《探究向心力大小》教學(xué)設(shè)計(jì)

?探究向心力大小?教學(xué)設(shè)計(jì)〔〕:

摘要：通過旋轉(zhuǎn)小實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生初步猜測影響向心力大小F的三個(gè)因素(質(zhì)量m、圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r和角速度omega;)之間的關(guān)系可能為F=kmromega;。利用自制向心力大小探究儀測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過圖像法分析法得出F與m、r成正比，與omega;不成正比；根據(jù)圖像再次猜測F與omega;可能成二次關(guān)系，然后利用計(jì)算法和圖像法分析得出F與omega;確實(shí)成二次關(guān)系。最后綜合分析論證得出向心力的表達(dá)式。

關(guān)鍵詞：向心力；實(shí)驗(yàn)探究；教學(xué)設(shè)計(jì)；控制變量；圖像法

本文引用格式：苗芳.?探究向心力大小?教學(xué)設(shè)計(jì)[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔75〕：248-250.

一教學(xué)分析

〔一〕教材分析

本課題選自教科版?高中物理〔必修2〕?第二章勻速圓周運(yùn)動(dòng)第二節(jié)：勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和向心加速度【1】。本節(jié)的內(nèi)容是在曲線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周圓周運(yùn)動(dòng)根底上的擴(kuò)展：?曲線運(yùn)動(dòng)?中介紹了物體作曲線運(yùn)動(dòng)的條件，?勻速圓周運(yùn)動(dòng)?中介紹了描繪圓周運(yùn)動(dòng)的物理量，本節(jié)那么定量闡述了力與圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，是這一章的重點(diǎn)內(nèi)容。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解物體需要向心力維持圓周運(yùn)動(dòng)，并滿足F=mromega;2。本節(jié)內(nèi)容也為后面的萬有引力定律、天體的運(yùn)行及帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)等知識(shí)的學(xué)習(xí)奠定了根底。

本節(jié)教材中，采用了傳統(tǒng)的向心力大小探究儀進(jìn)展研究，雖然儀器的設(shè)計(jì)思想比擬巧妙，利用各物理量間的比例關(guān)系，可以很方便地得到結(jié)論，但此過程卻不是真正的探究過程，只能說是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。所以，本設(shè)計(jì)更側(cè)重于";探究";向心力大小規(guī)律，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程。

〔二〕學(xué)情分析

1.知識(shí)方面

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了曲線運(yùn)動(dòng)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的有關(guān)知識(shí)，為本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定了一定的根底【2】。并且對(duì)用數(shù)學(xué)方法中的圖像方法來分析解決問題也有了一定的認(rèn)知，可以用圖像法分析與處理較簡單的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.才能方面

高一的學(xué)生已經(jīng)具備一定的觀察才能、分析才能和實(shí)驗(yàn)才能，用實(shí)驗(yàn)探究法能得出向心力的大小與m、r、omega;之間的定量關(guān)系。

3.教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：向心力的大小F與m、r、omega;之間的定量關(guān)系。

難點(diǎn)：向心力F與omega;的二次方關(guān)系的得出。

二教學(xué)目的

〔一〕知識(shí)與技能

掌握向心力F與m、r、omega;之間的定量關(guān)系。

〔二〕過程與方法

〔1〕通過實(shí)驗(yàn)探究勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力與質(zhì)量、半徑、角速度之間的關(guān)系，穩(wěn)固學(xué)生對(duì)控制變量法的運(yùn)用。

〔2〕通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的兩種方法處理，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理才能，掌握?qǐng)D像法和計(jì)算法。

〔3〕在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到數(shù)學(xué)方法在物理研究中的作用，以及圖像法和計(jì)算法之間的互相補(bǔ)充作用。

〔三〕情感態(tài)度與價(jià)值觀

〔1〕通過實(shí)驗(yàn)探究勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力與質(zhì)量、半徑、角速度之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生探究物理規(guī)律的興趣【3】。

〔2〕在猜測-驗(yàn)證-再猜測-再驗(yàn)證的探究過程中，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)研究的艱辛曲折及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

三教法分析

講授法、實(shí)驗(yàn)探究法。

四教學(xué)工具

不同質(zhì)量的小球假設(shè)干、不同長度的繩子假設(shè)干、力傳感器、數(shù)據(jù)顯示器、自制向心力大小探究儀、坐標(biāo)紙、三角板〔直尺〕、計(jì)算器、記號(hào)筆、鉛筆等。

五教學(xué)過程

〔一〕溫故知新

引導(dǎo)學(xué)生回憶以下的內(nèi)容：

〔1〕物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要向心力。【1】

〔2〕向心力可由彈力提供，也可由其它性質(zhì)的力提供，可以由一個(gè)力提供，也可由幾個(gè)力的合力提供?！?】

〔3〕向心力的大小與質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)。

然后教師提問：向心力與質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速度間到底是什么樣的定量關(guān)系呢？

〔二〕初步猜測

旋轉(zhuǎn)小球?qū)嶒?yàn)：在圖2中，小球的重力G和繩的拉力F拉的合力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F向。不難分析，當(dāng)G不變時(shí)，F(xiàn)拉越大，F(xiàn)向越大。

1.初步探究

(1)教師先引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)向心力與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系：保持m、r不變，逐漸加快轉(zhuǎn)速角速度omega;，可以感受到繩的拉力越來越大，因?yàn)橹亓不變，所以圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力越大。猜測：向心力F1與旋轉(zhuǎn)角速度omega;成正比，即F1=k1m。

(2)接著讓學(xué)生體驗(yàn)向心力與物體質(zhì)量的關(guān)系：保持omega;、r不變，改變小球的質(zhì)量m，當(dāng)m越大時(shí)，感受到繩的拉力也越來越大。同上分析可知，物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力也越大。猜測：向心力F2與物體質(zhì)量m成正比，即F2=k2m

(3)學(xué)生體驗(yàn)向心力與旋轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系：保持omega;、m不變，改變小球的半徑r，當(dāng)r越大時(shí)，感受到繩的拉力同樣是越來越大，故做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力也越大。猜測：向心力F3與旋轉(zhuǎn)半徑r成正比，即F3=k3m。

初步猜測：向心力與旋轉(zhuǎn)角速度omega;成正比，與物體質(zhì)量m成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑r成正比，從而得出向心力F與m、r、omega;的可能關(guān)系為：F=kmromega;。

〔三〕實(shí)驗(yàn)探究

1.介紹自制向心力大小探究儀

電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)，使小球做圓周運(yùn)動(dòng)。小球質(zhì)量可通過更換質(zhì)量不同的小球來改變，旋轉(zhuǎn)半徑通過改變繩子的長度來調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速采用3∶1轉(zhuǎn)速控制器來調(diào)節(jié)。向心力大小通過連接在繩子上的力傳感器和數(shù)據(jù)顯示器直接測量和顯示。

2.分組實(shí)驗(yàn)

采用控制變量的方法，通過學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)來探究。

第一組：保持omega;、r不變，探究向心力F與質(zhì)量m的關(guān)系【1】。

第二組：保持m、omega;不變，探究向心力F與旋轉(zhuǎn)半徑r的關(guān)系。

第三組：保持m、r不變，探究向心力F與omega;的關(guān)系。

要求：將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表格中，并繪制相應(yīng)函數(shù)圖像〔F-m,F-r，F(xiàn)-omega;〕。

3.分析論證

引導(dǎo)學(xué)生通過計(jì)算法和圖像法來分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

F-m,F-r，F(xiàn)-omega;〔1〕分析數(shù)據(jù)與圖像：結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖像進(jìn)展分析。

〔2〕得出結(jié)論：F與成m、r正比，與omega;不成正比。

〔3〕由圖像再次猜測：F與omega;可能成二次關(guān)系。

〔4〕驗(yàn)證猜測：采用計(jì)算法，直接帶入數(shù)據(jù)計(jì)算出omega;2；用圖像法，檢驗(yàn)與omega;2的圖像是否是一條直線。

〔5〕再猜測：向心力F與m、r、omega;的關(guān)系為F=momega;2r。再驗(yàn)證：用計(jì)算法直接驗(yàn)證。

最后結(jié)論：向心力的表達(dá)式nu;=romega;為F=momega;2r。再根據(jù)還可得：Fmvr

〔四〕課堂小結(jié)

總結(jié)所學(xué)的主要知識(shí)：理解向心力的大小與質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)應(yīng)用向心力的表達(dá)式來解決問題。

總結(jié)所學(xué)的主要科學(xué)方法：探究物理規(guī)律過程中的科學(xué)猜測和控制變量的研究方法；用圖像法和計(jì)算法分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。

〔五〕課后考慮

〔1〕兩個(gè)公式Fmvr和F=momega;2r表征的向心力與半徑之間關(guān)系的"矛盾";。

〔2〕結(jié)合本節(jié)課所學(xué)習(xí)的知識(shí)，分析"汽車過彎道";"人跑步過彎道";為什么要減速？

六設(shè)計(jì)意圖

先通過溫故知新，回憶舊知識(shí)，激發(fā)學(xué)生探求新知識(shí)的欲望；接著進(jìn)展初步猜測，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，感受向心力大小的變化，鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜測向心力大小的定量關(guān)系，充分表達(dá)以學(xué)生為主的教學(xué)理念，活潑學(xué)生的思維；再進(jìn)展實(shí)驗(yàn)探究，經(jīng)過小組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的理論才能和分工、協(xié)作精神，強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)精神；再由分析論證，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的方法和處理數(shù)據(jù)的才能，表達(dá)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢硭季S；最后通過課后考慮，聯(lián)絡(luò)生活，深化理解知識(shí)的本質(zhì)，真正的做到學(xué)以致用。

七教學(xué)反思

本設(shè)計(jì)中，主要突出兩個(gè)探究步驟：猜測與和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析。一方面引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，鼓勵(lì)他們初步猜測。另一方面通過采用控制變量法，用計(jì)算法和圖像法來獲得探究結(jié)