高中物理7.生活中的圆周运动教学设计

第八节：生活中的圆周运动

一、设计思想：

《生活中的圆周运动》是圆周运动的应用课，内容丰富，它的顺序先是关于火车的转弯问题，然后是关于汽车过拱形桥等一类竖直平面内的圆周运动，最后是离心运动。在这部分内容中，学生难以用物理的语言来解释常见的现象，主要是对现象的本质没有透彻的理解。为此，我们不断的找寻原因，查阅资料，最终想尝试从“供”“需”两方面分析物体的运动状况。“供”即外界物体对研究对象施加的指向圆心方向的合力，“需”即研究对象做圆周运动自身所需要的向心力，若一旦“供需”平衡，物体就做圆周运动；若“供”小于“需”，物体就做离心运动，依次类推，当“供”大于“需”时，物体就做向心运动。

在教学过程中，首先通过视频播放学生熟悉的生活示例，设疑学生思考，激发学生的求知欲，通过师生互活动探究、讲授、讨论教科书中的这几个实例，抓住先分析物体所受的力，分析向心力的来源，然后用牛顿第二定律列出方程、解方程的基本思想，使知识、技能、方法得以落实掌握。通过例题巩固知识、提升能力；布置学生观察并思考的活动与探究课外作业，培养学生的探究意识，激发创新精神。

二、教学目标

（一）知识与技能：

    1．知道如果一个力或几个力的合力的效果是使物体产生向心加速度，它就是圆周运动的物体所受的向心力．会在具体问题中分析向心力的来源．

2、引导学生应用牛顿第二定律和有关向心力知识分析实例，使学生深刻理解向心力的基础知识。

3、熟练掌握应用向心力知识分析两类圆周运动模型的步骤和方法。

4、知道离心运动是物体具有惯性的表现，了解离心运动的应用和防止

（二）过程与方法：

    1．通过对匀速圆周运动的实例分析，渗透理论联系实际的观点，提高学生分析和解决问题的能力．

    2．通过匀速圆周运动的规律也可以在变速圆周运动中使用，渗透特殊性和一般性之间的辩证关系，提高学生的分析能力．

    3．通过对离心现象的实例分析，提高学生综合应用知识解决问题的能力．

4.运用启发式问题探索教学方法，激发学生的求知欲和探索动机；锻炼学生观察、分析、抽象、建模的解决实际问题的方法和能力。

（三）情感、态度与价值观：

1．通过对几个实例的分析，使学生学会用合理、科学的方法处理问题的同时，体会理论应用与实际解决问题带来的成功愉悦。培养学生将知识应用于生活、生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题的能力与习惯

2．通过离心运动的应用和防止的实例分析．使学生明白事物都是一分为二的，要学会用一分为二的观点来看待问题．

   3．养成良好的思维表述习惯和科学的价值观

三、教学重点与难点

教学重点

1．理解向心力是一种效果力．

    2．在具体问题中能找到是谁提供向心力的，并结合牛顿运动定律求解有关问题．

3．物体做离心运动所满足的条件。

教学难点

    1．具体问题中向心力的来源．

    2．关于对临界问题的讨论和分析以及对变速圆周运动的理解和处理。

    3．研究航天器中的失重现象。

学生常常误认为向心力是一种特殊的力，是做匀速圆周运动的物体另外受到的力。因此理解向心力是一种效果力，在具体问题中能找到是谁提供向心力以及研究航天器中的失重现象，并结合牛顿运动定律求解有关问题．是教学的重点也是难点。

四、教学内容及变化

1．  原第6节《匀速圆周运动的实例分析》和第7节的《离心现象及其应用》改成了第8节的《生活中的圆周运动》，增加了“航天器中的失重现象”。

2．教材变化的意图分析

第一，   以前两课时，时间很浪费，目前增加了“航天器中的失重现象”，才2课时；

第二，   原来的题目有问题，拱桥问题是非匀速圆周运动的实例，现在写成“生活中的圆周运动”更合理；

第三，章节在此有所压缩，保证总章节变化不大。

五、教学方法与学习策略建议（包括教学资源）

教学方法：探究、讲授、讨论、练习

说明火车转弯的实物模型，做圆周运动的有关视频资料。CAI课件、小球、洗衣机脱水、离心干燥器等各类演示设备、图片等．

六、教学过程

（一）新课引入：

师：观看视频：一段刺激的赛车事故录象；

师：谁能说说，赛车在什么地方最容易发生事故？

生：转弯时；在上坡和下坡时也容易发生事故。

师：大家的观察很仔细，为了研究的需要，我们先把车在这两处的运动情况，用示意图的形式显示出来吧。

师生互动：在黑板上画出示意图，找到共同点：赛车原来的运动可看做圆周，突然都偏离了原有的轨道，做远离圆心的运动！

师：生活中，你们见过其他的离心运动吗？

生1：链球运动员投掷链球时链球做离心运动。

师：（拿出课前准备的塑料球）找学生演示链球做离心运动实验，观察离心运动。

师：谁还能举出离心运动的例子？

生2：运动员在扔铁饼时，铁饼做离心运动。

师：其实，不仅体育运动中有离心运动，生活和生产中还有很多离心运动的实例。视频展示生产中的离心运动实例。为什么原来做圆周运动的物体，它突然会做离心运动呢

今天，我们就来研究生活中的圆周运动问题

板书：第八节：生活中的圆周运动

（二）新课教学：

师：牛顿运动定律告诉我们，要分析物体的运动，可从哪方面开始着手？

生：受力分析。

师：对！

生：观察演示实验：

实验演示1：在光滑水平面上拉一小球做圆周运动，突然放手，球沿切线方向飞出。

教师提问：①小球做圆周运动时，需要什么力？哪个力提供向心力？

②放手后，小球的受力情况有什么变化？小球的运动轨迹发生了什么变化？

引导学生：①分析小球运动轨迹的变化是物体惯性的体现；

②从物体做圆周运动的“供”、“需”两方面着手分析轨迹变化的原因：供：指向圆心方向的合力；需：所需的向心力。

师：通过这一部分知识的学习，我们应该养成习惯：对于做圆周运动，我们要从“供需”两方面加以分析！

从而得出结论，并板书：

物体做离心运动的条件：需要的向心力大于物体受到指向圆心方向的合外力。 

⑴当F合=0时，做离心运动（沿切线方向飞出）。

⑵当0＜F合＜F向时，做离心运动（沿介于切线和圆周之间的某一方向飞出）。

学生讨论：离心运动在生产生活中有哪些利与弊。

[3] F合=F向时，则物体将做稳定的圆周运动。

过渡：下面我们一起讨论几个生活中的圆周运动实例：

实例：1火车拐弯问题

师:前面分析了赛车在水平面的的转弯时的向心力情况，是摩擦力提供的。那么对于火车呢？火车转弯时谁能提供向心力呢？我们首先分析一下火车在平直轨道上行驶时的受力情况。

课件模拟在平直轨道上匀速行驶的火车，提出问题：

（1）、火车受几个力作用？

（2）、这几个力的关系如何？

（学生观察，画受力分析示意图）

师生互动：火车受重力、支持力、牵引力及摩檫力，其合力为零。

过渡：那火车转弯时情况会有何不同呢？

课件模拟平弯轨道火车转弯情形，提出问题：

（1）、转弯与直进有何不同？

（2）、当火车转弯时，它在水平方向做圆周运动。是什么力提供火车做圆周运动所需的向心力呢？

师生互动：分析内外轨等高时向心力的来源（运用模型说明）

    （1）此时火车车轮受三个力：重力、支持力、外轨对轮缘的弹力。

    （2）外轨对轮缘的弹力提供向心力。

（3）由于该弹力是由轮缘和外轨的挤压产生的，且由于火车质量很大，速度比较大,所需向心力也很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大，易损害铁轨。

师设疑：那么应该如何解决这个问题？

学生活动：发挥自己的想象能力，结合知识点设计方案。

提示 ：（1）、设计方案目的是为了减少弹力

（2）、播放视频——火车转弯

学生提出方案：火车外轨比内轨高，使铁轨对火车的支持力不再是竖直向上。此时，支持力与重力不再平衡，他们的合力指向“圆心”，提供向心力，从而减轻轮缘和铁轨之间的挤压。

学生讨论：什么情况下可以完全使轮缘和铁轨之间的挤压消失呢？

学生归纳：转弯处要选择内外轨适当的高度差，使转弯时所需的向心力完全由重力G和支持力FN来提供，这样外轨就不受轮缘的挤压了。

  师生互动：老师边画图边讲解做定性分析并归纳总结

强调说明：

      1、向心力是按效果命名的力；

      2、任何一个力或几个力的合力只要它的作用效果是使物体产生向心加速度，它就是物体所受的向心力；

3、不能认为做匀速圆周运动的物体除了受到物体的作用力以外，还要另外受到向心力作用。

    师：请同学们运用刚才的“供需”分析原理来解释，实际的铁路上为什么转弯处的半径和火车运行速度有条件限制。

探究实例2：汽车过拱桥问题

刚才我们看的录象中，赛车事故多发地主要在转弯处和上下坡处，其实车过拱桥时的运动我们可以看作圆周运动。请同学们比较一下：当汽车过最高点和最低点时桥面的受力情况：

实例研究2——过拱桥

学生在练习本上独立画出汽车的受力图，推导出汽车对桥面的压力。教师选择一种情况进行讲解。

如图，若汽车在拱桥上以速度v前进，桥面的圆弧半径为R，求汽车过桥的最高点时对桥面的压力？

⑴选汽车为研究对象

   ⑵对汽车进行受力分析：受到重力和桥对车的支持力

 　⑶上述两个力的合力提供向心力、且向心力方向向下

   ⑷建立关系式：

又因支持力与压力是一对作用力与反作用力，所以   

 且，物体处于失重状态。

研究与探讨：从录象中看，若汽车速度过快，汽车做何种运动？ 为什么？

生：汽车会飞出去。要求学生从“供需”原理来分析飞出去的原因。

教师进一步解释：汽车对桥的压力F压小于汽车的重力G，并且压力随汽车速度的增大而减小．当汽车对桥的压力刚好减为零时，将F压=0代入，得汽车的速度为，当汽车的速度大于这个速度时，就会发生汽车飞出去的现象，这时候汽车里的物体处于完全失重状态，这种现象我们在电影里看到过．

师：同学们有没有体验过这种失重的状态呢？

实例分析3：航天器中的失重现象

从刚才研究的一道例题可以看出，当汽车通过拱形桥凸形桥面顶点时，如果车速达到一定大小，则可使汽车对桥面的压力为零．如果我们把地球想象为特大的“拱形桥”，则情形如何呢?会不会出现这样的情况；速度达到一定程度时，地面对车的支持力是零?这时驾驶员与座椅之间的压力是多少?驾驶员躯体各部分之间的压力是多少?他这时可能有什么感觉?

学生独立分析以上提出的问题，并在练习本上画出受力分析图，尝试解答．

师：刚才同学们交流、讨论的问题即为课本第25页上面的“思考与讨论”，该“思考与讨论”中描述的情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中．

    假设宇宙飞船质量为M，它在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径近似等于地球半径R，航天员质量为m，宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于他们在地面上的重力．试求座舱对宇航员的支持力．此时飞船的速度多大?通过求解．你可以得出什么结论?

    教师投影，师生共同讨论分析航天员在飞船中的受力情况，并运用牛顿第二定律可得：，当宇宙飞船的速度为时，F支=F压=0，即航天员处于失重状态．

（三）课堂练习：

练习1．一辆载重卡车，在丘陵地上以不变的速率行驶，地形如图所示。由于轮胎已旧，途中爆了胎。你认为在图中A、B、C、D四处中，爆胎的可能性最大的一处是       （  ）
 

练习2：质量为2×103kg的汽车在水平公路上行驶，轮胎与路面间的最大静摩擦力为1.4×104N。汽车经过半径为50m的弯路上时，如果车速达到72km/h，这辆车会不会发生侧滑？

（四）课堂小结：

师：请同学们根据自己对本节内容的理解，在笔记本上将本节课的主要内容进行总结．

    学生认真总结概括本节内容，并把自己对这节课的体会写下来.

投影部分学生的小结，所有同学比较投影出的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方．

教师播放PPT：做课堂小结、布置作业；

1．  圆周运动的解题思路：

(1)明确研究对象，确定它在哪个平面内做圆周运动，找到圆心和半径。

(2)确定研究对象在某个位置所处的状态，进行具体的受力分析，分析哪些力提供了向心力。

（3）建立以向心方向为正方向的坐标，据向心力公式列方程。

（4）解方程，对结果进行必要的讨论。

2、离心运动

(1)定义:做匀速圆周运动的物体，在所受合外力突然消失或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动．

    (2)离心运动的条件：

   ①当F合=0时，做离心运动（沿切线方向飞出）。

②当0＜F合＜F向时，做离心运动（沿介于切线和圆周之间的某一方向飞出）．

 (3)离心现象的本质——物体惯性的表现

 (4)离心现象的利与弊.

（师：本节课中需要我们掌握的关键是：一个要从力的方面认真分析，搞清谁来提供物体做圆周运动所需的向心力，能提供多大的向心力，是否可以变化，另一个方面从运动的物理量本身去认真分析，看看物体做这样的圆周运动究竟需要多大的向心力．如果供需双方正好相等，则物体将做稳定的圆周运动；如果供大于需，则物体将偏离圆轨道，逐渐靠近圆心，如果供小于需，则物体将偏离圆轨道，逐渐远离圆心：如果外力突然变为零，则物体将沿切线方向做匀速直线运动．）

作业：1.P36问题与练习

        2. 活动与探究:观察并思考：

(1)汽车、自行车等在束平面上转弯时，为什么速度不能过大?

(2)．滑冰运动员及摩托车运动员在弯道处的姿势，并分析其受力情况．

 六、课堂评价

1．学生

(1)学生对知识与技能的掌握情况

(2)学生在认知活动中的参与水平

2．教师教学后在教学设计、教学组织等方面的自我评价与反思。

七、课后点评: