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第3讲 圆周运动
一、匀速圆周运动及描述
1.匀速圆周运动
(1)定义:做圆周运动的物体,若在任意相等的时间内通过的圆弧长相等,那么物体所做的就是匀速圆周运动.
(2)特点:加速度大小不变,方向始终指向圆心,是变加速运动.
(3)条件:合外力大小不变、方向始终与速度方向垂直且指向圆心.
2.描述匀速圆周运动的物理量
定义、意义
公式、单位
线速度
描述做圆周运动的物体运动快慢的物理量(v)
(1)v=eq \f(Δs,Δt)=eq \f(2πr,T)
(2)单位:m/s
角速度
描述物体绕圆心转动快慢的物理量(ω)
(1)ω=eq \f(Δθ,Δt)=eq \f(2π,T)
(2)单位:rad/s
周期
物体沿圆周运动一圈的时间(T)
(1)T=eq \f(2πr,v)=eq \f(2π,ω),单位:s
(2)频率f=eq \f(1,T),单位:Hz
向心加速度
(1)描述速度方向变化快慢的物理量(an)
(2)方向指向圆心
(1)an=eq \f(v2,r)=rω2
(2)单位:m/s2
自测1 (多选)一质点做匀速圆周运动,其线速度大小为4 m/s,转动周期为2 s,则( )
A.角速度为0.5 rad/s B.转速为0.5 r/s
C.轨迹半径为eq \f(4,π) m D.加速度大小为4π m/s2
答案 BCD
二、匀速圆周运动的向心力
1.作用效果
向心力产生向心加速度,只改变速度的方向,不改变速度的大小.
2.大小
F=meq \f(v2,r)=mrω2=meq \f(4π2,T2)r=mωv=4π2mf2r.
3.方向
始终沿半径方向指向圆心,时刻在改变,即向心力是一个变力.
4.来源
向心力可以由一个力提供,也可以由几个力的合力提供,还可以由一个力的分力提供.
自测2 (多选)下列关于做匀速圆周运动的物体所受向心力的说法正确的是( )
A.因向心力总是沿半径指向圆心,且大小不变,故向心力是一个恒力
B.因向心力指向圆心,且与线速度方向垂直,所以它不能改变线速度的大小
C.向心力就是物体所受的合外力
D.向心力和向心加速度的方向都是不变的
答案 BC
三、离心运动和近心运动
1.离心运动定义:做圆周运动的物体,在所受合外力突然消失或不足以提供圆周运动所需向心力的情况下,就做逐渐远离圆心的运动.
图1
2.受力特点(如图1)
(1)当F=mrω2时,物体做匀速圆周运动;
(2)当F=0时,物体沿切线方向飞出;
(3)当Fmrω2时,物体逐渐远离圆心;
(4)当Fmrω2时,物体逐渐向圆心靠近,做近心运动.
3.本质:离心运动的本质并不是受到离心力的作用,而是所受的力小于做匀速圆周运动需要的向心力.
命题点一 圆周运动的运动学问题
1.对公式v=ωr的理解
当r一定时,v与ω成正比.
当ω一定时,v与r成正比.
当v一定时,ω与r成反比.
2.对an=eq \f(v2,r)=ω2r的理解
在v一定时,an与r成反比;在ω一定时,an与r成正比.
3.常见的传动方式及特点
(1)皮带传动:如图2甲、乙所示,皮带与两轮之间无相对滑动时,两轮边缘线速度大小相等,即vA=vB.
图2
(2)摩擦传动和齿轮传动:如图3甲、乙所示,两轮边缘接触,接触点无打滑现象时,两轮边缘线速度大小相等,即vA=vB.
图3
(3)同轴转动:如图4甲、乙所示,绕同一转轴转动的物体,角速度相同,ωA=ωB,由v=ωr知v与r成正比.
图4
例1 (多选)(2018·江苏单科·6)火车以60 m/s的速率转过一段弯道,某乘客发现放在桌面上的指南针在10 s内匀速转过了约10°.在此10 s时间内,火车( )
A.运动路程为600 m B.加速度为零
C.角速度约为1 rad/s D.转弯半径约为3.4 km
答案 AD
解析 由s=vt知,火车运动路程为s=600 m,A对;火车在弯道做圆周运动,故加速度不为零,B错;由10 s内转过10°知,角速度ω=eq \f(\f(10°,360°)×2π,10) rad/s=eq \f(π,180) rad/s≈0.017 rad/s,C错;由v=rω知,火车转弯半径r=eq \f(v,ω)=eq \f(60,\f(π,180)) m≈3.4 km,D对.
变式1 (多选)自行车的大齿轮、小齿轮、后轮的半径不一样,它们的边缘有三个点A、B、C,如图5所示.正常骑行自行车时,下列说法正确的是( )
图5
A.A、B两点的线速度大小相等,角速度大小也相等
B.B、C两点的角速度大小相等,周期也相等
C.A点的向心加速度小于B点的向心加速度
D.B点的向心加速度大于C点的向心加速度
答案 BC
解析 设A、B、C三点到各自轴心的距离分别为RA、RB、RC,由题图可知RCRARB.A、
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