点系上所有外力在同一时间内的冲量的矢量和量的矢量和。质点系动量定理质点系动量定理2、质点系的动量定理：、质点系的动量定理：4、内力不能改变质点系的总动量内力不能改变质点系的
28、总动量 iixoxxIpp iiyyyIpp0 iizzzIpp00)(dtFFdtFdtFdtFdtFiiiiiiiiFF 即内力的冲量的矢量和恒为零。即内力的冲量的矢量和恒为零。5、内力可以改变质点系内各质点的动量、内力可以改变质点系内各质点的动量 例如例如爆炸。爆炸。因为内力总是成对出现的，且因为内力总是成对出现的，且 则冲量和为：则冲量和为：3、分量式、分量式如果如果 则则 二、质点系的动量守恒定律二、质点系的动量守恒定律 law of conservation of momentum of particle system如果如果：（质点系所受合外力的矢量和为零）（质点系所受合外力的矢
29、量和为零）iiF0则则：或或 iiivmd0)(常矢量 iiivm iixF0常量 iixivm iiittiiiiidtFvmvm2101、动量守恒定律：、动量守恒定律：（由动量定理 ）定律：定律：如果系统所受到的外力的矢量和为零，如果系统所受到的外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变。则系统的总动量保持不变。2、分量式：、分量式：(投影式投影式)单单 位位 kgm/s(千克千克米米/秒秒)J(焦耳焦耳)(或或Nm牛顿牛顿米米)性性 质质 矢量矢量 标量标量 变化量变化量 P由力的冲量决定由力的冲量决定 Ek由力的功决定由力的功决定 对于给定两个时刻对于给定两个时刻t1和和t2：对于给定两
30、个时刻对于给定两个时刻t1和和t2：P与惯性系的选择无关与惯性系的选择无关 Ek随惯性系的不同而不同随惯性系的不同而不同 关关 系系221mvEvmpk )2/(2mpEk 三、动量与动能的比较三、动量与动能的比较momentum and kinetic energy 物理量物理量 动量动量(momentum)动能动能(kinetic energy)表达式表达式 1、碰撞的定义、碰撞的定义 definition of collision 质点、质点系或刚体之间，通过极短时间的相互作用而质点、质点系或刚体之间，通过极短时间的相互作用而使运动状态发生显著变化的过程使运动状态发生显著变化的过程碰撞碰
31、撞(collision)。（人从车上跳下，子弹打入墙壁等都属于碰撞）（人从车上跳下，子弹打入墙壁等都属于碰撞）2、碰撞过程的特点、碰撞过程的特点 characteristic of collision (1)作用时间极短作用时间极短 (2)作用力变化极快作用力变化极快(3)作用力峰值极大作用力峰值极大 (4)过程中物体会产生形变过程中物体会产生形变 (5)可认为仅有内力的作用，故系统遵守动量守恒定律。可认为仅有内力的作用，故系统遵守动量守恒定律。3、碰撞定律、碰撞定律 law of collision四、碰撞四、碰撞 collision)()(201012接近速度分离速度vvvve e 称恢复
32、系数称恢复系数（决定于材料性质）（决定于材料性质）(3)非完全弹性碰撞非完全弹性碰撞 non-perfectly elastic collision 当当0e1时，时，此时说明碰撞后形变能完全恢复，没有机械能的损失此时说明碰撞后形变能完全恢复，没有机械能的损失(碰碰撞前后机械能守恒撞前后机械能守恒)。elastic collision,perfectly elastic collision(2)完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞 当当 e 0 时，时，perfectly inelastic collision此时，物体碰撞后以同一速度运动，不再分开，这就是此时，物体碰撞后以同一速度运动，不再分开，这
33、就是说物体碰撞后已经完全不能恢复形变。说物体碰撞后已经完全不能恢复形变。201012vvvv vvv 12)(201012vvevv 4、碰撞的分类、碰撞的分类 class collisions(1)弹性碰撞弹性碰撞 当当 e 1 时，时，此时，碰撞后形变不能完全恢复，一部分机械此时，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能将被转变为其他形式的能量(如热能）。如热能）。讨论：力的大小与接近速度成正比，与接触时间成反比，还与物体的质量和材料有关。)1(2211202101vmvmvmvm 2120102101)()1(mmvvmevv 2120101202)()1(mmvv
34、mevv )4(20222tvmvmfD D )2(201012vvvve tmmvvemmfD D )()(1(212010215、碰撞中的力、碰撞中的力(以两物体碰撞为例）以两物体碰撞为例）（1）动量守恒：）动量守恒：（2）碰撞定律：）碰撞定律：（3）非完全弹性碰撞：）非完全弹性碰撞：(3)（4）由动量定理）由动量定理(对对m2)将将(3)代入代入(4)2201021212)()()1(21vvmmmmeE D D 6)2121()2121(2211202101vmvmvmvmE D D0 D DE020 v02122102121211)1()()1(21EmmevmmmmeE D D21
35、01021vmE 6、碰撞中能量的损失、碰撞中能量的损失碰撞前后机械能的损失为：碰撞前后机械能的损失为：将前面式将前面式(3)代入式代入式(6)便得：便得：讨论：讨论：(1)对于完全弹性碰撞（对于完全弹性碰撞（e=1),无能量损失。无能量损失。利用：利用：(2)打铁、打桩等打铁、打桩等 则：则：(3)损失的机械能，通常变为热能或形变能。损失的机械能，通常变为热能或形变能。求两物到达最高处的张角求两物到达最高处的张角例题例题3-11由式由式(1)、(2)、(3)消去消去 1)cos1(2111121 glmghmvm 2)(211vmmvm 3)cos1()(2121221 glmmvmm co
36、s11cos2211 mmmvv 和解：分三个过程：解：分三个过程：（1）小球自）小球自A下落到下落到B，机械能守恒机械能守恒：（2）小球与蹄状物碰撞过程，）小球与蹄状物碰撞过程，动量守恒动量守恒：（3）小球与蹄状物开始运动到最高处，）小球与蹄状物开始运动到最高处，机械能守恒机械能守恒：可求得：可求得：解：设碰撞后两球速度解：设碰撞后两球速度21vvv 由动量守恒由动量守恒21,vv两边平方两边平方22212122vvvvv 由机械能守恒（势能无变化）由机械能守恒（势能无变化）22212vvv 021 vv两球速度总互相垂直两球速度总互相垂直例题例题：在一平面上：在一平面上,两相同的球做完全弹
37、性碰撞，两相同的球做完全弹性碰撞，其中一球开始时处于静止状态，另一球速度其中一球开始时处于静止状态，另一球速度 v 。求证：碰撞后两球速度总互相垂直。求证：碰撞后两球速度总互相垂直。)(21vmvmvm )212121(22212mvmvmv 比较以上两式3.4 3.4 质点的质点的角动量角动量 角动量守恒定律角动量守恒定律angular momentum,law of conservation of angular momentum 力的作用效果，不仅与力的力的作用效果，不仅与力的大小大小 magnitude 有关、还有关、还与力的与力的方向方向 direction 和力的和力的作用点作用点
38、 acting point 有关。力有关。力矩是全面考虑这矩是全面考虑这三要素三要素的一个重要的概念。的一个重要的概念。FrM 0 sin00 rFMMMrF o一、一、质点角动量质点角动量(angular momentum)的定义的定义1、力矩力矩定义定义torque方向：由右手定则方向：由右手定则大小：大小：角动量与参考点角动量与参考点O的选择有关，的选择有关，同一质点对于不同的参考点其角动量是不同的。同一质点对于不同的参考点其角动量是不同的。定义：任取一点定义：任取一点o,建立坐标系建立坐标系oxyz，设质点，设质点A的质量为的质量为m，速度为，速度为 ，矢径为，矢径为 ，则质点，则质点
39、A对对o点的角动量为：点的角动量为：vrvmrprL sinsinmvrprL 2、角动量、角动量 angular momentum（moment of momentum）方向：由方向：由右手螺旋定则右手螺旋定则确定，确定，right hand screw rule大小：大小：dtvdmF rdtvdmrFr vmrL )(vmrdtddtLd vmdtrddtvmdr )(vmvdtvdmr 0 vmv00sin vvMFrdtvdmr 二、二、质点质点角动量定理角动量定理 angular momentum theorem1、推导过程：推导过程：由牛顿第二定律由牛顿第二定律得得:两边叉乘两边
40、叉乘 将角动量定义式将角动量定义式 对时间求导数。对时间求导数。dtLdFrM 即：即：dtLdFrM 质点（转动物体）所受合外力矩质点（转动物体）所受合外力矩torque的冲量的冲量矩等于在这段时间内质点（转动物体）角动量的增矩等于在这段时间内质点（转动物体）角动量的增量。量。dtLdM LddtM dtM2、角动量定理、角动量定理angular momentum theorem 质点对某点的角动量对时间的变化率质点对某点的角动量对时间的变化率等于质点所受到的合力对同一点的力矩。等于质点所受到的合力对同一点的力矩。3、另一种表述、另一种表述：将：将 变形为变形为 式中式中 称为外力矩的称为外
41、力矩的冲量矩冲量矩 impulse torque (角冲量角冲量angular impulse）若质点所受外力矩对某给定点若质点所受外力矩对某给定点o o的力的力矩为零，则质点对矩为零，则质点对o o的角动量保持不变的角动量保持不变。(具有普遍意义，对具有普遍意义，对m变的也适用）变的也适用）0M0 Ld0 dtLd恒矢量 vmrL三、质点角动量守恒定律三、质点角动量守恒定律law of conservation of angular momentum of particle由角动量定理可知，由角动量定理可知，若若：（条件条件)则则：或或（结论）（结论）即：即：)(dtLdFrM (const
42、ant vector)例题例题3-14 人造卫星绕地球沿椭圆轨道人造卫星绕地球沿椭圆轨道运动，地球中心为椭圆的一个焦点，运动，地球中心为椭圆的一个焦点，已知地球平均半径已知地球平均半径 R=6378 km，近地，近地距离距离 l1=439 km,A1 点速度点速度 v1=8.10 km,远地距离远地距离 l2=2384 km,求求A2 点的点的速度速度v2=?解解：卫星在运行时只受地球对它的引力，：卫星在运行时只受地球对它的引力，方向始终指向地心方向始终指向地心o,力的大小只依赖于力的大小只依赖于 两点距离（这种力称为两点距离（这种力称为有心力有心力），对于），对于O 点，力矩为零，点，力矩为
43、零，00 FrM)(111lRmvL )(222lRmvL )()(2211lRmvlRmv )/(30.623846378439637810.82112skmlRlRvv 故故角动量守恒角动量守恒。卫星在近地点卫星在近地点A1 的角动量：的角动量：卫星在远地点卫星在远地点A2 的角动量的角动量:因角动量守恒，所以：因角动量守恒，所以：于是：于是：1、哪些力是保守力？它们有哪些共同的特点？、哪些力是保守力？它们有哪些共同的特点？（重力、万有引力、弹簧弹性力、静电力；作（重力、万有引力、弹簧弹性力、静电力；作功与路径无关）功与路径无关）2、成对力的功有什么特点？、成对力的功有什么特点？（只与相对
44、位移有关；与参考系的选择无关）（只与相对位移有关；与参考系的选择无关）3、势能的大小与哪些因素有关？、势能的大小与哪些因素有关？（相对位置；零点的选择）（相对位置；零点的选择）4、本章介绍几个、本章介绍几个“原理原理”？请你叙述一下？请你叙述一下？（功能原理）（功能原理）5、本章介绍哪几个、本章介绍哪几个“定理定理”？请叙述其中之？请叙述其中之一。一。（动能定理、动量定理、质心运动定理、角动（动能定理、动量定理、质心运动定理、角动量定理）量定理）6、本章介绍哪几个、本章介绍哪几个“定律定律”？请叙述其中之？请叙述其中之一。一。（碰撞定律、机械能守恒定律、能量守恒定律、（碰撞定律、机械能守恒定律
45、、能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律）动量守恒定律、角动量守恒定律）7、角动量是怎么定义的？它与哪些因素有关？、角动量是怎么定义的？它与哪些因素有关？（和和O点的选择）点的选择）vmrprL 8、系统内力可否改变系统的总动量？可否改、系统内力可否改变系统的总动量？可否改变系统的总动能？变系统的总动能？（不能改变总动量；可以改变总动能）（不能改变总动量；可以改变总动能）9、两个质量相等的小球，分别从两个高度相、两个质量相等的小球，分别从两个高度相同、倾角不同的光滑斜面的顶端由静止滑到底同、倾角不同的光滑斜面的顶端由静止滑到底部，它们的动量是否相同？它们的动能是否相部，它们的动量是否相同？它们的动能是否相同？同？（动量不同；动能相同）（动量不同；动能相同）10、质点在有心力场中的运动具有什么性质？、质点在有心力场中的运动具有什么性质？（角动量守恒）（角动量守恒）57
