2024-2025學(xué)年高中物理第四章勻速圓周運(yùn)動第3節(jié)向心力的實(shí)例分析教案2魯科版必修2

PAGE6-向心力的實(shí)例分析一、教材分析本節(jié)內(nèi)容是魯科版中學(xué)必修2第四章《勻速圓周運(yùn)動》的第三節(jié)內(nèi)容，在此之前，學(xué)生已經(jīng)初步相識了勻速圓周運(yùn)動，會用線速度、角速度、周期、頻率描述勻速圓周運(yùn)動的快慢。而通過其次節(jié)向心力和向心加速度內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了向心力的大小與質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系。本節(jié)課立足于勻速圓周運(yùn)動基本規(guī)律上，結(jié)合實(shí)際生活中兩個實(shí)例：水平面的圓周運(yùn)動“火車轉(zhuǎn)彎”和豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動“汽車過拱橋”“水流星”等進(jìn)行分析，解決有關(guān)圓周運(yùn)動問題重要的是搞清晰向心力的來源，明確繩子和桿模型。二、學(xué)習(xí)目標(biāo)1．學(xué)問與技能（1）會在詳細(xì)問題中分析向心力的來源，明確向心力是按效果命名的力．（2）駕馭應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律解決勻速圓周運(yùn)動問題的一般方法，會處理水平面、豎直面的問題．（3）知道向心力，向心加速度的公式也適應(yīng)變速圓周運(yùn)動，理解如何運(yùn)用．2．過程與方法（1）通過列舉生活中圓周運(yùn)動的例子，總結(jié)出這些多樣的圓周運(yùn)動的共同特點(diǎn)，及都受到向心力的作用。（2）留意統(tǒng)一性和特殊性，留意一般方法和特殊方法，提高綜合分析的實(shí)力．3．情感看法與價值觀（1）通過對圓周運(yùn)動受力的分析，體會到任何事物的改變和運(yùn)動都能找到動力學(xué)緣由從而領(lǐng)悟到因果的制約與被制約關(guān)系。（2）通過實(shí)際演練，使學(xué)生在鞏固學(xué)問的同時，體會到物理就在我們身邊，領(lǐng)會到將理論應(yīng)用于實(shí)際解決問題而帶來的勝利的消遣．（3）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)愛好，培育學(xué)生關(guān)切四周事物的習(xí)慣．三、學(xué)習(xí)對象分析本節(jié)課是在學(xué)生已經(jīng)基本駕馭勻速圓周運(yùn)動規(guī)律和描述圓周運(yùn)動的基本物理量（線速度，角速度，向心力和向心加速度）以及有關(guān)公式推導(dǎo)與計(jì)算之后，支配的一節(jié)實(shí)例分析課。在課堂中采納視頻，多媒體，電腦動畫模擬等協(xié)助手段，幫助學(xué)生建立形象直觀的相識，降低難度。四、學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)1．學(xué)習(xí)重點(diǎn)（1）理解向心力是按效果命名的力．（2）會在詳細(xì)問題中分析向心力，綜合運(yùn)用牛頓定律分析解決問題．解決方法：多聯(lián)系實(shí)際，通過對生活實(shí)例的分析駕馭重點(diǎn)內(nèi)容2．學(xué)習(xí)難點(diǎn)：實(shí)際問題中向心力的來源的分析解決方法：通過對實(shí)例的分析，結(jié)合課件和實(shí)物演示，從力的作用效果上去找尋向心力五、教具打算視頻展示F1賽車的出事畫面;課件展示在平直軌道上勻速行駛的火車；圖片展示火車車輪有凸出的輪緣結(jié)構(gòu)；錄像資料展示實(shí)際轉(zhuǎn)彎處的情形（外軌略高于內(nèi)軌）；視頻展示汽車過凸形拱橋的物理情景；視頻展示“水流星”“過山車”多媒體設(shè)備。課時支配：1課時七、教學(xué)過程設(shè)計(jì)一、復(fù)習(xí)提問，為學(xué)習(xí)新課做打算勻速圓周運(yùn)動的物體受到向心力．向心力是怎樣產(chǎn)生的？向心力是由物體實(shí)際受到的一個力或幾個力的合力供應(yīng)的；向心力是按作用效果命名的力．特殊強(qiáng)調(diào)：分析和解決勻速圓周運(yùn)動的問題，關(guān)鍵是要把向心力的來源搞清晰。向心力是按效果命名的力，并不是一種新性質(zhì)的力，受力分析時絕不能額外加上一個向心力。下面，我們從分析向心力角度進(jìn)一步探討幾個實(shí)例：二、引入新課：通過視頻展示F1賽車的出事畫面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的愛好，同時引入本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。是什么緣由使這些車出事的，出事的地點(diǎn)又多是在哪里？三、新課教學(xué)（一）水平面的圓周運(yùn)動1、汽車在水平路面上轉(zhuǎn)彎老師提問：汽車受到幾個力的作用，這幾個力間的關(guān)系如何？學(xué)生視察汽車運(yùn)動狀況，畫出受力示意圖，并探討回答：提出問題并引導(dǎo)學(xué)生探討：汽車在水平路面轉(zhuǎn)彎時，有向外側(cè)打滑的趨勢，地面就會對汽車產(chǎn)生指向內(nèi)側(cè)的靜摩擦力彎道半徑肯定時，轉(zhuǎn)彎時速度確定于靜摩擦力大小，而靜摩擦力的最大值制約了速度大小。假如速度超過了肯定限度，車輛就向外打滑例題：某游樂場的賽道為圓形，半徑為100m，賽車和選手的總質(zhì)量為100kg，車輪與地面間的最大靜摩擦力為600N，則賽車轉(zhuǎn)彎時的速度最大為多少？2、汽車在傾斜的路面(如高速馬路或賽車道)上轉(zhuǎn)彎向心力由傾斜路面對汽車的支持力和重力的合力供應(yīng)3、火車轉(zhuǎn)彎時所需的向心力是如何產(chǎn)生的？引導(dǎo)學(xué)生探討：分兩種狀況探討：內(nèi)外軌一樣高；外軌比內(nèi)軌高．內(nèi)外軌一樣高視頻展示在平直軌道上勻速行駛的火車；圖片展示火車車輪有凸出的輪緣結(jié)構(gòu)；當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎時，火車做曲線運(yùn)動，所受合外力不為零，合外力供應(yīng)火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力；由受力分析得：此時供應(yīng)火車轉(zhuǎn)彎時所需向心力的是鐵軌外緣和輪緣相互擠壓產(chǎn)生的彈力。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思索：擠壓的結(jié)果會如何？學(xué)生探討:由于火車質(zhì)量很大，行駛的速度很高，故所需向心力通常很大，這樣，導(dǎo)致鐵軌外緣和輪緣間的相互作用力很大，簡單造成鐵軌和輪緣的損壞，甚至導(dǎo)致嚴(yán)峻的后果。老師總結(jié)：由于平面轉(zhuǎn)彎軌道鐵軌和輪緣簡單損壞，因此實(shí)際應(yīng)用中多采納下面的彎道，其外軌略高于內(nèi)軌。（2）外軌高于內(nèi)軌當(dāng)外軌比內(nèi)軌高時，鐵軌對火車的支持力不再是豎直向上，和重力的合力可以供應(yīng)向心力，可以減輕軌和輪緣的擠壓．最佳狀況是向心力恰好由支持力和重力的合力供應(yīng)，鐵軌的內(nèi)、外軌均不受到側(cè)向擠壓的力．定量分析火車轉(zhuǎn)彎的最佳狀況．①受力分析：如圖所示火車受到的支持力和重力的合力的水平指向圓心，成為使火車拐彎的向心力．②動力學(xué)方程：依據(jù)牛頓其次定律得mgtanθ＝mv02/r其中r是轉(zhuǎn)彎處軌道的半徑，是使內(nèi)外軌均不受力的最佳速度．③分析結(jié)論：解上述方程可知v02＝rgtanθ可見，最佳狀況是由v0、r、θ共同確定的．學(xué)生探討提問，當(dāng)火車實(shí)際速度為v時，可有三種可能，當(dāng)v＝v0時，內(nèi)外軌均不受側(cè)向擠壓的力；當(dāng)v＞v0時，外軌受到側(cè)向擠壓的力（這時向心力增大，外軌供應(yīng)一部分力）；當(dāng)v＜v0時，外軌受到側(cè)向擠壓的力（這時向心力削減，內(nèi)軌供應(yīng)一部分力）．4、還有哪些實(shí)例和這一模型相同？自行車轉(zhuǎn)彎，摩托車轉(zhuǎn)彎，飛機(jī)轉(zhuǎn)彎等等．老師總結(jié)：我們探討的火車轉(zhuǎn)彎問題，實(shí)質(zhì)是物體在水平面的勻速圓周運(yùn)動，從力的角度看其特點(diǎn)是；合外力的方向肯定在水平方向上，由于重力方向在豎直方向，因此物體除了重力外，至少再受到一個力，才有可能使物體產(chǎn)生在水平面勻速圓周運(yùn)動的向心力．（二）豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動1、汽車過拱橋視頻展示汽車過凸形拱橋的物理情景提問探討：（1）汽車靜止在橋頂與通過橋頂是否同種狀態(tài)？NGNG（2）汽車過拱橋橋頂?shù)南蛐牧θ绾萎a(chǎn)生？方向如何？汽車在橋頂受到重力和支持力，如圖所示，向心力由二者的合力供應(yīng)，方向豎直向下．①動力學(xué)方程：由牛頓其次定律得G－N＝mv2/r解得N＝G－mv2/r②汽車處于失重狀態(tài)汽車具有豎直向下的加速度，N＜mg，對橋的壓力小于重力．這也是為什么橋一般做成拱形的緣由．③汽車在橋頂運(yùn)動的最大速度為依據(jù)動力學(xué)方程可知，當(dāng)汽車行駛速度越大，汽車和橋面的壓力越小，當(dāng)汽車的速度為時，壓力為零，這是汽車保持在橋頂運(yùn)動的最大速度，超過這個速度，汽車將飛出橋頂．思索與探討：依據(jù)上面分析汽車通過凸形橋的思路，分析一下汽車通過凹形橋最低點(diǎn)時對橋的壓力。這時的壓力比汽車的重量大還是?。烤毩?xí)：書P80/42、探究情景:視頻展示水流星雜技節(jié)目水流星：一根細(xì)繩系著盛水的杯子，演員掄起繩子，杯子就做圓周運(yùn)動，甚至運(yùn)動到豎直面內(nèi)的最高點(diǎn)，已經(jīng)杯口朝下，水也不會從里灑出來。試通過分析，說明水為什么不會灑出來？要想保證這一節(jié)目勝利不讓水灑出來必需滿意什么條件？水流星總結(jié)：（沒有支承物的物體在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動）游樂園里的過山車用的又是什么原理呢？探究情景:視頻展示過山車說明：在豎直面內(nèi)、沒有支承物的物體在豎直面內(nèi)做完整圓周運(yùn)動的條件3、有支承物的物體在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動過最高點(diǎn)狀況：桿模型：有物體支撐的小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動過最高點(diǎn)的狀況，如圖。臨界條件：由于桿（或管壁的支撐作用）小球恰好到達(dá)最高點(diǎn)的臨界速度Vs=0。四：練習(xí)：一、在水平面上轉(zhuǎn)彎和汽車，向心力是（）1、水平面對汽車的靜摩擦力2、水平面對汽車的滑動摩擦力3、汽車受到的重力和水平面對汽車支持力的合力4、汽車受到的重力、水平面對汽車支持力和汽車牽引力的合力二、汽車駛過凸形拱橋頂點(diǎn)時對橋的壓力為F1，汽車靜止在橋頂時對橋的壓力為F2，那么F1和F2比較（）F1>F22、F1=F23、F1<F24、都有可能三、如圖所示，用細(xì)繩拴著質(zhì)量為m的物體，在豎