圆周运动的单元教学设计
单元基本信息
学科 物理 学校 年级 高一
课程模块 必修二
使用教材版本 人教2019版
单元涵盖 章、节 第六章 圆周运动 1.圆周运动 2.向心力 3.向心加速度 4.生活中的圆周运动
课标要求 1.会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动。 2.知道匀速圆周运动向心加速度的大小和方向。 3.通过实验,探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系。 4.能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。 5.了解生产生活中的离心现象及其产生的原因。
一、单元学习主题分析
主题名称 圆周运动的动力学特征及应用
主题概述 在研究加速度恒定的曲线运动——平抛运动的基础上,进一步研究加速度变化的曲线运动——圆周运动,按着研究一般运动的方法结合圆周运动的特殊性引入描述圆周运动的物理量,通过探究活动知道向心力特点和来源,结合运动和力的关系得到加速度,从而完整描述了圆周运动的动力学特征。通过研究生活中的圆周运动的实例,学生感受知识来源于生活,回归指导实践,在解决实际问题中深化知识的内涵。同时为下一章“万有引力与宇宙航行”的学习打下知识、思想、方法、技能的基础。
学情分析 (针对单元) 学生对力和运动的关系的认知储备奠定了本单元的学习基础,对类比法、比值法、微元法、极限法等物理方法的掌握,为顺利过渡到对圆周运动的研究做好了铺垫。学生已经基本掌握描述直线运动的方法,对位移、速度、加速度的认知也比较全面,在必修二第五章对曲线运动也进行了学习,但是从加速度恒定的抛体运动过渡到加速度变化的圆周运动学生的认识还是需要有一个飞跃,对学生的思维能力提出了更高的要求,学生会遇到一些障碍。
教学辅助支持 多媒体课件、自行车、细线及小球、绳子与沙袋、向心力演示器、配套的flash动画、自制火车车轮与车轨模型、phyphox软件等。
二、单元学习目标设计
单元学习目标 1.通过对一般运动的回顾和对圆周运动特点的分析,会将实际生活情境中的复杂现象抽象成具体、简洁的圆周运动模型。知道能用线速度、角速度和周期等物理量来描述圆周运动,感受新知识的产生和发展脉络。能说出线速度、角速度、周期的含义,写出表达式。通过数学推导、特例分析得出并能写出线速度与角速度及二者与周期之间的关系式。 2.通过对不同情境中做圆周运动物体的受力分析,总结归纳出向心力的定义及其特征,能说出常见做匀速圆周运动物体的向心力的来源。通过亲身体验活动和实验探究得出向心力大小的决定因素,能写出向心力的表达式。增强提出问题、获取证据、进行解释和总结结论的科学探究能力,熟练运用控制变量法。 从运动特征和牛顿第二定律两方面分析圆周运动的向心加速度,能写出向心加速度的表达式和其对应线速度、角速度、周期的关系式,体会数学知识在物理中的作用和科学的严谨性。进一步加深对力与运动关系的认识。使用phyphos软件测向心加速度大小,体会科学、技术在物理学中的应用。 通过对做圆周运动物体的受力与运动关系的分析,发展学生运动与相互作用的物理观念,在得出和运用反映圆周运动规律的公式解决实际问题时,体会类比法、比值定义法、微元法、极限法、矢量运算法则等科学方法在物理研究中的应用。 5.通过对几个圆周运动实例的分析,强化和拓展圆周运动的动力学知识,提高分析和解决实际问题的能力,发展了模型构建、综合分析、归纳推理的科学思维。理解物理与生活、生产的联系,感受到物理知识有用、有趣,从而激发学习物理的内在动力。
三、单元学习评价
评价要素 1.知识生成过程和知识的掌握程度。 2.学生的学习态度(积极性、合作意识)。 3.科学方法的运用。
评价内容 1.五个概念的学习。(线速度、角速度、周期、向心加速度、向心力) 2.实验探究(向心力大小的的决定因素)。 3.公式的推导与运算。 4.圆周运动知识的综合运用
评价方法 课堂问答、书面评语、自我评价和同伴互评、阶段性测试
四、课时总数与课时分配
课时总数 7
第六章第一节 圆周运动 1课时
学业质量水平等级达成等级 物理观念水平1、水平2,科学态度与责任水平1、水平2
第六章第二节 向心力 1课时
学业质量水平等级达成等级 科学思维水平1、水平2,科学探究水平1、水平2、水平3,科学态度与责任水平1、水平2
第六章第三节 向心加速度 1课时
学业质量水平等级达成等级 科学思维水平1、水平2、水平3,科学态度与责任水平1、水平2
第六章第四节 生活中的圆周运动 2课时
学业质量水平等级达成等级 物理观念水平1、水平2、水平3、水平4,科学思维水平1、水平2、水平3、水平4,科学态度与责任水平1、水平2、水平3
小结、检测 巩固、深化、提升、评价 2课时
五、单元核心任务(活动)
任务(活动) 核心任务(活动)内容表述 作用与意义
任务/活动1 1.对一般运动、平抛运动的描述进行回顾。 2.通过视频观看摩天轮的运动。 3.观察自行车的大、小齿轮的运动快慢。 通过上述活动引导学生说出要描述圆周运动的快慢还可以从哪些角度出发。 此活动为引入新课所设计。从以前特别是上一单元内容引入,体现大单元教学思想,学生知道新知识的产生过程特别是思维过程,有利于对新知识的理解,通过生活中的圆周运动的实例引入,学生感受到物理与现实生活的联系,能激发学生学习本单元内容的兴趣。
任务/活动2 1.学生手握绳子让系在绳子另一端的沙袋在水平面内旋转,感受向心力,定性感知向心力的大小与哪些因素有关。 2.利用向心力演示器探究影响向心力大小的因素。 思路一:从F与m、r、v的关系角度研究。 思路二:从F与m、r、ω的关系角度研究。 学生的生活经验欠缺,实物感受有利于学生对知识生成的认识,有利于对知识的掌握,定性感受也为定量探究做出引领。 通过实验探究得出影响向心力大小的因素,不仅会使学生明晰向心力公式是怎么得出的,还能使学生对向心力公式记忆深刻。同时实验中教师引导学生提出问题,进行实验方案设计、器材选取、数据处理、发现物理规律、得出结论、分析改进等有利于提高学生的科学探究能力。
任务/活动3 1.对自制火车车轮与车轨模型进行观察。 2.观看火车转弯视频。 通过上述活动引导学生分析出火车转弯时向心力的可能来源,并能结合二、三节的知识计算出转弯的安全速度。 火车转弯是圆周运动知识在生活中的典型应用, 体现理论联系实际。动手自制火车车轮与车轨模型并进行观察,直观感受可弥补学生生活经验的欠缺,有利于学生对问题情景的理解和分析,提高解决问题的能力。
六、单元知识关系及教学流程
单元知识结构图
单元物理科学方法归纳
比值定义法、微元法、控制变量法、极限法、矢量运算法则、类比法 圆周运动模型。
单元知识演进及教学流程描述
圆周运动是继抛体运动之后学习的另一种物体在一个平面内的运动,而且这种曲线运动具有周期性特征。学生要通过观察、实验建立匀速圆周运动模型。通过任务(活动)1理解掌握角速度、线速度、周期等描述匀速圆周运动物理量的内涵和关系。通过任务(活动)2的探究和分析,知道向心力来源的及向心力的表达式,利用牛顿定律和数学推导得出向心加速度的表达式并能从动力学和运动学角度理解其意义。通过这些概念与规律的学习,深化对力与运动关系的认识。通过任务(活动)3将物理知识和实际生活的相联系,应用所学知识分析、解决生产、生活中的圆周运动问题,提高学生综合处理问题的能力。
七、单元作业设计
一、基础类作业 1.地球可以看作一个半径为 6.4×l03 km 的球体,北京的纬度约为北纬 40°。位于赤道和位于北京的物体,随地球自转做匀速圆周运动的角速度各是多大?线速度各是多大? 2.如图1所示,一个圆盘在水平面内匀速转动,角速度是 4 rad/s。盘面上距圆盘中心0.10m 的位置有一个质量为 0.10 kg 的小物体在随圆盘一起做匀速圆周运动。 (1)求小物体所受向心力的大小。 (2)关于小物体所受的向心力,甲、乙两人有不同意见:甲认为该向心力等于圆盘对小物体的静摩擦力,指向圆心;乙认为小物体有向前运动的趋势,静摩擦力方向和相对运动趋势方向相反,即向后,而不是和运动方向垂直, 因此向心力不可能由静摩擦力提供。你的意见是什么?说明理由。 图1 3.一部机器与电动机通过皮带连接,机器皮带轮的半径是电动机皮带轮半径的 3 倍(图2),皮带与两轮之间不发生滑动。已知机器皮带轮边缘上一点的向心加速度为 0.10 m/s2。 (1)电动机皮带轮与机器皮带轮的转速之比 n1 :n2 是多少? (2)机器皮带轮上 A 点到转轴的距离为轮半径的一半,A 点的向心加速度是多少? (3)电动机皮带轮边缘上某点的向心加速度是多少? 图2 4.有一辆质量为 800 kg 的小汽车驶上圆弧半径为 50 m 的拱桥。 (1)汽车到达桥顶时速度为 5 m/s,汽车对桥的压力是多大? (2)汽车以多大速度经过桥顶时恰好腾空, 对桥没有压力? (3)汽车对地面的压力过小是不安全的。从这个角度讲,汽车过桥时的速度不能过大。对于同样的车速,拱桥圆弧的半径大些比较安全,还是小些比较安全? (4)如果拱桥的半径增大到与地球半径 R一样,汽车要在桥面上腾空,速度要多大? 二、综合类作业 5.请根据加速度的特点,对以下七种运动进行分类,并画出分类的树状结构图 :匀速直线运动;匀变速直线运动;自由落体运动;抛体运动; 平抛运动 ;匀速圆周运动 ;变速圆周运动。 6.图 3 是一皮带传动装置的示意图,右轮半径为 r,A 是它边缘上的一点。左侧是一轮轴,大轮半径为 4r,小轮半径为 2r。B 点在小轮上,到小轮中心的距离为 r。C 点和 D 点分别位于小轮和大轮的边缘上。如果传动过程中皮带不打滑, 那么 A、B、C、D 点的线速度、角速度、向心加速度之比分别是多少? 图3 、7.如图4所示,半径为 R 的半球形陶罐, 固定在可以绕竖直轴转动的水平转台上,转台转轴与过陶罐球心 O 的对称轴 OO′重合。转台以一定角速度匀速转动,一质量为 m 的小物块落入陶罐内,经过一段时间后小物块随陶罐一起转动且相对罐壁静止,此时小物块受到的摩擦力恰好为 0,且它和 O 点的连线与 OO′之间的夹角 θ 为 60°,重力加速度为 g。求转台转动的角速度。 图4 拓展提升类作业 8.如图5 所示,半径 R = 0.40 m 的光滑半圆环轨道处于竖直平面内,半圆环与水平地面相切于圆环的端点 A。一小球从 A 点冲上竖直半圆环,沿轨道运动到 B 点飞出,最后落在水平地面上的 C 点(图上未画),g 取 10 m/s2。 (1)能实现上述运动时,小球在 B 点的最小速度是多少? (2)能实现上述运动时,A、C 间的最小距离是多少? B A 图6 如图7所示,质量为 m 的小球用细线悬于 B 点,使小球在水平面内做匀速圆周运动,重力加速度为 g。 (1)若悬挂小球的绳长为 l,小球做匀速圆周运动的角速度为 ω,绳对小球的拉力 F 有多大? (2)若保持轨迹圆的圆心 O 到悬点 B 的距离 h 不变,改变绳长 l,求小球做匀速圆周运动的角速度 ω 与绳长 l 的关系。 (3)若保持轨迹圆的圆心 O 到悬点 B 的距离 h 不变,改变绳长 l,求绳对 A 球的拉力 F与绳长 l 的关系。 图7 实际应用类作业 10.高速路下路口经常将车道设计为弯车道,车辆经过弯道时最容易发生事故,为了减少事故发生,通过本单元的学习,请你从向心力的角度给路政施工部门提几条弯道设计方面的建议。(可从建材选取、弯道设计方面进行思考)
八、反思性教学改进