2024-2025學(xué)年高中物理第四章勻速圓周運(yùn)動(dòng)第3節(jié)向心力的實(shí)例分析教案魯科版必修2

PAGE5-向心力的實(shí)例分析一、教材分析本節(jié)內(nèi)容是魯科版中學(xué)必修2第四章《勻速圓周運(yùn)動(dòng)》的第三節(jié)內(nèi)容，在此之前，學(xué)生已經(jīng)初步相識(shí)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)用線速度、角速度、周期、頻率描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的快慢。而通過其次節(jié)向心力和向心加速度內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了向心力的大小與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系。本節(jié)課立足于勻速圓周運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律上，結(jié)合實(shí)際生活中兩個(gè)實(shí)例“火車轉(zhuǎn)彎”和“汽車過拱橋”進(jìn)行分析，解決有關(guān)圓周運(yùn)動(dòng)問題重要的是搞清晰向心力的來源，明確提出向心力是按效果命名的力，任何一個(gè)或幾個(gè)力的合力只要它的作用效果是使物體產(chǎn)生向心加速度，它就是物體所受的向心力，這是探討圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。教材后面又附有思索與探討，以開拓學(xué)生的思維。二、學(xué)習(xí)目標(biāo)1．學(xué)問與技能（1）會(huì)在詳細(xì)問題中分析向心力的來源，明確向心力是按效果命名的力．（2）駕馭應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決勻速圓周運(yùn)動(dòng)問題的一般方法，會(huì)處理水平面、豎直面的問題．（3）知道向心力，向心加速度的公式也適應(yīng)變速圓周運(yùn)動(dòng)，理解如何運(yùn)用．2．過程與方法（1）通過列舉生活中圓周運(yùn)動(dòng)的例子，總結(jié)出這些多樣的圓周運(yùn)動(dòng)的共同特點(diǎn)，及都受到向心力的作用。（2）留意統(tǒng)一性和特殊性，留意一般方法和特殊方法，提高綜合分析的實(shí)力．3．情感看法與價(jià)值觀（1）通過對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)受力的分析，體會(huì)到任何事物的改變和運(yùn)動(dòng)都能找到動(dòng)力學(xué)緣由從而領(lǐng)悟到因果的制約與被制約關(guān)系。（2）通過實(shí)際演練，使學(xué)生在鞏固學(xué)問的同時(shí)，體會(huì)到物理就在我們身邊，領(lǐng)會(huì)到將理論應(yīng)用于實(shí)際解決問題而帶來的勝利的消遣．（3）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)愛好，培育學(xué)生關(guān)切四周事物的習(xí)慣．三、學(xué)習(xí)對(duì)象分析本節(jié)課是在學(xué)生已經(jīng)基本駕馭勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律和描述圓周運(yùn)動(dòng)的基本物理量（線速度，角速度，向心力和向心加速度）以及有關(guān)公式推導(dǎo)與計(jì)算之后，支配的一節(jié)實(shí)例分析課。在課堂中采納試驗(yàn)演示，多媒體，電腦動(dòng)畫模擬等協(xié)助手段，幫助學(xué)生建立形象直觀的相識(shí)，降低難度。四、學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)1．學(xué)習(xí)重點(diǎn)（1）理解向心力是按效果命名的力．（2）會(huì)在詳細(xì)問題中分析向心力，綜合運(yùn)用牛頓定律分析解決問題．解決方法：多聯(lián)系實(shí)際，通過對(duì)生活實(shí)例的分析駕馭重點(diǎn)內(nèi)容2．學(xué)習(xí)難點(diǎn)：實(shí)際問題中向心力的來源的分析解決方法：通過對(duì)實(shí)例的分析，結(jié)合課件和實(shí)物演示，從力的作用效果上去找尋向心力五、教學(xué)設(shè)計(jì)思想為了在教學(xué)中體現(xiàn)科學(xué)探究精神，盡可能完整的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)探究過程，使學(xué)生通過體驗(yàn)感受戰(zhàn)勝困難，解決物理問題的喜悅，體驗(yàn)到學(xué)習(xí)科學(xué)的樂趣，了解科學(xué)的方法，獲得科學(xué)學(xué)問，本節(jié)教學(xué)把課本中的內(nèi)容以問題的形式提出，通過學(xué)生探究式的大膽猜想，再通過科學(xué)的分析，將物理理論應(yīng)用生活實(shí)際之中。六、學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)師生互動(dòng)活動(dòng)設(shè)計(jì)1．老師利用多媒體課件展示物理情景，在分析時(shí)點(diǎn)撥關(guān)鍵之處．2．學(xué)生通過自學(xué)、視察來探討分析實(shí)際問題與書本學(xué)問的聯(lián)系，找出解決方法．整體感知：這一節(jié)課結(jié)合兩個(gè)實(shí)際例子進(jìn)行分析．要充分發(fā)揮老師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，師生共同探討，拓展學(xué)問．新課引入勻速圓周運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是實(shí)際中最完備最和諧的一種運(yùn)動(dòng)形式。古希臘哲學(xué)家柏拉圖(Plato，公元前427年—公元前347年)提出：“天上星體代表著永恒的、神圣的、不變的存在，因此它們確定沿著最完備的軌道以最完善的方式運(yùn)動(dòng)。最完善的運(yùn)動(dòng)是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因此，它們確定是圍圍著地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)?！庇纱丝梢?，古人對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)充溢了神奇感。那么，是什么神奇的力氣操縱著物體，使它做這種最完備最和諧的運(yùn)動(dòng)呢？今日，我們就一起揭秘生活中的兩種勻速圓周運(yùn)動(dòng)“火車轉(zhuǎn)彎”和“汽車過拱橋”。1復(fù)習(xí)提問，為學(xué)習(xí)新課做打算勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到向心力．向心力是怎樣產(chǎn)生的？用學(xué)生已熟識(shí)的例子說明：（1）繩拉物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，繩的拉力供應(yīng)向心力．（2）物體隨水平圓盤做勻速四周運(yùn)動(dòng)，靜摩擦力供應(yīng)向心力．小結(jié)：向心力是由物體實(shí)際受到的一個(gè)力或幾個(gè)力的合力供應(yīng)的；向心力是按作用效果命名的力．特殊強(qiáng)調(diào)：分析和解決勻速圓周運(yùn)動(dòng)的問題，關(guān)鍵是要把向心力的來源搞清晰。向心力是按效果命名的力，并不是一種新性質(zhì)的力，受力分析時(shí)絕不能額外加上一個(gè)向心力。下面，我們從分析向心力角度進(jìn)一步探討幾個(gè)實(shí)例：（一）火車轉(zhuǎn)彎課件展示圖片：在平直軌道上勻速行駛的火車?yán)蠋熖釂枺夯疖囀艿綆讉€(gè)力的作用，這幾個(gè)力間的關(guān)系如何？學(xué)生視察火車運(yùn)動(dòng)狀況，畫出受力示意圖，并探討回答：（1）此時(shí)火車車輪受三個(gè)力：重力、支持力、牽引力和摩擦力（2）四個(gè)力的合力為零，其中重力和支持力、牽引力和摩擦力分別都是一對(duì)平衡力。那火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的狀況又如何呢？提出問題并引導(dǎo)學(xué)生探討：1、火車勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻速轉(zhuǎn)彎是否同種狀態(tài)？[學(xué)生回答]：不是，火車勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)合外力為零，火車勻速轉(zhuǎn)變時(shí)受向心力，合外力不為零勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)F合＝0勻速轉(zhuǎn)彎時(shí)F合≠02、火車轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力是如何產(chǎn)生的？引導(dǎo)學(xué)生探討：分兩種狀況探討：內(nèi)外軌一樣高；外軌比內(nèi)軌高．內(nèi)外軌一樣高圖片展示火車車輪有凸出的輪緣結(jié)構(gòu)；實(shí)物模型模擬在平面彎曲軌道上火車轉(zhuǎn)彎的情景；師生互動(dòng)當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎時(shí)，火車做曲線運(yùn)動(dòng)，所受合外力不為零，合外力供應(yīng)火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力；有受力分析得：此時(shí)供應(yīng)火車轉(zhuǎn)彎時(shí)所需向心力的是鐵軌外緣和輪緣相互擠壓產(chǎn)生的彈力進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思索：擠壓的結(jié)果會(huì)如何？學(xué)生探討:由于火車質(zhì)量很大，行駛的速度很高，故所需向心力通常很大，這樣，導(dǎo)致鐵軌外緣和輪緣間的相互作用力很大，簡(jiǎn)單造成鐵軌和輪緣的損壞，甚至導(dǎo)致嚴(yán)峻的后果。老師總結(jié)：由于平面轉(zhuǎn)彎軌道鐵軌和輪緣簡(jiǎn)單損壞，因此實(shí)際應(yīng)用中多采納下面的彎道，其外軌略高于內(nèi)軌。（2）外軌高于內(nèi)軌當(dāng)外軌比內(nèi)軌高時(shí)，鐵軌對(duì)火車的支持力不再是豎直向上，和重力的合力可以供應(yīng)向心力，可以減輕軌和輪緣的擠壓．最佳狀況是向心力恰好由支持力和重力的合力供應(yīng)，鐵軌的內(nèi)、外軌均不受到側(cè)向擠壓的力．定量分析火車轉(zhuǎn)彎的最佳狀況．①受力分析：如圖所示火車受到的支持力和重力的合力的水平指向圓心，成為使火車拐彎的向心力．②動(dòng)力學(xué)方程：依據(jù)牛頓其次定律得mgtanθ＝mv02/r其中r是轉(zhuǎn)彎處軌道的半徑，是使內(nèi)外軌均不受力的最佳速度．③分析結(jié)論：解上述方程可知v02＝rgtanθ可見，最佳狀況是由v0、r、θ共同確定的．當(dāng)火車實(shí)際速度為v時(shí)，可有三種可能，當(dāng)v＝v0時(shí)，內(nèi)外軌均不受側(cè)向擠壓的力；當(dāng)v＞v0時(shí)，外軌受到側(cè)向擠壓的力（這時(shí)向心力增大，外軌供應(yīng)一部分力）；當(dāng)v＜v0時(shí)，外軌受到側(cè)向擠壓的力（這時(shí)向心力削減，內(nèi)軌供應(yīng)一部分力）．（4）還有哪些實(shí)例和這一模型相同？自行車轉(zhuǎn)彎，高速馬路上汽車轉(zhuǎn)彎等等．老師總結(jié)：我們探討的火車轉(zhuǎn)彎問題，實(shí)質(zhì)是物體在水平面的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從力的角度看其特點(diǎn)是；合外力的方向確定在水平方向上，由于重力方向在豎直方向，因此物體除了重力外，至少再受到一個(gè)力，才有可能使物體產(chǎn)生在水平面勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力．探究情景:圓錐擺：在長(zhǎng)度是L的細(xì)繩下端拴一質(zhì)量為m的小球，固定繩子的上端，使小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，細(xì)繩就沿圓錐面旋轉(zhuǎn)。試分析做圓錐擺運(yùn)動(dòng)的小球的向心力的來源，并探討小球旋轉(zhuǎn)的角速度漸漸增大時(shí)帶來的小球受力和運(yùn)動(dòng)狀況的改變。（二）汽車過拱橋視頻展示汽車過凸形拱橋的物理情景提問探討：（1）汽車靜止在橋頂與通過橋頂是否同種狀態(tài)？不是，汽車靜止在橋頂、或通過橋頂，雖然都受到重力和支持力．但前者這兩個(gè)力的合力為零，后者合力不為零．（2）汽車過拱橋橋頂?shù)南蛐牧θ绾萎a(chǎn)生？方向如何？NG汽車在橋頂受到重力和支持力，如圖所示，向心力由二者的合力供應(yīng)NG①動(dòng)力學(xué)方程：由牛頓其次定律得G－N＝mv2/r解得N＝G－mv2/r②汽車處于失重狀態(tài)汽車具有豎直向下的加速度，N＜mg，對(duì)橋的壓力小于重力．這也是為什么橋一般做成拱形的緣由．③汽車在橋頂運(yùn)動(dòng)的最大速度為依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程可知，當(dāng)汽車行駛速度越大，汽車和橋面的壓力越小，當(dāng)汽車的速度為時(shí)，壓力為零，這是汽車保持在橋頂運(yùn)動(dòng)的最大速度，超過這個(gè)速度，汽車將飛出橋頂．思索與探討：依據(jù)上面分析汽車通過凸形橋的思路，分析一下汽車通過凹形橋最低點(diǎn)時(shí)對(duì)橋的壓力。這時(shí)的壓力比汽車的重量大還是?。刻骄壳榫?雜技節(jié)目水流星：一根細(xì)