高一下学期学习两种形式的曲线运动:平抛和圆周圆周运动是与平抛完全不同的曲线运动观察,可以看出圆周运动是轨迹为圆周或者圆一部分的运动形式,我来为大家讲解一下关于圆周运动是非匀变速曲线?跟着小编一起来看一看吧!
圆周运动是非匀变速曲线
高一下学期学习两种形式的曲线运动:平抛和圆周。圆周运动是与平抛完全不同的曲线运动。观察,可以看出圆周运动是轨迹为圆周或者圆一部分的运动形式。
如何描述圆周运动?有一个质点,开始处在A点,之后它开始绕圈圈,从A点绕到了B点,它绕的轨迹是圆周的一部分。描述圆周运动,要了解几个物理量的定义。第一个是周期,指的是进行一次有规律的活动所花的时间,比方说正弦函数从零点出发,经过最高点、最低点又回到零点,经历的2π是一个周期;太阳黑子约11年爆发一次,是太阳活动周期;元素经过一横排性质循环一次,是元素周期。圆周运动中的周期指的是质点绕一圈所花的时间,用大写字母T来表示。;
第二个是频率,指的是质点每秒转的圈数,用f表示,它是周期的倒数,单位是赫兹。比方说转一圈用时间2秒,周期就是2秒,每秒转几圈呢?0.5圈(上高中的时候,有个女生晚上没事总拿一个本子偷偷写我的名字,1分钟写2个暗送秋波,后来才知道人家是纪律委员)所以频率就是0.5Hz.频率和周期正好互为倒数;
还有一个与频率相似的物理量,叫做转数,记作n。表示质点每秒或者每分钟转过的圈数。单位是r/s或r/min.大家发现,虽然都表示单位时间转过的圈数,转数的单位是不是比频率丰富一些?因为它主要用于机器,如发动机中。不管再高端、再低端的汽车,一定有两个表——“时速表”和“转速表”。转速表是用来测量发动机单位时间内所转圈数,据此判断何时需要变速的,防止转速过高,烧坏机器。有时候听汽车的声音,也可以大致推断出它转数的高低,你是根据什么推断的呢?(音调)
以上三个物理量都用来描述圆周运动时间特征,接下来看两个描述圆周运动速度特征的物理量。第一个是线速度(切线速度),用v表示。既然是速度,大家都知道肯定是长度除以时间。小球开始所在的位置是A,经过一段时间t走到了B,经过的弧长是lAB,那lAB就是小球走过的路程。只要把小球走过的弧长lAB除以它所花的时间就等于线速度。比方说有两个小蚂蚁,要绕过灭虫药去吃蛋糕,那得曲线救国。相同时间内沿着花盆边缘爬过的弧长分别为l1和l2,如果l1>l2,蚂蚁1的线速度是不是就大于蚂蚁2的线速度?对,特别的可以把这个公式进化一下(合理外推),若刚好走一圈,花的时间就是T——周期。走了一个圆的周长2πR,此时它的线速度就是2πR/T;下一个概念是角速度。类比线速度:弧长除以时间,角度除以时间就称之为角速度,用希腊字母来表示,记住不是W。
等于转过的圆心角角度θ除以所花时间t。从A点运动到B点,∠AOB/t就是角速度。同样在一分钟之内,分针转过一格,而秒针转了一圈,秒针的角速度大于分针的角速度。特别的(合理外推),若刚好转过一圈,转角是360°,弧度制是2π/rad,那一圈的角度2π除以一圈的周期T,得到了角速度的另一种表达式。
线速度和角速度的关系大家观察出来了吗?线速度等于2πR/T,角速度等于2π/T,线速度就是在角速度的基础上多乘以一个半径R。“拍蝇打虎”神器——蝇拍的手柄很长,因为苍蝇长有很多复眼很灵敏,手肘转动的角速度是有一定极限的(这不是招财猫啊),所以R(小臂)越长,线速度越大,易于打中。角速度还有个名称叫“圆频率”,因为:2π跟“圆”相当,f是频率,故而得名。
掌握了描述圆周运动的特征,介绍一种特殊的圆周运动——“匀速圆周运动”。任意时刻线速度相同,不发生变化的运动,对吗?不对,它的线速度大小不变,但是由于圆周运动的本质还是曲线运动,所以它的方向在不断变化。唐代著名诗人贾岛曾有“僧推月下门”还是“僧敲月下门”之问,这里也推敲一字,如果在匀速之后加上一个字就显得更为贴切和科学,应该叫“匀速率”圆周运动:线速度大小一定,方向在不断改变的轨迹为圆周的运动。
专题一、三种传动模型
同轴传动模型(同轴转动模型)
皮带传动模型(传送带模型)
齿轮传动模型(齿轮模型)
第一个模型“共轴传动模型”。最典型的例子就是地球/旋转木马/跷跷板/陀螺。
地球上的点绕着地轴旋转,拥有共同的角速度。共轴转动模型的意义是角速度必须相同。太原在北回归线附近,A点就是太原,B点就是赤道。A点和B点由于都在绕轴旋转,拥有相同的角速度w,把它记为wA=wB(共享单车),因为角速度w=2π/T,所以T也是相同的。有TA=TB,A转一圈的周期跟B转一圈的周期相同,一天都是24小时。猜想:居住在太原的人和居住在赤道的人,谁转动的线速度更快一些?A点的线速度vA等于角速度乘以旋转半径r,B点的线速度vB等于角速度乘以旋转半径R。左边除以左边,右边除以右边,由于是共轴传动,它们的角速度w相同可以约掉,得到结论:如果两个点是共轴转动的,线速度之比等于它们的旋转半径之比。
太原绕地轴转动时,旋转圆半径为r;赤道绕轴转动时,旋转圆半径为R。赤道所在圆周半径R较大,太原所在圆周半径r较小。所以太原的线速度就比赤道的线速度小一些。那太原的线速度究竟是多少呢?已知太原的纬度是北纬30°,赤道上B点的线速度是v。现在给大家画地球仪的正视图,A点绕着地轴做圆周运动时的旋转半径是r,B点做圆周运动绕着地轴旋转的半径是这个R。
地球是一个球体,把球心O和A点、B点连在一起都是半径R。A点和B点的线速度之比就是半径r和R之比,即vA / vB=r/R。A点:北纬的30°,指的是这个点A和圆心O以及赤道上的点B所形成的夹角∠AOB是30°,内错角相等,这个角也是30°。我们发现r/R,刚好是这个角30°的邻边比斜边。得到结论:已知一个点,不管是北纬南纬,用它纬度的余弦乘以v就可以得到该点的线速度。所以太原所在A点的速度vA等于赤道上的这个点的速度v乘以cos30°。地球转动的过程,有点是只有角速度没有线速度?没错!就是北极点和南极点。怎么理解?可以认为它们没有半径,所以只有角速度w,因此没有线速度;也可以说高纬度的南北两极,纬度为90°,它们的余弦值为0,所以只有角速度没有线速度。(地球仪南北“接线柱”;暴风雨的中心——“风眼”是平静的;在海南文昌发射火箭:引力小/线速度大)
第二个, “皮带传动模型”。最典型的就是自行车变速器,自行车主要有两个齿轮:与脚蹬子相连的大齿轮,还有后轮的飞轮。通过脚蹬子带动大齿轮,大齿轮通过链条带动飞轮,飞轮最后带动后轮,提供动力来源。
从图中可以看出,飞轮与后轮共享一个轮轴,所以是“同轴转动”模型。大齿轮与飞轮之间通过一根链条或者皮带传动,所以这个模型称为“皮带传动模型”。设大齿轮的半径为R,飞轮的半径为r,由于都在同一个皮带上,如果旋转速度不一样,会导致:皮带前慢后快,被拉断/前快后慢,产生褶皱使绳子不再被绷紧,掉链子。“皮带传动模型”的特点:只要它在同一个皮带上,具有相同的线速度(摩擦力作用下,无滑滚动:△V=0)
不仅是自行车如此,磁带/修正带亦然。(透过改正带透明的肌肤,这叫做实验不叫作弊。)磁带很软,旋转的过程中,如果左边的小圆和右边的大圆旋转速度不一样,磁带就会被拉断。线速度相同,意味着谁可能不一样?角速度。设大圆旋转的角速度为WA,小圆旋转的角速度为WB,线速度VA=WA*R,线速度VB=WB*r,由于它们在同一个传送带上,所以线速度相同,可以发现:它们的角速度之比等于半径的反比,意味着半径越大的圆角速度越小,半径越小的圆它的角速度越大。大圆旋转1圈,小圆已经转上3圈了。(飞轮小,大齿轮、后轮大。但是后轮不能太大,否则就上不去了!)
第三个,“齿轮传动模型”。齿轮传动是皮带传动的特例。自行车:大圆顺时针转动,小圆顺时针转动(六六大顺)——大小圆都朝同一方向的旋转。在生活中还会出现皮带在转动的过程中交叉的情况。这种情况,把A点和B点给点出来,我们知道它是皮带传送模型,有A,B两点的线速度相同,只不过画出它的转动方向,就发现它们有点不一样了。如果大圆顺时针旋转,转动到这儿还是顺时针,但是转到这儿小圆就变成逆时针旋转了。(顺我者昌逆我者亡)这个地方有大齿轮,这个地方有小齿轮。虽然没有用皮带连接在一起,但是它们一个一个的锯齿就是皮带。大齿轮如果转过3个齿,小齿轮也转过3个齿,像牙齿打架一样巴拉巴拉的,是巴啦啦小魔仙。
第二个,齿轮模型还有一个很重要的特点:就是如果大齿轮是顺时针旋转的,小齿轮一定是逆时针旋转的,因为它们是彼此交错的,犬牙呲互,就相当于皮带在这个地方打了一个交叉。它也满足一个顺一个逆的模型。如果我们再加一个圆圈交错一次相当于再加一个齿轮,方向就又换一次。(负负得正。)
应用:变速箱。车轮的线速度与发动机齿轮的线速度相同且在增大,根据v=wr ,若r一定,发动机齿轮的角速度即转速一定增大,超过极限值就会发生“爆缸”现象,因此要踩离合器,使车轮与发动机齿轮分离,然后换挡,更换一个更大半径的齿轮,线速度一定的前提下,减小齿轮的转速,使发动机整成运转。
机械手表的分针和秒针从重合开始到第二次重合,中间经历多长时间?本质上是追及问题。操场上有两个人在赛跑,从他们一块儿起跑到他们再次重合需要多少时间?再重合就相当于跑得快的人比跑得慢的人多跑一圈。那解这道题的出发点就在于“多跑一圈”,多跑一圈就是多转一圈,多走360°.
专题二、传动模型中元件比例问题
定性:自行车分析;
定量:表格法。
专题三、平抛运动与圆周运动结合的周期性、多解性问题
题型:瞄准匀速圆周运动的圆盘上的某一点做平抛。若落点还在该点,转角为2nπ;若落点在该点正下方,转角为(2n 1)π。分成竖直面:用竖直分位移——自由落体运动算时间 和 水平面:旋转的奶酪上有一只老鼠,现在用飞镖射杀,飞镖由于做平抛运动肯定会落到B点,即圆盘下方,那只有老鼠掐好也转到这个位置(让子弹飞一会),二者才能相遇,所以必须转半圈再加整数圈;用水平分位移——匀速直线运动算时间两种情况。