HSC 物理中的角速度:從旋轉到線速度

了解角速度如何量度旋轉運動、如何使用角位移除以時間計算角速度,以及它如何透過線速度與半徑的關係連結旋轉運動與線運動。

旋轉中輪子邊緣的一個點,移動速度遠比靠近輪軸的點快。然而,兩個點完成每一圈旋轉所需的時間卻完全相同。那麼,它們的運動速率到底相不相同?

繼續閱讀前,先預測一下:一個大齒輪和靠近其中心的一個小標記,都屬於同一個剛性圓盤。經過 \(0.50\text{ s}\) 後,圓盤轉過 \(90^\circ\)。哪一個標記的角速度較大?

它們的角速度相同。它們在相同時間內轉過相同角度。外側的標記移動的距離較長,因此具有較大的線速度。

這個差異–旋轉情況相同,但移動距離不同–正是角速度之所以有用的原因。

01用角度量度旋轉

對直線運動而言,速度告訴我們位置改變得有多快。

對旋轉運動而言,我們改為追蹤角度改變得有多快。

想像從輪子的中心畫一條線,連到輪緣上的一個點。當輪子旋轉時,這條線會掃過一個角度 \(\Delta\theta\)。

以 O 為圓心的圓盤,兩條半徑之間相隔角位移 delta theta,並有一個逆時針旋轉箭頭。
角位移 Δθ 是圓盤旋轉時,從初始半徑掃至之後半徑所形成的角度。

如果輪子在時間間隔 \(\Delta t\) 內轉過角位移 \(\Delta\theta\),它的平均角速度為

\[ \omega = \frac{\Delta\theta}{\Delta t} \]

其中:

  • \(\omega\) 是角速度,單位為弧度每秒(\(\text{rad s}^{-1}\))
  • \(\Delta\theta\) 是角位移,單位為弧度(\(\text{rad}\))
  • \(\Delta t\) 是時間間隔,單位為秒(\(\text{s}\))

符號 \(\omega\) 是希臘字母 omega。

概念很簡單:角速度告訴你每秒發生多少弧度的旋轉。

02為什麼角度需要用弧度表示

你可能已經習慣用度來量度角度。一整圈是 \(360^\circ\)。

在圓周運動的方程式中,弧度更實用。一整圈是

\[ 2\pi \text{ rad} \]

因此

\[ 360^\circ = 2\pi \text{ rad} \]

所以

\[ 180^\circ = \pi \text{ rad} \]

例如,

\[ 90^\circ = \frac{\pi}{2}\text{ rad} \]

以及

\[ 60^\circ = \frac{\pi}{3}\text{ rad} \]

為什麼要特地換單位?因為弧度能把角度直接與沿圓周移動的距離連結起來。

對於在半徑 \(r\) 處轉過角度 \(\theta\) 的物體,弧長 \(s\) 為

\[ s=r\theta \]

其中 \(s\) 和 \(r\) 以公尺量度,而 \(\theta\) 以弧度量度。

這個方程式之所以能如此簡潔地成立,是因為弧度本身就是利用圓來定義的。

例題:由角度求角速度

一個轉盤在 \(0.75\text{ s}\) 內轉過 \(135^\circ\)。計算它的平均角速度。

步驟 1

\[ \Delta\theta =135^\circ\times\frac{\pi}{180^\circ} =\frac{3\pi}{4}\text{ rad} \]

步驟 2

\[ \omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta t} =\frac{3\pi/4}{0.75} =\pi\text{ rad s}^{-1} \]

所以角速度為

\[ \omega \approx 3.14\text{ rad s}^{-1} \]

轉盤每秒大約掃過 \(3.14\) 弧度。

一個常見錯誤是直接把 \(135\) 代入 \(\omega=\Delta\theta/\Delta t\)。這樣會得到 \(180\),但單位會是度每秒,而不是圓周運動方程式中通常使用的 SI 形式。

03角速度和線速度並不是同一回事

現在回到旋轉中的圓盤。

在距離中心 \(0.10\text{ m}\) 的位置放一個點,並在距離中心 \(0.40\text{ m}\) 的位置放另一個點。由於圓盤是剛性的,在任何指定的時間間隔內,兩個點都會轉過相同角度。

因此,它們具有相同的角速度。

但它們移動的距離相同嗎?

不相同。外側的點沿著大得多的圓周移動。

剛性旋轉圓盤,A 點靠近圓心,B 點靠近圓周;兩點轉過相同角度,但 B 沿較長的弧線移動。
A 和 B 掃過相同的角位移,但 B 因離旋轉軸較遠而移動更遠。

利用

\[ s=r\theta \]

將等式兩邊都除以時間間隔:

\[ \frac{s}{\Delta t} =r\frac{\theta}{\Delta t} \]

對等速圓周運動而言,\(s/\Delta t\) 是線速率 \(v\),而 \(\theta/\Delta t\) 是角速率 \(\omega\)。因此,

\[ v=r\omega \]

其中:

  • \(v\) 是切向或線速率,單位為 \(\text{m s}^{-1}\)
  • \(r\) 是到旋轉軸的距離,單位為公尺
  • \(\omega\) 是角速率,單位為 \(\text{rad s}^{-1}\)

這個方程式就是旋轉運動與直線運動之間的橋樑。

一個實用的心智模型

想像四位朋友站在一個巨大的旋轉平台上不同位置。他們全都固定在地板上,這也順便替我們省去了好幾個職業健康與安全問題。

他們每秒都轉過相同的角度。這就是他們共有的角速度。

但是,靠近外緣的人在同一秒內必須移動更長的距離。因此,他們的線速度較大。

這個類比有其限制:真實的人並不是剛性固定在圓盤上的零件。他們可以相對於平台行走。當不同的點繞同一旋轉軸進行相同的旋轉時,方程式 \(v=r\omega\) 才能直接套用。

04最容易讓人誤解的地方

假設旋轉輪子上的兩個點具有相同的角速度。

學生可能會想:「速度相同,就代表速率相同。」

這聽起來合理,因為在直線運動中,我們通常會用一個速度來描述一個物體。但角速度與線速度量度的是不同種類的變化。

角速度問的是:

角度改變得有多快?

線速率問的是:

沿路徑移動的距離改變得有多快?

對相同的 \(\omega\) 而言,

\[ v=r\omega \]

所以半徑增加時,線速率也會增加。

半徑加倍,線速率也會加倍。

輪子的中心提供了一個很有用的極限情況。當 \(r=0\) 時,

\[ v=r\omega=0 \]

即使輪子本身可能具有非零的角速度也一樣。位於旋轉軸上的那個精確點並不會沿著圓形路徑移動。

05一整圈帶來另一個實用形式

假設一個物體完成一整圈所需的週期為 \(T\)。

一整圈對應的角位移為 \(2\pi\text{ rad}\),所以

\[ \omega=\frac{2\pi}{T} \]

其中 \(T\) 是以秒表示的週期。

由於頻率 \(f\) 是每秒完成的圈數,

\[ f=\frac{1}{T} \]

我們也可以寫成

\[ \omega=2\pi f \]

這表示有三個物理量能以不同方式描述同一個旋轉速率:

物理量意義關係
週期 \(T\)完成一整圈所需的時間\(T=\frac{2\pi}{\omega}\)
頻率 \(f\)每秒完成的圈數\(f=\frac{\omega}{2\pi}\)
角速率 \(\omega\)每秒掃過的弧度數\(\omega=\frac{2\pi}{T}=2\pi f\)

如果你需要更多練習來連結週期、半徑與速率,請參閱 等速圓周運動中的速率、半徑與週期。

例題:由旋轉週期求線速率

一部實驗室離心機的旋轉週期為 \(0.040\text{ s}\)。一個樣本位於距離旋轉軸 \(0.12\text{ m}\) 的位置。

計算:

  1. 離心機的角速率
  2. 樣本的線速率

步驟 1

一整圈是 \(2\pi\text{ rad}\),所以

\[ \omega=\frac{2\pi}{T} =\frac{2\pi}{0.040} =157\text{ rad s}^{-1} \]

步驟 2

\[ v=r\omega =(0.12)(157) =18.8\text{ m s}^{-1} \]

樣本的角速率約為 \(157\text{ rad s}^{-1}\),線速率則為 \(18.8\text{ m s}^{-1}\)。

注意,如果另一個樣本位於距離旋轉軸 \(0.060\text{ m}\) 的位置,會發生什麼情況。它仍會具有相同的 \(\omega\),因為兩個樣本都固定在同一部旋轉中的離心機上,但它的線速率只有前者的一半。

06角速度包含方向

到目前為止,我們主要討論的是角速度的大小。

嚴格來說,角速度是一個向量。其方向沿著旋轉軸,並利用右手定則判定。

將右手手指沿旋轉方向彎曲。你的拇指所指的方向,就是角速度向量的方向。

在許多涉及同一平面內運動的 HSC 計算中,也可以改用正負號慣例來區分順時針和逆時針旋轉。例如:

  • 逆時針:正
  • 順時針:負

你也可以選擇相反的慣例,只要前後一致即可。

假設一個輪子的角速度從 \(+5.0\text{ rad s}^{-1}\) 變為 \(-3.0\text{ rad s}^{-1}\)。它最後的角速率只有 \(3.0\text{ rad s}^{-1}\),但角速度的變化量為

\[ \Delta\omega=-3.0-(+5.0)=-8.0\text{ rad s}^{-1} \]

負號很重要,因為輪子的旋轉方向已經反轉。

當你之後學習角加速度時,這個區別會變得很重要。

07\(v=r\omega\) 能告訴你什麼–又不能告訴你什麼

方程式

\[ v=r\omega \]

給出一個沿圓周運動的點,其瞬時切向速度的大小。

速度本身沿圓形路徑的切線方向,而不是指向遠離圓心的方向。

這帶來另一個值得預測的問題。做等速圓周運動的物體具有恆定速率。這是否代表它的速度保持不變?

不是。它的方向持續改變,因此即使速率不變,速度仍然持續改變。

速度改變表示存在加速度。在圓周運動中,這個加速度指向圓心。這就直接帶到向心加速度。

08解角速度題目的簡明方法

當一道圓周運動題目提到圈數、週期、半徑或速率時,可以依照以下順序:

  1. 判斷已知資訊描述的是角度、完成一整圈的時間,還是線性距離。
  2. 如有需要,把角度轉換成弧度。
  3. 使用 \(\omega=\Delta\theta/\Delta t\) 或 \(\omega=2\pi/T\) 求角速度。
  4. 如果需要求線速率,使用 \(v=r\omega\)。
  5. 從物理意義檢查結果。如果 \(\omega\) 不變,距離旋轉軸較遠的點應具有較大的線速率。
  6. 把角運動量與線運動量分開處理。弧度每秒和公尺每秒不能互換。

09問題與解答

問題 1

一個輪子在 \(1.6\text{ s}\) 內均勻轉過 \(4.8\text{ rad}\)。

計算:

a. 它的角速度
b. 距離旋轉軸 \(0.25\text{ m}\) 的一個點之線速率

解答 1

角速度為 \(3.0\text{ rad s}^{-1}\),而該點以 \(0.75\text{ m s}^{-1}\) 的速率移動。

對 a 部分,使用

\[ \omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta t} \]

代入數值,

\[ \omega=\frac{4.8}{1.6} =3.0\text{ rad s}^{-1} \]

對 b 部分,使用

\[ v=r\omega \]

所以

\[ v=(0.25)(3.0) =0.75\text{ m s}^{-1} \]

該點每秒沿著它的圓形路徑移動 \(0.75\text{ m}\)。

一個很容易犯的錯誤,是把 \(3.0\text{ rad s}^{-1}\) 和 \(0.75\text{ m s}^{-1}\) 當成完全相同物理量的兩種描述。它們彼此有關,但量度的是不同的東西:前者是角度變化的速率,後者則是移動距離變化的速率。

問題 2

兩個點 A 和 B 固定在同一個剛性旋轉圓盤上。A 距離圓心 \(0.15\text{ m}\),B 距離圓心 \(0.45\text{ m}\)。

圓盤在 \(0.40\text{ s}\) 內轉過 \(120^\circ\)。

計算:

a. A 和 B 的角速度
b. 每個點的線速率
c. 比值 \(v_B:v_A\)

解答 2

兩個點的角速度都是 \(5.24\text{ rad s}^{-1}\);A 以 \(0.785\text{ m s}^{-1}\) 移動,B 以 \(2.36\text{ m s}^{-1}\) 移動,而 \(v_B:v_A=3:1\)。

先把角度轉換:

\[ 120^\circ\times\frac{\pi}{180^\circ} =\frac{2\pi}{3}\text{ rad} \]

對兩個點而言,

\[ \omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta t} =\frac{2\pi/3}{0.40} =5.24\text{ rad s}^{-1} \]

它們具有相同的 \(\omega\),因為它們固定在同一個剛性圓盤上,因此在相同時間內會掃過相同角度。

對 A,

\[ v_A=r_A\omega =(0.15)(5.24) =0.785\text{ m s}^{-1} \]

對 B,

\[ v_B=r_B\omega =(0.45)(5.24) =2.36\text{ m s}^{-1} \]

因此,

\[ \frac{v_B}{v_A} =\frac{2.36}{0.785} \approx3.00 \]

所以

\[ v_B:v_A=3:1 \]

一個很容易想到的錯誤推論是:既然 B 的移動速率是 A 的三倍,那麼 B 的角速度也一定是三倍。這是不正確的。它較大的速率完全來自於半徑是 A 的三倍:

\[ v=r\omega \]

角速度保持相同。

問題 3

一個半徑為 \(2.0\text{ m}\) 的圓形平台每 \(8.0\text{ s}\) 完成一整圈。

一名學生起初站在距離圓心 \(0.50\text{ m}\) 的位置,然後沿半徑方向向外走,直到距離圓心 \(1.5\text{ m}\),同時相對於平台保持靜止。

平台繼續以相同週期旋轉。

比較學生向外移動前後的角速率與線速率。

解答 3

學生的角速率保持在 \(0.785\text{ rad s}^{-1}\),而線速率則由 \(0.393\text{ m s}^{-1}\) 增加至 \(1.18\text{ m s}^{-1}\)。

平台的角速率為

\[ \omega=\frac{2\pi}{T} =\frac{2\pi}{8.0} =0.785\text{ rad s}^{-1} \]

由於學生相對於平台保持靜止,因此在每一段時間間隔內,他們會和平台轉過相同角度。單獨改變半徑並不會改變他們的角速率。

起初,

\[ v_i=r_i\omega =(0.50)(0.785) =0.393\text{ m s}^{-1} \]

最後,

\[ v_f=r_f\omega =(1.5)(0.785) =1.18\text{ m s}^{-1} \]

半徑變成三倍,所以線速率也變成三倍。

一個看似合理但不正確的論點是:離圓心越遠,圓形路徑越長,因此完成每一圈一定需要更長時間。如果學生的線速率被固定不變,這個說法確實成立。但在這裡,被固定的是平台的週期。因此,學生必須以更大的速率沿著較大的圓形路徑移動,才能在相同時間內完成一整圈。

問題 4

兩個分開的水平圓盤繞固定的中心軸旋轉。

圓盤 X 的半徑為 \(0.20\text{ m}\),角速率為 \(8.0\text{ rad s}^{-1}\)。圓盤 Y 的半徑為 \(0.40\text{ m}\),角速率為 \(4.0\text{ rad s}^{-1}\)。

在某一瞬間,兩個圓盤邊緣上的一個點都正向東移動。

一名學生提出三個說法:

  1. 兩個邊緣點具有相同的瞬時線速度。
  2. 它們完成一整圈所需的時間相同。
  3. 它們的向心加速度大小相同。

判斷哪些說法正確,並以定量方式說明每項判斷的理由。

解答 4

只有說法 1 正確。在題目所述的瞬間,兩個點具有相同的瞬時線速度,但圓盤 X 的週期是圓盤 Y 的一半,而其邊緣的向心加速度則是圓盤 Y 的兩倍。

對說法 1,

\[ v=r\omega \]

對 X,

\[ v_X=(0.20)(8.0) =1.6\text{ m s}^{-1} \]

對 Y,

\[ v_Y=(0.40)(4.0) =1.6\text{ m s}^{-1} \]

題目也指出,在該瞬間兩個邊緣點都正向東移動。因此,它們的速度大小與方向都相同,所以說法 1 正確。

對說法 2,使用

\[ T=\frac{2\pi}{\omega} \]

對 X,

\[ T_X=\frac{2\pi}{8.0} =0.785\text{ s} \]

對 Y,

\[ T_Y=\frac{2\pi}{4.0} =1.57\text{ s} \]

所以說法 2 錯誤。

對說法 3,向心加速度可以寫成

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

兩個點具有相同的 \(v\),但它們的半徑不同。

對 X,

\[ a_{cX}=\frac{(1.6)^2}{0.20} =12.8\text{ m s}^{-2} \]

對 Y,

\[ a_{cY}=\frac{(1.6)^2}{0.40} =6.4\text{ m s}^{-2} \]

因此,說法 3 也錯誤。

一個很容易採取的捷徑,是看到兩個線速率相同,就假設兩種運動一定等同。事實並非如此。相同的切向速率可以來自不同的半徑與角速率組合。

圓盤 X 的半徑較小,但角速率較大。它的速度方向改變得更快,因此具有較大的向心加速度。

問題 5

兩顆小珠 A 和 B 固定在同一根剛性旋轉臂上的不同位置。A 距離旋轉軸 \(0.20\text{ m}\),B 距離旋轉軸 \(0.50\text{ m}\)。

在某一瞬間,旋轉臂的角速率為 \(6.0\text{ rad s}^{-1}\)。

一名學生推論:

「B 的線速率比 A 大。因此,B 的速度改變得更快。所以 B 的角速度一定也比較大。」

另一名學生回答:

「不對。因為兩顆小珠都在同一根旋轉臂上,所以除了半徑之外,它們運動的一切都相同。」

評估這兩個論點。判斷 A 和 B 哪些物理量一定相同、哪些一定不同,並解釋為什麼兩名學生的說法都不完全正確。

假設旋轉臂在這一瞬間做等速旋轉。

解答 5

A 和 B 具有相同的角速度,但 B 具有較大的線速率與較大的向心加速度。兩名學生的整體論點都不正確,因為它們可以具有相同的角運動,而線運動則會隨半徑而改變。

由於 A 和 B 固定在同一根剛性旋轉臂上,因此在每一段時間間隔內,它們都會掃過相同的角位移。因此,

\[ \omega_A=\omega_B=6.0\text{ rad s}^{-1} \]

它們的線速率可由下式求得:

\[ v=r\omega \]

對 A,

\[ v_A=(0.20)(6.0) =1.2\text{ m s}^{-1} \]

對 B,

\[ v_B=(0.50)(6.0) =3.0\text{ m s}^{-1} \]

所以第一名學生說 B 的線速率較大,這一點是正確的。

然而,該學生推論的下一步並不成立。較大的線速率並不表示較大的角速度。在這裡,兩顆小珠的角速度完全相同,因為它們共享同一個剛性旋轉運動。

現在考慮每個速度向量改變得有多快。在等速圓周運動中,每顆小珠的向心加速度為

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

對 A,

\[ a_{cA} =\frac{(1.2)^2}{0.20} =7.2\text{ m s}^{-2} \]

對 B,

\[ a_{cB} =\frac{(3.0)^2}{0.50} =18\text{ m s}^{-2} \]

因此,就每秒速度變化量的大小而言,B 的速度確實改變得更快,即使 A 和 B 具有相同的角速度。

所以第二名學生也只說對了一部分。固定在同一根剛性旋轉臂上,能保證它們具有相同的角位移、角速度與週期,但並不代表其他「一切」都相同。

半徑會改變好幾個線運動相關的物理量:

\[ v=r\omega \]

而且,由於

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

代入 \(v=r\omega\) 可得

\[ a_c=r\omega^2 \]

在角速率固定時,線速率與向心加速度都會隨半徑增加而增加。

這就是關鍵限制條件。一個剛性旋轉物體上的所有點可以共享同一種角運動,但這些點所經歷的線運動卻可能相當不同。

一旦掌握這個區別,角速度就不再只是一條孤立的公式。它會成為旋轉與其他圓周運動概念之間的連結:\(v=r\omega\) 把它與切向速率連結起來,而接著由 \(a_c=v^2/r\) 就能解釋,為什麼一個物體即使以恆定速率沿圓周運動,仍然必須具有指向圓心的加速度。