61圓周運動教學(xué)設(shè)計-高一下學(xué)期物理人教版

《圓周運動》教學(xué)設(shè)計單元概述圓周運動是高中物理教學(xué)的一個重點內(nèi)容。圓周運動的研究思路與前面所學(xué)內(nèi)容的研究思路是一致的，即首先描述運動的性質(zhì)，然后分析做這種運動的受力條件和初速度條件?？梢哉f，本章實際上是運動學(xué)和動力學(xué)知識在曲線運動—圓周運動上的具體應(yīng)用，是學(xué)生所學(xué)運動學(xué)和動力學(xué)知識的進一步拓展和延伸。從整體上看，研究對象的運動和受力情況由簡單到復(fù)雜，是學(xué)生對運動與相互作用認識逐步深入的過程。主要表現(xiàn)在兩個方面:一是機械運動從簡單的直線運動到相對復(fù)雜的勻變速曲線運動(平拋運動)，再到非勻變速曲線運動(圓周運動)。二是物體所受的外力從恒力到變力。本章的內(nèi)容安排除了關(guān)注發(fā)展學(xué)生的運動與相互作用觀念，還緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活實際，涉及豐富的模型建構(gòu)和推理過程。另外，本章內(nèi)容也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的重要載體，是發(fā)展學(xué)生社會責任的良好素材。本章按照“圓周運動的描述一圓周運動的受力分析一圓周運動聯(lián)系實際問題”進行編排，突出物理觀念的形成，以及科學(xué)思維與科學(xué)探究能力的發(fā)展。從內(nèi)容及其結(jié)構(gòu)上突出以下三點:（1）強調(diào)科學(xué)探究。課程標準以學(xué)生“必做實驗”的形式要求“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”。由于要突出實驗探究，教材弱化了向心加速度的理論分析，在通過實驗探究得出向心力的表達式后，再根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)向心加速度公式。（2）突出內(nèi)容的彈性，為因材施教留出空間。首先討論勻速圓周運動的向心力，再應(yīng)用牛頓第二定律討論向心加速度，最后把應(yīng)用矢量運算和極限思想討論向心加速度的方向作為“拓展學(xué)習”內(nèi)容。（3）突出知識的結(jié)構(gòu)化。通過問題、思考與討論、拓展學(xué)習等欄目，揭示知識間的聯(lián)系或引入概念的物理意義。圓周運動和萬有引力是物理學(xué)中的重要概念。從地球上物體的圓周運動，如汽車在彎道行駛，到天體的運行規(guī)律，萬有引力在其中起著關(guān)鍵作用。本單元旨在讓學(xué)生從熟悉的生活現(xiàn)象出發(fā)，逐步深入到浩瀚的宇宙空間，探究物理規(guī)律的普遍性和深遠影響。單元目標1.讓學(xué)生掌握圓周運動的動力學(xué)方程，熟練運用向心力公式解決問題。2.使學(xué)生理解萬有引力定律在天體運動、人造衛(wèi)星等方面的應(yīng)用，理解并能分析衛(wèi)星變軌、雙星系統(tǒng)等復(fù)雜物理現(xiàn)象。3.通過實驗、觀察、理論推導(dǎo)等多種方式培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和建模能力，提高分析和解決實際物理問題的能力。4.激發(fā)學(xué)生對宇宙探索的興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神以及對科學(xué)探索的執(zhí)著追求。本課時核心素養(yǎng)目標:1.知道勻速圓周運動是變速曲線運動，有加速度。（物理觀念）2.理解向心加速度的方向一定指向圓心。（科學(xué)思維）3.掌握向心加速度大小的計算公式，理解向心加速度與半徑的關(guān)系，并能夠根據(jù)具體的情境選擇合適的公式。（科學(xué)探究）4.理解向心力效果與離心現(xiàn)象的關(guān)系、進一步理解向心力特點。（科學(xué)態(tài)度與責任）教學(xué)重點、難點：1.向心加速度的理解和推導(dǎo)。2.向心力的特點。3圓周運動與受力情況的對立統(tǒng)一。教學(xué)過程一、問題引入;教師活動：播放中國航天員王亞平空中授課“太空中的單擺﹣勻速圓周運動”的視頻。問題1：什么是勻速圓周運動？問題2：勻速圓周運動是曲線運動，是否具有加速度？如何理解這個加速度？問題3：物體做勻速圓周運動時的加速度具有怎樣的特征？學(xué)生活動：觀看視頻、思考、回答問題。設(shè)計意圖：通過播放中國航天員王亞平空中授課“太空中的單擺”﹣勻速圓周運動"的視頻，創(chuàng)設(shè)一個真實的情境，一方面激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷，另一方面就此情境喚醒學(xué)生的問題意識，通過對問題1、2的思考與回答，建立具體情境的模型簡化圖，如圖1所示，并建立勻速圓周運動的運動學(xué)與動力學(xué)視角框架圖，如圖3所示，為后續(xù)學(xué)習確定思考方向和"雙線索"的基調(diào)。通過追問將學(xué)生思維聚焦于勻速圓周運動的加速度大小和方向特征，學(xué)習課題"向心加速度"也就呼之欲出。新課教學(xué)：（一）從運動學(xué)視角分析向心加速度數(shù)形結(jié)合確定方向．教師活動：問題4：以光滑水平面內(nèi)的繩球模型為例，如圖3所示，小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動。線速度大小為v、半徑為r的勻速圓周運動，經(jīng)過時間△t，物體從A點運動到B點（已知弦長AB)。學(xué)生活動：(1）用圖示的方法依次畫出速度變化量△v，并找出Δv與vA之間的夾角。(2）如果這三個矢量圖放在同一個圖中，如圖4所示，你有什么發(fā)現(xiàn)？學(xué)生活動：(3)如圖5所示，假設(shè)矢量△vA、△vB、△v構(gòu)成的等腰三角形頂角為β，底角為α，則α、β滿足怎樣的關(guān)系式？(4）通過此關(guān)系式能確定在A點時△v的方向有何特點嗎？小球做勻速圓周運動時經(jīng)過某點瞬間的加速度方向有何特點？教師活動：極限法推導(dǎo)：α+β2=π2?t→0，β→0，α→π2,?v⊥v即設(shè)計意圖：用圖示的方式作出速度變化量△v。通過問題的系列化驅(qū)動式小問題指引學(xué)生思考的方向，降低大問題的解決梯度，促使學(xué)生動腦又動手，最終通過數(shù)形結(jié)合和思維進階的方式自主構(gòu)建α、β滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系式。為進一步降低思維的梯度，我們可以借助極限思想。例題例題[2023·江蘇省徐州市期末抽測]如圖所示，操場跑道的彎道部分是半圓形，最內(nèi)圈的半徑大約是36m．一位同學(xué)沿最內(nèi)圈勻速率跑過一側(cè)彎道的時間約為12s，則這位同學(xué)在沿彎道跑步時()A．角速度約為rad/sB．線速度約為3m/sC．轉(zhuǎn)速約為r/sD．向心加速度約為m/s2參考答案D（二）從運動學(xué)視角分析向心加速度數(shù)理推導(dǎo)確定大小圖6問題5：如圖6所示，以水平面內(nèi)的繩球模型學(xué)生活動：(1）請嘗試寫出加速度a的表達式。(2）此加速度的物理含義是什么？如圖6(3）如何求出A點向心加速度a的大??？(4）向心加速度除了用v、r表達外，還可以用哪些物理量表達？表達式是什么？教師活動：極限法推導(dǎo)：?t→0弦長≈弧長則?v=v?θ，a=ΔvΔt設(shè)計意圖：有了前面問題的鋪墊，經(jīng)過點撥，學(xué)生類比聯(lián)想到平均速度到瞬時速度的極限思想，從而得出瞬時加速度表達式。這樣通過物理意義與數(shù)學(xué)表達的結(jié)合、類比聯(lián)想和極限思維的碰撞，順利推導(dǎo)出向心加速度的大小?？紤]到勻速圓周運動公式，從而推導(dǎo)出向心加速度的多種表達式。至此從力學(xué)和動力學(xué)的角度對向心加速度的大小與方向進行了全方位的剖析。應(yīng)用：對向心加速度的深度理解問題6：如圖7所示，自行車上A、B、C為大齒輪、小齒輪和后輪邊緣處的三個點，哪兩個點的向心加速度a的關(guān)系適用于"a。與r成正比"？哪兩個點的向心加速度a。的關(guān)系適用于"a。與r成反比"？學(xué)生活動：交流、解釋。設(shè)計意圖：對于不同的場景，需要分別應(yīng)用皮帶傳動模型與同軸轉(zhuǎn)動模型，再選擇不同的向心加速度公式解答問題，同時也讓學(xué)生知道解決此類問題的核心是控制變量的思想。練習[2023·安徽省階段考]原長為L的輕彈簧，一端固定在橫桿上的O點，另一端自由懸掛著一個小球，小球靜止時，彈簧的伸長量為L.現(xiàn)讓小球繞O點做圓錐擺運動，如圖所示，當擺角為37°時(重力加速度大小為g，sin37°＝0.6，彈簧的形變在彈性限度范圍內(nèi))，小球做圓周運動的周期為()A．2πB．2πC．2πD．2參考答案：D（三）、向心力方向與大小圖7教師活動：演示實驗—物體繞圓盤做勻速圓周運動，突然增大角速度，如圖7學(xué)生活動：觀察物體隨圓心的距離。設(shè)計意圖：根據(jù)離心現(xiàn)象反推合力的方向，根據(jù)靜摩擦力推理合力方向，根據(jù)合力方向定義向心力——向心力是效果力如何表述。教師活動：增加實驗：由支持力、摩擦力等不同性質(zhì)的力或多個力的合力提供向心力，理論推導(dǎo)：用極限法證明物體做勻速圓周運動時所受合力必定指向圓心。學(xué)生活動：受力分析，總結(jié)歸納合力與向心力的關(guān)系。設(shè)計意圖：提供足夠的實例支撐歸納推理，突破教學(xué)難點，最后根據(jù)物體所受合力的效果（使其做勻速圓周運動）、來源（由某個力或多個力的合力提供）、方向（指向圓心）一同定義向心力概念。教師活動：通過創(chuàng)設(shè)情境和提出問題促進學(xué)生思考，深入理解向心力【創(chuàng)設(shè)情境、提出問題】，1.定義：做勻速圓周運動的物體所受的合力總指向圓心，這個合力叫做向心力。①方向時刻發(fā)生變化（始終指向圓心且與速度方向垂直）②向心力的作用：只改變線速度的方向不改變速度大小。③向心力是根據(jù)力的作用效果來命名的。2.向心力的來源：可以是重力、彈力、摩擦力等各種性質(zhì)的力，也可以是幾個力的合力，還可以是某個力的分力。物體做勻速圓周運動時，由合力提供向心力。F學(xué)生推導(dǎo)：根據(jù)Fn=F合F合=ma推導(dǎo)向心力表達式學(xué)生活動：實踐應(yīng)用，解決實際問題，