勻速圓周運動

勻速圓周運動

質點沿圓周運動,如果在任意相等的時間裡通過的圓弧長度都相等,這種運動就叫做“勻速圓周運動”(uniform circular motion)。勻速圓周運動是圓周運動中,最常見和最簡單的運動(因為速度是矢量,所以勻速圓周運動實際上是指勻速率圓周運動)。

基本信息

定義

勻速圓周運動 勻速圓周運動

質點沿圓周運動, 如果在任意相等的時間裡通過的圓弧長度都相等,這種運動就叫做“勻速圓周運動”,亦稱“勻速率圓周運動”。因為物體作圓周運動時速率不變,但速度方向隨時發生變化。所以勻速圓周運動的線速度是每時每刻都在發生變化的。

運動條件

做勻速圓周運動的充要條件是:

具有初速度(初速度不為零)

始終受到大小不變,方向垂直於速度方向,且在速度方向同一側的合外力。

1.

具有初速度(初速度不為零)

2.

始終受到大小不變,方向垂直於速度方向,且在速度方向同一側的合外力。

公式解析

計算公式

1、v(線速度)=ΔS/Δt=2πr/T=ωr=2πrn (S代表弧長,t代表時間,r代表半徑,n代表轉速)

2、ω(角速度)=Δθ/Δt=2π/T=2πn (θ表示角度或者弧度)

3、T(周期)=2πr/v=2π/ω=1/n

4、n(轉速)=1/T=v/2πr=ω/2π

5、Fn(向心力)=mrω^2=mv^2/r=mr4π^2/T^2=mr4π^2n^2

6、an(向心加速度)=rω^2=v^2/r=r4π^2/T^2=r4π^2n^2

7、vmin=√gr (過最高點時的條件)

勻速圓周運動 勻速圓周運動

8、fmin (過最高點時的對桿的壓力)=mg- (有桿支撐)

勻速圓周運動 勻速圓周運動

9、fmax (過最低點時的對桿的拉力)=mg+ (有桿)

向心力公式的推導

設一質點在A處的運動速度為Va,在運動很短時間⊿t後,到達B點,設此時的速度為Vb
由於受向心力的作用而獲得了一個指向圓心
速度Δv,在Δv與Va的共同作用下而運動到B點,達到Vb的速度
則矢量Va+矢量Δv=矢量Vb,矢量Δv=矢量Vb-矢量Va
用幾何的方法可以得到Va與Vb的夾角等於OA與OB的夾角,當⊿t非常小時
Δv/v=s/r(說明:由於質點做勻速圓周運動,所以Va=Vb=v,s表示弧長,r表示半徑)
所以Δv=sv/r
Δv/Δt=s/Δt * v/r,其中Δv/Δt表示向心加速度a,s/Δt 表示線速度
所以a=v^2/r=rω^2=r4π^2/T^2=r4π^2n^2
F(向心力)=ma=mv^2/r=mrω^2=mr4π^2/T^2

物理介紹

描述勻速圓周運動快慢的物理量:

線速度 v

①意義:描述質點沿圓弧運動的快慢的物理量,線速度越大,質點沿圓弧運動越快。

②定義:線速度的大小等於質點通過的弧長s與所用時間t的比值。

③單位:m/s。

④矢量:方向在圓周各點的切線方向上。

⑤就是物體做勻速圓周運動的瞬時速度。

⑥質點做勻速圓周運動時,線速度大小不變,但方向時刻在改變,故其線速度不是

恆矢量。

⑦邊緣相連線的物體,線速度相同。

角速度 ω

① 定義:連線質點和圓心的半徑(動半徑)轉過的角度跟所用時間的比值,叫做勻速圓周運動的角速度。

②單位:rad/s(弧度每秒)。

③矢量(中學階段不討論,用<安培右手定則>可判斷方向,例如:當其在水平面上順時針轉動時角速度方向豎直向下)。

④質點做勻速圓周運動時,角速度ω恆定不變。

⑤同一物體上任意兩點,除鏇轉中心外,角速度相同。

周期 T

①定義:做勻速圓周運動的物體運動一周所用的時間叫做周期。

②單位:s(秒)。

③標量:只有大小,沒有方向。

④意義:定量描述勻速圓周運動的快慢。半徑相等時,周期長說明運動得慢,周期短說明運動得快。

⑤質點做勻速圓周運動時,周期恆定不變。

頻率 f

①定義:周期的倒數(每秒內完成周期性運動的次數)叫頻率。

②單位:Hz(赫)。

③標量:只有大小,沒有方向。

④意義:定量描述勻速圓周運動的快慢,頻率高說明運動得快,頻率低說明運動得慢。

⑤質點做勻速圓周運動時,頻率恆定不變。

轉速 n

①定義:做勻速圓周運動的質點每秒轉過的圈數。

②單位:在國際單位制中為r/s(轉每秒);常用單位為r/min(轉每分)。1 r/s=60 r/min。

(註:r=round 英:圈)

③標量:只有大小,沒有方向。

④意義:實際中定量描述勻速圓周運動的快慢,轉速高說明運動得快,轉速低說明運動得慢。

⑤質點作勻速圓周運動時,轉速恆定不變。

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