游樂場里有各種有趣的游戲項目?？罩酗w椅因其刺激性而深受很多年輕人的喜愛。飛椅與人一起做勻速圓周運動的過程中，受到了哪些力?所受合力的方向有什么特點?
做圓周運動的物體，其運動狀態(tài)在不斷變化，說明物體一定受到了力的作用。那么迫使物體做圓周運動的力的方向有何特點呢?
一個小球在細(xì)線的牽引下，繞光滑桌而上的圖釘做勻速圓周運動(圖6.2-1)。用剪刀將細(xì)線剪斷，規(guī)察小球的運動，你認(rèn)為使小球做到周運動的力指向何方?
忽略小球運動時受到的阻力，在桌面上做勻速圓周運動的小球所受的合力為細(xì)線的拉力，拉力即為使小球做圓周運動的力，根據(jù)拉力的特點可以知道拉力的方向指向圓心。大量實例都表明:做勻速圓周運動的物體所受的合力總指向圓心。這個指向圓心的方就叫作向心力。
對于做勻速圓周運動的物體，物體的速度大小不發(fā)生改變，因此，所受合力只改變速度的方向。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，向心力并不是像重力、彈力、摩擦力那樣作為具有某種性質(zhì)的力來命名的。它是由某個力或者幾個力的合力提供的，是根據(jù)力的作用效果命名的。
例如，地球繞太陽的運動可近似看作勻速圓周運動，太陽對地球的引力提供向心力;在本節(jié)的“問題”所說的空中飛椅項目中，飛椅與人一起做圓周運動的向心力F則是由繩子斜向上方的拉力F和所受重力 G的合力提供的(圖6.2-2)
在物理學(xué)中，認(rèn)識物理量時可以先定性了解，然后再探究不同物理量之間的定量關(guān)系。因此，我們也先通過實驗感受向心力大小與圓周運動的一些運動學(xué)量之間的定性關(guān)系，再通過實驗，進(jìn)一步探究向心力的大小與這些量的定量關(guān)系。
感受向心力如圖6.2-3 所示，在繩子的一端拴一個小沙袋(或其他小物體)，另一端握在手中。將手舉過頭頂，使沙袋在水平面內(nèi)做圓周運動。
此時，沙袋所受的向心力近似等于手通過繩對沙袋的拉力。換用不同質(zhì)量的沙袋，并改變沙袋轉(zhuǎn)動的速度和繩的長度，感受向心力的變化。
因為沙袋還受到重力的作用，手所提供的拉力不完全是向心力。但這個實驗對于體會向心力的大小與哪些量有關(guān)，還是很有意義的。通過上面的實驗可以發(fā)現(xiàn)，做圓周運動的物體所受向心力的大小與哪些因素有關(guān)系?我們還可以利用向心力演示器對此進(jìn)行更深入的定量研究。
探究向心力大小的表達(dá)式向心力演示器如圖6.2-4所示。與速轉(zhuǎn)動手柄1，可以使變速塔勢2和3以及長神4和短槽5隨之勻速轉(zhuǎn)動，槽內(nèi)的小玩也隨著做勻速圓周運動。使小球做勻速圓周運動的向心力由橫臂6的擋板對小球的壓力提供。
球?qū)醢宓姆醋饔昧Γㄟ^橫警的杠桿作用使彈簧測力套筒7下降，從而露出標(biāo)尺8。根據(jù)標(biāo)尺8上露出的紅白相間等分標(biāo)記，可以粗略計算出兩個球所受向心力的比值。
用上面介紹的器材研究向心力大小與物體的質(zhì)量、速度和軌道半徑的關(guān)系時，怎樣才能在改變某個物理量時保持其他物理量不變?精確的實驗表明，向心力的大小可以表示為：
變速圓周運動和一般曲線運動的受力特點
仔細(xì)觀察運動員擲鏈球時的動作，結(jié)合于握繩子使沙袋加速轉(zhuǎn)動的體會，可以發(fā)現(xiàn):我們使沙袋加速轉(zhuǎn)動時,繩子牽引沙袋的方向并不與沙袋運動的方向垂直。也就是說，沙袋加速時，它所受的力并不嚴(yán)格指向運動軌跡的圓心。
圖6.2-5表示做圓周運動的沙袋正在加速轉(zhuǎn)動的情況O是沙袋運動軌跡的圓心，F(xiàn)是繩對沙袋的拉力。根據(jù)F產(chǎn)生的效果，可以把F分解為兩個相互垂直的分力:跟圓周相切的分力Ft和指向圓心的分力Fn。
F1與沙袋運動的速度同向，使沙袋的速度越來越大; Fn指向圓心，提供沙袋做周運動所需的向心力，改變沙袋速度的方向。
當(dāng)物體做圓周運動的線速度逐漸減小時，物體所受合力的方向與速度方向的夾角是大于90 °還是小于90°呢?運動軌跡既不是直線也不是圓周的曲線運動，可以稱為一般的曲線運動。
盡管這時曲線各個位置的彎曲程度不一樣，但在研究時，可以把這條曲線分割為許多很短的小段，質(zhì)點在每小段的運動都可以看作圓周運動的一部分(圖6.2-6)。
這樣，在分析質(zhì)點經(jīng)過曲線上某位置的運動時，就可以采用圓周運動的分析方法來處理了。
1.地球質(zhì)量為 6.0× 1024kg，地球與太陽的距離為15 × 1011m。地球繞太陽的運動可以看作勻速圓周運動，太陽對地球的引力是多少?
2.把一個小球放在玻璃溺斗中，晃動漏斗，可以使小球在短時間內(nèi)沿光滑的漏斗壁在某一水平面內(nèi)做勻速圓周運動(圖6.2-7)。小球的向心力是由什么力提供的?
3.如圖6.2-8所示，一個圓盤在水平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動，角速度是4rad/s。盤面上距圓盤中心0.10 m的位置有一個質(zhì)量為 0.10 kg的小物體在隨圓盤一起做勻速圓周運動(1) 求小物體所受向心力的大小。
(2)關(guān)于小物體所受的向心力，甲、己兩人有不同意見;甲認(rèn)為該向心力等于圓盤對小物體的靜摩擦力，指向圓心;乙認(rèn)為小物體有向前運動的趨勢，靜摩擦力方向和相對運動趨勢方向相反，即向后，而不是和運動方向垂直，因此向心力不可能由靜摩擦力提供。你的意見是什么? 說明理由。
4.如圖6.2-9所示，細(xì)繩的一端固定于點，另一端系一個小球，在點的正下方釘一個釘子A，小球從一定高度擺下。經(jīng)驗告訴我們，當(dāng)細(xì)繩與釘子相碰時，釘子的位置越靠近小球，繩就越容易斷。請解釋這一現(xiàn)象。
5.一輛汽車在水平公路上轉(zhuǎn)彎，港曲線由M向N行駛，速度逐漸減小。圖6.2-10甲、乙、丙、丁分別畫出了汽車轉(zhuǎn)彎時所受合力F的四種方向，你認(rèn)為哪種是正確的? 為什么?

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2 向心力

版本： 人教版 (2019)

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