曲線運動半徑越大,物體可以受到的力包括但不限于重力、彈力、摩擦力等。在曲線運動中,物體運動的速度方向在不斷地變化,因此物體需要受到一個指向軌跡圓弧的圓心(曲線的某一點)的力,這個力可以是上述的任何一種力。
例如,在圓周運動中,物體受到的向心力可以使半徑越大,周期越小。這是因為向心力與向心加速度的關系是 F = ma,其中半徑越大,向心加速度就越小,周期與加速度的關系是 T = 2πr/a,因此半徑越大,周期就越小。
此外,物體在曲線運動中受到的離心力也會隨著半徑的增大而增大。離心力是一種假想的力,它與物體質量以及曲率半徑成正比。離心力的大小取決于物體的質量、曲率半徑以及運動速度等因素。
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題目:一個質量為 m 的小球,在光滑的水平面上以速度 v 勻速運動。現在小球受到一個大小可變的水平外力 F 的作用,使得小球開始做曲線運動。已知小球在運動過程中受到的空氣阻力大小恒為 f,且小球在運動過程中沒有與其他物體發生碰撞或接觸。
(1)當 F 逐漸增大時,小球的運動軌跡是什么?請給出理由。
(2)當 F 逐漸增大到一定程度時,小球的運動半徑會增大。請解釋為什么小球的運動半徑會增大。
(3)如果小球在半徑為 R 的圓周上運動,且已知小球在運動過程中受到的空氣阻力大小恒為 f,求小球在運動過程中所受外力的最小值。
解答:
(1)當 F 逐漸增大時,小球的運動軌跡會從直線運動變為曲線運動。這是因為當 F 增大時,小球的加速度也會增大,而小球的慣性不足以使它立即改變運動狀態,因此它會在一段時間內保持原來的直線運動狀態。然而,隨著 F 的繼續增大,小球的加速度也會繼續增大,最終導致小球無法再維持原來的直線運動狀態,而是開始做曲線運動。
(2)當 F 逐漸增大到一定程度時,小球的運動半徑會增大是因為小球的向心力不斷增大。當 F 增大時,小球的加速度也會增大,這意味著小球的角速度和線速度也在不斷增大。由于小球的角速度和線速度與半徑成正比,因此小球的向心力也會隨著半徑的增大而增大。當向心力大于小球所受的重力和空氣阻力之和時,小球就會做離心運動,即半徑增大的運動。
(3)當小球在半徑為 R 的圓周上運動時,它受到的重力和空氣阻力的大小是恒定的。因此,為了使小球能夠在這個圓周上運動,它所受的外力必須等于向心力。根據向心力公式 F = mV2/R,我們可以得到外力的最小值為:F = mV2/R + f。其中 m 是小球的重量,V 是小球的線速度(即圓周運動的線速度),R 是圓的半徑,f 是空氣阻力的大小。因此,外力的最小值為 mV2/R + f。