尹義軒

摘 要：“力是物體運(yùn)動(dòng)的原因”，這是在初中最初學(xué)習(xí)物理時(shí)就掌握了的概念，在力的作用下物體能夠出現(xiàn)靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)，也是在力的作用下物體能夠做出勻速運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)，還是在力的作用下，物體能夠做出直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)。對(duì)勻速的圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了概述，并對(duì)生活之中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：高中物理；圓周運(yùn)動(dòng)；生活研究

一、圓周運(yùn)動(dòng)的概述

1.概念

某一質(zhì)點(diǎn)在半徑為r的圓周上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡即為圓周，質(zhì)點(diǎn)所做的運(yùn)動(dòng)即是圓周運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)是生活之中常見(jiàn)的一種曲線運(yùn)動(dòng)，它可以分為勻速圓周運(yùn)動(dòng)與變速圓周運(yùn)動(dòng)，其中最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這一部分也是高中物理的教學(xué)內(nèi)容。勻速圓周運(yùn)動(dòng)指的是質(zhì)點(diǎn)在圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在任意相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)的圓弧長(zhǎng)度相等的一種運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.特點(diǎn)

勻速圓周運(yùn)動(dòng)具有與變速圓周運(yùn)動(dòng)、其他曲線運(yùn)動(dòng)不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡是標(biāo)準(zhǔn)的圓，它的角速度、線速度、向心加速度、周期大小不變，且向心加速度的方向總是指向圓心。

3.條件

勻速圓周運(yùn)動(dòng)的充分且必要條件包括兩點(diǎn)，一是具有不為零的初速度，二是受到大小不變、方向與速度垂直且指向圓心的向心力的作用。

根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的概念、特點(diǎn)、條件的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)勻速圓周這一種運(yùn)動(dòng)形式受到了很多限制：首先要有初速度，其次運(yùn)動(dòng)要?jiǎng)蛩?，再次持續(xù)受到力的作用，最后力的方向必須指向圓心，且與速度方向垂直。在學(xué)習(xí)過(guò)程之中我不免思考，在諸多條件的約束下，生活之中真的有勻速的圓周運(yùn)動(dòng)嗎？

二、生活之中的圓周運(yùn)動(dòng)研究

事實(shí)證明，現(xiàn)實(shí)生活中存在著諸多勻速圓周運(yùn)動(dòng)的案例：汽車(chē)的輪胎、火車(chē)的轉(zhuǎn)彎、汽車(chē)過(guò)拱形橋和凹形橋、航天器的失重、游樂(lè)場(chǎng)的摩天輪等等，均是生活之中的現(xiàn)實(shí)案例。下面我結(jié)合所學(xué)內(nèi)容對(duì)一些常見(jiàn)的生活案例進(jìn)行研究，并針對(duì)研究的結(jié)果進(jìn)行深入的分析，挖掘這一部分知識(shí)的現(xiàn)實(shí)意義。

1.蕩秋千

在游樂(lè)場(chǎng)之中，我偶然發(fā)現(xiàn)當(dāng)個(gè)體在蕩秋千時(shí)，受到向下的重力，和來(lái)源于秋千座椅的支持力，也就是來(lái)源于秋千繩子的拉力。在蕩秋千的過(guò)程之中，秋千的繩長(zhǎng)是固定不變的，當(dāng)個(gè)體蕩秋千時(shí)的速度為勻速時(shí)，就相當(dāng)于進(jìn)行了勻速圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)物理所學(xué)習(xí)的知識(shí)，當(dāng)我們?cè)O(shè)蕩秋千的個(gè)體體重為m，秋千的繩長(zhǎng)為l，個(gè)體在最低點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為v，那么個(gè)體所收到的向心力即為F=mv2/r=mv2/l。在我的研究即將止步時(shí)，我發(fā)現(xiàn)有小朋友在蕩秋千時(shí)由于沒(méi)有抓穩(wěn)繩子被“拋”了出來(lái)，我想這應(yīng)該就是所謂的離心運(yùn)動(dòng)，鑒于此我展開(kāi)了進(jìn)一步研究。以我個(gè)人為例，我的重量是40kg，蕩秋千時(shí)最大速度能夠達(dá)到5m/s，經(jīng)了解秋千的兩根繩長(zhǎng)均為4m，繩子能夠承受的張力為300N。如果我去蕩秋千，我所受到的向心力為F=mv2/r=250N，通過(guò)分析我們可以得出在蕩秋千到最低點(diǎn)時(shí)，向心力F=F支-G，也就是F支=F+G=650N，此時(shí)兩根秋千繩子所承受的拉力為F拉=F支/2=325N>300N，那么也就是說(shuō)，當(dāng)我在這個(gè)秋千上以5m/s的速度玩耍時(shí)，就會(huì)使繩子因承受不住拉力而斷裂，進(jìn)而出現(xiàn)離心運(yùn)動(dòng)摔倒在地。

在此我將自身的研究展示出來(lái)，是希望能夠通過(guò)本文提醒各位讀者，出于安全的角度，當(dāng)在進(jìn)行蕩秋千這一游戲時(shí)一定要提醒游戲者速度不要過(guò)快，被拋出去并不一定是因?yàn)槠餍倒δ懿煌晟苹蛘哌\(yùn)氣不佳，這其中蘊(yùn)涵著的物理學(xué)原理證明著速度若是過(guò)快一定會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。

2.拱形橋

在教材之中拱形橋的問(wèn)題已經(jīng)被研究得足夠透徹，我在本文之中再次提到拱形橋的問(wèn)題，是在以上研究的基礎(chǔ)之上對(duì)拱形橋的問(wèn)題進(jìn)行了更進(jìn)一步的探索。眾所周知，無(wú)論是拱形橋還是蕩秋千，當(dāng)物體發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)時(shí)都有可能會(huì)遭遇危險(xiǎn)，為避免危險(xiǎn)的發(fā)生，我們需要遵守相關(guān)的規(guī)則和制度，如一定質(zhì)量的個(gè)體在蕩秋千時(shí)必定要在一定的速度范圍之內(nèi)，再比如一定質(zhì)量的汽車(chē)在過(guò)拱形橋的時(shí)候一定要遵守橋頭所豎立的速度標(biāo)識(shí)。我曾這樣思考：為什么汽車(chē)在上橋時(shí)受限制的速度而不是橋上已承載了多少汽車(chē)？現(xiàn)在看來(lái)，這是由于橋上各汽車(chē)在勻速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程之中都會(huì)受到重力和支持力的合力——向心力，而根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的原理，當(dāng)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢時(shí)，橋所承受的壓力也會(huì)增加，倘若規(guī)定了最低的運(yùn)動(dòng)速度，就相當(dāng)于間接地對(duì)橋的受力進(jìn)行了限制，從而達(dá)到安全的效果。

這一案例的深入思考讓我明白了遵守規(guī)則的重要性，有的時(shí)候一個(gè)不起眼的標(biāo)識(shí)有可能對(duì)我們的安全帶來(lái)極大的影響作用。總而言之，作為高中生，我們要帶著一雙善于觀察的眼睛去發(fā)現(xiàn)生活之中的處處可見(jiàn)的物理現(xiàn)象，并利用課堂之中所學(xué)習(xí)的物理知識(shí)來(lái)對(duì)相關(guān)的物理問(wèn)題進(jìn)行分析、解釋?zhuān)俑鶕?jù)自身的深入思考，來(lái)使每一個(gè)固定在課本教材之中的知識(shí)能夠發(fā)揮自身最大的價(jià)值，促進(jìn)自身的健康成長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉錦洋.生活中的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題歸類(lèi)解析[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教學(xué)研究），2015，9（31）：74-75.

[2]王翠萍.生活中圓周運(yùn)動(dòng)典型問(wèn)題[J].新高考（高一物理），2017（2）.

編輯 姚曉媛endprint