圆周运动题中,常见错误是在重力、支持力和摩擦力之外,再画一个叫“向心力”的新力。更准确的做法,是选择径向方向,找出现有相互作用的合力。
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画真实相互作用
质量1.0千克的物体在水平面上以2.0米/秒做半径2.0米的匀速圆周运动。假设静摩擦提供水平径向作用,竖直方向没有加速度。
受力图应有向下重力、向上支持力和指向圆心的摩擦力。径向合力等于mv²/r,不需要再额外添加一个力。
计算需要多大摩擦
径向加速度为v²/r=4/2=2.0米/秒²,所以所需摩擦为2.0牛。取g=9.8米/秒²,支持力为9.8牛。
如果用最大静摩擦μN判断是否可行,至少需要μ≥2/9.8≈0.204。这是条件检查,不意味着每次静摩擦都必须等于μN。
速度加倍为什么影响很大
半径和质量不变时,所需径向力与速度平方成正比。速度从2.0变成4.0米/秒,需要的力变成8.0牛,而不是4.0牛。
若可提供的最大摩擦没有增加,原来的运动状态可能无法维持。不要在超出约束后仍无条件使用相同圆轨道。
检查方向与模型
匀速只说明速率不变,不表示加速度为零;速度方向持续变化,需要径向加速度。若题目还涉及速率变化,则还要单独分析切向方向。
这道原创基础题用于练建模。准备CAP时,可以把错题中的真实力、坐标方向和约束条件分别记录,再结合适合自己基础的公开材料继续学习。
延伸阅读:CAP加拿大物理竞赛力学题怎么建模?受力图、加速度与拉力训练。
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