高中物理 人教版 必修二 圆周运动

2022年安徽省普通高中新课程新教材优质课评选课题：圆周运动—走进欢乐世界探秘圆周运动领队：夏雪连（池州市教研室）组员：张金彬（池州市第八中学）张旭东（池州市青阳中学）吴俊（池州市第一中学）疏信志（池州市第八中学）齐伟（池州市石台中学）2022年10月

人教版必修第二册走进欢乐世界探秘圆周运动一、本单元知识内容组成分析1.单元教学指导思想本单元教学设计的指导思想包括以下三方面:一是以大概念为核心，将大概念统领下的具体概念、原理等教学内容按照一定逻辑顺序组织成有一定结构的体系，并体现与前后单元内容的衔接;二是以知识为载体，规划物理学认识方式、思想方法、跨学科概念等大思路发展的、可评估的教学活动;三是围绕大问题创设学习的大情境，实现在具体的物理情境中完成知识学习和素养发展的目标。2.单元教学内容分析本单元围绕圆周运动这个核心概念，从运动观视角建立描述圆周运动快慢的几个相互联系的物理概念，随后从相互作用观视角建立匀速圆周运动中的向心力概念，探究向心力规律，最后从运动与力的关系视角对圆周运动、离心运动等几个典型运动模型进行因果解释。本单元的知识结构如图所示。圆周运动是曲线运动的一个特例，本单元仍然沿用研究机械运动的一般思路，首先描述圆周运动，由于这种运动具有往复性和周期性，所以为了更准确、精细地描述这种运动，引入了角速度、周期等概念；然后根据物体做曲线运动的条件，探究物体做圆周运动所需要的向心力，并且在此基础上，进一步根据牛顿定律，讨论匀速圆周运动的向心加速度；最后再对生活中的匀速圆周运动、变速圆周运动、离心运动等一般曲线运动进行因果解释，同时也体现出了从特殊到一般，层层递进的研究思想。二、学情分析1．物理观念学生已经掌握了描述机械运动的概念，速度、加速度等物理量的学习，力和运动的关系的认知储备奠定了本单元的学习基础。能根据动力学和运动学规律解决实际的圆周运动问题。学生在抛体运动一章已经学习并掌握了曲线运动的速度方向，能正向迁移到圆周运动的速度方向沿圆周的切线。“离心力”这个前概念在日常生活中会经常遇到，本章的向心力、离心运动概念，很多学生会误以为离心运动是由于离心力的原因造成的，所以在教学中要把原有的知识和现有的新概念结合好，解决学生生活常识与知识之间的矛盾冲突。再对匀速圆周运动、变速圆周运动、离心运动等一般曲线运动进行因果解释。2．科学思维学生初步建立了研究机械运动的思维路径，即建立运动学模型→通过分析和推理，获得各物理量的关系→结合实际情境修正答案；具有等效替代的思想，知道矢量可以合成和分解，但从平行四边形定则过渡到矢量减法的三角形定则是一个难点；对理想模型、极限思想有了初步的认识，但是仍然需要在后续的学习中加深体会和理解；具有初步的逻辑推理和分析能力，知道常见的论证方法，能使用证据表达运动学的观点；知道科学探究有实验和理论两条路径，两者相辅相成；初步具有“能在熟悉情境中选用恰当模型解决简单问题”的能力。3．科学探究学生具有观察运动现象、从运动学或动力学角度提出问题的能力，知道如何设计实验以及在实验中如何控制变量解决多变量对向心力的大小的影响，具有理论推导和实验探究能力。4．科学态度与责任学生初步形成对科学的本质认识，体会到物理学是基于人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述与解释，是一项建立在观察和实验基础上的创造性工作。能够尊重实验事实，知道理论要经得起实践的检验，同时对实验现象和结论能从理论上进行解释或推导。三、育人价值：1.通过实验教学，体会科学猜想，培养学生实事求是的科学态度和科学精神。2．通过创设情境，体现物理与生活技术的紧密联系，形成物理来自于生活的理念，体会学以致用的乐趣。3．通过构建物理模型，初步理解物理的奇妙与和谐，保持好奇心和求知欲，乐于探究自然的奥秘。四、单元学习目标设计课标素养名称单元学习目标物理观念（1）物质观念知道用线速度、角速度、周期描述圆周运动，理解向心加速度的内涵。（2）运动与相互作用观念能分析匀速圆周运动的向心力，能用向心力和向心加速度等解释生产生活中离心现象的产生原因，形成与匀速圆周运动相关的运动的相互作用的科学观念。科学思维（1）模型建构知道匀速圆周运动是理想化的过程模型，匀速圆周运动的模型建构条件；能在熟悉的情境中运用匀速圆周运动的思维模型解释问题。（2）科学推理通过线速度和向心加速度的讨论，进一步认识极限方法；能对常见的匀速圆周运动进行分析推理，获得结论；能用与匀速圆周运动相关的证据证明结论并作出解释；能从不同角度分析并解决匀速圆周运动问题。科学探究（1）问题通过实验探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。（2）证据能在他人帮助下采用控制变量法设计相关的探究实验方案，解决问题；能通过向心力演示仪等器材获得证据。（3）解释能分析归纳实验信息、形成与实验目的相关的结论，作出解释。（4）交流能撰写比较完整的实验报告，在报告中能呈现实验步骤、实验表格、分析过程及实验结论，根据实验报告进行有效交流。科学态度与责任（1）科学本质能通过对向心力大小影响因素的探究，认识物理学研究依赖于实验器材的改进与创新。（2）科学态度能与他人合作探究、交流分享，在合作中坚持自己的观点，具有严谨求实的科学态度。（3）社会责任通过汽车转弯、医务人员用离心机分离血液等情境培养学生主动将所学知识应用于日常生活的意识，同时体会物理学技术应用对人们日常生活的重要意义。五、单元教学重难点：【教学重点】为了更好的突出整单元的教学重点。在单元教学过程中，进一步分成小的教学重点：（1）掌握描述匀速圆周运动的各个物理量之间的关系。（2）理解向心力的概念、公式及匀速圆周运动中的供求关系，并能用来进行简单的判断计算。（3）掌握向心加速度方向的确定方法和计算公式。（4）结合实际生活，应用牛顿运动定律求解有关圆周运动的问题。教学中增强实验，合理的安排时间，讲解脉络清楚，讲解节奏张弛有度，同时合理的充分的练习突出教学重点。【教学难点】 （1）同轴转动和皮带传动的特点以及理解匀速圆周运动中的多解问题。（2）理解向心力是一个效果力，会分析向心力的来源，理解匀速圆周运动中的供求关系。（3）理解匀速圆周运动中加速度的产生原因。教学过程中加强物理基本原理与概念的教学，教学内容坚持循序渐进原则，合理运用类比和比喻，形象化抽象知识，突破难点。六、单元学习活动1．设计思路2．单元学习过程设计本单元的学习过程分为三个层级，体现了物理研究问题的基本思路，即现象→本质→规律→应用。第一层级是对圆周运动的整体认识，包括描述圆周运动的物理量如线速度、角速度、周期等，以及各物理量之间的关系，通过观察、比较、分析、抽象、概括，体会物理概念引入的具体过程，进一步丰富和发展对机械运动的认识。第二层级是从受力角度分析物体做圆周运动的条件，首先通过演示实验，感知向心力，探究其来源，建立向心力的概念；再通过演示实验，体验向心力大小的影响因素，而后通过实验探究，理解向心力大小跟质量、半径、角速度的定性关系；最后通过理论推导，探究向心加速度的计算式。第三层级是引导学生充分经历实际问题的解决过程，即“模型建构→问题呈现→方案提出→推理论证”，形成应用物理知识解决实际问题的大思路。通过匀速圆周运动→变速圆周运动→离心运动的学习过程体会从简单到复杂，从一般到特殊的研究思路。同时通过各种实际情境体会圆周运动在生活中的广泛应用，从游乐场里的摩天轮、飞椅到交通中的火车拐弯和汽车过拱形桥，再到航天器中的失重现象，无一例外都可以用圆周运动的知识进行解释说明，引导学生形成“物理源于生活并服务于社会”的科学责任意识。三个层级的学习都在具体的问题情境中展开，具体学习过程设计见下表。表圆周运动单元学习过程设计学习层级学习设计具体内容层级1：认识圆周运动，会描述圆周运动，知道描述圆周运动的各物理量之间的关系问题情境创设创设多种运动情境(1)旋转木马在欢乐旋转(2)旋转飞椅正在空中飞行；(3)缓缓转动着的摩天轮(4)平稳转弯的小火车针对以上情境提出以下参考问题：问题1：这些运动均可以看成什么运动？问题2：可以用哪些物理量来描述这种运动？问题3：描述圆周运动的物理量之间存在怎样的关系？知识内容安排线速度、角速度、周期，线速度与角速度的关系物理学科核心素养发展规划通过学习圆周运动，认识到运动的多样性、复杂性以及运动描述的统一性，丰富学生的运动观；通过线速度概念的建立加深对极限思想的理解；通过分析线速度、角速度与周期的关系，发展学生的科学推理能力学习方式指导通过自主学习与课堂学习相结合的方式，理解线速度、角速度、周期的概念，以及线速度、角速度与周期的关系学习难点突破资源线速度、角速度、周期和转速之间的关系：微课《描述圆周运动的物理量之间的关系》《周期、频率和转速》，情景视频《圆周运动》，皮带传送装置、齿轮传送装置、地球自转等的动图资源学习反馈检测要点及方式要点：线速度、角速度、周期等概念的建立。方式：(1)学生书面作答习题、任务单或活动设计；(2)课堂上小组交流讨论学习时间计划预计1课时层级2：从受力角度分析物体做圆周运动的条件问题情境创设创设两种运动情境：(1)正在运行的空中飞椅特写镜头；(2)运动员掷链球。针对以上情境提出以下参考问题：问题1：飞椅和人做圆周运动时合力的方向是怎样的？问题2：如果已知人和飞椅的总质量、飞椅到转轴中心的距离和飞椅运动的速度，你能求出飞椅和人此时所受的合力大小吗？问题3：在运动员利用身体旋转使链球加速的过程中，链球的受力情况是怎样的？问题4：做匀速圆周运动的飞椅，加速度是多少？知识内容安排向心力、向心力的大小、变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点、向心加速度物理学科核心素养发展规划通过圆周运动条件的学习，提高学生因果解释的能力、完善运动与相互作用观念；通过从运动学和动力学两个角度分析向心加速度的过程，发展学生的分析、推理和论证能力，加深学生对极限思想的理解；通过实验探究向心力的大小发展学生的实验探究能力，加深学生对物理实验与理论相结合的体会学习方式指导通过生活中的实例和动手小实验，体会向心力大小与哪些因素有关；通过课堂实验，探究向心力大小的影响因素，通过理论推导，探究向心加速度的计算式学习难点突破资源(1)认识向心力：可以观看实验视频《探究向心力大小的表达式》，情境视频《生活中的向心力》《向心力》，还可以观看微课《什么是向心力》《探究向心力大小与质量、半径、角速度的关系》等；(2)认识向心加速度：可以参照教材“拓展学习”栏目，探究向心加速度大小的表达式，或观看微课《向心加速度》《运动学角度分析向心加速度》学习时间计划预计3课时层级3：体会圆周运动的建模过程，形成应用物理知识解决实际问题的大思路问题情境创设创设三种运动情境(1)火车在水平轨道转弯(2)火车在倾斜轨道上转弯(3)汽车过拱形桥针对以上情境提出以下参考问题：问题1：火车在水平路面上转弯时什么力提供向心力？问题2：火车在倾斜路面上转弯时什么力提供向心力？问题3：汽车过拱形桥时速度要低于多少才不会脱离地面，从而安全通过拱形桥？问题4：如果拱形桥面半径增大到地球的半径（约6400km）汽车想要在最高点脱离地面，速度需要达到多少？问题5：火车脱轨的原因是什么？问题6：物体在什么情况下会做离心运动？问题7：离心运动有什么应用和危害？知识内容安排火车转弯、汽车过拱形桥、航天器中的失重现象、离心运动物理学科核心素养发展规划通过分析生活中的各种圆周运动现象，体会模型建构过程方法，强化运动与相互作用的观念；通过匀速圆周运动→变速圆周运动→离心运动的学习过程体会从简单到复杂，从一般到特殊的研究思路学习方式指导通过自主学习与课堂学习相结合的方式，分析生活中的圆周运动现象，体会物理模型建构方法，了解离心运动的产生原因及其在生活中的应用学习难点突破资源竖直平面内的圆周运动的分析：观看微课《汽车过拱形桥》、知识讲解课件《竖直平面内圆周运动问题的求解思路》学习反馈检测要点及方式要点：(1)能确定实际圆周运动中向心力的来源；(2)能从运动与相互作用角度分析生活中的圆周运动现象，例如火车弯道为什么外轨道高于内轨道，过拱桥为什么减速等。方式：(1)学生书面作答习题、任务单或活动设计；(2)课堂上小组交流讨论学习时间计划预计2课时

七、教学评价高中物理学习评价是以学生发展为本、基于物理学科核心素养的评价，其目的主要在于促进学生学习和改进教师教学。评价应围绕物理学科核心素养的具体要求，在学生日常学习过程中，创设真实而有价值的问题情境，采用主体多元、方法多样的评价方式，客观全面地了解学生物理学科核心素养发展状况，找出存在的问题，明确发展方向，及时有效地反馈评价结果，促进学生全面而有个性的发展。以课堂问答、学生交流等形式，进行过程性评价。（2）以节练习、章练习等形式，进行定量评价。（3）以自我评价、思维导图等形式，进行定性评价、单项评价、形成性评价。（4）以单元测试、教师点评学生反馈等形式，进行整体评价和终结性评价。本单元的学习评价分为三个角度：第一个角度聚焦于概念、规律本身，如知道描述圆周运动的物理量，会计算圆周运动的向心力、加速度等；第二个角度聚焦于概念间的关联整合，如知道概念间的内在逻辑关系，形成知识结构网络；第三个角度聚焦于认识方式，如认识研究圆周运动的思维路径，形成物理学研究的思想方法。（1）对概念、规律深层理解的评价圆周运动是曲线运动的一个特例，曲线运动中物体速度的方向为轨迹的切线方向，而直线运动中物体速度的方向与轨迹共线，从表面上看，两种运动中速度的方向与轨迹关系是有差异的，但两种运动中定义速度的方法是相同的，而且定义加速度的方法也是相同的，即不同表象背后的规律是一样的。对速度方向深层理解的评价可以放在课堂教学过程中，以问题的方式，让小组讨论完成。参考问题如下：问题1：根据速度定义式v=∆s问题2：根据加速度定义式a=∆v∆t，和牛顿第二定律推导匀速圆周运动中的向心力的表达式为F（2）对知识结构的评价通过学习学生是否构建了完整的圆周运动的知识结构，是否将圆周运动与抛体运动、直线运动进行了关联整合，对机械运动形式的认识是否丰富等评价，可以通过让学生绘制知识结构图，进行评价。知识结构的评价建议放在课堂学习之后，并且在学生绘图之前，最好不要约束学生的思维，让学生自由创作；在学生完成后，可以提高交流分享的机会，促进学生相互学习，拓展学生的认识角度。（3）对研究圆周运动的思想方法的评价极限思想是一种重要的物理学思想方法，在高中物理中极限思想并不是第一次使用，例如，从平均速度得出瞬时速度，根据速度—时间图像求匀变速直线运动的位移，从理论上分析曲线运动的速度方向，都利用了“通过无限分割，化变为不变或者化曲为直”的思想，其实也就是极限思想。模型建构思想也是本章一个重要的思想方法，学生可通过分析生活中的圆周运动的实例，体会模型建构的思想。关于思想方法，建议在单元学习之后通过任务单或习题的形式进行考察。任务四：总结研究圆周运动的一般方法并迁移应用任务四：总结研究圆周运动的一般方法并迁移应用（探秘小火车转弯、过山车）圆周运动需要评价的活动评价目标评价任务评价标准评价方式第一课时1诊断学生对研究运动的一般方法的理解和运用情况。2、能理解圆周运动的特点。能科学的描述圆周运动的快慢。3、能运用线速度、角速度、转速等物理量的物理意义推导出它们之间的关系，并会运用1、课前通过问卷调查列出学习计划。2、利用身边物品演示圆周运动。3、描述同一轨道上的圆周运动的快慢。4、分组实验探究圆周运动的线速度大小。5、了解转速表的原理，利用转速计算汽车的速度。1、对研究运动的基本思路和常用方法是否了解，2、能否用准确、科学的方法描述圆周运动的快慢，3、能否推导出线速度、角速度等物理量之间的关系，并正确解答问题1、问卷调查2、课堂提问3、实验操作4、课堂练习第二课时能结合控制变量法，设计探究向心力与质量角速度半径关系实验的整体思路能利用向心力演示仪，探究出向心力大小的表达式能利用向心力大小与角速度的关系推导向心力大小与线速度关系，并会利用两个表达式解决实际问题1、利用身边物品演示圆周运动体会并描述圆周运动受力特点。2、能找到圆周运动向心力的来源。3、分组实验，运用供需关系探究所需向心力大小与哪些量有关。4、分组实验，探究向心力大小与质量角速度半径关系5推导向心力大小与线速度关系，利用向心力大小表达式解决习题任务1、能否认识到向心力是一种效果力，需要别的力来提供。2、能否准确的找圆周运动向心力的来源。3能否合理设计实验并完成操作记录数据、分析数据的任务4、能否推导出向心力大小与线速度关系，并利用向心力表达式正确解答问题1、课堂提问2、实验操作3、课堂练习第三课时1能理解向心加速度的大小和方向2、能正确的处理数据，验证公式的正确性3、设计方案，解决情境问题1、利用力和运动的关系解决向心加速度的大小和方向。2、通过验证性试验，定量的验证向心加速度的公式1、对研究运动的基本思路和常用方法是否了解2、能否用准确科学的方法描述向心加速度3、能否利用所学的知识解决真实情境1、课堂练习2、课堂提问3、数据处理4、方案设计第四课时诊断学生对圆周运动的实例分析、建构物理模型、渗透理论联系实际的能力。诊断学生是否会归纳总结发现圆周运动和直线运动统一于牛顿第二定律。提升学生对物理知识运用在生活中的具体认知利用教具感知铁轨和火车车轮以及火车转弯平面的确定。生活体验与理论推导结合，分析汽车过拱形桥的失重自行分析汽车过凹形路面最低点的情况并设计实验验证1能否计算出火车在水平路面转弯时所受的向心力2、能否推导出只受重力和支持力使火车转弯的限定速度三、能否计算出汽车经过凹形路面最低点时对路面的压力。4、能否运用已学方法处理实际生活中的其他圆周运动1、课堂提问2、实验操作3、课堂练习4、单元小结第五课时1、会利用圆周运动的受力特征分析航天器中的失重现象2、会利用圆周运动的供需关系解释生活中的离心现象1、根据圆周运动的受力特点分析航天器中的失重现象2、能够分析离心运动的原因3、能够从物理角度感知离心运动的应用和防止4、自我反思和总结本单元知识1、能否根据力与运动关系定量计算地面物体完全失重时的速度大小2、能否感受物理知识在航天科技中的应用3、能否从物理角度解释离心运动1、课堂提问2、课堂练习3、反思日记八、单元作业（1）分层作业：所有同学完成单元课后习题；基础薄弱学生完成习题A,夯实基础！学有余力同学完成习题B，拓展提高！习题A1．广州市内环路上出口处常有限速标志。某出口路面是一段水平圆弧轨道，雨天车轮与路面的动摩擦因数为0.4，汽车通过出口的最大速度为36km/h。晴天车轮与路面的动摩擦因数为0.6，则晴天汽车通过出口的最大速度约为（）A．44km/h B．54km/h C．24km/h D．30km/h2．为了安全，汽车通过凸形桥时的速度不能过大。某汽车通过凸形桥桥顶时的示意图如图所示，已知凸形桥为一段半径为15m的圆弧，要求汽车运动到桥顶时对桥面的压力大小至少等于其所受重力大小的。取重力加速度大小。则汽车通过桥顶时的最大速度为（）

A．36km/h B．54km/h C．60km/h D．72km/h3．如图所示，汽车以大小相等的速率通过凹凸不平的路面时，下列说法正确的是（）A．汽车通过B点时容易爆胎B．汽车经过A、B两点均处于超重状态C．汽车通过B点对路面压力值小于汽车的重力D．汽车经过A、B两点时对路面压力值均等于车的重力4．如图所示，一质量为m的汽车以恒定的速率运动。若通过凸型路面时对路面的压力F1，通过凹形路面最低点时对路面的压力为F2，则（）A．F1<mg B．F1>mg C．F2<mg D．F2>mg5．如图所示为家用洗衣机的脱水桶，当它高速旋转时，能把衣物甩干。根据我们所学的知识，下列叙述正确的是（）

A．脱水桶高速旋转时，水受到与运动方向一致的合外力作用而飞离衣物B．脱水桶高速旋转时，衣物上的水受到的合外力不足以提供向心力，所以水滴做离心运动，通过小孔飞离脱水桶C．经过脱水流程后，打开洗衣机，发现衣物集中堆放在桶的中央D．脱水桶高速运转时，衣物上的水受到离心力作用6．如图所示两根长度不同的细线下分别悬挂甲、乙两小球，细线上端固定在天花板上同一点M。两个小球绕共同的竖直轴MN在水平面内做匀速圆周运动且处于同一水平面内，两球距圆心O距离比为1：3，求：（1）甲、乙两小球角速度之比；（2）甲、乙两小球向心加速度之比。

7．如图，一辆质量的小汽车驶上一座半径的圆弧形拱桥。（取）（1）汽车以的速度经过拱桥的顶部时，圆弧形拱桥对汽车的支持力是多大？（2）汽车以多大速度通过拱桥的顶部时，汽车对圆弧形拱桥的压力恰好为零？

习题B1．如图所示，质量为1.6kg，半径为0.5m的光滑细圆管用轻杆固定在竖直平面内，小球A和B的直径略小于细圆管的内径。它们的质量分别为mA=1kg、mB=2kg．某时刻，小球A、B分别位于圆管最低点和最高点，且A的速度大小为vA=3m/s，此时杆对圆管的弹力为零。则B球的速度大小vB为（取g=10m/s2）（）A．2m/s B．4m/sC．6m/s D．8m/s2．如图所示是游乐场里的过山车，若过山车经过A、B两点的速率相同，则过山车（）A．在A点时处于失重状态B．在B点时处于超重状态C．A点的向心加速度小于B点的向心加速度D．在B点时乘客对座椅的压力可能为零3．如图所示，一质量为的小球，用长为0.4m的轻绳拴着在竖直平面内做圆周运动，，下列说法不正确的是（）A．小球要做完整的圆周运动，在最高点的速度至少为B．当小球在最高点的速度为，轻绳拉力为15NC．若轻绳能承受的最大张力为45N，小球的最大速度不能超过D．若轻绳能承受的最大张力