6.2 向心力-2021-2022学年高一物理精梳细讲 讲义（人教版2019必修第二册）

6.2 向心力 【基础知识讲解】 一、向心力 1.定义:做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向圆心,这个指向圆心的力叫作向心力. 2.作用:改变速度的方向. 3.方向:始终沿着半径指向圆心. 4.向心力是根据力的作用效果命名的,它是由某个力或者几个力的合力提供的. 二、探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 探究方案一 感受向心力 1.实验原理 如图1所示,在绳子的一端拴一个小沙袋(或其他小物体),另一端握在手中.将手举过头顶,使沙袋在水平面内做匀速圆周运动,此时沙袋所受的向心力近似等于手通过绳对沙袋的拉力. 图1 2.实验步骤 (1)在小物体的质量和角速度不变的条件下,改变小物体做圆周运动的半径进行实验,比较向心力与半径的关系. (2)在小物体的质量和做圆周运动的半径不变的条件下,改变小物体的角速度进行实验,比较向心力与角速度的关系. (3)换用不同质量的小物体,在角速度和半径不变的条件下,重复上述操作,比较向心力与质量的关系. 3.实验结论:半径越大,角速度越大,质量越大,向心力越大. 探究方案二 用向心力演示器定量探究 1.实验原理 向心力演示器如图2所示,匀速转动手柄1,可以使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动.皮带分别套在塔轮2和3上的不同圆盘上,可使两个槽内的小球分别以几种不同的角速度做匀速圆周运动.小球做匀速圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供,球对挡板的反作用力,通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒7下降,从而露出标尺8,根据标尺8上露出的红白相间等分标记,可以粗略计算出两个球所受向心力的比值. 图2 2.实验步骤 (1)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上,小球转动半径和转动角速度相同时,探究向心力与小球质量的关系. (2)皮带套在塔轮2、3半径相同的圆盘上,小球转动角速度和质量相同时,探究向心力与转动半径的关系. (3)皮带套在塔轮2、3半径不同的圆盘上,小球质量和转动半径相同时,探究向心力与角速度的关系. 3.实验结论:在半径和角速度一定的情况下,向心力大小与质量成正比. 在质量和角速度一定的情况下,向心力大小与半径成正比. 在质量和半径一定的情况下,向心力大小与角速度的平方成正比. 三、向心力的大小 向心力的大小可以表示为Fn=mω2r或Fn=m. 四、变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点 1.变速圆周运动的合力:变速圆周运动的合力产生两个方向的效果,如图1所示. 图1 (1)跟圆周相切的分力Ft:改变线速度的大小. (2)指向圆心的分力Fn:改变线速度的方向. 2.一般的曲线运动的处理方法 (1)一般的曲线运动:运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动. (2)处理方法:可以把曲线分割为许多很短的小段,质点在每小段的运动都可以看作圆周运动的一部分,分析质点经过曲线上某位置的运动时,可以采用圆周运动的分析方法来处理. 【重点理解1】 1.向心力的大小:Fn=mω2r=m2r. =m 2.向心力的来源分析 在匀速圆周运动中,由合力提供向心力. 3.几种常见的圆周运动向心力的来源 实例分析 图例 向心力来源 在匀速转动的圆筒内壁上,有一物体随圆筒一起转动而未发生滑动 弹力提供向心力 用细绳拴住小球在光滑的水平面内做匀速圆周运动 绳的拉力(弹力)提供向心力 物体随转盘做匀速圆周运动,且物体相对于转盘静止 静摩擦力提供向心力 用细绳拴住小球在竖直平面内做圆周运动,当小球经过最低点时 拉力和重力的合力提供向心力 小球在细绳作用下,在水平面内做匀速圆周运动时 绳的拉力的水平分力(或拉力与重力的合力)提供向心力 【重点理解2】 1.变速圆周运动 (1)受力特点:变速圆周运动中合力不指向圆心,合力F产生改变线速度大小和方向两个作用效果. (2)某一点的向心力仍可用公式Fn=m=mω2r求解. 2.一般的曲线运动 曲线轨迹上每一小段看成圆周运动的一部分,在分析其速度大小与合力关系时,可采用圆周运动的分析方法来处理. (1)合力方向与速度方向夹角为锐角时,力为动力,速率越来越大. (2)合力方向与速度方向夹角为钝角时,力为阻力,速率越来越小. 【例题讲解】 1.下列关于向心力的叙述中,不正确的是( ) A.向心力的方向始终沿着半径指向圆心,所以是一个变力 B.做匀速圆周运动的物体,除了受到别的作用力外,还受到一个向心力的作用 C.向心力只改变物体线速度的方向,不改变物体线速度的大小 D.向心力可以由某个力来提供,也可以由某几个力的合力来提供,或者由某一个力的分力来提供 2.如图所示,汽车在一水平公路上转弯时,汽车的运动可视为匀速圆周运动。下列关于汽车转弯时的说法正确的是( ) A.汽车处于平衡状态 B.汽车的向心力由重力和支持力提供 C.汽车的向心力由摩擦力提供 D.汽车的向心力由支持力提供 3.如图,小明在