[练习]向心加速度公式推导的几种方法

[练习]向心加速度公式推导的几种方法 【字体: A 】 向心加速度公式推导 向心加速度是匀速圆周运动中的教学难点，这是由于学生因长期接受标量运算而产生的思维定势，认为匀速圆周运动中 物体运动速率不变，故其 因此我们在教学中必须强调两点，一的矢量性，速度的方向变化也示速度有变化，故?v?0，另一是速度变化的方向就是加速度的方向。因此在教学中必须说清楚?v的方向。教材中引进了速度三角形的方法，实际上已经考虑到了上述 两点。关于向心加速度公式的推导方法甚多，下面提供几种有别于课本的推导方法，供大家参考。 1 矢量合成法 如图1所示，物体自半径为r的圆周a匀速率运动至b，所经时间为?t，若物体在a、b点的速率为va=vb=v，则其速度 的增量?v=vb-va=vb+(-va)，由平行四边形法则作出其矢量图如图1。由余弦定理可得 可见当θ?0时，α=90?，即?v的方向和vb垂直，由于vb方向为圆周切线方向，故?v的方向指向圆心.因?v的方向 即为加速度的方向，可见匀速圆周运动中加速度的方向指向圆心， 。. . 2 运动合成法 众所周知，物体作圆周运动的条件一是受到一个指向圆心的向心力的作用.另一是有一个初速度.可以设想，若没有初速度则物体将向着圆心方向作匀加速运动.若没有向心力，则物体将沿初速度方向作匀速运动.可见圆周运动应当是沿圆心方向的匀加速直线运动和沿初速度方向的匀速运动的合运动.如图2所示，物体自a至b的运动，可看成先由a以速度v匀速 运动至c，再由c以加速度α匀加速运动至b，由图可知 当?t?o时ac方向的运动可以忽略.故物体只有指向圆心方向的加速度α. 3 位移合成法 如图3所示，设物体自a点经?t沿圆周运动至b，其位移ab可看成是切向位移s1和法向位移s2的矢量和.由以上分析可 知，其法向运动为匀加速 由图知:?acb??adb，故有ac?ab=ab?ad， 4 类比法 设有一位置矢量r绕o点旋转，其矢端由a至b时发生的位移为?s(如图4).若所经时间为?t，则在此段时间内的平均速率显然这个速率描述的是位置矢量矢端的运动速率，当?t趋近于零时，这个平均速率就表示位置矢量的 矢端在某一时刻的即时速率，如果旋转是匀角速的，则其矢端的运动也是匀速率的，易知其速率 (1)式中t为旋转周期.再如图5是一物体由a至b过程中，每转过1/8圆周，速度变化的情况。现将其速度平移至图6中，容易看出图6和图5相类似，所不同的是图5表示的是位置矢量的旋转.，而图6则是速度矢量的旋转，显然加速度 是速度的变化率，即 由图6可知，这个速度变化率其实就是端的旋转速率，其旋转半径就是速率v的大小，故有 比较图5图6可以看出当?t?o时?v的方向和?s的方向相垂直.故加速度的方向和速度方向相垂直. 介绍上述方法目的在于使广大学生对向心加速度这个难点有更深刻的了解，也可以从中得到启迪，对拓宽思路有所裨益.