6.2向心力教學(xué)設(shè)計(jì)高一下學(xué)期物理人教版

向心力——教學(xué)設(shè)計(jì)一、教材分析（一）課標(biāo)要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究并了解勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系。內(nèi)容分析向心力是高中物理新教材必修2第六章第二節(jié)的內(nèi)容，教材以空中飛椅、細(xì)線(xiàn)連接的小球在光滑桌面上的圓周運(yùn)動(dòng)、地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為例，讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)象背后的規(guī)律展開(kāi)思考，引出物體作圓周運(yùn)動(dòng)受力規(guī)律的研究，分析向心力的概念及其來(lái)源，然后分別定性分析、定量探究向心力的大小，最后分析一般曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和變速圓周運(yùn)動(dòng)中的向心力。本節(jié)課是從動(dòng)力學(xué)的角度研究勻速圓周運(yùn)動(dòng)的，這部分知識(shí)是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)好這部分知識(shí)，可以為后面的天體運(yùn)動(dòng)和帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)打好基礎(chǔ)。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“向心力不是一個(gè)新的性質(zhì)力，而是一個(gè)效果力”，也即讓學(xué)生初步學(xué)會(huì)分析向心力的來(lái)源與大小。學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，能從動(dòng)力學(xué)的角度分析直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的拋體運(yùn)動(dòng)。但對(duì)于另一種特殊的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)：圓周運(yùn)動(dòng)，學(xué)生剛學(xué)習(xí)了如何從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度去描述它，對(duì)于做圓周運(yùn)動(dòng)的物體的受力特征沒(méi)有接觸，需要通過(guò)大量的圓周運(yùn)動(dòng)情景和實(shí)驗(yàn)分析，讓學(xué)生深刻理解圓周運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析正是本節(jié)課乃至本章教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。核心素養(yǎng)目標(biāo)（一）知識(shí)目標(biāo)：理解向心力的概念，知道它是根據(jù)力的作用效果命名的。（二）能力目標(biāo)：通過(guò)體驗(yàn)向心力的存在及大小，會(huì)分析向心力的來(lái)源；實(shí)驗(yàn)探究向心力大小的表達(dá)式，掌握表達(dá)式并能用來(lái)進(jìn)行計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生利用已有知識(shí)解決新問(wèn)題、實(shí)際問(wèn)題的能力。（三）素養(yǎng)目標(biāo)：1.物理觀念：通過(guò)學(xué)習(xí)向心力知識(shí)，能從物理學(xué)視角形成運(yùn)動(dòng)與相互作用認(rèn)識(shí)和觀念；能從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題。2.科學(xué)思維：能從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)圓周運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律；能基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行抽象概括，建構(gòu)圓周運(yùn)動(dòng)物理模型。3.科學(xué)探究：通過(guò)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)及探究向心力的存在和大小，培養(yǎng)基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出問(wèn)題、能利用已有知識(shí)解決新問(wèn)題及實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：在認(rèn)識(shí)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，端正嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度。（四）德育目標(biāo)：讓學(xué)生主動(dòng)細(xì)心觀察，注意關(guān)注身邊的物理現(xiàn)象，積極參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，感受到科學(xué)研究問(wèn)題源于生活實(shí)踐獲得的結(jié)論，服務(wù)于生活實(shí)踐體會(huì)，學(xué)以致用的感受。教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)向心力概念及表達(dá)式的得出教學(xué)難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)探究向心力大小的表達(dá)式課時(shí)安排采用教師引導(dǎo)，師生合作，生生合作，實(shí)驗(yàn)＋視頻播放＋實(shí)例分析的啟發(fā)式、互動(dòng)式、問(wèn)題式等教學(xué)方式，降低學(xué)習(xí)難度，增強(qiáng)課堂教學(xué)的針對(duì)性、實(shí)效性、新穎性。本節(jié)課課時(shí)安排1課時(shí)。教學(xué)過(guò)程（一）導(dǎo)入新課1.播放視頻：擺盤(pán)達(dá)人（20s左右暫停）。（真人真實(shí)視頻，學(xué)生在一定程度上感同身受，吸引學(xué)生注意，激起學(xué)生求知欲望。）提出問(wèn)題：碗碟沒(méi)掉下來(lái)之前做什么運(yùn)動(dòng)？（圓周）它們一起在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到了哪些力？合力的方向有什么特點(diǎn)？這就是我們今天這節(jié)課要解決的問(wèn)題——《向心力》。（借助生活中常見(jiàn)現(xiàn)象分析，提出問(wèn)題，引出本節(jié)課題：向心力，從力學(xué)的角度進(jìn)一步學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)）（二）新課教學(xué)1.向心力【實(shí)驗(yàn)演示】我們先來(lái)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，大家能夠在白板上看到實(shí)驗(yàn)裝置。投屏到白板上（以俯視的角度拍攝小球的運(yùn)動(dòng)）：水平木板中央固定了一顆釘子，通過(guò)細(xì)線(xiàn)連接一個(gè)小球?，F(xiàn)給小球一個(gè)初速度，觀察小球的運(yùn)動(dòng)。我們看到，小球繞釘子做——圓周運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)象：因?yàn)槟景宕植?，小球最終會(huì)停下來(lái)；如果木板光滑，小球?qū)?huì)一直運(yùn)動(dòng)下去，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。我們就來(lái)分析這個(gè)水平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。提問(wèn)：小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從正視圖分析，小球運(yùn)動(dòng)經(jīng)a、b、c三點(diǎn)時(shí)受到哪些力的作用？（學(xué)生個(gè)別回答：重力、支持力、繩中拉力作用）小球在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所以豎直方向重力與支持力平衡，繩中拉力即為小球的合力，指向軌跡圓心。那么小球在b點(diǎn)的受力呢？——重力與支持力平衡，水平方向受到指向圓心的拉力。做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的小球在任何位置總是受到指向圓心的拉力的作用。向心力概念：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的指向圓心的力。（實(shí)例分析，得出向心力的概念。）2、向心力的特點(diǎn)【問(wèn)題1】上述情形中，小球是否受到重力、支持力、拉力以及向心力四個(gè)力作用呢？（學(xué)生思考分析，單獨(dú)回答）分析：（1）小球只受重力、支持力、拉力作用，拉力就是小球受到的向心力。我們以前學(xué)習(xí)的重力、彈力、摩擦力等是根據(jù)力的性質(zhì)命名的，而向心力是根據(jù)力的作用效果命名的。對(duì)于不同的圓周運(yùn)動(dòng)，向心力的來(lái)源是不一樣的，它可以像這個(gè)小球一樣由拉力或者由物體受到的某個(gè)力提供，也可以由物體受到的合力提供，還可以由物體所受合力在與速度垂直的方向上的分力提供，即（2）各種性質(zhì)的力都可以提供向心力，向心力是根據(jù)力的作用效果來(lái)命名的；提問(wèn)：那么向心力對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生怎樣的作用呢？我們來(lái)看俯視圖，從向心力和速度方向的關(guān)系來(lái)分析向心力的作用：小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，拉力就是向心力，始終指向圓心，與小球速度垂直，不同位置，向心力總與速度垂直，說(shuō)明向心力能不能改變速度大??？（學(xué)生集體回答——不能）（3）向心力只能改變物體的速度方向，它是一個(gè)用于改變物體速度方向的效果力。我們回到小球的圓周運(yùn)動(dòng)，小球在光滑水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由拉力提供向心力，拉力同時(shí)也是小球受到的合力。這個(gè)事實(shí)同時(shí)表明：（4）做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，靠合力提供向心力。（從不同角度深入分析向心力的含義及效果，加深學(xué)生對(duì)向心力概念的理解，并從實(shí)例分析得出做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，靠合力提供向心力。）【實(shí)例分析】比如：①前面視頻中碗碟隨水平圓盤(pán)一起繞豎直中心軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，碗碟做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由什么力提供？（學(xué)生思考分析，單獨(dú)回答）分析：碗碟受重力、支持力，重力與支持力平衡，只能由圓盤(pán)對(duì)碗碟的摩擦力提供向心力，什么摩擦力？——靜摩擦力，碗碟隨圓盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。所以碗碟受靜摩擦力始終指向圓心，這也是碗碟物體所受到的合力，提供碗碟做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。②【教師演示】用細(xì)繩系一小球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由什么力提？（學(xué)生思考分析，單獨(dú)回答）③【教師演示】用一個(gè)透明塑料杯子，讓小球貼內(nèi)壁做勻速圓周運(yùn)動(dòng)小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力由什么力提？（學(xué)生思考分析，單獨(dú)回答）④【動(dòng)圖展示】衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，什么力提供向心力？（學(xué)生思考分析，單獨(dú)回答）3.向心力的大小【問(wèn)題】力是矢量，即有大小又有方向。向心力的方向始終指向圓心，那么物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力大小如何表示？可能與哪些因素有關(guān)呢？【探究】感受向心力大小，探究影響向心力大小的因素。我們可以利用連接細(xì)線(xiàn)的沙袋像這樣在水平面的圓周運(yùn)動(dòng)，感受向心力大小。（教師操作：頭頂甩沙包）【問(wèn)題2】如果沙袋運(yùn)動(dòng)得足夠快，沙袋受到繩子的拉力可能水平嗎？（給出思考時(shí)間，個(gè)別回答）（答可以，則老師引領(lǐng)分析；答不可以，則學(xué)生分析）分析：是否可能，從沙袋受力來(lái)看，沙袋受到重力和拉力作用，拉力在豎直方向上的分力要平衡重力，所以細(xì)線(xiàn)不可能水平。由于重力不變，拉力在豎直方向的分量不變，拉力的水平方向分力提供向心力，當(dāng)向心力大小改變，拉力大小也就發(fā)生了變化，所以我們可以通過(guò)感受線(xiàn)中拉力變化來(lái)感受向心力大小。小組探究:（補(bǔ)充：1、教室空間有限，只是一部分學(xué)生桌面上準(zhǔn)備了一大一小兩個(gè)沙袋；2、細(xì)線(xiàn)上有打結(jié)，手指扣住結(jié)點(diǎn)位置在頭上水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)沙袋；3、轉(zhuǎn)動(dòng)沙袋時(shí)注意細(xì)線(xiàn)不要脫手，注意不要碰到周?chē)瑢W(xué)）：操作①小沙袋，扣住較遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)處，沙袋做圓周運(yùn)動(dòng)快慢不同時(shí)，感受向心力大小。（老師喊開(kāi)始，師生一起感受：先比較慢，再使沙袋快速轉(zhuǎn)動(dòng)。）（單獨(dú)提問(wèn)，學(xué)生回答）——沙袋轉(zhuǎn)動(dòng)速度越大，向心力越大.②小沙袋，扣住細(xì)線(xiàn)上較近結(jié)點(diǎn)，以和第一次相同快慢程度讓沙袋做小半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，感受向心力大小。（老師喊開(kāi)始，師生一起感受。）（單獨(dú)提問(wèn)，學(xué)生回答）——圓周半徑越大，向心力越大.③拿起大沙袋，扣住細(xì)線(xiàn)上較長(zhǎng)結(jié)點(diǎn)處，以和第一次相同的快慢程度轉(zhuǎn)動(dòng)沙袋，感受向心力大小。（老師喊開(kāi)始，師生一起感受。）（單獨(dú)提問(wèn)，學(xué)生回答）——沙袋質(zhì)量越大，向心力越大.所以向心力大小與物體質(zhì)量、軌道半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)快慢三個(gè)因素有關(guān)，是越大、越大的關(guān)系。（通過(guò)學(xué)生活動(dòng)，定性探究向心力大小與哪些因素有關(guān)）【問(wèn)題】向心力與這三個(gè)因素有什么定量關(guān)系？（通過(guò)可以定量分析的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究）【實(shí)驗(yàn)】探究向心力大小的表達(dá)式探究向心力大小的表達(dá)式，即探究向心力大小與物體質(zhì)量、軌道半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)快慢之間的定量關(guān)系。提問(wèn)學(xué)生：尋找某物理量和多個(gè)變量的定量關(guān)系，一般什么實(shí)驗(yàn)方法？實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法；所用到的實(shí)驗(yàn)儀器是：向心力演示器（實(shí)物）①底座上左右有兩組變速塔輪，通過(guò)皮帶連接，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，兩塔輪在皮帶作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，邊沿線(xiàn)速度相同；②塔輪上分別固定長(zhǎng)槽和短槽，槽邊沿的刻度，顯示需要的塔輪半徑；③槽通過(guò)橫臂連接彈簧測(cè)力套筒，當(dāng)橫臂下的擋板受到壓力時(shí)（同時(shí)操作：兩只手壓左右兩邊擋板），通過(guò)橫臂壓下套筒，露出里面的標(biāo)尺，標(biāo)尺上露出的紅白相間的等分格子，顯示擋板受到的壓力大小關(guān)系；④把金屬小球放置在擋板前，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，小球隨塔輪做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接橫臂的擋板對(duì)小球的作用力提供向心力，球?qū)醢宓姆醋饔昧νㄟ^(guò)標(biāo)尺分析，所以標(biāo)尺露出的格子數(shù)，就表示小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小關(guān)系。實(shí)驗(yàn)操作：（1）取兩小球，左邊小球質(zhì)量是右邊的兩倍，把兩小球放在槽上等半徑的地方，皮帶連接的塔輪半徑相同，因?yàn)槠鲃?dòng)邊沿線(xiàn)速度相等，半徑相同則轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相同，所以這種情況下，小球運(yùn)動(dòng)半徑、角速度相等，質(zhì)量為2倍關(guān)系，我們觀察向心力大小關(guān)系：（操作，得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（向心力滿(mǎn)足二倍關(guān)系），分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論：質(zhì)量是兩倍，向心力也是兩倍，所以向心力與物體的質(zhì)量成正比）；（2）取等質(zhì)量的兩個(gè)小球，放在槽上半徑不同的位置，左邊半徑是右邊半徑的兩倍，即質(zhì)量、角速度相等，半徑是2倍關(guān)系，觀察向心力大小關(guān)系：（操作，得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（向心力滿(mǎn)足二倍關(guān)系），分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論：半徑是兩倍，向心力也是兩倍，所以向心力與半徑成正比）；（3）兩小球質(zhì)量一樣，放在半徑相同的位置，改變皮帶位置，兩邊都下移一個(gè)塔輪，左邊塔輪半徑是右邊塔輪半徑的兩倍，皮帶傳動(dòng)，邊沿線(xiàn)速度相同，由v=rw知左邊轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是右邊的二分之一，也就是右邊角速度是左邊的兩倍，即質(zhì)量、小球運(yùn)動(dòng)半徑相等，右邊角速度是2倍，我們觀察向心力的關(guān)系：（操作，得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（向心力滿(mǎn)足四倍關(guān)系），分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論：角速度是兩倍，向心力是四倍，所以向心力與角速度的平方成正比）。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，找到了向心力分別和物體質(zhì)量、半徑、角速度的定量關(guān)系。將利用控制變量得到的三個(gè)結(jié)論綜合在一起，就有：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：QUOTEFn∝mω2r寫(xiě)為等式，有一個(gè)比例系數(shù)k。即QUOTEFn=km?2r提問(wèn)：k的取值是怎樣的呢？分析：當(dāng)各個(gè)物理量的單位均取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位時(shí)，k=1，有QUOTEFn=m?2r提問(wèn)：描述圓周運(yùn)動(dòng)的快慢，除了角速度之外，還有線(xiàn)速度，能否用線(xiàn)速度表示向心力的大小？（學(xué)生分析、推算，一人上臺(tái)演算，得到結(jié)果）結(jié)果：QUOTEv=ωrv=ωr，有QUOTEFnFnQUOTE=mv2r=mv2r所以向心力大小表達(dá)式：QUOTEFn=m?2rFn=m?2rQUOTE分析：向心力公式可以用不同的物理量來(lái)表示，公式使用時(shí)，表達(dá)式的選擇取決于具體問(wèn)題中涉及的物理量。（以探究實(shí)驗(yàn)的形式尋找向心力的表達(dá)式，強(qiáng)調(diào)所用的控制變量法；分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，結(jié)合已學(xué)知識(shí)對(duì)向心力表達(dá)式進(jìn)行變形，并強(qiáng)調(diào)在解決問(wèn)題時(shí)的公式選擇。）【問(wèn)題解決】學(xué)以致用，我們來(lái)定量分析一下課堂開(kāi)始時(shí)的空中飛椅問(wèn)題：（三分鐘左右學(xué)生計(jì)算，一人上臺(tái)演算，教師和其他學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。）（要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)，能獨(dú)立對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力進(jìn)行定量計(jì)算。）（三）課堂小結(jié)好，我們本節(jié)課的學(xué)習(xí)就到這里，大家回顧一下，這節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了哪些知識(shí)呢？請(qǐng)一位同學(xué)起來(lái)總結(jié)。（學(xué)生單獨(dú)回答，老師可提示）1.向心力：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的指向圓心的力。2.向心力的特點(diǎn)（1）根據(jù)力的作用效果命名，各種性質(zhì)的力都可以提供向心力；（2）做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，靠合力提供向心力。3.向心力的大小：QUOTEFn=m?2rFn=m?2rQUOTE=mv2r=mv2rQUOTE=mωv【課后思考】做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，靠合力提供向心力；做變速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所需向心力還是由物體所受合力提供嗎？（留下疑問(wèn)，引發(fā)學(xué)生課后思考，下次課處理。）（四）鞏固新課【練習(xí)】關(guān)