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《生活中的圆周运动》教学设计

一、学情分析
《生活中的圆周运动》这节课是新课标人教版《物理》必修二第五章《曲线运动》一章中的第七节,也是该章最后一节。
本节课是我们在学习了圆周运动、向心加速度、向心力以后的一节应用课,通过研究圆周运动规律在生活中的具体应用，能使我们深入理解圆周运动的规律,同时结合日常生活中的某些生活体验，加深物理知识在头脑中的印象。
教材中的内容根据学生接受的难易程度,顺序作了调整,按照具体的四个案例进行教学,分别是汽车过拱形桥、汽车过凹形桥、航天器中的失重现象、火车转弯。
二、教学目标：
１、知识与技能
(１)进一步加深对向心力的认识，会在实际问题中分析向心力的来源。
(2)培养学生独立观察、分析问题、解决问题的能力,提高学生概括总结知识的能力。
(3）了解航天器中的失重现象。
２、过程与方法
（1）学会分析圆周运动方法,会分析拱形桥、弯道等实际的例子,培养理论联系实际的能力。
(２)通过对几个圆周运动的事例分析，掌握用牛顿第二定律分析向心力的方法。
（3)能从日常生活中发现与圆周运动有关的知识,并能用所学知识去解决发现的问题。
3、情感、态度与价值观
(1) 通过向心力在具体问题中的应用,培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识。
（2)体会圆周运动的奥妙,提高学生学习物理知识的兴趣。
三、教学重点与难点
教学重点
  1、理解向心力是一种效果力。
  2、在具体问题中能找到是谁提供向心力的,并结合牛顿运动定律求解有关问题。
教学难点
     具体实际问题中向心力的来源及用牛顿第二定律分析向心力的方法。
四、教学方法：
讲授法、问题情境教学法、启发教学法
五、媒体准备:
电子白板、有关视频
六、知识结构框架

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七、教学过程
［新课导入］
  [复习提问］
  师:请同学们回顾并叙述出对于圆周运动你已经理解和掌握了哪些基本知识?  
生:我们已经理解和掌握了可以用线速度、角速度、转速和周期等来描述做圆周运动物体的运动快慢。向心力是效果力,学会受力分析向心力来源。

处理圆周运动问题的基本思路：
1、明确受力情况、找到向心力的来源
２、找到圆周运动的圆平面，确定圆心找到半径,利用向心力公式列方程求解
圆周运动的基本规律:

记忆口诀：匀速圆周并不匀，速度方向变不停，加速度，向圆心,速度平方比半径。
师:我们知道学以致用是学习的最终目的,本节课将通过几个具体实例的探讨来深入理解圆周运动的规律,同时结合日常生活中的某些生活体验,加深物理知识在头脑中的印象。    ［新课探究]
利用电子白板播放视频生活中常见的圆周运动及其圆周运动的图片,引出实例分析。
实例一：拱形桥
  投影问题情境：质量为m的汽车在拱形桥上以速度V行驶,若桥面的圆弧半径为R,试画出受力分析图,分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力.
 师：通过分析，你可以得出什么结论？
 学生在练习本上独立画出汽车的受力图，推导出汽车对桥面的压力。
实际问题探究：
例　质量为m 的汽车以恒定的速率v通过半径为ｒ的拱桥,如图所示,求汽车在桥顶时对路面的压力是多大?
 解:汽车通过桥顶时,受力情况如图：
由牛顿第二定律：
由牛顿第三定律:
注意:汽车过拱型桥的速度不宜过大,否则FＮ‘‘将消失，汽车将飞离桥面,做平抛运动。
实例二：凹形桥
 师:下面再一起共同分析汽车通过凹形桥最低点时,汽车对桥的压力比汽车的重力大些还是小些？
生:通过对汽车进行受力分析.汽车通过凹形桥最低点时,汽车对桥的压力比汽车的重力大.
 实际问题探究:
质量为m的汽车以恒定的速率v通过半径为r的凹型桥面，求汽车在最低点时对桥面的压力是多大?

注意:汽车过凹形桥的速度不宜过大否则FＮ‘‘过大,汽车可能压坏凹型桥或者爆胎。无论过拱型桥还是凹型桥,都应当减速行驶。
师:从刚才研究的一道例题可以看出,当汽车通过拱形桥凸形桥面顶点时,如果车速达到一定大小,则可使汽车对桥面的压力为零．如果我们把地球想象为特大的“拱形桥”,则情形如何呢？会不会出现这样的情况;速度达到一定程度时,地面对车的支持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少?驾驶员躯体各部分之间的压力是多少?他这时可能有什么感觉?
学生独立分析以上提出的问题,并在练习本上画出受力分析图，尝试解答。
 投影学生推导过程,引导学生间交流、讨论。
师：刚才同学们交流、讨论的问题即为课本第28页上面的“思考与讨论”,
该“思考与讨论”中描述的情景其实已经实现,不过不是在汽车上,而是在航天飞机中。
实例三:航天器中的失重现象
播放航天器中的失重现象视频
让学生注意:任何关闭了发动机,又不受阻力的飞行器的内部,都是一个完全失重的环境。例如向空中任何地方抛出的容器,其中的所有物体都处于失重状态。
实例四:铁路的弯道
师:火车转弯时实际是在做圆周运动,那么火车转弯时是如何获得向心力的呢?
我们先来看一下车轮的结构,注意轮缘。
假设内外轨道一样高
提出问题:在平直轨道上匀速行驶的火车
  １.火车受几个力作用？         ２．这几个力的关系如何?
生:火车受到４个力的作用,各为两对平衡力,即合外力为零．
师:对，火车受重力、支持力、牵引力及摩擦力．且四个力合力为零,其中重力和支持力的合力为零,牵引力和摩擦力的合力为零.
 师:那火车转弯时情况会有何不同呢?
模拟平直轨道火车转弯情形．提出问题：
1.转弯与直进有何不同?
    2．画出受力示意图，并结合运动情况分析各力的关系.
生：转弯时火车的速度方向在不断变化,故其一定有加速度,其合外力一定不为零.
 师:对,转弯时合外力不为零,即需要提供向心力,而平直路前行不需要．那么火车转弯时是如何获得向心力的?进一步受力分析得：需增加的一个向心力(效果力),由铁轨外轨的轮缘和铁轨之间互相挤压而产生的弹力提供.
师：提出问题:挤压的后果会怎样?
生:由于火车质量、速度比较大,故所需向心力也很大.这样的话,轮缘和铁轨之间的挤压作用力将很大,导致的后果是铁轨容易损坏，轨缘也容易损坏。
铁路的弯道实际上外轨略高于内轨,重力Ｇ和支持力Ｎ的合力提供向心力.
探究实际问题:火车以半径ｒ＝ ９０0 m转弯,火车质量为8×1０５kg ,轨道宽为l=1.4ｍ,外轨比内轨高h＝1４cm，为了使铁轨不受轮缘的挤压，火车的速度应为多大?

【物理与生活】
    2０07年４月18日，我国铁路进行了第六次大提速，时速将达2０0公里以上，这必将为我国的经济腾飞注入新的活力。假设你是一位从事铁路设计的工程师,你认为火车提速有必要对铁路拐弯处进行改造吗？应如何改造?
强调说明：火车转弯时向心力是水平的，向心力是按效果命名的力，如果认为做匀速圆周运动的物体除了受到另外物体的作用,还要再受到一个向心力，那就不对了。
小结:
本节课通过一些具体的实例探究了物体在竖直面内（汽车过拱形桥、汽车过凹形桥)和水平平面内(火车弯道)作圆周运动的运动规律，知道了在具体圆周运动中如何确定向心力来源，体会了牛顿第二定律分析圆周运动的基本方法,对失重及离心现象有较深刻的理解。
［巩固练习]   
1、如图所示，在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体一起运动,物体所受向心力是()
    A．重力             Ｂ.弹力    
    C.静摩擦力      D.滑动摩擦力

２、 为了防止汽车在水平路面上转弯时出现“打滑”的现象，可以:(       )
  a、增大汽车转弯时的速度  
  b、减小汽车转弯时的速度
  c、增大汽车与路面间的摩擦 
  d、减小汽车与路面间的摩擦
 A、a、b     B、a、c    Ｃ、b、d      Ｄ、b、c
作业:
１、第一次物理电子白板课的感想(５０0至800字)
2、作业本上做课后第2、３、4题
3、课时讲练通本节练习。
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板书设计：
生活中的圆周运动
实例一:拱形桥

由牛顿第二定律：
由牛顿第三定律:
实例二：凹形桥

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实例三:航天器中的失重现象
实例四:铁路的弯道
1、假设内外轨道一样高,向心力由铁轨外轨的轮缘和铁轨之间互相挤压而产生的弹力提供。
2、铁路的弯道实际上外轨略高于内轨,重力Ｇ和支持力N的合力提供向心力．
强调说明:火车转弯时向心力是水平的,向心力是按效果命名的力。
课后反思：
１、电子白板多媒体课堂插入了过山车、水流星等多个生活中的视频片段有利于学生感受到圆周运动在生活中无处不在,培养了学习兴趣,提高了课堂效率。
2、通过课前设计、课堂教学、课后教研组各位老师的及时评价,设计者认为这节课在以后的教学中要注意以下几点：
(1）在学困生较多,学习内容较难的情况下,学习内容不宜过多,不能贪多求全。
（2）这节课的难点在于铁路弯道,正常火车的运行是由重力和支持力的合力提供拐弯时的向心力,这一点通过作图让学生能自己推导出 ,推导的过程中要严格使用作图工具画图,让学生容易接受推导过程中使用的两个直角三角形:其一是受力分析中重力与合力的力的矢量三角形，得出Ｆ合＝F向＝;其二是外轨比内轨高出h的铁路横截面三角形，图中利用一歩近似处理,得出。在处理火车速度大小对内外轨的影响上,应采取以下两种方法，一种是体验感受法,一种是分析比较公式法。具体的体验感受法可这样给学生演示，左手向手心弯曲大约1２00代表弯曲的外轨道，右手伸直在左手手心一侧代表行使的火车,如果速度恰好等于规定的速度则代表与内外轨之间没有作用力,如果速度比规定的速度大的话，则会发生右手撞击左手即火车撞击外轨对外轨有弹力的作用。接着左手向手心弯曲大约120０代表弯曲的内轨道，右手伸直在左手手背一侧代表行使的火车,如果速度小于规定的速度的话,学生应该有种感觉认为右手会滞留在左手手背上,有种下滑的趋势,也就是会对内轨产生一种压力。即行使速度大于规定的速度火车会对外轨的轮缘产生挤压，小于规定的速度火车会对内轨产生挤压。这种理解方法通过亲身体验能让学生记得更容易更牢固一些。另一种分析比较公式法具体可以这样理解，火车拐弯实际需要向心力的大小可以按照F需来计算,而在公式F供 =mV２规定/r中,这个速度是我们设计好的速度称之为Ｖ规定，而这个向心力应该是有重力和支持力的合力提供。当实际速度大于规定速度时,Ｆ需＞F供,即重力与支持力的合力不足以提供需要的向心力时,这时外轨轮缘就会对火车一个沿车轮的弹力来补充向心力,表现为火车对外轮轮缘有侧压力。当实际速度小于规定速度时,Ｆ需<Ｆ供,这时重力与支持力的合力大于需要的向心力,内轨轮缘就会对火车有一个沿车轮的弹力来抵消一部分合力,表现为火车对内轮轮缘有侧压力。