圆周运动的向心力及其应用
【学习目标】
1、理解向心力的特点及其来源
2、理解匀速圆周运动的条件以及匀速圆周运动和变速圆周运动的区别
3、能够熟练地运用力学的基本方法解决圆周运动问题
5、理解外力所能提供的向心力和做圆周运动所需要的向心力之间的关系，以此为根据理解向心运动和离心运动。
【要点梳理】
要点一、物体做匀速圆周运动的条件
要点诠释：
物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。
说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。
要点二、关于向心力及其来源
1、向心力
要点诠释
（1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力.
（2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。
（3）向心力的大小：
2
2
v
F ma m mr
r
ω===
向向
向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积；
对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方；线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。
如果是匀速圆周运动则有：
22
222
2
4
4
v
F ma m mr mr mr f
r T
π
ωπ=====
向向
（4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。
（5）关于向心力的说明：
①向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力；
②匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小；
③无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。
2、向心力的来源
要点诠释
（1）向心力不是一种特殊的力。重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。
（2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)：
要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别
1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动
要点诠释：
（1）匀速圆周运动的向心力大小不变，由物体所受到的合外力完全提供，换言之也就是说物体受到的合外力完全充当向心力的角色。
例如月球围绕地球做匀速圆周运动，它受到的地球对它的引力就是合外力，这个合外力正好沿着半径指向地心，完全用来提供月球围绕地球做匀速圆周运动的向心力。
（2）在变速圆周运动中，向心力只是物体受到的合外力的沿着半径方向的一个分量。
例如用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，它的受力情况如图所示，物体受到线的拉力F拉和重力mg的作用，其合力分解为两个分量：向心力和切向力。
不难看出：F F mg cos θ=-拉向 θsin mg F =切
向心力改变着速度的方向，产生向心加速度；切向力与线速度的方向相同或者相反，改变着线速度的大小使得物体做变速圆周运动。
2、从圆周运动的规律看匀速圆周运动和变速圆周运动 要点诠释：
（1）匀速圆周运动和变速圆周运动所适用的共同规律
无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动向心加速度的大小总是：22ωr r
v m F a ===向
向（公式中的每一个量都是瞬时量，任何一个时刻或者任何一个位置都可以用公式计算向心加速度。）
换一种说法就是：
在圆周运动中的任何时刻或位置，牛顿运动定律都成立，即22
ωmr r
v m ma F ===向向 例如上面的例子，用一根细线拴一个小球在竖直平面内做变速圆周运动，在图中所示的位置用牛顿第二定律可得：
2
2mv F F mg cos ma m r r θω=-===拉向向
切切ma mg F ==θsin
（2）只适用于匀速圆周运动的计算公式：
2
222
2
222
4m 4m F 44f r T
r f r T
r a ππ
ππ====向向 因为在匀速圆周运动的过程中各个量大小的平均值和瞬时值是相等的；如果将上式用在变速圆周运动中，计算的结果仅是一个意义不大的粗略的平均值。
要点四、圆周运动的实例 1、水平面上的圆周运动 要点诠释：
（1）圆锥摆运动：小球在细线的拉力和重力作用下的在水平面上的匀速圆周运动，如图所示：
①向心力来源：物体重力和线的拉力的合力，沿着水平方向指向圆心。
②力学方程：
2
2
2
2sin
4
sin
sin
tan
T
l
m
l
m
l
v
m
ma
mg
θ
π
θ
ω
θ
θ=
=
=
=
③问题讨论：
a.物体加速度与夹角θ的关系：θ
tan
g
a=，向心加速度越大时，夹角θ越大。
b.角速度与夹角θ的关系：
θ
ω
cos
l
g
=，可见角速度越大时，夹角θ越大。
（2）在水平圆盘上随圆盘一起转动物体
①向心力的来源：
如图，在竖直方向上重力和支持力平衡，物体做圆周运动的向心力由物体所受的静摩擦力提供。
②静摩擦力的方向：
当物体做匀速圆周运动时，这个静摩擦力沿着半径指向圆心；
当做变速圆周运动时，静摩擦力还有一个切线方向的分量存在，用来改变线速度的大小。
③静摩擦力的变化：
当水平圆盘的转速增大时，物体受到的静摩擦力也随之增大，当物体所需要的向心力大于最大静摩擦力时，物体将相对于圆盘滑动，变为滑动摩擦力。
2、竖直平面内的圆周运动
要点诠释：
（1）汽车过拱形桥
在竖直面内的圆周运动中可以分为：匀速圆周运动和变速圆周运动。对于匀速圆周运动处理起来一般比较方便。对于变速圆周运动，定量的计算通常是在圆周的最高点和最低点处用牛顿第二定律。例如：汽车通过半圆的拱形桥，因为桥面对汽车提供的只能是支持力。
O
F
l
m F向O1r
mg
①汽车在点位置Ⅰ最高时，对车由牛顿第二定律得：
R
v m F mg N 2
=-
为了驾驶安全，桥面对车的支持力必须大于零，即0N F > 从而解得车的速度应满足关系v gR <
（如果gR v =
，在不计空气阻力的情况下，车将做平抛运动）
②汽车在位置Ⅱ时有22
N N v v mg F m mg sin F m R R
θ''-=??-=径 又0N F > 解得v gR 'sin <
θ
（2）汽车通过圆弧型的凹处路面
如图在最低点处，对车运用牛顿第二定律得：
r
mv mg F N 2
=-
桥面对车的支持力r
mv mg F N 2
+=
可见，随着车的速度增大，路面对车的支持力变大。
要点五、圆周运动中的超重与失重 1、超重与失重的判断标准 要点诠释：
（1）运动物体的加速度方向向上或者有向上的分量时，物体处于超重状态，物体对水平支持面的压力大于自身的重力。
（2）运动物体的加速度方向向下或者有向下的分量时，物体处于失重状态，物体对水平支持面的压力小于自身的重力。
2、圆周运动中的超重与失重现象
要点诠释：
（1）失重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最高点附近时，向心加速度竖直向下，物体对支持物的压力小于自身重力。
例如在拱形桥顶运动的汽车，由上面计算有R
v m mg F N 2
-=，它对于桥面的压力小于重力。
（2）超重现象：在竖直面上的圆周运动，物体处在圆周的最低点附近时，向心加速度竖直向上，物体对支持物的压力大于自身重力。
例如汽车通过圆弧型的凹处路面在最低点处， 桥面对车的支持力r
mv mg F N 2
+=大于自身重力。
要点五、关于离心现象
1、外力提供的向心力与做圆周运动需要的向心力之间的关系对物体运动的影响 要点诠释：
（1）外力提供的向心力：是某个力、几个力的合力或者是合力在半径方向上的分量，是实实在在的相互作用。
（2）做圆周运动需要的向心力：是指在半径为r 的圆周上以速度v 运动时，必须要这么大的一个力，才能满足速度方向改变的要求。
（3）供需关系对物体运动的影响：
外力提供的向心力等于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做圆周运动；
外力提供的向心力小于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做远离圆心的运动——离心运动
外力提供的向心力大于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做靠近圆心的运动——也可称之为向心运动
2、离心现象及其运用 要点诠释：
（1）被利用的离心现象：
洗衣机甩干衣服：水珠和衣服之间的附着力不足以提供水珠高速转动时需要的向心力，而做离心运动从而脱离衣服，使得衣服变干。
离心沉淀器：悬浊液在试管中高速转动时，密度大于液体密度的小颗粒做离心运动，密度小于液体密度的小颗粒做向心运动，从而使得液体很快被分离。
离心水泵：水在叶轮转动的作用下做离心运动，从而使得水从低处运动到高处，等等。 （2）需要防止的离心现象：
高速转动的砂轮会因为离心运动而破碎，造成事故；
火车或者汽车会因为转弯时的速度过大而出现侧滑、倾翻，造成人员伤亡等。
【典型例题】
类型一、水平面上在静摩擦力作用下的圆周运动
例1、在水平转动的圆盘上距转动中心10cm 处放着一物块，物块随圆盘一起转动。若物块质量，
圆盘转速为s /r 1=n ，求物块与圆盘间的静摩擦力。
【思路点拨】明确向心力的来源，知道向心加速度的大小此题便得到解决。
【解析】由题意可知，物块m做匀速圆周运动，其向心加速度2
2
4n
r
a
n
?
?
=π。
对圆周运动的物块受力分析：该物块除受重力和支持力（一对平衡力）外，还受一个沿圆盘平面的摩擦力，这个摩擦力就是物块受到的合力，也就是它做匀速圆周运动的向心力。所以有
N
n
mr
ma
f
n
394
.0
42
2=
=
=π,摩擦力的方向指向圆心。
【总结升华】静摩擦力提供物块做匀速圆周运动的向心力，方向沿着半径指向圆心，切不可认为与线速度的方向相反。
【变式】(2015 广州十二中学业检测)如图所示，质量相等的a、b两物体放在圆盘上，到圆心的距离之比是2:3，圆盘绕圆心做匀速圆周运动，两物体相对圆盘静止，a、b两物体做圆周运动的向心力之比是（）
A．1:1B．3:2C．2:3D．9:4
【答案】C
【解析】两个物体是同轴转动，因此角速度相等，质量又相等，根据2
F m r
ω
=可知，向心力之比2
3
a a
b b
F r
F r
==。
类型二、汽车转弯问题
例2、（2016 师大附中模拟）近年来我国高速铁路发展迅速，现已知某新型国产机车总质量为m，如图已知两轨间宽度为L，内外轨高度差为h，重力加速度为g，如果机车要进入半径为R的弯道，请问，该弯道处的设计速度最为适宜的是（）
A
22
gRh
L h
-
B
22
gRh
L R
-
C
22
gR L h
h
-
D
gRL
h
【答案】A
【解析】转弯中，当内外轨对车轮均没有侧向压力时，火车的受力如图
由牛顿第二定律得：2
tan v mg m R
θ=，2
2
tan L h
θ=
-
解得2
2
gRh v L h
=
-。
故选A 。
【点评】火车拐弯时以规定速度行驶，此时火车的重力和支持力的合力提供圆周运动所需的向心力，若速度大于规定速度，重力和支持力的合力不够提供，此时外轨对火车有侧压力；若速度小于规定速度，重力和支持力的合力提供偏大，此时内轨对火车有侧压力。解决本题的关键知道火车拐弯时对内外轨均无压力，此时靠重力和支持力的合力提供圆周运动的向心力。 举一反三
【变式】铁路弯道的内外侧铁轨往往不在同一水平面上，质量为M 的火车，以恒定的速率在水平面内沿一段半径为r 的圆弧道转弯，受力如图所示，已知内外铁轨的倾角为α。
（1）车的速率v 0为多大时，使车轮对铁轨的侧压力正好为零? （2）如果火车的实际速率v≠v 0，分析铁轨对车轮的施力情况。 【答案】火车挤压内轨当火车挤压外轨当;v v ;v v grtan v 000<>=
α
类型三、竖直面上的匀速圆周运动
例3、飞行员驾机在竖直平面内做匀速圆环特技飞行，若圆环半径为1000m ，飞行速度为100m/s ，求飞行在最高点和最低点时飞行员对座椅的压力是自身重量的多少倍？（g=10m/s 2
）
【思路点拨】飞机在竖直平面内做匀速圆周运动，分别在最高点和最低点对飞行员应用牛顿第二定律即可求解。
【解析】对飞行员在圆周的最低点处和最高点处分别进行受力分析，如图所示：
由牛顿第二定律得
r
v
m
F
mg
rg
v
mg
F
g
r
v
m
F
r
v
m
mg
F
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
=
+
=
+
=
??
?
?
?
?
+
=
=
-
在最高点时，
那么
则
在最低点时，
1
2
2
2
2
=
-
=
??
?
?
?
?
-
=
rg
v
mg
F
g
r
v
m
F
所以，飞机飞至最低点时，飞行员对座椅的压力是自身重量的两倍，飞至最高点时，飞行员对座椅无压力。
【总结升华】理解运动情景，正确的受力分析是解题的关键。
类型四、动力学综合问题
例4、如图所示，已知绳长=0.2m，水平杆长L=0.1m，小球的质量 m=0.3kg，整个装置可绕竖直轴转动，当该装置以某一角速度转动时，绳子与竖直方向成30°角。
（1）试求该装置转动的角速度； （2）此时绳的张力是多大？
【思路点拨】小球在装置作用下，以竖直轴为圆心做匀速圆周运动，对小球进行受力分析，结合数学知识求出转动半径即可。
【答案】ω= 5.37 rad/s ，F= 3.46 N
【解析】 当整个装置以角速度ω转动时，小球m 将做圆周运动，圆周运动的圆心在竖直轴上，且和m 在同一水平面上。小球m 只受到两个力的作用，重力mg ，及绳子的拉力F ，而这两个力的合力即为小球所受到的向心力F 向。
用正交分解法和公式F 向=ma 向 可得：
2
F sin mr F cos mg θωθ?=?-=
由几何知识可得r L l =+sin θ 把已知数据代入得：
21
0323031001
01022F .r F .r ..ω?
=?-?==+?
解得：ω= 5.37 rad/s ，F= 3.46 N
【总结升华】（1）牛顿第二定律是解圆周运动的重要方法，对做圆周运动的物体进行受力分析就是必不可少的。因此我们在解圆周运动问题时，几乎无一例外地要首先画草图对物体进行受力分析。
（2）在圆周运动中，向心力的方向往往为已知，而这个已知条件在受力分析中充当重要角色。
在解法一中因为知道合外力（向心力）的方向，在正交分解法中才能列出方程0,==y n x F ma F 。 举一反三
【变式】建筑工地上常使用打夯机夯实地基，如图是其结构原理图。长为l 的连杆（质量可忽略）固定在轮盘A 上，轮盘A 和连杆固定在一起绕轴O 旋转，连杆另一端固定一质量为m 的铁块，电动机通过皮带轮带动轮盘A 和连杆，可在竖直平面内做圆周运动。当旋转的角速度达到一定数值，可使质量为M （不包括铁块的质量m ）的打夯机离开地面，然后砸向地面，从而起到夯实地基的作用。试分析连杆转动的最小角速度。
【答案】ml
g
)m M (+=
ω
【解析】当铁块运动到最高点时，受重力mg 和杆的拉力F 1作用，这两个力的合力提供铁块此时做圆周运动所需的向心力。
当铁块的角速度逐渐增大时，所需的向心力增大，将导致拉力F 1的增大。根据牛顿第三定律可知，此时铁块对打夯机向上的拉力21F F =，所以当21F F Mg =>时，打夯机将脱离地面。设为使打夯机脱离开地面连杆转动的最小角速度为ω，由牛顿第二定律：
对M 有 02F Mg -=
对m 有 2
1F mg ml ω+=
因 21F F = 由以上几式解得 ：ml
g
)m M (+=ω
【巩固练习】
一、选择题： 1、（2015 徐州市学业检测）物体做匀速圆周运动时，下列说法中不正确的是（ ） A ．向心力一定指向圆心
B ．向心力一定是物体受到的合外力
C ．向心力的大小一定不变
D ．向心力的方向一定不变
D ．向心力只能改变物体的运动方向，不可能改变运动的快慢
2、用绳拴住一个小球，使其在光滑水平面上做匀速圆周运动，绳子突然断开，那么小球将（ ） A. 沿半径方向远离圆心 B. 沿半径方向接近圆心
C. 做一个半径增大的匀速圆周运动
D. 沿线断时小球所在点的圆弧切线方向做匀速直线运动
3、A 、B 两质点均做匀速圆周运动，m m A B ：：=12，它们做圆周运动的半径R R A B ：：=12，当A 转60转时，B 正好转45转，两质点所受向心力之比为（ ） A. 1：4 B. 4：1 C. 4：9 D. 2：3
4、 在匀速旋转的圆筒内壁上紧贴一个物体，物体随圆筒一起运动时：
ω
(1)它受到的外力是（ ）
A. 重力、弹力、摩擦力
B. 重力、弹力、静摩擦力
C. 重力、弹力、滑动摩擦力
D. 重力、弹力、向心力 (2)物体受到的向心力是（ ）
A. 静摩擦力
B. 滑动摩擦力
C. 重力
D. 弹力 5、（2015 姜堰市模拟）同一辆汽车以同样的速度先后开上平直的桥和凸形桥，在桥的中央处，正确的是（ ）
A ．车对两种桥面的压力一样大
B ．车对平直桥面的压力大
C ．车对凸形桥面的压力大
D ．无法判断 6、（2015 武清区校级学业考试）如图所示，某同学让带有水的伞绕伞柄旋转，可以看到伞面上的水滴沿伞边水平飞出，若不考虑空气阻力，则水滴飞出后的运动是（ ）
A ．匀速直线运动
B ．平抛运动
C ．自由落体运动
D ．圆周运动 7、（2016 衡水市冀州中学模拟）如图所示，一个内壁光滑的圆锥形筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定，有质量相等的小球A 和B 沿着筒的内壁在水平面内作匀速圆周运动，A 的运动半径较大，则下列说法正确的是（ ）
A ．球A 的线速度小于球
B 的线速度 B ．球A 的角速度小于球B 的角速度
C ．球A 的加速度等于球B 的加速度
D ．球A 对筒壁的压力大小等于球B 对筒壁的压力大小
8、A 、B 球之间用线相连，Ｏ为光滑水平桌面上一小铁钉，再用线将Ｏ与B 球相连，当A 、B 两球绕Ｏ点在桌面上以相同的角速度转动时，两线段的拉力T T AB OB ：为（ ）（已知OA OB m m A B ==2，） A. 3：2 B. 2：3 C. 5：3 D. 2：1
二、填空题：
1、一个做匀速圆周运动的物体，若半径保持不变，当它的转速变为原来的4倍时，它的线速度将变为原来的____________倍，它所受向心力将变为原来的__________倍；若线速度保持不变，当角速度变成原来的4倍时，它的轨道半径将变为原来的________倍，它所受的向心力将变为原来的__________倍。
2、如果做匀速圆周运动的物体每秒转速变为原来的2倍时，所需的向心力比原来增大了3N ，则物体原来所需的向心力为__________N 。
三、计算题：
1、洗衣机的甩干桶竖直放置。桶的内径为20cm ，工作时被甩的衣物贴在桶壁上，衣物与桶壁的动摩擦因数为0.025。若不使衣物滑落下去，甩干桶的转速至少多大？
2、小球被绳拉着在水平面内做匀速圆周运动。已知小球质量m ＝0.4kg ，线速度v m s =3/，圆周运动半
径r ＝0.4m ，求绳对小球的拉力。（g m s =102
/）
3、质量为m的飞行员，驾机以一定速率在竖直平面内做匀速圆周运动的特技飞行。当他飞行到最高点时对座椅的压力大小恰好等于自身重力。求他飞到最低点时对座椅的压力。
4、一根劲度系数为k N m
=103/的弹簧，原长l=02.m，一端固定在光滑水平转台的转动轴上，另一端系一个质量m＝2kg的物体，当转台以180r/min的转速转动时，求弹簧伸长了多少？
5、（2016 淮北一中高三上学期第一次段考）如图所示，AB为粗糙水平面，长度AB=5R，其右端与光滑、
半径为R的1
4
圆弧BC平滑相接，C点的切线沿竖直方向，在C点的正上方有一离C点高度也为R的旋
转平台，沿平台直径方向开有两个离轴心距离相等的小孔P、Q，旋转时两孔均能达到C点的正上方。某
时刻，质量为m可视为质点的滑块，与水平地面间的动摩擦因数μ=0.1，当它以
03
v gR
=的速度由A 点开始向B点滑行时：
（1）求滑块通过C点的速度；
（2）若滑块滑过C点后能通过P孔，又恰能从Q孔落下，则平台转动的角速度ω应满足什么条件？
【答案与解析】
一、选择题：
1、D
解析：A、物体做匀速圆周运动，向心力始终指向圆心，大小不变，故A正确；
B、做匀速圆周运动的物体，合外力提供向心力，故B正确；
C、由于是匀速圆周运动，故向心力的大小不变，C正确；
D、匀速圆周运动的物体，向心力方向时刻在变，故D错误。
2、D
解析：绳子突然断开时，向心力完全消失，小球因惯性而做离心运动，即保持沿线断时小球所在点的圆弧切线方向做匀速直线运动，所以选项D正确。
3、C
解析：A、B两质点的角速度之比是3:4
45
:
60
:=
=
B
A
ω
ω，根据2
F mrω
=
向
知道，向心力的大小与质点的质量、半径以及角速度的平方成正比，所以
2
1144
2239
A
B
F
F
??
=??=
?
??
，选项C正确。
4、(1) B (2) D
解析：物体随圆筒一起做匀速圆周运动时，在竖直方向处于平衡状态，物体除了受到竖直向下的重力外，还受到竖直向上的静摩擦力；筒壁对它的水平方向的弹力提供向心力，所以答案为(1) B (2) D。
5、B
解析：设汽车的质量为m，当开上平直桥时，由于做匀速直线运动，故压力等于重力，
1
N mg
=；当汽车以一定的速度通过凸形桥时，受重力和向上的支持力，合力等于向心力，有：
2
2
v
mg N m
r
-=，故2
N mg
<，因此
12
N N
>，由牛顿第三定律知，车受到的支持力与车对桥的压力大小相等，因此B正确。
6、B
解析：水滴在最高处离开三边缘，沿切线方向飞出，飞出以后由于只受重力，所以做平抛运动，故B正确。
7、BCD
解析：如下图所示，小球A和B紧贴着内壁分别在水平面内做匀速圆周运动。由于A和B的质量相同，小球A和B在两处的合力相同，即它们做圆周运动时的向心力是相同的。
由向心力的计算公式
2
v
F m
r
=，由于球A运动的半径大于B球的半径，F和m相同时，半径大的线速度
大，故A错误。
由公式F=mω2r，由于球A运动的半径大于曰球的半径，F和m相同时，半径大的角速度小，所以球A
的角速度小于球B 的角速度，故B 正确。
由F =m a 知，球A 的加速度等于球B 的加速度，故C 正确。根据力图可知，筒壁对A 球的支持力等于筒壁对曰球的支持力，则球A 对筒壁的压力等于球B 对筒壁的压力，故D 正确。故选BCD 。 8、B
解析：A 、B 两球绕Ｏ点在桌面上转动的角速度为ω，分别对A 、B 在水平方向上用牛顿第二定律得：
对A ：2
AB 2ω??=l m T (1)
对B ：2
AB OB ω??=-l m T T ……(2) 将(1)代入(2)式：2
OB 3ml ωT =
所以32OB AB ：
：=T T ，选项B 正确。 二、填空题： 1、4；16；
1
4
；4； 解析：物体做匀速圆周运动半径一定时，根据v r ω=，22n T
π
ωπ=
=有2v r n π=?，所以线速度的大小正比于转速，当转速变为原来的4倍时线速度也变为原来的4倍；向心加速度
22
2224a r r n r n ωππ==?=??（），所以向心加速度正比于转速的平方，因此当转速变为原来的4倍时向
心加速度变为原来的16倍，向心力也变为原来的16倍。
根据v r ω=知线速度大小不变时，角速度的大小与半径成反比，当角速度变成原来的4倍时半径变
为原来的1
4
；根据2v a r =知线速度大小不变时，向心加速度与半径成反比，所以当角速度变成原来的4
倍时向心加速度也变为原来的4倍，向心力也变为原来的4倍。 2、1
解析：设物体原来转速为n ，受到的向心力大小为F N ，由向心力的计算公式得：
()2
22224N F mr mr n r mr n ωππ==?=??
当转速变为原来的2倍时，所需的向心力F N ˊ，则
()2
22222444N N F mr mr n r mr n F ωππ''==??=??=
所以34N N F F +=，解得N F N 1= 三、计算题： 1、420r/min
解析：衣服在桶中的受力如图所示，
若不使衣服滑落下去，则
在竖直方向上有重力和摩擦力平衡，即 0f mg -=
在水平方向上由匀速圆周运动知识有()2
2
2N F mr mr n ωπ==?
摩擦力的大小N F f μ=
联立以上各式得桶的转速为n =
代入数值解得7n r /s =，即n=420r/min 所以甩干桶的转速至少为420r/min 。 2、5N ，绳的拉力方向与竖直方向成37?角
解析：小球受到两个力：重力G 和拉力T 。因为小球做匀速圆周运动，所以这两个力的合力一定指向圆心，就是向心力。这样就可以根据力的合力的知识和向心力公式，求出绳对小球的拉力。
F F mv r N N
T G F N N
F G
合向合合，===?==
+=+==
=
=?22
22
2204304
34353
4
37.().tan θθ
即绳的拉力方向与竖直方向成37?角。
3、3mg
解析：飞机飞至最低点时飞行员受向下的重力mg 和向上的支持力F 1， 由牛顿第二定律得：
mg
f
F N
r
mv mg F 2
1=- 在最高点时，飞行员受向下的重力mg 和F 2的作用，由牛顿第二定律得：
r
mv mg mg F 2
22==+ 可见两个向心力大小相等，即12F mg mg -= 因此飞行员飞到最低点时对座椅的压力mg F 31= 4、0.49m
解析：物体随转台做圆周运动的向心力就是弹簧的弹力，f kx 弹=。设转动时弹簧伸长的长度为x ，则物体的转动半径r l x =+。转速n=180r/min=3r/s 。 根据牛顿第二定律有：2
2
4)(n x l m kx π?+?=
解得：
m .m ...m n k ml n x 4902
31434102023143444223222222=???-????=-=ππ
5、 解析：（1）设滑块至C 点时速度为v C ，由A 点到C 点由动能定理有
22
011522
C mg R mgR mv mv μ-?-=-
代入数据解得C v （2）设滑块到达P 处时速度为v P ，则由动能定理有 22
0115222
P mg R mg R mv mv μ-?-?=
-，滑块穿过P 孔后再回到平台的时间2P v t g =
要想使滑块从Q 孔穿过，需满足ωt=（2n+1）π（n=0，1，2，…）
联立解得ω=
（n=0，1，2，…）
圆周运动与向心力知识点训练 (经典题型) -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
（4 题） （第8题） （第9题） （3题） （第7题） 圆周运动与向心力训练题 1、关于向心力，以下说法中不正确的是（ ） A ．是除物体所受重力、弹力以及摩擦力以外的一种新的力 B ．向心力就是做圆周运动的物体所受的合力 C ．向心力是线速度变化的原因 D ．只要物体受到向心力的作用，物体就做匀速圆周运动 2、如右上图所示，在匀速转动的圆筒内壁上有一物体随圆筒一起转动而未滑动。若圆筒和物体以更大的角速度做匀速转动，下列说法正确的是（ ） A ．物体所受弹力增大，摩擦力也增大 B ．物体所受弹力增大，摩擦力减小 C ．物体所受弹力减小，摩擦力减小 D ．物体所受弹力增大，摩擦力不变 3、如右上图所示，A 、B 、C 三个物体放在旋转圆台上，动摩擦因数均为μ，A 的质量是2m ，B 和C 的质量均为m ，A 、B 离轴为R ，C 离轴为2R 。当圆台旋转时，则 （ ） A ．若A 、 B 、 C 均未滑动，则C 的向心加速度最大 B ．若A 、B 、C 均未滑动，则B 的摩擦力最小 C ．当圆台转速增大时，B 比A 先滑动 D ． 圆台转速增大时，C 比B 先滑动 4、如图所示，一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相同的小球A 和B 紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动。则下列说法正确的是（ ） A ．球A 的线速度必定大于球 B 的线速度 B ．球A 的角速度必定小于球B 的角速度 C ．球A 的运动周期必定小于球B 的运动周期 D ．球A 对筒壁的压力必定大于球B 对筒壁的压力 5、下列关于做匀速圆周运动的物体所受的向心力的说法中，正确的是 ( ) A ．物体除其他的力外还要受到—个向心力的作用 B ．物体所受的合外力提供向心力 C ．向心力是一个恒力 D ．向心力的大小—直在变化 6、下列关于向心力的说法中正确的是 （ ） A ．物体受到向心力的作用才可能做圆周运动 B ．向心力是指向圆心方向的合力，是根据力的作用效果来命名的，但受力分析时应该画出 C ．向心力可以是重力、弹力、摩擦力等各种力的合力，也可以是其中某一种力或某几种力的合力 D ．向心力只改变物体运动的方向，不改变物体运动的快慢 7、如图所示的圆锥摆中，摆球A 在水平面上作匀速圆周运动，关于A 的受力情况，下列说法中正确的是 （ ） A ．摆球A 受重力、拉力和向心力的作用； B ．摆球A 受拉力和向心力的作用； C ．摆球A 受拉力和重力的作用； D ．摆球A 受重力和向心力的作用。 8、如图所示，在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体一起运动，物体所受向心力是 ( ) A ．重力 B ．弹力 C ．静摩擦力 D ．滑动摩擦力
第五章匀速圆周运动 本章学习提要 1．理解物体做圆周运动的原因；理解向心加速度和向心力的概念；知道向心力和哪些因素有关，能计算向心加速度和向心力，从而加深对力和运动状态变化关系的理解。 2．知道圆周运动在解释月球运动、测量分子速度、解决车辆转弯问题等方面的广泛应用。 3．知道离心现象及其应用。 本章由基础型课程中圆周运动的运动学规律，拓展到圆周运动的动力学原因，进一步加深对牛顿运动定律这一普遍规律的理解。同时，通过对圆周运动的探究，感受“以直代曲”的思想方法，通过学习圆周运动的应用，体验物理知识与生产生活的联系，在学习离心力的过程中感悟生活语言和科学概念的区别，学习用科学知识来认识和描述自然现象。 A 向心加速度向心力 一、学习要求 理解向心力，能够计算向心力。理解向心加速度，能用相关公式计算向心加速度，能分析质点在竖直平面内做圆周运动时，恰能经过最高点的受力情况。通过探究向心力与哪些因素有关的实验过程感受科学探究的基本方法，并培养细致严谨的科学作风。 二、要点辨析 1．向心力是变力 向心力是一个矢量，既有大小，也有方向。物体做圆周运动，必须要有向心力不断改变物体的速度方向，而向心力本身也总是指向圆心不断改变方向，因此向心力是变力，而且无论物体做圆周运动的速度大小是否改变，向心力都是变力，只不过当物体做匀速圆周运动时，向心力的大小保持不变。 2．向心力有来源 首先要明白，向心力是以作用效果来命名的，它不是和重力、弹力、摩擦力并列的某种特殊性质的力。因此，任何实际存在的力都可以作为向心力，也就是说重力、弹力、摩擦力都可以作为向心力。提供向心力的物体可以在圆心，例如链球的圆周运动靠位于圆心的运动员以手的控制来实现；也可以不在圆心，例如圆轨道对小车提供向心力，向心力的来源就不在圆心上。还有一个问题，向心力是合力还是分力，这要看具体情况。向心力可以是合力也可以是某个力的分力，在基础型教材中我们只讨论一个为提供向心力的情况，其实多个力提供向心力的例子也很多，例如物体在竖直平面内做网周运动，就涉及一个以上的力提供向心力。当物体做匀速圆周运动时，向心力就是合力；当物体做一般圆周运动时，如果速度大小也发生变化，向心力仅仅是合力的一个分力，另一个分力沿着圆周切线方向，使速度的大小发生变化。 3．向心力不做功 因为向心力指向圆心，与做圆周运动的物体的速度方向总是垂直，它只改变速度的方向，不改变速度的大小，因此，向心力总是不做功。当然，如果做圆周运动的物体的速度大小发
第二单元匀速圆周运动与向心力公式的应用 高考要求：1、知道匀速圆周运动的概念； 2、理解线速度、角速度和周期的概念； 3、理解向心加速度和向心力以及与各物理量间的关系； 4、会用牛顿第二定律求解圆周运动问题。 知识要点： 一、描述匀速圆周运动快慢的物理量 1、线速度： 1）物理意义：描述质点沿圆周运动的快慢。 2）方向：质点在圆弧某点的线速度方向沿圆弧该点的切线方向。 3）大小：v＝s/t，s为质点在t时间内通过的弧长。 2、角速度： 1）物理意义：描述质点绕圆心转动的快慢。 2）大小：ω＝φ/t（rad/s），φ是连接质点和圆心的半径在t时间内转过的角度。 3、周期和频率： 1）周期：做圆周运动的物体运动一周所用的时间做周期。用T表示。 2）频率：做圆周运动的物体单位时间内沿圆周绕圆心转过的圈数，叫做频率，也叫转速。用f表示。 4、线速度、角速度、周期和频率的关系： T＝1/f，ω＝2π/ T＝2πf，v＝2πr/ T＝2πrf＝ωr 注意：T、f、ω三个量中任一个确定，其余两个也就确定了。 5、向心加速度： 1）物理意义：描述线速度方向改变的快慢。 2）大小：a＝v2/r＝ω2r＝4π2f2r＝4π2r/T2＝ωv。 3）方向：总是指向圆心。所以不论a的大小是否变化，它都是个变化的量。 6、解圆周运动的运动学问题关键在于熟练掌握各物理量间的关系。 二、圆周运动中的向心力 1、向心力 1）意义：描述速度方向变化快慢产生原因——向心力。 2）方向：总是指向圆心。 3）大小：F＝ma＝mv2/r＝mω2r＝m4π2f2r＝m 4π2r/T2＝mωv。 4）产生：向心力是效果力，不是性质力。向心力可以由某一个力提供，也可以由几个力的合力提供，要根据物体受力的实际情况判定。 5）求解圆周运动动力学问题关键在于分析清楚向心力的来源，然后灵活列出牛顿第二定律关系式。 2、向心力的特点： 1）匀速圆周运动：向心力为合外力，其大小不变，方向始终与速度方向垂直且指向圆心。 2）变速圆周运动：因速度大小发生变化，其向心力和向心加速度都在变化，其所受的合外力不仅大小随时间改变，方向也不沿半径指向圆心。合外力沿半径方向的分力 提供向心力，使物体产生向心加速度，改变速度的方向，合外力沿轨道方向切线方 向的分力，使物体产生切向加速度，改变速度的大小。 3）当沿半径方向的力F＜mv2/r时，物体做离心运动；
圆周运动与向心力知识点训 练(经典题型) -标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
（4 题） （第8题） （第9题） （3题） （第7 题） 圆周运动与向心力训练题 1、关于向心力，以下说法中不正确的是（ ） A ．是除物体所受重力、弹力以及摩擦力以外的一种新的力 B ．向心力就是做圆周运动的物体所受的合力 C ．向心力是线速度变化的原因 D ．只要物体受到向心力的作用，物体就做匀速圆周运动 2、如右上图所示，在匀速转动的圆筒内壁上有一物体随圆筒一起转动而未滑动。若圆筒和物体以更大的角速度做匀速转动，下列说法正确的是（ ） A ．物体所受弹力增大，摩擦力也增大 B ．物体所受弹力增大，摩擦力减小 C ．物体所受弹力减小，摩擦力减小 D ．物体所受弹力增大，摩擦力不变 3、如右上图所示，A 、B 、C 三个物体放在旋转圆台上，动摩擦因数均为μ，A 的质量是2m ，B 和C 的质量均为m ，A 、B 离轴为R ，C 离轴为2R 。当圆台旋转时，则 （ ） A ．若A 、 B 、 C 均未滑动，则C 的向心加速度最大 B ．若A 、B 、C 均未滑动，则B 的摩擦力最小 C ．当圆台转速增大时，B 比A 先滑动 D ． 圆台转速增大时，C 比B 先滑动 4、如图所示，一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相同的小球A 和B 紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动。则下列说法正确的是（ ） A ．球A 的线速度必定大于球 B 的线速度 B ．球A 的角速度必定小于球B 的角速度 C ．球A 的运动周期必定小于球B 的运动周期 D ．球A 对筒壁的压力必定大于球B 对筒壁的压力 5、下列关于做匀速圆周运动的物体所受的向心力的说法中，正确的是 ( ) A ．物体除其他的力外还要受到—个向心力的作用 B ．物体所受的合外力提供向心力 C ．向心力是一个恒力 D ．向心力的大小—直在变化 6、下列关于向心力的说法中正确的是 （ ） A ．物体受到向心力的作用才可能做圆周运动 B ．向心力是指向圆心方向的合力，是根据力的作用效果来命名的，但受力分析时应该画出 C ．向心力可以是重力、弹力、摩擦力等各种力的合力，也可以是其中某一种力或某几种力的合力 D ．向心力只改变物体运动的方向，不改变物体运动的快慢 7、如图所示的圆锥摆中，摆球A 在水平面上作匀速圆周运动，关于A 的受力情况，下列说法中正确的是 （ ） A ．摆球A 受重力、拉力和向心力的作用； B ．摆球A 受拉力和向心力的作用； C ．摆球A 受拉力和重力的作用； D ．摆球A 受重力和向心力的作用。 8、如图所示，在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体一起运动，物体所受向心力是 ( )
（4题） （第8题） （第9题） （3题） （第7题） 圆周运动与向心力训练题 1、关于向心力，以下说法中不正确的是（ ） A ．是除物体所受重力、弹力以及摩擦力以外的一种新的力 B ．向心力就是做圆周运动的物体所受的合力 C ．向心力是线速度变化的原因 D ．只要物体受到向心力的作用，物体就做匀速圆周运动 2、如右上图所示，在匀速转动的圆筒内壁上有一物体随圆筒一起转动而未滑动。若圆筒和物体以更大的角速度做匀速转动，下列说法正确的是（ ） A ．物体所受弹力增大，摩擦力也增大 B ．物体所受弹力增大，摩擦力减小 C ．物体所受弹力减小，摩擦力减小 D ．物体所受弹力增大，摩擦力不变 3、如右上图所示，A 、B 、C 三个物体放在旋转圆台上，动摩擦因数均为μ，A 的质量是2m ，B 和C 的质量均为m ，A 、B 离轴为R ，C 离轴为2R 。当圆台旋转时，则 （ ） A ．若A 、 B 、 C 均未滑动，则C 的向心加速度最大 B ．若A 、B 、C 均未滑动，则B 的摩擦力最小 C ．当圆台转速增大时，B 比A 先滑动 D ． 圆台转速增大时，C 比B 先滑动 4、如图所示，一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相同的小球A 和B 紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动。则下列说法正确的是（ ） A ．球A 的线速度必定大于球 B 的线速度 B ．球A 的角速度必定小于球B 的角速度 C ．球A 的运动周期必定小于球B 的运动周期 D ．球A 对筒壁的压力必定大于球B 对筒壁的压力 5、下列关于做匀速圆周运动的物体所受的向心力的说法中，正确的是 ( ) A ．物体除其他的力外还要受到—个向心力的作用 B ．物体所受的合外力提供向心力 C ．向心力是一个恒力 D ．向心力的大小—直在变化 6、下列关于向心力的说法中正确的是 （ ） A ．物体受到向心力的作用才可能做圆周运动 B ．向心力是指向圆心方向的合力，是根据力的作用效果来命名的，但受力分析时应该画出 C ．向心力可以是重力、弹力、摩擦力等各种力的合力，也可以是其中某一种力或某几种力的合力 D ．向心力只改变物体运动的方向，不改变物体运动的快慢 7、如图所示的圆锥摆中，摆球A 在水平面上作匀速圆周运动，关于A 的受力情况，下列说法中正确的是 （ ） A ．摆球A 受重力、拉力和向心力的作用； B ．摆球A 受拉力和向心力的作用； C ．摆球A 受拉力和重力的作用； D ．摆球A 受重力和向心力的作用。 8、如图所示，在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体一起运动，物体所受向心力是 ( )
高中物理公式推导二 圆周运动向心加速度的推导 1、作图分析： 如图所示，在0t 、t 时刻的速度位置为： 2、推导过程： 第一，对于匀速圆周运动而言，速度的大小是不发生变化的，变化的只是速度的方向，如图所示，速度方向的变化量为v ，则有：
θθ?=?≈?t v v v 0 第二，根据加速度的定义： t v a ??= 则有： t v t v a n ??=??=θ0 第三，根据圆周运动的相关关系知： R v t =??=θω 是故，圆周运动的向心加速度为： R v a n 2= 第四，圆周运动的向心力的大小为：
R v m ma F n 2== 3、意外收获： 第一，对于圆周运动，我们应该理解速度、角速度、周期之间的关系。具体为： R v = ω T πω2= v R πω2= 第二，我们应该掌握极限的相关知识，合理利用极限来解决相关问题。 第三，如果我们谈论的不是匀速圆周运动，我们同样可以利用此方法进行谈论。对于非匀速圆周运动（或者叫做曲线运动），不仅速度的方向发生了变化，而且速度的大小也发生了变化，所以， 不仅有向心加速度之外，应该也有使物体速度大小变化的加速度。但是，在这种情况下，我们的向心加速度，叫做径向加速度，速度大小变化的加速度，叫做切向加速度。故有：
（1）向心加速度为： R v a n 2= （2）切向加速度为： t v a t ??= （注意：这里的 v ?是指切向速度方向速度的变化量，并不是指 图上的 v ?。） 4、注意事项： 对于匀速圆周运动而言，需要掌握的知识点并不是很多，我们只要能够理解一些物理量之间的基本关系即可。本篇的讨论只为学有余力的高中学生推荐，不过，物理推导讲究的是方法，并不是死记硬背公式，掌握了这一知识点的推导过程对以后了解其他物理知识会有很大的帮助。
【知识点】高中物理圆周运动及向心力知识点总结 一、匀速圆周运动 1.定义：物体的运动轨迹是圆的运动叫做圆周运动，物体运动的线速度大小不变的圆周运动即为匀速圆周运动。 2.特点： ①轨迹是圆； ②线速度、加速度均大小不变，方向不断改变，故属于加速度改变的变速曲线运动，匀速圆周运动的角速度恒定； ③匀速圆周运动发生条件是质点受到大小不变、方向始终与速度方向垂直的合外力； ④匀速圆周运动的运动状态周而复始地出现，匀速圆周运动具有周期性。 3.描述圆周运动的物理量： （1）线速度v是描述质点沿圆周运动快慢的物理量，是矢量； 其方向沿轨迹切线，国际单位制中单位符号是m/s，匀速圆周运动中，v的大小不变，方向却一直在变； （2）角速度ω是描述质点绕圆心转动快慢的物理量，是矢量；国际单位符号是rad／s； （3）周期T是质点沿圆周运动一周所用时间，在国际单位制中单位符号是s； （4）频率f是质点在单位时间内完成一个完整圆周运动的次数，在国际单位制中单位符号是Hz； （5）转速n是质点在单位时间内转过的圈数，单位符号为r/s，以及r/min． 4.各运动参量之间的转换关系： 模型一：共轴传动
模型二:皮带传动 模型三：齿轮传动
二、向心加速度 1.定义：任何做匀速圆周运动的物体的加速度都指向圆心，这个加速度叫向心加速度。注：并不是任何情况下，向心加速度的方向都是指向圆心。 当物体做变速圆周运动时，向心加速度的一个分加速度指向圆心。 2.方向：在匀速圆周运动中，始终指向圆心，始终与线速度的方向垂直。 向心加速度只改变线速度的方向而非大小。 3.意义：描述圆周运动速度方向方向改变快慢的物理量。 4.公式： 5.两个函数图像：
V t ΔV 高中物理公式推导二 圆周运动向心加速度的推导 1、作图分析： 如图所示，在0t 、 t 时刻的速度位置为： 2、推导过程： 第一，对于匀速圆周运动而言，速度的大小是不发生变化的，变化的只是速度的方向，如图所示，速度方向的变化量为 v ，则有： R ? V 0 V 0
θ θ?=?≈?t v v v 0 第二，根据加速度的定义： t v a ??= 则有： t v t v a n ??= ??=θ0 第三，根据圆周运动的相关关系知： R v t = ??=θω 是故，圆周运动的向心加速度为： R v a n 2 = 第四，圆周运动的向心力的大小为：
R v m ma F n 2 == 3、意外收获： 第一，对于圆周运动，我们应该理解速度、角速度、周期之间的关系。具体为： R v =ω T πω2= v R πω2= 第二，我们应该掌握极限的相关知识，合理利用极限来解决相关问题。 第三，如果我们谈论的不是匀速圆周运动，我们同样可以利用此
方法进行谈论。对于非匀速圆周运动（或者叫做曲线运动），不仅速度的方向发生了变化，而且速度的大小也发生了变化，所以， 不仅有向心加速度之外，应该也有使物体速度大小变化的加速度。但是，在这种情况下，我们的向心加速度，叫做径向加速度，速度大小变化的加速度，叫做切向加速度。故有： （1）向心加速度为： R v a n 2 = （2） （3）切向加速度为： t v a t ??= （注意：这里的v ?是指切向速度方向速度的变化量，并不是指 图上的v ?。） 4、注意事项：
匀速圆周运动向心力的教案示例 一、教学目标 1.物理知识方面： （1）理解匀速圆周运动是变速运动； （2）掌握匀速圆周运动的线速度、角速度、周期的物理意义及它们间的数量关系；（3）初步掌握向心力概念及计算公式。 2.通过匀速圆周运动、向心力概念的建立过程，培养学生观察能力、抽象概括和归纳推理能力。 3.渗透科学方法的教育。 二、重点、难点分析 向心力概念的建立及计算公式的得出是教学重点，也是难点。通过生活实例及实验加强感知，突破难点。 三、教具 1.转台、小伞； 2.细绳一端系一个小球（学生两人一组）； 3.向心力演示器。 四、主要教学过程 （一）引入新课 演示：将一粉笔头分别沿竖直向下、水平方向、斜向上抛出，观察运动轨迹。复习提问：粉笔头做直线运动、曲线运动的条件是什么？ 启发学生回答：速度方向与力的方向在同一条直线上，物体做直线运动；不在同一直线上，做曲线运动。 进一步提问：在曲线运动中，有一种特殊的运动形式，物体运动的轨迹是一个圆周或一段圆弧（用单摆演示），称为圆周运动。请同学们列举实例。 （学生举例教师补充） 电扇、风车等转动时，上面各个点运动的轨迹是圆……大到宇宙天体如月球绕地球的运动，小到微观世界电子绕原子核的运动，都可看做圆周运动，它是一种常见的运动形式。提出问题：你在跑400m过弯道时身体为何要向弯道内侧微微倾斜？铁路和高速公路的转弯处以及赛车场的环形车道，为什么路面总是外侧高内侧低？可见，圆周运动知识在实际中是很有用的。 引入：物理中，研究问题的基本方法是从最简单的情况开始。 板书：匀速圆周运动 （二）教学过程设计 思考：什么样的圆周运动最简单？ 引导学生回答：物体运动快慢不变。 板书：1.匀速圆周运动物体在相等的时间里通过的圆弧长相等，
用微积分推导匀速圆周运动向心力公式 已知如图所示，建立如 图所示平面直角坐标系，其中物体做圆周运动的轨迹方程为x 2+y 2=R 2，即圆周半径为R 。设t 为所经历的时间，当t=0时，物体位于坐标（R ，0）点，并且逆时针运动。设匀速圆周运动的速率为v ，设物体质量为m ，受到的向心力为F 。当时间为t 时，物体和圆心的连线与x 轴正方向的夹角为θ，设周期为T ， 则2t T πθ= 在x 轴方向，物体所受的分力为 2cos x t F F T π=- 所以，x 方向的加速度为 2cos x F t a m T π=- 为两边对t 求积分得
2cos 2cos 22cos 22sin 2x x F t v dt m T F t dt m T F T t d t m T T F T t C m T πππππππ= -=- =- ?=-+??? 得其中，C x 与t 无关，由已知条件得，当t=0时，v x =0 代入上式得C x =0 t x 2sin 2x F T t v m T ππ∴=-当时间为时，轴方向的分速度为 在y 轴方向，物体所受到的分力为 2sin y t F F T π= 所以，物体在y 轴方向的加速度为 2sin y F t a m T π= 两边对t 求积分得 2sin 2sin 22sin 22cos 2y F t v dt m T F t dt m T F T t d t m T T F T t C m T πππππππ= = =?=-+??? 其中C 与t 无关，由已知条件得，当t=0时，v y =v 代入上式得
22cos 22y F T C v m FT t FT v v m T m ππππ=+∴=- ++ 22222222 2222sin (cos )4222cos ()222cos 02x y v v v F T t F T t F T v v m T m T m F T t F T v v m T m t T F T v m ππππππππππ=+∴=+-+++=++= 经化简可得 由于为变量 所以只能 222222 22222222,444F T R T m v R F v m m v F R ππππ== = =移项，两边求平方得 v 由于代入得v 化简可得即向心力表达式
匀速圆周运动、向心力 1、匀速圆周运动 2、线速度、角速度、周期和转速、向心加速度 3、向心力：向心力是一个效果力，由沿半径方向的合外力提供，不能在分析物体实际所受的各力之后又加一个向心力。 4、离心现象、近心运动 5、⑴共轴转动：周期相同，角速度相同 ⑵皮带、链条传动：线速度相同 6、匀速圆周运动和非匀速圆周运动 非匀速圆周运动：所受到的合力不指向圆心，合国产生两个作用效果：a、半径方向的分力F n即向心力，它改变速度的方向 b 切线方向的分力F t，它改变速度的大小。 7、圆周运动实例分析 ⑴火车转弯问题 ⑵汽车过桥问题 例1、关于质点做圆周运动，下列说法中正确的是（ ） A．加速度和速度都变化，但物体所受合力不变 B．合外力方向不一定垂直于速度方向，且不一定指向圆心 C．匀速圆周运动是匀变速运动，其加速度恒定不变 D．匀速圆周运动不是匀速运动，合外力方向一定指向圆心 例2、如图所示，A、B两物体作匀速圆周运动时的向心加速度随半径变化的关系图线，其中B图线为双曲线，可得出（ ） A．A物体运动时的线速度大小保持不变 B．A物体运动时的角速度大小保持不变 C．B物体运动时的角速度保持不变 D．B物体运动的线速度随r而改变
例3、如图所示，长为L的细绳一端固定，另一端系一质量为m的小球．给小球一个合适的初速度，小球便可在水平面内做匀速圆周运动，这样就构成了一个圆锥摆，设细绳与竖直方向的夹角为θ．下列说法中正确的是（ ） A．小球受重力、绳的拉力和向心力作用 B．小球做圆周运动的半径为L C．θ越大，小球运动的速度越大 D．θ越大，小球运动的周期越大 例4、如图所示，某游乐场有一水上转台，可在水平面内匀速转动，沿半径方向面对面手拉手坐着甲、乙两个小孩，假设两小孩的质量相等，他们与盘间的动摩擦因数相同，当圆盘转速加快到两小孩刚好还未发生滑动时，某一时刻两小孩突然松手，则两小孩的运动情况是（ ）A．两小孩均沿切线方向滑出后落入水中 B．两小孩均沿半径方向滑出后落入水中 C．两小孩仍随圆盘一起做匀速圆周运动，不会发生滑动而落入水中D．甲仍随圆盘一起做匀速圆周运动，乙发生滑动最终落入水中 例5、如图所示，为一种“滚轮--平盘无极变速器”的示意图，它由固定于主动轴上的平盘和可随从动轴移动的圆柱形滚轮组成．由于摩擦的作用，当平盘转动时，滚轮就会跟随转动．如果认为滚轮不会打滑，那么主动轴转速n1、从动轴转速n2、滚轮半径r以及滚轮中心距离主动轴轴线的距离x之间的关系是（ ）
物理教案－匀速圆周运动的实例分析 教学目标 知识目标 1、进一步理解向心力的概念． 2、理解向心力公式，进一步明确匀速圆周运动的产生条件，掌握向心力公式的应用． 能力目标 1、培养在实际问题中分析向心力来源的能力． 2、培养运用物理知识解决实际问题的能力． 情感目标 1、激发学生学习兴趣，培养学生关心周围事物的习惯． 教学建议 教材分析 教材首先明确提出向心力是按效果命名的力，任何一个力或几个力的合力只要它的作用效果是使物体产生向心加速度，它就是物体所受的向心力，接着详细介绍了火车转弯和汽车过拱桥两个常见的实际问题．后面又附有思考与讨论，开拓学生的思维． 教法建议 1、培养学生分析向心力来源的能力，分析问题时，要首先引导学生对做周围运动的物体进行受力情况分析，并让学生清楚地认识到求出物体沿半径方向受到的合外力，就是提供给物体做圆周运动的向心力． 2、培养学生运用物体知识解决实际问题的能力．通过例题的分析与讨论（结合动画或课件），引导学生从中领悟掌握运用向心力公式的思路和方法．即：第一：根据物体受力情况分析向心力的来源，做匀速圆周运动的物体． 第二：运用向心力公式计算做圆周运动所需的向心力． 第三：由物体实际受到的力提供了它所需要的向心力，列出方程求解． 3、可多举一些实例让学生分析．向心力可由重力、弹力、摩擦力等单独提供，也可由它们的合力提供．
4、在讲述汽车过拱桥的问题时，汽车做的是变速圆周运动，对此要根据牛顿第二定律的瞬时性向学生指出：在变速圆周运动中，物体在各位置受到的向心力分别产生了物体通过各位置的向心加速度，向心力公式仍是适用的．但要注意，对于物体做匀速圆周运动的情况，只有在物体通过最高点和最低点时，向心力才是合外力．同时，还可以向学生指出：此问题中出现的汽车对桥面的压力大于或小于车重的现象，是发生在圆周运动中的超重或失重现象． 教学设计方案 匀速圆周运动的实例分析 教学重点：分析向心力来源． 教学难点：实际问题的处理方法． 主要设计： 一、讨论向心力的来源： 例如：万有引力提供向心力（人造地球卫星）；弹力提供向心力（绳系小球在光滑水平面上的匀速圆周运动）；摩擦力力提供向心力（物价在转盘上随转盘一起转动）；合力提供向心力（圆锥摆等）． 二、讨论火车转弯： （一）展示图片1：火车车轮有凸出的轮缘． （二）展示课件1：外轨作用在火车轮缘上的力F是使火车必须转弯的向心力． （三）展示课件2：外轨高于内轨时重力与支持力的合力是使火车转弯的向心力． （四）讨论：为什么转弯处的半径和火车运行速度有条件限制？ 三、讨论汽车过拱桥： （一）思考：汽车过拱桥时，对桥面的压力与重力谁大？ （二）展示课件3：汽车过拱桥在最高点的受力情况（变变） （三）展示课件4：汽车过凹形桥时低点时的受力情况（变变） （四）总结在圆周运动中的超重、失重情况．
匀速圆周运动 一、圆周运动的基本概念 1. 圆周运动：如果物体的运动轨迹是一个圆，则称物体做圆周运动；生活中手表上秒针尖端的运动、地球绕太阳的运动等都是圆周运动；圆周运动也是一种曲线运动，因此圆周运动也是变速运动；物理学上，描述圆周运动运动快慢的物理量有线速度、角速度、周期、频率、转速： 2.线速度定义：做圆周运动的质点，质点通过的弧长△s 与所用时间△t 的比值叫做线速度，用v 表示，线速度大小计算式为v ＝t s ??，线速度的方向为曲线在该点的切线方向，单位为m/s 。可见，线速度就是我们以前学过的速度，只是为了和角速度相区别而加了个“线”字，叫做线速度而不叫速度。 3.角速度定义：做圆周运动的质点，圆周半径转过的弧度θ?与所用时间?t 的比值叫做角速度，用ω表示，角度的计算式为ω=t ??θ，角速度的方向不是曲线的切线方向，而是和圆周运动的平面互相垂直；角速度的单位为弧度每秒，符号为rad ／s ； 注意：在圆周运动中，线速度和角速度都描述了圆周运动的快慢，两者都是矢量，但线速度的方向时刻变化，角速度的方向不变。 4.周期、频率、转速：做圆周运动的物体运动一周所用的时间叫周期，T 表示，单位：s ；物体ls 内完成圆周运动的圈数叫做频率，f 表示，单位是赫兹，“Hz ”；可见，周期和频率互为倒数；做圆周运动的物体单位时间（单位时间可以是1秒或1分钟或1小时）所转过的圈数叫转速，用n 表示，单位：r/s 或 r/min ，可见当转速以r/s 为单位时，转速和频率在数值上相等。 总结：当线速度、角速度、频率、转速越大时，做圆周运动的物体运动得越快；周期越小时，做圆周运动的物体运动得越快。 二．匀速圆周运动的基本概念 1. 匀速圆周运动概念：质点沿圆周运动，如果在相等的时间里通过的圆弧长度相等（或者在相等的时间里圆周半径转过的弧度相等），这种运动叫做匀速圆周运动，实际上，匀速圆周运动就是线速度大小每时每刻都不变的圆周运动。说明：匀速圆周运动的线速度方向每时每刻都改变，也就是说线速度是时刻变化的，所以匀速圆周仍然是一种变速运动，这里的“匀速”是指速率不变即线速度大小不变；匀速圆周运动的角速度大小和方向都不变，所以匀速圆周运动的角速度是一个恒量，线速度却不是一个恒量。 2. 匀速圆周运动中线速度、角速度、周期、频率的计算式和决定式（注意：决定式可以说成正比成反比， 而定义式却不能说成正比成反比） 计算式：v ＝t s ?? ω=t ??θ 决定式: f=1/T,ω＝2π/T ＝2π·f=2π·n , v=ω·r （r 是匀速圆周运动的半径，可见匀速圆周运动中角速度只跟周期有关，线速度由角速度和半径共同决定） 练习： 1、某做匀速圆周运动的物体，已知它的转速为n=4r/s ，其轨迹圆的半径R=3m ，试求： （1）周期为多少？ （2）角速度为多少？ （3）线速度为多少？
匀速圆周运动向心力的教案 王旭光（雷州市第三中学） 一、教学目标 二、重点、难点分析 向心力概念的建立及计算公式的得出是教学重点，也是难点。通过生活实例及实验加强感知，突破难点。 三、教具 1.转台、小伞； 2.细绳一端系一个小球（学生两人一组）； 3.向心力演示器。 四、主要教学过程 （一）引入新课 演示：将一粉笔头分别沿竖直向下、水平方向、斜向上抛出，观察运动轨迹。复习提问：粉笔头做直线运动、曲线运动的条件是什么？ 启发学生回答：速度方向与力的方向在同一条直线上，物体做直线运动；不在同一直线上，做曲线运动。 进一步提问：在曲线运动中，有一种特殊的运动形式，物体运动的轨迹是一个圆周或一段圆弧（用单摆演示），称为圆周运动。请同学们列举实例。 （学生举例教师补充） 电扇、风车等转动时，上面各个点运动的轨迹是圆……大到宇宙天体如月球绕地球的运动，小到微观世界电子绕原子核的运动，都可看做圆周运动，它是一种常见的运动形式。提出问题：你在跑400m过弯道时身体为何要向弯道内侧微微倾斜？铁路和高速公路的转弯处以及赛车场的环形车道，为什么路面总是外侧高内侧低？可见，圆周运动知识在实际中是很有用的。 引入：物理中，研究问题的基本方法是从最简单的情况开始。 板书：匀速圆周运动 （二）教学过程设计 思考：什么样的圆周运动最简单？ 引导学生回答：物体运动快慢不变。 板书：1.匀速圆周运动物体在相等的时间里通过的圆弧长相等，如机械钟表针尖的运动。思考：匀速周圆运动的一个显著特点是具有周期性。用什么物理量可以描述匀速圆周运动的快慢？
（学生自由发言） 板书：2.描述匀速圆周运动快慢的物理量 （1）线速度：物体通过的圆弧长s与所用时间t的比值。 当t很短，s很短，即为某一时刻的瞬时速度。线速度其实就是物体做圆周运动的瞬时速度。当物体做匀速圆周运动时，各个时刻线速度大小相同，而方向时刻在改变。那么，线速度方向有何特点呢？ 演示：水淋在小伞上，同时摇动转台。观察：水滴沿切线方向飞出。 思考：说明什么？ 师生分析：飞出的水滴在离开伞的瞬间，由于惯性要保持原来的速度方向，因而表明了切线方向即为此时刻线速度的方向。 板书：方向：沿着圆周各点的切线方向。如图3。 （2）角速度：半径转过的角度φ所用时间的比值。如图4。 （3）周期：质点沿圆周运动一周所用的时间。如：地球公转周期约365天，钟表秒针周期60s等，周期长，表示运动慢。 （角速度、周期可由学生自己说出并看书完成） 板书：（师生共同完成）
知识讲解+圆周运动的向心力及其应用
圆周运动的向心力及其应用 【要点梳理】 要点一、物体做匀速圆周运动的条件 物体做匀速圆周运动的条件：具有一定速度的物体，在大小不变且方向总是与速度方向垂直的合外力的作用下做匀速圆周运动。 说明：从物体受到的合外力、初速度以及它们的方向关系上探讨物体的运动情况，是理解运动和力关系的基本方法。 要点二、关于向心力及其来源 1、向心力 （1）向心力的定义：在圆周运动中，物体受到的合力在沿着半径方向上的分量叫做向心力. （2）向心力的作用：是改变线速度的方向产生向心加速度的原因。 （3）向心力的大小： 2 2 v F ma m mr r ω=== 向向 向心力的大小等于物体的质量和向心加速度的乘积； 对于确定的物体，在半径一定的情况下，向心力的大小正比于线速度的平方，也正比于角速度的平方； 线速度一定时，向心力反比于圆周运动的半径；角速度一定时，向心力正比于圆周运动的半径。 如果是匀速圆周运动则有： 22 222 2 4 4 v F ma m mr mr mr f r T π ωπ===== 向向 （4）向心力的方向：与速度方向垂直，沿半径指向圆心。 （5）关于向心力的说明： ①向心力是按效果命名的，它不是某种性质的力； ②匀速圆周运动中的向心力始终垂直于物体运动的速度方向，所以它只能改变物体的速度方向，不能改变速度的大小；
③无论是匀速圆周运动还是变速圆周运动，向心力总是变力，但是在匀速圆周运动中向心力的大小是不变的，仅方向不断变化。 2、向心力的来源 （1）向心力不是一种特殊的力。重力(万有引力)、弹力、摩擦力等每一种力以及这些力的合力或分力都可以作为向心力。 （2）匀速圆周运动的实例及对应的向心力的来源 (如表所示)： 要点三、匀速圆周运动与变速圆周运动的区别 1、从向心力看匀速圆周运动和变速圆周运动
匀速圆周运动公式 1.线速度：v （矢量） 单位：米/秒（m/s ） 公式：v =t s ??=ωr=T r π2=2 f r=2n r （或30 nr π） 2.角速度：ω（矢量） 单位：弧度/秒（rad/s ） 公式：ω=t ??θ=r v =T π2=2 f =2n （或30 n π）(转速n 前者单位为r/s 后者为r/min ） 3.向心加速度：n a （矢量） 单位：米2/秒（m 2/s ） 公式：n a =t v ??=r v 2 =ω2r=224T r π=4π2fr=v ω 4.向心力：n F （矢量） 单位：牛（N ） 公式：n F = m n a =m r v 2 =m ω2r=m 2 24T r π 5.周期:T （标量） 单位：秒（s ） 周期与频率的关系：f T 1= 6.频率：f （标量） 单位：赫兹，简称：赫，符号：Hz 7.转速：n （标量） 单位：转/秒（r/s) 或 转/分（r/min) 与频率的关系：f=n （转速单位为r/s ） 注意：（1）匀速圆周运动的物体的向心力就是物体所受的合外力，总是指向圆心。 （2）卫星绕地球、行星绕太阳作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。 （3）氢原子核外电子绕核作匀速圆周运动的向心力是原子核对核外电子的库仑力。 平抛运动公式
t ?t g v ?=?v ?1.水平分运动： 匀速直线运动 水平位移： x = 0v t 水平分速度：x v = 0v 2.竖直分运动： 初速度为零的匀加速直线运动（即自由落体运动） 竖直位移： y =21g t 2 竖直分速度：y v = g t gy v y 22= 3.合速度： v = y x v v + tan θ =x y v v =0 v gt 4.合位移： 22y x l += tan α= x y =02v gt 即：tan θ=2 tan α 速度方向延长线过水平位移重点x /2 5.飞行时间： g h t 2= 6.水平射程： x =0v t =g h v 20 其中：h 为下落高度 7.速度改变量：任意相等时间间隔内的速度改变量相同，方向恒为竖直向下 l v
高一物理《匀速圆周运动 向心力 向心加速度》 单元测试 时间：70分钟 一、选择题：（不定项选择，每题至少有一个答案是正确的。每题5分，共50分） 1、对于做匀速圆周运动的物体，下列说法正确的是： A.线速度不变 B.角速度不变 C.转速不变 D.周期不变 2、如图所示，小物体A 与圆盘保持相对静止跟着圆盘一起做匀速圆周运动，则A 受力情况是（ ）。 A ．重力、支持力 B ．重力、向心力 C ．重力、支持力、指向圆心的摩擦力 D ．重力、支持力、向心力、摩擦力 3、质量为m 的小球，用长为l 的线悬挂在O 点，在O 点正下方l /2处有一光滑的钉子O /，把小球拉到与O /在同一水平面的位置，摆线被钉子拦住，如图所示，将小球从静止释放，当球第一次通过最低点P 的瞬间： A ．小球速率突然减小 B ．小球角速度突然减小 C ．小球的向心加速度突然减小 D ．摆线上的张力突然减小 4、关于做匀速圆周运动物体的线速度的大小和方向，下列说法中正确的是 A ．大小不变，方向也不变 B ．大小不断改变，方向不变 C ．大小不变，方向不断改变 D ．大小不断改变，方向也不断改变 5、火车轨道在转弯处外轨高于内轨，其高度差由转弯半径与火车速度确定。若在某转弯处规定行驶的速度为v ，则下列说法中正确的是（ ） A 、 当以v 的速度通过此弯路时，火车重力与轨道面支持力的合力提供向心力 B 、 当以v 的速度通过此弯路时，火车重力、轨道面支持力和外轨对轮缘弹力的合力提供向 心力 C 、当速度大于v 时，轮缘挤压外轨
D 、当速度小于v 时，轮缘挤压外轨 6、一个电钟的秒针角速度为 A ．πrad/s B ．2πrad/s C ． 60 π rad/s D ． 30 π rad/s 7、质量为m 的小球在竖直平面内的圆形轨道的内侧运动，经过最高点而不脱离轨道的最小速度是v ，则当小球以2v 的速度经过最高点时，对轨道压力的大小是（ ）。 A ．0 B ．mg C ．3mg D ．5mg 8、用细线拴着一个小球，在光滑水平面上作匀速圆周运动，下列说法正确的是： A 、小球线速度大小一定时，线越长越容易断 B 、小球线速度大小一定时，线越短越容易断 C 、小球角速度一定时，线越长越容易断 D 、小球角速度一定时，线越短越容易断 9、甲、乙、丙三个物体，甲放在广州，乙放在上海，丙放在北京．当它们随地球一起转动时，则 A ．甲的角速度最大、乙的线速度最小 B ．丙的角速度最小、甲的线速度最大 C ．三个物体的角速度、周期和线速度都相等 D ．三个物体的角速度、周期一样，丙的线速度最小 10、如图所示，一圆盘可以绕其竖直轴在水平面内运动，圆盘半径为R ，甲、乙两物体质量分别为M 和m （M ＞m ），它们与圆盘之间的最大静摩擦力均为正压力的μ倍，两物体用长为L 的轻绳连在一起，L ＜R ，如图所示。若将甲物体放在转轴位置上，甲、乙连线正好沿半径方向拉直，要使两物体与圆盘不发生相对滑动，则圆盘旋转的 角速度最大不得超过（ ）（两物体看作质点） A 、 ML g m M )(-μ B 、 mL g m M )(-μ C 、ML g m M )(+μ D 、 mL g m M )(+μ
（4题） （第8题） （第9题） （3题） （第7题） 圆周运动与向心力训练题 1、关于向心力，以下说法中不正确的是（ ） A ．是除物体所受重力、弹力以及摩擦力以外的一种新的力 B ．向心力就是做圆周运动的物体所受的合力 C ．向心力是线速度变化的原因 D ．只要物体受到向心力的作用，物体就做匀速圆周运动 2、如右上图所示，在匀速转动的圆筒内壁上有一物体随圆筒一起转动而未滑动。若圆筒和物体以更大的角速度做匀速转动，下列说法正确的是（ ） A ．物体所受弹力增大，摩擦力也增大 B ．物体所受弹力增大，摩擦力减小 C ．物体所受弹力减小，摩擦力减小 D ．物体所受弹力增大，摩擦力不变 3、如右上图所示，A 、B 、C 三个物体放在旋转圆台上，动摩擦因数均为μ，A 的质量是2m ，B 和C 的质量均为m ，A 、B 离轴为R ，C 离轴为2R 。当圆台旋转时，则 （ ） A ．若A 、 B 、 C 均未滑动，则C 的向心加速度最大 B ．若A 、B 、C 均未滑动，则B 的摩擦力最小 C ．当圆台转速增大时，B 比A 先滑动 D ． 圆台转速增大时，C 比B 先滑动 4、如图所示，一个内壁光滑的圆锥筒的轴线垂直于水平面，圆锥筒固定不动，有两个质量相同的小球A 和B 紧贴着内壁分别在图中所示的水平面内做匀速圆周运动。则下列说法正确的是（ ） A ．球A 的线速度必定大于球 B 的线速度 B ．球A 的角速度必定小于球B 的角速度 C ．球A 的运动周期必定小于球B 的运动周期 D ．球A 对筒壁的压力必定大于球B 对筒壁的压力 5、下列关于做匀速圆周运动的物体所受的向心力的说法中，正确的是 ( ) A ．物体除其他的力外还要受到—个向心力的作用 B ．物体所受的合外力提供向心力 C ．向心力是一个恒力 D ．向心力的大小—直在变化 6、下列关于向心力的说法中正确的是 （ ） A ．物体受到向心力的作用才可能做圆周运动 B ．向心力是指向圆心方向的合力，是根据力的作用效果来命名的，但受力分析时应该画出 C ．向心力可以是重力、弹力、摩擦力等各种力的合力，也可以是其中某一种力或某几种力的合力 D ．向心力只改变物体运动的方向，不改变物体运动的快慢 7、如图所示的圆锥摆中，摆球A 在水平面上作匀速圆周运动，关于A 的受力情况，下列说法中正确的是 （ ） A ．摆球A 受重力、拉力和向心力的作用； B ．摆球A 受拉力和向心力的作用； C ．摆球A 受拉力和重力的作用； D ．摆球A 受重力和向心力的作用。 8、如图所示，在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体一起运动，物体所受向心力是 ( ) A ．重力 B ．弹力 C ．静摩擦力 D ．滑动摩擦力 9、如图所示，一圆盘可绕通过圆盘中心O 且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放置一小木块A ，它随圆盘一起做匀速圆周运动。则关于木块A 的受力，下列说法正确的是 （ ） A ．木块A 受重力、支持力和向心力 B ．木块A 受重力、支持力和静摩擦力，静摩擦力的方向指向圆心 C ．木块A 受重力、支持力和静摩擦力，静摩擦力的方向与木块运动方向相反 D ．木块A 受重力、支持力和静摩擦力，静摩擦力的方向与木块运动方向相同