大學普通物理學經(jīng)典課件--剛體的轉(zhuǎn)動.ppt

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,第五章 剛體的轉(zhuǎn)動,教學基本要求,一 理解描寫剛體定軸轉(zhuǎn)動的物理量，并掌握角量與線量的關(guān)系.,二 理解力矩和轉(zhuǎn)動慣量概念，掌握剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動定理.,三 理解角動量概念，掌握質(zhì)點在平面內(nèi)運動以及剛體繞定軸轉(zhuǎn)動情況下的角動量守恒問題.,能運用以上規(guī)律分析和解決包括質(zhì)點和剛體的簡單系統(tǒng)的力學問題.,四 理解剛體定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動動能概念，能在有剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的問題中正確地應(yīng)用機械能守恒定律,一 剛體,5.1 剛體轉(zhuǎn)動的描述,1 定義：在外力作用下，形狀和大小都不發(fā)生變化的 物體 .,note：1）理想化模型。,2）剛體運動時，各質(zhì)點之間的相對距離不發(fā)生 變化。,3）視為內(nèi)力無窮大的特殊質(zhì)點系。,2 剛體的運動形式：平動、轉(zhuǎn)動 .,1） 平動：若剛體中所有點的運動軌跡都保持完全相同，或者說剛體內(nèi)任意兩點間的連線總是平行于它們的初始位置間的連線 .,,2） 轉(zhuǎn)動：剛體中所有的點都繞同一直線做圓周運動. 轉(zhuǎn)動又分定軸轉(zhuǎn)動和非定軸轉(zhuǎn)動 .,剛體的平面運動 .,,,,二 剛體轉(zhuǎn)動的角速度和角加速度,,,,角位移,角坐標,角速度矢量,方向: 右手螺旋方向,角加速度,1） 每一質(zhì)點均作圓周運動，圓面為轉(zhuǎn)動平面； 2） 任一質(zhì)點運動 均相同，但 不同； 3） 運動描述僅需一個坐標 .,定軸轉(zhuǎn)動的特點,剛體定軸轉(zhuǎn)動（一維轉(zhuǎn)動）的轉(zhuǎn)動方向可以用角速度的正負來表示 .,三 勻變速轉(zhuǎn)動公式,當剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角加速度為恒量時，剛體做 勻變速轉(zhuǎn)動 .,剛體勻變速轉(zhuǎn)動與質(zhì)點勻變速直線運動公式對比,四 角量與線量的關(guān)系,,,,,,,飛輪 30 s 內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度,例1 一飛輪半徑為 0.2m、 轉(zhuǎn)速為150rmin-1， 因受制動而均勻減速，經(jīng) 30 s 停止轉(zhuǎn)動 . 試求：（1）角加速度和在此時間內(nèi)飛輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；（2）制動開始后 t = 6 s 時飛輪的角速度；（3）t = 6 s 時飛輪邊緣上一點的線速度、切向加速度和法向加速度 .,該點的切向加速度和法向加速度,轉(zhuǎn)過的圈數(shù),,剛體繞 O z 軸旋轉(zhuǎn) , 力 作用在剛體上點 P , 且在轉(zhuǎn)動平面內(nèi), 為由點O 到力的作用點 P 的徑矢 .,一 力矩,2 轉(zhuǎn)動定律,力臂：從O點到 作用線的垂直距離d叫力臂。,力矩為：力的大小和力臂的乘積，叫做力 對轉(zhuǎn)軸Z的力矩。,是一矢量。,大小：,方向：右手螺旋。,思考：與Z軸平行的力在Z軸上的力矩等于多少？作用線過Z軸的力在Z軸上的力矩等于多少？,判斷：平行于Z軸的力對Z軸的力矩一定是0，垂直于Z軸的力對Z軸的力矩一定不為0.,,,2）合力矩等于各分力矩的矢量和,其中 對轉(zhuǎn)軸的力 矩為零，故 對轉(zhuǎn)軸的力矩,結(jié)論：剛體所受的合力為0是，剛體的合力矩可以為0，也可以不為0.當合力矩為0時，合力不一定為0.,3） 剛體內(nèi)作用力和反作用力的力矩互相抵消,,O,二 轉(zhuǎn)動定律,2）剛體,質(zhì)量元受外力 ，內(nèi)力,,1）單個質(zhì)點 與轉(zhuǎn)軸剛性連接,外力矩,內(nèi)力矩,,,,剛體所受的對于某一固定軸的合力矩等于剛體對此轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量與剛體在此合力矩作用下所獲得的角加速度的乘積。,轉(zhuǎn)動定律,定義轉(zhuǎn)動慣量,Note：1）轉(zhuǎn)動定律中的各量均對同一轉(zhuǎn)軸。,2）此方程式類似于 。,,,說明力矩是使剛體狀態(tài)發(fā)生改變而產(chǎn)生角加速度的原因。,三 轉(zhuǎn)動慣量,物理意義：轉(zhuǎn)動慣性的量度 .,質(zhì)量離散分布剛體的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)動慣性的計算方法,解 設(shè)棒的線密度為 ，取一距離轉(zhuǎn)軸 OO 為 處的質(zhì)量元,,例1 一質(zhì)量為 、長為 的均勻細長棒，求通過棒中心并與棒垂直的軸的轉(zhuǎn)動慣量 .,如轉(zhuǎn)軸過端點垂直于棒,例2 一質(zhì)量為 、半徑為 的均勻圓盤，求通過盤中心 O 并與盤面垂直的軸的轉(zhuǎn)動慣量 .,解 設(shè)圓盤面密度為 ，在盤上取半徑為 ，寬為 的圓環(huán),而,圓環(huán)質(zhì)量,所以,圓環(huán)對軸的轉(zhuǎn)動慣量,四 平行軸定理,轉(zhuǎn)動慣量的大小取決于剛體的質(zhì)量、形狀及轉(zhuǎn)軸的位置 .,質(zhì)量為 的剛體，如果對其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量為 ，則對任一與該軸平行，相距為 的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量,圓盤對P 軸的轉(zhuǎn)動慣量,,例4 一半徑為R，質(zhì)量密度為?的薄圓盤，有兩個半徑均為 的圓孔，兩圓孔中心距離圓盤中心距離均為 ，如圖所示。求此薄圓盤對于通過圓盤中心而與盤面垂直的軸的轉(zhuǎn)動慣量。,O,解：補償法,設(shè)想在帶孔圓盤的每個小孔處填充質(zhì)量為+m′和-m ′且相等的小圓盤，這樣并不會改變原來的質(zhì)量分布，但形成了正質(zhì)量的大圓盤和負質(zhì)量的小圓盤的組合體，它們的轉(zhuǎn)動慣量都可以按公式計算，而帶孔的圓盤的轉(zhuǎn)動慣量可以由疊加法求出！,,正質(zhì)量的大圓盤對盤心O的轉(zhuǎn)動慣量 為：,,,兩個負質(zhì)量的小圓盤對O軸的轉(zhuǎn)動慣量為：,于是帶孔圓盤對O軸的轉(zhuǎn)動慣量為：,,練習1：一可忽略質(zhì)量的輕質(zhì)平面的正方形框架，邊長為a，其四個頂點上分別有一個質(zhì)量為m的質(zhì)點(平行軸定理)。,求：1）此質(zhì)點系垂直于正方形平面且過中心軸OZ的轉(zhuǎn)動慣量。 2）若轉(zhuǎn)軸平移至其中一個頂點，轉(zhuǎn)動慣量為多少？ 3）若轉(zhuǎn)軸平移至正方形一邊的中點，轉(zhuǎn)動慣量為多少？,練習2：求如圖所示剛體對經(jīng)過棒端且與棒垂直的軸的轉(zhuǎn)動慣量。,五 轉(zhuǎn)動定律的應(yīng)用,定軸轉(zhuǎn)動剛體與可視為質(zhì)點的物體組成的系統(tǒng)力學問題。處理這類問題的方法與處理質(zhì)點力學問題相同：,1）選取研究對象 2）分析各隔離體所受的力或者力矩，判斷各隔離體的運動情況 3）應(yīng)用牛頓定律（質(zhì)點）或轉(zhuǎn)動定律（剛體）分別列出方程 4）建立角量與線量之間的關(guān)系（質(zhì)點與剛體之間的聯(lián)系）5）連列方程求解,簡單剛體定軸轉(zhuǎn)動，直接應(yīng)用轉(zhuǎn)動定律求解。,例5 一長為 質(zhì)量為 勻質(zhì)細桿豎直放置，其下端與一固定鉸鏈 O 相接，并可繞其轉(zhuǎn)動 . 由于此豎直放置的細桿處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，當其受到微小擾動時，細桿將在重力作用下由靜止開始繞鉸鏈O 轉(zhuǎn)動 .試計算細桿轉(zhuǎn)動到與豎直線成 角時的角加速度和角速度 .,解 細桿受重力和 鉸鏈對細桿的約束力 作用，由轉(zhuǎn)動定律得,式中,得,由角加速度的定義,代入初始條件積分 得,例6 質(zhì)量為 的物體 A 靜止在光滑水平面上，和一質(zhì)量不計的繩索相連接，繩索跨過一半徑為 R、質(zhì)量為 的圓柱形滑輪 C，并系在另一質(zhì)量為 的物體 B 上. 滑輪與繩索間沒有滑動， 且滑輪與軸承間的摩擦力可略去不計. 問：（1） 兩物體的線加速度為多少？ 水平和豎直兩段繩索的張力各為多少？（2） 物體 B 從,靜止落下距離 時，其速率是多少？,,,解 （1）隔離物體分別對物體A、B 及滑輪作受力分析，取坐標如圖，運用牛頓第二定律 、轉(zhuǎn)動定律列方程 .,,如令 ，可得,（2） B由靜止出發(fā)作勻加速直線運動，下落的速率,一 質(zhì)點的角動量定理和角動量守恒定律,3 角動量 角動量守恒,,,1 質(zhì)點的角動量,質(zhì)量為 的質(zhì)點以速度 在空間運動，某時刻相對原點 O 的位矢為 ，質(zhì)點相對于原點的角動量,大小,的方向符合右手法則.,1）質(zhì)點以角速度 作半徑為 的圓運動，相對圓心的角動量,,,2）角動量與位矢 和動量 有關(guān)，即與參考點O的選擇有關(guān)。因此，在講述質(zhì)點的角動量時，必須指明是針對哪一點的角動量。,3）角動量的定義并沒有對質(zhì)點的運動做任何限制，做直線運動的質(zhì)點對選定的參考點同樣具有角動量。,作用于質(zhì)點的合力對參考點 O 的力矩 ，等于質(zhì)點對該點 O 的角動量隨時間的變化率.,2 質(zhì)點的角動量定理,質(zhì)點所受對參考點 O 的合力矩為零時，質(zhì)點對該參考點 O 的角動量為一恒矢量.,恒矢量,沖量矩,質(zhì)點（系）的角動量定理：對同一參考點 O ，質(zhì)點（系）所受的沖量矩等于質(zhì)點（系）角動量的增量.,3 質(zhì)點（系）的角動量守恒定律,例7 一半徑為 R 的光滑圓環(huán)置于豎直平面內(nèi).一質(zhì)量為 m 的小球穿在圓環(huán)上, 并可在圓環(huán)上滑動. 小球開始時靜止于圓環(huán)上的點 A (該點在通過環(huán)心 O 的水平面上),然后從 A 點開始下滑.設(shè)小球與圓環(huán)間的摩擦略去不計.求小球滑到點 B 時對環(huán)心 O 的角動量和角速度.,解 小球受重力和支持力作用, 支持力的力矩為零,重力矩垂直紙面向里,由質(zhì)點的角動量定理,考慮到,得,由初始條件積分上式,,二 剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理和角動量守恒定律,,,,,1 剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量,2 剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理,非剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理,,,,角動量守恒定律是自然界的一個基本定律.,內(nèi)力矩不改變系統(tǒng)的角動量.,,守 恒條件,若 不變， 不變；若 變， 也變，但 不變.,剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理,3 剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量守恒定律,有許多現(xiàn)象都可以用角動量守恒來說明.,自然界中存在多種守恒定律,動量守恒定律 能量守恒定律 角動量守恒定律,電荷守恒定律 質(zhì)量守恒定律 宇稱守恒定律等,花樣滑冰 跳水運動員跳水,被 中 香 爐,慣性導航儀（陀螺）,角動量守恒定律在技術(shù)中的應(yīng)用,角動量定理和角動量守恒定律的應(yīng)用 例8 質(zhì)量為Ｍ，半徑為Ｒ的轉(zhuǎn)臺，可繞過中心的豎直軸無摩擦的轉(zhuǎn)動。質(zhì)量為ｍ的一個人，站在距離中心ｒ處（ｒR），開始時，人和臺處于靜止狀態(tài)。如果這個人沿著半徑為ｒ的圓周勻速走一圈，設(shè)它相對于轉(zhuǎn)臺的運動速度為ｕ，求轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角速度和相對地面的轉(zhuǎn)過的角度。,分析：以人和轉(zhuǎn)臺為一系統(tǒng)，設(shè)系統(tǒng)沒有受到外力矩的作用，所以系統(tǒng)的角動量守恒。應(yīng)用角動量定律時，其中角速度和速度都是相對于慣性系而言。因此，人在轉(zhuǎn)臺走動時，必須考慮人相對地面的速度。,,解：對于人和轉(zhuǎn)臺形成的系統(tǒng)，角動量守恒（思考？）設(shè)人對地面的速度為 ，轉(zhuǎn)臺對地面的轉(zhuǎn)速為?，則有：,而：,,代入得：,,其中，“-”表示轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動方向與人在轉(zhuǎn)臺走動的方向相反。由于u為恒量，則?也為恒量，即勻速轉(zhuǎn)動。,設(shè)在時間?t內(nèi)轉(zhuǎn)臺相對地面轉(zhuǎn)過的角度為?，則有,,,,？,力矩的功,一 力矩作功,二 力矩的功率,,,4 轉(zhuǎn)動中的功和能,三 轉(zhuǎn)動動能,四 剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的動能定理,合外力矩對繞定軸轉(zhuǎn)動的剛體所作的功等于剛體轉(zhuǎn)動動能的增量 .,五 含有轉(zhuǎn)動剛體的機械能守恒定律,由定軸轉(zhuǎn)動剛體與另外物體組成的系統(tǒng)，只有保守內(nèi)力做功時，系統(tǒng)的總機械能保持不變。,恒量,,質(zhì)心到勢能零點的高度,,,,,質(zhì)點運動與鋼體定軸轉(zhuǎn)動對照表,,,,,,,,,,,,,,,,角動量守恒定律和機械能守恒定律的綜合應(yīng)用 例9 質(zhì)量為ｍ的小圓環(huán)，套在一長為?，質(zhì)量為Ｍ的光滑均勻桿ＡＢ上，桿可以繞過其Ａ端的固定軸在水平面上自由旋轉(zhuǎn)。開始時，桿的角速度為?0，兩小環(huán)位于Ａ點，當小環(huán)受到一微小的擾動后，即沿桿向外滑動。試求當小環(huán)脫離桿時的速度。,Note：小球脫離桿時的速度是由環(huán)沿桿的速度和桿旋轉(zhuǎn)時環(huán)沿圓周運動的切向速度合成的結(jié)果，所以環(huán)脫離桿的速度與桿間有一角度。,解：設(shè)小環(huán)脫離桿時的角速度為?，由角動量守恒有：,其中,,設(shè)小環(huán)脫離桿時的速度為?，由機械能守恒有：,,,,?的方向與桿的夾角?：,,練習題： 1 剛體的轉(zhuǎn)動慣量僅決定于： Ａ 剛體的質(zhì)量 Ｂ 剛體質(zhì)量的空間分布 Ｃ 剛體的質(zhì)量對定軸的分布 Ｄ 轉(zhuǎn)軸的位置,2關(guān)于力矩有以下幾種說法，其中正確的是： Ａ內(nèi)力矩會改變剛體對某個定軸的角動量 Ｂ作用力和反作用力對同一軸的力矩之和必為０ Ｃ角速度的方向一定與外力矩的相同 Ｄ質(zhì)量相等、形狀、大小不同的兩個剛體，在相同力矩的作用下，它們的角加速度一定相等。,3 如圖，水平轉(zhuǎn)臺上距軸為Ｒ處，有一質(zhì)量為ｍ的物體隨轉(zhuǎn)臺作勻速圓周運動，已知物體與臺面的靜摩擦系數(shù)為?，若物體與組合體無相對滑動，則物體的轉(zhuǎn)動動能為： Ａ Ｅk≤ ?ｍgR/4 B Ｅk≤ ?ｍgR/2 C Ｅk≤ ?ｍgR D Ｅk≤ 2?ｍgR,4 對一個繞固定水平軸上一點o勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，如圖，沿同一水平直線從相反方向射入兩顆相同質(zhì)量速率相等的子彈，并留在盤中，則子彈射入后轉(zhuǎn)盤的角速度[ ] A 變大 B 變小 C 不變 D 不確定,5 一長為? 的細桿，兩端分別固定質(zhì)量為m和2m的小球，此系統(tǒng)可在豎直平面內(nèi)繞中心O自由轉(zhuǎn)動，如圖。開始時桿與水平方向成60，處于靜止狀態(tài)，無初速度的釋放，桿球系統(tǒng)繞O軸轉(zhuǎn)動，則該系統(tǒng)繞O軸的轉(zhuǎn)動慣量（ ），當桿轉(zhuǎn)到水平位置時，系統(tǒng)所受的合力矩（ ），角加速度（ ）,