题目
分离血液成分需要用到离心分离器。离心分离器转动时给血液提供一种“模拟重力”的环境，“模拟重力”的方向沿试管远离转轴的方向，其大小与细胞质量以及到转轴距离成正比。初始时试管静止，血液内离转轴同样距离处有两种细胞 \(a,b\)，其密度分别为 \(\rho_a\) 和 \(\rho_b\)，它们与血浆密度 \(\rho_0\) 的关系为 \(\rho_a<\rho_0<\rho_b\)。试管由静止开始绕轴旋转并不断增大转速的过程中，下列说法正确的是（ ）
选项
- A. 细胞 \(a\) 相对试管向内侧运动，细胞 \(b\) 相对试管向外侧运动
- B. 细胞 \(a\) 相对试管向外侧运动，细胞 \(b\) 相对试管向内侧运动
- C. “模拟重力”对应的“重力加速度”沿转动半径方向向外侧逐渐增大
- D. “模拟重力”对应的“重力加速度”沿转动半径方向各处大小相同
学习定位
圆周运动动力学
题族：离心现象与密度分层
训练能力：等效重力判断、现实装置建模
前置知识：向心加速度、密度
查看该模型的完整题族链核心知识点
参考答案
整体解析
分步解析
1. 条件提取
离心环境中等效加速度大小为 \(a=\omega^2r\)，方向沿半径向外，且随 \(r\) 增大而增大，C 对、D 错。
2. 结论
密度小于血浆的细胞 \(a\) 类似浮在血浆中，在等效重力场中相对向“上”运动，即向内侧运动；密度大于血浆的细胞 \(b\) 相对向“下”运动，即向外侧运动，A 对、B 错。
初学者探索过程
从“离心现象与密度分层”开始探索
先把“例4：离心分离血液”还原成可复用的物理模型。下面两步先要求预测和解释，再展开检验。
每个阶段先暂停并写下自己的判断，再对照后面的检查与修正。
1. 先排除本题最容易出现的误判
先回答：暂不代入数据。阅读“例4：离心分离血液”后，判断为什么“把向心力当成物体额外受到的一种力”会导致错误，再写出研究对象、过程边界和首先要确定的“等效重力判断、现实装置建模”。
我先想到：最值得警惕的不是算错，而是：把向心力当成物体额外受到的一种力。
检查这个想法：先执行：先标出圆心方向，再判断哪些实际力提供径向合力。再检查题设中的方向、接触、阶段或临界条件是否已经进入模型。
修正之后：本题解析中的关键关系为：
\[a=\omega^2r\]
先建立关系，再决定哪些数值需要代入。
留下的方法：本题族的母题动作是“先标出圆心方向，再判断哪些实际力提供径向合力”；看到新情境时应复用这个动作，而不是复用答案。
2. 观察会使“等效重力判断”发生转折的条件
先回答：改变动画中的一个关键参数，指出哪个时刻、方向、图像趋势或临界条件最先发生变化；再说明“无论装置怎样变化，径向合力都必须等于质量与向心加速度的乘积”为什么仍成立。
我先想到：若只比较动画外观，我可能忽略“现实装置建模”已经改变。
检查这个想法：把变化前后都放回关系：
\[a=\omega^2r\]
逐项区分模型不变量与由参数决定的结果。
修正之后：真正保持的是：无论装置怎样变化，径向合力都必须等于质量与向心加速度的乘积。数值结论需要在新条件下重新计算并检查边界。
留下的方法：与同题族其他题相比，本题真正需要追踪的是“等效重力判断、现实装置建模”如何受条件变化控制。
现实同构案例
弯道、转盘与旋转设备：现实中的“离心现象与密度分层”
现实场景
车辆转弯、离心机、游乐设施和工业转盘都需要由接触力或约束力持续改变速度方向。
题目与现实如何对应
题目中的圆心、半径和转速对应设备的旋转轴、工作半径和运行转速；支持力、摩擦力或拉力对应现实中的结构载荷。 当前题目“例4：离心分离血液”训练的“等效重力判断、现实装置建模”正是完成这种映射时需要识别的量。
不变的物理模型
本题可使用关系：
\[a=\omega^2r\]
更一般的模型关系是：
\[\sum F_r=m\frac{v^2}{r}=m\omega^2r\]
无论装置怎样变化，径向合力都必须等于质量与向心加速度的乘积，因而动画与现实案例共享同一控制结构。
现实中还要补上的因素
- 现实接触面的摩擦系数会随材料和温度变化。
- 高速转动还要考虑振动、形变和安全系数。
带回原题想一想
把“例4：离心分离血液”改写成上述现实场景后，应测量哪三个物理量，怎样用同一主关系判断结果是否满足安全或运行边界？
查看参考答案与评分要点
参考答案
先测量题目所对应的状态量、控制参数和边界量，再按“先标出圆心方向，再判断哪些实际力提供径向合力”建立模型。可先使用：
\[a=\omega^2r\]
把测量值代入后，还必须检查方向、接触、阶段或临界条件；只有主方程和边界条件同时满足，现实结论才成立。
评分要点
- 指出现实对象与题目研究对象、过程边界的对应关系。
- 写出或说明关系 \[a=\omega^2r\]，并解释关键变量。
- 说明至少一个现实修正因素，并完成安全或临界条件检查。
变式练习
进阶近似题：离心场中的分层
**基础设问**
离心管中有密度分别小于和大于液体的两种颗粒。转速增大后，哪一种更靠近转轴？
**综合提升**
在原圆周运动模型中把半径改为 \(\lambda r\)。（1）分别讨论角速度不变、线速度不变、周期不变三种控制方式下 \(v,\omega,T,a_c\) 的变化；（2）指出哪些结论不能跨控制方式直接套用；（3）设计一个可由测量周期和向心加速度反求半径的关系式。
变式答案
**1. 基础设问**
密度小于液体的颗粒相对向内侧运动，更靠近转轴；密度大于液体的颗粒相对向外侧运动。
**2. 综合提升**
由 \(v=\omega r\)、\(T=2\pi/\omega\)、\(a_c=\omega^2r=v^2/r\)：角速度不变时 \(v,a_c\) 均乘 \(\lambda\)；线速度不变时 \(\omega\) 除以 \(\lambda\)、\(T\) 乘 \(\lambda\)、\(a_c\) 除以 \(\lambda\)；周期不变等价于角速度不变。由 \(a_c=4\pi^2r/T^2\) 可得 \(r=a_cT^2/(4\pi^2)\)。
思路提示
**基础思路**
把 \(\omega^2r\) 看作向外的等效重力加速度，再按浮沉规律判断。
**进阶思路**
同一个半径变化，在不同控制量保持不变时会产生不同结论；先声明不变量再做比例推导。
真题拓展
摩天轮座舱的速度、合力与机械能
高考真题 · 高度同构
2019年江苏卷 · 第6题
该真题与当前题同属“圆周运动动力学”模型，但属于不同题族；用于综合迁移，需重新识别过程结构和边界条件。
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