对向心力公式中的“r”应注意的三个问题

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  对于圆周运动中向心力表达式F=mv2r=mω2r=m(2πT)2r中的r,一些学生不能够引起重视,往往简单认为它只不过是一个圆周半径而已,无需探究。但笔者在教学过程中发现,就是对“r”的理解不清晰,导致许多问题的解析出现错误。现分析一下,望引起重视。
  
  【辨析】上述答案是正确的,但分析过程中对规律的应用上是错误的。卫星在轨道2上从Q点到P点过程中,作的是椭圆运动,而非匀速圆周运动,运动性质判定错误。根据万有引力提供向心力,GMmR2 中的R应为万有引力距离,即卫星到地心的距离;而mv2R中的R应为卫星在椭圆轨道所在位置的曲率半径,并非到地心的距离。很明显,从Q到P过程中引力距离与轨道曲率半径是不相等的,两式中R的含义是不同的。“解析”中将引力距离与做匀速圆周运动半径相混淆,概念出现错误。
  
  正确分析如下:加速后的卫星从Q点到P点的过程中,只有动能与引力(重力)势能之间转化。离地心的距离逐渐增大,卫星对地心的瞬时速度方向与所受万有引力方向的夹角大于90°,万有引力做负功,动能减少,而势能增加,因而卫星速率减小,故C项正确。
  
  有的同学在解释“卫星在轨道2上经过P点加速度与在轨道3上经过P点的加速度相等”时,也往往说成“卫星在轨道2上经过P点和在轨道3上经过P点的半径相等,由ma=GMmR2 知,它们的加速度也相等。这仍是犯了上述错误,误把引力距离与做圆周运动的半径混为一谈。
  (审稿:陶澄编校:黄向东)
  
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