探析圓周運動中的瞬時性問題

◇ 山東 孫風武

(作者單位:山東省臨清市第三高級中學)

圓周運動是物理學中常見的一類運動情況,也是高中物理學習中重要的基礎知識.但是在初中階段學生們并沒有接觸過這類知識,無法準確掌握圓周運動中的瞬時性問題.因此,教師在進行教學時應著重強調圓周運動中的瞬時性問題,幫助大家形成正確的概念理解,提升物理學習效率.本文圍繞高中物理圓周運動瞬時性問題的幾點教學策略展開論述.

1 線速度,關注瞬時方向

初中階段,學生并沒有接觸過線速度,它是曲線運動中特有的概念,與初中時期所學的速度有著相似之處,但并不完全相同.首先,圓周運動中的線速度是指物體運動到圓周上某一點時的瞬時速度,不能代表某個過程的速度,更不能表示整個圓周運動的速度;其次,速度包括大小和方向兩個方面,勻速圓周運動并不是指它的速度始終保持不變,而是速度大小保持不變,速度方向不斷變化.

2 向心加速度,反映瞬時變化程度

向心加速度不同于我們以往所接觸的加速度,它是反映方向改變快慢的物理量,具有瞬時性.在圓周運動中,物體的運動方向時刻發生著改變,也正是向心加速度使它產生下一時刻方向的改變.教師應當對其瞬時性進行重點講解,幫助學生更好地理解與掌握這一概念,了解圓周運動的瞬時變化程度.

例如,教師可講解這樣一道選擇題:勻速圓周運動中關于向心加速度的說法正確的是( ).

A.向心加速度始終指向圓心,所以方向保持不變

B.勻速圓周運動的向心加速度始終保持不變

C.向心加速度大小隨著位置改變而改變

D.其與線速度方向垂直

這道題目需要學生對向心加速度有準確的認識.向心加速度反映的是運動中方向的變化快慢,與速度大小無關,其方向始終與線速度方向垂直,但是隨著線速度的改變,向心加速度也在時刻改變,具有瞬時性.所以D 選項正確.

3 向心力,解釋瞬時狀態

力是改變運動狀態的原因.物體在進行圓周運動時,其運動狀態時刻發生著改變,這是向心力作用的結果.同我們之前所學的重力、彈力等一樣,向心力也具有矢量性.另外,它是物體所受合外力的一種效果,具有瞬時性,學生往往容易忽略這一點而造成錯解.在學習圓周運動時,教師可以結合例子向學生說明向心力的概念,幫助其理解圓周運動中某一時刻的運動狀態.

例如,水平面上狗拉雪橇在做勻速圓周運動,選取運動軌跡中任意一點,雪橇受牽引力、摩擦力、重力和支持力作用.則雪橇所受的牽引力和摩擦力的可能情況為( ).

A.兩個力均與軌跡半徑垂直,方向相反

B.摩擦力指向圓心,牽引力與摩擦力垂直

C.摩擦力與軌跡半徑垂直,牽引力指向軌跡圓內,與摩擦力呈鈍角

對雪橇進行受力分析,如果雪橇做勻速圓周運動,那么摩擦力和牽引力的合力方向時時刻刻指向圓心,充當向心力,改變著它的運動狀態,否則雪橇無法做勻速圓周運動.因此選項C正確.

可見,向心力能夠幫助我們清楚地解釋圓周運動中的運動狀態.但是教師要著重強調,向心力并不是物體實際受到的一個力,而是根據物體的受力情況進行合成分解,依據效果定義的一種力.

總之,圓周運動是高中物理學習中非常重要的概念,而瞬時性是圓周運動中十分特殊的一種性質.教師應當通過教學,引導學生正確地理解與應用,為以后的物理學習打下堅實的基礎.