向心加速度公式的幾種推論
一、運用速率增量法推論
如圖,表示速率(率)v作勻速圓周運動的物體,在時間Δt內由A點運動到B點。在這運動過程中,因為Δt特別小,可以看成是過A點切線方向速率為v的勻速直線運動和在AO方向初速率為零的勻加速直線運動的合運動。
物體過A點沿切線方向的速率為v,在AO方向上的初速率
v=0,當經過很短時間Δt內,物體由A點運動到B點,線速率
大小仍是v,但方向改變了向心加速度公式,因為方向的改變,使物體在AO方向獲得了分速率vt=vsin?。這時物體在AO方向速率的增量應是:ΔV=Vt-v0=vsin?。在這段時間內,物體沿切線方向勻速運動走過的距離可看成是由E到B,即EB=V·Δt
由此得到:
又按照加速度的定義式可得:
二、運用位移合成法推論
1、如圖(1)表示以速度v作勻速圓周運動的物體經
過很短時間Δt,由A點運動到B點,
于是有錯誤!未指定書簽。AB=VΔt
當Δt小到某種程度,即AB弦與AB弧幾乎重合,則有:AB弦
=AB弧=vΔt
假如物體坐落A點時,力的作用消失,則物體將沿切線方向作勻速運動,在Δt時間內經過位移vΔt。但實際上物體在Δt時間內沿圓周運動到了B點,這是因為物體還遭到向心力的作用,加速離開了切線,其位移為AF,它和過A點切線方向的位移vΔt合成上去,使物體由A聯通到B。因為時間Δt很短,向心力可近似看成在過A點的直徑方向,從圖中可以看出:
因為:ΔABC∽ΔABF
AF所以AB?ABAC
于是AF?將式代入此式并注意AC=2R
2VAF??t所以2R上式中v、R都是常量,此時表明位移AF與時間Δt的平方成反比,符合勻加速直線運動的規律。與初速率為零的勻加速直線運動的位移公式
2S?1at2相比較,可得出勻速圓周運動的向心加速度公式
v2a?R為:
2、圖(2)表示物體以速度v作勻速圓周運動的情形,在很短時間Δt內由A點運動到B點,與上題思索方式不同的是,如今把該運動過程看成是同時參與兩個分運動的合運動。一個是沿切線方向上的勻速直線運動,其速率就是v,在時間Δt內物體由A點運動到C點,則
?t①AC?v·另一個是在向心力作用下沿半徑BD方向做初速率為零,加速度為a的勻加速運動向心加速度公式,在相同的時間Δt
內,物體由C運動到B,
21CB?a?t2則
由幾何學中圓外同一點所做切割線與切線的關系得:
2v2?t2?2R1a?t2將兩式代入式得:
通分后得:
a?v2R這就是向心加速度。
三、運用速率位移公式法推論
如圖表示以速度v做勻速圓周運動的物體,在極短時間Δt內由A點聯通到B點。在這段運動過程中,仍看成是過A
點沿切線方向速率為v的勻速直線運動和在AO方向初速率為零的勻加速直線運動的合運動,與上述方式二、1不同的是在AO方向
2的加速運動,可應用速率與位移的關系式:vt?2aAE
則
a?
從右示圖中可看出:
AE?ABsin?2
?AB?而
所以AE?
而由上述“速度增量推法一”知:vt?vsin?所以