2-7 质点的角动量和角动量守恒定律  

在讨论质点运动时,我们用动量来描述机械运动的状态,并讨论了在机械运动的过程中所遵循的动量守恒定律。同样,在讨论质点相对于空间某一定点的运动时,我们也可以用角动量来描述物体的运动状态。角动量是一个很重要的概念,在转动问题中,它所起的作用和(线)动量所起的作用相类似。在刚体转动动力学中的角动量定理与角动量守恒定律,将在第三章中讨论。本节将只阐述质点的角动量概念和质点角动量守恒定律。

1.角动量

在自然界中经常会遇到质点围绕着一定的中心运转的情况。
    为简单计,我们以质量为的质点所作的圆周运动为例,引入角动量的概念。设圆的半径是,则质点对圆心的位矢的量值便是。质点的速度是,方向沿着圆的切线方向。从图可以看出,质点的动量处处和它的位矢相垂直。我们把质点动量的量值和位矢的量值的乘积定义为作圆周运动的质点对圆心角动量的量值,用表示,
            
图 2-7
在一般情况下,质点的动量和它对于给定点的位矢不一定垂直,在这种情形中,质点对某一给定点的角动量的量值应为质点的动量和点到动量的垂直距离的乘积,即
           
    因为之间的夹角,于是
            
    角动量也是矢量,它可用位矢和动量的矢积来表示,即
            
    角动量的表达式和力矩的表达式非常相似,因此,角动量也可看做动量对给定点的矩,所以有时也把角动量叫做动量矩,角动量的单位由动量和位矢的单位决定,在国际单位制中,它的单位是
    角动量的概念,在大到天体的运动,小到质子、电子的运动的描述中,都要应用到。

2.角动量定理和角动量守恒定律

角动量守恒定律是物理学的另一基本规律。在研究天体运动和微观粒子运动时,角动量守恒定律都起着重要作用。
    根据定义,质点对参考点的角动量为:
               
    将上式对求导数得
             
    则得
            
    上式称为质点的角动量定理
    若,则有 ,即
            
上式表明,如果作用于质点的合力矩为零,质点的角动量保持守恒,称为质点的角动量守恒定律