
还真的是,只能用到微积分,别无它法。
首先,匀速圆周运动的“速”指的是速率,匀速圆周运动其实是变加速曲线运动。
接下来,取两个时刻, 和 (设 ),分别找出它们的速度 和 ,则 时间内的平均加速度是 ,其方向已经指向圆的内侧,并且和 的夹角等于这段时间内的角路程 的一半的余角, 的大小是 ,而 ,故 。
当 不断靠近 时,角路程不断趋于零,因而 也越趋近于90°,这个时候,质点经过的轨迹的弧长可完全视作弦长,即 (其实这个数学表达式很不严谨),这样做是因为在求圆的面积的时候,就是把圆通过半径将其分成无穷多个圆心角为无穷小的扇形,然后把这些扇形拼成了矩形从而得出圆的面积公式。这样算下来,就有 .
上述说法其实利用的就是微积分的思想,学过导数的同学如果理科间的学习迁移能力较强,那么就会意识到既然加速度定义为速度的变化率,那么就会意识到 ,甚至可以意识到 ,根据圆的方程和参数方程的知识,如果把轨迹圆心放到坐标原点,且在轨迹平面内确定平面直角坐标系后,质点的位置随时间的变化就是 对时间求导得 再对时间求导,得 这就计算出向心加速度 ,又由 ,得 .
