内容正文:
第六章 圆周运动
3.向心加速度
1.理解向心加速度的概念以及向心加速度的方向。2.掌握向心加速度大小的表达式,并能运用它们求解有关问题。
2
目录
1
课后课时作业
任务
2
任务
如图所示,可认为月球绕地球做匀速圆周运动。月球的运动状态发生变化吗?若发生变化,月球的加速度沿什么方向?若不发生变化,请说明原因。
提示: 月球的速度方向不断发生变化,所以其运动状态发生变化。月球受到的合力提供向心力,方向总是指向圆心,根据牛顿第二定律,月球的加速度也总是指向圆心。
任务1 匀速圆周运动的加速度方向
任务
5
1.向心加速度的定义:物体做匀速圆周运动时的加速度总指向______,我们把它叫作向心加速度。
2.向心加速度的方向:向心加速度的方向总是沿着半径指向______,与该点的线速度方向______。
微点拨:由于匀速圆周运动的向心加速度的方向时刻指向圆心,即加速度发生变化,故匀速圆周运动是变加速曲线运动。
3.向心加速度的作用效果:向心加速度只改变速度的_______,不改变速度的______。
圆心
圆心
垂直
方向
大小
任务
6
判一判
(1)做匀速圆周运动的物体的加速度一定不为0。( )
(2)做匀速圆周运动的物体的加速度总指向圆心。( )
(3)匀速圆周运动是加速度不变的运动。( )
提示: (1)√ (2)√
(3)× 做匀速圆周运动的物体所受合力总是指向圆心,根据牛顿第二定律,加速度也总指向圆心,所以其方向不断变化。
任务
7
牛顿第二定律是矢量方程,不仅适用于直线运动,对曲线运动同样适用。所以可以用牛顿第二定律确定圆周运动加速度的方向(和大小):匀速圆周运动只受向心力,因此加速度的方向指向圆心;变速圆周运动除受向心力外,还受切向力,因此加速度的方向不指向圆心,如图所示。
任务
8
例1 (多选)关于向心加速度,以下说法中正确的是( )
A.向心加速度的方向始终与线速度方向垂直
B.向心加速度只改变线速度的方向,不改变线速度的大小
C.物体做圆周运动时的加速度方向始终指向圆心
D.物体做匀速圆周运动时的加速度方向始终指向圆心
任务
9
解析 向心加速度的方向沿半径指向圆心,线速度方向则沿圆周的切线方向,所以向心加速度的方向始终与线速度方向垂直,只改变线速度的方向,不改变线速度的大小,A、B正确;物体做匀速圆周运动时,只具有向心加速度,加速度方向始终指向圆心,一般情况下,物体做圆周运动时的向心加速度与切向加速度的合加速度的方向不指向圆心,故D正确,C错误。
任务
10
向心加速度的理解
(1)向心加速度只描述线速度方向变化的快慢,沿切线方向的加速度描述线速度大小变化的快慢。
(2)向心加速度的方向始终与线速度方向垂直,且方向在不断改变。
任务
11
[跟进训练1] (2024·福建省宁德市高一下期末)做匀速圆周运动的物体,不变的物理量是( )
A.线速度 B.向心力
C.向心加速度 D.周期
解析:匀速圆周运动的线速度大小不变,方向沿圆周的切线方向,向心力和向心加速度大小不变,方向沿半径指向圆心,三者都时刻发生变化,故A、B、C错误;做匀速圆周运动的周期不变,故D正确。
任务
12
物块所受合力F在水平面上做直线运动,如图甲所示,物块的加速度如何求?若已知图乙中小球做匀速圆周运动的半径r和角速度ω,小球做匀速圆周运动的向心力大小是多少?其加速度大小如何求?
任务2 匀速圆周运动的加速度大小
任务
13
根据牛顿第二定律和向心力表达式,可得出向心加速度的大小an=_______或an=__________。
ω2r
任务
14
(1)如图,甲、乙两车在水平地面上匀速过圆弧形弯道(从1位置至2位置)。若两车速率相等,则甲、乙两辆车向心加速度大小关系如何?
任务
15
任务
16
任务
17
(2)向心加速度与半径的关系
①当线速度一定时,向心加速度与运动半径成反比,如图甲所示。
②当角速度一定时,向心加速度与运动半径成正比,如图乙所示。
由anr图像可以看出:向心加速度an与r是成正比还是反比,要看ω恒定还是v恒定。
深化思考:若运动半径r一定,向心加速度an与线速度v和角速度ω有什么关系?
任务
18
2.用运动学的方法推导向心加速度的方向和大小
(1)Δv的方向:如图所示,质点做匀速圆周运动从A点运动到B点,用下图体现时间逐渐减小到趋于零时Δv与线速度的关系。
结论:Δt趋于零时,Δv垂直于此时的线速度,即Δv指向圆心。
任务
19
任务
20
例2 (多选)竖直平面内有一半径为0.5 m的光滑圆环,质量为0.5 kg的小球(视为质点)套在圆环上,当圆环以一定的角速度绕过圆环的竖直直径的转轴OO′匀速转动时,小球相对圆环静止,此时小球与圆环圆心的连线与竖直方向的夹角为37°,取重力加速度大小g=10 m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,下列说法正确的是( )
A.圆环对小球的弹力大小为5 N
B.小球随圆环旋转的角速度为5 rad/s
C.小球运动的线速度大小为1.5 m/s
D.小球的向心加速度大小为10 m/s2
任务
21
任务
22
任务
23
答案 0.24 m/s2 0.04 m/s2
任务
24
任务
25
任务
26
[跟进训练2] (多选)如图所示为学员驾驶汽车在水平面上绕O点做匀速圆周运动的俯视图。已知质量为60 kg的学员在A点位置,质量为70 kg的教练员在B点位置,A点的转弯半径为5.0 m,B点的转弯半径为4.0 m,则学员和教练员(均可视为质点)( )
A.线速度大小之比为5∶4
B.周期之比为5∶4
C.向心加速度大小之比为4∶5
D.受到的合力大小之比为15∶14
任务
27
任务
28
课后课时作业
知识点一 向心加速度的理解
1.(多选)下列关于向心加速度的说法中正确的是( )
A.向心加速度的方向始终指向圆心
B.向心加速度的方向保持不变
C.向心加速度与向心力、质量遵从牛顿第二定律
D.在变速圆周运动中,向心加速度的方向不指向圆心
解析:向心加速度与向心力、质量遵从牛顿第二定律,无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动,向心加速度的方向时刻指向圆心,A、C正确,B、D错误。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
2.甲、乙、丙、丁四球做匀速圆周运动,甲、乙两球向心加速度a随运动半径r变化如图1所示,丙、丁两球向心加速度a随运动半径r变化如图2所示(同一图线上各点的横纵坐标乘积相同),下列说法中正确的是( )
A.随运动半径r的变化,甲、乙两球角速度也发生变化
B.随运动半径r的变化,甲、乙两球角速度不变,且ω甲<ω乙
C.随运动半径r的变化,丙、丁两球线速度也发生变化
D.随运动半径r的变化,丙、丁两球线速度不变,且v丙<v丁
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
知识点二 向心加速度的计算
3.在做甩手动作的物理原理课题研究中,采用手机的加速度传感器测定手的向心加速度。某次一高一同学先用刻度尺测量手臂长如图所示,然后伸直手臂,以肩为轴从水平位置自然下摆。当手臂摆到竖直方向时,手握住的手机显示手的向心加速度大小约为6 m/s2,由此可估算手臂摆到竖直位置时手的线速度大小约为( )
A.0.2 m/s B.2 m/s
C.20 m/s D.200 m/s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
4.如图所示是中国航天员科研训练中心的载人离心机,该离心机臂长8 m。某次训练中质量为70 kg的航天员进入臂架末端的吊舱中呈仰卧姿态,航天员可视为质点,重力加速度g取10 m/s2。当离心机以恒定角速度3 rad/s在水平面内旋转时,下列说法正确的是( )
A.航天员始终处于完全失重状态
B.航天员运动的线速度大小为24 m/s
C.航天员做匀速圆周运动需要的向心加速度为8.2g
D.座椅对航天员的作用力大小为5040 N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
6.运用纳米技术能够制造出超微电机,英国的一家超微研究所宣称其制造的超微电机转子的半径只有30 μm,转速高达2000 r/min,试估算位于转子边缘的一个质量为10×10-26 kg的原子的向心加速度大小。(保留两位有效数字)
答案:1.3 m/s2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
知识点三 传动问题中向心加速度的比较
7.(2024·天津市部分区高一下期末)转篮球是现在中学生喜爱的一项娱乐项目。如图所示,某同学让篮球在他的手指正上方匀速转动,下列说法正确的是( )
A.篮球上各点做圆周运动的圆心均在球心处
B.篮球上各点做圆周运动的线速度相同
C.篮球上各点做圆周运动的角速度不相等
D.篮球上各点离转轴越近,做圆周运动的向心加速度越小
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
解析:篮球上各点做圆周运动的圆心在指尖位置的竖直轴上,故A错误;篮球上各点做圆周运动的角速度相同,但做圆周运动的半径r并不全都相同,由v=ωr可知,做圆周运动的线速度不同,B、C错误;由向心加速度公式a=ω2r可知,篮球上各点离转轴越近,做圆周运动的半径就越小,做圆周运动的向心加速度越小,故D正确。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
8.如图甲,修正带通过两个齿轮的相互啮合进行工作,其原理可简化为图乙所示。若齿轮匀速转动,大齿轮内部的A点以及齿轮边缘上B、C两点到各自转轴间的距离分别为rA=R、rB=2R、rC=3R,则( )
A.ωB∶ωC=2∶3
B.vA∶vC=1∶1
C.TA∶TC=3∶2
D.aB∶aC=3∶2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
9.如图所示,自行车的大齿轮与小齿轮通过链条相连,而后轮与小齿轮是绕共同的轴转动的。设大齿轮、小齿轮和后轮的半径分别为RA、RB和RC,其半径之比为RA∶RB∶RC=3∶1∶6,在它们的边缘分别取一点A、B、C。将自行车后轮架起,匀速踩动脚踏板,下列说法正确的是( )
A.A、B、C线速度大小之比为1∶1∶2
B.A、B、C角速度之比为3∶1∶1
C.A、B、C转速之比为3∶2∶1
D.A、B、C向心加速度大小之比为1∶3∶18
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
解析:根据题意可知,A、B为链条传动,则线速度大小相等,B、C为同轴转动,则角速度相等,即vA=vB,ωB=ωC,由公式v=ωr可知,vB∶vC=RB∶RC=1∶6,ωA∶ωB=RB∶RA=1∶3,即A、B、C线速度大小之比为vA∶vB∶vC=1∶1∶6,角速度之比为ωA∶ωB∶ωC=1∶3∶3,故A、B错误;由公式ω=2πn可知,A、B、C转速之比为nA∶nB∶nC=ωA∶ωB∶ωC=1∶3∶3,故C错误;由公式a=vω可知,A、B、C向心加速度大小之比为aA∶aB∶aC=vAωA∶vBωB∶vCωC=1∶3∶18,故D正确。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
10.(2024·河南省新乡市高一下期末)某物体做匀速圆周运动的向心加速度大小恒定,则下列关于该物体的角速度—半径(ωr)、角速度的平方—半径(ω2r)、线速度—半径(vr)、周期的平方—半径(T2r)的图像可能正确的是( )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
12.如图所示,“旋转秋千”中的两个座椅A、B质量相等,通过相同长度的缆绳悬挂在旋转圆盘上。不考虑空气阻力的影响,当旋转圆盘绕竖直中心轴匀速转动时,下列说法正确的是( )
A.A的线速度比B的大
B.悬挂A、B的缆绳与竖直方向的夹角相等
C.悬挂A的缆绳所受的拉力比悬挂B的小
D.A与B的向心加速度大小相等
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
课后课时作业
R
提示:根据牛顿第二定律,a甲=eq \f(F,m)。小球做匀速圆周运动的向心力大小Fn=mω2r,根据牛顿第二定律,其加速度大小a乙=eq \f(Fn,m)=ω2r。
eq \f(v2,r)
提示:由题图可知,甲车的轨迹半径小于乙车的轨迹半径,而两车的速率相等,根据an=eq \f(v2,r)可得,甲车的向心加速度大小大于乙车的向心加速度大小。
提示:由于秋千做变速圆周运动,合力既有指向圆心的分力,又有沿切向的分力,所以当秋千向下荡时,合力不指向悬挂点,加速度不指向悬挂点。向心加速度公式an=eq \f(v2,r)=ω2r仍然适用。
(2)荡秋千是小朋友很喜欢的游戏,当秋千向下荡时,加速度指向悬挂点吗?运动过程中,向心加速度公式an=eq \f(v2,r)=ω2r还适用吗?
1.向心加速度的大小
(1)根据牛顿第二定律和向心力公式,可以得出向心加速度的几种表达式:an=eq \f(Fn,m)=eq \f(v2,r)=ω2r=eq \f(4π2,T2)r=4π2n2r=ωv。
(v2,r)INCLUDEPICTURE "F:\\待考\\338物理(必修第二册导学案(人教\\第六章 圆周运动\\特别提醒灰.TIF" \* MERGEFORMATINET
①an==ω2r=ωv适用于所有圆周运动向心加速度的计算,对于变速圆周运动,an与v、ω具有瞬时对应性。
②an=eq \f(4π2,T2)r=4π2n2r只适用于匀速圆周运动。
提示:根据an=eq \f(v2,r)=ω2r可知,若运动半径r一定,向心加速度an与v2成正比,与ω2成正比。
(2)向心加速度的方向:由于Δv指向圆心,由加速度定义a=eq \f(Δv,Δt)可知,加速度总是与Δv的方向一致,故向心加速度方向指向圆心。
(3)向心加速度的大小:先作出做匀速圆周运动的物体的速度情况如图甲所示,再作出速度与速度改变量的关系图如图乙所示。
由于A点的速度vA方向垂直于半径r,B点的速度vB方向垂直于另一条半径r,所以∠AOB=∠CBD,故等腰△AOB和△CBD相似,根据对应边成比例可得:eq \f(r,vA)=eq \f(AB,Δv),由于时间Δt很短,故弦长AB近似等于弧长eq \o(AB,\s\up18(︵)),而弧长eq \o(AB,\s\up18(︵))=vA·Δt,所以eq \f(r,vA)=eq \f(vA·Δt,Δv),又an=eq \f(Δv,Δt),故an=2,A)eq \f(v,r)
。由于v=ωr,代入an=2,A)eq \f(v,r)
可得an=ω2r。
解析 小球在水平面内做匀速圆周运动,由重力和圆环对其弹力的合力提供向心力,令圆环对小球的弹力为N,对小球进行受力分析,由平行四边形定则,解得圆环对小球的弹力大小为N=eq \f(\a\vs4\al(mg),cos37°)=6.25 N,故A错误;小球做圆周运动的向心力为Fn=mgtan37°,又由Fn=mω2r,r=Rsin37°,可得Fn=mω2Rsin37°,解得小球随圆环旋转的角速度为ω=5 rad/s,故B正确;根据v=ωr,解得小球运动的线速度大小为v=1.5 m/s,故C正确;根据an=ω2r,解得小球的向心加速度大小为an=7.5 m/s2,故D错误。
求向心加速度的两种角度
(1)动力学角度:an=eq \f(Fn,m)。
(2)运动学角度:an=eq \f(v2,r)=ω2r=eq \f(4π2,T2)r=4π2n2r。
例3 如图所示,压路机大轮的半径R是小轮半径r的2倍。压路机匀速行驶时,以压路机车架为参考系,大轮边缘上A点的向心加速度是12 cm/s2,那么小轮边缘上B点的向心加速度大小是多少?大轮上距轴心距离为eq \f(R,3)的C点的向心加速度大小是多少?
解析 设B点、C点的向心加速度大小分别是aB、aC,大轮边缘上A点的线速度大小与小轮边缘上B点的线速度大小相等,设为v。则有aA=eq \f(v2,R)和aB=eq \f(v2,r)
得aB=eq \f(R,r)aA=24 cm/s2=0.24 m/s2
C点和A点同在大轮上,角速度相等,设为ω。则有aA=ω2R和aC=ω2·eq \f(R,3)
得aC=eq \f(aA,3)=4 cm/s2=0.04 m/s2。
传动问题中比较向心加速度大小时公式的选用
(1)皮带传动问题,两轮边缘线速度大小相等,常选择公式an=eq \f(v2,r)。
(2)同轴转动问题,各点角速度相等,常选择公式an=ω2r。
Word
解析:学员和教练员一起做圆周运动的角速度相等,半径之比为rA∶rB=5∶4,根据v=ωr知,学员和教练员的线速度大小之比为vA∶vB=rA∶rB=5∶4,A正确;根据T=eq \f(2π,ω)可知,学员和教练员的周期相等,B错误;根据an=ω2r可知,学员和教练员的向心加速度大小之比为aA∶aB=rA∶rB=5∶4,C错误;学员和教练员的质量之比为mA∶mB=6∶7,由牛顿第二定律可知F=ma,则学员和教练员受到的合力大小之比为FA∶FB=mAaA∶mBaB=15∶14,D正确。
解析:由题图1可知,甲、乙两球的向心加速度与运动半径成正比,根据a=ω2r,可知甲、乙两球角速度不变,且甲球图线的斜率更大,则甲球的角速度更大,即ω甲>ω乙,故A、B错误;由题图2可知,丙、丁两球的向心加速度与运动半径成反比,根据a=eq \f(v2,r),可知丙、丁两球线速度大小不变,且在r相同的情况下,丙球的向心加速度更小,故丙球的线速度更小,即v丙<v丁,故C错误,D正确。
解析:手握住手机转动时,由图可读出该同学手臂长度即手机转动半径r=64.8 cm=0.648 m,根据向心加速度an=eq \f(v2,r),代入数据得此时手的线速度大小v=eq \r(anr)=eq \r(6×0.648) m/s≈2 m/s,B正确。
解析:航天员竖直方向加速度为0,不是处于完全失重状态,故A错误;航天员运动的线速度大小为v=ωr=3×8 m/s=24 m/s,故B正确;航天员做匀速圆周运动需要的向心加速度为a=ω2r=32×8 m/s2=72 m/s2=7.2g,故C错误;对航天员受力分析可知,座椅对航天员作用力的竖直分量与航天员的重力平衡,水平分量提供航天员做圆周运动的向心力,由平行四边形定则可得座椅对航天员的作用力大小为F=eq \r((mg)2+(ma)2)=eq \r(7002+50402) N>5040 N,故D错误。
5.如图所示,操场跑道的弯道部分是半圆形,最内圈的半径大约是32 m。一位质量约为50 kg的同学沿最内圈跑过一侧弯道的时间约为12 s,该过程可视为匀速圆周运动。则该同学沿弯道跑步时( )
A.线速度大小约为2.67 m/s
B.角速度大小约为eq \f(π,12) rad/s
C.向心加速度大小约为eq \f(π2,4) m/s2
D.向心力大小约为500 N
解析:该同学沿弯道跑步时线速度大小约为v=eq \f(πr,t)=eq \f(3.14×32,12) m/s=8.37 m/s,故A错误;由题知该同学绕圆心转过的角度θ=π,则该同学角速度大小约为ω=eq \f(θ,t)=eq \f(π,12) rad/s,故B正确;该同学向心加速度大小约为an=ω2r=eq \f(2π2,9) m/s2,故C错误;该同学向心力大小约为Fn=man=eq \f(100π2,9) N=109.7 N,故D错误。
解析:由题意知,转子转动的角速度为
ω=2πn=2π·eq \f(2000,60) rad/s=eq \f(200π,3) rad/s
因原子位于转子边缘,两者角速度相同,则原子的向心加速度an=ω2r=eq \f((200×3.14)2,9)×30×10-6 m/s2=1.3 m/s2。
解析:由图乙可知,B、C通过齿轮传动,边缘点的线速度相等,即vB=vC,根据v=ωr,可知ωB∶ωC=rC∶rB=3∶2,故A错误;A、C为同轴转动,角速度相等,即ωA=ωC,由v=ωr可得vA∶vC=rA∶rC=1∶3,故B错误;同轴转动时,周期相等,则TA∶TC=1∶1,故C错误;由向心加速度an=eq \f(v2,r),可得aB∶aC=rC∶rB=3∶2,故D正确。
解析:根据a=ω2r可得ω=eq \r(\f(a,r))和ω2=eq \f(a,r),则ωr图像和ω2r图像均不是直线,A、B错误;根据a=eq \f(v2,r)可得v=eq \r(ar),则vr图像不是直线,C错误;根据a=eq \f(4π2,T2)r可得T2=eq \f(4π2,a)·r,则T2r图像是过原点的直线,D正确。
11.甲同学在周五离校时,看到乙同学的家长用某型号汽车接其回家,甲同学观察该汽车的后雨刮器,如图1所示。设雨刮器摆臂可视为绕O点旋转的折杆OAB,如图2所示,OA长为a、AB长为3a,∠OAB=120°,AB部分装有胶条,雨刮器工作时胶条紧贴后窗平面可视为匀速转动(可能用到的数学公式:若三角形中角α两邻边长度为x、y,则其对边长度l=eq \r(x2+y2-2xycosα))。雨刮器工作时,下列说法正确的是( )
A.A、B两点线速度大小之比为1∶4
B.A、B角速度之比为1∶3
C.A、B加速度大小之比为1∶eq \r(13)
D.B点加速度方向沿着AB指向A
解析:A、B两点同轴转动,故ωA=ωB,B错误;由几何关系可得B点做匀速圆周运动的半径为rOB=eq \r(a2+(3a)2-2×3a2cos120°)=eq \r(13)a,由v=ωr可得A、B两点线速度大小之比为eq \f(vA,vB)=eq \f(rOA,rOB)=eq \f(1,\r(13)),由向心加速度公式an=ω2r可得A、B加速度大小之比为eq \f(aA,aB)=eq \f(rOA,rOB)=eq \f(1,\r(13)),故A错误,C正确;B点加速度方向沿着OB指向O,故D错误。
解析:由于两座椅是同轴转动,故角速度相等,设为ω,对任一座椅分析,设座椅悬挂点距转轴的距离为r0,缆绳长l,座椅旋转时缆绳与竖直方向的夹角为θ,对座椅,由牛顿第二定律有mgtanθ=mω2r,根据几何关系知运动半径r=r0+lsinθ,联立可得gtanθ=ω2(r0+lsinθ),变形得eq \f(\a\vs4\al(g),ω2)=eq \f(r0,tanθ)+lcosθ,由题图知r0A<r0B,则θA<θB,B错误;根据r=r0+lsinθ,则rA<rB,由v=ωr可知,A的线速度比B的小,故A错误;缆绳对座椅的拉力FT=eq \f(\a\vs4\al(mg),cosθ),悬挂A的缆绳与竖直方向的夹角较小,所受的拉力较小,故C正确;根据an=ω2r,因为A、B的角速度相等,而A的运动半径较小,则A的向心加速度较小,故D错误。
$$