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淺析圓周運(yùn)動(dòng)的處理方法

2011-12-29 00:00:00荊麗
中小學(xué)教學(xué)研究 2011年4期


  學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理一段時(shí)間后,有部分學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生畏懼心理,這樣對(duì)物理學(xué)習(xí)很不利。筆者對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的教學(xué)進(jìn)行了一些探討,發(fā)現(xiàn)它們之間還是有規(guī)律可循的,對(duì)學(xué)生理解知識(shí)很有幫助。
  質(zhì)點(diǎn)在以某點(diǎn)為圓心半徑為r的圓周上運(yùn)動(dòng)時(shí),即其軌跡是圓周的運(yùn)動(dòng)叫“圓周運(yùn)動(dòng)”。它是一種最常見的曲線運(yùn)動(dòng)。例如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、車輪、皮帶輪等都作圓周運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)分為,勻速圓周運(yùn)動(dòng)和變速圓周運(yùn)動(dòng)(如:豎直平面內(nèi)繩/桿轉(zhuǎn)動(dòng)小球、豎直平面內(nèi)的圓錐擺運(yùn)動(dòng))。高中物理中經(jīng)常遇到圓周運(yùn)動(dòng)的題目,那么面對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)各式各樣的題目,很多同學(xué)很困惑,不知道從什么方向入手,對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng),本人認(rèn)為需要從運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)兩方面來考慮,即:(1)運(yùn)動(dòng)學(xué):描軌跡,定圓心,找半徑;(2)受力分析:找出向心力。
  例題1:如圖所示,在半徑為R的半球形碗的光滑內(nèi)表面上,一質(zhì)量為m的小球以角速度ω在水平平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求該水平面距離碗底的距離h (R-g/ω2)
  解析:
 ?。?)運(yùn)動(dòng)學(xué):描軌跡,定圓心,找半徑
  我們要解決這道題,那么我們可以先描軌跡(描運(yùn)動(dòng)軌跡),定圓心(定運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心),找半徑(找出運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑),可以確定半徑r=(Rsinθ)
 ?。?)受力分析:找出向心力:
  對(duì)小球受力分析(豎直向下的重力、碗壁對(duì)小球的指向圓心的支持力N)
  這2個(gè)力的合力提供向心力。如圖所示:設(shè)支持力N與豎直方向的夾角為θ則F向=Nsinθ,
  根據(jù)合力提供向心力的公式得出:Nsinθ=mω2(Rsinθ)?圯N=mω2R
  所以小球?qū)ν氡诘膲毫镹=mω2R方向背離圓心。
  根據(jù)重力已知和N已經(jīng)求出可以得出cosθ=■=■=■
  所以高度為h=R-Rcosθ=R-■
  例題2:如圖所示,質(zhì)量相等的小球A、B分別固定在輕桿的中點(diǎn)和端點(diǎn),當(dāng)桿在光滑水平面上繞O勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),求OA和AB兩段對(duì)小球的拉力之比是多少?
  解析:
 ?。?)運(yùn)動(dòng)學(xué):描軌跡,定圓心,找半徑
  軌跡如圖,確定圓心為O,找到半徑,設(shè)桿長(zhǎng)為L(zhǎng),則A的半徑為L(zhǎng)/2,B的半徑為L(zhǎng)。
  (2)受力分析:找出向心力
  受力分析如圖:
  A:FA-FB=mω2(■)
  B:FB=mω2L
  所以■=■
  處理帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)問題,其本質(zhì)是平面幾何知識(shí)與物理知識(shí)的綜合運(yùn)用。重要的是正確建立完整的物理模型,畫出準(zhǔn)確、清晰的運(yùn)動(dòng)軌跡。下面我們從基本問題出發(fā)對(duì)“帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行分類解析。
  描軌跡、定圓心也是解決“帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)”的基礎(chǔ)。帶電粒子垂直于磁場(chǎng)進(jìn)入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)后在洛侖茲力作用下必作勻速圓周運(yùn)動(dòng),抓住運(yùn)動(dòng)中的任兩點(diǎn)處的速度,分別作出各速度的垂線,則二垂線的交點(diǎn)必為圓心;或者用垂徑定理及一處速度的垂線也可找出圓心;再利用數(shù)學(xué)知識(shí)求出圓周運(yùn)動(dòng)的半徑及粒子經(jīng)過的圓心角從而解答物理問題。
  例題3:圖示在y<0的區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向垂直于xy平面并指向紙面外,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B;一帶正電的粒子以速度V0從O點(diǎn)射入磁場(chǎng)中,入射方向在xy平面內(nèi),與x軸正方向的夾角為θ;若粒子射出磁場(chǎng)的位置與O點(diǎn)的距離為L(zhǎng)。求①該粒子的電荷量和質(zhì)量比■;②粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
  解析:
  (1)運(yùn)動(dòng)學(xué):描軌跡,定圓心,找半徑
 ?、倭W邮苈鍋銎澚蟊貙⑾蛳缕D(zhuǎn),過O點(diǎn)作

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