向心加速度是圆周运动中的一个重要概念,在人教版高中物理教材中,给出了两种推导向心加速度公式的方法,分别为动力学法和运动学法。
1.人教版高中物理教材中关于向心加速度公式的推导
⑴动力学法
根据牛顿第二定律和向心力表达式既可方便推导出向心加速度的表达式,即
⑵运动学方法
这种向心加速度公式的推导方式,由于要用到微元和近似思想,对高一学生来说还是有一定难度的,所以教材将这种推导方法安排在“拓展学习”中进行,以方便学有余力的学生进行学习。
二、美国高中物理教材中对“向心加速度公式”的推导
由于美国高中物理教材版本较多,这里选取由Gregg Kerr和Paul Ruth编写的美国高中物理教材,两位学者编写的这本教材主要是供美国的一些优质高中使用的。
译文:向心(角)加速度
在该部分中,我们将推导出一个以速度v做匀速圆周运动的向心加速度的表达式,在IB考试中不要求掌握该公式的推导,之所以在此处给出该表达式的推导过程,完全是出于完整性考虑。
在图257中,假设质点在△t时间内由P点运动到Q点。
译文:如果没有向心力,则该质点将沿直线在这段时间内(即△t)运动到X点。因此,向心力实际上使该质点“下落”了一段距离h,作出该圆的相交弦(即图中的虚线d),在此情境下有
译文:假设△t时间极短,则h2与2rh相比将非常小,因此我们可以写成
从中美两国教材中对向心加速度公式推导的过程可以看出,在人教版高中物理教材中,使用牛顿第二定律和向心力表达式进行推导,简单方便快捷,学生也很容易理解,但没有深入到圆周运动的本质;而在“拓展学习”中的推导过程,看起来又过于繁琐且学生不容易理解。而美国高中物理教材则为我们提供了另一个推导思路,相对人教版教材“拓展学习”中的推导过程,似乎理解起来更容易一些。
总之,这三种推导方式都值得我们老师认真研究,在学生学习这部分内容时,老师可根据学生的实际情况进行选择。