4.2向心力与向心加速度 教案 (1)

第2节　向心力与向心加速度
教案
三维目标
一、知识与技能
1.理解向心加速度和向心力的概念；知道匀速圆周运动中产生向心加速度的原因；
2.知道向心力大小与哪些因素有关，理解向心力公式的确切含义，并能用来进行计算.
二、过程与方法
1.懂得物理学中常用的研究方法，培养学生的学习能力和研究能力；
2.培养学生探究物理问题的习惯，训练学生观察实验的能力和分析综合能力.
三、情感态度与价值观
1.通过a与r及ω、v
之间的关系，使学生明确任何一个结论都有其成立的条件；
2.培养学生对现象的观察、分析能力，培养将所学知识应用到实际中去的思想.
教学重点:理解向心力和向心加速度的概念.知道向心力大小F=mrω2=mv2/r，向心加速度的大小a=rω2=v2/r，并能用来进行计算.
教学难点:匀速圆周运动的向心力和向心加速度都是大小不变，方向在时刻改变.
教具准备:投影仪、投影片、多媒体、CAI课件、向心力演示器、钢球、木球、细绳.
课时安排1课时
教学过程
导入新课
由于匀速圆周运动的速度方向时刻在变，匀速圆周运动是变速曲线运动，运动状态时刻在改变，所以做匀速圆周运动的物体一定有加速度，所受合外力一定不为零.那么做匀速圆周运动的物体所受合外力有何特点？加速度又如何呢？本节课我们就来共同学习这个问题.
推进新课
一、向心力
演示实验：在光滑水平桌面上，绳的一端拴住一个小球，绳的另一端固定于桌上，原来细绳处于松弛状态，用手轻击小球，小球先做匀速直线运动，当绳绷直后，小球做匀速圆周运动.
（用CAI课件，模拟上述实验过程）
讨论：1.绳绷紧前，小球为什么做匀速直线运动？
2.绳绷紧后，小球为何做匀速圆周运动？小球此时受到哪些力的作用？合外力是哪个力？这个力的方向有什么特点？这个力起什么作用？
结论：做匀速圆周运动的小球，受到的绳的拉力就是它的合力，这个拉力方向始终指向圆心，方向不断变化，不改变速度的大小，只改变速度的方向.
（1）概念：做匀速圆周运动的物体受到的始终指向圆心的合力，叫做向心力.
向心力是根据力的作用效果命名的，不是一种新的性质的力.
（2）向心力的作用效果：只改变运动物体的速度方向，不改变速度大小.
向心力指向圆心，而物体运动的方向沿切线方向，物体在运动方向上不受力，速度大小不会改变，所以向心力的作用只是改变速度的方向，不改变速度的大小.
二、向心力的大小
体验向心力的大小：每组学生发给用细线连结的钢球、木球各一个，让学生拉住绳的一端，让小球尽量做匀速圆周运动，改变转动的快慢、细线的长短多做几次.
引导学生猜想：向心力可能与物体的质量、角速度、半径有关.
过渡：刚才同学们已猜想到向心力可能与m、v、r有关，那么，我们的猜想是否正确呢？下面我们通过实验来检验一下.
（介绍向心力演示器的构造和使用方法）
构造：（略）介绍各部分的名称
使用方法：匀速转动手柄，可以使塔轮以及长槽和短槽随之匀速转动，槽内的小球就做匀速圆周运动.使小球做匀速圆周运动的向心力由横臂的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力通过杠杆的作用使弹簧测力套筒下降，从而露出标尺，标尺上露出的红白相间等方格可显示出两个球所受向心力的比值.
实验操作：用质量不同的钢球和铝球，使它们运动的半径r和角速度ω相同，观察得到，向心力的大小与质量有关，质量越大，向心力也越大.
用两个质量相同的小球，保持运动半径相同，观察向心力与角速度之间的关系.
仍用两个质量相同的小球，保持小球运动的角速度相同，观察向心力的大小与运动半径之间的关系.
实验结果：向心力的大小与物体质量m、圆周半径r和角速度ω都有关系.
通过控制变量法、定量测数据等，可以得到匀速圆周运动所需的向心力大小为
F=mrω2
根据线速度和角速度的关系v=rω可得，向心力大小跟线速度的关系为
.
三、向心加速度
（1）加速度的方向
做匀速圆周运动的物体，在向心力F的作用下必然要产生一个加速度，据牛顿运动定律得到，这个加速度的方向与向心力的方向相同，始终沿半径指向圆心.
做匀速圆周运动的物体沿半径指向圆心的加速度，叫做向心加速度.
（2）向心加速度的大小
根据向心力公式，结合牛顿运动定律F=ma，推导得到：a=rω2或.
四、说明
（1）向心力的实质就是做匀速圆周运动的物体受到的合外力.
它是根据力的效果命名的，不是一种新的性质的力，在受力分析时不能重复考虑.
（2）匀速圆周运动的实质是在大小不变、方向时刻变化的变力作用下的变加速曲线?运动.
做匀速圆周运动的物体，向心力的大小不变，方向总指向圆心，是一个大小不变方向时刻变化的变力.向心加速度也是大小不变方向时刻变化的，不是一个恒矢量.
思考与讨论：
一个圆盘可绕通过圆盘中心O且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放置一个小木块A，它随圆盘一起运动——做匀速圆周运动，如图所示.木块受几个力的作用？各是什么性质的力？方向如何？木块所受的向心力是由什么力提供的？
研究匀速圆周运动要注意以下几个问题：
1.正确分析物体的受力，确定向心力
由牛顿运动定律可知，产生加速度的力是物体受到的各个力的合力.因此产生向心加速度的力是向心力，向心力一般是由合力提供，在具体问题中也可以是由某个实际的力提供，如拉力、重力、摩擦力等.
2.确定匀速圆周运动的各物理量之间的关系
描述匀速圆周运动的物理量主要是线速度、角速度、轨道半径、周期和向心加速度.这里需要指出的是在计算中常常遇到π值的问题，一定注意带入3.14而不是180°，因为圆周运动中的角速度是以弧度/秒为单位的.例如钟表的分针周期是60分钟，求它转动的角速度.根据，那么=1.74×10-3弧度/秒.
3.要注意虽然圆周运动向心加速度公式是从匀速圆周运动推出的，但是它也适用于非匀速圆周运动情况，可以是瞬时关系.
【例题剖析1】
汽车在水平弯道上拐弯，弯道半径是r.如果汽车与地面的动摩擦因数为μ，那么为了不使汽车发生滑动的最大速率是（　　）
A.　　　　B.　　　　C.　　　　D.
【教师精讲】汽车在水平弯道上做圆周运动，受到重力、支持力和静摩擦力作用，其中重力和支持力大小相等，方向相反，作用力互相抵消.所以静摩擦力一定沿弯道半径指向圆心，提供向心力.
随汽车行驶速率增大，需要的向心力也增大，则静摩擦力增大.因此静摩擦力达到最大值时，汽车速率不能再增大，否则会出现滑动.由牛顿运动定律可得：
,N=mg
fm=μN则,
，因此选项A正确.
【例题剖析2】如图所示，在半径等于R的半圆形碗内有一个小物体从A点匀速滑下，下列说法中正确的是（　　）
A.物体在下滑过程中，所受合力为零
B.物体滑到底端时，对碗底的压力大于物体的重力
C.物体下滑过程中，所受合力不为零
D.物体滑到底端时，对碗底的压力等于物体的重力
【教师精讲】物体沿碗匀速下滑，是在竖直平面内做匀速率圆周运动.圆周运动是变速运动，因此一定有加速度，所以物体所受合力不能为零，选项A错误，选项C正确.物体下滑到碗底时，速度沿水平方向，但是此时向心加速度沿半径指向圆心，即竖直向上.所以物体这时受到的竖直向上的支持力大于竖直向下的重力，选项B正确，选项D错误.
【例题剖析3】有一圆锥摆，其摆线所能承受的拉力是有一定限度的.在摆球质量m一定，且保持摆角θ不变时，下面说法正确的是（　　）
A.角速度一定，摆线越长越容易断
B.角速度一定，摆线越短越容易断
C.线速度一定，摆线越长越容易断
D.线速度一定，摆线越短越容易断
【教师精讲】圆锥摆是球在水平面内做匀速圆周运动，摆球受到重力和摆线拉力，它们的合力作向心力，沿水平方向指向圆心.设摆线长为l，摆线对球的拉力为T，如图所示.由几何关系可知，合力F=Tsinθ,轨道半径r=lsinθ，因此根据牛顿定律F=Tsinθ=mω2lsinθ,
,
则T=mω2l①
②
根据①式可以得知当角速度一定时，拉力T和摆线长l成正比，所以选项A正确.根据②式可以得知当线速度一定时，拉力T和摆线长l成反比，所以选项D正确.
五、巩固练习
1.关于匀速圆周运动的说法，以下说法正确的是（　　）
A.因为,所以向心加速度与半径成反比
B.因为a=ω2r,
所以向心加速度与半径成正比
C.因为,所以角速度与半径成反比
D.因为ω=2πn,
所以角速度与转速成正比
2.摆角为θ的圆锥摆所受的向心力大小是（　　）
A.mg　　
B.mgsinθ　　　　C.mgcosθ　　　　D.mgtanθ
3.如图所示，一轻杆一端固定一质量为m的小球，以另一端O为圆心，使小球在竖直面内做圆周运动.以下说法正确的是（　　）
A.小球过最高点时，杆受力可以是零
B.小球过最高点时的最小速率为rg
C.小球过最高点时，杆对球的作用力可以竖直向上，此时球受到的重力一定大于杆对球的作用力
D.小球过最高点时，杆对球的作用力一定竖直向下
4.关于向心力的说法正确的是（　　）
A.物体受到向心力的作用才可能做匀速圆周运动
B.向心力是指向圆心的力，是根据作用效果命名的
C.向心力可以是物体受到的几个力的合力，也可以是某个实际的力或几个力的分力
D.向心力的作用是改变物体速度的方向，不可能改变物体的速率
5.质量为m的木块从半球形的碗口下滑到碗底的过程中，如果由于摩擦力的作用使木块的速率保持不变，那么（　　）
A.因为速度大小不变，所以木块的加速度为零
B.木块下滑过程中所受的合力越来越大
C.木块下滑过程中，加速度大小不变，方向始终指向球心
D.木块下滑过程中，摩擦力大小始终不变
6.圆形轨道竖直放置，质量为m的小球经过轨道内侧最高点而不脱离轨道的最小速率为v.现在使小球以2v的速率通过轨道最高点内侧，那么它对轨道的压力大小为（　　）
A.0
B.mg
C.3mg
D.5mg
参考答案：
1.D　2.D　3.AC　4.ABCD　5.C　6.C
课堂小结
这节课我们学习了向心力和向心加速度，掌握了它们大小的计算公式和方向特点，进一步明确了匀速圆周运动的实质——是在大小不变方向时刻变化的变力作用下的变加速曲线运动.
布置作业
课本P72作业3、4、5.
板书设计
1.向心力
（1）概念：做匀速圆周运动的物体受到的始终指向圆心的合力，叫做向心力.向心力是根据力的作用效果命名的，不是一种新的性质的力.
（2）向心力的作用效果：只改变运动物体的速度方向，不改变速度大小.
2.向心力的大小
向心力的大小与物体质量m、圆周半径r和角速度ω都有关系.
F=mrω2
根据线速度和角速度的关系v=rω可得，向心力大小跟线速度的关系为
.
3.向心加速度
（1）加速度的方向
做匀速圆周运动物体的沿半径指向圆心的加速度，叫做向心加速度.
（2）向心加速度的大小
根据向心力公式，结合牛顿运动定律F=ma，推导得到a=rω2或.
活动与探究
感受向心力：
在一根结实的细绳的一端拴一个橡皮塞或其他小物体，抡动细绳，使小物体做圆周运动（如图所示）.依次改变转动的角速度、半径和小物体的质量，体验一下手拉细绳的力（使小球运动的向心力），在下述几种情况下，大小有什么不同：使橡皮塞的角速度增大或减小，向心力是变大还是变小；改变半径r尽量使角速度保持不变，向心力怎样变化；换个橡皮塞，即改变橡皮塞的质量m，而保持半径r和角速度不变，向心力又怎样变化.
做这个实验的时候，要注意不要让做圆周运动的橡皮塞甩出去碰到人或其他物体.