《圆周运动的实例分析》参赛教案设计

第三届全国“教学中的互联网搜索”优秀教案评选第1页共10页教科版高一物理·《圆周运动的实例分析》教案设计一、教案背景1．面向学生：□√高中2．课时：共2课时3．教材分析：本节是《匀速圆周运动》这一章的核心，它既是圆周运的向心力与向心加速度的具体应用，也是牛顿运动定律在曲线运动中的升华，它也将为学习后续的万有引定律应用、带电粒子在磁场中运动等内容作知识与方法上的准备。4．学生分析：本人任教的县中实验班，学生基础好、反应快、动手能力强，对物理学科特别是紧密联系生活的内容特感兴趣。而且学生已经学完向心力和向心加速度理论知识，将会在极大的好奇心中学习本节内容，只是缺乏对实际圆周运动的深度分析，还没有能将其上升至理论高度。二、教学重点与难点1．教学重点：结合圆周运动实例理解向心力不是一种特殊的力，同时学会分析实际的向心力来源，能用向心力公式解决有关圆周运动的实际问题，其中包括分析桥模型中的超失重问题、圆锥摆模型与火车拐弯问题、水流星模型中“轨道约束”问题，以及离心运动问题等；2．教学难点：理解做圆周运动的物体受到的向心力是一效果力，进而从受力分析角度寻求向心力的来源；圆周运动临界问题中临界条件的确定，以及圆周运动向心力供需关系匹配问题。三、教学准备1．教师准备：通过百度及其它网络搜索相关图片、视频、课件等，并对其进行选择、整理，制作成PPT课件、资源库（专题文件夹）等用于课堂教学。2．学生课前准备：1）、预习本节物理导学案，初步学会应用向心力知识分析圆周运动实例；2）、学习小组分工准备与专题有关圆周运动小实验、网络搜索圆周运动相关图片与视频；四、教学方法课前首先要求学生对导学案的预习，并且通过学生分组形式对生活中的圆周运动相应问题进行课下探究，使学生在预习知识的同时，领略到将理论应用于实际解决问题而带来的成功乐趣。培养学生探究知识的欲望和学习兴趣，提高在生活中的应用物理的意识。而通过学生网络搜索，让他们科学地使用网络资源，学习网络搜寻，图片与视频下载与剪辑，并且为了课堂的时效性，特要求每一个网络视频剪辑后播放时间不得超过一分钟，并在课前拷贝到班级的电脑中指定物理文件夹中。课堂中本课采用学生展示为主的教学模式，课堂中让学生小组预习交流对圆周运动实例的认识、各小组通过网络搜索的视频及图片，然后请小组代表分组展示、讲解自已的分析，提出自已的发现与疑问，教师在其中恰当地进行点拔，总结提升。并且通过师生互动，强化观察和实验，让学生切实感受到物体做圆周运动的动力学原因。教师课堂中大胆地放手让学生进行自主学习，讨论交流，分析拓展，真正体现以学生为主体、生活即课程的理念，并且通过讨论与辨析使学生理解方法，学会应用。本节圆周运动实例有四大专题：桥模型、圆锥摆模型、水流星模型，离心运动问题，因此安排两课时，每节课解决两个专题。五、教学过程（一）、目标导航『PPT展示』1、会在具体实际问题中分析向心力的来源。2、知道向心力、向心加速度的公式也适用于变速圆周运动。会分析求解变速圆周运动中，物体在特殊点的向心力和向心加速度。3、明确解决实际圆周运动问题的思路和方法。（二）、预习交流『对学群学』学生进行预习交流时间，大约为4分钟，教师在黑板上给六个学习小组分配上课展示任第三届全国“教学中的互联网搜索”优秀教案评选第2页共10页务，主要内容以书面展示呈现。上课一开始，在教师明确本课学习目标后，每一个小组成员在学科组长的安排下先交流自己小组所分配任务的内容，并推选一名的同学准备展示内容，小组代表迅速将准备的内容先进行组内展示讨论，解决或整理自身疑难问题。然后有书面展示任务的组员上黑板板书，其余五名同学继续采取对学与群学的形式交流预习中发现的问题，全组人员有序地开展讨论交流、清除大部分问题，并将自己还未能理解与掌握的问题做好标记，以便在全班展示时进行提问质疑。（三）、分组展示『师生互动』这是本节课教与学的主要部分，时间大约为38分钟，主要采取教师引导，小组代表展示的方式。学习小组代表上讲台，讲解分析过程，剖析解题思路、小结与拓展方法等，同时也穿插播放网络视频，在小组代表展示过程同组同学可以适时地补充，其他组同学可以提出不同见解。同时，教师对一些关键点适当总结与提升，也可通过网络视频补充介绍、进行实例分析，完善学生认知。一．过桥问题1．过拱桥【小试身手1】（B级）质量为m的汽车在拱桥上以速度v前进，桥面的圆弧半径为r，求汽车通过桥的最高点时对桥面的压力。学生展示：选汽车为研究对象，对汽车进行受力分析：汽车在竖直方向受到重力G和桥对车的支持力N作用，如图所示，有rvmNmg2，即rVmmgN2。又因支持力与汽车对桥的压力是一对作用力与反作用力，所以rVmmgN/2有失重现象，当rgv时，0/N，即完全失重，当rgv时,汽车将脱离桥面，发生危险。【学生搜索视频】拱桥——自行车过拱桥的向心力=.html教师点拔：上述过程中汽车虽然不是做匀速圆周运动，但我们仍然使用了匀速圆周运动的公式。原因是向心力和向心加速度的关系是一种瞬时对应关系，即使是变速圆周运动，在某一瞬时，牛顿第二定律同样成立，因此，向心力公式照样适用。【变式训练1】（B级）当汽车通过桥面粗糙的拱形桥顶时拱形桥顶的速度为10m/s时，车对桥顶的压力为车重的3/4，如果汽车行驶至该桥顶时刚好不受摩擦力作用，则汽车通过桥顶时速度应为()A．25m/sB．20m/sC．15m/sD．30m/s学生展示：（1）寻找向心力：车通过桥顶时重力mg和桥的支持力N的合力提供了汽车做圆周运动的向心力：RvmNmg2，解得桥顶半径mR40。（2）临界分析：要使汽车通桥顶时刚好不受摩擦力，则汽车通过桥顶时车与桥面间的压力刚好为零。此时由重力提供车过桥顶需要的向心力。Rvmmg2，代入R得：s/mv20。【思维风暴1】（C级）某同学设想驾驶一辆由火箭作为动力装置的陆地太空两用汽车在赤道沿地球自转方向行驶，汽车的行驶速度可以任意增加，当汽车的速度增加到某值v（相对地面）时，汽车与地面分离成为绕地心做圆周运动的“航天汽车”，则下列说法正确的是（不计空气阻力，取地球的半径R=6400km，g=10m/s2）（Ｄ）mgN第三届全国“教学中的互联网搜索”优秀教案评选第3页共10页A．汽车在地面上速度增加时，它对地面的压力增大B．在此“航天汽车”上弹簧测力计无法测量力的大小C．汽车离开地面时v值大小为7.9km/sD．“航天汽车”绕地心做圆周运动的线速度大小为8.0km/s教师点拔：地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径，则速度大到一定程度时，地面对车的支持力是零，即s/kmgRv8时。而在使用RmvF2向时，有不少同学会简单地认为v是相对于地面的速度。其实v为线速度，应该是相对于圆周运动的圆心的速度。2、汽车过凹桥：【小试身手2】（B级）如图所示，汽车在一段丘陵地匀速率行驶，由于轮胎太旧而发生爆胎，则图中各点中最易发生爆胎的位置是在（A）A．a处B．b处C．c处D．d处【教师网络搜索】【拍客】2010史上最牛建筑——倒拱桥，TMD的太给力了，牛！学生展示：生活中凹桥少，但凹坑多，而过凹坑容易爆胎。由受力分析可知，在凹坑的最低点，有RvmmgN2，即RvmmgN2，并且坑的半径相当越小，即R时N，越容易爆胎。【学生搜索视频】大坑有积水，轿车一进就爆胎【教师搜索视频】小汽车过平、凸、凹拱桥的实验=.html『教与学的设计』在实际讨论车过拱桥或凹形桥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重力的大小。学生之所以产生这样的误解关键在于分析脱离了运动实际。要解决这一难点，可以通过观察网络视频，回忆过桥之感受，也通过实验视频慢放等功能直观地感受在竖直面内圆周运动所形成的超重与失重现象，同时，从理论上让学生体会到直线运动是圆周运动的一个特例，因此直线运动的半径无穷大，因此通过情况下没有超重与失重现象。二、圆锥摆模型问题1．圆锥摆【小试身手3】（B级）某游乐场中有一种叫“空中飞椅”的游乐设施，其基本装置是将绳子上端固定在转盘的边缘上，绳子下端连接座椅，人坐在座椅上随转盘旋转而在空中飞旋。若将人和座椅看成是一个质点，则可简化为如图所示的物理模型。其中P为处于水平面内的转盘，可绕竖直转轴OO′转动，设绳长l=10m，质点的质量m=60kg，转盘静止时质点与转轴之间的距离d=4m。转盘逐渐加速转动，经过一段时间后质点与转盘一起做匀速圆周运动，此时绳与竖直方向的夹角θ=370。（不计空气阻力及绳重，绳子不可伸长，sin370=0.6，cos370=0.8，g=10m/s2）求质点与转盘一起做匀速圆周运动时转盘的角速度及绳子的拉力；学生展示：（1）如图所示，对质点受力分析可得：Dmtanmg2，绳中的拉力Ncos/mgT750。根据几何关系可得：lSindD代入数据得：s/rad23．PO/Odl第三届全国“教学中的互联网搜索”优秀教案评选第4页共10页【学生网络搜索】在苏州乐园玩免费的豪华波浪视频=.html教师点拔：“旋转秋千”运动可以简化为圆锥摆模型，而且圆锥摆的周期T只与摆球离悬点的高度h有关而与摆球的质量无关。因为摆球受二力作用：重力mg和绳的拉力F，其合力指向圆心，即为向心力，则RTmtanmg224，解得圆锥摆的周期ghtangRT22。【变式训练2】（B级）在双人花样滑冰运动中，有时会看到被男运动员拉着的女运动员离开地面在空中做圆锥摆运动的精彩场面，目测体重为G女运动员做圆锥摆运动时和水平冰面的夹角约为30°，重力加速度为g，估算该女运动员（B）A．受到的拉力为G3B．受到的拉力为2GC．向心加速度为gD．向心加速度为2g【学生网络搜索】2011-2012花样滑冰锦标赛王文婷&张岩：火车转弯火车在平直轨道上匀速行驶时，所受的合力等于零。当火车转弯时，它在水平方向做圆周运动。是什么力提供火车做圆周运动所需的向心力呢？A、分析内外轨等高时向心力的来源：此时火车车轮受三个力：重力、支持力、外轨对轮缘的弹力。外轨对轮缘的弹力提供向心力。由于该弹力是由轮缘和外轨的挤压产生的，且由于火车质量很大，故轮缘和外轨间的相互作用力很大，易损害铁轨。B、实际弯道处的情况:实际转弯处外轨略高于内轨，支持力与重力的合力水平指向内侧圆心，成为使火车转弯所需的向心力。转弯处要选择内外轨适当的高度差，使转弯时所需的向心力完全由重力mg持力N提供，外轨甚至内轨均不受轮缘的挤压了。有rvmmg2tantangrv，【学生网络搜索】火车转弯【小试身手4】（C级）某铁路转弯处的圆弧半径是r，两铁轨之间的距离是d，若规定火车通过这个弯道的速度为v，则内外铁轨的高度差应该是多大才能使火车转弯时内外轨均不受轮缘的挤压？学生展示：火车转弯时需要的向心力由火车重力和轨道对它的支持力的合力提供，rvmmg2tan，由于轨道平面和水平面的夹角很小，可以近似的认为dhSintan，得grdvh2。教师点拔：v增加，外轨挤压，如果v减小，内轨挤压，如果求侧压力可根据正交分解法分析。【教师自拍视频】京沪高速公路宝应出口：公路回旋处的外高内低设计3：飞车走壁【小试身手5】（B级）有一种杂技表演叫“飞车走壁”，由杂技演员驾驶摩托车沿圆台形表演台的侧壁高速