高中数学 · D 模块

圆周运动与正弦型函数

圆上的点匀速转动,纵坐标随时间改变。用同一张图看清:时间怎样确定转角,转角怎样确定纵坐标,从而得到一般的正弦型函数。

从圆到函数

时间确定转角,转角确定纵坐标

点 $P$ 沿半径为 $A$ 的圆匀速转动。以圆心 $O$ 为原点,点的纵坐标是 $y$;我们要写出以时间 $t$ 为自变量的函数 $y(t)$。

从 $x$ 轴正方向量角,逆时针为正。初始角是 $\varphi$,每单位时间转过 $\omega$ 弧度;经过时间 $t$,当前角就是 $\theta=\varphi+\omega t$。由圆上点与正弦的关系,$y=A\sin\theta$。

下图画的是点在圆上的位置:$x$ 轴表示左右位置,不表示时间;绿色线段表示纵坐标 $y$,上方为正,下方为负。若画 $y(t)$ 的函数图象,则用横轴表示时间 $t$,纵轴表示对应的 $y$。

拖动圆上的点 P,看转角与纵坐标的对应 半径 A 为10,初始角为负π除以2,角速度为π除以4。从最低点逆时针转一周,对应时间0到8。θ为当前角,绿色y表示点相对于圆心的纵坐标。 半径 A = 10

图中:$A=10$、$\omega=\dfrac\pi4$、$\varphi=-\dfrac\pi2$

灰色虚线是初始方向;橙色弧线是转过的角 $\omega t$,玫紫色弧线是当前角 $\theta$。拖动是在选择时刻,半径与角速度保持不变。

沿着图中的对应关系,把角代入纵坐标表达式:

$$\theta(t)=\varphi+\omega t$$

初始角加上转过的角,得到当前角。

$$y=A\sin\theta$$

半径乘以当前角的正弦,得到纵坐标。

$$y(t)=A\sin(\omega t+\varphi)$$

代入当前角,就得到纵坐标随时间变化的函数。

这里 $A>0$、$\omega>0$ 且保持不变,$t\geqslant0$,角用弧度表示。$y$ 在圆心上方为正、下方为负;圆是点的运动轨迹,正弦函数描述的是它的纵坐标。

一周运动

用一周运动检查模型

沿用上图半径为 $10$ 的圆。点每 $8$ 个时间单位转一周,并从最低点开始逆时针运动。转完一周所需的时间叫作周期,记为 $T$;本例 $T=8$。

$$A=10$$

半径为 $10$,所以纵坐标在 $-10$ 与 $10$ 之间变化。

$$\omega=\frac{2\pi}{8}=\frac\pi4$$

一周是 $2\pi$ 弧度,用时为 $8$,所以每单位时间转过 $\frac\pi4$ 弧度。

$$\varphi=-\frac\pi2$$

最低点的半径竖直向下,可以用从 $x$ 轴正方向顺时针转过的 $-\frac\pi2$ 表示。

$$y(t)=10\sin\left(\frac\pi4t-\frac\pi2\right)$$

代入半径、角速度和初始角,得到本例的纵坐标函数。

开始时 $t=0$,$y(0)=-10$,点在最低处;半周后 $t=4$,$y(4)=10$,点在最高处;到 $t=8$ 时,$y(8)=-10$,回到最低处,正好转完一周。

参数与条件

参数分别对应什么

本例用“一周的角÷一周的时间”求角速度。一般地,一周转过 $2\pi$ 弧度,因此角速度与周期满足下面的关系。沿圆周每单位时间走过的路程,叫作线速度大小,记为 $v$。

$$\omega T=2\pi\quad\Longrightarrow\quad T=\frac{2\pi}{\omega}$$

每单位时间转过 $\omega$ 弧度,用 $T$ 个时间单位转完一周;$\omega>0$,可以相除求出周期。

$$v=A\omega$$

半径乘以角速度,得到沿圆周运动的线速度大小。角速度用弧度计,时间单位须保持一致。

量含义与关系
$A>0$半径;竖直投影偏离圆心的最大距离。
$\omega>0$每单位时间转过的角,保持恒定。

$T=\dfrac{2\pi}{\omega}$,$v=A\omega$

$\varphi$初始角,决定起始方向。相差 $2k\pi$ 的初始角方向相同,$k\in\mathbb Z$。
$t\geqslant0$从开始计时起经过的时间;与角速度的时间单位一致。

模型的边界

这个模型要求:圆心固定、半径不变、角速度恒定,并观察竖直投影。若转速随时间改变,转角就不再是 $\omega t+\varphi$;若圆心也移动,还要另行描述圆心的位置。

圆周运动产生正弦型函数,是因为圆上点的纵坐标等于半径乘以转角的正弦。先由时间确定角,再由角确定纵坐标。

若将函数图像整体上下平移,只需在 $A\sin(\omega t+\varphi)$ 后加上平移量:向上为正,向下为负。