生活中的圆周运动
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文档简介
《生活中的圆周运动》教学设计
【设计思想】
本教学设计以新课程的三维目标为依据，重视学生的学习过程，体现“以学生为主体，以教师为主导”的新型师生关系，强化情感、态度与价值观的教育，发展学生的科学素养。力图在教学中营造活跃、宽松的学习氛围，鼓励学生合作探究，为学生与学生、教师与学生的交流与合作创设更多的机会。
【教材分析】
教材依据:新课标人教版高中物理必修第二册第五章曲线运动第八节
一、地位及内容分析
本课内容是圆周运动有关知识的综合应用，是牛顿第二定律的重要应用之一，学习它有助于深入理解圆周运动的规律，体会物理学在生活中的应用以及对社会发展的影响，同时也为后续知识的学习打下基础。这节内容安排2课时，这是第1课时的教学设计。根据学生接受的难易程度，我计划先讲教材中的“汽车过拱桥”，将“火车转弯”放在最后一部分。
二、学情分析
从知识基础来看，在学习本节内容之前，学生已学习了圆周运动与向心力的知识；并已知道对于一般的曲线运动，可在研究时只取足够短的一小段，采用圆周运动的分析方法进行处理；但学生对向心力的理解还不够透彻，例如部分学生错误地理解是因为圆周运动而产生了向心力。
从心理特征来看，处于高一阶段的学生，其思维习惯中形象思维占的比例还比较大，逻辑思维的能力有待进一步的开发和提高；对于物理学科特定的研究方法和分析方法已有了一定的了解，但还不是非常的熟练，有待进一步地培养。
三、教学目标
1.知识与技能：会在具体问题中分析向心力的来源；会用牛顿第二定律解决生活中较简单的圆周运动问题。
2.过程与方法：经历火车拐弯和车过桥的实例分析，提高分析、解决问题能力；在分析探讨过程中掌握用牛顿第二定律分析向心力的方法。
3.情感态度价值观：通过对几个实例的学习，明确具体问题必须具体分析，会用合理科学的方法处理问题；发展将物理知识应用于生活和生产实践的意识；通过观看相关视频培养学生学习物理的兴趣的爱国主义热情。
四、教学重点:运用牛顿定律求解实际问题中的向心力。
五、教学难点:分析具体问题中向心力的来源；分析火车的弯道情况。
【教法分析】
（一）教学方法：提问法、讨论法、讲解法、分析归纳法
（二）教学手段：多媒体辅助教学：PPT演示文稿以及图片，并辅以视频。
【学法分析】
学生通过观看图片和视频，并结合日常生活体验，在教师设置的悬念和理论指导下自己去探索答案。过程中体现“教师为主导，学生为主体”的教育思想，让学生充当课堂教学的主体，既学到了知识又掌握了学习方法，既培养了能力又发展了智力。
【教学过程】
（一）新课引入：
师：生活中圆周运动的例子很多，你能列举一些吗？
生： ……
师：除了同学们举的例子以外，可能还有一些实例是我们大家没有亲眼看到的，或者说见到过但没有仔细观察过的，下面我们来看一段视频（一分钟视频：生活中的圆周运动）。生活中的圆周运动是多种多样的，大家都知道圆周运动需要向心力，你能谈谈对向心力的认识吗？
生1：向心力总是指向圆心的；
生2：向心力是按力的作用效果命名的力，并且是由其他力来提供的；
……
师：这节课我们主要的学习目标就是通过这样一些实例的分析，让大家理论结合实际加深对圆周运动、向心加速度及向心力等概念的理解，融会贯通牛顿第二定律。主要讨论下面三个问题：车过拱形桥、航天器中的失重现象和火车转弯的问题。
板书：第八节 生活中的圆周运动
（二）新课教学：
师：首先我们讨论第一个问题
板书：1.车过拱形桥
●汽车过拱形桥的问题
(一)提出问题，创设悬念：
问题一：
师：(投影拱桥照片，如图)请看大屏幕，生活中我们经常会看到美丽的拱形桥，而很少见到凹形桥，那拱形桥有哪些优点呢？
生1：拱形桥可以让更大的船只通过，利于通航。
生2：发洪水的时候，拱形桥在相同的时间内可以流过更多的水，利于泄洪。
生3：更加坚固、美观。
……
问题二:
师：当你骑自行车快速通过凹凸不平的路面时，大家有没有体会到过与平路不一样的感觉？
生：有，有时感觉飘起来，有时屁股震得好痛。
（二）分析问题：
师：为什么会这样呢？让我们来分析一下，(投影)设桥面圆弧半径为R，质量为m的汽车在拱桥上以速度v前进（如图），问汽车通过拱桥最高点时对桥的压力多大？(提示分析步骤：受力分析、确定向心力、列方程)
生：讨论和交流，由代表陈述：是重力和支持力的合力提供向心力，根据牛顿第二定律有，,再根据牛顿第三定律，汽车对桥面的压力比重力小，发生了失重现象，且汽车行驶的速度越大，汽车对桥面的压力越小。
师：试想如果汽车的速度很大，会出现什么情况呢？这个临界？hege速度又是多少呢？
生：将会“飞”起来。
（三）知识迁移：
师：如果是凹形桥，情形怎样呢？看下面的例子：
生：分析思考
师：汽车过桥问题，实质上是物体在竖直平面内做圆周运动，由于物体所受重力的大小mg及方向（竖直向下）恒定不变，因此当物体经过圆周上各个不同位置时，重力对物体做圆周运动的作用是不同的。请同学们再分析竖直平面内圆周运动在最高点和最低点以外的向心力的来源。
生：受力分析，思考问题。
师：前面我们曾经学习过超重和失重现象，那么汽车在拱形桥最高点，凹形桥的最低点分别处于哪种状态？
生：汽车在拱形桥最高点处于失重状态，大于或等于的速度驶过拱形桥的最高点时处于完全失重状态；在凹形桥的最低点处于超重状态。
师：非常好！这样我们就过渡到了第二个问题：航天器中的失重现象
板书：2.航天器中的失重现象
●航天器中的失重现象
(投影地球图片,如图)地球可以看作一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球半径（约6400km）,如果地面上行驶的汽车速度足够大，会发生什么现象？请大家根据地球半径算一下这个速度的临界值。
生：脱离地球表面，并围绕地球旋转。
试想这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？他这时可能有什么感觉？
生：（表现得很有兴趣）积极思考和分析。
师：通过刚才的学习，我想大家应该能够理解为什么绕地球旋转的卫星或航天器中一切人和物均处于失重状态。在失重状态下是很危险的，没有外界物帮助，自己控制不了自己的运动的。此外超重状态下人的血液会向下，严重会造成大脑缺血，出现昏厥现象。所以宇航员的身体素质必须是绝对过硬的，不仅要接受失重训练，还是接受超重训练。
下面我们就来看看航天器的失重现象以及宇航员们所接受的训练。
播放视频：航天器的失重现象（一分半钟）
接下来我们解决第三个问题：火车转弯的问题
板书：3.火车转弯的问题
●火车转弯的问题
师：火车是当今社会的重要交通工具之一（展示火车图片，如图5），可你有仔细观察过火车车轮与铁轨的构造吗？它们的特点？（展示火车运动情况以及火车车轮的特殊结构。）
（1） 引出问题：
根据你刚才从图片中观察到的情况，说一说火车的车轮结构如何？轨道结构如何？
生：车轮内侧轮缘半径大于车轮半径，轨道将两车轮的轮缘卡在里面。
师：如果铁路弯道是水平的，那么火车拐弯时将会出现什么情况？
生：火车轮缘会挤压铁轨。
师：追问是外轨还是内轨？
生：是外轨。
师：火车质量大，速度也大，因此所需的向心力大。外轨长期受到强烈挤压就会损坏。你能想办法改进一下吗？（提示学生从分析向心力的来源着手）
（二）提出方案：
生：分析后回答：使路面向圆心一侧倾斜一个很小的角度，使外轨略高于内轨，这样，重力和支持力的合力提供了向心力，外轨就不受轮缘太大的挤压了。
（三）知识应用，解决实际问题:
师：可是现实中，铁路建造完工后，倾斜角和转弯半径R就已确定，因此要使外轨不受轮缘的挤压，应该调整火车的行驶速度。请求出这个速度？
生：，。
师：那么，火车如果不是按此速度行驶，会怎么样呢？
生：讨论和交流后得到：，外轨产生弹力起辅助作用；，内轨产生弹力起辅助作用。
师：(投影)今年4月18日，我国铁路进行了第六次大提速，时速将达200公里以上，这必将为我国的经济腾飞注入新的活力。假设你是一位从事铁路设计的工程师，你认为火车提速有必要对铁路拐弯处进行改造吗？应如何改造？
生：分析、讨论和交流。（最好的方式就是完全由重力与支持力的合力提供向心力，有当路面向圆心一侧倾斜的角度θ不太大时，由于，其中为轨距，上式变为，所以可用来计算值的大小。）
播放火车转弯和铁轨设计的视频，提醒学生观察轨道的情况。
(四)知识拓展：
师：我们分析了火车转弯时的情形，其实汽车在高速公路转弯处以及赛车道上、还有飞机转弯也是采用这种设计（展示图片），但是对于汽车和飞机而言，它在转弯时的向心力来源是什么呢？
生：对于汽车，是重力、支持力以及与路面之间的静摩擦力提供，对于飞机，是气流的升力和飞机重力提供。
（三）课堂小结：组织学生根据板书设计来完成
【板书设计】
2.课堂练习
，外轨产生弹力
FN
1. 分析过程:
临界速度：
，内轨产生弹力
临界速度：
FN
G
四、课堂小结
三、火车转弯问题
2.例题：分析凹形桥
一、汽车过桥问题
1. 分析过程:
二、航天器中的失重现象
第八节 生活中的圆周运动
G
F
【设计思想】
本教学设计以新课程的三维目标为依据，重视学生的学习过程，体现“以学生为主体，以教师为主导”的新型师生关系，强化情感、态度与价值观的教育，发展学生的科学素养。力图在教学中营造活跃、宽松的学习氛围，鼓励学生合作探究，为学生与学生、教师与学生的交流与合作创设更多的机会。
【教材分析】
教材依据:新课标人教版高中物理必修第二册第五章曲线运动第八节
一、地位及内容分析
本课内容是圆周运动有关知识的综合应用，是牛顿第二定律的重要应用之一，学习它有助于深入理解圆周运动的规律，体会物理学在生活中的应用以及对社会发展的影响，同时也为后续知识的学习打下基础。这节内容安排2课时，这是第1课时的教学设计。根据学生接受的难易程度，我计划先讲教材中的“汽车过拱桥”，将“火车转弯”放在最后一部分。
二、学情分析
从知识基础来看，在学习本节内容之前，学生已学习了圆周运动与向心力的知识；并已知道对于一般的曲线运动，可在研究时只取足够短的一小段，采用圆周运动的分析方法进行处理；但学生对向心力的理解还不够透彻，例如部分学生错误地理解是因为圆周运动而产生了向心力。
从心理特征来看，处于高一阶段的学生，其思维习惯中形象思维占的比例还比较大，逻辑思维的能力有待进一步的开发和提高；对于物理学科特定的研究方法和分析方法已有了一定的了解，但还不是非常的熟练，有待进一步地培养。
三、教学目标
1.知识与技能：会在具体问题中分析向心力的来源；会用牛顿第二定律解决生活中较简单的圆周运动问题。
2.过程与方法：经历火车拐弯和车过桥的实例分析，提高分析、解决问题能力；在分析探讨过程中掌握用牛顿第二定律分析向心力的方法。
3.情感态度价值观：通过对几个实例的学习，明确具体问题必须具体分析，会用合理科学的方法处理问题；发展将物理知识应用于生活和生产实践的意识；通过观看相关视频培养学生学习物理的兴趣的爱国主义热情。
四、教学重点:运用牛顿定律求解实际问题中的向心力。
五、教学难点:分析具体问题中向心力的来源；分析火车的弯道情况。
【教法分析】
（一）教学方法：提问法、讨论法、讲解法、分析归纳法
（二）教学手段：多媒体辅助教学：PPT演示文稿以及图片，并辅以视频。
【学法分析】
学生通过观看图片和视频，并结合日常生活体验，在教师设置的悬念和理论指导下自己去探索答案。过程中体现“教师为主导，学生为主体”的教育思想，让学生充当课堂教学的主体，既学到了知识又掌握了学习方法，既培养了能力又发展了智力。
【教学过程】
（一）新课引入：
师：生活中圆周运动的例子很多，你能列举一些吗？
生： ……
师：除了同学们举的例子以外，可能还有一些实例是我们大家没有亲眼看到的，或者说见到过但没有仔细观察过的，下面我们来看一段视频（一分钟视频：生活中的圆周运动）。生活中的圆周运动是多种多样的，大家都知道圆周运动需要向心力，你能谈谈对向心力的认识吗？
生1：向心力总是指向圆心的；
生2：向心力是按力的作用效果命名的力，并且是由其他力来提供的；
……
师：这节课我们主要的学习目标就是通过这样一些实例的分析，让大家理论结合实际加深对圆周运动、向心加速度及向心力等概念的理解，融会贯通牛顿第二定律。主要讨论下面三个问题：车过拱形桥、航天器中的失重现象和火车转弯的问题。
板书：第八节 生活中的圆周运动
（二）新课教学：
师：首先我们讨论第一个问题
板书：1.车过拱形桥
●汽车过拱形桥的问题
(一)提出问题，创设悬念：
问题一：
师：(投影拱桥照片，如图)请看大屏幕，生活中我们经常会看到美丽的拱形桥，而很少见到凹形桥，那拱形桥有哪些优点呢？
生1：拱形桥可以让更大的船只通过，利于通航。
生2：发洪水的时候，拱形桥在相同的时间内可以流过更多的水，利于泄洪。
生3：更加坚固、美观。
……
问题二:
师：当你骑自行车快速通过凹凸不平的路面时，大家有没有体会到过与平路不一样的感觉？
生：有，有时感觉飘起来，有时屁股震得好痛。
（二）分析问题：
师：为什么会这样呢？让我们来分析一下，(投影)设桥面圆弧半径为R，质量为m的汽车在拱桥上以速度v前进（如图），问汽车通过拱桥最高点时对桥的压力多大？(提示分析步骤：受力分析、确定向心力、列方程)
生：讨论和交流，由代表陈述：是重力和支持力的合力提供向心力，根据牛顿第二定律有，,再根据牛顿第三定律，汽车对桥面的压力比重力小，发生了失重现象，且汽车行驶的速度越大，汽车对桥面的压力越小。
师：试想如果汽车的速度很大，会出现什么情况呢？这个临界？hege速度又是多少呢？
生：将会“飞”起来。
（三）知识迁移：
师：如果是凹形桥，情形怎样呢？看下面的例子：
生：分析思考
师：汽车过桥问题，实质上是物体在竖直平面内做圆周运动，由于物体所受重力的大小mg及方向（竖直向下）恒定不变，因此当物体经过圆周上各个不同位置时，重力对物体做圆周运动的作用是不同的。请同学们再分析竖直平面内圆周运动在最高点和最低点以外的向心力的来源。
生：受力分析，思考问题。
师：前面我们曾经学习过超重和失重现象，那么汽车在拱形桥最高点，凹形桥的最低点分别处于哪种状态？
生：汽车在拱形桥最高点处于失重状态，大于或等于的速度驶过拱形桥的最高点时处于完全失重状态；在凹形桥的最低点处于超重状态。
师：非常好！这样我们就过渡到了第二个问题：航天器中的失重现象
板书：2.航天器中的失重现象
●航天器中的失重现象
(投影地球图片,如图)地球可以看作一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球半径（约6400km）,如果地面上行驶的汽车速度足够大，会发生什么现象？请大家根据地球半径算一下这个速度的临界值。
生：脱离地球表面，并围绕地球旋转。
试想这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？他这时可能有什么感觉？
生：（表现得很有兴趣）积极思考和分析。
师：通过刚才的学习，我想大家应该能够理解为什么绕地球旋转的卫星或航天器中一切人和物均处于失重状态。在失重状态下是很危险的，没有外界物帮助，自己控制不了自己的运动的。此外超重状态下人的血液会向下，严重会造成大脑缺血，出现昏厥现象。所以宇航员的身体素质必须是绝对过硬的，不仅要接受失重训练，还是接受超重训练。
下面我们就来看看航天器的失重现象以及宇航员们所接受的训练。
播放视频：航天器的失重现象（一分半钟）
接下来我们解决第三个问题：火车转弯的问题
板书：3.火车转弯的问题
●火车转弯的问题
师：火车是当今社会的重要交通工具之一（展示火车图片，如图5），可你有仔细观察过火车车轮与铁轨的构造吗？它们的特点？（展示火车运动情况以及火车车轮的特殊结构。）
（1） 引出问题：
根据你刚才从图片中观察到的情况，说一说火车的车轮结构如何？轨道结构如何？
生：车轮内侧轮缘半径大于车轮半径，轨道将两车轮的轮缘卡在里面。
师：如果铁路弯道是水平的，那么火车拐弯时将会出现什么情况？
生：火车轮缘会挤压铁轨。
师：追问是外轨还是内轨？
生：是外轨。
师：火车质量大，速度也大，因此所需的向心力大。外轨长期受到强烈挤压就会损坏。你能想办法改进一下吗？（提示学生从分析向心力的来源着手）
（二）提出方案：
生：分析后回答：使路面向圆心一侧倾斜一个很小的角度，使外轨略高于内轨，这样，重力和支持力的合力提供了向心力，外轨就不受轮缘太大的挤压了。
（三）知识应用，解决实际问题:
师：可是现实中，铁路建造完工后，倾斜角和转弯半径R就已确定，因此要使外轨不受轮缘的挤压，应该调整火车的行驶速度。请求出这个速度？
生：，。
师：那么，火车如果不是按此速度行驶，会怎么样呢？
生：讨论和交流后得到：，外轨产生弹力起辅助作用；，内轨产生弹力起辅助作用。
师：(投影)今年4月18日，我国铁路进行了第六次大提速，时速将达200公里以上，这必将为我国的经济腾飞注入新的活力。假设你是一位从事铁路设计的工程师，你认为火车提速有必要对铁路拐弯处进行改造吗？应如何改造？
生：分析、讨论和交流。（最好的方式就是完全由重力与支持力的合力提供向心力，有当路面向圆心一侧倾斜的角度θ不太大时，由于，其中为轨距，上式变为，所以可用来计算值的大小。）
播放火车转弯和铁轨设计的视频，提醒学生观察轨道的情况。
(四)知识拓展：
师：我们分析了火车转弯时的情形，其实汽车在高速公路转弯处以及赛车道上、还有飞机转弯也是采用这种设计（展示图片），但是对于汽车和飞机而言，它在转弯时的向心力来源是什么呢？
生：对于汽车，是重力、支持力以及与路面之间的静摩擦力提供，对于飞机，是气流的升力和飞机重力提供。
（三）课堂小结：组织学生根据板书设计来完成
【板书设计】
2.课堂练习
，外轨产生弹力
FN
1. 分析过程:
临界速度：
，内轨产生弹力
临界速度：
FN
G
四、课堂小结
三、火车转弯问题
2.例题：分析凹形桥
一、汽车过桥问题
1. 分析过程:
二、航天器中的失重现象
第八节 生活中的圆周运动
G
F