離心力概念辨析

離心力概念辨析作者：周卿倩岳曉婷來源：《物理教學探討》2021年第09期?1與懂怛臨心用的反別L耳蠟匕靖印李5鼠1.19堅也制<￡JjftCf慎推寒9非情性:*剃Ml近口的構體礎期"「袒勸搏俳1心力咐自力的仆憫柞幽心JJ■礎為通始陽遠通的卑械蝕票Jt用1得垢動的利礙地球月球萬（華球T月球）地球，地球圖3月球的轉動■=月球圖4地球受到的萬有引力稱為離心力G圖5圓錐擺

A0圖6碗里的小球A0圖7單擺圖8汽車過拱橋關鍵詞：離心力：慣性離心力：向心力離心力是高中物理中一個被提及，但是又沒有正式介紹的物理概念。雖然沒有正式對離心力進行介紹，但學生在生活中往往又能感受到離心力的存在，會因已學知識與白我感受產生矛盾而困惑——甩球時能感受到繩對手的拉力，為什么離心運動不是由于離心力，而是由于慣性？少數教師也會產生誤一一離心力與慣性離心力是同一個力么？甚至某些百科辭典在對“離心力”逵行定義時也存在一定差異一“質點的法向慣性力”與“向心力的反作用力”。1離心力與慣性離心力概念辨析由于詞意相近，離心力易與慣性離心力（或稱離心慣性力）產生混淆，高中物理教材中會提及“離心現(xiàn)象”，但對離心力的概念并未正式介紹，不少學生對于'到底什么是離心力”很可能會存有疑惑，有人認為離心力就是慣性離心力，離心力并不存在，是虛擬力；有人卻認為離心力是向心力的反作用力，與向心力同時出現(xiàn)，同時消失。在大學物理教材中，也甚少對離心力進行詳解，有些舊版的力學教材譯本將離心力描述為'系統(tǒng)因轉動而產生的慣性力的三個部分之一”。在物理學中，至憔什么是離心力？什么是慣性離心力？離心力與慣性離心力有何區(qū)別？1.1離心力本文所定義的離心力為《數學辭?！分忻枋龅碾x心力一一離心力是一種特殊的力，是向心力的反作用力，即做網周運動的物體對迫使它做網周運動的施力物體的作用力，力的大小等于，方向沿主法線背離曲率中心。離心力既可以存在于慣性系中，也可以存在于非慣性系中。由牛頓第三定律一“每一個作用總是有一個相等的反作用與它對抗'可知，向心力與離心力是一對作用力與反作用力，離心力也可以叫作'反作用離心力”。作為向心力的反作用力，離心力作用于迫使做網周運動的物體改變方向的另一個關聯(lián)物體上，并不作用于做網周運動的物體本身。1.2慣性離心力要了解什么是慣性離心力，首先要了解什么是慣性力。慣性力是為了使牛頓第二定律能夠在非慣性系中依然成立，而引入的一種假想力。相對于一個慣性系做變速運動的參考系稱為非慣性系，由此可知，相對于慣性系做勻速網周運動的物體也是非慣性系。若物體在這樣轉動的參照系上保持靜止不動，仍保持牛頓第二定律形式不變，同樣需要引入一個這樣的慣性力這個慣性力就稱為慣性離心力（或離心慣性力）。1.3離心力與慣性離心力的區(qū)別（表1）（1）真實性：離心力是真實力：慣性力是虛擬力，是人們在非慣性系中運用牛頓定律處理問題的手段。慣性力雖然是虛擬的但不是虛假的，慣性力是人在非慣性系中的一種感覺，是能夠真實感受到的，只不過它不屬于牛頓力學中的相互作用力。若把力定義為'使物體獲得加速度”，那么慣性力也是真實的。（2）適用參考系：離心力是描述向心力的反作用力的一個物理名稱，在慣性系和非慣性系中都存在（牛頓第三定律在慣性系和非慣性系中都成立）；而慣性離心力僅在非慣性系中存在。（3）相互作用：施力物體：離心力本身屬于牛頓力學中的相互作用力，有施力物體，即做網周運動的物體;慣性離心力是慣性力的一種，不屬于相互作用力，沒有施力物體。受力物體：離心力作用在提供網周運動物體向心力的施力物體上，而慣性力則是作用在做網周運動的物體本身上。2離心力與向心力的關系離心力是向心力的反作用力，但向心力的反作用力不一定是離心力?！跋蛐牧Α焙汀半x心力”并不是每時每刻都能成對出現(xiàn)、同時使用的。向心力是由力的作用效果而不是力的性質來命名的，“向心”兩個字只表示這個力或分力或合力所發(fā)生的作用效果，其本身可能是摩擦力、彈力、萬有引力其中的一個力，可能是某個力的分力，也可能是某幾個力的合力。因此，在對離心力與向心力的關系進行討論時，要分為向心力由一個力、一個力的分力、幾個力的合力提供這三種情況。2.1向心力由一個力提供若向心力由一個力提供，“離心力”名稱能夠被使用，其本質是向心力的反作用力，它與向心力的大小相等、方向相反，作用在向心力的施力物體上，與向心力同時存在、同時消失。例1向心力由拉力提供：繩拉小球轉動水平桌面上的小球在繩的拉力下做繞網心的勻速網周運動，如圖1所示。小球受到三個力的作用：桌面對它的支持力FN、重力G、繩的拉力F。支持力與重力作用在豎直方向上，大小相等、方向相反，相互抵消。繩的拉力給小球提供做勻速網周運動的向心力。根據牛頓第三定律，繩對小球的作用力有一個大小相等、方向相反的反作用力F一小球對繩的拉力，這個反作用力作用在繩（施力物體）上，稱為離心力（圖2）。這時如果繩施加于小球的力是由人的手提供的話，由于繩上的力有傳遞性，我們的手是能夠受到這個被拉扯的反作用力（離心力）的。例2向心力由萬有引力提供：月球的轉動在中學物理中，我們把月球繞地球的運動近似為做勻速網周運動，如圖3所示。在月球轉動的過程中，只受到一個力的作一地球對月球的萬有引力，而這個力正是提供了月球做網周運動的向心力。根據牛頓第三定律，月球對地球也有萬有引力，這個力就是離心力，如圖4所示。這個離心力的施力物體是月球（做網周運動的物體），作用在地球（向心力的施力物體）上，與向心力大小相等，都是F=G方向相反，沿月球指向地球方向。2.2向心力由一個力的分力提供向心力由一個力的分力提供時，正如不能把分力提供向心力的那整個力稱為'向心力”一樣，把某一個力稱為“離心力”是不準確也不正確的，不能夠把提供向心力的力的反作用力稱為“離心力”。但向心力仍然有反作用力。例1向心力由拉力的分力提供：圓錐擺網錐擺的小球在水平面做網周運動，如圖5所示。小球受到兩個力的作用：重力和繩對小球的拉力。其中，重力的方向豎直向下，對小球的網周運動不起作用;拉力的方向沿繩向上，拉力沿水平方向的分力提供向心力，沿豎直方向的分力對網周運動不起作用，并且與重力平衡。網錐擺中向心力僅由繩的拉力在水平方向的分力提供，即向心力是繩拉力的分力。根據牛頓第三定律，繩一定受到一個小球對它大小相等、方向相反的反作用力，反作用力沿繩向下，施力物體受到的反作用力依然存在，但是正如不能說'整個繩的拉力就是向心力”一樣，稱整個反作用力為“離心力”是不準確的。例2向心力由支持力的分力提供：碗里的小球小球在碗中繞網心做網周運動，如圖6所示。小球受到兩個力的作用：碗的支持力與重力G,重力G的方向豎直向下，對小球的網周運動不起作用。F可分解為兩部分，在豎直方向的分力對網周運動沒有效果且與重力平衡，F(xiàn)在水平方向的分力提供小球沿著水平面繞中心做網周運動的向心力。即小球做網周運動的向心力僅由支持力F的分力提供。根據牛頓第三定律，小球對碗也存在一個與F大小相等、方向相反的反作用力——壓力F，施力物體為小球，受力物體為碗。但壓力F不能稱為“離心力”，正如不能說“支持力F是小球做網周運動的向心力”一樣，稱整個反作用力為“離心力”是不準確的。2.3向心力由多個力的合力提供向心力由多個力的合力提供時，這些不同力甚至可能來白于不同的施力物體，做網周運動的物體對不同的施力物體仍有反作用力，這些反作用力的矢量和也確實與向心力大小相等、方向相反，但這些反作用力的矢量和并不能稱為“離心力”。因為這些反作用力分別作用在不同的物體，簡單地進行數學上的矢量相加并不具有任何物理意義。因此，當向心力是由多個力的合力提供時，討論'離心力”沒有任何意義。例1向心力由拉力和重力的合力提供：單擺單擺繞懸點做網周運動，如圖7所示。小球受到兩個力：重力以及繩的拉力。重力G和拉力F-的合力提供小球做網周運動的向心力F。根據牛頓第三定律，重力G（地球對小球的吸引力）會有一個大小相等、方向相反的反作用力——小球?對地球的吸引力：繩對小球的拉力F同樣存在一個大小相等、方向相反的反作用力——小球對繩的拉力。這兩個力分別作用在地球、繩兩個不同的物體上，我們稱重力和拉力的合力為小球的向心力，但兩個反作用力分別作用在不同的物體上，無法將二力求合力得到一個和向心力大小相等、方向相反的'離心力”，因此在這類情況下討論施力物體受“向心力的反作用力——離心力”是沒有意義的。例2向心力由支持力和重力的合力提供：汽車過拱橋汽車路過拱橋頂端時，是繞曲率半徑的網周運動，如圖8所示。此時汽車受到兩個力：拱橋對此車的支持力F與重力G，它們的合力豎直向下，提供了汽車繞曲率半徑網周運動的向心力。根據牛頓第三定律，地面對小車的支持力F有一個等值反向、在同一條直線上的反作用力——汽車對拱橋的壓力F，重力G（近似為地球對汽車的萬有引力）也有一個等值反向的反作用力——汽車對地球的萬有引力F。盡管壓力F與萬有引力F的矢量和確實與向心力等值反向，但由于受力物體不同，把這兩個力進行矢量相加并沒有任何意義，因此這個矢量和并不能稱為“離心力”。3總結雖然初、高中物理教材中都沒有詳細介紹離心力的概念，但離心力在高中'向心力”的教學中很可能會提到，是大學力學中可以與慣性離心力等概念進行對比分析的重要知識點，并且極易存在混淆與誤解，不論是初、高中學生還是大學生都需要將其辨析清楚。離心力與慣性離心力完全不同?！半x心力”概念是在其能夠準確地被使用時，形容向心力的反作用力的稱呼，是描述力的作用效果的物理名詞。而慣性離心力是慣性力的三個部分之一，在勻速轉動的非慣性系中為使牛頓第二定律形式不變.討論物體動力學問題的物理量，是具有慣性的物體的運動變化帶來的結果。其次，“離心力是向心力的反作用力”是毋庸置疑的，但是需要解釋的一點是，“離心力”概念并不是物體做網周運動的各個情況下都可以使用的，僅在物體做網周運動的向心力只由一個力提供時，向心力的反作用力同樣也是一個力，這個力可以被稱為'離心力”：當向心力不是由一個力提供時，“離心力”的概念不適合被使用。由于名詞混淆、概念混淆、對牛頓第三定律的片面理解等原因，孥生容易對離心力的概念產生誤解。離心力概念之所以存在誤解，原因如下：①名詞混淆：慣性離心力有時會被簡稱為“離心力”，一個“帽子”蓋在了兩個物理概念上，容易產生混亂。②概念混淆：在物體做網周運動時，會對提供向心力的物體產生反作用力，并且極易感受，學生容易把這個反作用力不經思考地認為是物體即將做離心運動的表現(xiàn)，進而認為是感受到了非慣性系中(網周運動的物體)的慣性離心力。③認為“向心力”是以力的作用效