大学物理刚体部分知识点总结.pdf

一、刚体的简单运动知识点总结一、刚体的简单运动知识点总结1.刚体运动的最简单形式为平行移动和绕定轴转动。2.刚体平行移动。刚体内任一直线段在运动过程中，始终与它的最初位置平行，此种运动称为刚体平行移动，或平移。刚体作平移时，刚体内各点的轨迹形状完全相同，各点的轨迹可能是直线，也可能是曲线。刚体作平移时，在同一瞬时刚体内各点的速度和加速度大小、方向都相同。3.刚体绕定轴转动。刚体运动时，其中有两点保持不动，此运动称为刚体绕定轴转动，或转动。刚体的转动方程=f(t)表示刚体的位置随时间的变化规律。角速度 表示刚体转动快慢程度和转向，是代数量，。角速度也可以用矢量表示，。角加速度表示角速度对时间的变化率，是代数量，当 与 同号时，刚体作匀加速转动；当 与 异号时，刚体作匀减速转动。角加速度也可以用矢量表示，。绕定轴转动刚体上点的速度、加速度与角速度、角加速度的关系：。速度、加速度的代数值为。传动比。二二 转动定律转动定律 转动惯量转动惯量转动定律转动定律力矩相同，若转动惯量不同，产生的角加速度不同与牛顿定律比较：转动惯量转动惯量刚体绕给定轴的转动惯量 J 等于刚体中每个质元的质量与该质元到转轴距离的平方的乘积之总和。定义式 质量不连续分布质量连续分布物理意义转动惯量是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。它与刚体的形状、质量分布以及转轴的位置有关。计算转动惯量的三个要素:(1)总质量；(2)质量分布；(3)转轴的位置(1)J 与刚体的总质量有关几种典型的匀质刚体的转动惯量几种典型的匀质刚体的转动惯量刚体转轴位置转动惯量 J细棒（质量为 m，长为 l）过中心与棒垂直212ml细棒（质量为 m，长为 l）过一点与棒垂直23ml细环（质量为 m，半径为R）过中心对称轴与环面垂直2mR细环（质量为 m，半径为R）直径22mR圆盘（质量为 m，半径为R）过中心与盘面垂直22mR圆盘（质量为 m，半径为R）直径24mR球体（质量为 m，半径为R）过球心225mR薄球壳（质量为 m，半径为R）过球心223mR平行轴定理和转动惯量的可加性平行轴定理和转动惯量的可加性1）平行轴定理设刚体相对于通过质心轴线的转动惯量为 Ic，相对于与之平行的另一轴的转动惯量为 I，则可以证明 I 与 Ic 之间有下列关系 2cIImd2）转动惯量的可加性对同一转轴而言，物体各部分转动惯量之和等于整个物体的转动惯量。oz micdrcirio 2cIImd三三 角动量角动量 角动量守恒定律角动量守恒定律1质点的角动量（Angular Momentum）描述转动特征的物理量1）概念 一质量为 m 的质点，以速度运动，相对于坐标原点 O 的位置矢v量为，定义质点对坐标原点 O 的角动量为该质点的位置矢量与动量r的矢量积，即 vmrPrL 角动量是矢量，大小为 L=rmvsin 式中 为质点动量与质点位置矢量的夹角。角动量的方向可以用右手螺旋法则来确定。角动量的单位：kg.m2.s-12质点的角动量定理（Theorem of Angular Momentum）（1）质点的转动定律 问题：讨论质点在力矩的作用下，其角动量如何变化。设质点的质量为 m，在合力的作用下，运动方程为F tvmtvmamFdddd用位置矢量叉乘上式，得r tvmrFrdd考虑到 vmtrvmtrvmrtdddddd和 0ddvvvtr得 vmrtFrdd由力矩 FrM和角动量的定义式vmrtLdd得 tLMdd表述：作用于质点的合力对参考点表述：作用于质点的合力对参考点 O 的力矩，等于质点对该点的力矩，等于质点对该点 O 的角动量随时的角动量随时间的变化率，有些书将其称为质点的转动定律（或角动量定理的微分形式）间的变化率，有些书将其称为质点的转动定律（或角动量定理的微分形式）。这与牛顿第二定律在形式上是相似的，其中 M 对应着 F，L 对应着tPF/P。（2）冲量矩和质点的角动量定理把上式改写为 LtM为力矩和作用时间的乘积，叫作冲量矩。对上式积分得dtM 1221LLtMtt式中和分别为质点在时刻 t1和 t2的角动量，为质点在时间间隔 t2-t11L2L21tttM内所受的冲量矩。质点的角动量定理：对同一参考点，质点所受的冲量矩等于质点角动量的增量。成立条件：惯性系3质点的角动量守恒定律（Law of Conservation of Angular Momentum）若质点所受的合外力矩为零，即 M=0，则恒矢量vmrL 这就是角动量守恒定律：当质点所受的对参考点的合外力矩为零时，质点对该参考点的角动量为一恒矢量。说明：(1)质点的角动量守恒定律的条件是 M=0，这可能有两种情况：合力为零；合力不为零，但合外力矩为零。四力矩做功和刚体绕定轴转动的动能定理四力矩做功和刚体绕定轴转动的动能定理力矩的功力矩的功设：；转盘上的微小质量元 m 在力 F F 作用下以 R为半径绕 O 轴转动，在 dt 时间内转过角度 d，对应位移 dr,r,路程 ds,此时 F 所做的元功为则总功为tFordrdttddddAFrF sFrddAM21dAM1 1 刚体绕定轴转动的转动动能刚体绕定轴转动的转动动能2 动能定理动能定理 合外力矩对绕定轴转动的刚体所作的功等于刚体转动动能的增量。刚体作为一个特殊的质点系，此质点系的动能定理为 21ekkAEE21 2 2 2 111d22MII 刚体定轴转动的动能定理 2222k111222iii iiiEmvmrIAA 由于刚体的大小、形状不变，其上任何两质点间没有相对位移。即：i0A