圓周運動知識的生活化研究

尹義軒

摘 要：“力是物體運動的原因”，這是在初中最初學習物理時就掌握了的概念，在力的作用下物體能夠出現靜止和運動兩種狀態，也是在力的作用下物體能夠做出勻速運動、變速運動，還是在力的作用下，物體能夠做出直線運動、曲線運動。對勻速的圓周運動進行了概述，并對生活之中的勻速圓周運動進行了探究。

關鍵詞：高中物理；圓周運動；生活研究

一、圓周運動的概述

1.概念

某一質點在半徑為r的圓周上進行運動，此時質點的運動軌跡即為圓周，質點所做的運動即是圓周運動。圓周運動是生活之中常見的一種曲線運動，它可以分為勻速圓周運動與變速圓周運動，其中最常見、最簡單的是勻速圓周運動，這一部分也是高中物理的教學內容。勻速圓周運動指的是質點在圓周運動過程中，在任意相等的時間內通過的圓弧長度相等的一種運動過程。

2.特點

勻速圓周運動具有與變速圓周運動、其他曲線運動不同的運動特點，它的運動軌跡是標準的圓，它的角速度、線速度、向心加速度、周期大小不變，且向心加速度的方向總是指向圓心。

3.條件

勻速圓周運動的充分且必要條件包括兩點，一是具有不為零的初速度，二是受到大小不變、方向與速度垂直且指向圓心的向心力的作用。

根據圓周運動的概念、特點、條件的研究，我們可以發現勻速圓周這一種運動形式受到了很多限制：首先要有初速度，其次運動要勻速，再次持續受到力的作用，最后力的方向必須指向圓心，且與速度方向垂直。在學習過程之中我不免思考，在諸多條件的約束下，生活之中真的有勻速的圓周運動嗎？

二、生活之中的圓周運動研究

事實證明，現實生活中存在著諸多勻速圓周運動的案例：汽車的輪胎、火車的轉彎、汽車過拱形橋和凹形橋、航天器的失重、游樂場的摩天輪等等，均是生活之中的現實案例。下面我結合所學內容對一些常見的生活案例進行研究，并針對研究的結果進行深入的分析，挖掘這一部分知識的現實意義。

1.蕩秋千

在游樂場之中，我偶然發現當個體在蕩秋千時，受到向下的重力，和來源于秋千座椅的支持力，也就是來源于秋千繩子的拉力。在蕩秋千的過程之中，秋千的繩長是固定不變的，當個體蕩秋千時的速度為勻速時，就相當于進行了勻速圓周運動。根據物理所學習的知識，當我們設蕩秋千的個體體重為m，秋千的繩長為l，個體在最低點的運動速度為v，那么個體所收到的向心力即為F=mv2/r=mv2/l。在我的研究即將止步時，我發現有小朋友在蕩秋千時由于沒有抓穩繩子被“拋”了出來，我想這應該就是所謂的離心運動，鑒于此我展開了進一步研究。以我個人為例，我的重量是40kg，蕩秋千時最大速度能夠達到5m/s，經了解秋千的兩根繩長均為4m，繩子能夠承受的張力為300N。如果我去蕩秋千，我所受到的向心力為F=mv2/r=250N，通過分析我們可以得出在蕩秋千到最低點時，向心力F=F支-G，也就是F支=F+G=650N，此時兩根秋千繩子所承受的拉力為F拉=F支/2=325N>300N，那么也就是說，當我在這個秋千上以5m/s的速度玩耍時，就會使繩子因承受不住拉力而斷裂，進而出現離心運動摔倒在地。

在此我將自身的研究展示出來，是希望能夠通過本文提醒各位讀者，出于安全的角度，當在進行蕩秋千這一游戲時一定要提醒游戲者速度不要過快，被拋出去并不一定是因為器械功能不完善或者運氣不佳，這其中蘊涵著的物理學原理證明著速度若是過快一定會出現危險。

2.拱形橋

在教材之中拱形橋的問題已經被研究得足夠透徹，我在本文之中再次提到拱形橋的問題，是在以上研究的基礎之上對拱形橋的問題進行了更進一步的探索。眾所周知，無論是拱形橋還是蕩秋千，當物體發生離心運動時都有可能會遭遇危險，為避免危險的發生，我們需要遵守相關的規則和制度，如一定質量的個體在蕩秋千時必定要在一定的速度范圍之內，再比如一定質量的汽車在過拱形橋的時候一定要遵守橋頭所豎立的速度標識。我曾這樣思考：為什么汽車在上橋時受限制的速度而不是橋上已承載了多少汽車？現在看來，這是由于橋上各汽車在勻速運動的過程之中都會受到重力和支持力的合力——向心力，而根據勻速圓周運動的原理，當汽車運動速度過慢時，橋所承受的壓力也會增加，倘若規定了最低的運動速度，就相當于間接地對橋的受力進行了限制，從而達到安全的效果。

這一案例的深入思考讓我明白了遵守規則的重要性，有的時候一個不起眼的標識有可能對我們的安全帶來極大的影響作用。總而言之，作為高中生，我們要帶著一雙善于觀察的眼睛去發現生活之中的處處可見的物理現象，并利用課堂之中所學習的物理知識來對相關的物理問題進行分析、解釋，再根據自身的深入思考，來使每一個固定在課本教材之中的知識能夠發揮自身最大的價值，促進自身的健康成長。

參考文獻：

[1]劉錦洋.生活中的圓周運動問題歸類解析[J].中學課程輔導（教學研究），2015，9（31）：74-75.

[2]王翠萍.生活中圓周運動典型問題[J].新高考（高一物理），2017（2）.

編輯 姚曉媛endprint