高二物理競賽定軸轉(zhuǎn)動中的功能關(guān)系課件

一、力矩的功力對剛體做的功是各個力對各相應(yīng)質(zhì)元做功的總和。內(nèi)力、垂直轉(zhuǎn)動平面的力均不做功?！?-3定軸轉(zhuǎn)動中的功能關(guān)系因為幾個外力對物體做功，則合外力做功之和為功二、轉(zhuǎn)動動能第

i個質(zhì)量元的動能為整個剛體的動能為剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動動能三、剛體定軸轉(zhuǎn)動的動能定理定軸轉(zhuǎn)動的動能定理：合外力矩對剛體作的功等于剛體轉(zhuǎn)動動能的增量。A內(nèi)=0以剛體和地球為系統(tǒng)，取地面為零勢能參考點。剛體的重力勢能應(yīng)等于質(zhì)量集中于質(zhì)心的重力勢能。結(jié)論：剛體的重力勢能

等于各質(zhì)量元重力勢能之合。剛體的重力勢能四、剛體的重力勢能重力矩的元功為推導(dǎo)：重力矩的功。例1

一質(zhì)量為M，半徑R的圓盤，盤上繞有細繩，一端掛有質(zhì)量為m的物體。問物體由靜止下落高度h時，其速度為多大？解：hmMm解得：而解:先對細棒OA所受的力作一分析；重力作用在棒的中心點C，方向豎直向下；軸和棒之間沒有摩擦力，軸對棒作用的支承力垂直于棒和軸的接觸面且通過O點，在棒的下擺過程中，此力的方向和大小是隨時改變的。例2一根質(zhì)量為m、長為l的均勻細棒OA(如圖)，可繞通過其一端的光滑軸O在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，今使棒從水平位置開始自由下擺，求細棒擺到豎直位置時其中點C和端點A的速度。GAAO在使棒從水平位置下擺到豎直位置過程中，重力矩所作的功是應(yīng)該指出：重力矩作的功可用重力勢能的差值來表示，也可用重力作的功來表示。由此得按定軸轉(zhuǎn)動的動能定理代入上式得因所以細棒在豎直位置時，端點A和中心點C的速度分別為一、剛體的角動量圖為以角速度繞定軸Oz轉(zhuǎn)動的一根均勻細棒。把細棒分成許多質(zhì)點，其中第i個質(zhì)點的質(zhì)量為。當(dāng)細棒以轉(zhuǎn)動時，該質(zhì)點繞軸的半徑為。它相對于O點的位矢為?！?-4剛體定軸轉(zhuǎn)動角動量定理及其守恒定律因，所以的大小為方向如圖所示。則對O點的角動量為：剛體對點的角動量，等于各個質(zhì)點角動量的矢量和。對于定軸轉(zhuǎn)動，我們感興趣的只是對沿軸的分量，叫做剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角動量。而這個分量實際上就是各質(zhì)點的角動量沿軸的分量之和。從圖中可以看出：矢量式：

剛體對某定軸的角動量等于剛體對此軸的轉(zhuǎn)動慣量與角速度的乘積。因此二、剛體定軸轉(zhuǎn)動角動量定理剛體定軸轉(zhuǎn)動定理：即單個剛體兩邊積分得——角動量(動量矩)定理則該系統(tǒng)對該軸的角動量為：由幾個物體組成的系統(tǒng)，如果它們對同一給定軸的角動量分別為、、…，物體系統(tǒng)對于該系統(tǒng)有兩邊積分得或

若剛體所受合外力矩為零，則剛體的角動量保持不變。——剛體的角動量守恒定律三、定軸轉(zhuǎn)動剛體的角動量守恒定律剛體角動量守恒的幾種情況：(對同一轉(zhuǎn)軸)角動量守恒條件：M合外z=0

F合外z=0M合外z=0？FFF.注意：

M合外z=0F合外z=0？例1一個質(zhì)量為M，半徑為R的水平轉(zhuǎn)臺(可看作勻質(zhì)圓盤)可繞通過中心的豎直光滑軸自由轉(zhuǎn)動，一個質(zhì)量為m的人站在轉(zhuǎn)臺邊緣。人和轉(zhuǎn)臺最初相對地面靜止。求當(dāng)人在轉(zhuǎn)臺上沿邊緣走一周時，人和轉(zhuǎn)臺相對地面各轉(zhuǎn)過的角度為多少？

即標(biāo)量式即令代入(1)式得兩邊乘dt

并積分得當(dāng)人在盤上走完一周時，應(yīng)有聯(lián)立(2)、(3)式，得例二一勻質(zhì)細棒長為l

，質(zhì)量為m，可繞通過其端點O的水平軸轉(zhuǎn)動，如圖所示。當(dāng)棒從水平位置自由釋放后，它在豎直位置上與放在地面上的物體相撞。該物體的質(zhì)量也為m，它與地面的摩擦系數(shù)為。相撞后物體沿地面滑行一距離s而停止。求相撞后棒的質(zhì)心C離地面的最大高度h，并說明棒在碰撞后將向左擺或向右擺的條件。解：這個問題可分為三個階段進行分析。第一階段是棒自由擺落的過程。這時除重力外，其余內(nèi)力與外力都不作功，由定軸轉(zhuǎn)動動能定理：CO用表示棒這時的角速度,則(1)第二階段是碰撞過程。因碰撞時間極短，自由的沖力極大，物體雖然受到地面的摩擦力，但可以忽略。這樣，棒與物體相撞時，它們組成的系統(tǒng)所受的對轉(zhuǎn)軸O的外力矩為零，所以，這個系統(tǒng)的對O軸的角動量守恒。我們用v表示物體碰撞后的速度，則(2)式中

表示棒在碰撞后的角速度，它可正可負。取正值，表示碰后棒向左擺；反之，表示向右擺。第三階段是物體在碰撞后的滑行過程。物體作勻減速直線運動，加速度由牛頓第二定律求得為(3)由勻減速直線運動的公式得(4)亦即由式(1)、(2)與(4)聯(lián)合求解，即得(5)亦即l<6s棒的質(zhì)心C上升的最大高度，與第一階段情況相似，也可由定軸轉(zhuǎn)動動能求得：把式(5)代入上式，所求結(jié)果為(6)當(dāng)

取正值，則棒向左擺，其條件為當(dāng)

取負值，則棒向右擺，其條件為例三一長為l

、質(zhì)量為m

的勻質(zhì)細桿，可繞光滑軸O在鉛直面內(nèi)擺動。當(dāng)桿靜止時，一顆質(zhì)量為m0

的子彈水平射入與軸相距為a

處的桿內(nèi)，并留在桿中，使桿能偏轉(zhuǎn)到300，求子彈的初速v0。解：分兩個階段進行考慮(1)子彈射入細桿,使細桿獲得初速度。因這一過程進行得很快,細桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)極小,可認為桿仍處于豎直狀態(tài)。子彈和細桿組成待分析的系統(tǒng),無外力矩,滿足角動量守恒條件。子彈射入細桿前、后的一瞬間,系統(tǒng)角動量分別為其中由角動量守恒，得：(1)(2)子彈隨桿一起繞軸O

轉(zhuǎn)動。以子彈、細桿構(gòu)成一系統(tǒng)，只有重力作功?？捎枚ㄝS轉(zhuǎn)動動能定理。棒的質(zhì)心上升的高度：子彈