高中物理(第四十二講)圓周運動

2021-01-09 跟順哥學物理

跟順哥學物理,今天開始學圓周運動。

物體沿著圓周的運動是一種常見的運動。日常生活中,電風扇工作時葉片上的點,時鐘指尖的尖端,田徑場彎道上賽跑的運動員等,都在做圓周運動。科學研究中,大到地球繞太陽的運動,小到電子繞原子核的運動,也常用圓周運動 的規律來討論。

圓周運動的快慢可以用物體通過的弧長與所用的時間的比值來量度。如下圖:

線速度

物體沿著圓弧由M向N運動,某時刻t經過A點。為了描述物體經過A點附近時運動的快慢,可以取得一段很短的時間△t,物體在這段時間內由A運動到B,通過的弧長為△s,比值△s/△t反應了物體運動的快慢,叫做線速度,用v表示,即:

v=△s/△t

線速度也有平均值何瞬時值之分。如果所取的時間間隔很小,這樣得到的就是瞬時線速度。

還有一點應該注意,當△t足夠小時,圓弧AB幾乎成了直線,弧AB與線段AB幾乎沒有差別,此時,弧長△s也就是物體由A到B的位移△l。因此,這裡的v實際上就是我們直線運動中的瞬時速度,只不過現在用在了圓周運動中。

如果物體沿著圓周運動,並且線速度的大小處處相等,這種運動叫做勻速圓周運動。勻速圓周運動的線速度方向時刻在變化,它仍然是一種變速運動。

物體做圓周運動的快慢還可以用它與圓心連線掃過角度的快慢來描述,如圖:

角速度

物體在△t時間內由A運動到B,半徑OA在這段時間內轉過的角為△θ。它與所用時間的比值描述了物體繞圓周運動的快慢,這個比值叫做角速度。符號ω。

ω=△θ/△t

通過這個公式可以看出,角度的單位是弧度,時間單位是秒,所以角速度的單位是弧度.秒。由於勻速圓周運動是線速度大小不變的運動,物體單位時間通過的弧長相等,所以物體在單位時間的轉過的角也相等。因此可以說,勻速圓周運動是角速度不變的圓周運動。

我們常常用轉速來描述轉動物體上質點做圓周運動的快慢,轉速就是物體在單位時間內轉過的圈數。

線速度的大小描述了做圓周運動的物體通過弧長的快慢,角速度的大小描述了物體與圓心連線掃過角度的快慢。

通過上述角速度公式和線速度公式,我們得出

v=ω*r

這表明,在圓周運動中,線速度的大小等於角速度大小與半徑的乘積。這個公式可以在計算中直接使用。它把角速度和線速度聯繫起來,從一個維度跨度到 另一個維度,公式幫我們解決了大問題。請記住這個公式。

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