物理学 大一下学期课件 08刚体运动学和刚体转动惯量

大学物理学电子教案大学物理学电子教案物理学教学课件物理学教学课件一、物理学及其研究对象一、物理学及其研究对象1什么是物理学？什么是物理学？物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。一、物理学及其研究对象一、物理学及其研究对象1什么是物理学？什么是物理学？物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。2物理学的研究对象物理学的研究对象机械运动机械运动分子热运动分子热运动电磁运动电磁运动原子和原子核运动原子和原子核运动其它微观粒子运动其它微观粒子运动一、物理学及其研究对象一、物理学及其研究对象1什么是物理学？什么是物理学？物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。物理学是研究物质运动规律及其相互作用的科学。2物理学的研究对象物理学的研究对象机械运动机械运动分子热运动分子热运动电磁运动电磁运动原子和原子核运动原子和原子核运动其它微观粒子运动其它微观粒子运动3物理学的分类物理学的分类经典力学经典力学（Classical Mechanics）热力学热力学 （Thermodynamics）电磁学电磁学 （Electromagnetics）相对论相对论 （Relativity）量子力学量子力学（Quantum Mechanics）1 系统的学科系统的学科2 基础课基础课3 必修课必修课二、学习物理学的意义二、学习物理学的意义打好必要的物理基础打好必要的物理基础学习科学的思想方法和研究问题的方法学习科学的思想方法和研究问题的方法三个提高三个提高科学实验的能力科学实验的能力抽象思维的能力抽象思维的能力计算能力计算能力1 系统的学科系统的学科2 基础课基础课3 必修课必修课二、学习物理学的意义二、学习物理学的意义三、几点要求：三、几点要求：1课前尽量预习；课前尽量预习；2上课认真听讲，要求记笔记；上课认真听讲，要求记笔记；3课后认真复习，作业要独立完成，按时交作业；课后认真复习，作业要独立完成，按时交作业；4一些基本的概念要求记住，重要的公式要求会推导。一些基本的概念要求记住，重要的公式要求会推导。打好必要的物理基础打好必要的物理基础学习科学的思想方法和研究问题的方法学习科学的思想方法和研究问题的方法三个提高三个提高科学实验的能力科学实验的能力抽象思维的能力抽象思维的能力计算能力计算能力第一部分第一部分 力学力学1什么是力学什么是力学机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置的变化。的变化。力学力学研究机械运动及其规律的物理学分支。研究机械运动及其规律的物理学分支。第一部分第一部分 力学力学1什么是力学什么是力学机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置的变化。的变化。力学力学研究机械运动及其规律的物理学分支。研究机械运动及其规律的物理学分支。2力学的分类力学的分类根据研究内容分类根据研究内容分类 运动学运动学（Kinematics）研究物体运动的规律研究物体运动的规律 动力学动力学（Dynamics）研究物体运动的原因研究物体运动的原因 静力学静力学（Statics）研究物体平衡时的规律研究物体平衡时的规律第一部分第一部分 力学力学1什么是力学什么是力学机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置的变化。的变化。力学力学研究机械运动及其规律的物理学分支。研究机械运动及其规律的物理学分支。2力学的分类力学的分类根据研究内容分类根据研究内容分类 运动学运动学（Kinematics）研究物体运动的规律研究物体运动的规律 动力学动力学（Dynamics）研究物体运动的原因研究物体运动的原因 静力学静力学（Statics）研究物体平衡时的规律研究物体平衡时的规律根据研究对象分类根据研究对象分类 质点力学质点力学研究对象为质点研究对象为质点 刚体力学刚体力学研究对象为刚体研究对象为刚体第一部分第一部分 力学力学1什么是力学什么是力学机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置机械运动是指物体之间或物体各部分之间发生的相对位置的变化。的变化。力学力学研究机械运动及其规律的物理学分支。研究机械运动及其规律的物理学分支。2力学的分类力学的分类根据研究内容分类根据研究内容分类 运动学运动学（Kinematics）研究物体运动的规律研究物体运动的规律 动力学动力学（Dynamics）研究物体运动的原因研究物体运动的原因 静力学静力学（Statics）研究物体平衡时的规律研究物体平衡时的规律根据研究对象分类根据研究对象分类 质点力学质点力学研究对象为质点研究对象为质点 刚体力学刚体力学研究对象为刚体研究对象为刚体3数学工具数学工具微积分和矢量微积分和矢量运动学运动学研究物体位置随时间变化的规律研究物体位置随时间变化的规律质点运动学质点运动学运动学运动学研究物体位置随时间变化的规律研究物体位置随时间变化的规律刚体运动学刚体运动学大学物理学电子教案大学物理学电子教案物理学教学课件物理学教学课件刚体的转动刚体的转动(1)1 刚体的定轴转动刚体的定轴转动2 力矩力矩 转动定律转动定律 转动惯量转动惯量(上上)力矩力矩转动定律转动定律转动惯量转动惯量刚体的转动刚体的转动引言引言物体的形状和大小不发生变化，即物体的形状和大小不发生变化，即物体内任意两物体内任意两点之间的距离都保持不变点之间的距离都保持不变刚体刚体。说明说明1)理想化的力学模型理想化的力学模型；2)任何两点之间的距离在运动过程中保持不变任何两点之间的距离在运动过程中保持不变；3)刚体可以看成是无数质点组成的质点系刚体可以看成是无数质点组成的质点系刚体可以看成一个包含由大量质点、而各个质点间距离保持不变刚体可以看成一个包含由大量质点、而各个质点间距离保持不变的质点系。的质点系。1 刚体的定轴转动刚体的定轴转动一、刚体运动一、刚体运动1、平动、平动当当刚体中所有点的运动轨迹都刚体中所有点的运动轨迹都保持完全相同保持完全相同时，或者说时，或者说刚体刚体内任意两点间的连线总是平行内任意两点间的连线总是平行于它们的初始位置间的连线于它们的初始位置间的连线时，时，刚体的运动叫作刚体的运动叫作平动平动。1 刚体的定轴转动刚体的定轴转动一、刚体运动一、刚体运动1、平动、平动当当刚体中所有点的运动轨迹都刚体中所有点的运动轨迹都保持完全相同保持完全相同时，或者说时，或者说刚体刚体内任意两点间的连线总是平行内任意两点间的连线总是平行于它们的初始位置间的连线于它们的初始位置间的连线时，时，刚体的运动叫作刚体的运动叫作平动平动。平平动动是是刚刚体体的的一一种种基基本本运运动动形形式式，刚刚体体做做平平动动时时，刚刚体体上上所所有有点运动都相同，可用其上任何一点的运动来代表整体的运动。点运动都相同，可用其上任何一点的运动来代表整体的运动。2、转动、转动刚体中所有的点都绕同一刚体中所有的点都绕同一条直线作圆周运动条直线作圆周运动，这种，这种运动称为运动称为转动转动。这条直线。这条直线叫作叫作转轴转轴。瞬时转轴瞬时转轴：转轴随时间变化转轴随时间变化 一般转动一般转动固定转轴固定转轴：转轴不随时间变化转轴不随时间变化 刚体定轴转动刚体定轴转动 OvP,rr定轴定轴刚体刚体 参参 考考 方方向向z定轴转动的特点：定轴转动的特点：各质点都作圆周运动；各质点都作圆周运动；各质点圆周运动的平面垂直于轴线，各质点圆周运动的平面垂直于轴线，圆心在轴线上；圆心在轴线上；各质点的矢径在相同的时间内转过的各质点的矢径在相同的时间内转过的角度相同。角度相同。OvP,rr定轴定轴刚体刚体 参参 考考 方方向向z3、刚体的一般运动、刚体的一般运动一个汽车轮子在地一个汽车轮子在地上的滚动上的滚动A、B、C、各点的各点的运动都不相同运动都不相同ABABCCo3、刚体的一般运动、刚体的一般运动一个汽车轮子在地一个汽车轮子在地上的滚动上的滚动A、B、C、各点的各点的运动都不相同运动都不相同o o轮子的平动ABCoABCoABABCCo3、刚体的一般运动、刚体的一般运动一个汽车轮子在地一个汽车轮子在地上的滚动上的滚动o o轮子的平动ABCoABCoABABCCo绕过o 轴的转动oABC刚体的运动平动转动刚体的运动平动转动二、刚体转动的角速度和角加速度二、刚体转动的角速度和角加速度角位置角位置角速度角速度角加速度角加速度 pro转动平面转动平面二、刚体转动的角速度和角加速度二、刚体转动的角速度和角加速度oPvr角速度矢量角速度矢量对于质点的曲线运动和刚体定轴转运，即转轴对于质点的曲线运动和刚体定轴转运，即转轴在空间的方位不变，只有在空间的方位不变，只有“正正”“反反”两种转运方两种转运方向，通过角速度向，通过角速度 的正负即可指明。一般来的正负即可指明。一般来说，转轴可在空间取各种方位，只用正负不足说，转轴可在空间取各种方位，只用正负不足表明转动方向，需要引入角速度矢量。表明转动方向，需要引入角速度矢量。矢量形式矢量形式二、刚体转动的角速度和角加速度二、刚体转动的角速度和角加速度oPvr角速度和角加速度在直角坐标系和正交分解式为：角速度和角加速度在直角坐标系和正交分解式为：，二、刚体转动的角速度和角加速度二、刚体转动的角速度和角加速度oPvr角速度和角加速度在直角坐标系和正交分解式为：角速度和角加速度在直角坐标系和正交分解式为：，刚体作定轴转动时，可令刚体作定轴转动时，可令z轴与转轴重合，则：轴与转轴重合，则：，故，故 ，三、匀变速转动三、匀变速转动当刚体定轴转动时，如果在任意相等的时间间隔内，角速度当刚体定轴转动时，如果在任意相等的时间间隔内，角速度的增量都是相等的，这种变速转动叫做匀变速转动。的增量都是相等的，这种变速转动叫做匀变速转动。三、匀变速转动三、匀变速转动当刚体定轴转动时，如果在任意相等的时间间隔内，角速度当刚体定轴转动时，如果在任意相等的时间间隔内，角速度的增量都是相等的，这种变速转动叫做匀变速转动。的增量都是相等的，这种变速转动叫做匀变速转动。角加速度角加速度 角速度角速度 角位移角位移 角位置角位置 四、角量与线量的关系四、角量与线量的关系速度速度切向加速度切向加速度法向加速度法向加速度oPvr例题、例题、一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在5s内角速度内角速度由由15rad/s 匀减速地降到匀减速地降到10rad/s。求：求：(1)角加速度；角加速度；(2)在此在此5s内转过的圈数；内转过的圈数；(3)还需要多少时间轮子停止转动。还需要多少时间轮子停止转动。例题、例题、一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在5s内角速度内角速度由由15rad/s 匀减速地降到匀减速地降到10rad/s。求：求：(1)角加速度；角加速度；(2)在此在此5s内转过的圈数；内转过的圈数；(3)还需要多少时间轮子停止转动。还需要多少时间轮子停止转动。解解 根据题意，角加速度为恒量。根据题意，角加速度为恒量。(1)利用公式利用公式例题、例题、一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在5s内角速度内角速度由由15rad/s 匀减速地降到匀减速地降到10rad/s。求：求：(1)角加速度；角加速度；(2)在此在此5s内转过的圈数；内转过的圈数；(3)还需要多少时间轮子停止转动。还需要多少时间轮子停止转动。解解 根据题意，角加速度为恒量。根据题意，角加速度为恒量。(1)利用公式利用公式(2)利用公式利用公式5秒内转过的圈数秒内转过的圈数例题、例题、一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在一转动的轮子由于摩擦力矩的作用，在5s内角速度内角速度由由15rad/s 匀减速地降到匀减速地降到10rad/s。求：求：(1)角加速度；角加速度；(2)在此在此5s内转过的圈数；内转过的圈数；(3)还需要多少时间轮子停止转动。还需要多少时间轮子停止转