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第3章圆周运动3.1匀速圆周运动快慢的描述
导入:在我们周围,与圆周运动有关的事物比比皆是。例如,钟表的指针、齿轮,电风扇的叶片等,在转动时,其上的每一点都在做圆周运动。你坐着不动,其实也在随着地球自转做圆周运动。从人们拍摄的星空照片中,你能得到什么启示?
物体在做圆周运动时,会发生一些奇特的现象。例如,在游乐场坐过山车,即使过山车驶过环形轨道顶端时,也没有竖直下掉的感觉;当乘坐的车辆转弯时,你会感觉有侧倾的趋势······。
物体做圆周运动时受力有什么特点?物体做圆周运动有什么规律?这些规律在生活中有哪些应用?本章我们将探究这些内容。
圆周运动是很常见的运动,它有什么特点?我们该如何描述?本节将学习如何用线速度、角速度、周期、频率和转速等物理量来描述匀速圆周运动的快慢。
1线速度
物体在做圆周运动时,可能时快时慢,也可能快慢不变怎样描述物体做圆周运动的快慢呢?仔细观察钟表指针的转动,会发现指针上的每一点经过相等时间各自都会转过相等的弧长。
匀速圆周运动01把在任意相等时间内通过的弧长都相等的圆周运动称为匀速圆周运动(uniformcircularmotion)。匀速圆周运动是一种最简单的圆周运动。
正常工作时,电风扇叶片、光盘(图3-1)、齿轮等上面每一点的运动都可视为匀速圆周运动。
如何描述匀速圆周运动的快慢呢?
如图3-2所示,当自行车车轮匀速转动时,A、B两点在相同时间内绕轴心转过的角度是一样的,但B点通过的弧长比A点通过的弧长更长,通常我们说B点比A点运动得快。
物理学中将做匀速圆周运动的物体通过的弧长s与所用时间t之比称为匀速圆周运动的线速度(linearvelocity)的大小,用符号v表示,即线速度的定义02?线速度是矢量,不仅有大小,而且有方向。
线速度的方向是怎样的呢?
我们知道,做曲线运动的物体在某点的速度方向,是沿曲线在该点的切线方向。因此,圆周运动线速度的方向总是沿圆周的切线方向。?s?t
例如,在高速转动的圆砂轮上打磨金属器件时,产生的火星沿着圆周的切线方向飞出(图3-3);下雨天转动雨伞时,水滴也是沿着圆周的切线方向飞出的。
做匀速圆周运动的物体,其上任意一点的线速度大小不变,但方向却时刻都在变化。例如,图3-2中,当车轮做匀速圆周运动时,A点的线速度大小不变,但随着A点的转动,A点的切线方向发生了改变,因此A点线速度的方向也发生了改变。
角速度
如图3-4所示,在自行车大、小齿轮轮缘上的A、B两点贴上不同颜色的彩纸,当齿轮匀速转动时,在相同时间内,观察到A、B两点的彩纸通过的弧长相等,故这两点的线速度大小相等。
同时我们还发现,B点绕圆心转过的角度比A点的大,通常可以说,小轮转动得快因此,也可以用半径转过的角度φ与所用时间t的比来描述物体转动的快慢(图3-5)。
物理学中,将半径转过的角度φ与所用时间t之比称为匀速圆周运动的角速度(angularvelocity),用符号ω表示,即角速度的定义01?
在国际单位制中,角速度的单位是弧度每秒,符号是rad/s。对某一确定的匀速圆周运动,角速度是不变的。
周期、频率和转速
物体做匀速圆周运动时,总是每隔一段相等的时间就重复原来的运动,我们称这样的运动为周期性运动。在自然界中,除了匀速圆周运动,还有一些运动也是周期性运动,如人的心跳和呼吸、钟摆的摆动、昼夜的更替、潮沙的涨落等。
周期的定义01我们把周期性运动每重复一次所需要的时间称为周期(period),用符号T表示。匀速圆周运动的周期等于物体运动一周所用的时间。
地球自转的周期是一天,而绕太阳公转的周期是一年,我们说地球的自转比公转快;钟表秒针的周期比分针和时针的周期短,我们说秒针比分针和时针转得快(图3-6)。
频率的定义02在物理学中,通常也用频率来描述周期性运动的快慢在一段时间内,运动重复的次数与这段时间之比称为频率(frequency),用符号f表示。
?
在生产生活中,还常用转速来描述匀速圆周运动的快慢。例如,发电机、电动机转动的快慢就是用转速来表示的。转速的定义03转速是物体一段时间内转过的圈数与这段时间之比,用符号n表示,单位是转每秒(r/s)或转每分(r/min)。
当转速n以转每秒为单位时,转速与频率大小相等,即n=f转速也是计算机硬盘(图3-7)和光驱性能的重要指标。你知道现在硬盘和光驱的最大转速是多少吗?
赛跑时如何过弯道?各指针的周期是多少?
线速度、角速度和周期的关系
线速度、角速度和周期都是用来描述匀速圆周运动的物理量。那么,这三个物理量之间有什么关系呢?
如图3-8所示,物体P沿半径为下
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