《第七节生活中的圆周运动》教材分析
一、教学任务及对策
1、教材分析：
《生活中的圆周运动》本课是新课程人教版必修2 第五章的第7节，是这一章的最后一节。本节课是在学生学习了圆周运动、向心加速度、向心力以后的一节应用课，通过研究圆周运动规律在生活中的具体应用，使学生深入理解圆周运动规律，并且结合日常生活中的某些体验，加深物理知识在头脑中的印象。这一节是本章关于圆周运动的总结，相对于下一章的万有引力与航天的知识，起到承上启下的作用。
2、 教学目标：
（1）知识与技能：
A、能定性分析火车外轨比内轨高的原因，能定量计算火车转弯的临界速度。
B、能定量分析汽车过拱桥最高点和凹形桥最低点的压力问题
（2）过程与方法：
A、进一步加深对向心力的认识，会用牛顿第二定律分析向心力的来源。
B、培养学生独立观察、分析问题、解决问题的能力，提高学生概括总结知识的能力。
（3）情感、态度和价值观：
A、通过向心力在具体问题中的应用，培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识。
B、通过一些事例，使学生初步建立严谨的科学态度和学习物理的责任感和自豪感。
C、体会圆周运动的奥妙，培养学生学习物理知识的求知欲。
3、教学重、难点：
（1）教学重点
分析具体问题中向心力的来源。
依据：学生常常误认为向心力是一种特殊的力，是做匀速圆周运动的物体另外受到的力，课本中明确指出这种看法是错误的，以及如何正确认识向心力的来源，并且对向心力的来源分析地比较仔细，因此教学中应充分重视这一点。
（2）教学难点
A、能把所见到的圆周运动进行分类，按照步骤进行问题分析。
B、具体的火车结构
难点突破：用分类的方法把相同的物理情景归为一类，然后找到他们共同的解题方法；对学生不太熟悉的火车车轮结构等问题借助演示图片加以说明，使学生更易理解。
二、学情分析
学生已经学习了匀速圆周运动、向心力、向心加速度的概念，对圆周运动有了比较清晰的认识，但学生对于向心力由谁来提供，还比较模糊，这样就不能进行知识迁移和解决实际问题。所以教学中通过多个实例分析说明向心力的来源是由性质力来提供的，让学生被动的接受知识变成主动的探索新知识，积极参与教学过程的每个环节，引导学生手脑并用，分析与综合相结合，以提高学生的探索研究和创新能力。
三、教法及理论依据
依据心理学中皮亚杰的建构主义理论和维果斯基的最近发展区理论，采用问题引领式的教学模式，教师引导学生讨论、探究，在关键处给予点拨，让学生亲自动笔、推导并表述；对于学生采用观察、推导、探究、讨论等学习方法。
四、课前准备
1、学生课前准备：预习圆周运动的向心力、向心加速度的概念。
2、教学用具准备：幻灯片展示，视频演示
3、教学环境布置：利用小组合作的方式，把学生提前分好小组。
五、时间分配
本节课用1课时讲解，复习引入5分钟，铁路的弯道用15分钟，拱形桥和航天器中的失重现象用15分钟，离心现象用7分钟，课堂小结、布置作业用3分钟
六、教学过程设计
（一）复习引入
复习：提问圆周运动向心加速度、向心力相关知识，以及物体做匀速圆周运动和变速圆周运动向心力的来源。
引入：让学生看一段视频，其中包括火车拐弯、F1赛车比赛、汽车过拱桥、过山车游戏等生活中常见的圆周运动。观看完视频，展示视频中的图片，让学生观察比较思考，然后回答问题。
问题：同学们，你们都看到了哪些东西呢？他们的运动有什么相同之处，又有什么不同之处呢？
学生：火车、汽车、过山车等都做曲线运动。火车和F1赛车是水平的曲线运动，汽车过拱桥、过山车是竖直的曲线运动。
[设计意图]让学生观看视频，轻松引入课题，消除学生的紧张心理。用图片作为对比，用问题作为提示，让学生观察搜集有用信息，培养学生的观察和分析能力。
（二）新课教学。
l 铁路的弯道
解决的问题：1火车的轨道为什么设计成外轨高内轨低？
2火车转弯时的临界速度是多大？
给出火车车轮图片的特殊结构。让学生通过看书、观察、讨论，然后回答问题。
问题1：请观察、总结火车的车轮结构如何？轨道结构如何？
问题2：火车在平直的轨道上匀速行驶时，所受合力如何？
问题3：转弯时，如果轨道是水平的，火车做曲线运动，所受外力怎么样？需要的向心力由哪些力提供呢？
问题4：火车的质量很大，行驶的速度也不小，如此长时间后，对轨道和列车有什么影响？如何改进才能够使轨道和轮缘不容易损坏呢？（提示学生：从分析向心力的来源着手。）
教师讲解：使轨道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，外轨就不受轮缘的挤压了。（再次展示火车转弯时候的图片，提醒学生观察轨道的情况。）
问题5：当轨道平面与水平面之间的夹角为θ，请你画受力图，并分析这时是谁提供火车转弯的向心力？
问题6：转弯半径R确定的时候，速度多大时轨道不受挤压？
问题7：如果火车实际行驶速度大于此速度时，向心力应由哪些力提供？如果小于此速度又怎么样呢？
学生：5、受力分析如图所示，火车受支持力不再竖直，而斜向轨道的内侧。
它与重力的合力指向圆心，提供向心力。
即：
6、计算火车转弯时的临界速度：
且
7、火车实际行驶的速度大于此速度时，向心力由重力与支持力的合力和挤压外轨的力共同提供；
如果小于此速度，向心力由重力与支持力的合力和挤压内轨的力共同提供。
教师点评：1、轮缘不是提供向心力的主要因素，而是重力与支持力的合力；
2、工程师要设计弯道的半径大小，规定车速；
3、超速会对哪个轮缘造成损害------外轨；
学生练习：飞车走壁。摩托车飞车走壁，请分析受力情况，解释现象
[设计意图]本部分的问题是层层深入，逐层递进的。目的是让学生体会水平面里的圆周运动的特点，轨道、圆心、半径都在水平方向，向心力也在水平方向。教师在学生思考、计算过程中，巡回指导，充分发挥学生的主体地位，通过相互讨论培养学生的协作与交流能力。
练习题的目的是让学生加深理解向心力的来源。
l 拱形桥
解决的问题：1、拱形桥面与凹形桥面受汽车压力与重力的关系是什么？
2、超重、失重问题在此类问题中如何表现？
再次展示汽车过拱桥图片。通过提问，引导学生按步骤进行思考。
问题1：汽车以某一速度v通过拱形桥的最高点时，汽车受力如何？
问题2：哪个力或哪些力提供了向心力？
问题3：此时桥面受到的压力比汽车的重力怎样？
问题4：拱桥的圆心在哪？如果给出拱桥的曲面半径R，你能计算出汽车过拱桥的速度吗？
问题5：分析如果汽车过拱桥的速度不断增大，会有什么现象发生？汽车的临界速度是多少？
问题6：汽车的速度比 更大时会怎么运动？（提示，此时汽车受力、速度、加速度如何）
学生：1、汽车受重力和支持力，牵引力和摩擦力；
2、重力和支持力的合力提供了向心力；
3、 ∴FN＜mg
根据牛顿第三定律，桥面受到的压力等于汽车受到的支持力。
∴桥面受到的压力小于汽车的重力；
4、汽车的竖直方向的合力指向圆心
5、当速度不断增大的时候，压力会不断减小，当FN=0时，汽车对桥面完全没有压力，汽车“飘离”桥面。此时 ，。
6、汽车以大于或等于 的速度驶过拱形桥的最高点时，汽车与桥面的相互作用力为零，汽车只受重力，又具有水平方向的速度的，因此汽车将做平抛运动。
前面分析的是拱形桥的问题，如果把桥倒过来，就成为一个凹形桥，生活中的“过水路面”就有这种情况。
问题7：凹形桥中汽车行驶在最低点时，桥面受到的压力如何？
学生：汽车受力如右图所示。此时桥面受到的压力大于重力。
问题8：前面我们曾经学习过超重和失重现象，试利用“超、失重”的观点定性分析汽车在拱形桥最高点，凹形桥的最低点分别处于哪种状态？
学生：汽车在拱形桥最高点上处于失重状态，如果速度大于或等于 就处于完全失重状态；汽车在凹形桥的最低点处于超重状态。
教师讲解：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。
教师和学生共同总结解题过程：
1、确定研究对象；
2、分析汽车的受力情况；
3、找圆心；
4、确定F合即F向心力的方向；
5、列方程，得结论。
学生练习：书后问题与练习3，学生解题过程用幻灯片展示。（强调解题过程）
[设计意图]本部分内容是让学生体会竖直面里的圆周运动的特点，轨道、圆心、半径都在竖直方向，向心力也在竖直方向。并且总结出解决向心力问题的研究过程。通过学生的讨论分析得出临界速度，培养学生的合作意识和分析、综合能力。
l 航天器中的失重现象
如果把拱形桥看成是地球的表面，那汽车的速度达到一定程度时就可以飞起来了。
此时地面给汽车的支持力FN=0，
即 ，
汽车如果看成航天飞机，那航天飞机及其里面的人要出于哪种状态？（完全失重）
（三）课堂小结：
1、今天这节课都学习了哪些平面的圆周运动？
2、处理圆周运动的关键问题是什么？
学生：1火车转弯，赛车弯道处等都是水平面的圆周运动，拱形桥、凹形桥是竖直面的圆周运动。
2找到向心力的来源，向心力是性质力提供的。向心力的来源等于mv2/R
（四）作业：
1观察实际公路转弯处路面的特点及速度要求。
2大型游戏过山车中，分析在车运动到最高点时的受力情况如何？最小速度是多少？
[设计意图]课堂小结部分用两个问题引出本节课的重难点，学生容易掌握本节知识的精华。作业部分是本节课的延伸。本节课并未讲解公路弯道和过山车的问题，一个是水平面的圆周运动，一个是竖直面的圆周运动。但是开头的视频中出现了这两个内容。这也是为后面的作业埋下伏笔，起到呼应前文的作用
七、板书设计
（设计思路：采用黑板书写并加以提炼的板书设计，能增强学生的记忆）
生活中的圆周运动
一、铁路的弯道
（水平面内的圆周运动）
1受力分析
2思路：向心力来源=向心力大小
二、拱形桥
（水平面内的圆周运动）
1上拱桥的临界问题
，
2、下拱桥的分析
三、小结：
水平面内的圆周运动
竖直面内的圆周运动
供 与 需的关系
八、教学反思
本节课设置了较多的情景，准备了真实事件的图片，希望使物理课堂更贴近生活，使物理知识真正走近学生，据此激发学生的问题意识，拓宽学生的思维空间。但是，学生主动地发现问题、提出问题和解决问题的情况较少，应进一步培养学生的问题意识。
课件38张PPT。第七节生活中的圆周运动 人民教育出版社
高一物理 必修二知识回顾1、在学习本节课之前我们已经学习了向心力公式，请同学们回想一下向心力公式?2、请同学们列举一下生活中有哪些常见的圆周运动，并找一下这些圆周运动的向心力来源。3、请同学们找一找下面向心力的来源同学们通过观看赛车转弯视频。回答为什么车发生了侧翻？
（并且分组讨论避免发生侧翻的几种方案。） 海南赛车跑道引入火车转弯 火车转弯时实际是在做圆周运动，那么火车转弯时是如何获得向心力的 ？一、火车转弯问题轮缘为什么要设计成这种样子？分组讨论：
各个小组结合小组的火车与轨道模型，探究在水平的轨道上火车如何实现转弯的？分工合作，2名同学固定导轨，2名同学给小车初速度，1名注意观察车轮与外轨之间是否挤压，1名同学观察车轮与内轨是否挤压。另外2名同学记录结果。向左转（1）火车在水平轨道上转弯时外轨对轮缘的弹力F就是使火车转弯的向心力外轨和外轮之间的磨损大，
铁轨容易受到损坏。内轨外轨如果铁路弯道的内外轨一样高，火车质量m=200000kg，速度v=60m/s,转弯半径r=200m,问轮缘和外轨间的作用力有多大？从计算的结果看，容易造成什么后果？结合生活实例，思考应该如何解决这一实际问题？思考讨论（2 ）转弯处外轨高于内轨分析结论：铁轨对火车的支持力与重力的合力指向圆心，为火车拐弯提供了一部分向心力，减轻了轮缘与外轨的挤压。分析若恰好由这个合力提供向心力，火车转弯时速度多大？（已知火车质量为m，轨道半径为R，轨道平面与水平面夹角为θ）。结论：铁轨对火车的支持力与重力的合力全部用来提供向心力，此时火车轮缘对内外轨均无挤压。讨论轮缘受到外轨向内的弹力轮缘受到内轨向外的弹力结论：为避免对内外轨造成挤压，火车转弯要限速例题1.设内外轨间的距离为L，内外轨的高度差为h，火车转弯的半径为R，则火车转弯的规定速度为v0 ?
hLx二、拱形桥 凹形桥赵州桥建于公元605年，至今已有1400多年的历史，是世界建筑史上的奇迹。102国道的凹形桥不妨我们通过一个小实验 来探究一下结果分组:探究
1-4组探究车通过拱形桥最高点时对拱形桥的压力
5-8组探究车通过凹形桥最低点对凹形桥的压力来看老师的实验展示：汽车过桥的运动可以看做圆周运动，质量均为m 的汽车以相同的速度v 分别通过拱形桥和凹形桥，设桥面圆弧半径均为R,试分析汽车通过拱形桥的最高点和凹形桥的最低点时对桥的压力大小。比一比哪种情况下对桥的压力大？拱形桥 凹形桥1-4组5-8组拱形桥由牛顿第二定律得：解：选汽车为研究对象，竖直方向上受力分析如图，由牛顿第三定律得：即凹形桥解：选汽车为研究对象，受力分 析如图，由牛顿第二定律得：由牛顿第三定律得：汽车对桥的压力即汽车对凹形桥的压力
汽车对拱形桥的压力
速度越大，汽车对桥的压力越大，对桥的损坏越严重，所以凹形桥并不常见。
速度越大，汽车对桥的压力越小。那么在拱形桥上开车需要注意什么呢 汽车行驶的速度越大，汽车对桥的压力越小。试分析一下，当汽车的速度不断增大时，会有什么现象发生呢？由 得:车的速度v 越大，对桥的压力就越小。注意：汽车过桥时一般都会有一个限速，规定汽车的速度不能大于或等于这个限速。当 时，汽车与桥面间存在弹力。
拱 形 桥当 时，桥受到的压力为零。当 时，汽车会飞离桥面。由 得:车的速度v 越大，对桥的压力就越小。汽车行驶的速度越大，汽车对桥的压力越小。试分析一下，当汽车的速度不断增大时，会有什么现象发生呢？例2．一辆质量m=2.0t的小轿车，驶过半径R=90m的一段圆弧形桥面，重力加速度g=10m／s2．求：
(1)若桥面为凹形，汽车以30m／s的速度通过桥面最低点时，对桥面压力是多大?
(2)若桥面为凸形，汽车以18m／s的速度通过桥面最高点时，对桥面压力是多大?
(3)汽车以多大速度通过凸形桥面顶点时，对桥面刚好没有压力？跟踪训练
1．一辆卡车在丘陵地匀速行驶,地形如图所示，由于轮胎太旧，途中爆胎，爆胎可能性最大的地段应是（ ）
A．a处 B．b处 C．c处 D．d处（第1题）D 该“思考与讨论”中描述的情景在航天器中已经实现． 1．关于列车转弯处内外铁轨间的高度关系，下列说法中正确的是 ( )
A．内外轨一样高，以防列车倾倒造成翻车事故
B．因为列车转弯处有向内倾倒的可能，故一般使内轨高于外轨，以防列车倾倒
C．外轨比内轨略高，这样可以使列车顺利转弯，减少车轮与铁轨的挤压
D．以上说法都不对C当堂反馈2．汽车以一定的速度经过一个拱形桥面的顶点时，关于汽车的受力及汽车对桥面的压力情况，以下说法正确的是………( )
A.在竖直方向汽车受到三个力：重力、桥面的支持力和向心力
B.在竖直方向汽车只受两个力：重力和桥面的支持力
C.汽车对桥面的压力小于汽车的重力
D．汽车对桥面的压力大于汽车的重力BC3.为了防止汽车在水平路面上转弯时出现“打滑”的现象，可以：( )
A.增大汽车转弯时的速度
B.减小汽车转弯时的速度
C.增大汽车与路面间的摩擦
D.减小汽车与路面间的摩擦 BC反思总结本节通过分析生活中圆周运动的几个实例，找到了水平和竖直两个面的圆周运动向心力的来源，总结出了圆周运动的解题规律。“供”，“需”平衡布置作业1、导学案 ：1-4题
2、本节课后课练习1、2、3、《第七节生活中的圆周运动》评测练习
【学习目标】
1．知道向心力是使物体产生向心加速度的原因．会在具体问题中分析向心力的来源．
2．运用匀速圆周运动的规律分析和处理生产和生活中的具体实例．
【温故知新】
一．知识储备
1.什么是向心力？向心力的公式是什么？
2.做圆周运动的物体为什么不沿着直线飞去而沿着一个圆周运动？
二．课前预习
（一）．铁路的弯道：火车转弯时所需的向心力，是由什么力提供的？
1、 当内外轨一样高时
火车受的重力和铁轨对火车竖直向上的支持力平衡，向心力由 外轨对轮缘的水平 提供，这种情况下铁轨容易损坏，轮缘也容易损坏。
2、当外轨比内轨高时
铁轨对火车的支持力不再是竖直向上的， 和 的合力可以提供向心力，可以减轻铁轨和轮缘的侧向挤压，最佳情况是向心力恰好由 和 的合力提供，铁轨的内、外轨均不受到侧向挤压的力。
探究讨论：
当v＝ 时，内外轨均不受侧向挤压的力；
当v＞ 时，外轨受到侧向挤压的力（这时向心力增大，外轨提供一部分力）；
当v＜ 时，内轨受到侧向挤压的力（这时向心力减少，内轨提供一部分力）
（二）拱形桥
1、汽车过拱形桥桥顶的向心力，是由什么力提供的？请画出受力图
= mv2／r FN =
由牛顿第三定律可知，汽车对桥的压力 重力，这也是为什么桥一般做成拱形的原因。
当汽车的速度V= 时，汽车对桥面无压力。
2、汽车过凹形桥最低点的向心力，是由什么力提供的？请画出受力图
= mv2／r FN =
由牛顿第三定律可知，汽车对桥的压力 重力，一般公路在通过小型水库泄洪闸的下游时常常要修建凹形桥，也叫“过水路面”
（三）航天器中的失重现象
设地球的半径为R，航天员在地面上受到的重力为mg，当航天器的速度V=
时，FN=0，航天员处于 状态。
（四）离心运动： 离心运动的利用与危害有哪些？
三．典型例题
例一：如果铁路弯道的内外轨一样高，火车质量m=100kg，速度v=60m/s,转弯半径r=200m,问轮缘和外轨间的作用力有多大？从计算的结果看，容易造成什么后果？
针对训练1：从2007年4月18日起，全国铁路正式实施第六次大面积提速，列车速度可达200Km/h以上，其中京哈、京沪、京广、胶济等提速干线部分区段可达250m/h，我们从济南到青岛乘坐“和谐号”列车就可以体验速度250m/h的追风感觉，火车拐弯可以看成是匀速圆周运动，火车速度提高会使外轨受损，为解决火车高速拐弯时不使外轨受损这一难题，下面可行的方法是( )
A.减小内外轨的高度差 B增加内外轨的高度差 C 减小弯道半径 D。增加弯道半径
例二．一辆质量m=2.0t的小轿车，驶过半径R=90m的一段圆弧形桥面，重力加速度g=10m／s2．求：
(1)若桥面为凹形，汽车以20m／s的速度通过桥面最低点时，对桥面压力是多大?
(2)若桥面为凸形，汽车以l0m／s的速度通过桥面最高点时，对桥面压力是多大?
(3)汽车以多大速度通过凸形桥面顶点时，对桥面刚好没有压力？
针对训练2、汽车以速度v通过一半圆形拱桥的顶点时，关于汽车受力的说法正确的是 （ ）
A、汽车受重力、支持力、向心力
B、汽车受重力、支持力、牵引力、摩擦力、向心力
C、重力提供汽车的向心力 D、汽车的重力和支持力的合力提供向心力
四．当堂检测
1．关于列车转弯处内外铁轨间的高度关系，下列说法中正确的是 ( )
A．内外轨一样高，以防列车倾倒造成翻车事故
B．因为列车转弯处有向内倾倒的可能，故一般使内轨高于外轨，以防列车倾倒
C．外轨比内轨略高，这样可以使列车顺利转弯，减少车轮与铁轨的挤压
D．以上说法都不对
2．下列哪些现象是为了防止物体产生离心运动 ( )
①汽车转弯时要限制速度 ②转速很高的砂轮半径不能做得太大。
③在修筑铁路时，转弯处轨道的内轨要低于外轨④洗衣机脱水工作。
A．①②③ B．②③④
C．①②④ D．①③④
3．市内公共汽车在到达路口转变前，车内广播中就要播放录音：“乘客们请注意，前面车辆转弯，请拉好扶手”，这样以 ( )
A．提醒包括坐着和站着的全体乘客均拉好扶手，以免车辆转弯时可能向前倾倒
B．提醒包括坐着和站着的全体乘客均拉好扶手，以免车辆转弯时可能向后倾倒
C．主要是提醒站着的乘客拉好扶手，以免车辆转弯时可能向转弯的外侧倾倒
D．主要是提醒站着的乘客拉好扶手，以免车辆转弯时可能向转弯的内侧倾倒
4．杂技演员在做水流星表演时，用绳系着装有水的水桶，在竖直平面内做圆周运动，若水的质量m＝0．5 kg，绳长l=60cm，求：
(1)最高点水不流出的最小速率，
(2)水在最高点速率v＝3 m／s时，水对桶底的压力．
谈一谈你今天的收获吧：
