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1.1 曲线运动条件

曲线运动与万有引力 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 物体所受合外力方向与速度方向不在同一直线上时,物体做曲线运动。

从哪来 基于 1.1 三大定律对比 中牛顿第二定律(力决定加速度方向)及 1.1 基本物理量 中矢量(速度、力)的方向性定义。

为什么 根据牛顿第二定律 $\vec{F}_{合} = m\vec{a}$,合外力方向决定了加速度方向。 若 $\vec{F}_{合}$ 与 $\vec{v}$ 共线,加速度只改变速度大小,轨迹为直线。 若 $\vec{F}_{合}$ 与 $\vec{v}$ 不共线,可将 $\vec{F}_{合}$ 分解为沿速度方向的分力 $F_t$ 和垂直速度方向的分力 $F_n$。 $F_t$ 改变速度大小,$F_n$ 改变速度方向。只要 $F_n \neq 0$,速度方向就会时刻改变,轨迹必然弯曲。

讲法
类比法:推箱子 vs 甩绳子 适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 讲解:想象你推一个箱子,力向前,箱子直走(直线运动)。现在你手里拿一根绳子拴着球,你拉着绳子走,球绕着你转。此时你的拉力(合外力)指向圆心,而球的速度沿切线方向。力与速度不共线,球就转圈。如果绳子断了(力消失),球就沿切线飞出去(惯性)。强调:力是“拐弯”的原因,不是“前进”的原因。
讲法
矢量分解法:正交分解思维 适合逻辑严密、擅长数学推导的学生。 讲解:将合外力 $\vec{F}$ 分解为平行于速度 $\vec{v}$ 的分量 $F_{\parallel}$ 和垂直于速度 $\vec{v}$ 的分量 $F_{\perp}$。 - $F_{\parallel}$ 产生切向加速度 $a_t$,只改变 $|\vec{v}|$。 - $F_{\perp}$ 产生法向加速度 $a_n$,只改变 $\vec{v}$ 的方向。 结论:只要 $F_{\perp} \neq 0$,即 $\vec{F}$ 与 $\vec{v}$ 不共线,方向必变,即为曲线运动。这是判断曲线运动最本质的数学依据。
讲法
反证法:假设共线会怎样 适合喜欢质疑、思维活跃的学生。 讲解:假设物体做曲线运动,但在某一瞬间,合外力 $\vec{F}$ 与速度 $\vec{v}$ 共线。 根据牛顿第二定律,加速度 $\vec{a}$ 也与 $\vec{v}$ 共线。 这意味着下一时刻的速度 $\vec{v}' = \vec{v} + \vec{a}\Delta t$ 仍然与 $\vec{v}$ 共线。 如此循环,速度方向永远不变,轨迹只能是直线。 这与“做曲线运动”的前提矛盾。因此,做曲线运动的物体,其合外力方向一定与速度方向不共线。
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练一道
基础题
一个物体在光滑水平面上以速度 $v_0$ 向东运动。此时受到一个恒定的向北的力 $F$。请判断物体的运动轨迹,并说明理由。
变式
一个物体做匀速圆周运动。请问:物体所受的合外力方向与速度方向的关系是什么?如果合外力突然变为零,物体将如何运动?
试试手自己判
检测题
一个物体在水平面上运动,其速度方向向东。若该物体受到的合外力方向为东北方向(与速度成45度角),请判断: 1. 物体做直线运动还是曲线运动? 2. 物体的速率(速度大小)是增加、减小还是不变?
看答案和判分标准
答案:1. 曲线运动。 2. 增加。
判对标准:
- 第1问答“曲线运动”得1分。理由需提及“力与速度不共线”。
- 第2问答“增加”得1分。理由需提及“力在速度方向上有正的分量”或“夹角小于90度”。
- 若只答结论无理由,扣1分。若理由错误(如说因为力大所以增加),不得分。
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