高中定量 · 初中直观拓展 · 力学 · 圆周运动

速度翻倍,拉绳要多用多少力?

水平面匀速圆周运动,竖直支持力平衡重力;箭头仅示意方向。把速率加倍,比较向心力。

问题的来处1687年 · 牛顿《自然哲学的数学原理》

圆周运动台:问题从哪里来?

月球为什么一直落向地球,却没有落到地面?牛顿将天体运行和地面运动放进同一套力学,说明持续改变速度方向同样需要力。

读一段背景,带着问题动手

月球为什么一直落向地球,却没有落到地面?牛顿将天体运行和地面运动放进同一套力学,说明持续改变速度方向同样需要力。

圆周运动台把轨道问题缩成一根绳和一个小球。速度加倍时,先预测绳需要承受几倍拉力,再看向心力读数。

现在,换你来试把速率加倍,比较向心力。 固定其他条件,亲手将速率分别设为2和4m/s,各核验一次;速率不变时,速度为什么仍在变?

圆周运动台

P13 / 力学
今天的问题

速率不变时,速度为什么仍在变?

独立探索要做什么?

把速率加倍,比较向心力。 固定其他条件,亲手将速率分别设为2和4m/s,各核验一次;速率不变时,速度为什么仍在变?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
切向速度 · 径向拉力(力线限幅显示)
圆环:运动平面金球:质点径向线:绳与力的方向
看这里 · 所需向心力2 N

所需向心力2.000 N;速率翻倍时力增为四倍。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

35 °圆周运动按真实角速度的0.2倍慢放。
所需向心力
2 N
周期
6.2832 s

所需向心力2.000 N;速率翻倍时力增为四倍。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

同样速率,把半径加倍会怎样?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

aᵣ=v²/r;Fᵣ=mv²/r;T=2πr/v。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

速率不变时,速度为什么仍在变?

换个条件,再试一次

同样速率,把半径加倍会怎样?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识力学 · 圆周运动涉及的量与单位:速率(m/s)、轨道半径(m)、质量(kg)、转角(°)。高中定量 · 初中直观拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:把速率加倍,比较向心力。

再做定量:保持其他条件,比较速率与所需向心力(N),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

aᵣ=v²/r;Fᵣ=mv²/r;T=2πr/v。

对照核验提示:慢速:速率 2 m/s;两倍速率:只改变速率 4 m/s。按这些题设自己操作并比较所需向心力,不把参考情景当个人完成。

适用范围:所需向心力2.000 N;速率翻倍时力增为四倍。

OpenStax · Uniform Circular Motion(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。