AP物理C力学第5次正课 - 圆周运动万有引力与质心
Reading Guide / 阅读说明
这节课先把 Circular Motion 用在锥摆、转弯和竖直圆周,再由圆周所需的径向合力过渡到 Universal Gravitation;随后用质心把多物体系统压缩为一个整体运动对象,最后开启 work-energy 单元。
一句话主线
Circular motion asks which real forces supply the radial net force; gravitation and center of mass then extend that same system view from one object to many.
1. Conical Pendulum / 锥摆
摆线与竖直方向夹角为 ,圆周半径为 :
两式相除:
若绳长为 ,则 。同一个 tension 同时提供竖直平衡和水平向心分量。
2. Flat Turn / 水平转弯
汽车在水平路面转弯时,通常由 static friction 提供径向合力:
在临界打滑处:
质量消去,说明理想模型下临界速度与车重无关。
3. Frictionless Banked Turn / 无摩擦倾斜弯道
normal force 的竖直分量平衡重力,水平分量提供向心力:
这给出 zero-friction design speed。对于固定 ,理想无摩擦条件下只有这个速度能保持圆轨道;不是笼统的“最小速度”。
4. Vertical Circle / 竖直圆周
始终先选 radial inward positive,再写:
内侧圆周的典型位置:
- bottom: ;
- top: ;
- side: 重力通常含 radial 与 tangential 角色,必须按所选轴分解。
顶部恰好保持接触时 :
径向合力瞬时垂直于速度,因此径向分量本身不改变 speed;速度大小的改变来自 tangential force component。
Hill and valley apparent weight
凸起顶部:
凹谷底部:
所以山顶 scale reading 变小,谷底变大。
5. Universal Gravitation / 万有引力
两点质量之间:
是 center-to-center distance。球对称天体外部可等效为质量集中在中心:
质量是物体的惯性/引力属性;weight 是所处引力场中的力 ,会随位置变化。
6. Shell Theorem / 壳层定理
对 spherically symmetric mass distribution:
- uniform spherical shell 外部等效为中心点质量;
- shell 内部引力场为零;
- uniform solid sphere 内部只有半径 内的 enclosed mass 贡献净场。
均匀实心球内:
因此 从中心线性增至表面,随后在外部按 下降。
7. Center of Mass / 质心
离散系统:
连续分布:
根据几何选取:
对两个质量,质心把连线按反质量比分割:
质心更靠近大质量;均匀对称物体的质心在对称中心或轴上。详见 Center of Mass。
8. From Dynamics to Energy / 从力进入能量
Unit 2 主要问:哪些 forces 产生 acceleration?
Unit 3 改问:这些 interactions 如何转移或储存 energy?
课程先列出:
- kinetic energy;
- gravitational potential energy;
- elastic potential energy;
- thermal/internal energy。
下一课会把 force 沿 displacement 的累积定义为 Work,再建立 Work-Energy Theorem 与 Mechanical Energy Conservation。
9. Deep Phrases / 深层表达
- The inward direction changes from point to point, so the radial equation must be rebuilt at each position.
- A centripetal requirement is an equation for the net radial force, not a new interaction.
- The center of mass is a mass-weighted position, not necessarily a point occupied by material.
- Inside a uniform solid sphere, enclosed mass grows faster than the inverse-square denominator shrinks.
10. Error Checklist / 易错清单
- 圆周题始终固定用纸面某方向作 radial positive;
- 顶点把 与 错写成相减;
- 计算 surface altitude 时把 直接代成 ,忘记 ;
- 把 shell theorem 套给非球对称分布;
- 连续体质心积分时忘记先写 。
Connected Notes / 连接
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