基本介紹
- 中文名：向心加速度
- 外文名：centripetal acceleration
- 套用領域：經典力學
- 屬性：可能是實際加速度或分加速度
- 適用情況：圓周運動
公式,方向,思維誤區,突破,思維障礙,確認存在,確定方向,問題解析,
公式
上式中，
表示向心加速度，
表示向心力，
表示物體質量，
表示物體圓周運動的線速度（切向速度），
表示物體圓周運動的角速度，
表示物體圓周運動的周期，
表示物體圓周運動的頻率，
表示物體圓周運動的半徑。（ =2π/T）
由牛頓第二定律，力的作用會使物體產生一個加速度。合外力提供向心力，向心力產生的加速度就是向心加速度。可能是實際加速度，也可能是物體實際加速度的一個分加速度。
由牛頓第二定律，力的作用會使物體產生一個加速度。合外力提供向心力，向心力產生的加速度就是向心加速度。可能是實際加速度，也可能是物體實際加速度的一個分加速度。
方向
向心加速度是矢量，並且它的方向無時無刻不在改變且指向圓心。
所有做曲線運動的物體都有向心加速度，向心加速度反映的是圓周運動在半徑方向上的速度方向(即徑向即時速度方向·)改變的快慢。
當物體的速度大小也發生變化時，還有沿軌跡切線方向也有加速度，叫做切向加速度。
向心加速度的方向始終與速度方向垂直，也就是說線速度始終沿曲線切線方向。
思維誤區
②據公式
，誤認為 與
成正比，與半徑 成反比。事實上，只有在半徑 確定時才能判斷 與 或 與 的關係。
③向心加速度的公式也適用於非勻速圓周運動，且無論是勻速圓周運動還是非勻速圓周運動，向心加速的的方向都指向圓心。
向心加速度
向心加速度突破
高一物理《曲線運動》中的“向心加速度”一節，既是教材的重點，也是教材的難點，還是高考的重頭戲。
思維障礙
只有認真研究和探索學生在學習“向心加速度”中的困難所在，然後才能做到有的放矢，對症下藥。
在本節內容的學習中，學生的疑難點主要有二：一是“既然勻速圓周運動的速度大小不變，卻又具有加速度，不好理解”。二是“既然加速度方向指向圓心，物體何不向圓心運動？”學生之所以會產生這樣的疑問，是有其認識根源的。
其一，學生對變速直線運動記憶猶新，尤對該運動中“加速度總導致速度大小的改變”印象更為深刻。他們立足於已有的知識和經驗來看待勻速圓周運動的加速度，於是難免以老框框套新問題，這種思維定勢的負遷移作用，使他們的思維限制在已有的運動模式之中而忽視了問題的不同本質。
其二，學生在此之前雖學習了平拋、斜拋運動，但主要是側重於運動的合成和分解知識的套用，至於拋體的速度方向何以會時刻改變，它與加速度有怎樣的關係，書中並未詳述，學生沒有建立起較為清晰的模式。他們多數僅僅是從經驗出發，被動地接受“物體受到跟速度方向成角度的重力，所以做曲線運動”這一事實。因此可以說他們是在知識準備不足，思維想像無所模擬的情況下來接受新知識的。於是一旦接觸到圓周運動，就表現為不能順應，對於向心加速度感到很抽象，甚至不可思議。
如果我們能在教學之始就注意到這些因素，以指導自己從學生的實際出發，採取相應的方式和方法，對於學生理解和掌握向心加速度的概念，就會收到事半功倍之效。
確認存在
如何使學生確認勻速圓周運動具有加速度，這是教學中的一個重要環節。筆者的做法是，排除變速直線運動這一思維定勢的干擾，用斜上拋運動“搭橋”—一利用斜上拋和圓周運動的速度方向時刻改變這一共性，引導啟發學生通過相似聯想，從而確認向心加速度的存在。
對於加速度和速度在同一直線上，只改變速度的大小不改變速度的方向；如果兩者有夾角，則一般情況下既改變速度的大小又改變速度的方向，學生已有初步了解。鑒於此，教師可因勢利導，將圖1中的重力加速度g分解成切向和法向分量(對學生可不言及切向和法向分量名詞，只說沿速度方向和垂直於速度方向)。如圖2，指出在a、c兩點加速度都分解成沿速度方向和垂直於速度方向兩個分量，沿速度方向的加速度改變了速度的大小，垂直於速度方向的加速度改變了速度的方向。至於質點在拋物線頂點b時，則因重力加速度與速度方向垂直，全部用來改變速度的方向(為下文推導向心加速度方向埋一伏筆)。這裡還要向學生強調：如果沒有垂直於速度方向的加速度，則拋體就將沿切線方向飛出而做直線運動。
如上講解分析之後，再引申過渡到勻速圓周運動，指出一定存在一個使速度方向時刻改變的加速度，否則質點就要沿切線方向飛出而做直線運動，也就順理成章了。
這裡，雖然用到了加速度的分解知識，看似繁瑣，甚至有些離題，但實則是避難就易，啟發學生通過類比聯想，順乎自然地跨越已有運動模式的困擾，降低了抽象思維的難度，學生易於接受。
確定方向
在學生已初步認識到勻速圓周運動質點具有使速度方向時刻改變的加速度的基礎上，怎樣進一步使學生心悅誠服地接受向心加速度的方向“在任一點都沿著半徑指向圓心”這一結論，是教學中的又一個環節。
首先，賴於學生對物體做曲線運動的條件的了解，結合上述斜上拋運動速度方向的改變原因(圖1、2)，讓學生分析得出“向心加速度的方向必指向圓內”，此乃第一步；繼而抓住勻速圓周運動的“速度大小不變，方向改變”這一重要特徵，啟發學生分析思考，欲滿足這一條件，則必然在速度方向上沒有加速度分量，結合圖2質點在拋物線頂點b時的情形得出，“向心加速度在任何一點必定和速度垂直”的結論，此乃第二步；第三步，勻速圓周運動的軌跡是圓，速度方向總沿著圓的切線方向，則垂直於切線的只能是圓的半徑。由以上三個特點得出：“質點做勻速圓周運動時，它在任一點的加速度都是沿著半徑指向圓心”(並據此畫出圖3)。故此稱為“向心加速度”。是由合外力產生和充當的向心力。
至此，學生對向心加速度的存在及其方向的認識和理解，就不再感到空洞和模糊，而是較為充實和清晰了。
至於向心加速度公式的推導，由於學生的思維已從單純的抽象概念轉變到較能把握住的明晰的空間形象，因此不論是用矢量三角形或其它途徑推導公式，學生均不感到困難。筆者的做法是，導出加速度方向後，讓學生自己閱讀課文，引導和指點他們自己按課本所述矢量三角形法推導出向心加速度公式。爾後再補充介紹一兩種其它推導方法(亦可作課後作業留給學生完成)，學生印象更為深刻。本文不再贅述。
問題解析
通過下面兩個問題的探討和解析，可進一步鞏固和深化學生對勻速圓周運動的認識和理解。
1．向心加速度表征什麼意義？
要弄清這個問題，首先要明確矢量三角形中△v的物理意義(圖4)
它只表 示速度方向的改變，而不表示速度大小的改變，故而向心加速度所表征的僅僅是速度方向變化的快慢。
2．做勻速圓周運動的物體是否“落”向圓心？
這個問題寓知識於趣味之中，很值得提出來與學生一起探討，如圖5所示，若物體在a點不再具有加速度aa，則物體必將沿ae方向飛出，經t秒後到達e點，而如今物體卻“落”到b點上，即離開了ae一段距離eb．當時間t取得足夠短時，b點和a點非常接近，且以a點為極限，則可認為ab弧和ab弦互相重合，eb和ad互相重合，且有ab弦=vt，eb=ad．因rt△abc∽rt△adb，則ad/ab=ab/ac，即
由此可見，物體確是時時“落”向圓心，只不過並不能真的到達圓心而已。顯然，這是向心加速度導致的結果。
向心加速度公式證明方法（2）並附圖
如圖甲，一質點繞O點做勻速圓周運動，A點到B點的切線，即線速度Va和Vb，其大小相等。則向心加速度a就是由Vb到Va線速度的單位變化矢量。方法：如圖乙，平移矢量Va，使其起點與B點重合，則矢量△V=矢量Vb－矢量Va（即轉過某一弧度時線速度的改變數），設矢量Va與Vb的夾角θ就是質點做勻速圓周運動所轉過的角（用弧度制表示）。
證明方法(2)的圖片
證明方法(2)的圖片又如圖丁（圓O的一部分，即扇形，OQ=OP=r，同時有弦PQ和弧PQ），設θ為OQ與OP夾角的弧度數（其實是數學上這個角對應的弧長與圓半徑的比值，即弧PQ ：半徑r的值，如一弧度≈57.3°）那么我們知道 X·Y/X=Y，則弧PQ的長度可以表示為“半徑r·弧PQ/半徑r”即弧長=半徑×對應弧度。 當夾角θ很小很小時，可近似認為弧PQ=弦PQ，也就是說彎曲的弧長與筆直的線段長度幾乎一樣，這就為後面的求△V提供了依據。
回到圖乙，如圖當OB,OA之間的夾角（等於Vb與Va的夾角）很小很小時，那么對應的△V就很小很小了，並且以B為頂點，母線長為Va（或Vb）的扇形中由A點到B點所掃過的弧△V就可近似等於弦△V，即根據圖丁作介紹的，若把圖丁中的半徑r看做線速度Va（或Vb），弧長=半徑×對應弧度（也就是先前的V=ω·r）用在圖乙中就是弧△V=△V=線速度（視為半徑r）×弧度θ（弧△V與可視為圓半徑r的線速度Va或Vb的比值）
而當△V這個量小到單位時（即一秒鐘內△V的量），那么這個△V就是我們所說的向心加速度a，向心加速度a=△V/△t，而弧△V=弦△V，所以向心加速度a=弧△V/△t。
首先弧度θ是質點經過某一時間（△t）做圓周運動所轉過的角度的弧度數，則角速度ω=θ/△t，表示一秒鐘內轉過的弧度數，即弧度θ=ω·△t，①並且△V=弧△V=向心加速度a×△t。②
再根據弧長=半徑×對應弧度，弧△V=△V=線速度V×弧度θ（如圖丙，當θ小到一定程度時，弧△V=△V，小到單位弧度時就存在這樣的關係）再根據①②兩式，得出向心加速度a×△t=線速度V（這個矢量的大小始終不變）×角速度ω·△t，同時除去等式左右的△t，於是最終化簡為：
向心加速度a=角速度ω×線速度V，即a(n)=ω·V，還有a(n)=ω2·r，a(n)=V^2/r等等 都是根據此式以及V=ω·r推理出來的。
