向心力的理解和应用

来源 :中学生数理化·学习研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:imanhuaa
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  1.外界提供的向心力:物体做圆周运动时,外界给物体提供的沿半径指向圆心的合力。
  物体做圆周运动是指物体运动的轨迹是圆,这里的物体指质点;外界给物体提供的力是一个合力,要在分析物体受力的基础上才能确定,对物体进行受力分析要按照外(已知外力)、重(力)、弹(力)、摩(擦力)的顺序。外界给物体提供的合力中沿半径指向圆心的那部分就是物体做圆周运动的向心力;要求外界提供的向心力,一般情况下是以物体为原点,以沿半径指向圆心的方向为一个轴的正方向,以线速度方向为另一轴的正方向建立一个直角坐标系,這个直角坐标系比较特殊,它被“绑”在物体上,随物体的运动而运动,其两个轴的方向时刻在改变。在对物体进行受力分析的前提下,把与速度方向不在一条直线上的力分解到速度方向上和沿半径方向上,然后求出沿半径指向圆心方向的合力,就是我们所说的提供的向心力,一般用F供表示。
  2.向心力的作用效果:物体做圆周运动时,可能做匀速圆周运动,也可能做非匀速圆周运动,如果物体做匀速圆周运动,则说明外界提供的向心力恰好与物体所受的合外力相同;如果物体做非匀速圆周运动,则说明外界提供的向心力只是物体所受合外力在沿半径指向圆心方向上的分力,合外力的另一部分沿切线方向改变物体速度的大小。
  物体无论是做匀速圆周运动或是做非匀速圆周运动,外界提供的向心力均由物体的受力情况来决定,且外界提供的向心力只有一个目的,即维持物体做圆周运动。外界提供的向心力方向沿半径指向圆心,与速度方向垂直,所以外界提供的向心力只改变速度的方向,不改变速度的大小;外界提供的向心力产生的加速度也沿半径指向圆心,叫向心加速度,它表示物体速度方向改变的快慢。
  3.物体做圆周运动所需的向心力:物体做圆周运动需要的向心力由F供提供,需要的向心力与提供的向心力相同时,物体才做圆周运动。物体做圆周运动需要的向心力由物体的运动情况来决定。需要的向心力常用F需表示,F需=mv2r,其中m表示做圆周运动的物体的质量,如果问题中没有给出做圆周运动的物体的质量,可设为m。v是做圆周运动的物体的线速度,当物体做匀速圆周运动时,线速度大小处处相等;如果物体做非匀速圆周运动,则线速度的大小应与某时刻或某位置对应。r是物体做圆周运动的轨道半径,要确定圆周运动的半径必须首先确定圆周的圆心,这是关键,如,做圆锥摆运动的物体运动的圆周的圆心应在悬点的正下方底面的中心;而火车或汽车在外侧高、内侧低的(拐弯)圆周运动中,轨迹的圆心应为与火车或汽车重心等高的水平面内。
  4.向心力与牛顿第二定律的综合应用:物体做圆周运动时,F供=F需,反过来也可以说,F供=F需时,物体做圆周运动。即物体做圆周运动的充要条件是F供=F需。一般地,我们写成F=mv2r,符合牛顿第二定律的形式,这里F是圆周运动中给物体提供的沿半径指向圆心方向的合力,v2r则相当于沿半径指向圆心方向的加速度(向心加速度),它表示线速度方向改变的快慢。
  5.应用F=mv2r的思路:①确定研究对象m的运动情况,即先确定圆周运动的轨迹及圆心,再确定圆周运动的半径r,最后确定圆周运动在某时刻或某位置的线速度大小v;②确定研究对象的受力情况,即按受力分析的顺序确定物体受的所有力,然后在沿半径指向圆心方向求出物体受的合力F;③在F=mv2r中的各量确定后,即可应用F=mv2r列方程求解。
  作者单位:云南省曲靖市会泽县茚旺高级中学
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