5.5 向心加速度 学案(定稿)

5.5 向心加速度

1．圆周运动的速度方向不断改变，一定是________运动，必定有________．任何做匀速圆周运动的

物体的加速度的方向都指向________，这个加速度叫向心加速度．

2．向心加速度是描述物体____________改变________的物理量，其计算公式为a n ＝________＝________.

3．关于匀速圆周运动及向心加速度，下列说法中正确的是( )

A ．匀速圆周运动是一种匀速运动

B ．匀速圆周运动是一种匀速曲线运动

C ．向心加速度描述线速度大小变化的快慢

D ．匀速圆周运动是加速度方向不断改变的变速运动

4．关于做匀速圆周运动物体的向心加速度的方向，下列说法中正确的是( )

A ．与线速度方向始终相同

B ．与线速度方向始终相反

C ．始终指向圆心

D ．始终保持不变

5．关于做匀速圆周运动的物体的向心加速度，下列说法正确的是( )

A ．向心加速度的大小和方向都不变

B ．向心加速度的大小和方向都不断变化

C ．向心加速度的大小不变，方向不断变化

D ．向心加速度的大小不断变化，方向不变

6．关于质点做匀速圆周运动的下列说法中正确的是( )

A ．由a ＝v 2r

可知，a 与r 成反比 B ．由a ＝ω2r 可知，a 与r 成正比

C ．当v 一定时，a 与r 成反比

D ．由ω＝2πn 可知，角速度ω与转速n 成正比

7．高速列车已经成为世界上重要的交通工具之一，某高速列车时速可达360 km/h.当该列车以恒定的速率在半径为2 000 m 的水平面上做匀速圆周运动时，则( )

A ．乘客做圆周运动的加速度为5 m/s 2

B ．乘客做圆周运动的加速度为0.5 m/s 2

C ．列车进入弯道时做匀速运动

D ．乘客随列车运动时的速度不变

【概念规律练】

知识点一 对向心加速度的理解

1．关于向心加速度的物理意义，下列说法正确的是( )

A ．它描述的是线速度大小变化的快慢

B ．它描述的是线速度方向变化的快慢

C ．它描述的是物体运动的路程变化的快慢

D ．它描述的是角速度变化的快慢

2．下列关于向心加速度的说法中，正确的是( )

A ．向心加速度的方向始终与速度的方向垂直

B ．向心加速度的方向始终保持不变

C ．在匀速圆周运动中，向心加速度是恒定的

D ．在匀速圆周运动中，向心加速度的大小不断变化

知识点二 对向心加速度公式的理解

3．关于匀速圆周运动的向心加速度，下列说法中正确的是( )

A ．由于a ＝v 2r

，所以线速度大的物体向心加速度大 B ．由于a ＝v 2r

，所以旋转半径大的物体向心加速度小 C ．由于a ＝rω2，所以角速度大的物体向心加速度大

D ．以上结论都不正确

4．如图所示为质点P 、Q 做匀速圆周运动时向心加速度随半径变化的图线，表示质点P 的图线是双曲线，表示质点Q 的图线是过原点的一条直线，由图线可知( )

A ．质点P 的线速度大小不变

B ．质点P 的角速度大小不变

C ．质点Q 的角速度随半径变化

D ．质点Q 的线速度大小不变

知识点三 对速度变化量的理解

5．某物体以10 m/s 的速率沿周长为40 m 的圆做匀速圆周运动，求：

(1)物体运动2 s 内的位移和速度变化大小．

(2)物体运动4 s 内的位移和速度变化大小．

(3)物体的向心加速度大小．

【方法技巧练】

一、传动装置中的向心加速度

6．如图所示，O 、O 1为两个皮带轮，O 轮的半径为r ，O 1轮的半径为R ，且R >r ，M 点为O 轮边缘上的一点，N 点为O 1轮上的任意一点．当皮带轮转动时(设转动过程中不打滑)，则( )

A ．M 点的向心加速度一定大于N 点的向心加速度

B ．M 点的向心加速度一定等于N 点的向心加速度

C ．M 点的向心加速度可能小于N 点的向心加速度

D ．M 点的向心加速度可能等于N 点的向心加速度

7．如图3所示，O 1为皮带传动的主动轮的轴心，轮半径为r 1，O 2为从动轮的轴心，轮半径为r 2，r 3为固定在从动轮上的小轮的半径．已知r 2＝2r 1，r 3＝1.5r 1.A 、B 、C 分别是3个轮边缘上的点，则质点A 、

B 、

C 的向心加速度之比是(假设皮带不打滑)( )

A ．1∶2∶3

B ．2∶4∶3

C ．8∶4∶3

D ．3∶6∶2

二、向心加速度与其他运动规律的结论

8．如图4所示，定滑轮的半径r ＝2 cm ，绕在滑轮上的细线悬挂着一个重物，由静止开

始释放，测得重物以加速度a ＝2 m/s 2匀加速运动，在重物由静止下落1 m 的瞬间，滑轮边缘

上的点的角速度ω＝______ rad/s ，向心加速度a n ＝______ m/s 2.

9．一个圆盘在水平面内匀速转动，角速度是4 rad/s ，盘面上距盘中心0.01 m 的位置有一

个质量为0.1 kg 的小物体能够随盘一起转动，如图5所示．求物体转动的向心加速度的大小和方向．

参考答案

课前预习练

1．变速 加速度 圆心

2．速度方向 快慢 v 2r

ω2r 3．D [匀速圆周运动的速度方向时刻改变，是一种变速曲线运动，A 、B 错；匀速圆周运动的加速度大小不变，方向时刻在改变，且加速度的大小描述了做匀速圆周运动的物体线速度方向变化的快慢，故C 错，D 对．]

4．C 5.C 6.CD

7．A [乘客随列车以360 km/h 的速率沿半径为2 000 m 的圆周运动，向心加速度a ＝v 2r ＝10022 000 m/s 2＝5 m/s 2，A 对，B 错；乘客随列车运动时的速度大小不变，方向时刻变化，C 、D 错．]

课堂探究练

1．B [向心加速度描述了线速度方向变化的快慢，故选B.]

点评 由于向心加速度始终与速度垂直，故向心加速度只改变速度的方向，不改变速度的大小，故向心加速度的大小表示线速度方向改变的快慢．

2．A [向心加速度方向始终指向圆心，与速度方向垂直，方向时刻在变化，故选项A 正确，B 错误；在匀速圆周运动中向心加速度的大小不变，方向时刻变化，故选项C 、D 错误．]

3．D [研究三个物理量之间的关系时，要注意在一个量一定时，研究另两个量的关系，比如a ＝v 2r 只有在r 一定的前提下，才能说速度v 越大，加速度a 越大．]

4．A [由图象知，质点P 的向心加速度随半径r 的变化曲线是双曲线，因此可以判定质点P 的向心

加速度a p 与半径r 的积是一个常数k ，即a p r ＝k ，a p ＝k r ，与向心加速度的计算公式a p ＝v 2r

对照可得v 2＝k ，即质点P 的线速度v ＝k ，大小不变，A 选项正确；同理，知道质点Q 的向心加速度a Q ＝k ′r 与a ＝ω2r 对照可知ω2＝k ′，ω＝k ′(常数)，质点Q 的角速度保持不变．因此选项B 、C 、D 皆不正确．]

点评 正确理解图象所表达的物理意义是解题的关键，搞清向心加速度公式a n ＝v 2

r

和a n ＝ω2r 的适用条件．

5．(1)12.7 m 20 m/s (2)0 0 (3)15.7 m/s 2

解析 (1)经2 s 的时间，物体通过的路程s ＝10×2 m ＝20 m ，即物体通过了半个圆周，此时物体的位

置与原出发位置关于圆心对称，故其位移大小x ＝2r ＝40π

m ＝12.7 m ，物体的速度变化大小Δv ＝2v ＝20 m/s. (2)经4 s 的时间，物体又回到出发位置，位移为零，速度变化为零．

(3)物体的向心加速度大小

a ＝v 2r ＝102

40

2π

m/s 2＝15.7 m/s 2 点评 ①速度变化量是矢量，它有大小，也有方向．当物体沿直线运动且速度增大时，Δv 的方向与初速度方向相同；当物体沿直线运动且速度减小时，Δv 的方向与初速度方向相反，如图所示：

②如果物体做曲线运动，我们把初速度v 1移到末速度v 2上，使v 1、v 2的箭尾重合，则从v 1的箭头指向v 2箭头的有向线段就表示Δv ，如图所示．

6．A [因为两轮的转动是通过皮带传动的，而且皮带在传动过程中不打滑，故两轮边缘各点的线速

度大小一定相等．在大轮边缘上任取一点Q ，因为R >r ，所以由a n ＝v 2

r

可知，a Q a N ，因此A 选项正确．]

方法总结 涉及传动装置问题时，先找出哪些点线速度相等，哪些点角速度相等，然后相应地应用a

＝v2

r、a n＝ω

2r进行分析．

7．C[因皮带不打滑，A点与B点的线速度大小相同，根据向心加速度公式：a n＝

v2

r，

可得a A∶a B＝r2∶r1＝2∶1.

B点、C点是固定在一起的轮上的两点，所以它们的角速度相同，根据向心加速度公式：a n＝rω2，可

得

a B∶a C＝r2∶r3＝2∶1.5.

所以a A∶a B∶a C＝8∶4∶3，故选C.]

方法总结(1)向心加速度的公式a n＝rω2＝v2

r中，都涉及三个物理量的变化关系，因此必须在某一物

理量不变时，才可以判断另外两个物理量之间的关系．

(2)对于皮带传动、链条传动等装置，要先确定轮上各点v、ω的关系，再进一步确定向心加速度a的关系．

8．100200

解析由题意知，滑轮边缘上的点的线速度与物体的速度相等，由推论公式2ax＝v2，得v＝2 m/s.又因v＝rω，所以ω＝100 rad/s，a n＝vω＝200 m/s2.

方法总结抓住同轮边缘各点同一时刻线速度的大小相等，且与物体下降的速度大小相等，再由匀变速运动的规律分析相关问题．

9．0.16 m/s2，方向指向圆心

解析由a n＝rω2得a n＝0.01×42 m/s2＝0.16 m/s2.