问1.为什么做匀速圆周运动的物体所受合外力指向圆心?
答:由于匀速圆周运动的物体仅是速度方向改变而速度大小不变,根据力与运动的关系可知,物体沿速度方向的合力等于零,垂直于速度方向的合力改变速度的方向,所以合外力的方向与速度方向垂直,指向圆心。
问2.向心力是一种新的性质的力吗?
答:向心力是根据力的作用效果命名的。在具体问题中,向心力可以是某一个力提供,也可以由若干个力的合力提供,还可以由一个力的分力提供。物体受到的指向圆心方向的力,使质点的速度方向总偏向圆心一侧,从效果上说就是向心力,所以向心力不是一种新的性质的力。
问3.向心加速度与半径成正比还是成反比?
答:正确理解为:当线速度大小v一定时,根据
可知,向心加速度与半径成反比;当角速度一定时,根据
可知,向心加速度与半径成正比。可见向心加速度与半径成正比还是成反比,是有条件的,条件不同,得到的关系也不同,两者并不矛盾。如图1,主动轮O通过皮带带动轮O′转动,A是O′轮边缘的一点,B、C分别是O轮边缘和轮子上的一点,皮带不打滑,A、B两点线速度大小相等,它们的向心加速度与半径成反比;B、C两点角速度相等,它们的向心加速度与半径成正比。
问4.向心加速度越大,速度方向改变得越快吗?
答:先看个例子。如图2所示,A、B两个物体在水平圆盘上,随圆盘一起匀速转动,它们都做匀速圆周运动,其运动的半径不同,但角速度相同,根据
可知B的向心加速度较大。而它们在相等的时间内速度方向改变的角度相同,即速度方向改变的快慢相同。可见对A、B不能用向心加速度大小表示速度方向改变的快慢。
如果保持A物体做匀速圆周运动的半径不变,增加其角速度,向心加速度随之增大,物体A速度方向改变得快。在这种情况下,向心加速度大小可以表示速度方向改变的快慢。
可见,用向心加速度的大小表示速度方向变化的快慢,受一定的条件限制。对于半径相同的几个匀速圆周运动,或者半径一定的匀速圆周运动,向心加速度的大小表征速度方向改变的快慢。
对于匀速圆周运动,角速度越大或者周期越小,速度方向改变得越快。角速度和周期是表示速度方向改变快慢的两个物理量。
问5.匀速圆周运动是匀变速运动吗?
答:做匀速圆周运动的物体,向心加速度的大小不变,其方向时刻指向圆心,向心加速度的方向随质点位置的改变而变化,所以匀速圆周运动的向心加速度是变化的,匀速圆周运动不属于匀变速运动。
问6.匀速圆周运动的特点是什么?
答:运动学特点:速度方向改变,大小不变;加速度方向始终指向圆心,大小不变。
动力学特点:合力大小不变,方向始终与速度方向垂直,物体所受的合力提供向心力,即。
问7.向心力公式或
,对变速圆周运动适用吗?
答:对变速圆周运动,计算向心力大小的公式仍可以适用,但要注意:计算某时刻的向心力应取与该时刻对应的瞬时速度或瞬时角速度。向心加速度的公式也如此。
问8.怎样确定向心力?
答:首先确定物体做圆周运动的圆心,然后分析物体在圆周上某一位置的受力,画出受力图,并将物体受到的各力分解为沿半径方向和垂直于半径方向的分力,最后求出沿半径方向的各个分力的合力,这个指向圆心的合力就是向心力。
例如:长为L的轻绳一端拴住小球,另一端固定于O点
(1)让小球在某一水平面内做匀速圆周运动,这样就形成一个圆锥摆如图3。小球做匀速圆周运动的圆心是O1,小球受重力G和轻绳的拉力F如图4,将力F分解为半径方向的分力F1和垂直半径方向的分力F2(重力不需分解)。 指向圆心方向的合力等于F1,F1就是向心力。
(2)让小球在竖直面内做变速圆周运动如图5,O是圆心,小球在圆周上A点受重力G和轻绳的拉力F,如图6。重力G分解为沿半径OA方向的分力G1和垂直于半径方向的分力G2,合力F-G1就是向心力。
对于匀速圆周运动,物体受到的合力就是向心力,所以上例(1)也可以用求合力的方法确定向心力。G和F的合力F合就是向心力,如图7。
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