向心加速度公式中v 2 r與 2r都是標量,為何a向是向量?

時間 2021-06-08 21:54:03

1樓:左州侯

設質點作半徑為r的勻速圓周運動,線速度為v,角速度為ω。由於v實際上是不斷變化的向量(可以視為乙個向量函式v=v(t)),質點必有加速度a,且a=dv/dt。

我們從向量運算的角度解出a,大小連帶方向一起推出來。

為此,不得不涉及「右手規則」「向量的叉乘」「位置向量(位矢)」「角速度的方向」。

右手規則:除右手大拇指外,右手四指表示乙個平面(假設是水平面)的乙個轉向(順時針或逆時針),則逆時針轉動時,右手大拇指指向豎直向上方向;順時針轉動時,右手大拇指指向豎直向下方向。

向量的叉乘:設向量c由兩個向量ab按下列方式定出:

c的模|c|=|a||b|sin<ab>(<ab>為向量ab的夾角,0~180°);

c的方向垂直於ab所決定的平面(即c既垂直於a,又垂直於b),c的指向按右手規則從a轉向b來確定。

那麼,向量c叫做向量ab的叉乘,記作a×b,即c=a×b。[1]

ab垂直時,|c|=|a||b|;當ab平行時,c=0(零向量,大小為0,方向任意)。

位置向量(位矢):在物理中,向量a的大小可記為a,a=|a|。

那麼,圓周運動的半徑r可對應這樣乙個向量:從圓心到質點,叫做位置向量,簡稱位矢,記作r

和線速度類似,r也是乙個向量函式r=r(t),只不過大小不變而已。

角速度的方向:角速度ω是向量。按右手規則,逆時針轉動,豎直向上;順時針轉動,豎直向下。[2](高中階段常用一段帶箭頭的圓弧表示角速度,實際上暗示了角速度的方向。)

如下圖。

圓周運動的位矢、線速度、角速度

根據位矢、線速度、角速度的關係,可得v=ω×r。(v=ωr,ωr垂直,在大小上|v|=|ω×r|,再結合右手規則,能得出v=ω×r。)

推算出加速度a,我們只需要幾個已知條件和乙個公式:

已知條件:a=dv/dt,v=ω×rv=dr/dt。(r是從圓心到質點的向量,所以dr是極短時間內質點的位移。

)公式(三重矢積):a×(b×c)=(a·c)b-(a·b)c。[3]

由於v=ω×r,所以dv=d(ω×r)=dω×r+ω×dr

在勻速圓周運動過程中,ω是乙個恆向量,於是dω=0,有dv=ω×dr

於是a=(ω×dr)/dt=ω×(dr/dt)=ω×v,a=ωv。

v=ω×r,於是有a=ω×(ω×r), 。

根據三重矢積公式,a=(ω·r)ω-(ω·ω)r

根據點積的定義,由於ωr垂直,所以ω·r=0,ω·ω= 。

於是a=- r

而對於 ,在向量除法沒有定義的情況下,僅用於計算大小,不建議用於推導標矢性。

在勻速圓周運動中,a=ω×v= -r,從右手規則和負向量的含義都能推出a的方向為指向圓心,故稱向心加速度。而對於非勻速圓周運動,加速度的乙個分量(dω/dt)×r稱切向加速度。

另:在高中物理中,將公式中向量與向量的「乘積」看作點積,將向量與數量的乘積看作向量的數乘,有趣且便於理解,但存在特例。

2樓:Spiner

向心加速度是向量。

首先從你列的向心加速度公式就可以看出,角速度和線速度都是向量,半徑是標量,相乘和相除的結果都是向量。

另外從物理角度來講,只有向心加速度的方向不斷變化它才做圓周運動,向心加速度是向心力的效果力,向心力是指向圓心的,由F=ma,加速度也指向圓心。

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