高中物理学习角动量的探究

黄琰

摘 要：“角动量守恒定律”是自然界最基本最普遍的定律之一，应用该定律来处理力学问题在近几年的全国中学生物理竞赛中屡屡出现。从反馈情况来看，能否灵活应用“角动量守恒成为解题的关键。认清该定律的内容及其规律并能够适当地变式处理此类问题，无疑对解决此类问题有很大的帮助。

关键词：高中物理;角动量;自然现象

在研究物体的全部运动的过程时，往往不能准确的表达，这就需要用另一个力学量来表达，即角动量，在求解角动量的过程中，将质心系与质点系紧密联系，同时运用角动量定理和守恒定律，将复杂问题简单化，方便计算。角动量是在动量之后比较重要的物理概念，其将角速度，角加速度有效的联系在一起，在宏观的物理现象中尤为普遍，特别是在求解物体的转动问题时，尤为方便。

一、主要公式：L=r×mv=r×p，上式表明，质点对参考点的角动量等于位置矢量与动量的失积，大小则为r和mv的为临边的平行四边形的面积，其方向构成右手螺旋定则。M=r×F=Jdw/dt=dL/dt，L=Jw，J为转动惯量，表示受力点相对于O点的位置矢量r与力F矢量的失积M叫做F对参考点o的力矩，同样也构成右手螺旋定则。其中若M=0   则L=Lo，则若作用于质点的合力对参考点的o的力矩为零，则质点对该点的角动量不变，即角动量守恒定律。对于绕定轴转动刚体的合外力矩M=d/dt（Jw）=rFsin，其等于受力质点到轴的垂直距离与力在与z轴垂直的平面上的分力以及角度正旋的乘积。

二、角动量守恒的判断

角动量守恒的判定主要是判定M的大小，当M为零时即合力矩为零，即角动量守恒，即质点或质点系对该参考点的角动量守恒。有下列几种情况可判断角动量守恒：1质点或质点系不受外力或者所受的合力矩为零，即外力通过参考点，不产生力矩。2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，即对轴方向的角动量守恒。

三、角动量的应用

一般物体饶固定轴转动时其转动惯量是不可变的，为唯一定值，从而在满足角动量守恒的条件下，物体的角速度随着转动轴的不同，即转动惯量的改变而变，但两者之乘积却保持不变，这就是角动量定理。如茹可夫斯基凳的演示，转轴处光滑，人站在圆盘上，手握两个哑铃，两臂伸开时，让他旋转起来，然后两臂收回，由于哑铃离轴变近，虽不受外力作用，转速也会增加，再将两臂伸开，哑铃离轴变远，角速度再度减小，同样花样溜冰运动员和芭蕾舞演员做旋转运动，也通过控制手臂和腿的伸展来加速减速，在实际的运动过程中效果也十分明显。

四、解释自然现象

在角动量的学习过程中，已经了解了溜冰员、芭蕾舞演员、空中飞人和高台跳水员等的旋转运动，解释了角动量守恒定律，不仅如此，在日常生活中角动量的应用也有很多：

（1）地面风的偏向风

在两极和赤道之间会有风的产生，进而带动中纬度地區产生气流，三股气流由于角速度偏转的效应，赤道地区吹东北风，温带常吹西南风。也即是说的地转偏向力的作用，河岸的冲刷，轨道的偏压等都是这种现象。

（2）当人在走路时，手会前后不停的摆动，当手从前面摆向身后时，会产生一个力矩，带动身体向前运动，两个手交替摆动，带动身体，同样当你顺拐时，你会发现你走路并不通顺，而且脚下也容易疼痛。在生活中会经常看到散布，跑步来回摆手的，摆动的越来你运动起来也越方便。

（3）地球的自转公转也与角动量有关，地球自转形成昼夜的交替变化，公转带来四季的变化，这都与自转有关，开普勒第二定律就是对角动量守恒的很好解释。

五、总结

角动量及其规律是经典力学中一个重要的基础定律，其是在牛顿定律基础上衍生出来的，将牛顿第二定律解决不了的问题变通化，方便计算，特别是在处理一些旋转运动问题时有些很大的作用，能够细致的描绘运动状态。在宏观物理理论中，牛顿运动定律可以解题，而在微观理念下，不角动量的观点适用范围更加广泛，更加有效。通过对角动量的学习，对角动量及其规律有了一些基础的认识，在以后物理的发展过程中有效运用，对于角动量的探究还在继续，需要我们认真学习，去探索，加深角动量的认识，推动物理学科的进步。

参考文献

[1]王涛;自学导思法在课堂教学中的应用[J];教学与管理;2003年06期

[2]赵福垚;李颖;;牛顿第一定律表述形式浅析[A];中外力学思维纵横——第四届全国力学史与方法论学术研讨会论文集[C];2009年

[3]文建方;;天体运动规律在天体运动习题中的妙用[A];湖北省物理学会、武汉物理学会2004学术年会论文集[C];2004年

（作者单位：福建省泉州市德化县第一中学）

（作者单位：德化一中高二（五）班）