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《匀速圆周运动的实例分析》教学方案设计一、教材分析本节内容是鲁科版高中必修2第四章《匀速圆周运动》的第三节内容，在此之前，学生已经初步认识了匀速圆周运动，会用线速度、角速度、周期、频率描述匀速圆周运动的快慢。而通过第二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楚向心力的来源，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，这是研究圆周运动的关键。教材后面又附有思考与讨论，以开拓学生的思维。二、学习目标1．知识与技能（1）会在具体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）掌握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，理解如何使用．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）注意统一性和特殊性，注意一般方法和特殊方法，提高综合分析的能力．3．情感态度与价值观（1）通过对圆周运动受力的分析，体会到任何事物的变化和运动都能找到动力学原因从而领悟到因果的制约与被制约关系。（2）通过实际演练，使学生在巩固知识的同时，体会到物理就在我们身边，领略到将理论应用于实际解决问题而带来的成功的娱乐．（3）激发学生学习兴趣，培养学生关心周围事物的习惯．三、学习对象分析本节课是在学生已经基本掌握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，安排的一节实例分析课。在课堂中采用实验演示，多媒体，电脑动画模拟等辅助手段，帮助学生建立形象直观的认识，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）会在具体问题中分析向心力，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掌握重点内容2．学习难点：实际问题中向心力的来源的分析解决办法：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寻找向心力五、教学设计思想为了在教学中体现科学探究精神，尽可能完整的经历科学探究过程，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，获取科学知识，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、教具准备课件展示在平直轨道上匀速行驶的火车；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；录像资料展示实际转弯处的情形（外轨略高于内轨）；视频展示汽车过凸形拱桥的物理情景；多媒体设备。七、学习思路设计：本课的学习设计，是在现行教材的基础上，结合对《高中物理课程标准》的学习理解，在学习目标的确立，学习内容的调整，教法、学法的设计等方面作了一些积极地探索。（一）课程目标的确立上：在原有目标的基础上，更注重课程学习与学生长远发展关系的处理，重点突出了学生学习知识后的能力和情感的培养，使学生能初步了解运用书中理论解决实际问题的方法。（一）教法设计根据新课改的要求，结合我校的教学理念，故在本节课的教学中采用如下方法：（1）科学探究法本节教学中一改传统的平铺直述模式，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。这样，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，获取科学知识，（2）联系生产生活创设情境根据学生的生活经验，创设接近学生生活实际的实例引发问题。在讲关于“火车转弯”问题时，课前布置学生到学校运动场进行对“跑道”的实地研究。当了解到弯道处是外高内低向内成一个倾斜的角度之后，让学生体验一下在平面内快速转弯与有斜面上快速转弯的感觉，再运用物理学知识进行解释，最后回到课堂中的“火车转弯”问题上来，问题的情景就变得直观形象，就能较好的解决教学中的难点问题（二）学法设计新课改中特别强调学习中学生的主体地位。在本节课的学习中，学生应积极主动地参与，课堂讨论分析时踊跃发言，做模拟实验时认真操作，大胆尝试，要将自己置身于真实的物理情景中去，尽可能完整的经历科学探究过程，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，获取科学知识。八、课时安排：1课时九、教学流程图设计图形说明：活动教师学生活动媒体选用开始激发兴趣，导入新课教师提问，引导学生分析火车受力情况展示在平直轨道上匀速行驶的火车图片思考讨论，火车过凸形拱桥时的受力学生讨论交流，给出答案教师设疑，引导学生比较匀速直线运动和匀速转弯的异同学生自主讨论，小结新课，教师点评结束课件展示柏拉图的话图片展示火车车轮有凸出的轮缘内外轨一样高，师生共同完成受力分析实物模拟火车转弯外轨高于内轨，师生共同讨论分析学生思考：挤压的结果如何思考不同速度运行时，火车受力情况教师总结，内外轨一样高的轨道不能安全使用教师总结，外轨略高于内轨时更安全思考讨论，火车过凸拱桥时的受力师生共同分析火车运动的动力学方程并求解对结果分情况讨论教师总结说明十、学习程序设计师生互动活动设计1．教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、观察来讨论分析实际问题与书本知识的联系，找出解决办法．整体感知：这一节课结合两个实际例子进行分析．要充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，师生共同讨论，拓展知识．新课引入匀速圆周运动被认为是实际中最完美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，因此它们肯定沿着最完美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，它们一定是围绕着地球作匀速圆周运动。”由此可见，古人对匀速圆周运动充满了神秘感。那么，是什么神秘的力量操纵着物体，使它做这种最完美最和谐的运动呢？今天，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，为学习新课做准备匀速圆周运动的物体受到向心力．向心力是怎样产生的？用学生已熟悉的例子说明：（1）绳拉物体做匀速圆周运动，绳的拉力提供向心力．（2）物体随水平圆盘做匀速周围运动，静摩擦力提供向心力．小结：向心力是由物体实际受到的一个力或几个力的合力提供的；向心力是按作用效果命名的力．特别强调：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楚。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研究几个实例：（一）火车转弯课件展示图片：在平直轨道上匀速行驶的火车教师提问：火车受到几个力的作用，这几个力间的关系如何？学生观察火车运动情况，画出受力示意图，并讨论回答：（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。那火车转弯时的情况又如何呢？提出问题并引导学生讨论：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？引导学生讨论：分两种情况讨论：内外轨一样高；外轨比内轨高．（1）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（1）当火车转弯时，火车做曲线运动，所受合外力不为零，合外力提供火车转弯所需的向心力；（2）有受力分析得：此时提供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考：挤压的结果会如何？学生讨论: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，容易造成铁轨和轮缘的损坏，甚至导致严重的后果。教师总结：由于平面转弯轨道铁轨和轮缘容易损坏，因此实际应用中多采用下面的弯道，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，和重力的合力可以提供向心力，可以减轻轨和轮缘的挤压．最佳情况是向心力恰好由支持力和重力的合力提供，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情况．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：根据牛顿第二定律得mgtanθ＝mv02/r其中r是转弯处轨道的半径，0v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，最佳情况是由v0、r、θ共同决定的．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，外轨提供一部分力）；当v＜v0时，外轨受到侧向挤压的力（这时向心力减少，内轨提供一部分力）．（4）还有哪些实例和这一模型相同？自行车转弯，高速公路上汽车转弯等等．教师总结：我们讨论的火车转弯问题，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；合外力的方向一定在水平方向上，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．探索情景: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，并讨论小球旋转的角速度逐渐增大时带来的小球受力和运动情况的变化。（二）汽车过拱桥视频展示汽车过凸形拱桥的物理情景提问讨论：（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？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提供，方向竖直向下．①动力学方程：由牛顿第二定律得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原因．③汽车在桥顶运动的最大速度为rg根据动力学方程可知，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rg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．思考与讨论：根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？探索情景:杂技节目水流星：一根细绳系着盛水的杯子，演员抡起绳子，杯子就做圆周运动，甚至运动到竖直面内的最高点，已经杯口朝下，水也不会从里洒出来。试通过分析，说明水为什么不会洒出来？要想保证这一节目成功不让水洒出来必须满足什么条件？安排学生课下亲自动手做试验，并思考以上问题。NG说明：在竖直面内、物体一般不是做匀速圆周运动，向心力和向心加速度公式虽然是从匀速圆周运动得出的，但也适用于变速圆周运（三）布置作业书77页3、4、5十一、教学后记本节课基本达到教学目标，在操作过程中，学生对物理各知识点不能很好把握，从而学生在分析圆周运动时，往往不明确它的依据为普通的运动定律---牛顿第二定律。在讨论车过拱桥或凹形桥的最高点或最低点车对桥面的压力时，学生易认为压力的大小等于车所受的重力的大小。为了很好的解决这些问题，必须使学生明确以下观点：（1）体会到直线运动是圆周运动的一个特例。直线运动特殊就特殊在其运动半径无穷大上。（2）物体做曲线运动表明在垂直于速度方向上有了加速度，即向心加速度。其运动学计算方法是：rav2，r为曲率半径。（3）任何速度均由力产生，故向心加速度是由物体所受的力产生的。十二、板书设计1．火车转弯—