2024-2025学年高中物理第四章匀速圆周运动第3节向心力的实例分析教案鲁科版必修2

PAGE5-向心力的实例分析一、教材分析本节内容是鲁科版中学必修2第四章《匀速圆周运动》的第三节内容，在此之前，学生已经初步相识了匀速圆周运动，会用线速度、角速度、周期、频率描述匀速圆周运动的快慢。而通过其次节向心力和向心加速度内容的学习，学生已经知道了向心力的大小与质量、角速度、半径的定量关系。本节课立足于匀速圆周运动基本规律上，结合实际生活中两个实例“火车转弯”和“汽车过拱桥”进行分析，解决有关圆周运动问题重要的是搞清晰向心力的来源，明确提出向心力是按效果命名的力，任何一个或几个力的合力只要它的作用效果是使物体产生向心加速度，它就是物体所受的向心力，这是探讨圆周运动的关键。教材后面又附有思索与探讨，以开拓学生的思维。二、学习目标1．学问与技能（1）会在详细问题中分析向心力的来源，明确向心力是按效果命名的力．（2）驾驭应用牛顿运动定律解决匀速圆周运动问题的一般方法，会处理水平面、竖直面的问题．（3）知道向心力，向心加速度的公式也适应变速圆周运动，理解如何运用．2．过程与方法（1）通过列举生活中圆周运动的例子，总结出这些多样的圆周运动的共同特点，及都受到向心力的作用。（2）留意统一性和特殊性，留意一般方法和特殊方法，提高综合分析的实力．3．情感看法与价值观（1）通过对圆周运动受力的分析，体会到任何事物的改变和运动都能找到动力学缘由从而领悟到因果的制约与被制约关系。（2）通过实际演练，使学生在巩固学问的同时，体会到物理就在我们身边，领会到将理论应用于实际解决问题而带来的胜利的消遣．（3）激发学生学习爱好，培育学生关切四周事物的习惯．三、学习对象分析本节课是在学生已经基本驾驭匀速圆周运动规律和描述圆周运动的基本物理量（线速度，角速度，向心力和向心加速度）以及有关公式推导与计算之后，支配的一节实例分析课。在课堂中采纳试验演示，多媒体，电脑动画模拟等协助手段，帮助学生建立形象直观的相识，降低难度。四、学习重、难点1．学习重点（1）理解向心力是按效果命名的力．（2）会在详细问题中分析向心力，综合运用牛顿定律分析解决问题．解决方法：多联系实际，通过对生活实例的分析驾驭重点内容2．学习难点：实际问题中向心力的来源的分析解决方法：通过对实例的分析，结合课件和实物演示，从力的作用效果上去找寻向心力五、教学设计思想为了在教学中体现科学探究精神，尽可能完整的经验科学探究过程，使学生通过体验感受战胜困难，解决物理问题的喜悦，体验到学习科学的乐趣，了解科学的方法，获得科学学问，本节教学把课本中的内容以问题的形式提出，通过学生探究式的大胆猜想，再通过科学的分析，将物理理论应用生活实际之中。六、学习程序设计师生互动活动设计1．老师利用多媒体课件展示物理情景，在分析时点拨关键之处．2．学生通过自学、视察来探讨分析实际问题与书本学问的联系，找出解决方法．整体感知：这一节课结合两个实际例子进行分析．要充分发挥老师的主导作用和学生的主体作用，师生共同探讨，拓展学问．新课引入匀速圆周运动被认为是实际中最完备最和谐的一种运动形式。古希腊哲学家柏拉图(Plato，公元前427年—公元前347年)提出：“天上星体代表着永恒的、神圣的、不变的存在，因此它们确定沿着最完备的轨道以最完善的方式运动。最完善的运动是匀速圆周运动，因此，它们确定是围围着地球作匀速圆周运动。”由此可见，古人对匀速圆周运动充溢了神奇感。那么，是什么神奇的力气操纵着物体，使它做这种最完备最和谐的运动呢？今日，我们就一起揭秘生活中的两种匀速圆周运动“火车转弯”和“汽车过拱桥”。1复习提问，为学习新课做打算匀速圆周运动的物体受到向心力．向心力是怎样产生的？用学生已熟识的例子说明：（1）绳拉物体做匀速圆周运动，绳的拉力供应向心力．（2）物体随水平圆盘做匀速四周运动，静摩擦力供应向心力．小结：向心力是由物体实际受到的一个力或几个力的合力供应的；向心力是按作用效果命名的力．特殊强调：分析和解决匀速圆周运动的问题，关键是要把向心力的来源搞清晰。向心力是按效果命名的力，并不是一种新性质的力，受力分析时绝不能额外加上一个向心力。下面，我们从分析向心力角度进一步探讨几个实例：（一）火车转弯课件展示图片：在平直轨道上匀速行驶的火车老师提问：火车受到几个力的作用，这几个力间的关系如何？学生视察火车运动状况，画出受力示意图，并探讨回答：（1）此时火车车轮受三个力：重力、支持力、牵引力和摩擦力（2）四个力的合力为零，其中重力和支持力、牵引力和摩擦力分别都是一对平衡力。那火车转弯时的状况又如何呢？提出问题并引导学生探讨：1、火车匀速直线运动和匀速转弯是否同种状态？[学生回答]：不是，火车匀速直线运动时合外力为零，火车匀速转变时受向心力，合外力不为零匀速直线运动时F合＝0匀速转弯时F合≠02、火车转弯时所需的向心力是如何产生的？引导学生探讨：分两种状况探讨：内外轨一样高；外轨比内轨高．内外轨一样高图片展示火车车轮有凸出的轮缘结构；实物模型模拟在平面弯曲轨道上火车转弯的情景；师生互动当火车转弯时，火车做曲线运动，所受合外力不为零，合外力供应火车转弯所需的向心力；有受力分析得：此时供应火车转弯时所需向心力的是铁轨外缘和轮缘相互挤压产生的弹力进一步引导学生思索：挤压的结果会如何？学生探讨:由于火车质量很大，行驶的速度很高，故所需向心力通常很大，这样，导致铁轨外缘和轮缘间的相互作用力很大，简单造成铁轨和轮缘的损坏，甚至导致严峻的后果。老师总结：由于平面转弯轨道铁轨和轮缘简单损坏，因此实际应用中多采纳下面的弯道，其外轨略高于内轨。（2）外轨高于内轨当外轨比内轨高时，铁轨对火车的支持力不再是竖直向上，和重力的合力可以供应向心力，可以减轻轨和轮缘的挤压．最佳状况是向心力恰好由支持力和重力的合力供应，铁轨的内、外轨均不受到侧向挤压的力．定量分析火车转弯的最佳状况．①受力分析：如图所示火车受到的支持力和重力的合力的水平指向圆心，成为使火车拐弯的向心力．②动力学方程：依据牛顿其次定律得mgtanθ＝mv02/r其中r是转弯处轨道的半径，是使内外轨均不受力的最佳速度．③分析结论：解上述方程可知v02＝rgtanθ可见，最佳状况是由v0、r、θ共同确定的．当火车实际速度为v时，可有三种可能，当v＝v0时，内外轨均不受侧向挤压的力；当v＞v0时，外轨受到侧向挤压的力（这时向心力增大，外轨供应一部分力）；当v＜v0时，外轨受到侧向挤压的力（这时向心力削减，内轨供应一部分力）．（4）还有哪些实例和这一模型相同？自行车转弯，高速马路上汽车转弯等等．老师总结：我们探讨的火车转弯问题，实质是物体在水平面的匀速圆周运动，从力的角度看其特点是；合外力的方向确定在水平方向上，由于重力方向在竖直方向，因此物体除了重力外，至少再受到一个力，才有可能使物体产生在水平面匀速圆周运动的向心力．探究情景:圆锥摆：在长度是L的细绳下端拴一质量为m的小球，固定绳子的上端，使小球在水平面内做匀速圆周运动，细绳就沿圆锥面旋转。试分析做圆锥摆运动的小球的向心力的来源，并探讨小球旋转的角速度渐渐增大时带来的小球受力和运动状况的改变。（二）汽车过拱桥视频展示汽车过凸形拱桥的物理情景提问探讨：（1）汽车静止在桥顶与通过桥顶是否同种状态？不是，汽车静止在桥顶、或通过桥顶，虽然都受到重力和支持力．但前者这两个力的合力为零，后者合力不为零．（2）汽车过拱桥桥顶的向心力如何产生？方向如何？NG汽车在桥顶受到重力和支持力，如图所示，向心力由二者的合力供应NG①动力学方程：由牛顿其次定律得G－N＝mv2/r解得N＝G－mv2/r②汽车处于失重状态汽车具有竖直向下的加速度，N＜mg，对桥的压力小于重力．这也是为什么桥一般做成拱形的缘由．③汽车在桥顶运动的最大速度为依据动力学方程可知，当汽车行驶速度越大，汽车和桥面的压力越小，当汽车的速度为时，压力为零，这是汽车保持在桥顶运动的最大速度，超过这个速度，汽车将飞出桥顶．思索与探讨：依据上面分析汽车通过凸形桥的思路，分析一下汽车通过凹形桥最低点时对桥的压力。这时的压力比汽车的重量大还是小？探究情景:杂技节目水流星：一根细