現象定義
質點沿圓周運動,如果在任意相等的時間裡通過的圓弧長度都相等,這種運動就叫做“勻速圓周運動”,亦稱“勻速率圓周運動”。因為物體作圓周運動時速率不變,但速度方向随時發生變化。所以勻速圓周運動的線速度是每時每刻都在發生變化的。
運動條件
做勻速圓周運動的充要條件是:
具有初速度(初速度不為零)
始終受到大小不變,方向垂直于速度方向,且在速度方向同一側的合外力。
公式解析
計算公式
1、v(線速度)=ΔS/Δt=2πr/T=ωr=2πrn (S代表弧長,t代表時間,r代表半徑,n代表轉速)
2、ω(角速度)=Δθ/Δt=2π/T=2πn (θ表示角度或者弧度)
3、T(周期)=2πr/v=2π/ω=1/n
4、n(轉速)=1/T=v/2πr=ω/2π
5、Fn(向心力)=mrω^2=mv^2/r=mr4π^2/T^2=mr4π^2n^2
6、an(向心加速度)=rω^2=v^2/r=r4π^2/T^2=r4π^2n^2
7、vmin=√gr (過最高點時的條件)
8、fmin (過最高點時的對杆的壓力)=mg- (有杆支撐)
9、fmax (過最低點時的對杆的拉力)=mg+ (有杆)
向心力公式的推導
用實驗驗證向心力公式 測定勻速圓周運動向心力的實驗儀器種類非常多,它們不僅能定性驗證,而且也
能定量測定,驗證的基本步驟是:
首先,在确定轉速、圓周半徑都恒定的前提下,驗證向心力與質量是不是正比關系。用來作對比實驗的兩物體要經過嚴格配重,并且用天平測量出兩球的質量一個是另一個的一半,實驗顯示:測力計所示的向心力随着作圓周運動物體質量的加倍而加倍,這就證明了向心力與物體質量的正比關系。其次,在保持質量、運動半徑都恒定的情況下。由于角速度與轉速是正比關系,所以我們隻需要驗證向心力與轉速的平方是不是正比關系。實驗時,轉速增加到 2倍,從測力計上可以看出,在允許的誤差範圍内,向心力增加到 4 倍。驗證了向心力跟角速度的平方成正比。最後,在保持質量、角速度(或轉速)都不變的前提下,驗證物體進行圓周運動時的向心力與圓周的半徑是不是正比關系。實驗時,使運動半徑增加到 2 倍,轉動後,從測力計上可以看出向心力也增加到 2 倍。說明向心力與半徑成正比。
物理介紹
描述勻速圓周運動快慢的物理量 [4] :
線速度 v
①意義:描述質點沿圓弧運動的快慢的物理量,線速度越大,質點沿圓弧運動越快。
②定義:線速度的大小等于質點通過的弧長s與所用時間t的比值。
③單位:m/s。
④矢量:方向在圓周各點的切線方向上。
⑤就是物體做勻速圓周運動的瞬時速度。
⑥質點做勻速圓周運動時,線速度大小不變,但方向時刻在改變,故其線速度不是
恒矢量。
⑦邊緣相連接的物體,線速度相同。
角速度 ω
① 定義:連接質點和圓心的半徑(動半徑)轉過的角度跟所用時間的比值,叫做勻速圓周運動的角速度。
②單位:rad/s(弧度每秒)。
③矢量(中學階段不讨論,用<安培右手定則>可判斷方向,例如:當其在水平面上順時針轉動時角速度方向豎直向下)。
④質點做勻速圓周運動時,角速度ω恒定不變。
⑤同一物體上任意兩點,除旋轉中心外,角速度相同。
周期 T
①定義:做勻速圓周運動的物體運動一周所用的時間叫做周期。
②單位:s(秒)。
③标量:隻有大小,沒有方向。
④意義:定量描述勻速圓周運動的快慢。半徑相等時,周期長說明運動得慢,周期短說明運動得快。
⑤質點做勻速圓周運動時,周期恒定不變。
頻率 f
①定義:周期的倒數(每秒内完成周期性運動的次數)叫頻率。
②單位:Hz(赫)。
③标量:隻有大小,沒有方向。
④意義:定量描述勻速圓周運動的快慢,頻率高說明運動得快,頻率低說明運動得慢。
⑤質點做勻速圓周運動時,頻率恒定不變。
轉速 n
①定義:做勻速圓周運動的質點每秒轉過的圈數。
②單位:在國際單位制中為r/s(轉每秒);常用單位為r/min(轉每分)。1 r/s=60 r/min。
(注:r=round 英:圈)
③标量:隻有大小,沒有方向。
④意義:實際中定量描述勻速圓周運動的快慢,轉速高說明運動得快,轉速低說明運動得慢。
⑤質點作勻速圓周運動時,轉速恒定不變。