【教案】生活中的圓周運動（火車轉(zhuǎn)彎問題）教學設計高一下學期物理人教版（2019）必修第二冊

生活中的圓周運動——火車轉(zhuǎn)彎問題教學設計教學目標：1.加深對向心力的認識，會在實際問題中找到向心力的來源；培養(yǎng)學生利用圓周運動的知識分析解決生活中的實例的能力。教學重難點：火車在圓周運動中圓心位置和向心力的來源的確定。教學過程：首先對向心力知識的回顧，物體做穩(wěn)定圓周運動的條件，構(gòu)建供需相等的思想。引導學生利用所學知識分析生活中的實例—火車轉(zhuǎn)彎問題。了解火車車輪的結(jié)構(gòu)，火車的車輪有凸出的輪緣，將火車的車輪和鐵軌簡化為圖1所示的結(jié)構(gòu)，以向右轉(zhuǎn)為例，當火車有向里運動的趨勢時，內(nèi)鐵軌擋住內(nèi)輪緣，當火車有向外運動的趨勢時，外鐵軌擋住外輪緣，所以火車會始終沿鐵軌前進，起到了限定方向的作用。圖2FGN內(nèi)鐵軌外鐵軌圖2FGN內(nèi)鐵軌外鐵軌圖1圖1分析內(nèi)外鐵軌在同一水平面時的火車轉(zhuǎn)彎問題，如圖2所示。如果火車轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外軌無高度差，火車行駛到此處時，由于火車慣性的緣故，會造成外軌內(nèi)側(cè)與火車外輪的輪緣相互擠壓現(xiàn)象，使火車受到外軌內(nèi)側(cè)的側(cè)壓力作用，迫使火車轉(zhuǎn)彎做圓周運動。根據(jù)牛頓第二定律F=mv2R可知，火車質(zhì)量很大，外軌對輪緣的側(cè)壓力很大，這個側(cè)壓力的反作用力，作用在外軌上會對外軌產(chǎn)生極大的破壞作用，甚至會引起外軌變形，造成翻車事故。這顯然不是一種最佳的設計方案，為了解決這個問題，設計師將鐵軌設計為內(nèi)高外低分析鐵軌內(nèi)高外低的情況下是什么力來提供火車轉(zhuǎn)彎所需要的向心力，如圖3所示。圖3圖4圖3圖4重力和支持力的合力指向圓心可以提供向心力，設鐵軌平面與水平面的傾角為ɑ，可以求出合力，根據(jù)牛頓第二定律，求出火車此時的轉(zhuǎn)彎速度為，如果火車以這個速度轉(zhuǎn)彎向心力只需由重力和支持力的合力來提供，這就大大減少了火車輪緣與鐵軌間的擠壓，因此把這個速度叫做最佳轉(zhuǎn)彎速度。因鐵軌平面與水平面的傾角ɑ是很小的，=hd，可以求出內(nèi)外鐵軌間的高度差。設想在實際生活中，火車轉(zhuǎn)彎時的速度或又會是什么情況呢？討論：①當時，供<需，火車有向外甩的趨勢，外鐵軌對外輪緣產(chǎn)生一個向里的彈力，這個彈力與支持力在水平方向的分力共同提供向心力，如圖5所示。②當時，供>需，火車有向里運動的趨勢，內(nèi)鐵軌對內(nèi)輪緣產(chǎn)生一個向外的彈力，這個彈力與支持力在水平方向的分力抵消一部分后提供向心力，如圖6所示。圖6圖5圖6圖5由以上分析可知，傾斜的路面為火車轉(zhuǎn)彎提供了條件，與此類似，盤旋的飛鳥或者飛機也是靠傾斜來獲得向心力的。鳥兒轉(zhuǎn)彎時翼面傾斜，受到垂直翼面的升力和豎直向下的重力，這兩個力的合力指向圓心提供向心力，如圖7所示。今天學習了