資源簡介

教學(xué)設(shè)計1
生活中的圓周運動
一、學(xué)情分析
在學(xué)了前面的內(nèi)容后，對于圓周運動的規(guī)律已經(jīng)有了一定的了解，也初步掌握了圓周運動問題的研究方法。但如何將圓周運動的規(guī)律應(yīng)運到實際生活中去，這種能力學(xué)生還有待加強。因此，在教學(xué)中應(yīng)注重理論與實際的結(jié)合，教師引導(dǎo)學(xué)生主動思考，運用圓周運動的規(guī)律解決日常生活中的實際問題。
二、教學(xué)目標
1. 物理觀念
(1) 知道生活中常見圓周運動，會分析常見圓周運動向心力來源。
(2) 知道離心運動及其產(chǎn)生的原因，知道離心現(xiàn)象的一些應(yīng)用和可能帶來的危害。
(3) 進一步理解向心力的概念，明確勻速圓周運動的產(chǎn)生條件，掌握向心力公式的應(yīng)用。
2. 科學(xué)思維
(1) 通過研究生活中的圓周運動，學(xué)會觀察、分析、解決問題的過程和方法。
(2) 通過勻速圓周運動的規(guī)律，分析向心、離心運動的條件。
3.科學(xué)探究
(1) 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心周圍事物的習(xí)慣。
(2) 培養(yǎng)學(xué)生用理論解釋實際問題的能力與習(xí)慣。
4. 科學(xué)態(tài)度與責任
通過具體事例的分析，知道已學(xué)知識在生活、生產(chǎn)、科技社會中的價值，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣。
三、課程資源
網(wǎng)絡(luò)視頻資源、物理實驗室、創(chuàng)客教室等
四、教學(xué)內(nèi)容
新人教版高中物理必修第二冊第6章第4節(jié)
五、教學(xué)重點與難點
重點：會分析常見圓周運動向心力來源，并結(jié)合牛頓運動定律求解有關(guān)問題。
難點：（1）具體問題中向心力的來源。
（2）明確勻速圓周運動的產(chǎn)生條件，掌握向心力公式的應(yīng)用。
六、教學(xué)方法與工具
1.教學(xué)方法
（1）情境教學(xué)法，視頻展示，引導(dǎo)學(xué)生從勻速圓周運動向心力的角度分析汽車轉(zhuǎn)彎、火車轉(zhuǎn)彎、汽車在“過橋水面”和凸形橋運動時的情境。
（2）討論法，設(shè)計解決火車轉(zhuǎn)彎的最佳方案。
（3）啟發(fā)法，從分析過拱橋問題過渡到航天器的失重現(xiàn)象，深化對完全失重的理解。
2.教學(xué)工具：
PPT課件、火車軌道模型等等。
七、教學(xué)安排
一課時（40分鐘）
八、教學(xué)設(shè)計
導(dǎo)入新課【播放視頻】：
①課件中播放賽車轉(zhuǎn)彎時漂移的視頻，提出問題，引發(fā)學(xué)生思考。
教師：從視頻里邊可以看到，當賽車進入彎道之前，一般都會減速，如果不減速就會發(fā)生漂移。請同學(xué)們從運動與力的角度分析下，為什么不減速就容易發(fā)生漂移？
學(xué)生：賽車在轉(zhuǎn)彎處做圓周運動，對車進行受力分析，豎直方向上，車受到的重力與支持力作用效果抵消，水平方向上，車輪與地面間的摩擦力提供向心力。隨著汽車轉(zhuǎn)彎速度的增大，所需的向心力增大，所需的靜摩擦力增大。靜摩擦力是有一個最大值的，如果汽車做圓周運動的速度大到所需的向心力大于最大靜摩擦，即靜摩擦力無法提供物體做圓周運動的向心力，這時汽車將發(fā)生漂移。
②師生共同研究得出：從“供” “需”兩方面研究做圓周運動的物體。
教師：賽車要做圓周運動，必須滿足什么條件呢？
學(xué)生：賽車要想安全轉(zhuǎn)彎，靜摩擦力必須能夠提供向心力。
教師：根據(jù)公式，我們可以知道賽車轉(zhuǎn)彎所需的向心力為多少？若它能做勻速圓周運動，必須滿足什么條件？
學(xué)生：F=mv2/r，合外力要能夠提供相同大小的向心力。
教師：若我們從供與需的角度來分析，物體能夠做圓周運動，供與需要滿足什么條件呢？
學(xué)生：“供方”提供物體作勻速圓周運動的力與“需方”物體做勻速圓周運動所需的力達到平衡。
任務(wù)一：火車轉(zhuǎn)彎問題的分析
鐵路彎道的設(shè)計
情境：播放火車轉(zhuǎn)彎的視頻，在對汽車轉(zhuǎn)彎分析的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對火車轉(zhuǎn)彎問題的思考
問題1：賽車轉(zhuǎn)彎是靠摩擦力提供向心力，容易發(fā)生漂移。火車轉(zhuǎn)彎呢，是不是也容易發(fā)生漂移？向心力是不是靠摩擦力提供的呢？請大家觀察一段火車轉(zhuǎn)彎的視頻，注意觀察火車的車輪和轉(zhuǎn)彎處鐵軌的特點。
問題2：設(shè)計解決問題的最佳方案
教師：但是，我們有沒有看到火車出軌呢？這又是什么原因呢？是內(nèi)軌發(fā)生擠壓還是與外軌發(fā)生擠壓，為什么？[
總結(jié)：視頻中可以看到火車車輪有突出的輪緣，軌道將兩輪緣卡在里面。火車轉(zhuǎn)彎時，向心力由鐵軌和輪緣相互擠壓力產(chǎn)生的彈力提供。火車轉(zhuǎn)彎時有向外甩的趨勢，車輪與軌道間就會發(fā)生擠壓，是軌道對車輪的擠壓力提供了火車轉(zhuǎn)彎的向心力。根據(jù)向心力公式F=mv2/r可知，由于火車質(zhì)量很大，速度也不小，所以轉(zhuǎn)彎時需要的向心力也很大，如果僅靠車輪與軌道間的擠壓來提供向心力，則鐵軌與車輪極易受損。
問題3：有沒有辦法能夠?qū)崿F(xiàn)不需要靠鐵軌和輪緣的相互擠壓來提供水平方向上的向心力。仔細看下，彎道處的鐵軌有什么樣的特點呢？這樣鋪鐵路的好處是什么？
學(xué)生總結(jié)：將外軌道鋪高一點，形成一個斜面。由火車受到的重力和支持力的合力提供向心力。
問題4：實際火車與軌道設(shè)計中，利用輪緣可增加小部分的向心力；墊高外軌可增加較多的向心力。請思考，火車應(yīng)該以什么樣的一個速度轉(zhuǎn)彎時，對火車車輪和鐵軌的損害最小呢？這時火車速度應(yīng)該多大呢？斜面軌道傾角為θ，轉(zhuǎn)彎半徑R，要使車輪對內(nèi)外軌都無壓力,質(zhì)量為m的火車運行的速率應(yīng)該多大
學(xué)生建模、分析后得出： 。
教師總結(jié)：為了保護鐵軌，鐵道部門就要求火車以這個規(guī)定速度通過這個彎道。
【實戰(zhàn)演練】火車以半徑R= 900 m轉(zhuǎn)彎，火車質(zhì)量為8×105kg ，速度為30m/s火車軌距l(xiāng)=1.4 m，要使火車通過彎道時僅受重力與軌道的支持力，軌道應(yīng)該墊的高度h？（θ較小時tanθ=sinθ）
教學(xué)建議：
（1）思維引導(dǎo)建議。火車轉(zhuǎn)彎問題分析的重點是物理模型的構(gòu)建，物理模型的建立重點是進行運動和受力分析，在這一基礎(chǔ)上忽略一些次要因素，建立力與運動的聯(lián)系方程。問題1基于汽車在水平面上轉(zhuǎn)彎的討論，接著討論傾斜面上的汽車轉(zhuǎn)彎，火車轉(zhuǎn)彎模型時就比較自然。問題2和問題3是基于圓周運動與受力分析，從供需平衡的角度，結(jié)合實際優(yōu)化火車轉(zhuǎn)彎所需向心力的問題。問題4需要教師引導(dǎo)學(xué)生逐步建立和優(yōu)化模型，基于學(xué)生對抽象后的模型進行分析，得出火車轉(zhuǎn)彎的最佳速度。實戰(zhàn)演練是在學(xué)生對火車轉(zhuǎn)彎理想化后對相應(yīng)關(guān)鍵物理量予以貼近真實問題的賦值，學(xué)生通過分析計算進一步得到鞏固提升。
（2）教學(xué)活動建議。對問題1可讓學(xué)生獨立思考后回答，其他同學(xué)補充其他同學(xué)評價與補充；問題2和問題3可先讓學(xué)生小組討論，然后相互交流，其他同學(xué)補充完善，最后教師做適當解釋；問題4讓學(xué)生獨立思考與求解，選擇典型進行展示，其他同學(xué)進行質(zhì)疑和討論；實戰(zhàn)演練可讓學(xué)生獨立求解并展示，其他同學(xué)評價。
任務(wù)二：汽車過拱形橋和凹形橋路面問題分析
銜接：火車轉(zhuǎn)彎是水平面內(nèi)的圓周運動。那么豎直面內(nèi)的圓周運動是怎么樣的呢？(展示拱橋圖片)
問題1：司機在開車的時候，除了遇到凸形拱橋，還會遇到類似凹形橋的路面，叫“過水路面”，汽車以速度v通過最低點時，汽車受到的支持力應(yīng)該多大呢，是不是等于重力，為什么？支持力的大小怎么求？從結(jié)果上看，我們發(fā)現(xiàn)支持力是大于重力的，汽車處在什么狀態(tài)呢？
總結(jié)：①汽車相當于在豎直平面內(nèi)做圓周運動通過最低點，汽車不是處在平衡狀態(tài)，而是有個豎直向上的向心加速度，需要外力提供一個豎直向上的向心力。
②根據(jù)物體做圓周運動的條件，合外力提供向心力可得到。
③汽車處于超重狀態(tài)。
問題2：若現(xiàn)在汽車通過的是凸形橋，汽車以速度v通過最高點，這時汽車的受力情況又該如何？ 汽車過橋頂時，汽車對路面的壓力小于自身的重力，這時汽車處于什么狀態(tài)？
總結(jié)：①汽車相當于在豎直平面內(nèi)做圓周運動通過最高點，而是有個豎直向下的向心加速度，由可得可以得到。
②汽車處于失重狀態(tài)。
問題3：:教師：隨著速度v的變化，汽車受到的支持力如何變化，支持力可以一直變小到什么程度呢？壓力為0時汽車速度為多少，處在什么狀態(tài)？從該時刻以后，汽車將做什么運動？還能沿橋面做圓周運動下橋嗎？
總結(jié)：①隨著速度v的增大，F(xiàn)N將會越來越小，當速度增大到某一特定值時，汽車對地面的壓力會減為0。
②支持力等于0，汽車速度為， 處在完全失重狀態(tài)。
③這時汽車將做平拋運動，不能沿橋面下橋了。
教學(xué)建議：
（1）思維引導(dǎo)建議。汽車在不平的路面上行駛的感覺學(xué)生都有，首先讓學(xué)生建立生活體驗與路面狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，再通過建立物理模型，用物理知識加以以解釋。拱形橋和凹形路面兩個模型的建立與前面類似，需要通過運動分析、受力分析，還要有一些近似處理，如看作是圓形。問題1和問題2的討論有利于知識的聯(lián)系和對本質(zhì)的把握，可以結(jié)合學(xué)生平時在乘車過程中的一些感性認識幫助理解豎直平面內(nèi)圓周運動的超失重現(xiàn)象。問題3中，當汽車速度足夠大時，汽車將飛起來做平拋運動而非圓周運動，感性認識較理論分析更為重要，基于感性認識的理論分析才能真正內(nèi)化學(xué)生的物理觀念。
（2）教學(xué)活動建議。問題1和問題2可讓學(xué)生獨立思考，請學(xué)生到講臺上作出受力分析圖和確定向心加速度方向，然后基于圖分析問題，展現(xiàn)自己的思維過程，其他同學(xué)進行補充和完善；問題3學(xué)生缺乏感性認識，從純理論的角度分析出結(jié)果也很難內(nèi)化，可以播放一段汽車在最高點水平飛出橋面的視頻，增加學(xué)生的感性認識，促進完全失重的內(nèi)化。
任務(wù)三：探究航天器中的失重現(xiàn)象
問題1：汽車在凸形橋上行駛時會出現(xiàn)失重現(xiàn)象，觀察圖片，地球就是一個巨大的拱形橋，汽車如果速度足夠大，是否也會出現(xiàn)完全失重的狀態(tài)呢？地球的半徑約為6400km，這個速度多大呢？生活中有沒有見過這么快的汽車呢？人造衛(wèi)星里的人處在什么狀態(tài)呢？
總結(jié)：①地球可以看作是一個巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球的半徑。根據(jù)上面的分析，汽車速度越大，地面對它的支持力就越小，當汽車的速度達到一定值時，汽車與地面間就不存在擠壓力了。汽車就處于完全失重狀態(tài)，汽車就繞著地球轉(zhuǎn)了。
②。
②汽車的速度雖然達不到這個值，但火箭、航天器的速度能達到，所以我們利用火箭發(fā)射了人造衛(wèi)星。
③人造衛(wèi)星重力恰好提供了指向圓心的向心力，處在完全失重狀態(tài)。
教學(xué)建議：
（1）思維引導(dǎo)建議。通過觀察太空中的現(xiàn)象，認識完全失重現(xiàn)象。從經(jīng)過凸橋最高點的汽車開始，當汽車達到一定速度時，會發(fā)生什么現(xiàn)象，一直延伸到，假如橋面的半徑就是地球半徑，則駕駛員與座椅間的壓力是多少？再進一步探討航天器中的完全失重現(xiàn)象，把圓周運動的實例連貫成一體。
（2）教學(xué)活動建議。問題1可讓學(xué)生獨立思考后回答，其他同學(xué)補充其他同學(xué)評價與補充，教師做適當解釋，進一步提出問題，其他同學(xué)進行質(zhì)疑、討論和總結(jié)。
承上啟下，引出下一章要學(xué)的內(nèi)容：
前面我們討論，從汽車經(jīng)過凸橋最高點開始，直至航天器繞地球作圓周運動。同學(xué)們再想一想，若要研究汽車不是經(jīng)過凸形橋的最高點，那是什么力提供了它作圓周運動的向心力呢？作為一個問題，下節(jié)課我們再一起討論。
九、教學(xué)反思
本節(jié)課通過賽車漂移的視頻引入課題，同學(xué)生共鳴，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣。再進一步通過火車轉(zhuǎn)彎問題向心力不足的問題激發(fā)學(xué)生的思維，讓學(xué)生體會從“供需”兩個方面來分析圓周運動問題的方法。然后通過學(xué)生設(shè)計方案，讓學(xué)生通過自己的思考和實踐來解決實際的問題。本節(jié)課的四部分主要知識內(nèi)容逐步討論，在實現(xiàn)了內(nèi)容上的順勢過渡，水到渠成。整節(jié)課設(shè)計合理，能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。課堂中設(shè)計了幾個沖突點，讓學(xué)生通過課堂知識的沖突，激發(fā)學(xué)生的動力和主動性。但是，課堂內(nèi)容比較多，課時有些緊張。
十、預(yù)習(xí)任務(wù)與課后作業(yè)
1.預(yù)習(xí)本節(jié)課后面關(guān)于離心運動的內(nèi)容。
2.完成P38后面的練習(xí)與應(yīng)用
3.觀察生活中關(guān)于圓周運動的現(xiàn)象，并嘗試用今天所學(xué)的內(nèi)容進行分析實例。

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