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高中二~高中三年级 (16-18岁)

高中物理 匀速圆周运动

匀速圆周运动速率恒定,但速度方向一直在变,所以仍有加速度。 这个加速度始终指向圆心,叫向心加速度,用 a = v²/r = rω² 计算。 向心力消失时,物体沿切线飞出做直线运动。 改半径和角速度,速度与向心加速度矢量跟着变。

圆周运动是加速运动!

速率栏里数字相同,只要圆周切线所指的方向变了,速度就已经是另一个矢量。若把它和直线匀速装进同一个袋子,指向圆心的加速度就没有位置,也就没法把拉住卫星的重力、绳子的张力、弯道上地面的摩擦力归成同一类力。有了半径 r 和角速度 ω,线速度是 v = rω,向心加速度是 a = v²/r = rω²,并且和周期 T = 2π/ω 连在同一条线上。需要这些式子,不是为了背字母,而是要把“方向在变就是加速运动”这件事用数字钉住。

🎡 为何匀速却有加速度?
①速率恒定但速度方向不断变化!
②方向变化即速度变化 → 存在加速度
③该加速度始终指向圆心 → 向心加速度
④向心力一断就沿切线直线离开。图只有切向 v
⑤向心力的例子:卫星的重力、绳的张力、弯道的摩擦力

匀速圆周运动可视化

4 m
3 rad/s

画面中央画着圆轨道,绿色的点固定打在圆周上的一个位置。金色箭头从该点沿切线伸出,用 m/s 写下 v;红色箭头指向圆心 O,用 m/s² 写下 a_c;虚线半径上标着以 m 为单位的 r。把半径滑块在 1 m 到 8 m 之间改动,圆的大小和两支箭头的长度会一起变;把角速度滑块在 1 rad/s 到 6 rad/s 之间改动,点的位置不动,只改写 v 和 a_c 的数字。点并不沿圆周挪走,所以你读的是某一瞬间的矢量布置和上面的数。

💡 核心观察
①速度(v)始终切于轨道
②向心加速度(a)始终指向圆心
③r↑或ω↑ → 速度↑、向心加速度↑

匀速圆周运动公式

速率不变,人就容易断定没有加速度。加速度是速度对时间的变化率,速度包含方向,圆周上各点切线方向不同,加速度就已经不是 0。把向心力画在前进方向的同一侧,合力就无法把轨迹维持成圆;力一断,那一瞬的切线就是接下来的直线路径。a = rω² 里 ω 要平方,是因为方向变化变陡时,要用更大的大小来计数。先分清切线还是指向圆心,再代入式子。

向心加速度
a = r = rω²
指向圆心的加速度:v²/r = rω²
线速度
v = rω
v(m/s) = r(m) × ω(rad/s)
周期与频率
T = ω = 2πrv, f = 1T = ω
周期 T 是转一圈的时间。频率 f = 1/T
向心力
F = ma = mr = mrω²
维持圆周运动所需力(指向圆心)

例题演练

例题 1
在半径 2 m 的圆上以线速度 4 m/s 做匀速圆周运动的物体,向心加速度是多少?
1
用向心加速度公式 a = v²/r。
a = v2r
2
代入 v = 4 m/s, r = 2 m。
a = 422 = 8 m/s2
8 m/s²(指向圆心)
向心加速度始终指向圆心。即使速率不变,方向改变也意味着存在加速度。
例题 2
把质量 0.5 kg 的物体系在 1 m 长的绳上,以角速度 2 rad/s 做水平圆周运动,绳的张力是多少?
1
张力充当向心力。F = mrω²。
F = mrω2
2
代入 m = 0.5 kg, r = 1 m, ω = 2 rad/s。
F = 0.5 × 1 × 22 = 2 N
2 N
绳的圆周运动中张力 = 向心力。按已知量选用 F = mrω² 或 mv²/r。

总结

向心加速度
a = r
线速度
v = rω
高考题型
匀速圆周运动中,半径不变而角速度变为 2 倍时,向心加速度变为几倍?
2 倍
4 倍
12
不变
8 倍
② 4 倍
1
向心加速度 a = rω²,与角速度平方成正比。
a = rω2
2
ω 变 2 倍则 ω² 变 4 倍 → a 也变 4 倍。
ω→2ω ⇒ a ∝ (2ω)2 = 4rω2
🎯 考试重点
①匀速圆周:速率恒定·方向变化 → 存在加速度
②a = v²/r = rω²(始终指向圆心)
③F = mv²/r — 失去力则做直线运动
④v = rω, T = 2π/ω, f = 1/T = ω/(2π)
⑤向心力例:重力(卫星)、张力(线上球)、摩擦力(汽车过弯)
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