人教版必修2 向心力與向心加速度 第1課時 教案.doc

向心力和向心加速度教材分析向心力與向心加速度是司南版高中物理必修2第五章的內(nèi)容。標準要求“知道向心加速度，能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力與向心加速度的關(guān)系”。該標準要求學生認識什么是向心力，知道向心力與向心加速度的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，能分析一些做勻速圓周運動的物體所受的向心力。本節(jié)知識是本章的重點，也是本章承上啟下的重要內(nèi)容。學好這部分知識，可以為學習本章后面應(yīng)用部分打下基礎(chǔ)，也為將來進一步探究萬有引力定律和有關(guān)圓周運動相關(guān)知識作好必要的知識和能力準備。內(nèi)容與地位 普通高中物理課程標準共同必修模塊“物理”的內(nèi)容標準中，涉及本節(jié)的內(nèi)容有條目：“會描述勻速圓周運動，知道向心加速度；”條目：“能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力。”該條目的要點是在理解向心加速度、向心力概念的基礎(chǔ)上，弄清向心力和向心加速度的關(guān)系，能分析一些做勻速圓周運動的物體所受的向心力。 本節(jié)內(nèi)容是繼平拋運動后，又一個變速運動的典型實例，是學生普遍感到難學，但又非常重要的部分。在學習該內(nèi)容前，學生對變速運動概念已有較為全面的理解，知道什么是變速運動，懂得變速運動的物體有加速度以及力是產(chǎn)生加速度的原因。同時已有應(yīng)用控制變量法進行實驗探究的經(jīng)歷。教學中可以嘗試應(yīng)用提出一些問題設(shè)計實驗進行實驗分析實驗得出結(jié)論的科學探究教與學的方式，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，分析問題和解決問題的能力，學習科學的思維方法，提升自主學習的能力。學情分析學生已經(jīng)學習了拋體運動，對變速運動、曲線運動有一定了解。但對向心力與向心加速度的概念，學生還是普遍感到比較難學，而且受錯誤前概念的影響，難以建立正確的新概念。因此，可以利用高中學生學習的自主性、抽象思維能力都比較強的特點，設(shè)置適當?shù)膯栴}情境激發(fā)學生的思考、討論，學生需應(yīng)用已有知識，積極思維，通過對問題的主動探究、獲得概念、得出規(guī)律，以達到對知識深入理解和提高能力的目的。教學設(shè)計理念向心力與向心加速度對學生來說雖然是新的概念，且概念本身較難，但學生已具備必要的知識基礎(chǔ)，如：知道變速運動的物體有加速度，以及力是產(chǎn)生加速度的原因，也會進行受力分析，并且多次經(jīng)歷了應(yīng)用控制變量法進行實驗探究。因此，教師可以依據(jù)思維的邏輯，通過不同類型的實驗，設(shè)置循序漸進的問題情境，組織學生對一個個問題進行充分的分析、討論后獲得新的知識，即根據(jù)問題教學的有關(guān)理論展開教學，使整個教學過程成為提出問題、討論問題、解決問題的過程。從而培養(yǎng)學生自主學習能力、實驗?zāi)芰徒涣?、討論的習慣。一、教學目標知識與技能1、知道向心力和向心加速度，通過實驗探究向心力的大小與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系。2、理解向心加速度和向心力公式的含義。、能運用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力和向心加速度，通過實例認識向心力的作用及來源。過程與方法1、 學會有關(guān)圓周運動的分析方法，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力。2、 能從日常生活中發(fā)現(xiàn)與物理學有關(guān)的問題，并能從物理學的角度比較明確地表述發(fā)現(xiàn)問題。3、 嘗試經(jīng)過思考發(fā)表自己的見解，嘗試運用圓周運動的規(guī)律解決一些與生產(chǎn)和生活相關(guān)的實際問題。4、 通過實驗，讓學生體會從特殊到一般、具體到抽象、層層遞進的科學思維方法，培養(yǎng)學生分析、推理和歸納能力。情感態(tài)度與價值觀1、 領(lǐng)略圓周運動的神奇和諧，發(fā)展對科學的好奇心與學習物理知識的求知欲。2、 樂于探究日常生活中的圓周運動所隱藏的物理規(guī)律，有將物理知識應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的意識。在學習的過程中體驗解決問題成功的喜悅，養(yǎng)成善于交流合作的良好的習慣，懂得應(yīng)用控制變量法解決問題。二、教學重難點重點：了解向心力的來源，建立向心力的概念。難點：理解向心力的概念和探究向心力大小的實驗設(shè)計。三、教學方法問題討論法和實驗探究的方法講授法歸納法 教學用具：投影儀、多媒體、cai課件、向心力演示器、鋼球、鋁球、細繩、印泥、白紙四、媒體和教具多媒體課件、威士忌酒杯、乒乓球、自制環(huán)形擋板實驗儀、自制水平轉(zhuǎn)盤實驗儀、自制向心力筆、向心力演示器。五、教學過程一、 新課引入設(shè)置情景做“水流星”實驗,并設(shè)下疑問：為什么盛水的杯子以一定的速度做圓周運動，水不從杯里灑出，甚至杯子在豎直面內(nèi)運動到最高點時，杯口已經(jīng)朝下，水也不會從杯里灑出來？a) 復習提問物體分別做直線運動、曲線運動時，所受的合外力f合與速度0存在什么關(guān)系？當物體所受合外力為零時，將保持靜止或者做勻速直線運動；當物體所受合外力方向與運動方向位于同一條直線上時，物體做變速直線運動；當物體所受的合外力方向與運動方向不在同一條直線上時，物體將做曲線運動。前面我們學習了勻速圓周運動，勻速圓周運動的速度有什么特點呢？生：速度大小不變，方向不斷變化，也就是說勻速圓周運動是變速曲線運動,它的速度方向不斷發(fā)生改變。速度方向變了，就存在一個速度改變量，有速度改變量，就有一個加速度。由牛頓第二定律，有加速度就有力。那么做圓周運動的物體受力有何特點？加速度有如何呢？這節(jié)課我們先學習這些問題。二、向心力及其方向演示實驗：在光滑的水平桌面上，用一根細繩，一端系一小球，另一端固定在一枚圖釘上。將圖釘釘在光滑水平桌面上。（1） 用手指沿小球與圖釘連線的垂直方向輕輕彈擊小球，當繩子未伸直前，小球先做勻速直線運動。（2） 用手指彈擊小球，方向同上，加大彈擊力量，使小球運動時細繩伸直。細繩伸直后，小球做勻速圓周運動。問題討論：1、繩繃緊前，小球為什么做勻速直線運動？2繩繃緊后，小球什么做勻速圓周運動？小球此時受到哪些力的作用，合外力是哪個力？這個力的方向有什么特點？這個力起什么作用？分析：小球在桌面上做圓周運動時，受到三個外力的作用，即重力g、桌面支持力和繩子的拉力，合力就是繩子的拉力。繩子的拉力的方向呢？很好。小球受到的拉力方向雖然時刻在改變，但它始終沿著繩子的方向，沿著半徑指向圓心。拉力是球拉繩子使繩子發(fā)生形變產(chǎn)生的，說明做圓周運動的小球有遠離圓心的運動趨勢。顯然，正是這個拉力使小球做圓周運動。結(jié)論：做勻速圓周運動的小球，受到的繩的拉力就是它的合力，這個拉力方向始終指向圓心，方向不斷變化，不改變速度的大小，只改變速度的方向?！驹搯栴}情境中包含當前要學習的知識，激發(fā)學生解決問題，探究新知的動機。同時教學游戲有效激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望，也為下面的教學提供實例。引入起到了吸引學生學習的目的，又呼應(yīng)之后教學，為向心力概念建立和向心力來源創(chuàng)設(shè)情境。】那是不是只有彈力能使物體做圓周運動呢？我們再來看一個實驗。這是一個蒙有毛巾的轉(zhuǎn)盤，毛巾上放一個木塊，現(xiàn)在我讓木塊隨著轉(zhuǎn)盤近似做勻速圓周運動。請大家對木塊受力分析。木塊受到哪些力呢？很好，木塊受到重力、支持力和摩擦力。那這個摩擦力是滑動摩擦力還是靜摩擦力呢？對了，是靜摩擦力。其中重力和支持力是一對平衡力，作用效果相互抵消。那靜摩擦力方向呢？對了，靜摩擦力的方向沿著半徑指向圓心。我們學過靜摩擦力的方向與運動趨勢相反，又從上面的實驗得到啟發(fā)，做圓周運動的物體有遠離圓心的運動趨勢，所以靜摩擦力的方向與這個運動趨勢相反，總是沿著半徑指向圓心。正是這個靜摩擦力使木塊做圓周運動。 或： 那是不是只有彈力能使物體做圓周運動呢？我們再來看一個例子，如圖。木塊隨著轉(zhuǎn)盤近似做勻速圓周運動，我們以人為研究對象，請大家對人進行受力分析。人受到哪些力呢？很好，木塊受到重力、支持力和摩擦力。那這個摩擦力是滑動摩擦力還是靜摩擦力呢？對了，是靜摩擦力。其中重力和支持力是一對平衡力，作用效果相互抵消。那靜摩擦力方向呢？對了，靜摩擦力的方向沿著半徑指向圓心。我們學過靜摩擦力的方向與運動趨勢相反，又從上面的實驗得到啟發(fā)，做圓周運動的物體有遠離圓心的運動趨勢，所以靜摩擦力的方向與這個運動趨勢相反，總是沿著半徑指向圓心。正是這個靜摩擦力使木塊做圓周運動。 我們再來看圖，鏈球運動員用力輪著鏈球做圓周運動，金屬鏈與水平面并不平行，對鏈球進行受力分析，它受到哪些力呢？鏈球受到重力，金屬鏈對它的彈力，我們可以畫出它的受力示意圖。那是什么力使鏈球做圓周運動呢？很好，是重力與拉力的合力，還有沒別的說法？我們將拉力和重力沿水平方向和豎直方向進行分解，怎么樣？哎，對了，也可以說是拉力的水平分力，方向總是沿半徑指向圓心，正是這個力使乒乓球做圓周運動?，F(xiàn)在同學們討論一下，前面三個例子中小球、人、鏈球，他們有什么共同點呢？1.都做圓周運動。2.都受到指向圓心的力的作用。很好，他們都做圓周運動，都受到一個始終指向圓心的力的作用。我們把這樣的力就叫做向心力。做圓周運動的物體要受到一個始終指向圓心的等效力的作用，這個力叫向心力。板書：1、定義：做圓周運動的物體要受到一個始終指向圓心的等效力定義中提到了向心力的方向，大家能把它找出來嗎？對了，向心力的方向始終指向圓心板書：2、方向：始終指向圓心那向心力是由什么力提供的呢？第一個例子中是彈力，第二個例子中是靜摩擦力，第三個例子中是重力和支持力的合力或者說是支持力的水平分力。還有，我們以后學習的其他性質(zhì)的力，比如萬有引力、電場力、磁場力也能使物體做圓周運動。可見，向心力是可以由這么多不同性質(zhì)的力提供的，我們不能說向心力就是彈力，就是靜摩擦力，它是按效果來命名的，所以向心力是一種等效力。那么向心力有什么作用效果呢？向心力的方向始終沿著半徑指向圓心，速度方向沿切線方向，可見，向心力的方向與速度方向始終垂直，所以向心力只改變速度方向，不改變速度大小。向心力不做功。板書:3、作用效果：只改變速度方向，不改變速度大小，不做功同學們要注意了，做圓周運動的物體要受到向心力，而不是產(chǎn)生向心力。向心力是按效果來命名的，不是一種新的特殊性質(zhì)的力。舉個例子：剛才做圓周運動的木塊受到重力、支持力、靜摩擦力和一個向心力，這種說法對嗎？很好，不對，因為向心力不是一種新的特殊性質(zhì)的力，就是靜摩擦力提供向心力了。前面我們學習過了，做圓周運動的物體的線速度的方向沿著切線方向，而向心力總是指向圓心，總是與運動方向垂直，所以向心力只改變速度的方向，不改變速度的大小。如果物體做勻速圓周運動，向心力就是物體受到的合外力；如果物體做非勻速圓周運動（線速度大小時刻改變），向心力并非是物體受到的合外力，我們以后會繼續(xù)學到這種情況。討論與交流：假設(shè)你坐在一輛車上周圍沒有其他乘客，也不靠在車廂上，當車子轉(zhuǎn)彎時，你的向心里是從哪里來的？上述三個典型實例，符合學生的學習心理特點，既能啟發(fā)學生思維，又能培養(yǎng)和提高學生分析問題和解決問題的能力。通過分析三個問題情境，學生很直觀地總結(jié)出向心力的定義及方向，教師再以此總結(jié)歸納結(jié)出知識框架。但要學生注意：做圓周運動的物體要受到向心力，不是會產(chǎn)生向心力。速度總是沿著切線方向，而向心力是指向圓心，它們總是垂直，即向心力只改變速度的方向而不改變速度的大小。向心力是按力的作用效果命名的，它可能是由彈力、靜摩擦力、重力和支持力的合力，甚至是某個力的分力來提供，不要把向心力當作一個特殊性質(zhì)的力。過程分析突出了學生的主體地位，切實發(fā)揮了學生在課堂教學中應(yīng)有的作用。學生不是被動的接受知識，而是參與知識的獲得過程，體現(xiàn)了“自主學習”的新課程教學理念。三、科學探究：向心力的大?。?）提出問題：向心力的大小可能與哪些因素有關(guān)？（2）科學猜想引出學生探究實驗：請每位學生用手牽著一個帶繩的小球，使小球在水平方向旋轉(zhuǎn)，體驗手的拉力對小球運動的影響。說明：實驗過程中注意引導學生體驗繩的長短、球的大小、轉(zhuǎn)速的快慢對手拉力的大小的影響。做圓周運動，學生感受向心力的大小。先體驗得出定性的認識，即得出向心力的大小可能質(zhì)量、半徑、角速度、線速度、周期、轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。 教師引導分析，線速度、周期、角速度以及轉(zhuǎn)速又有關(guān)系，都是描述圓周運動轉(zhuǎn)動快慢的物理量，從而歸結(jié)為：向心力的大小可能與質(zhì)量、半徑、角速度有關(guān)。影響向心力大小的可能因素比較多，應(yīng)采用控制變量法進行研究。（3）介紹向心力演示器構(gòu)造和使用方法因此教師先出示向心力演示器介紹：下面我們用向心力演示器來研究向心力與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系。 大家看，這是向心力演示器：勻速轉(zhuǎn)動手柄，可以使塔倫、長槽和短槽勻速轉(zhuǎn)動，槽內(nèi)的小球也就隨之做勻速圓周運動，這時小球向外擠壓擋板，擋板對小球的反作用力提供了小球做勻速圓周運動的向心力。同時小球壓擋板的力使擋板另一端壓縮彈簧測力套筒里的彈簧，彈簧的壓縮量可以從標尺上讀出，該讀書顯示了向心力大小。（4）實驗探究實驗原理明了后，教師再引導學生如何利用儀器控制變量。學生發(fā)現(xiàn)可以通過質(zhì)量不同的鋼球和鋁球改變質(zhì)量。將球放置在長槽和短槽的不同位置，改變半徑。通過調(diào)整塔倫上的皮帶連接兩個塔輪，就可以改變角速度。引導學生討論實驗方法控制變量法，從而設(shè)計實驗方案、步驟并進行實驗操作。指導學生完成表2。 表2探究控制改變結(jié)論f向與m的關(guān)系r,一定m不同f向mf向與r的關(guān)系m,一定r不同f向rf向與的關(guān)系m,r一定不同f向 （3）學生分組進行實驗 a：質(zhì)量不同的鋼球和鋁球，當它們運動的半徑r和角速度相同時，比較向心力的大小 b：兩個質(zhì)量相同的小球，保持運動半徑相同，觀察向心力與角速度之間的關(guān)系 c：兩個質(zhì)量相同的小球，保持小球運動的角速度相同，觀察向心力的大小與運動半徑之間的關(guān)系。實驗表格二球相同的物理量不同的物理量觀察結(jié)果1 r、 mm越大，f向越大2 m、 rr越大，f向越大3 m、r 越大，f向越大實驗結(jié)論：f向隨r、w、m的增大而增大（4）總結(jié)得到：向心力的大小與物體質(zhì)量m、圓周半徑r和角速度都有關(guān)系，且給出公式：f向mr2（5）實驗結(jié)論學生通過分組實驗，能發(fā)現(xiàn)，。最后教師總結(jié)全班實驗結(jié)果，得出結(jié)論：。科學家們用更精確的實驗也得到相同的結(jié)果。精確的研究表明：當公式中個物理量的單位都用國際單位制的單位時，=1，公式簡化為。從而可以推得向心力的表達式【這部分教學采用教師引導下科學探究的方式，解決了向心力大小與質(zhì)量、半徑和角速度的關(guān)系，來突出教材的重點，突破教材的難點。教師用 “問題”的形式組織課堂，條理清晰，邏輯性強。通過有效的師生互動，培養(yǎng)學生科學的態(tài)度和提高學生實驗設(shè)計能力、數(shù)據(jù)分析處理能力。】四、理論推導：向心加速度力是產(chǎn)生加速度的原因，既然做圓周運動的物體一定要受到一個始終指向圓心的等效力的作用，那么它必然存在一個由向心力產(chǎn)生的加速度，這個加速度就叫做向心加速度。板書：三、向心加速度那么，向心加速度的定義是什么呢？物理學中把做圓周運動物體的沿半徑指向圓心的加速度，叫做向心加速度。板書：1、定義：做圓周運動物體的沿半徑指向圓心的加速度我們知道，加速度是矢量，既有大小，又有方向。我們先來研究向心加速度的方向。向心加速度的方向是怎樣的呢？對了，向心加速度的方向要和向心力的方向一致，始終指向圓心。板書：2、方向：始終指向圓心下面，我們來研究向心加速度的大小。請同學們根據(jù)牛頓第二定律和向心力的公式，推導出向心加速度的公式。我們請這位同學來回答一下?；卮鸬梅浅：茫堊?。我們一起來分析一下。根據(jù)牛頓第二定律，可以得到；聯(lián)系向