2.怎样求向心加速度呢?
在解决这个问题之前,让我们先复习一下加速度有关的知识,有利于我们更好的理解此问题。
2.1加速度的概念和物理意义
2.1.1加速度的物理意义:描述速度变化快慢的物理量,
2.1.2加速度的概念
2.1.2.1概念:加速度是速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值;
2.1.2.2公式:a=ΔⅤ/Δt,单位m/s²;
2.1.2.3 ΔⅤ/Δt叫做速度的变化率,也就是说加速度是速度的变化率;
2..1.2.4我们把ΔⅤ定义为速度的变化量,用公式表示为ΔⅤ=Ⅴ2-V1;
谨记:ΔⅤ也是一个矢量,在曲线运动中,要用矢量的减法表示Δv的大小和方向,如下图所示:
如果理解不充分,也可用矢量的平行四边形法则处理,此时ΔⅤ=Ⅴ2+(-V1),如下图所示:
2.2为了求出向心加速度的大小,我们需要定出速度改变得快慢ΔⅤ(即速度的变化量),而这个变化快慢ΔⅤ不仅取决于能把球转得多快(Ⅴ),而且还取决于圆的半径(r)即圆的大小。
2.3无论何种性质的加速度,我们都可以用其定义式来表示,当然向心加速度也是由此,
即a=ΔV/Δt=Ⅴ2-∨1/t2-t1。
2.4仍以旋转小球为例,现将其俯视图表示出下:
2.4.1小球在一个水平圆周上运动,在圆上隔一个很短的时间间隔的两个位置画出速度矢量。随着小球在圆周上逆时针方向运动,速度V1在一个短时间后变为速度V2。我们把这两个矢量画成一样长,用来表示球的速率大小相等。
2.4.2速度的改变量ΔV是相隔给定时间间隔的初速度与末速度之差,
即Δv=V2-v1。换句话说,速度的改变量是一个矢量,把它加到初速度上就给出末速度,即v1+Δv=V2。这两个矢量相加用矢量三角形表示如下图。
2.4.3注意矢量ΔⅤ的方向与哪个速度矢量的方向都不同。如果我们选择两个位置之间的时间间隔非常小,那么速度改变量的方向指向圆心,这就是球的瞬时加速度的方向(加速度a永远和速度改变量ΔV方向相同)。小球被加速朝向圆心。即线中拉力的方向。这与牛顿第二定律的说法一致,加速度在作用于一个物体的净力的方向上。
3现在需要讨论的问题是向心加速度的大小有多大,并与哪些因素有关?
我们仍用上图表示矢量加法的三角形来考察这个问题。有三个效应必须考虑:
3.1.随着小球的速率增大,速度矢量增大,这使Δv变长。图中的三角形变得更大;如下图1与2所示:
3.2球的速率越大,速度矢量的方向改变越快,因为小球到达图中第二个位置更快了。
3.3随着曲线半径减小,速度的变化率增大,因为球的方向改变更快。一条急转弯的曲线(半径小)有更大的速度变化率,而一条平缓的曲线(半径大)的速度变化率小。
3.4前两个效应表明,速度改变率将随小球的速率增大而增大。
这两个效应联合起来,表明向心加速度应当与速率的平方成正比。我们应当乘以速率两次,即a∝Ⅴ²
3.5第三个效应表明,速度改变率与曲线的半径成反比,即a∝1/r
综上:可知向心加速度 a的大小的表示式:a= v²/r,它与速率的平方成正比,与曲线的半径r成反比。向心加速度a的方向永远指向曲线的中心,即速度改变量Δv 的方向。
4在圆上运动的小球在作加速运动时,即使它的速率保持不变,只要改变速度矢量的方向就可以改变速度,这就有一个加速度,是客观事实。
5.我们在日常语言中,用加速度这个术语描述速率的变化,而没有考虑速度方向的变化,这也是许多人抵制这一想法的一个原因。但是,也时刻告诉我们,对于物理学中的有关矢量概念,不仅要看数量变化,而且还要看方向变化了没有,方向变了,矢量也就变了,当然这并不与数量和方向同时变化相矛盾。
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