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第2章質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的守恒定律1)從力對(duì)空間的積累作用出發(fā),引入功、動(dòng)能的概念----能量守恒定律2)從力對(duì)時(shí)間的積累作用出發(fā),引入動(dòng)量、沖量的概念----動(dòng)量守恒定律三大守恒定律是普適的,守恒定律更重要3)介紹角動(dòng)量、動(dòng)量矩---引入角動(dòng)量守恒定律牛頓定律是瞬時(shí)的規(guī)律,有時(shí)需關(guān)心過程中力的效果2.1機(jī)械功功率一功(work)

2變力的功MMablxyzOab

一段上的功:M在1恒力的功在直角坐標(biāo)系中:

在ab一段上的功:說明(1)功是標(biāo)量,且有正負(fù)(2)合力的功等于各分力的功的代數(shù)和(3)一般來說,功的值與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的路徑有關(guān)二功率瞬時(shí)功率:

平均功率:

例1一質(zhì)點(diǎn)受變力作用,求(1)質(zhì)點(diǎn)沿OMQ運(yùn)動(dòng)時(shí)變力所作的功。(2)質(zhì)點(diǎn)沿OQ運(yùn)動(dòng)時(shí)變力所作的功。y(m)x(m)33QMo質(zhì)量為10kg的質(zhì)點(diǎn),在外力作用下做平面曲線運(yùn)動(dòng),該質(zhì)點(diǎn)的速度為解在質(zhì)點(diǎn)從

y=16m

y=32m

的過程中,外力做的功。求例2,開始時(shí)質(zhì)點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)。L緩慢拉質(zhì)量為m的小球,解xy例3=0

時(shí),求已知用力保持方向不變作的功。已知m=2kg,在F=12t

作用下由靜止做直線運(yùn)動(dòng)解例4求t=02s內(nèi)F作的功及t=2s時(shí)的功率。2.2動(dòng)能動(dòng)能定理(kineticenergytheorem)一.質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能定理

作用于質(zhì)點(diǎn)的合力在某一路程中對(duì)質(zhì)點(diǎn)所作的功,等于質(zhì)點(diǎn)在同一路程的始、末兩個(gè)狀態(tài)動(dòng)能的增量。

(1)Ek

是一個(gè)狀態(tài)量,A

是過程量。(2)動(dòng)能定理只用于慣性系。

說明二.質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能定理把質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能定理應(yīng)用于質(zhì)點(diǎn)系內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)并把所得方程相加有:1)內(nèi)力和為零,內(nèi)力功的和是否為零?不一定為零ABABSL討論2)內(nèi)力的功也能改變系統(tǒng)的動(dòng)能。如炸彈爆炸過程內(nèi)力和為零,但內(nèi)力做功轉(zhuǎn)化為彈片的動(dòng)能。

一輕彈簧的勁度系數(shù)為k=100N/m,用手推一質(zhì)量m=0.1kg的物體把彈簧壓縮到離平衡位置為x1=0.02m處,如圖所示。放手后,物體沿水平面移動(dòng)到x2=0.1m而停止。

放手后,物體運(yùn)動(dòng)到x1

處和彈簧分離。在整個(gè)過程中,解例1物體與水平面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。求摩擦力作功彈簧彈性力作功根據(jù)動(dòng)能定理有長(zhǎng)為l的均質(zhì)鏈條,部分置于水平面上,另一部分自然下垂,已知鏈條與水平面間靜摩擦系數(shù)為0,滑動(dòng)摩擦系數(shù)為(1)以鏈條的水平部分為研究對(duì)象,設(shè)鏈條每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量為,沿鉛垂向下取Oy軸。解Oy例2求滿足什么條件時(shí),鏈條將開始滑動(dòng)(2)若下垂部分長(zhǎng)度為b

時(shí),鏈條自靜止開始滑動(dòng),當(dāng)鏈條末端剛剛滑離桌面時(shí),其速度等于多少?當(dāng)y>b0

,拉力大于最大靜摩擦力時(shí),鏈條將開始滑動(dòng)。設(shè)鏈條下落長(zhǎng)度y=b0時(shí),處于臨界狀態(tài)(2)以整個(gè)鏈條為研究對(duì)象,鏈條在運(yùn)動(dòng)過程中各部分間相互作用的內(nèi)力的功之和為零,摩擦力的功重力的功據(jù)動(dòng)能定理:Oy2.3勢(shì)能機(jī)械能守恒定律一保守力

(conservativeforce)xyzO1

重力的功重力mg在曲線路徑M1M2

上的功:(1)重力的功只與始、末位置有關(guān),而與路徑無關(guān)。(2)質(zhì)點(diǎn)上升時(shí),重力作負(fù)功;下降時(shí),作正功。mG結(jié)論②①2萬有引力的功

上的元功為

萬有引力在全部路程中的功為:1)萬有引力的功,只與始、末位置有關(guān),與路徑無關(guān)。Mabm結(jié)論在位移元2)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)移近時(shí),萬有引力作正功;遠(yuǎn)離時(shí),作負(fù)功。3彈性力的功1)彈性力的功只與始、末位置有關(guān),與路徑無關(guān)2)彈簧的形變減小時(shí),彈性力作正功;增大時(shí),作負(fù)功。彈簧彈性力由x1

到x2彈性力的功:結(jié)論xO力所做的功與路徑無關(guān),而只決定于物體的始末相對(duì)位置,這樣的力稱保守力。如重力、萬有引力、彈性力4保守力作功與路徑有關(guān)的力稱為非保守力,如摩擦力質(zhì)點(diǎn)在保守力場(chǎng)中某點(diǎn)的勢(shì)能,在量值上等于質(zhì)點(diǎn)從該點(diǎn)移動(dòng)至零勢(shì)能點(diǎn)的過程中保守力作的功。1重力勢(shì)能

2彈性勢(shì)能

xyzOOx二勢(shì)能(potentialenergy)3萬有引力勢(shì)能

rMm等勢(shì)面保守力的功等于質(zhì)點(diǎn)在始末兩位置勢(shì)能增量的負(fù)值2)勢(shì)能零點(diǎn)可任意選取,故某點(diǎn)的勢(shì)能值是相對(duì)的。3)保守力場(chǎng)中任意兩點(diǎn)間的勢(shì)能差與勢(shì)能零點(diǎn)選取無關(guān)。說明1)只有物體間相互作用力是保守力,才能建立勢(shì)能的概念4)勢(shì)能屬于相互作用的物體系統(tǒng)所共有,“某物體的勢(shì)能”只是習(xí)慣的說法質(zhì)點(diǎn)的勢(shì)能與位置坐標(biāo)的關(guān)系可用圖線表示三一維勢(shì)能曲線zO重力勢(shì)能彈性勢(shì)能萬有引力勢(shì)能xOrO1由勢(shì)能函數(shù)求保守力

2由勢(shì)能曲線求保守力勢(shì)能曲線上某點(diǎn)斜率的負(fù)值,就是該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置處質(zhì)點(diǎn)所受的保守力。xE質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍:質(zhì)點(diǎn)在(x2

x3)內(nèi)釋放:做往復(fù)振動(dòng)ABCB點(diǎn):穩(wěn)定平衡位置A、C點(diǎn):非穩(wěn)定平衡位置前面引入了勢(shì)能的概念,這為我們系統(tǒng)、全面研究機(jī)械能打下了基礎(chǔ)。功能原理實(shí)際上是系統(tǒng)動(dòng)能定理的變形。四、功能原理第一個(gè)質(zhì)點(diǎn):第二個(gè)質(zhì)點(diǎn):第n個(gè)質(zhì)點(diǎn):、、、、、、、合力外力內(nèi)力保守內(nèi)力非保守內(nèi)力A合=A外+A保守內(nèi)力+A非保守內(nèi)力=Ek2-Ek1-(Ep2-Ep1)“同狀態(tài)的量”合并:令稱為系統(tǒng)的機(jī)械能式中分別為作功前后系統(tǒng)的機(jī)械能A外+A非保守內(nèi)力=(Ek2-Ek1)+【(Ep2-Ep1)】A外+A非保守內(nèi)力=(Ek2+

Ep2)-(Ek1+Ep1)

----系統(tǒng)的功能原理1)功能原理說明只有外力及非保守內(nèi)力才能改變系統(tǒng)的機(jī)械能.功能原理:系統(tǒng)的機(jī)械能的增量等于外力及非保守內(nèi)力作功之總和.例:提高杠鈴的機(jī)械能靠外力,而馬達(dá)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)是靠非保守內(nèi)力---磨擦力.2)功能原理與動(dòng)能定理并無本質(zhì)差別,區(qū)別在于功能原理引入了勢(shì)能概念,而無需計(jì)算保守力的功.動(dòng)能原理則應(yīng)計(jì)算包括保守內(nèi)力在內(nèi)的所有力的功.說明或:機(jī)械能守恒定律:如果系統(tǒng)內(nèi)除保守內(nèi)力以外,其它外力及和非保守內(nèi)力都不作功,那么系統(tǒng)的總機(jī)械能保持不變。五、機(jī)械能守恒定律2)機(jī)械能守恒定律是普遍的能量守恒定律的特例。1)機(jī)械能守恒的條件:并非:

對(duì)與一個(gè)與自然界無任何聯(lián)系的系統(tǒng)來說,系統(tǒng)內(nèi)各種形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)換的,但是不論如何轉(zhuǎn)換,能量既不能產(chǎn)生,也不能消滅,這一結(jié)論叫做能量守恒定律.注意六宇宙速度

牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》插圖,拋體的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于拋體的初速度設(shè)地球質(zhì)量,拋體質(zhì)量,地球半徑

.``````解取拋體和地球?yàn)橐幌到y(tǒng),系統(tǒng)的機(jī)械能E守恒.1)人造地球衛(wèi)星第一宇宙速度第一宇宙速度,是在地面上發(fā)射人造地球衛(wèi)星所需的最小速度.解得``````由牛頓第二定律和萬有引力定律得``````地球表面附近故計(jì)算得第一宇宙速度我國(guó)1977年發(fā)射升空的東方紅三號(hào)通信衛(wèi)星2)人造行星第二宇宙速度``````設(shè)地球質(zhì)量,拋體質(zhì)量,地球半徑

.

第二宇宙速度,是拋體脫離地球引力所需的最小發(fā)射速度.

取拋體和地球?yàn)橐幌到y(tǒng)系統(tǒng)機(jī)械能守恒.當(dāng)若此時(shí)則第二宇宙速度``````計(jì)算得用彈簧連接兩個(gè)木板m1

、m2

,彈簧壓縮x0

。解整個(gè)過程只有保守力作功,機(jī)械能守恒例1給m2

上加多大的壓力能使m1

離開桌面?求

§2-5動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律Momentum、Impulse、LawofConservationofMomentum一、動(dòng)量、沖量概念狀態(tài)量、矢量單位:千克.米/秒,kg.m/s力的累積效應(yīng)對(duì)積累對(duì)積累

動(dòng)量沖量

力對(duì)時(shí)間的積分(矢量)單位:牛頓.秒二、動(dòng)量定理質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理:質(zhì)點(diǎn)所受合外力的沖量等于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的增量.1、質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量定理

動(dòng)量是物體運(yùn)動(dòng)量大小的量度質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的改變量決定于所受合外力的沖量當(dāng)力的沖量決定于力對(duì)時(shí)間的積累,力越大,作用時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)動(dòng)量的改變?cè)酱?。?yīng)用該定理應(yīng)注意:實(shí)際中常用分量式:設(shè)有一質(zhì)點(diǎn)受沖力經(jīng)歷時(shí)間狀態(tài)由說明上式說明:哪一個(gè)方向的沖量只改變哪一個(gè)方向的動(dòng)量2、質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理設(shè)有三個(gè)質(zhì)點(diǎn)系m1、m2、m3受外力:受內(nèi)力:對(duì)質(zhì)點(diǎn)“1”對(duì)質(zhì)點(diǎn)“2”對(duì)質(zhì)點(diǎn)“3”以上三式相加:一般言之:設(shè)有N個(gè)質(zhì)點(diǎn),則:…………(1)(1)式稱為動(dòng)量定理的微分形式.令:稱之為質(zhì)點(diǎn)系的總動(dòng)量,則有:…………(2)或:…………(3)又設(shè)時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)總動(dòng)量由對(duì)(3)式兩邊積分:或:…………(3)又設(shè)時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)總動(dòng)量由對(duì)(3)式兩邊積分:……(4)……(5)即:……(6)(6)式為質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理.…(5a)…(6a)質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理:質(zhì)點(diǎn)系所受外力的總沖量等于質(zhì)點(diǎn)系的總動(dòng)量的增量。只有質(zhì)點(diǎn)系的外力才能改變質(zhì)點(diǎn)系的總動(dòng)量.內(nèi)力雖能改變質(zhì)點(diǎn)系個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量,但不能改變質(zhì)點(diǎn)系的總動(dòng)量。注意初始速度則推開后速度且方向相反則推開前后系統(tǒng)動(dòng)量不變?nèi)?、質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量守恒定律若質(zhì)點(diǎn)系不受外力或所受合外力為零,則質(zhì)點(diǎn)系的總動(dòng)量保持不變。證明:故有1)系統(tǒng)的動(dòng)量守恒是指系統(tǒng)的總動(dòng)量不變,系統(tǒng)內(nèi)任一物體的動(dòng)量是可變的,各物體的動(dòng)量必相對(duì)于同一慣性參考系.4)

動(dòng)量守恒定律只在慣性參考系中成立,是自然界最普遍,最基本的定律之一.3)若某一方向合外力為零,則此方向動(dòng)量守恒.

2)守恒條件合外力為零當(dāng)相互作用內(nèi)力很大時(shí),可略去外力的作用,近似地認(rèn)為系統(tǒng)動(dòng)量守恒.例如在碰撞,打擊,爆炸等問題中.注意如圖的系統(tǒng),物體A,B置于光滑的桌面上,物體A和C,B和D之間摩擦因數(shù)均不為零,首先用外力沿水平方向相向推壓A和B,使彈簧壓縮,后拆除外力,則A和B彈開過程中,對(duì)A、B、C、D組成的系統(tǒng)討論(A)動(dòng)量守恒,機(jī)械能守恒.(B)動(dòng)量不守恒,機(jī)械能守恒.(C)動(dòng)量不守恒,機(jī)械能不守恒.(D)動(dòng)量守恒,機(jī)械能不一定守恒.DBCADBCA下列各物理量中,與參照系有關(guān)的物理量是哪些?(不考慮相對(duì)論效應(yīng))1)質(zhì)量2)動(dòng)量3)沖量

4)動(dòng)能5)勢(shì)能6)功答:動(dòng)量、動(dòng)能、功.討論例1

質(zhì)量為10KG的物體,受到力作用,在t=0時(shí),物體靜止在原點(diǎn).求(1)物體在t=10s時(shí)刻的動(dòng)量和動(dòng)能;(2)從t=0到t=10s內(nèi)作用力的沖量和所作的功.已知:求:解(1)建立坐標(biāo)OXYmxYmxY(2)求10秒內(nèi)力的沖量及作的功依沖量的定義:依動(dòng)能定理:例2質(zhì)量為m的勻質(zhì)鏈條,全長(zhǎng)為

L,開始時(shí),下端與地面的距離為h,當(dāng)鏈條自由下落在地面上時(shí)所受鏈條的作用力?Lh解

設(shè)鏈條在此時(shí)的速度據(jù)動(dòng)量定理地面受力m求鏈條下落在地面上的長(zhǎng)度為l(l<L)時(shí),地面

dm

§2—7碰撞(Centralcollision)碰撞有如下特點(diǎn)。1)碰撞是沖擊力,相互作用時(shí)間極短,沖擊力>>非沖力,可不考慮非沖擊力的作用。2)碰撞時(shí)間極短,但碰撞前后物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變非常顯著,因而易于分清過程始末狀態(tài),便于用守恒定律來研究。對(duì)心碰撞-----碰撞前后的速度矢量都沿兩球中心(質(zhì)心)連心線上的碰撞。我們把物體視為“球模型”來考慮。碰撞前:碰撞后:碰撞過程:m2m1m1m2碰撞過程m2m1m1m2m1m2m1m2m1m2m1m2m1m2(1)壓縮階段:(2)恢復(fù)階段:m2m1m1m2完全非彈性碰撞兩物體碰撞后,以同一速度運(yùn)動(dòng).碰撞兩物體互相接觸時(shí)間極短而相互作用力較大的相互作用.完全彈性碰撞兩物體碰撞之后,它們的動(dòng)能之和不變.非彈性碰撞由于非保守力的作用,兩物體碰撞后,使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能、聲能,化學(xué)能等其他形式的能量.1、完全非彈性碰撞:…(1)…(2)…(3)…(4)討論:A)碰撞后速度B)能量:碰撞前XO碰撞前碰撞后m1m2m2m1m2m1m2m1……(4)碰撞后結(jié)論:有能量損耗.B)能量:碰撞前2、完全彈性碰撞碰撞前碰撞后m2m1m2m1m2m1XOm1m2依動(dòng)量守恒、能量守恒列方程:m2m13、一般彈性碰撞碰撞前碰撞后m2m1m2m1m2m1XO兩物體碰撞的恢復(fù)系數(shù)稱分離速度,m2相對(duì)m1離開時(shí)的速度。稱接近速度,m1相對(duì)m2接近時(shí)的速度。引入系數(shù)e:其中:(1)定義:測(cè)量:m2m1Hh(m1<<m2)m1m1木球---膠皮球0.26象牙球--象牙球0.89木球--木球0.50玻璃球--玻璃球0.94鋼球--鋼球0.56ee物體物體一些物體的恢復(fù)系數(shù)0<e<1(2)e由材料的性質(zhì)決定的。i)完全非彈性碰撞碰后分離速度ii)完全彈性碰撞-(a)稱為(完全)彈性碰撞稱為非彈性碰撞稱為完全非彈性碰撞-(b)e=1-(a)iii)一般彈性碰撞:(0<e<1)…(1)動(dòng)量守恒:……(2)作業(yè):練習(xí)四例1一小球從h處自由下落,不計(jì)空氣阻力,與水平桌面碰后又回升到h1,問n次碰后小球的回升高度?hh1hn解由自由下落及豎直上拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)有例2一小球m與物體M作彈性碰撞,求彈簧的最大壓縮量。m=1kg,M=5kg,ι=1m,k=2x103N/m。mιμ=0解(2)代入(1),得完全非彈性碰撞兩物體碰撞后,以同一速度運(yùn)動(dòng).碰撞兩物體互相接觸時(shí)間極短而互作用力較大的相互作用.完全彈性碰撞兩物體碰撞之后,它們的動(dòng)能之和不變.非彈性碰撞由于非保守力的作用,兩物體碰撞后,使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能、聲能,化學(xué)能等其他形式的能量.歸納§2—7角動(dòng)量角動(dòng)量守恒(

AngularMomentum.LawofConservationofAngularMomentum)一、何謂角動(dòng)量角動(dòng)量的提出,也是與轉(zhuǎn)動(dòng)相聯(lián)系的

例如天文上行星圍繞太陽轉(zhuǎn),單位時(shí)間內(nèi)掃過的面積是一個(gè)與有關(guān)的問題。這個(gè)量稱為角動(dòng)量。

質(zhì)點(diǎn)對(duì)選取的參考點(diǎn)的角動(dòng)量等于其矢徑與其動(dòng)量之矢量積。用表示。定義:om1、為表示是對(duì)哪個(gè)參考點(diǎn)的角動(dòng)量,通常將角動(dòng)量L畫在參考點(diǎn)上。2、單位:注意3、角動(dòng)量是矢量,其大小方向由:決定。4、角動(dòng)量的定義并沒有限定質(zhì)點(diǎn)只能作曲線運(yùn)動(dòng)或不能作直線運(yùn)動(dòng)。XYZO或:方向如圖質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)o質(zhì)點(diǎn)系的角動(dòng)量二、力矩中學(xué)時(shí)學(xué)過的力矩概念定義:力對(duì)某點(diǎn)O的力矩等于力的作用點(diǎn)的矢徑與力F的矢量積.

om二、力矩2)方向:的方向3)單位:米.牛頓1)大小注意

下列情況,4)當(dāng)時(shí),A)B)力的方向沿矢徑的方向()有心力的力矩為零C)力的方向與轉(zhuǎn)軸平行F三、角動(dòng)量定理1、角動(dòng)量定理的微分形式對(duì)一個(gè)質(zhì)點(diǎn):(1)式對(duì)t求導(dǎo):此稱質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量定理XYZO對(duì)多個(gè)質(zhì)點(diǎn)而言:(以兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)為例)如圖設(shè)有質(zhì)點(diǎn)m1,m2分別受外力外力矩內(nèi)力內(nèi)力矩對(duì)質(zhì)點(diǎn)(1):對(duì)質(zhì)點(diǎn)(2):兩式相加:m1m2內(nèi)力矩XZYOm1m2XZYO令:質(zhì)點(diǎn)所受的合外力矩質(zhì)點(diǎn)系的總角動(dòng)量則:推廣到n個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)系:質(zhì)點(diǎn)系角動(dòng)量定理:系統(tǒng)角動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于系統(tǒng)所受合外力矩。2、角動(dòng)量定理的積分形式對(duì)(5)式積分:設(shè):在合外力矩M的作用下,時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的角動(dòng)量從稱為力矩的角沖量或沖量矩角動(dòng)量定理(積分形式)作用在質(zhì)點(diǎn)系的角沖量等于系統(tǒng)角動(dòng)量的增量。寫成分量式:四、角動(dòng)量守恒定律對(duì)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系而言,若則:角動(dòng)量守恒定律:當(dāng)系統(tǒng)所受合外力矩恒為零時(shí),質(zhì)點(diǎn)系的角動(dòng)量保持不變。注意:1、角動(dòng)量守恒定律是宇宙中普遍成立的定律,無論在宏觀上還是微觀領(lǐng)域中都成立。

2、守恒定律表明盡管自然界千變?nèi)f化,變換無窮,但決非雜亂無章,而是嚴(yán)格地受著某種規(guī)律的制約,變中有不變。這反映著自然界的和諧統(tǒng)一。例1用角動(dòng)量守恒定律導(dǎo)出開普勒第二定律--行星單位時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。Oabc解:設(shè)行星繞太陽運(yùn)動(dòng),在時(shí)間內(nèi),從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn),其速率為。t作直線bc垂直于oa,因t很小t時(shí)間內(nèi)掃過的面積(行星質(zhì)量為m)t時(shí)間內(nèi)掃過的面積(證畢)因?yàn)樾行鞘窃谟行牧Φ淖饔孟逻\(yùn)動(dòng)的,故角動(dòng)量守恒(L不變),行星的質(zhì)量是常數(shù).所以例2計(jì)算氫原子中電子繞原子核作圓周運(yùn)

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