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物理难点:离心力与向心力的关系?

导读: 原创/首发/王尚 有学生问我物理问题:王老师,向心力与离心力是什么关系?对大部分学校而言,曲线运动中的向心力是高一上学期的最后一块儿教学内容。离心力在一些应用类的问题中出现,比较抽象,而且在分析时与课本上讲解的受力分析存在一定的矛盾,很多学生不理解。在这里王尚老师做一个简要的分析,同学们借助

  原创/首发/王尚

  有学生问我物理问题:王老师,向心力与离心力是什么关系?对大部分学校而言,曲线运动中的向心力是高一上学期的最后一块儿教学内容。离心力在一些应用类的问题中出现,比较抽象,而且在分析时与课本上讲解的受力分析存在一定的矛盾,很多学生不理解。在这里王尚老师做一个简要的分析,同学们借助向心力的概念,进行对比分析,理解了离心力的本质即可。

  首先要说明的一个问题:严格来说,物体受离心力作用的说法是不科学的。

  离心力是一种感性认识的力。我们说物体受到离心力的作用,就好比是我们说:太阳从地面升起来了一样(其实是地球围绕太阳运动的结果),这种提法严谨来说并不科学。

  离心力(Centrifugal force)是一种惯性的表现,实际是不存在的。高中物理课本提到:为使物体做圆周运动,物体需要受到一个指向圆心的力,即向心力。

  若以此物体为原点建立坐标,看起来就好像有一股与向心力大小相同方向相反的力作用似的,使物体向远离圆周运动圆心的方向运动。

  当物体受力不足以提供圆周运动所需向心力时,看起来就好像离心力大于向心力了,物体会做远离圆心的运动,这种现象叫做“离心现象”。

  假设若离心力存在,则与向心力相平衡,物体受力平衡,速度方向不会改变,是平衡态,不可能做圆周运动。

  因此,这就证明了离心力并不存在,即离心力是以力的作用效果来虚拟出来的一个力,便于大家的感性认识和理解。

  如上图所示王尚老师带着大家用一个案例在不同的参考系来简要说明离心力的问题。提前说明一下,这已经超出了高考物理的要求。

  一个围绕中心旋转的圆盘,角速度为ω。在圆盘上有一个质量为m木块,木块由绳子连接,绳子的另一端固定在圆盘的中心(也是旋转中心),绳长为r。木块随圆盘一同转动,假设没有任何摩擦力,木块的旋转是由于绳子的拉力。

  在随圆盘一同转动的观察者看来(换了参考系了),木块是静止的。根据牛顿定律,木块受到的合力应为零。但是木块只受到一个力,就是绳子的拉力,所以合力不为零。那么这违反牛顿定律吗?

  牛顿定律只有在惯性系下才成立,但是随圆盘一同转动的观察者所在的参考系是非惯性系,所以牛顿定律在这里不成立。为了使牛顿定律在非惯性系下仍然成立,那么就需要引用一个惯性力,即离心力。离心力的大小,与绳子提供的拉力相等,但方向与之相反。引入离心力后,在随圆盘一同转动的观察者看来,木块同时受到绳子的拉力和离心力,大小相等,方向相反,合力为零。此时木块静止,牛顿定律成立。(文/王尚)

  作者:王尚;北京西城物理教师,高中物理网力学组主编,转载本文须注明作者及来自高中物理网。

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