生活中的向心力教学设计

一、教材分析

    本节是圆周运动的综合应用课。教材中的每个例子的选择各有特点，具有代表性：火车的转弯用来分析水平面上的匀速圆周运动；拱形桥和凹形桥用来分析竖直面上的非匀速圆周运动。

教材对向心力的分析比较仔细，目的在于通过具体实例的分析，使学生加深对向心力的理解，正确认识向心力的来源，纠正错误的认识。

教材对几个圆周运动实例的分析，体现着用牛顿第二定律分析向心力及圆周运动的力学问题的基本思路和方法，即先分析物体所受的力，找出向心力，然后根据牛顿第二定律列方程、解方程。这时牛顿第二定律反映的是向心力和向心加速度的关系。本节主要讲解水平面的圆周运动和竖直面的圆周运动。并在原有教材的基础上进行了适当扩展。

二、学情分析

在学习本节内容之前，学生已经学习了描述圆周运动的运动学物理量（如线速度、角速度、向心加速度等）和向心力等力学知识，已经掌握了学习本节课必备的物理基础知识。

圆周运动虽然是日常生活中的常见现象，但学生对此并没有深刻的了解，对圆周运动的认识感性的认识多，理性的认识少，不知道如何准确地、全面地分析这一运动现象。大多数学生对向心力的理解还不够透彻、准确，常常误认为向心力是一种特殊的力，是做圆周运动的物体另外受到的一个力。

学生虽然已经能够熟练地应用牛顿第二定律分析直线运动问题，但应用牛顿第二定律分析圆周运动还是第一次，比较陌生，不习惯，不适应。另外，高一阶段的学生，其思维习惯中形象思维占的比例还比较大，逻辑思维的能力有待进一步的开发和提高，对于物理学科特定的研究方法和分析方法有了一定的了解，但还不是非常的熟练，有待进一步地提高。

三、教学目标

（一）知识与技能

    1．知道如果一个力或几个力的合力的效果是使物体产生向心加速度，它就是圆周运动的物体所受的向心力。会在具体问题中分析向心力的来源。

    2．能理解运用匀速圆周运动的规律分析和处理生产和生活中的具体实例。

    3．知道向心力和向心加速度的公式也适用于圆周运动，会求圆周运动中物体在特殊点的向心力和向心加速度。

（二）过程与方法

    1．通过对匀速圆周运动的实例分析，渗透理论联系实际的观点，提高学生分析和解决问题的能力。

    2．通过对生活现象的实例分析，提高学生综合应用知识解决问题的能力。

（三）情感、态度与价值观

    1．通过对几个实例的分析，使学生明确具体问题必须具体分析，理解物理与生活的联系，学会用合理、科学的方法处理问题。

    2．养成良好的思维表述习惯和科学的价值观。

四、教学重难点 

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

    1．具体问题中向心力的来源。

    2．对生活中常见的圆周运动模型的分析与处理。

教学方法：探究、讲授、讨论、练习

教具准备：纸飞机、“水流星”、小球、绳子、多媒体课件

五、教学活动

[新课导入]

    [复习提问]

     师：1.描述匀速圆周运动快慢的各个物理量及其相互关系。 

2.向心力的求解公式有哪几个？方向如何？

3.如何求解向心加速度？方向如何？

    前面我们从不同的角度学习了圆周运动有关基本知识和基本规律．而学以致用是学习的最终目的，本节课《生活中的圆周运动》将通过几个具体实例的探讨来深入理解相关知识点并学会应用。

出示本节课学习目标

1．水平面内的匀速圆周运动（转弯问题）

2．竖直平面内的非匀速圆周运动（拱形桥、凹形桥、过山车及同类例子，仅限最高点和最低点）

[新课教学]

一、模型1——水平模型（水平面内的圆周运动）

实例1——汽车转弯问题

创设情境：

说起生活中的圆周运动，我们经常见到且比较熟悉的应该就是汽车转弯问题了，下面我们就来一起学习一下汽车转弯的问题，首先我们一起来感受一下汽车快速转弯时的紧张氛围。

让学生观看影片《赛车事故》（3分钟）。（注意观察：赛车易发事故在什么地方？）

点拨：学生回答后总结——水平弯道

师：观看完视频后请同学们用物理学的方法来分析一下，汽车怎样才能安全转弯？（提示：先进行受力分析，对受力分析过程教师要通过幻灯短片问题前先引导，然后分析由谁来提供向心力，最后应用牛顿第二定律列出动力学方程，分析供求关系。）

师：汽车匀速直线行驶受到的力有哪些？平直路面上的汽车转弯沿转弯半径指向圆心的向心力由有谁提供？

练习：汽车质量为m以速度v在半径为R弯道转弯需要多大的样的向力？（由学生在黑板上书写方程）

让学生思考：汽车能安全转弯的要求是什么？在不改变汽车行驶速度的情况下，要让汽车安全转弯，我们可以怎么办？

刚才我们根据摩擦力提供向心力分析了汽车转弯的安全问题，赛车时有没有办法让其他力来提供向心力呢？（停顿一段时间后展示赛车跑道图片）（引导学生用物理知识分析）为什么让路面倾斜可以增加转弯的安全性。

    实例2——火车转弯

    师：(多媒体课件)让学生观察火车车轮的结构，并向学生展示模型。火车在水平面转弯时，向心力不能由静摩擦力提供，那有谁提供呢?只能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：火车的质量很大，行驶的速度很大，如此长时间后，对轨道和列车有什么影响？如何改进才能够使轨道和轮缘不容易损坏呢？

    火车转弯时候的图片，提醒学生观察轨道的情况。

    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．

    师：(设疑引申)思考：火车以多大速度过弯最理想呢？为了解决这一实际问题，结合赛车跑道的知识提出可行的解决方案．

    让学生通过思考得出解决方案，让外轨比内轨略高。学生分组活动，讨论一下火车在倾斜轨道上的受力，找出其所提供向心力和所需向心力的关系。让学生在黑板上板书的受力图，进行定性分析。（在此处调动学生的积极性）

回答:当火车提速后，如何对旧的铁路弯道进行改造？内外轨的高度差h如何确定？

拓展水平面内的圆周运动——圆锥摆、磁悬浮列车转弯和飞机转弯，简单讲解磁悬浮列车的原理及水平面转弯的原理。（通过调整两个轨道与车的磁力大小使火车倾斜，通过磁力的水平分力提供向心力。拿出折叠纸飞机，并观察纸飞机转弯时机翼的变化。讲解飞机水平转弯时要通过机翼倾斜时收到的不同空气作用力的水平分力提供向心力。

二、模型2——竖直模型（竖直面内的圆周运动）

   师：(多媒体课件)通过观察生活见到的大部分的拱形桥，提出问题：为什么我们所见到桥的外形大部分都是拱起的？这样的设计跟向心力又有怎么样的关系呢？（以质量为m的汽车在拱形桥上以速度V行驶，桥面的圆弧半径为R,画受力分析图，分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力）。在最高点，对汽车进行受力分析，确定向心力的来源；由牛顿第二定律列出方程求出汽车受到的支持力：由牛顿第三定律求出桥面受到的压力．F’N=mg—mv²/r    可见，汽车对桥的压力F’N小于汽车的重力G，并且压力随汽车速度的增大而减小．

    让同学们进一步考虑当汽车对桥的压力刚好减为零时，汽车的速度有多大．当汽车的速度大于这个速度时，会发生什么现象?（把F’N=0代人上式可得，此时汽车的速度为，当汽车的速度大于这个速度时，就会发生汽车飞出去的现象．这种现象我们在电影里看到过）

    师：接着发挥我们的想象力，地球可以看作一个巨大的拱型桥，其半径就是地球半径R（R=6400km），汽车在地球上行驶其向心力谁提供？要多大？（通过教师引导，求出第一宇宙速度。）

    这种情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中．以后我们会一起深入探究这个问题。

   接着我们研究汽车通过凹形桥时的情形。在生活中我们很少见到凹形桥，在哪种情形下会有凹形桥？多媒体课件展示。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？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。

    拓展竖直面内的圆周运动——水流星模型和过山车

展示水流星模型在竖直面的运动，分析水最高点处的受力，说明为什么运动在最高点时不会掉下来。让学生类比分析过山车在最高点处为什么不会掉下来。

    [课堂训练]见预习提纲

[小结]

一、向心力的“供需”

二、处理匀速圆周运动问题的一般步骤：

（1）明确对象，找出圆周平面，确定圆心和半径

（2）进行受力分析，画出受力分析图

（3）求出在半径方向的合力，即向心力

（4）用牛顿第二定律，结合匀速圆周运的特点列方程求解。

三、实例分析：汽车（火车）转弯、汽车过拱桥、杂技“水流星”、游乐场“过山车”……

 [布置作业]

完成P37题目4、5，选做P43题目9。