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角动量是一个物理量,表达了质点矢径扫过面积速度的大小,也可以理解为刚体定轴转动的大小。它是一个矢量,大小和方向是通过右手螺旋法则来确定的。在不受外力矩作用时,体系的总角动量保持不变,这体现了角动量守恒定律。角动量的大小取决于转动的速率及转动物体的质量分布,同时,角动量与角度是一对共轭物理量。角动量
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
公式定义
角动量在物理学中是与物体到原点的位移和动量相关的物理量。在经典力学中可被定义为物体到原点的位移(矢径)和其动量的叉积:其中,r表示以质点到旋转中心(轴心)的距离(标量值可以理解为半径的大小),方向由原点指向物体位置的矢量(即矢径),L表示角动量,v表示线速度,P表示动量,表示转动惯量,表示角速度(矢量)。角动量是矢量,且是轴矢量。其量纲为,SI单位制中单位为。 角动量的方向:角动量是两个矢量的叉乘,在右手坐标系里遵循右手螺旋法则,即右手四指指向矢径的方向,转过一个小于180度的平面角后四指指向动量的方向,则大拇指所指的方向为角动量的方向。 角动量大小的量纲[L]=[r][p]=[r][m][v]=[s][m][t]=LMT,单位有N·m·s,kg·m²/s。
几何意义
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'.
公式定理
角动量与转动惯量的关系
对于定轴转动的刚体,在常见的情况下(不是所有情况,见注记7), 是转动惯量(SI单位为),是角速度(矢量)(SI单位为)。 角动量守恒定律
角动量守恒定律称,在不受外力矩作用时,体系的总角动量不变。
注意角动量守恒是矢量守恒,这代表其三个分量都不随时间而变化。
注记介绍
1、角动量是描述物体转动状态的量。又称动量矩。
2、角动量是矢量,它在通过O点的某一轴上的投影就是质点对该轴的角动量(标量)。
3、质点系或刚体对某点(或某轴)的角动量等于其中各质点的动量对该点(或该轴)之矩的矢量(或代数)和。
4、角动量的几何意义是矢径扫过的面积速度的二倍乘以质量。角动量守恒定律指出在合外力矩为零时,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。
6、角动量是刚体动力学中与动量对应的概念,它的大小取决于转动的速率和转动物体的质量分布。 7、在常见的情况下,角动量和角速度方向相同,但更一般地来讲,二者的方向不必相同,甚至在刚体作定轴转动的情况下也是如此(利用向量的三重矢积运算法则可证,此略)。 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
dL/dt=d(r×p)/dt=(dr/dt)×p+r×dp/dt
在上式中,右端第一项的dr/dt=v,p=mv,因此,矢积(dr/dt)×p=0.这样,上式就成为
dL/dt=r×dp/dt.
由牛顿第二定律得,dp/dt=F,把上式改写成
dL/dt=r×F
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=r×F.)于是有 dL/dt=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
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. 总角动量
在惯性系S系中,取某点为坐标原点O,则质点系对某点总角动量
L=L'+Lc
定轴的角动量
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.