
1.匀速圆周运动向心加速度的推导
匀速圆周运动中的向心加速度公式an=v^2/r=w^2*r=vw。下面对该公式进行推导。
如上图所示,假设经过很短△t,速度变化如上图所示,
△v=v*θ(当θ很小时,弦长无限接近于弧长)
或者,△v=2v*sin(θ/2)=2v*(θ/2)=v*θ(当θ很小时,sinθ无限接近于θ,另外,当θ很小时,tanθ也无限接近于θ,下文会用到。)
另一方面,由线速度定义可知,r*θ=v*△t,从而得到θ= v*△t/r。
根据加速度定义,a=△v/△t=v*θ/△t= (v* v*△t/r)/△t=v^2/r。
根据线速度与角速度关系v=w*r,推导得到:an=v^2/r=w^2*r=vw。
2.静摩擦力提供向心力方向的判别
如下图,一小木块在圆盘上随着圆盘一起做顺时针匀速圆周运动,问小木块受到的摩擦力方向如何?
解:小木块与圆盘之间无相对运动,故小木块受到的摩擦力为静摩擦力,且该静摩擦力刚好提供小木块随圆盘一起匀速圆周运动的向心力,故指向圆心。
但是,有学生提出这样的疑问:
假设圆盘突然变成光滑的,那么小木块应该沿着切线飞出,根据静摩擦力与运动趋势相反,那么小木块应该受到沿切线与速度反向的静摩擦力。
问题出在哪里?
我们重新回顾一下,摩擦力的方向:摩擦力总是阻碍相对运动或相对运动趋势,即摩擦力的方向与相对运动或相对运动趋势相反。关键点在两个字:相对!注意,摩擦力不是与运动或运动趋势相反,上面例子中,小木块沿切线飞出是运动趋势,不是相对运动趋势。
我们再仔细回想一下,这里的相对究竟是相对谁,即以什么为参考系?
以上图这个简单的例子作一说明,木块B向右运动,问木块A受到的摩擦力方向,显然木块A受到向右的摩擦力,为何?因为木块A相对木块B向左运动。
因此,研究一个受力物体受到摩擦力方向的时候,是以施力物体为参考系的,受力物体相对施力物体向左或有向左运动的趋势,则受力物体受到的摩擦力向右。
再回到上面圆盘的例子,取俯视图分析,以圆盘为参考系,木块相对圆盘的运动方向。
如上图所示,当木块在A位置时,圆盘突然变成光滑的,则假设经过很短的时间△t,木块从位置A运动到位置B,而圆盘转动从位置A到位置a,且线段AB长度等于弧长Aa,设为L。则∠AOa=L/OA,tan∠AOB=L/OA,当时间很短角度很小时,由tan∠AOB=∠AOB,所以∠AOB=L/OA,从而得到∠AOa=∠AOB,即OaB在一条直线上,从而得到木块相对圆盘的运动方向为a指向B,即沿半径远离圆心,从而根据摩擦力方向与相对运动趋势相反,得到摩擦力方向指向圆心。
