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大学物理小论文(谈谈角动量守恒及其应用) 谈谈角动量守恒及其应用 摘要: 角动量这一概念是经典物理学里面的重要组成部分，角动量的研究主要是对于物体的转动方面，并且可以延伸到量子力学、原子物理以及天体物理等方面。角动量这一概念范畴系统的介绍的力矩、角速度、角加速度的概念，并且统筹的联系到质点系、质心系、对称性等概念.本文主要对角动量守恒定律和其应用进行论述。对定律本身进行了简略的阐述，并就其守恒条件及其结论进行了定性分析。 正文: 大家也许小时候都有过一个疑问：人们走路的时候为什么要甩手呢？为什么如果走顺拐了会感觉特别别扭呢？一个常见的解释是，为了保持身体平衡。这种解释了和没解释没什么区别的答案是永远正确的，问题是甩手到底是怎么保持身体平衡的？ 原来这一切都是我们大学生所熟知的角动量以及动量守恒的原因，很神奇的是原来用动量守恒可以解决很复杂的问题,但是却用了最简单的方法。 1.角动量：角动量也称为动量矩，刚体的转动惯量和角速度的乘积叫做刚体转动的角动量，或动量矩，单位千克二次方米每秒，符号kgm2/s。角动量是描述物体转动状态的物理量。对于质点在有心力场中的运动，例如，天体的运动，原子中电子的运动等，角动量是非常重要的物理量。角动量反映不受外力作用或所受诸外力对某定点（或定轴）的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点（或轴）运动的普遍规律。物理学的普遍定律之一。质点轨迹是平面曲线，且质点对力心的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。如果把太阳看成力心，行星看成质点，则上述结论就是开普勒行星运动三定律之一,开普勒第二定律。一个不受外力或外界场作用的质点系，其质点之间相互作用的内力服从牛顿第三定律，因而质点系的内力对任一点的主矩为零，从而导出质点系的角动量守恒。W.泡利于1931年根据守恒定律推测自由中子衰变时有反中微子产生，1956年后为实验所证实。角动量是矢量，角动量 L=r×F=r×Fsin<r,F> 2.力矩:在物理学里，力矩可以被想象为一个旋转力或角力，导致出旋转运动的改变。这个力定义为线型力乘以径长。依照国际单位制，力矩的单位是牛顿-米[1]。 3.作用力矩和反作用力矩:由于作用力和反作用力是成对出现的，所以它们的力矩也成对出现。由于作用力与反用力的大小相等，方向相反且在同一直线上因而有相同的力臂，所以作用力矩和反作用力矩也是大小相等，方向相反，其和为零。 3.角动量守恒定理： 在不受外界作用时，角动量是守恒的。角动量守恒是跟空间各项同性有关系的，也就是说空间的各个方向是没有区别的，这叫做物理定律的旋转不变性，由这种不变性，在理论上，可以得到角动量守恒。动量守恒是跟空间均匀性相关的，也就是说物理定律在各个地方是一样的，地球上的物理定律跟月亮上的物理定律是一样的，这叫做空间平移不变性，由空间平移不变性，可以从理论上推导出动量守恒。另外，还有能量守恒是跟时间平移不变性相关的，也就是说，过去，现在和未来物理定律是一样的话，就有这么一个量，叫做能量是守恒的。所有这些， 1 大学物理小论文(谈谈角动量守恒及其应用) 都是由一个叫做诺特定理的东西得出来的[2]. 4．质点系对参考点的角动量守恒定律： 由n个质点组成的质点系,且处于惯性系中,可以推导出作用于各质点诸力对参考点的外力矩的冲量矩∑Mi×△t,等于质点系对该参考点的角动量的变化量,即△L=∑Mi×△t同样当∑Mi=0时,质点系对该参考点的角动量守恒。如果n个质点组成的质点系,处于非惯性系中,只要把质点系的质心取作参考点,上述结论仍成立。 4.角动量守恒的判断: 当外力对参考点的力矩为零,即∑Mi=0时,质点或质点系对该参考点的角动量守恒。有四种情况可判断角动量守恒:①质点或质点系不受外力。②所有外力通过参考点。③每个外力的力矩不为零,但外力矩的矢量和为零。甚至某一方向上的外力矩为零,则在这一方向上满足角动量守恒。④内力对参考点的力矩远大于外力对参考点的合力矩,即内力矩对质点系内各质点运动的影响远超过外力矩的影响,角动量近似守恒[3]。 5.角动量守恒定理的应用： 角动量守恒定理在我们的现实生活中非常的常见，航海航天领域和人们平常所使用的工具器械，以及日常中见到的现象很多一部分都可以用角动量守恒定理来解释。 （1）行星运动:受到太阳的万有引力这一有心力，由于万有引力对太阳这个参考点力矩为零，所以他们以太阳为参考点的角动量守恒。 （2）芭蕾舞旋转：跳芭蕾舞的时候，运动员在转动的过程之中，会收缩双手，来实现减少转动惯量，则角速度变大，转动得越快。 （3）跳水：跳水运动中，运动员在在完成动作时，会将身体蜷缩成球形，目的也是减小转动惯量，加快转动速度，更好地完成动作。 （4）航空：安装在轮船、飞机或火箭上的导航装置回转仪，也叫陀螺，回转仪的核心器件是一个转动惯量较大的转子，装在“常平架”上。常平架由两个圆环构成，转子和圆环之间用轴承连接，轴承的摩擦力矩极小，常平架的作用是使转子不会受任何力矩的作用。转子一旦转动起来，它的角动量将守恒，即其指向将永远不变，因而能实现导航作用。宇宙飞船在空间中运行的时候，通过深处或受其两根杆来改变转动惯量，从而改变转动的速度。 （5）体操:体操运动员在完成空翻动作的时候，也是尽量蜷缩身体，是转动惯量减小，加快转速。 （6）跳远：跳远的时候，起跳之后由于力会产生一个转动惯量，如果不向后摆手来抵消这个转动惯量，运动员就会向前翻转。 角动量守恒定律是一个很有用的定律，我们要更好地理解他，才能在日常生活中活用。 参考文献 [1]漆安慎,杜婵英。普通物理学教程 力学[M].北京:高等教育出版社,2005.6～8。 [2]胡海云。大学物理。北京：国防工业出版社，2009.1。 [3]贾玉磊,贾瑞皋。刚体角动量的定义和定义状态量的原则[D]。山东 东营:中国石油大学(华东)物理科学与技术学院,2008,13～16。 2 本文来源：https://www.dywdw.cn/26d79317561252d380eb6ebe.html
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2022-09-14
