高中物理向心力的知識點分析
高中物理向心力的知識點分析
物理的知識點比較的多，而且比較難，學(xué)生需要多花費一點的時間去學(xué)習(xí)，下面學(xué)習(xí)啦的小編將為大家?guī)砀咧形锢淼南蛐牧Φ闹R點介紹，希望能夠幫助到大家。
高中物理向心力的知識點
向心力的概念
向心力是當(dāng)物體沿著圓周或者曲線軌道運動時，指向圓心(曲率中心)的合外力作用力。
向心力公式
該定義式不需要推導(dǎo)，也不需要研究為什么這么定義。
向心力的方向：始終指向物體圓周運動的圓心位置。
補充：如果物體做的不是圓周運動，那么向心力指向微小圓弧所對應(yīng)的圓心(曲率中心)。
向心力不是力
“向心力”一詞是從這種合外力作用所產(chǎn)生的效果而命名的。
這種效果可以由彈力、重力、摩擦力(及其他的力)等任何一力而產(chǎn)生，也可以由幾個力的合力或其分力提供。
向心力的大小探究試驗的具體操作步驟
(1)用質(zhì)量不同的鋼球和鋁球做實驗，使兩球運動的半徑r和角速度ω相同。
可以觀測出，向心力的大小與質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，所需的向心力就越大。
(2)換用兩個質(zhì)量相同的小球做實驗，保持它們運動的半徑相同。
可以觀測出，向心力的大小與轉(zhuǎn)動的快慢有關(guān)，角速度越大，所需向心力也越大。
(3)仍用兩個質(zhì)量相同的小球做實驗，保持小球運動角速度相同。
可以觀測出，向心力的大小與小球運動的半徑有關(guān)，運動半徑越大，所需的向心力越大。
實驗表明，向心力的大小跟物體的質(zhì)量m、圓周半徑r和角速度ω都有關(guān)系。
進(jìn)一步還可以證明，勻速圓周運動所需的向心力公式為 F=mrω²
做圓周運動的物體，在向心力F的作用下，必然要產(chǎn)生一個加速度，這個加速度的方向與向心力的方向相同，總指向圓心，叫做向心加速度。
對于某一確定的勻速圓周運動來說，m以及r、v的大小、ω都是不變的，所以向心力和向心加速度的大小不變，但向心力和向心加速度的方向卻時刻在改變。
勻速圓周運動是瞬時加速度矢量的方向不斷改變的運動，屬于變加速運動的范疇。
向心力只改變方向卻不改變速度的大小
圓周運動屬于曲線運動，在做圓周運動中的物體也同時會受到與其速度方向不同的合外力作用。
對于在做圓周運動的物體，向心力是一種拉力，其方向隨著物體在圓周軌道上的運動而不停改變。因此，圓周運動是一種加速度始終在改變的運動。就是因為這樣的一種力，始終是沿著圓周半徑指向圓周的中心，所以得名“向心力”。
向心力指向圓周中心，且被向心力所控制的物體是沿著切線的方向運動，所以向心力必與受控物體的運動方向垂直，僅產(chǎn)生速度法線方向(切線的垂線方向稱之為發(fā)現(xiàn)方向)上的加速度。
因此，向心力只改變所控物體的運動方向，而不改變運動的速率，即使在非勻速圓周運動中也是如此。
非勻速圓周運動中的受力分析
這并非高考要求的內(nèi)容，因為物理網(wǎng)只做基礎(chǔ)的點撥。在非勻速圓周運動中，我們對物體進(jìn)行受力分析，采用的還是直角坐標(biāo)系的分解運算。建立坐標(biāo)系，x軸與y軸的方向，分別為物體在某點的速度方向與速度垂線方向。
這樣，x軸方向的力，會改變速度的大小;而y軸方向的力(向心力)，會改變速度的方向。
顯然，改變運動速率的切向加速度(Fx/m)并非由向心力產(chǎn)生(垂直關(guān)系)。
向心力與離心力
嚴(yán)格來說，離心力的說法是不科學(xué)的。
離心力(Centrifugal force)是一種慣性的表現(xiàn)，實際是不存在的。為使物體做圓周運動，物體需要受到一個指向圓心的力--即向心力。若以此物體為原點建立坐標(biāo)，看起來就好像有一股與向心力大小相同方向相反的力，使物體向遠(yuǎn)離圓周運動圓心的方向運動。
當(dāng)物體受力不足以提供圓周運動所需向心力時，看起來就好像離心力大于向心力了，物體會做遠(yuǎn)離圓心的運動，這種現(xiàn)象叫做“離心現(xiàn)象”。
假設(shè)若離心力存在，則與向心力相平衡，物體受力平衡，速度方向不會改變，是平衡態(tài)，不可能做圓周運動。
因此，這就證明了離心力并不存在，即離心力是以力的作用效果來虛擬出來的一個力，便于大家的感性認(rèn)識和理解。
向心力的測量
從歷年的考題來看，向心力的測量實驗，并不是高考物理的重點內(nèi)容。不過同學(xué)們還是要掌握基本的操作和原理。
實驗設(shè)備中，配重為了調(diào)整平衡;配重環(huán)改變的是m的大小;彈簧調(diào)節(jié)桿是調(diào)整彈簧平衡的。通過彈簧的形變量(橫桿上刻度線讀數(shù))與勁度系數(shù)k可以計算彈力，該力提供圓柱體及配重環(huán)的向心力。這個實驗就是探究向心力的下述定義式(是否成立)的。
典型的向心力提供者
都有哪些力可以單獨來提供向心力呢?
從場力來看，有萬有引力、庫侖力、洛倫茲力。
從接觸力來看，有彈簧彈力、軌道內(nèi)表面支持力、繩子拉力等等。
向心力的推導(dǎo)式
通過角速度與線速度的關(guān)系，我們還可以得出向心力的推導(dǎo)式如下：
需要指出的是，上述f指的是頻率，T的倒數(shù)。f還有一個俗稱，就是轉(zhuǎn)數(shù)，單位是1/s;
高中物理人造衛(wèi)星的知識點
人造衛(wèi)星
人造衛(wèi)星(Manmade Satellite)：環(huán)繞地球在空間軌道上運行(至少一圈)的無人航天器。人造衛(wèi)星基本按照天體力學(xué)規(guī)律繞地球運動，但因在不同的軌道上受非球形地球引力場、大氣摩擦、太陽引力、月球引力和光壓的影響，實際運動情況非常復(fù)雜。人造衛(wèi)星是發(fā)射數(shù)量最多、用途最廣、發(fā)展最快的航天器。人造衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量約占航天器發(fā)射總數(shù)的90%以上。在這里討論人造衛(wèi)星一般是只討論繞地球做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星。大部分的物理題，我們只考慮萬有引力充當(dāng)向心力的情況。
地球的人造衛(wèi)星
和星球表面上的物體不同，人造衛(wèi)星所受的萬有引力只有一個作用效果，就是使它繞星球做勻速圓周運動，因此萬有引力等于向心力。又由于我們定義重力是由于地球的吸引而使物體受到的力，因此可以認(rèn)為地球的人造衛(wèi)星，F(xiàn)=G=fn
(1)人造衛(wèi)星的線速度和周期。人造衛(wèi)星的向心力是由地球?qū)λ娜f有引力提供的，可以看出，人造衛(wèi)星的軌道半徑r、線速度大小v和周期T是一一對應(yīng)的，其中一個量確定后，另外兩個量也就唯一確定了。離地面越高的人造衛(wèi)星，勻速圓周運動線速度越小而周期越大。
(2)近地人造衛(wèi)星。近地衛(wèi)星的軌道半徑r可以近似地認(rèn)為等于地球半徑R，又因為地面附近，近地衛(wèi)星分別是繞地球做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星的最大線速度和最小周期。
(3)同步人造衛(wèi)星。“同步”的含義就是和地球保持相對靜止(又叫靜止軌道衛(wèi)星)，所以其周期等于地球自轉(zhuǎn)周期，既T=24h，根據(jù)⑴可知其軌道半徑是唯一確定的，經(jīng)過計算可求得同步衛(wèi)星離地面的高度為h=3.6×107m≈5.6R地(3.6萬公里)，而且該軌道必須在地球赤道的正上方，衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)方向必須是由西向東，與地球自轉(zhuǎn)相一致。
關(guān)于衛(wèi)星的幾個推論
(1)若行星表面的重力加速度為 g，行星的半徑為R，則環(huán)繞其表面的衛(wèi)星最低速度(類似于地球的第一宇宙速度)v為√gR;
(2)若行星的平均密度為ρ，則衛(wèi)星周期的最小值T同、G之間存在ρT^2=3π/G的關(guān)系式。
(3)衛(wèi)星繞行星運轉(zhuǎn)時，其線速度v角速度ω，周期T同軌道半徑r存在下列關(guān)系：
?、賤^2∝1/r
?、?omega;^2∝1/r^3
?、跿^2∝r^3
(4)地球的半徑R=6400Km，可以推算，人造衛(wèi)星的周期不低于(T最小的是對應(yīng)著近地衛(wèi)星的周期)84分鐘。
(5)由于同步衛(wèi)星的周期T一定，有前文中的結(jié)論可知，它只能在赤道上空運行，且發(fā)射的高度h，運行的線速度v是固定的。
(6)太空中比較靠近的兩個天體往往是以“雙星”的形式存在的。它們由于萬有引力而繞連線上一點做圓周運動，兩者的周期T和角速度ω一致。其軌道半徑與質(zhì)量成反比、環(huán)繞速度與質(zhì)量成反比。做題的時候要注意，雙星運行軌道半徑r不同，且均與兩者質(zhì)心的連線距離(最好大家在解題的時候用l來表示這個量來區(qū)別一下)不一樣。
三個宇宙速度的數(shù)值
第一宇宙速度：v1=7.9 km/s
第二宇宙速度：v2=11.2 km/s
第三宇宙速度：v3=16.9 km/s
我們下面來分析一下這三個宇宙速度的意義。當(dāng)發(fā)射速度v與三個宇宙速度分別有如下關(guān)系時，被發(fā)射物體的運動情況將有所不同：
第一種情況，當(dāng)發(fā)射速度v
第二種情況，當(dāng)發(fā)射速度v1≤v
第三種情況，當(dāng)發(fā)射速度v2≤v
第四種情況，當(dāng)發(fā)射速度v≥v3時，被發(fā)射物體將從太陽系中逃逸。
由此可見，三個宇宙速度均是發(fā)射衛(wèi)星過程中的不同臨界狀態(tài)，也是我們發(fā)射不同衛(wèi)星的最關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)。
人造衛(wèi)星能量分析
對天體運動而言，研究的主要能量是引力勢能+動能。
人造衛(wèi)星的總能量包括兩種類型：動能和引力勢能?？偰芰繛閮烧咧?這里的引力勢能是衛(wèi)星相對于地球(而非太陽)而言的。
對人造衛(wèi)星而言，距離地球越遠(yuǎn)，具有的總能量越大。
具體來看：
R越大，E總=Ek+Ep越大;
R越大，Ek越小;
R越大，Ep越大;
(Ep的增量比Ek的減量要大，或者說Ep增大的率，要比Ek減小的率大)
Ek隨著軌道半徑R減小，可以通過向心力=萬有引力的公式與動能的定義式推導(dǎo)出來。
在宇宙中的運動，如果推力器的引擎是關(guān)閉的，那么人造衛(wèi)星的機械能是守恒的，因為只有重力做功;運動過程中，只有引力勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化。強調(diào)：人造衛(wèi)星一分為二的過程除外。
人造衛(wèi)星引力勢能公式的微積分推導(dǎo)
引力勢能的表達(dá)式是：Ep=-GMm/R;其中Ep是引力勢能，G是萬有引力常量;M是地球的質(zhì)量，m為研究對象的質(zhì)量，R為m距離地球中心的距離;負(fù)號表示的是，引力勢能為負(fù)值。因為我們規(guī)定的是無窮遠(yuǎn)處為零勢能面。
從功和能之間的關(guān)系來分析，功的大小，等于能量的大小。只不過，在A點衛(wèi)星的勢能為負(fù)的。為什么是負(fù)的，同學(xué)們可以想一想把一個物體舉高的過程，做的功與重力勢能的改變及對應(yīng)關(guān)系。
第一顆人造衛(wèi)星
1957年10月4日。蘇聯(lián)宣布成功地把世界上第一顆繞地球運行的人造衛(wèi)星送入軌道。美國官員宣稱，他們不僅因蘇聯(lián)首先成功地發(fā)射衛(wèi)星感到震驚，而且對這顆衛(wèi)星的體積之大感到驚訝。這顆衛(wèi)星重83公斤，比美國準(zhǔn)備在第二年初發(fā)射的衛(wèi)星重8倍，可是，美國沒有蘇聯(lián)那么大的R7火箭，所以，發(fā)射不了。
蘇聯(lián)宣布說，這顆衛(wèi)星的球體直徑為55厘米，繞地球一周需1小時35分，距地面的最大高度為900公里，用兩個頻道連續(xù)發(fā)送信號。由于運行軌道和赤道成65度夾角，因此它每日可兩次在莫斯科上空通過。蘇聯(lián)對發(fā)射這顆衛(wèi)星的火箭沒做詳細(xì)報道，不過曾提到它以每秒8公里的速度離開地面。他們說，這次發(fā)射開辟了星際航行的道路。
1957年10月4日，這是人造衛(wèi)星史上難忘的一天，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。這一事件具有劃時代的意義，它宣告人類已經(jīng)進(jìn)入空間時代，天體物理學(xué)的理論也開始應(yīng)用于實踐階段。
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4.高一物理筆記歸納