探析圆周运动中的瞬时性问题

◇ 山东 孙风武

(作者单位:山东省临清市第三高级中学)

圆周运动是物理学中常见的一类运动情况,也是高中物理学习中重要的基础知识.但是在初中阶段学生们并没有接触过这类知识,无法准确掌握圆周运动中的瞬时性问题.因此,教师在进行教学时应着重强调圆周运动中的瞬时性问题,帮助大家形成正确的概念理解,提升物理学习效率.本文围绕高中物理圆周运动瞬时性问题的几点教学策略展开论述.

1 线速度,关注瞬时方向

初中阶段,学生并没有接触过线速度,它是曲线运动中特有的概念,与初中时期所学的速度有着相似之处,但并不完全相同.首先,圆周运动中的线速度是指物体运动到圆周上某一点时的瞬时速度,不能代表某个过程的速度,更不能表示整个圆周运动的速度;其次,速度包括大小和方向两个方面,匀速圆周运动并不是指它的速度始终保持不变,而是速度大小保持不变,速度方向不断变化.

2 向心加速度,反映瞬时变化程度

向心加速度不同于我们以往所接触的加速度,它是反映方向改变快慢的物理量,具有瞬时性.在圆周运动中,物体的运动方向时刻发生着改变,也正是向心加速度使它产生下一时刻方向的改变.教师应当对其瞬时性进行重点讲解,帮助学生更好地理解与掌握这一概念,了解圆周运动的瞬时变化程度.

例如,教师可讲解这样一道选择题:匀速圆周运动中关于向心加速度的说法正确的是( ).

A.向心加速度始终指向圆心,所以方向保持不变

B.匀速圆周运动的向心加速度始终保持不变

C.向心加速度大小随着位置改变而改变

D.其与线速度方向垂直

这道题目需要学生对向心加速度有准确的认识.向心加速度反映的是运动中方向的变化快慢,与速度大小无关,其方向始终与线速度方向垂直,但是随着线速度的改变,向心加速度也在时刻改变,具有瞬时性.所以D 选项正确.

3 向心力,解释瞬时状态

力是改变运动状态的原因.物体在进行圆周运动时,其运动状态时刻发生着改变,这是向心力作用的结果.同我们之前所学的重力、弹力等一样,向心力也具有矢量性.另外,它是物体所受合外力的一种效果,具有瞬时性,学生往往容易忽略这一点而造成错解.在学习圆周运动时,教师可以结合例子向学生说明向心力的概念,帮助其理解圆周运动中某一时刻的运动状态.

例如,水平面上狗拉雪橇在做匀速圆周运动,选取运动轨迹中任意一点,雪橇受牵引力、摩擦力、重力和支持力作用.则雪橇所受的牵引力和摩擦力的可能情况为( ).

A.两个力均与轨迹半径垂直,方向相反

B.摩擦力指向圆心,牵引力与摩擦力垂直

C.摩擦力与轨迹半径垂直,牵引力指向轨迹圆内,与摩擦力呈钝角

对雪橇进行受力分析,如果雪橇做匀速圆周运动,那么摩擦力和牵引力的合力方向时时刻刻指向圆心,充当向心力,改变着它的运动状态,否则雪橇无法做匀速圆周运动.因此选项C正确.

可见,向心力能够帮助我们清楚地解释圆周运动中的运动状态.但是教师要着重强调,向心力并不是物体实际受到的一个力,而是根据物体的受力情况进行合成分解,依据效果定义的一种力.

总之,圆周运动是高中物理学习中非常重要的概念,而瞬时性是圆周运动中十分特殊的一种性质.教师应当通过教学,引导学生正确地理解与应用,为以后的物理学习打下坚实的基础.