角动量

更新时间:2024-08-31 15:24

角动量L的大小L=rpsinφ(φ为r与p的夹角),方向垂直于位矢r和动量p所组成的平面,指向是由r经小于180°的角转到p的右手螺旋前进的方向。

定义

质点动量p对O点之动量矩(通常称为角动量)L(O)(简记为L)为

L=r×p

其中r是质点相对O点的位矢。

角动量大小的量纲[L]=[r][p]=[r][m][v]=[s]2[m][t]-1=L2MT-1,单位有N·m·s,kg·m2/s。

几何意义

位矢r在单位时间内扫过的面积,称为它的掠面速度

可以证明,掠面速度为S'=|r×v|/2.

角动量大小L=|r×p|=|r×mv|=m|r×v|=2mS'.

角动量守恒定律指出,当合外力矩为零时,角动量守恒,物体与中心点的连线单位时间扫过的面积不变,在天体运动中表现为开普勒第二定律

相关定理

质点的角动量定理

证明:由于L=r×p,故角动量对时间的变化率为==

在上式中,右端第一项的,,因此,矢积×p=0.这样,上式就成为.

牛顿第二定律得,,把上式改写成.

式中的r×F是力矩的定义.(力的作用点相对给定点的位矢r与力F的矢积为力对给定点的力矩,以M表示,即M=.)

于是有=M

即质点所受的合外力矩等于它的角动量对时间的变化率.这个结论叫做质点的角动量定理.

质点系的角动量定理也可写成同样的形式

不过M是质点系所受的总外力矩,L是质点系的总角动量.

由得dL=Mdt,

两边积分得质点角动量的积分形式

ΔL=L-L0===

即,惯性系中,在一段时间内质点对固定点角动量的增量,等于质点所受合力在这段时间内对该点的冲量矩.

质点的角动量守恒定律

根据,如果M=0,则dL/dt=0,因而

L=常量(M=0)

这就是说,如果作用在质点上的外力对某给定点O的力矩(r×F)为零,则质点对O的角动量在运动过程中保持不变,这就叫做质点的角动量守恒定律。

另:某段时间内若质点所受合力对原点力矩M不为零,但是M的某分量(对某坐标轴力矩)总是零,则该段时间内质点对原点角动量的该分量守恒,或质点对该轴角动量守恒.

质点系

惯性系S系中,取某点为坐标原点O,则质点系对某点总角动量

第i个质点在惯性系S系和质心系S'系(取质心为原点和参考系)两个参考系中位矢和速度的变换关系是

由质心系性质得

整理得

上式右边的两项分别是质心系中质点系的总角动量L'(称为固有角动量或是自转角动量)和惯性系S系中质量集中在质心后质心对O点的角动量Lc,于是有

L=L'+Lc

定轴转动刚体

取某点为坐标原点O,设刚体绕着Oz轴以角速度ω转动,刚体对Oz轴的转动惯量为I.

刚体对O点的角动量L,等于各个质元角动量的矢量和.对于定轴转动,把L沿Oz轴的分量Lz,叫做刚体绕定轴的角动量.

即Lz=Iω.

其中利用了三重矢积的性质式(a×(b×c)=(a·c)b-(a·b)c).r与ω垂直(由于Lz是L沿Oz轴的分量,r是位矢与位矢在Oz轴的分量相减得到的矢量),r·ω=0.

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