人教版高中物理必修2第五章 曲線運(yùn)動7. 生活中的圓周運(yùn)動 教案(4).docx

高中物理必修2生活中的圓周運(yùn)動教案教學(xué)目標(biāo)1、知識與技能(1)知道如果一個力或幾個力的合力的效果是使物體產(chǎn)生向心加速度，它就是圓周運(yùn)動的物體所受的向心力.會在具體問題中分析向心力的來源。(2)能理解運(yùn)用勻速圓周運(yùn)動的規(guī)律分析和處理生產(chǎn)和生活中的具體實(shí)例。(3)知道向心力和向心加速度的公式也適用于變速圓周運(yùn)動，會求變速圓周運(yùn)動中物體在特殊點(diǎn)的向心力和向心加速度。2、過程與方法(1)通過對勻速圓周運(yùn)動的實(shí)例分析，滲透理論聯(lián)系實(shí)際的觀點(diǎn)，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。(2)通過勻速圓周運(yùn)動的規(guī)律也可以在變速圓周運(yùn)動中使用，滲透特殊性和一般性之間的辯證關(guān)系，提高學(xué)生的分析能力。(3)通過對離心現(xiàn)象的實(shí)例分析，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識解決問題的能力。3、情感、態(tài)度與價值觀(1)通過對幾個實(shí)例的分析，使學(xué)生明確具體問題必須具體分析，理解物理與生活的聯(lián)系，學(xué)會用合理、科學(xué)的方法處理問題。(2)通過離心運(yùn)動的應(yīng)用和防止的實(shí)例分析.使學(xué)生明白事物都是一分為二的，要學(xué)會用一分為二的觀點(diǎn)來看待問題。(3)養(yǎng)成良好的思維表述習(xí)慣和科學(xué)的價值觀。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：理解向心力是一種效果力;在具體問題中能找到是誰提供向心力的，并結(jié)合牛頓運(yùn)動定律求解有關(guān)問題。教學(xué)難點(diǎn)：具體問題中向心力的來源;關(guān)于對臨界問題的討論和分析;對變速圓周運(yùn)動的理解和處理。教學(xué)工具多媒體、板書教學(xué)過程新課導(dǎo)入生活中的圓周運(yùn)動到處可見，如運(yùn)動物體轉(zhuǎn)彎問題，汽車、火車、飛機(jī)、自行車、摩托車的轉(zhuǎn)彎，只要你注意觀察，高速公路、賽車的彎道處，都做成外高內(nèi)低的路面，自行車、摩托車拐彎時都要傾斜車身你知道這是什么原因嗎?一、鐵路的彎道1.基本知識(1)火車在彎道上的運(yùn)動特點(diǎn)火車在彎道上運(yùn)動時做圓周運(yùn)動，具有向心加速度，由于其質(zhì)量巨大，因此需要很大的向心力.(2)轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外軌一樣高的缺點(diǎn)如果轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外軌一樣高，則由外軌對輪緣的彈力提供向心力，這樣鐵軌和車輪極易受損.(3)鐵路彎道的特點(diǎn)轉(zhuǎn)彎處外軌略高于內(nèi)軌.鐵軌對火車的支持力不是豎直向上的，而是斜向彎道內(nèi)側(cè).鐵軌對火車的支持力與火車所受重力的合力指向軌道的圓心，它提供了火車以規(guī)定速度行駛時的向心力.2.思考判斷(1)火車彎道的半徑很大，故火車轉(zhuǎn)彎需要的向心力很小.()(2)火車轉(zhuǎn)彎時的向心力是車軌與車輪間的擠壓提供的.()(3)火車通過彎道時具有速度的限制.()探究交流除了火車彎道具有內(nèi)低外高的特點(diǎn)外，你還了解哪些道路具有這樣的特點(diǎn)?【提示】有些道路具有外高內(nèi)低的特點(diǎn)是為了增加車輛做圓周運(yùn)動的向心力，進(jìn)而提高了車輛的運(yùn)動速度，因此一些賽車項(xiàng)目的賽道的彎道要做得外高內(nèi)低，比如汽車、摩托車、自行車賽道的彎道，高速公路的拐彎處等.二、拱形橋1.基本知識2.思考判斷(1)汽車在水平路面上勻速行駛時，對地面的壓力等于車重，加速行駛時大于車重.()(2)汽車在拱形橋上行駛，速度較小時，對橋面的壓力大于車重;速度較大時，對橋面的壓力小于車重.()(3)汽車過凹形橋底部時，對橋面的壓力一定大于車重.()探究交流地球可以看做一個巨大的拱形橋，橋面半徑等于地球半徑，試討論：地面上有一輛汽車在行駛，地面對它的支持力與汽車的速度有何關(guān)系?駕駛員有什么感覺?【提示】根據(jù)汽車過凸形橋的原理，地球?qū)λ闹С至﹄Sv的增大，F(xiàn)N減小.當(dāng)這時駕駛員與座椅之間的壓力為零.他有飛起來的感覺，所以駕駛員有失重的感覺.三、航天器中的失重現(xiàn)象及離心現(xiàn)象1.基本知識(1)航天器在近地軌道的運(yùn)動對航天器，在近地軌道可認(rèn)為地球的萬有引力等于其重力，重力充當(dāng)向心力，滿足的關(guān)系為對航天員，由重力和座椅的支持力提供向心力，滿足的關(guān)系為航天員處于完全失重狀態(tài)，對座椅壓力為零.航天器內(nèi)的任何物體之間均沒有壓力.(2)對失重現(xiàn)象的認(rèn)識航天器內(nèi)的任何物體都處于完全失重狀態(tài)，但并不是物體不受地球引力.正因?yàn)槭艿降厍蛞Φ淖饔貌攀购教炱鬟B同其中的乘員做勻速圓周運(yùn)動.(3)離心運(yùn)動定義：物體沿切線飛出或做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動.原因：向心力突然消失或外力不足以提供所需向心力.2.思考判斷(1)繞地球做勻速圓周運(yùn)動的航天器中的宇航員及所有物體均處于完全失重狀態(tài).()(2)航天器中處于完全失重狀態(tài)的物體不受重力作用.()(3)航天器中處于完全失重狀態(tài)的物體所受合力為零.()探究交流雨天，當(dāng)你旋轉(zhuǎn)自己的雨傘時，會發(fā)現(xiàn)水滴沿著傘的邊緣切線飛出(如圖所示)，你能說出其中的原因嗎?【提示】旋轉(zhuǎn)雨傘時，雨滴也隨著運(yùn)動起來，但傘面上的雨滴受到的力不足以提供其做圓周運(yùn)動的向心力，雨滴由于慣性要保持其原來的速度方向而沿切線方向飛出.四、火車轉(zhuǎn)彎問題【問題導(dǎo)思】1.火車轉(zhuǎn)彎時，軌道平面是水平面嗎?2.火車轉(zhuǎn)彎時，向心力是怎樣提供的?3.火車轉(zhuǎn)彎時，速度大小變化，軌道受到的側(cè)向壓力大小變化嗎?1.軌道分析火車在轉(zhuǎn)彎過程中，運(yùn)動軌跡是一圓弧，由于火車轉(zhuǎn)彎過程中重心高度不變，故火車軌跡所在的平面是水平面，而不是斜面.火車的向心加速度和向心力均沿水平面指向圓心.2.向心力分析如圖所示，火車速度合適時，火車受重力和支持力作用，火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小F=mgtan .為彎道半徑，為軌道所在平面與水平面的夾角，v0為轉(zhuǎn)彎處的規(guī)定速度).4.軌道壓力分析(1)當(dāng)火車行駛速度v等于規(guī)定速度v0時，所需向心力僅由重力和彈力的合力提供，此時火車對內(nèi)外軌道無擠壓作用.(2)當(dāng)火車行駛速度v與規(guī)定速度v0不相等時，火車所需向心力不再僅由重力和彈力的合力提供，此時內(nèi)外軌道對火車輪緣有擠壓作用，具體情況如下：當(dāng)火車行駛速度vv0時，外軌道對輪緣有側(cè)壓力.當(dāng)火車行駛速度v0時，內(nèi)軌道對輪緣有側(cè)壓力.誤區(qū)警示汽車、摩托車賽道拐彎處，高速公路轉(zhuǎn)彎處設(shè)計成外高內(nèi)低，也是盡量使車受到的重力和支持力的合力提供向心力，以減小車輪受到地面施加的側(cè)向靜摩擦力.例：有一列重為100 t的火車，以72 km/h的速率勻速通過一個內(nèi)外軌一樣高的彎道，軌道半徑為400 m.(g取10 m/s2)(1)試計算鐵軌受到的側(cè)壓力大小;(2)若要使火車以此速率通過彎道，且使鐵軌受到的側(cè)壓力為零，我們可以適當(dāng)傾斜路基，試計算路基傾斜角度的正切值.【審題指導(dǎo)】(1)問中，外軌對輪緣的側(cè)壓力提供火車轉(zhuǎn)彎所需要的向心力.(2)問中，重力和鐵軌對火車的支持力的合力提供火車轉(zhuǎn)彎的向心力.【答案】(1)105 N(2)0.1總結(jié)解決這類題目首先要明確物體轉(zhuǎn)彎做的是圓周運(yùn)動，其次要找準(zhǔn)物體做圓周運(yùn)動的平面及圓心，理解向心力的來源是物體所受合力.五、豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動【問題導(dǎo)思】1.關(guān)于豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動，一般只討論哪兩種模型?2.對“繩模型”，質(zhì)點(diǎn)過最高點(diǎn)的臨界條件是什么?3.對“桿模型”，質(zhì)點(diǎn)過最高點(diǎn)的臨界條件是什么?1.繩模型小球在細(xì)繩作用下在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，小球沿豎直光滑軌道內(nèi)側(cè)做圓周運(yùn)動，都是繩模型，如圖所示.(1)向心力分析小球運(yùn)動到最高點(diǎn)時受向下的重力和向下的繩子拉力(或軌道彈力)作用，由這兩個力的合力充當(dāng)向心力小球運(yùn)動到最低點(diǎn)時受向下的重力和向上的繩子拉力(或軌道彈力)作用，由這兩個力的合力充當(dāng)向心力(2)臨界條件小球恰好過最高點(diǎn)時，應(yīng)滿足彈可得小球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動的臨界速度(3)最高點(diǎn)受力分析2.桿模型小球被一輕桿拉著在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，小球在豎直放置的光滑細(xì)管內(nèi)做圓周運(yùn)動，都是桿模型，如圖所示.(1)向心力分析小球運(yùn)動到最高點(diǎn)時受桿(或軌道)的彈力和向下的重力作用，由這兩個力的合力充當(dāng)向心力.若彈力向上：小球運(yùn)動到最低點(diǎn)時受向上的桿(或軌道)彈力和向下的重力作用，由這兩個力的合力充當(dāng)向心力(2)臨界條件由于桿和管能對小球產(chǎn)生向上的支持力，故小球能在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動的臨界條件是運(yùn)動到最高點(diǎn)時速度恰好為零.(3)最高點(diǎn)受力分析特別提醒1.繩模型和桿模型中小球做的都是變速圓周運(yùn)動，在最高點(diǎn)、最低點(diǎn)時由小球豎直方向所受的合力充當(dāng)向心力.2.繩模型和桿模型在最低點(diǎn)的受力特點(diǎn)是一致的，在最高點(diǎn)桿模型可以提供豎直向上的支持力，而繩模型不能.例：長度為0.5 m的輕桿OA繞O點(diǎn)在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，A端連著一個質(zhì)量m=2 kg的小球.求在下述的兩種情況下，通過最高點(diǎn)時小球?qū)U的作用力的大小和方向.(g取10 m/s2)(1)桿做勻速圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)速為2.0 r/s;(2)桿做勻速圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)速為0.5 r/s.【審題指導(dǎo)】(1)球在最高點(diǎn)時，桿對小球的彈力有支撐力和拉力兩種可能.(2)要求出球在最高點(diǎn)時，桿恰好無彈力的轉(zhuǎn)速，再進(jìn)行列式分析.【答案】(1)小球?qū)U的拉力為138 N，方向豎直向上.(2)小球?qū)U的壓力為10 N，方向豎直向下.六、離心運(yùn)動【問題導(dǎo)思】1.離心現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是什么?2.物體什么時候才做離心運(yùn)動?3.離心運(yùn)動與近心運(yùn)動有什么區(qū)別?1.離心運(yùn)動的實(shí)質(zhì)離心現(xiàn)象的本質(zhì)是物體慣性的表現(xiàn).做圓周運(yùn)動的物體，由于慣性，總是有沿著圓周切線飛出去的趨向，之所以沒有飛出去，是因?yàn)槭艿较蛐牧Φ淖饔?從某種意義上說，向心力的作用是不斷地把物體從圓周運(yùn)動的切向方向拉回到圓周上來.2.離心運(yùn)動的條件做圓周運(yùn)動的物體，提供向心力的外力突然消失或者合外力不能提供足夠大的向心力.3.離心運(yùn)動、近心運(yùn)動的判斷如圖所示，物體做圓周運(yùn)動是離心運(yùn)動還是近心運(yùn)動，由實(shí)際提供的向心力Fn與所需向心力的大小關(guān)系決定由以上關(guān)系進(jìn)一步分析可知：原來做圓周運(yùn)動的物體，若速率不變，所受向心力減少或向心力不變，速率變大，物體將做離心運(yùn)動;若速度大小不變，所受向心力增大或向心力不變，速率減小，物體將做近心運(yùn)動.誤區(qū)警示1.物體做離心運(yùn)動時并不存在“離心力”，“離心力”的說法是因?yàn)橛械耐瑢W(xué)把慣性當(dāng)成了力.2.離心運(yùn)動并不是沿半徑方向向外遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動.例：如圖所示，高速公路轉(zhuǎn)彎處彎道圓半徑R=250 m，汽車輪胎與路面間的動摩擦因數(shù)=0.25.若路面是水平的，問汽車轉(zhuǎn)彎時不發(fā)生側(cè)向滑動(離心現(xiàn)象)所許可的最大速率vm為多大?當(dāng)超過v時，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?(g取10 m/s2)【審題指導(dǎo)】(1)明確向心力的來源.(2)理解離心運(yùn)動產(chǎn)生的原因.【答案】90 km/h汽車做離心運(yùn)動或出現(xiàn)翻車七、航天器中的完全失重現(xiàn)象例：如圖所示，宇航員在圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動的空間站中處于完全失重狀態(tài)，下列說法正確的是()A.宇航員仍受重力的作用B.宇航員受力平衡C.宇航員所受重力等于所需的向心力D.宇航員不受重力的作