6.1 圆周运动-2023-2024学年高一元创物理提前学+强基础（人教版2019必修第二册）

2023-2024学年 高一 元创物理 提前学 + 强基础 必修二第六章：圆周运动 第六章 圆周运动 1 圆周运动 核心目标 1. 认识圆周运动、匀速圆周运动的特点，了解描述圆周运动快慢的基本思路，了解转速和周期的意义。 2. 理解线速度、角速度的意义，知道线速度的方向，掌握线速度和角速度的关系，能确定线速度和角速度。 【阅读+理解】----提前学知识要点 在游乐场乘坐摩天轮时，人随摩天轮运动，轨迹为圆周。我们把这类轨迹为圆周或一段圆弧的机械运动称为圆周运动。圆周运动也是一种常见的曲线运动。日常生活中，电风扇工作时叶片上的点、时钟指针的尖端、田径场弯道上赛跑的运动员等，都在做圆周运动。 通过本章的学习，我们将探索圆周运动所遵循的规律，以及这些规律在日常生活和科学技术中的应用。 问题 将自行车后轮架起，转动脚踏板，注意观察：大、小两个齿轮边缘上的点，哪个运动得更快些？同一个齿轮上到转轴的距离不同的点，哪个运动得更快些？ 你能说出判断运动快慢的依据吗？ 1. 线速度 在上面的讨论中，同学们会出现不同的意见。为什么 会有不同意见？因为到目前为止，关于圆周运动的快慢， 还没有大家都认可的描述方法。 在下图中，物体沿圆弧由M 向 N 运动，在某时刻 t 经过 A 点。为了描述物体经过 A 点附近时运动的快慢，可以取一段很短的时间 Δt，物体在这段时间内由 A 运动到B，通过的弧长为 Δs。弧长 Δs 与时间 Δt 之比反映了物体 在 A 点附近运动的快慢，如果 Δt 非常非常小，就可以表示物体在 A 点时运动的快慢，通常把它称为线速度的大小，用符号 v 表示，则有v ＝,线速度的方向为物体做圆周运动时该点的切线方向。 需要说明的是，当 Δt 足够小时，弧 AB 与线段 AB 几乎没有差别，此时，弧长 Δs 也就等于物体由 A 到 B 的位 移 Δl 的大小。因此，这里的线速度实际上就是我们在直线运动中已经学过的瞬时速度，不过现在用来描述圆周运动而已。 如果物体沿着圆周运动，并且线速度的大小处处相等， 这种运动叫作匀速圆周运动。应该注意的是，匀速圆周运动的线速度方向是在时刻变化的， 因此它是一种变速运动，这里的“匀速”是指速率不变。 2. 角速度 自行车前进时，由于链条不可伸长，也不会脱离齿轮打滑（如图），因而大、小齿轮边缘的点在相等时间内通过的弧长是相等的，即线速度大小相等。但同时也可注意到，由于两个齿轮的半径不同，相等时间内它们转过的角度不同。我们引入角速度这个物理量来描述做圆周运动的物体绕圆心转动的快慢。如图所示，物体在 Δt 时间内由 A 运动到 B。半径 OA 在这段时间内转过的角 Δθ 与所用时间 Δt 之比叫作角速度，用符号 ω 表示, ω＝。 角速度的单位由角的单位和时间的单位共同决定。在国际单位制中， 时间的单位是秒，角的单位是弧度，符号是 rad，所以角速度的单位是弧度每秒，符号是rad/s。在运算中，通常把“弧度”或“rad”略去不写，所以角速度的单位可以写为s-1。 由于匀速圆周运动是线速度大小不变的运动，物体在相等时间内通过的弧长相等，所以物体在相等时间内转过的角度也相等。因此可以说，匀速圆周运动是角速度不变的圆周运动。 3. 周期 圆周运动有其特殊性，物体运动一周后又会返回到初始位置，周而复始地运动着。如坐在旋转木马上的小孩运动一周后又回到他开始的位置（如图）。为了描述圆周运动的这种周期性，常常需要周期这个物理量。 做匀速圆周运动的物体，运动一周所用的时间叫作周期，用 T 表示。周期也是常用的物理量，它的单位与时间的单位相同。 技术中常用转速来描述物体做圆周运动的快慢。转速是指物体转动的圈数与所用时间之比，常用符号 n 表示，转速的单位为转每秒（r/s），或转每分（r/min）。r/s 和 r/min都不是国际单位制中的单位，运算时往往要把它们换算成弧度每秒。 4.线速度与角速度的关系 线速度的大小描述了做圆周运动的物体沿着圆弧运动的快慢，角速度的大小描述了物体与圆心连线扫过角度的快慢。它们之间有什么关系呢？ 在上图中，设物体做圆周运动的半径为 r，由 A 运动到 B 的时间为 Δt，AB 弧的弧长为 Δs，AB 弧对应的圆心角为 Δθ。 由于 v＝，ω＝，当 Δθ以弧度为单位时， Δθ＝，由此可得 v＝ωr,这表明，在圆周运动中，线速度的大小等于角速度的大小与半径的乘积。 【例题】一个小孩坐在游乐场的旋转木马上，绕中心轴在水平面内做匀速圆周运动，圆周的半径为4.0m。当他的线速度为2.0m/s时，他做匀速圆周运动的角速度是多少？周期是多少？ 分析 已知小孩做匀速圆周运动的半径和线速度，可以根据线速度、