高中物理必修2《向心力》教案

1、高中物理必修2向心力教案 高中物理必修2向心力教案 教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能 (1)理解向心力的概念及其表達(dá)式的確切含義; (2)知道向心力大小與哪些因素有關(guān)，并能用來進(jìn)行計(jì)算; (3)知道在變速圓周運(yùn)動(dòng)中，可用上述公式求質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的向心力和向心加速度。 2、過程與方法 (1)通過用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式的實(shí)驗(yàn)來了解向心力的大小與哪些因素有關(guān)，并具體“做一做”來理解公式的含義。 (2)進(jìn)一步體會(huì)力是產(chǎn)生加速度的原因，并通過牛頓第二定律來理解勻速圓周運(yùn)動(dòng)、變速圓周運(yùn)動(dòng)及一般曲線運(yùn)動(dòng)的各自特點(diǎn)。 3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀 (1)在實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手的習(xí)慣并提升分析問題、解決問題的能力。 (

2、2)感受成功的快樂，體會(huì)實(shí)驗(yàn)的意義，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣。 教學(xué)重難點(diǎn) 教學(xué)重點(diǎn)：體會(huì)牛頓第二定律在向心力上的應(yīng)用;確定向心力的意義、作用、公式及其變形。 教學(xué)難點(diǎn)：圓錐擺實(shí)驗(yàn)及有關(guān)物理量的測(cè)量;如何運(yùn)用向心力、向心加速度的知識(shí)解釋有關(guān)現(xiàn)象。 教學(xué)工具 多媒體、板書 教學(xué)過程 一、新課導(dǎo)入 我們學(xué)習(xí)、研究了圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，知道了如何描述圓周運(yùn)動(dòng).知道了什么是向心加速度和向心加速度的計(jì)算公式，這節(jié)課我們?cè)賮韺W(xué)習(xí)物體做圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征. 觀察圖中的幾幅圖片，并根據(jù)圖做水流星實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中力的異化，考慮一下為什么做圓周運(yùn)動(dòng)的物體沒有沿著直線飛出去而是沿著一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng). 前三幅圖可

3、以看出物體之所以沒有沿直線飛出去是因?yàn)橛欣K子在拉著物體，而第四幅圖是太陽(yáng)系各個(gè)行星繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)是由于太陽(yáng)和行星之間有引力作用，是太陽(yáng)和行星之間的引力使各個(gè)行星繞太陽(yáng)在做圓周運(yùn)動(dòng).如果沒有繩的拉力和太陽(yáng)與行星之間的引力，那么這些物體就不可能做圓周運(yùn)動(dòng)，也就是說做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)受到一個(gè)力，這個(gè)力拉著物體使物體沿著圓形軌道在運(yùn)動(dòng)，我們把這個(gè)力叫做向心力. 二、向心力 1.基本知識(shí) (1)定義 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體具有向心加速度，是由于它受到了指向圓心的合力，這個(gè)合力叫做向心力. (2)公式： (3)方向 向心力的方向始終指向圓心，由于方向時(shí)刻改變，所以向心力是變力. (4)效果力 向心力

4、是根據(jù)力的效果來命名的，凡是產(chǎn)生向心加速度的力，不論屬于哪種性質(zhì)，都是向心力. 2.思考判斷 (1)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的向心力是恒力.() (2)向心力和重力、彈力一樣，是性質(zhì)力.() (3)向心力可以由重力或彈力等來充當(dāng)，是效果力.() 3.探究交流 如圖所示，細(xì)線下面懸掛一個(gè)鋼球，用手帶動(dòng)鋼球，使它在某個(gè)水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，組成一個(gè)圓錐擺.試分析其向心力來源. 【提示】鋼球在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，其受力如圖所示，重力mg和拉力FT的合力提供向心力，F(xiàn)n=mgtan 三、變速圓周運(yùn)動(dòng)和一般曲線運(yùn)動(dòng) 1.基本知識(shí) (1)變速圓周運(yùn)動(dòng) 變速圓周運(yùn)動(dòng)所受合外力一般不等于向心力，合外力一般產(chǎn)生兩

5、個(gè)方面的效果： 合外力F跟圓周相切的分力Ft，此分力產(chǎn)生切向加速度at，描述速度大小異化的快慢. 合外力F指向圓心的分力Fn，此分力產(chǎn)生向心加速度an，向心加速度只改變速度的方向. (2)一般曲線運(yùn)動(dòng)的處理方法 一般曲線運(yùn)動(dòng)，可以把曲線分隔成許多很短的小段，每一小段可看作一小段圓弧.圓弧彎曲程度不同，表明它們具有不同的半徑.這樣，質(zhì)點(diǎn)沿一般曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以采用圓周運(yùn)動(dòng)的分析方法進(jìn)行處理. 2.思考判斷 (1)圓周運(yùn)動(dòng)中指向圓心的合力等于向心力.() (2)圓周運(yùn)動(dòng)中，合外力等于向心力.() (3)向心力產(chǎn)生向心加速度.() 3.探究交流 如圖所示，蕩秋千是小朋友很喜歡的游戲，當(dāng)秋千由上向下蕩時(shí)

6、， (1)此時(shí)小朋友做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)還是變速圓周運(yùn)動(dòng)? (2)繩子拉力與重力的合力指向懸掛點(diǎn)嗎? 【提示】 (1)秋千蕩下時(shí)，速度越來越大，做的是變速圓周運(yùn)動(dòng). (2)由于秋千做變速圓周運(yùn)動(dòng)，合力既有指向圓心的分力，又有沿切向的分力，所以合力不指向懸掛點(diǎn). 四、實(shí)驗(yàn)：用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式 1.實(shí)驗(yàn)與探究：請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材“實(shí)驗(yàn)”部分，思考下面的問題： (1)實(shí)驗(yàn)器材有哪些? (2)簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理，怎樣達(dá)到驗(yàn)證的目的? (3)實(shí)驗(yàn)過程中要注意什么?如何保證小球在水平面內(nèi)做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)，測(cè)量哪些物理量，記錄哪些數(shù)據(jù)? (4)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生誤差的原因主要有哪些? 2.認(rèn)真閱讀教材，思考問

7、題，找學(xué)生代表發(fā)言，聽取學(xué)生的見解，點(diǎn)評(píng)、總結(jié)。 交流與討論：實(shí)驗(yàn)的過程中，多項(xiàng)測(cè)量都是粗略的，存在較大的誤差，用兩個(gè)方法得到的力并不嚴(yán)格相等。通過實(shí)驗(yàn)還體會(huì)到，向心力并不是像重力、彈力、摩擦力那樣具有某種性質(zhì)的力來命名的，它是效果力，是按力的效果名的，在圓錐擺實(shí)驗(yàn)中，向心力是小球重力和細(xì)線拉力的合力，還可以理解為是細(xì)線拉力在水平面內(nèi)的一個(gè)分力。 有一個(gè)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，其裝置如圖所示，讓小球在剛好要離開錐面的情況下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，我認(rèn)為利用該裝置可以使測(cè)量值減少誤差。 五、向心力的大小、方向和來源 【問題導(dǎo)思】 1.向心力大小的計(jì)算公式有哪些? 2.向心力的效果、方向怎樣? 3.物體隨水平轉(zhuǎn)盤做勻

8、速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，哪個(gè)力提供向心力? 1.向心力的作用效果 由于向心力始終指向圓心，其方向與物體運(yùn)動(dòng)方向始終垂直，故向心力不改變線速度的大小，只改變線速度的方向. 2.大小 對(duì)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力大小始終不變，但對(duì)非勻速圓周運(yùn)動(dòng)(如用一根繩拴住小球繞固定圓心在豎直平面內(nèi)做的圓周運(yùn)動(dòng))，其向心力大小隨速率v的異化而異化，公式表述的只是瞬時(shí)值. 3.方向 無論是否為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力總是沿著半徑指向圓心，方向時(shí)刻改變，故向心力是變力. 4.來源 (1)向心力可以由某一個(gè)力提供. 彈力提供向心力 如用細(xì)繩拴住小球在光滑的水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力由繩子的拉力提供(如圖所示). 摩擦力提供向心力

9、 如物體隨轉(zhuǎn)盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且物體相對(duì)于轉(zhuǎn)盤靜止，向心力由轉(zhuǎn)盤對(duì)物體的靜摩擦力提供(如圖所示). (3)向心力可以由某個(gè)力的分力提供. 如小球在細(xì)線作用下，在水平面內(nèi)做圓錐擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，向心力由細(xì)線的拉力在水平面內(nèi)的分力提供，如圖乙. 例:如圖所示，小物體m與圓盤保持相對(duì)靜止，隨盤一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則物體的受力情況是() A.受重力、支持力、靜摩擦力和向心力的作用 B.摩擦力的方向始終指向圓心O C.重力和支持力是一對(duì)平衡力 D.摩擦力是使物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 【審題指導(dǎo)】(1)向心力是效果力，受力分析時(shí)不考慮向心力. (2)向心力的方向始終指向圓心. 【答案】BCD 六、勻速圓周運(yùn)動(dòng)的

10、特點(diǎn)及解題方法 【問題導(dǎo)思】 1.勻速圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是什么? 2.如何求勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力? 3.質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件是什么? 1.質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件 合力的大小不變，方向始終與速度方向垂直且指向圓心.勻速圓周運(yùn)動(dòng)是僅速度的方向異化而速度大小不變的運(yùn)動(dòng)，所以只存在向心加速度，因此向心力就是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合力. 2.勻速圓周運(yùn)動(dòng)的三個(gè)特點(diǎn) (1)線速度大小不變、方向時(shí)刻改變. (2)角速度、周期、頻率都恒定不變. (3)向心加速度和向心力的大小都恒定不變，但方向時(shí)刻改變. 3.分析勻速圓周運(yùn)動(dòng)的步驟 (1)確定研究對(duì)象，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，畫出受力示意圖. (2)將物

11、體所受外力通過力的正交分解，分解到沿切線方向和沿半徑方向. (3)列方程：沿半徑方向滿足F合1= ，沿切線方向F合2=0. (4)解方程求出結(jié)果. 誤區(qū)警示 1.在解決勻速圓周運(yùn)動(dòng)的過程中，要知道物體圓形軌道所在的平面，確定圓心和半徑是解題的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié). 2.列方程時(shí)要區(qū)分受到的力和物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，利用題目條件靈活運(yùn)用向心力表達(dá)式. 4. 勻速圓周運(yùn)動(dòng)解題策略 (1)知道物體做圓周運(yùn)動(dòng)軌道所在的平面，確定圓心和半徑是解題的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié). (2)分析清楚向心力的來源，確定向心力是由什么力提供的. (3)根據(jù)線速度、角速度的特點(diǎn)，選擇合適的公式列式求解. 例：(2022江蘇高考)如圖

12、所示，“旋轉(zhuǎn)秋千”中的兩個(gè)座椅A、B質(zhì)量相等，通過相同長(zhǎng)度的纜繩懸掛在旋轉(zhuǎn)圓盤上.不考慮空氣阻力的影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤繞豎直的中心軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下列說法正確的是() A.A的速度比B的大 B.A與B的向心加速度大小相等 C.懸掛A、B的纜繩與豎直方向的夾角相等 D.懸掛A的纜繩所受的拉力比懸掛B的小 七、變速圓周運(yùn)動(dòng)和一般曲線運(yùn)動(dòng)中的向心力 變速圓周運(yùn)動(dòng)中合力的特點(diǎn) 例：如圖所示，一小球用細(xì)繩懸掛于O點(diǎn)，將其拉離豎直位置一個(gè)角度后釋放，則小球以O(shè)點(diǎn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中小球所需的向心力是() A.繩的拉力 B.重力和繩拉力的合力 C.重力和繩拉力的合力沿繩方向的分力 D.繩的拉力和重力沿繩方向分力的合力 【答案】CD 八、圓周運(yùn)動(dòng)中的臨界問題 1、明確臨界條件：找出臨界條件是解決這類極值問題的關(guān)鍵 2.臨界問題的分析方法 (1)首先確定物理過程，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行正確的受力分析 (2)明確向心力，根據(jù)向心力公式列出方程 (3)由方程中的某個(gè)力的異化與速度異化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而分析找到臨界值. 例：原長(zhǎng)為L(zhǎng)的輕彈簧一端固定一小鐵塊，另一端連接在豎直軸OO上，小鐵塊放在水平圓盤上，若圓盤靜止，把彈簧拉長(zhǎng)后將小鐵塊放在圓盤上，使小鐵塊能保持靜止的彈簧的最大長(zhǎng)度為5L4.現(xiàn)將彈簧長(zhǎng)度拉長(zhǎng)到6L5后，把小鐵塊放在圓盤上，在這種情況下，圓盤繞中心軸OO