向心力:如何在 HSC 物理中辨识真正的作用力
学习如何运用向心力公式、辨识哪一种真实作用力提供向内合力,并避免常见的圆周运动错误。
一辆汽车以稳定的 15 m/s 绕过一个平坦弯道。它的速度表读数没有变化,因此很容易让人以为它没有加速度,也就没有合力。但如果真的没有合力,汽车就会继续沿直线行驶。
在继续阅读之前,先预测汽车向左转弯时合力的方向。向前?向后?向外?向内?
合力必须指向内侧,也就是朝向圆形路径的中心。这个向内的合力,就是我们所称的向心力。
这里重要的字是「合」。向心力不是某种神秘的额外力,并不会在物体沿圆周运动时突然出现。它是我们对摩擦力、张力、重力或正向力等真实作用力所产生的合并向内效果的称呼。
01为什么圆周运动需要力
想像把一颗球沿著完全光滑的地板滚动。在没有水平力作用的情况下,球会沿直线运动。
现在想像你希望球沿著圆形路径运动。你必须持续改变它的速度方向。这表示即使球的速率保持不变,它仍然在加速。

在每一个位置:
- 速度沿著圆的切线方向;
- 向心加速度指向圆心;
- 造成该加速度的合力也指向圆心。
如果向内的力突然消失,物体不会沿半径方向向外飞出。它会沿著原本正在运动的方向继续前进,也就是沿圆的切线方向。
这可以直接由牛顿第一运动定律推得。
如果你想先加强对这个运动情境中加速度部分的理解,请参阅向心加速度:为什么在 HSC 物理中它指向内侧。
02从向心加速度到向心力
对于以速率 \(\ v\ \) 沿半径为 \(\ r\ \) 的圆形路径运动的物体,其向心加速度的大小为
\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]
其中:
- \(\ a_c\ \) 是向心加速度,单位为 \(\text{m s}^{-2}\);
- \(\ v\ \) 是速率,单位为 \(\text{m s}^{-1}\);
- \(\ r\ \) 是圆形路径的半径,单位为公尺。
牛顿第二运动定律指出:
\[ F_{\text{net}}=ma \]
因此,所需的向内合力为
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
其中,\(\ F_c\ \) 是向心力,单位为牛顿;\(\ m\ \) 是物体的质量,单位为公斤。
更精确地表达相同概念,可以写成
\[ \sum F_{\text{inward}}=\frac{mv^2}{r} \]
在 HSC 考题中,这种写法通常更实用,因为它提醒你,可能有多个真实作用力共同构成向内的合力。
03向心力是一种作用功能,而不是一种新力
把「向心力」想成一种工作职责。
如果有人说「那个扶著门的人」,这并不能告诉你对方是你的朋友、老师,还是某个尴尬地被困在那里、眼睁睁看著十个人进出却连一句谢谢都没听到的人。这句话只告诉你对方正在做什么。
「向心力」的概念也是如此。它的作用是:
产生一个朝向圆形路径中心的合力。
实际上负责这项作用的力,取决于具体情境。
不过,这个类比只能到此为止。真实作用力是向量,因此必须以数学方式将它们的方向与分量相加。
| 情境 | 提供向内合力的真实作用力(一种或多种) |
|---|---|
| 汽车在平坦道路上转弯 | 静摩擦力 |
| 卫星沿圆形轨道运行 | 重力 |
| 球被绳子牵引,在水平面上绕圈摆动 | 张力,或张力的一个分量 |
| 云霄飞车车厢位于环形轨道的最低点 | 正向力与重力共同形成向内合力 |
| 物体放在旋转平台上 | 通常是静摩擦力 |
这是解答圆周运动题目时最重要的判断原则之一:
- 找出圆形路径的中心。
- 判断图示瞬间的向内方向。
- 画出所有真实作用力。
- 求出这些真实作用力在向内方向上的分量。
- 将它们的向内合力设为 \(\frac{mv^2}{r}\)。
如果你已经画出真实作用力,就不要再另外画一个标示为「向心力」的箭头,否则就会把同一个物理效果计算两次。
范例:汽车在平坦道路上转弯
一辆质量为 \(\ 900\text{ kg}\ \) 的汽车,以 \(\ 14\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,沿半径为 \(\ 35\text{ m}\ \) 的平坦圆形弯道行驶。计算维持汽车沿圆形路径运动所需的水平力,并指出提供此力的作用力。
步骤 1:判断方向及实际作用力。
所需的合力水平指向弯道的中心。在平坦道路上,能够对轮胎施加侧向力的作用力是静摩擦力。
步骤 2:使用向心力公式。
\[ \begin{aligned} F_c&=\frac{mv^2}{r}\\ &=\frac{(900)(14^2)}{35}\\ &=5040\text{ N} \end{aligned} \]
步骤 3:解释结果。
道路对汽车施加的静摩擦力为
\[ 5.04\times10^3\text{ N} \]
方向朝向弯道的中心。
请注意,在这个情境中,「向心力」和「摩擦力」并不是两个不同的力。摩擦力就是向心力。
04计算之前,公式已经告诉你什么
公式
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
包含几个实用的预测。
如果质量加倍,而 \(\ v\ \) 和 \(\ r\ \) 保持不变,所需的力也会加倍。
如果半径加倍,而 \(\ m\ \) 和 \(\ v\ \) 保持不变,所需的力就会减半。
速率的影响则更显著。如果速率加倍,
\[ F_c\propto v^2 \]
所需的力就会变成原来的四倍。
这也是为什么以 100 km/h 通过弯道,并不只是比以 50 km/h 通过同一个弯道「要求高一倍」。在简化的圆周运动模型中,所需的侧向力会变成四倍。
05当有多个力沿径向作用时
这正是许多向心力题目变得有趣的地方。
考虑一颗用绳子系住、沿垂直圆周运动的球。当球经过圆周最低点时,圆心位于球的上方。
试著预测哪一个力较大:绳子的张力,还是所需的向心力?
实际上,张力必须较大。
为什么?张力向上指向圆心,但重力向下,方向背离圆心。两者的差值形成所需的向内合力。

将向内方向定为正方向,
\[ T-mg=\frac{mv^2}{r} \]
因此,
\[ T=\frac{mv^2}{r}+mg \]
所以,张力本身并不等于向心力。
范例:垂直圆周最低点的张力
一颗质量为 \(\ 0.50\text{ kg}\ \) 的球,以 \(\ 6.0\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,经过半径为 \(\ 0.80\text{ m}\ \) 的垂直圆周最低点。计算绳子的张力。使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
步骤 1:选定向内方向。
在圆周最低点,向内方向是向上。
张力向上作用,而重力向下作用。
步骤 2:写出径向力方程式。
\[ T-mg=\frac{mv^2}{r} \]
步骤 3:代入数值。
\[ T-(0.50)(9.8) = \frac{(0.50)(6.0^2)}{0.80} \]
所需的向内合力为
\[ \frac{(0.50)(36)}{0.80}=22.5\text{ N} \]
而重力为
\[ mg=(0.50)(9.8)=4.9\text{ N} \]
因此,
\[ T=22.5+4.9=27.4\text{ N} \]
步骤 4:解释结果。
张力为 \(\ 27.4\text{ N}\ \),但所需的向心力只有 \(\ 22.5\text{ N}\ \)。
额外的 \(\ 4.9\text{ N}\ \) 是用来抵销球向下的重力,这样才能产生大小为 \(\ 22.5\text{ N}\ \)、方向向上的合力。
06向心方向会随著垂直圆周上的位置改变
不要死记一条公式,例如 \(\ T-mg=\frac{mv^2}{r}\ \),然后在所有情况下都使用它。
各个力的物理性质并没有改变,但物体运动时,朝向圆心的方向会随之改变。
对于一颗用绳子系住的球:
| 位置 | 向内方向 | 径向方程式 |
|---|---|---|
| 最低点 | 向上 | \(\ T-mg=\frac{mv^2}{r}\ \) |
| 最高点 | 向下 | \(\ T+mg=\frac{mv^2}{r}\ \) |
| 侧面 | 水平方向 | 必须考虑张力及其他作用力的径向分量 |
在最高点,重力有助于提供向心力。在最低点,重力则会抵抗向心力。
因此,先辨认「向内」的方向,再写出方程式,比起试图记住一系列不同的公式,更为可靠。
07最容易犯的错误
错误 1:另外加上一个向心力箭头
假设一辆汽车因为摩擦力而转弯。常见的自由体图会先画出指向内侧的摩擦力,然后又加上一个标示为 \(\ F_c\ \) 的向内箭头。
这样就把同一个力计算了两次。
如果摩擦力是唯一的水平作用力,正确的写法是
\[ F_{\text{friction}}=\frac{mv^2}{r} \]
错误 2:以为速率不变就代表加速度为零
加速度是指速度的改变,而不只是速率的改变。
速度包含方向。物体以固定速率沿圆周运动时,方向会不断改变,因此它会持续加速。
错误 3:假设 \(\ F_c\ \) 必定是某一个单独的力
有时,一个力就能提供全部的向内合力;有时,则是多个力共同作用。
例如,在垂直圆周的最高点,如果重力和张力都指向圆心,
\[ mg+T=\frac{mv^2}{r} \]
错误 4:认为向心力消失时,物体会被向外抛出
如果绳子断裂,物体会沿著断裂瞬间的切线方向离开圆形路径。
若物体要沿半径方向向外运动,那么在绳子断裂前的瞬间,它的速度本身就必须指向半径方向的外侧。但实际上并非如此。
08题目与解答
题目 1
一辆质量为 \(\ 1500\text{ kg}\ \) 的汽车,以 \(\ 12\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,沿半径为 \(\ 60\text{ m}\ \) 的平坦圆形弯道行驶。
计算所需的向心力,并指出提供此力的真实作用力。
解答 1
所需的向心力为 \(\ 3.60\times10^3\text{ N}\ \),方向朝向圆心,由轮胎与道路之间的静摩擦力提供。
所需的向内合力为
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
代入数值,
\[ \begin{aligned} F_c&=\frac{(1500)(12^2)}{60}\\ &=\frac{(1500)(144)}{60}\\ &=3600\text{ N} \end{aligned} \]
因此,
\[ F_c=3.60\times10^3\text{ N} \]
在平坦道路上,重力和正向力都没有水平分量。因此,静摩擦力提供水平的向内作用力。
一个容易犯的错误是说摩擦力和向心力都指向内侧。在这个情境中,它们并不是两个独立的力。静摩擦力正是提供所需向心力的作用力。
题目 2
一颗质量为 \(\ 0.25\text{ kg}\ \) 的球用绳子系住,以 \(\ 4.5\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,经过半径为 \(\ 0.75\text{ m}\ \) 的垂直圆周最高点。
计算绳子的张力。如果绳子在该瞬间断裂,指出球在断裂后最初的运动方向。使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 2
张力为 \(\ 4.30\text{ N}\ \)。绳子断裂后,球会立即沿著圆形路径的切线方向水平运动。
在圆周最高点,向内方向是向下。张力和重力都指向圆心。
因此,
\[ T+mg=\frac{mv^2}{r} \]
所需的向心力为
\[ \begin{aligned} \frac{mv^2}{r} &=\frac{(0.25)(4.5^2)}{0.75}\\ &=6.75\text{ N} \end{aligned} \]
球的重力为
\[ mg=(0.25)(9.8)=2.45\text{ N} \]
因此,
\[ T+2.45=6.75 \]
所以,
\[ T=4.30\text{ N} \]
学生可能会直接设 \(\ T=\frac{mv^2}{r}\ \),得出 \(\ 6.75\text{ N}\ \)。这样就忽略了重力的贡献。在最高点,重力已经提供所需向内合力中的 \(\ 2.45\text{ N}\ \)。
如果绳子断裂,张力就会消失。球的速度方向不会突然转向外侧。球在该瞬间的速度沿著圆形路径的切线方向,而在最高点,这个方向是水平的。之后,重力会使球的运动轨迹逐渐向下弯曲。
题目 3
一辆汽车在半径为 \(\ 50\text{ m}\ \) 的平坦圆形道路上行驶。轮胎与道路之间的静摩擦系数为 \(\ 0.55\ \)。
计算汽车在不打滑的情况下所能达到的最大速率。解释为什么汽车的质量不会影响这个最大速率。使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 3
最大速率约为 \(\ 16.4\text{ m s}^{-1}\ \)。质量不会影响这个最大速率,因为可提供的最大摩擦力与所需的向心力都与质量成正比。
在临界速率下,静摩擦力已达到最大值:
\[ F_{\text{friction,max}}=\mu_sN \]
在平坦道路上,
\[ N=mg \]
因此,
\[ F_{\text{friction,max}}=\mu_smg \]
在最大速率下,这个摩擦力提供所需的向心力:
\[ \mu_smg=\frac{mv^2}{r} \]
约去 \(\ m\ \):
\[ \mu_sg=\frac{v^2}{r} \]
因此,
\[ v=\sqrt{\mu_sgr} \]
代入数值,
\[ \begin{aligned} v&=\sqrt{(0.55)(9.8)(50)}\\ &=\sqrt{269.5}\\ &\approx16.4\text{ m s}^{-1} \end{aligned} \]
质量会约去,是因为较重的汽车需要较大的向内作用力,但它的正向力也会按相同比例增加,因此在这个模型中,可提供的最大静摩擦力也会按相同比例增加。
一个常见的陷阱是,在每次转弯时都直接写出 \(\ F_{\text{friction}}=\mu_sN\ \)。只有当静摩擦力达到临界值时,它才会等于 \(\ \mu_sN\ \)。在较低的速率下,所需的摩擦力会比较小。
题目 4
一个质量为 \(\ 0.20\text{ kg}\ \) 的物体连接在一条长度为 \(\ 1.00\text{ m}\ \) 的绳子上,并作圆锥摆运动。它每隔 \(\ 1.50\text{ s}\ \) 完成一次水平圆周运动。
绳子与铅直方向的夹角为 \(\ \theta\ \)。
计算:
a. 角度 \(\ \theta\ \);
b. 圆形路径的半径;
c. 物体的速率;
d. 绳子的张力。
接著,将另一个质量为原来两倍的摆球连接到长度相同的绳子上,并使它以相同的周期旋转。判断新摆球的角度会变大、变小,还是保持不变。
使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 4
角度约为 \(\ 56.1^\circ\ \),圆形路径的半径为 \(\ 0.830\text{ m}\ \),速率为 \(\ 3.48\text{ m s}^{-1}\ \),张力为 \(\ 3.51\text{ N}\ \)。如果周期和绳长保持不变,将质量加倍并不会改变角度。
关键在于理解:整个张力并不是向心力。
张力的铅直分量平衡重力:
\[ T\cos\theta=mg \]
张力的水平分量提供向心力:
\[ T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \]
角速度为
\[ \omega=\frac{2\pi}{P} \]
其中 \(\ P=1.50\text{ s}\ \)。因此,
\[ \begin{aligned} \omega&=\frac{2\pi}{1.50}\\ &\approx4.19\text{ rad s}^{-1} \end{aligned} \]
由于
\[ v=\omega r \]
水平作用力方程式可以写成
\[ T\sin\theta=m\omega^2r \]
水平圆形路径的半径为
\[ r=L\sin\theta \]
其中 \(\ L=1.00\text{ m}\ \)。因此,
\[ T\sin\theta = m\omega^2L\sin\theta \]
对于图示的非零角度,\(\ \sin\theta\ \) 可以约去:
\[ T=m\omega^2L \]
使用铅直方向的方程式,
\[ m\omega^2L\cos\theta=mg \]
约去 \(\ m\ \):
\[ \cos\theta=\frac{g}{\omega^2L} \]
代入数值,
\[ \begin{aligned} \cos\theta &=\frac{9.8}{(4.19)^2(1.00)}\\ &\approx0.558 \end{aligned} \]
因此,
\[ \theta\approx56.1^\circ \]
半径为
\[ \begin{aligned} r&=L\sin\theta\\ &=(1.00)\sin56.1^\circ\\ &\approx0.830\text{ m} \end{aligned} \]
速率为
\[ \begin{aligned} v&=\omega r\\ &=(4.19)(0.830)\\ &\approx3.48\text{ m s}^{-1} \end{aligned} \]
可以利用
\[ T\cos\theta=mg \]
求出张力,因此
\[ \begin{aligned} T&=\frac{(0.20)(9.8)}{\cos56.1^\circ}\\ &\approx3.51\text{ N} \end{aligned} \]
对于第二个摆球,
\[ \cos\theta=\frac{g}{\omega^2L} \]
这个方程式不包含质量。由于周期不变,\(\ \omega\ \) 也不变,而 \(\ L\ \) 同样保持不变。因此,第二个摆球的角度仍然约为 \(\ 56.1^\circ\ \)。
一个容易让人误入歧途的做法,是把 \(\ T=\frac{mv^2}{r}\ \) 当成完整的张力方程式。这会忽略张力还必须具有铅直分量来平衡重力。只有张力的水平分量才是向心力。
题目 5
一辆云霄飞车车厢沿著无摩擦的垂直圆形回圈内侧运动,回圈半径为 \(\ 12.0\text{ m}\ \)。
在回圈最低点,轨道对车厢施加的正向力为 \(\ 5mg\ \),其中 \(\ m\ \) 是车厢的质量。
令 \(\ \theta\ \) 为从回圈最低点开始沿圆周量度的角度,因此最低点的 \(\ \theta=0^\circ\ \),最高点的 \(\ \theta=180^\circ\ \)。
求出:
a. 车厢在最低点的速率;
b. 车厢是否能在整个过程中保持与轨道接触,直到抵达最高点;
c. 如果车厢失去接触,求出发生此情况时的 \(\ \theta\ \) 值,以及该瞬间的速率;
d. 为什么在车厢失去接触后,继续进行圆周运动计算,可能得到数学上可行、但物理上不可能的结果。
使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 5
车厢在最低点的速率约为 \(\ 21.7\text{ m s}^{-1}\ \)。它会在抵达最高点之前失去接触,脱离轨道的位置约为从最低点量起的 \(\ 132^\circ\ \),脱离瞬间的速率约为 \(\ 8.85\text{ m s}^{-1}\ \)。在此之后,如果计算要求正向力为负值,结果在物理上就不可能成立,因为轨道无法拉著车厢朝向自己。
在最低点,向内方向是向上。正向力向上,而重力向下,因此
\[ N-mg=\frac{mv_b^2}{r} \]
已知 \(\ N=5mg\ \),
\[ 5mg-mg=\frac{mv_b^2}{r} \]
因此,
\[ 4mg=\frac{mv_b^2}{r} \]
约去 \(\ m\ \):
\[ v_b^2=4gr \]
代入 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \) 及 \(\ r=12.0\text{ m}\ \),
\[ \begin{aligned} v_b&=\sqrt{4(9.8)(12.0)}\\ &\approx21.7\text{ m s}^{-1} \end{aligned} \]
现在考虑车厢位于角度 \(\ \theta\ \) 的位置。
车厢相对于最低点的高度为
\[ h=r(1-\cos\theta) \]
由于轨道没有摩擦力,机械能守恒:
\[ \frac12mv_b^2 = \frac12mv^2+mgh \]
代入 \(\ v_b^2=4gr\ \) 及 \(\ h=r(1-\cos\theta)\ \),
\[ \frac12m(4gr) = \frac12mv^2 + mgr(1-\cos\theta) \]
化简后,
\[ v^2=2gr(1+\cos\theta) \]
接著,沿向内的径向方向套用牛顿第二运动定律。
在角度 \(\ \theta\ \) 的位置,径向方程式为
\[ N-mg\cos\theta=\frac{mv^2}{r} \]
当正向力恰好降至零时,车厢就会失去接触。接触力可以推动车厢,但不能变成负值,进而将车厢拉回轨道。
令 \(\ N=0\ \):
\[ -mg\cos\theta=\frac{mv^2}{r} \]
因此,
\[ v^2=-gr\cos\theta \]
在脱离轨道的瞬间,这个结果也必须符合能量守恒所得到的方程式:
\[ v^2=2gr(1+\cos\theta) \]
因此,
\[ 2gr(1+\cos\theta)=-gr\cos\theta \]
约去 \(\ gr\ \):
\[ 2(1+\cos\theta)=-\cos\theta \]
所以,
\[ 2+3\cos\theta=0 \]
因此,
\[ \cos\theta=-\frac23 \]
所以,
\[ \theta=\cos^{-1}\left(-\frac23\right)\approx131.8^\circ \]
因此,车厢会在从最低点量起约
\[ 132^\circ \]
的位置失去接触,并且在抵达最高点之前就已经脱离轨道。
脱离瞬间的速率满足
\[ v^2=-gr\cos\theta \]
因此,
\[ \begin{aligned} v^2 &=-(9.8)(12.0)\left(-\frac23\right)\\ &=78.4\text{ m}^2\text{s}^{-2} \end{aligned} \]
所以,
\[ v\approx8.85\text{ m s}^{-1} \]
其中微妙的关键,在于接下来会发生什么事。
如果你不加思索地继续在方程式中强制假设车厢沿著圆形路径运动,计算出的正向力最终会变成负值。这并不是代数运算出错,而是模型不再适用。
正向力是一种接触力。轨道可以推动车厢,但当车厢与轨道分离后,轨道就无法再向内拉住车厢。因此,\(\ N=0\ \) 是一个物理上的界限。
脱离轨道后,车厢不再沿著圆形轨道运动。它在分离瞬间的速度沿著回圈的切线方向,而重力则决定它接下来的抛体运动轨迹。
这就是向心力题目背后更深层的观念:\(\ \frac{mv^2}{r}\ \) 告诉你,如果物体正在沿著该圆形路径运动,它需要多大的向内合力。你仍然必须检查,实际存在的作用力是否真的能提供这个所需的向内合力。
09接下来,这个观念能帮你理解什么
当你习惯用
\[ \sum F_{\text{inward}}=\frac{mv^2}{r} \]
取代含糊的「向心力」一词后,较困难的圆周运动题目就会变得更有系统。
下一步是将这个径向力方程式与其他物理概念结合:垂直圆周运动中的能量守恒、弯道上的摩擦力限制、轨道运动中的重力,以及接触或绳子的约束条件即将失效时的 \(\ N=0\ \) 或 \(\ T=0\ \) 条件。通常,计算并不是最困难的部分。真正重要的技巧,是判断哪些实际作用力能够指向圆心,以及它们在物理上是否足以提供所需的向内合力。