圆周运动加速度矢量表达式

圆周运动加速度的矢量法推导
作者：董雯雯李江林
来源：《新教育时代·教师版》2016年第23期
摘要：对圆周运动的加速度进行推导，以期帮助广大学生对此有深入的理解。

关键词：圆周运动；加速度
一、加速度的概念
瞬时速度的引入是为了精细地反映物体的运动情况，而为了描述速度变化的快慢和方向，物理学中提出了加速度的概念。

设某物体在 t时刻的速度为 v
2.非匀速圆周运动
小球沿圆周做非匀速运动，顾名思义即速度的大小发生变化且速度的方向也发生变化，可以做出非匀速圆周运动的速度矢量图，如图 2。

三、结论
文章对圆周运动从匀速圆周运动和非匀速圆周运动的加速度进行推导。

对匀速圆周运动通过矢量分析，得出向心加速度的大小与运动速率有关，方向始终指向圆心。

对非匀速圆周运动，主要运用极限思想和数学思想，得出非匀速圆周运动的加速度是由切向加速度和法向加速度合成，切向加速度反映速度大小改变的快慢，而法向加速度表示速度方向改变的快慢。

第一章 质点运动学和牛顿运动定律平均速度 v =t△△r1.2 瞬时速度 v=lim△t →△t △r =dtdr速度v=dtds==→→lim lim△t 0△t △t△r 平均加速度a =△t△v瞬时加速度（加速度）a=lim△t →△t △v =dtdv瞬时加速度a=dt dv =22dtrd匀速直线运动质点坐标x=x 0+vt 变速运动速度 v=v 0+at变速运动质点坐标x=x 0+v 0t+21at 2 速度随坐标变化公式:v 2-v 02=2a(x-x 0) 自由落体运动 竖直上抛运动抛体运动速度分量⎩⎨⎧-==gt a v v av v yx sin cos 00抛体运动距离分量⎪⎩⎪⎨⎧-•=•=20021sin cos gt t a v y t a v x射程 X=g av 2sin 2射高Y=gav 22sin 20飞行时间y=xtga —ggx 2轨迹方程y=xtga —av gx 2202cos 2向心加速度 a=Rv 2圆周运动加速度等于切向加速度与法向加速度矢量和a=a t +a n加速度数值 a=22n t a a +法向加速度和匀速圆周运动的向心加速度相同a n =Rv 2切向加速度只改变速度的大小a t =dtdvωΦR dtd R dt ds v ===角速度 dtφωd =角加速度 22dt dtd d φωα== 角加速度a 与线加速度a n 、a t 间的关系a n =222)(ωωR RR R v == a t =αωR dtd R dt dv == 牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。

牛顿第二定律：物体受到外力作用时，所获得的加速度a 的大小与外力F 的大小成正比，与物体的质量m 成反比；加速度的方向与外力的方向相同。

1.37 F=ma牛顿第三定律：若物体A 以力F 1作用与物体B ，则同时物体B 必以力F 2作用与物体A ；这两个力的大小相等、方向相反，而且沿同一直线。

物理公式大全——大学物理篇第一章 质点运动学和牛顿运动定律1.1平均速度 v =t△△r1.2 瞬时速度 v=lim 0△t →△t △r =dt dr1. 3速度v=dtds==→→lim lim△t 0△t △t△r 1.6 平均加速度a =△t△v1.7瞬时加速度（加速度）a=lim 0△t →△t △v =dt dv1.8瞬时加速度a=dt dv =22dt rd1.11匀速直线运动质点坐标x=x 0+vt 1.12变速运动速度 v=v 0+at 1.13变速运动质点坐标x=x 0+v 0t+21at 21.14速度随坐标变化公式:v 2-v 02=2a(x-x 0)1.15自由落体运动 1.16竖直上抛运动⎪⎩⎪⎨⎧===gy v at y gtv 22122 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=-=gyv v gt t v y gt v v 221202200 1.17 抛体运动速度分量⎩⎨⎧-==gt a v v av v yx sin cos 001.18 抛体运动距离分量⎪⎩⎪⎨⎧-•=•=20021sin cos gt t a v y t a v x1.19射程 X=g av 2sin 21.20射高Y=gav 22sin 201.21飞行时间y=xtga —g gx 21.22轨迹方程y=xtga —av gx 2202cos 21.23向心加速度 a=Rv 21.24圆周运动加速度等于切向加速度与法向加速度矢量和a=a t +a n1.25 加速度数值 a=22n t a a +1.26 法向加速度和匀速圆周运动的向心加速度相同a n =Rv 21.27切向加速度只改变速度的大小a t =dtdv1.28 ωΦR dtd R dt ds v ===1.29角速度 dtφωd =1.30角加速度 22dt dtd d φωα== 1.31角加速度a 与线加速度a n 、a t 间的关系a n =222)(ωωR R R R v == a t =αωR dtd R dt dv ==牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。

大学物理所有公式文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）大物一刚体mvR R p L =•=圆周运动角动量 R 为半径mvd d p L =•= 非圆周运动，d 为参考点o 到p 点的垂直距离 φsin mvr L = 同上φsin Fr Fd M == F 对参考点的力矩 F r M •= 力矩 dtdLM =作用在质点上的合外力矩等于质点角动量的时间变化率 ⎪⎭⎪⎬⎫==常矢量L dt dL 0如果对于某一固定参考点，质点（系）所受的外力矩的矢量和为零，则此质点对于该参考点的角动量保持不变。

质点系的角动量守恒定律 ∑∆=ii i r m I 2 刚体对给定转轴的转动惯量αI M = （刚体的合外力矩）刚体在外力矩M 的作用下所获得的角加速度a 与外合力矩的大小成正比，并于转动惯量I 成反比；这就是刚体的定轴转动定律。

⎰⎰==vmdv r dm r I ρ22 转动惯量 （dv 为相应质元dm 的体积元，p 为体积元dv 处的密度）ωI L = 角动量 dtdLIa M == 物体所受对某给定轴的合外力矩等于物体对该轴的角动量的变化量 dL Mdt =冲量距000ωωI I L L dL Mdt LL tt -=-==⎰⎰常量==ωI L二保守力和非保守力k k E E W W -=+内外质点系动能的增量等于所有外力的功和内力的功的代数和（质点系的动能定理）k k E E W W W -=++非内保内外保守内力和不保守内力p p p E E E W ∆-=-=0保内系统中的保守内力的功等于系统势能的减少量)()(00p k p k E E E E W W +-+=+非内外p k E E E +=系统的动能k 和势能p 之和称为系统的机械能0E E W W -=+非内外质点系在运动过程中，他的机械能增量等于外力的功和非保守内力的功的总和（功能原理）常量时，有、当非内外=+===p k E E E W W 00如果在一个系统的运动过程中的任意一小段时间内，外力对系统所作总功都为零，系统内部又没有非保守内力做功，则在运动过程中系统的动能与势能之和保持不变，即系统的机械能不随时间改变，这就是机械能守恒定律。

圆周运动公式推导过程匀速圆周运动证明：先把匀速圆周运动的运动轨迹用参数方程表示出来：（圆周运动圆心在坐标系原点）\begin{equation} \left\{ \begin{aligned}x(t)&=r\cos\theta \\ y(t)&=r\sin\theta \\ \end{aligned} \right. \end{equation}其中角度 \theta 为线性变化， \omega=\frac{\theta}{t}为常数，将此关系式代入参数方程求其质点运动速度，对参数方程求对时间的导数：\begin{equation} \left\{ \begin{aligned} v_x(t)&=-ωr\sinωt \\ v_y(t)&=ωr\cosωt \\ \end{aligned}\right. \end{equation}求其加速度，同理：\begin{equation} \left\{ \begin{aligned} a_x(t)&=-ω^2r\cosωt \\ a_y(t)&=-ω^2r\sinωt \\ \end{aligned} \right. \end{equation}那么匀速圆周运动的加速度就出来了：a_n=\sqrt{a_{x}^2+a_{y}^2}=ω^2r=\frac{v^2}{r}\rightarrowf_n=mω^2r=m\frac{v^2}{r}可以证明变速圆周运动也满足上式变速圆周运动证明：继续使用参数方程的方法证明，仅仅增加复合函数求导（链式法则）和乘法求导的内容先把变速圆周运动的运动轨迹用参数方程的形式表示出来：\begin{equation} \left\{\begin{aligned}x(t)&=r\cos[θ(t)]\\ y(t)&=r\sin[θ(t)]\\ \end{aligned} \right. \end{equation}（注意：这是复合函数的形式）写成质点位置矢量的坐标形式：\vec{r(t)}=\{x(t),y(t)\} ，模长为 r不同于匀速圆周运动，现在需要对非线性变化的角度\theta(t) 求时间的导数，因此角速度 \omega(t) 现在为变量，需要增加一个瞬时角速度定义ω(t)=\lim_{δt→0}{\frac{δθ}{δt}=\frac{\mathrm{d}θ}{\mathrm{d}t}}=\theta'(t) ，即对角度求时间的导数等于瞬时角速度对参数方程求时间的导数：\begin{equation} \left\{ \begin{aligned} v_x(t)&=-rω(t)\sin[θ(t)] \\ v_y(t)&=rω(t)\cos[θ(t)] \\\end{aligned} \right. \end{equation}写成速度矢量的坐标形式：\vec{v(t)}=\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}t}=\{v_{ x}(t),v_{y}(t)\} ，模长为 v(t)=r\omega(t)（由曲线运动的性质可知，速度总是沿着曲线的切线方向）继续对时间继续导数，出现了要对角速度求导数，增加了一个角加速度定义\alpha(t)=\lim_{δt→0}{\frac{δ\omega}{δt}}=\frac{\m athrm{d}\omega}{\mathrm{d}t}=\omega'(t) ，即角速度对时间的导数等于角加速度求导可得变速运动的合加速度分量表达式：\begin{equation} \left\{ \begin{aligned} a_x(t)&=-(rα(t)\sin[θ(t)]+rω^2(t)\cos[θ(t)]) \\ a_y(t)&=rα(t)\cos[θ(t)]-rω^2(t)\sin[θ(t)] \\ \end{aligned} \right. \end{equation}写成矢量的坐标形式：\vec{a(t)}=\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t}=\{a_{ x}(t),a_{y}(t)\}最后一步，要将合加速度向垂直于速度方向和半径方向进行分解才能分别得到切向加速度和法向加速度，可以利用矢量（向量）标量积（数量积）的几何意义，将加速度向两个互相垂直的单位矢量进行投影，可得：切向加速度：（数值）\begin{equation} \begin{aligned} a_{τ} &=\vec{a}·\frac{\vec{v}}{|\vec{v}|}\\&=a_{x}\frac{v_{x}}{v}+a_{y}\frac{v_{y}}{v}\\ &=-a_{x}\sin(\theta)+a_{y}\cos(\theta)\\ &=\alpha(t) r\\ \end{aligned} \end{equation}法向加速度：（数值）\begin{equation} \begin{aligned} a_{n} &=\vec{a}·\frac{\vec{r}}{|\vec{r}|}\\&=a_{x}\frac{x_{x}}{r}+a_{y}\frac{x_{y}}{r}\\&=a_{x}\cos(\theta)+a_{y}\sin(\theta)\\ &=-\omega^2(t) r\\ \end{aligned} \end{equation}（出现负号代表法向加速度方向与位置矢量方向相反，指向圆心）至此可以看出和匀变速圆周运动下的公式相同再补一个用矢量微积分来证明的方法：利用矢量叉乘求导公式：\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(\vec{a}×\vec{b})=\frac{\mathrm{d}\vec{a}}{\mathrm{d}t}×\vec{b}+\vec{a}×\frac{\mathrm{d}\vec{b}}{\mathrm{d}t}\vec{a}×(\vec{b}× \vec{c})=\vec{b}(\vec{a} ·\vec{c})-\vec{c}(\vec{a} ·\vec{b}) ，可以简单的记成back-cab原则在圆周运动中： \vec{v}= \vec{ω}×\vec{r} ，\vec{ω}·\vec{r}=\vec{r}·\vec{ω} =0下面开始证明：\begin{equation} \begin{aligned}\vec{a}&=\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t}\\&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(\vec{ω}×\vec{r}) \\&=\frac{\mathrm{d}\vec{ω}}{\mathrm{d}t}×\vec{r}+ \vec{ω}×\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}t}\\&=\vec{α}×\vec{r}+\vec{ω}×\vec{v}\\&=\vec{a_{τ}}+\vec{a_{n}} \end{aligned}\end{equation}可得：切向加速度：\vec{a_{τ}}= \vec{α}×\vec{r}\begin{equation} \begin{aligned} 法向加速度：\vec{a_{n}}&= \vec{ω}×\vec{v} \\&=\vec{ω}×(\vec{ω}×\vec{r}) \\&=\vec{ω}(\vec{ω} ·\vec{r})-\vec{r}(\vec{ω} ·\vec{ω}) \\&=-ω^2\vec{r} \end{aligned} \end{equation}。

第一章 质点运动学和牛顿运动定律1.1平均速度 v =t△△r1.2 瞬时速度 v=lim△t →△t △r =dtdr1. 3速度v=dtds ==→→lim lim△t 0△t △t△r 1.6 平均加速度a =△t△v1.7瞬时加速度（加速度）a=lim△t →△t △v =dtdv1.8瞬时加速度a=dt dv =22dtrd1.11匀速直线运动质点坐标x=x 0+vt 1.12变速运动速度 v=v 0+at 1.13变速运动质点坐标x=x 0+v 0t+21at 21.14速度随坐标变化公式:v 2-v 02=2a(x-x 0) 1.15自由落体运动 1.16竖直上抛运动⎪⎩⎪⎨⎧===gy v at y gtv 22122 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=-=gy v v gt t v y gt v v 221202200 1.17 抛体运动速度分量⎩⎨⎧-==gta v v av v y x sin cos 001.18 抛体运动距离分量⎪⎩⎪⎨⎧-∙=∙=20021sin cos gt t a v y t a v x1.19射程 X=g av 2sin 21.20射高Y=gav 22sin 201.21飞行时间y=xtga —g gx 21.22轨迹方程y=xtga —av gx 2202cos 2 1.23向心加速度 a=Rv 21.24圆周运动加速度等于切向加速度与法向加速度矢量和a=a t +a n1.25 加速度数值 a=22n t a a +1.26 法向加速度和匀速圆周运动的向心加速度相同a n =Rv 21.27切向加速度只改变速度的大小a t =dtdv1.28 ωΦR dtd R dt ds v ===1.29角速度 dtφωd =1.30角加速度 22dt dtd d φωα== 1.31角加速度a 与线加速度a n 、a t 间的关系a n =222)(ωωR RR R v == a t =αωR dt d R dt dv ==牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。

物理公式大全——大学物理篇第一章 质点运动学和牛顿运动定律1.1平均速度 v =t△△r1.2 瞬时速度 v=lim 0△t →△t △r =dt dr1. 3速度v=dtds==→→lim lim△t 0△t △t△r 1.6 平均加速度a =△t△v1.7瞬时加速度（加速度）a=lim 0△t →△t △v =dt dv1.8瞬时加速度a=dt dv =22dt rd1.11匀速直线运动质点坐标x=x 0+vt 1.12变速运动速度 v=v 0+at 1.13变速运动质点坐标x=x 0+v 0t+21at 21.14速度随坐标变化公式:v 2-v 02=2a(x-x 0) 1.15自由落体运动 1.16竖直上抛运动⎪⎩⎪⎨⎧===gy v at y gtv 22122 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=-=gyv v gt t v y gt v v 221202200 1.17 抛体运动速度分量⎩⎨⎧-==gt a v v av v yx sin cos 001.18 抛体运动距离分量⎪⎩⎪⎨⎧-•=•=20021sin cos gt t a v y t a v x1.19射程 X=g av 2sin 21.20射高Y=gav 22sin 201.21飞行时间y=xtga —ggx 21.22轨迹方程y=xtga —av gx 2202cos 2 1.23向心加速度 a=Rv 21.24圆周运动加速度等于切向加速度与法向加速度矢量和a=a t +a n1.25 加速度数值 a=22n t a a +1.26 法向加速度和匀速圆周运动的向心加速度相同a n =Rv 21.27切向加速度只改变速度的大小a t =dtdv 1.28 ωΦR dtd R dt ds v ===1.29角速度 dtφωd =1.30角加速度 22dt dtd d φωα== 1.31角加速度a 与线加速度a n 、a t 间的关系a n =222)(ωωR R R R v == a t =αωR dtd R dt dv ==牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。

物理竞赛所有公式 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】第一章 质点运动学和牛顿运动定律平均速度 v =t△△r瞬时速度 v=lim△t →△t △r =dtdr1. 3速度v=dtds ==→→lim lim△t 0△t △t△r 平均加速度a =△t△v瞬时加速度（加速度）a=lim△t →△t △v =dtdv瞬时加速度a=dt dv =22dtrd匀速直线运动质点坐标x=x 0+vt 变速运动速度 v=v 0+at 变速运动质点坐标x=x 0+v 0t+21at 2速度随坐标变化公式:v 2-v 02=2a(x-x 0) 自由落体运动 竖直上抛运动抛体运动速度分量⎩⎨⎧-==gt a v v av v yx sin cos 00抛体运动距离分量⎪⎩⎪⎨⎧-•=•=20021sin cos gt t a v y t a v x射程 X=gav 2sin 20射高Y=gav 22sin 20飞行时间y=xtga —ggx2轨迹方程y=xtga —av gx 2202cos 2 向心加速度 a=Rv 2圆周运动加速度等于切向加速度与法向加速度矢量和a=a t +a n加速度数值 a=22n t a a +法向加速度和匀速圆周运动的向心加速度相同a n =Rv 2切向加速度只改变速度的大小a t =dtdvωΦR dtd R dt ds v ===角速度 dt φωd =角加速度 22dt dtd d φωα== 角加速度a 与线加速度a n 、a t 间的关系a n =222)(ωωR RR R v == a t =αωR dtd R dt dv == 牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。

牛顿第二定律：物体受到外力作用时，所获得的加速度a 的大小与外力F 的大小成正比，与物体的质量m 成反比；加速度的方向与外力的方向相同。