6.4 生活中的圆周运动 教学设计

生活中的圆周运动（节选）
一、任务分解
二、教学活动
任务1：汽车和火车转弯问题分析
问题情景：如图1所示。
问题
1．如图1，汽车在水平圆弧路面上做匀速圆周运动。你能确定汽车向心加速度的方向吗？
2．如图1中的汽车受到什么力的作用？什么力提供向心力？
3．所列的表达式是怎样的？汽车做匀速圆周运动的最大速度与什么因素有关？
4．如图2，汽车在倾斜的圆弧路面上做匀速圆周运动。你能确定汽车轨道所在平面和向心加速度的方向吗?理由是什么？
5．若如图2中的汽车如果相对地面既没有向外、又没有向里运动的趋势。此时受到什么力的作用?谁提供向心力？
6．所列的表达式是怎样的？汽车做匀速圆周运动的速度由什么因素决定？ 若汽车的速度大于或小于该值，汽车的受力有什么变化？
7．汽车在水平面内转弯与在倾斜面内转弯两种模型,相同点与不同点各是什么？
8．如图3是火车转弯时的情景,你是否见过火车在水平面上转弯的情景？为什么游乐园内的小火车可以在水平面内转弯而大火车不行？
9．如图4所示,为什么火车的轮子都有突出的轮缘,有何作用？
10．如图3,火车转弯时，圆周运动平面是哪个？圆心在哪里？向心加速度的方向向哪？由谁提供向心力？
11．如图3,若轮缘与轨道没有接触，车轮与轨道间的摩擦相对火车重力可忽略不计。火车受几个力的作用？向心力由何提供？你能画出示意图吗？
12．此时火车运行的速度由什么因素决定？
13．如果火车速度大于或小于前面求得的速度，会出现什么情况？
14．火车转弯模型与汽车转弯两种模型中的哪一种有相似之处？
教学建议：
（1）思维引导建议：汽车和火车转弯问题分析的重点是物理模型的构建，物理模型的建立重点是进行运动和受力分析，在这一基础上忽略一些次要因素，建立力与运动的联系方程。生活中的汽车在转弯时有两种不同的模型，水平面上转弯的模型比较简单，应该先让学生讨论，接着讨论倾斜面上的汽车转弯，并让学生区分两种模型，然后再讨论火车转弯模型，比较自然，也可以比较火车转弯模型与汽车两种转弯模型间的异同。如图2，汽车在倾斜的圆弧路面上做匀速圆周运动，运动平面与向心加速度方向的确定是个难点，如果是盘山公路，圆轨道并不在同一水平面上，所以按照绝大多数情况，如图所示，圆轨道可认为在同一水平面上，这其实也是一种理想化处理。
（2）教学活动建议：对问题1、2，可让学生独立回答；对问题3，可让学生独立求解，并展示，其他同学评价与补充；对问题4，可先让学生小组讨论，然后相互交流，最后教师做适当解释；对问题5、6、7，可让学生独立思考后回答，其他同学补充；对问题8、9、10，可让学生独立思考后回答，其他同学补充；对问题11，应让学生独立思考与图示，然后选择典型进行展示并让学生解释，其他同学进行质疑和讨论；对问题12，应让学生独立思考与求解，选择典型进行展示，其他同学进行质疑和讨论；对问题13、14，应让学生独立思考后回答，其他同学补充完善。
任务2：汽车过拱形桥和凹形路面问题分析
问题情景：如图5、6、7所示。
问题
1．当你坐车经过如图5所示的桥面（或凸起路面)时，你有什么感觉？汽车在最高点时对桥的压力会有什么特点？
2．为了求解前面问题,桥面可近似看作什么形状？汽车过桥近似看作什么运动？受力情况怎样？
3．若质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，桥面的圆弧半径为R。则汽车对桥的压力多大？
4．如果汽车速度不断变大，会出现什么情况？
5．当你坐车经过如图6所示因下陷形成的凹形路面时，你有什么感觉?汽车在最低点时对路面的压力会有什么特点？
6．为了求解前面问题,凹形路面可近似看作什么形状?汽车过凹形路面可近似看作什么运动？受力情况怎样？
7．若质量为m的汽车在凹形路面上以速度v行驶，路面的圆弧半径为R。则汽车对凹形路面最低点的压力多大？
8．拱形桥压力小于重力与凹形路面压力大于重力的原因是什么?与电梯中的超、失重现象原因是否相同？
9．汽车以恒定的速度v通过如下地段，在图7中哪个位置更容易爆胎？
教学建议：
（1）思维引导建议：汽车在不平的路面上行驶的感觉学生都有,首先让学生建立生活体验与路面状态的对应关系,再通过建立物理模型,用物理知识加以解释。拱形桥和凹形路面两个模型的建立与前面类似，需要通过运动分析、受力分析，还要有一些近似处理，如看作是圆形。问题8的讨论有利于知识的联系和对本质的把握，也为下面超、失重的讨论做了准备。
（2）教学活动建议：对问题1、5，可让学生独立回答，其他同学可发表不同意见；对问题2、6，可让学生独立思考后回答，并作出受力分析图和确定向心加速度方向，其他同学进行补充和完善；对问题3、7，应让学生独立求解并展示，其他同学评价与补充；对问题4、7、8，可让学生独立思考后回答，其他同学补充。
任务3：探究航天器中的失重现象
问题情景：如图8、9、10所示。
问题
1．如图8、9，太空中的小球与陀螺相对于太空舱处于静止状态，没有下落。它们受到地球对它的引力吗？为什么？
2．如图10所示，地球可以看作一个巨大的拱型桥，汽车速度多大时，支持力会变成0？此时汽车是否就成了环绕地球飞行的物体？
3．如图9所示,站在太空舱中的王亚萍对太空舱的作用力有多大？要回答这个问题首先应该做什么？
4．王亚萍相对地球做什么运动?半径近似为多少？受什么力的作用？向心加速度方向向哪？
5．你所列的方程是怎样的？求解得到的答案是什么？
6．电梯、过拱型桥和太空中都可能出现完全失重现象（压力或拉力为零），它们的本质相同吗？
（1）思维引导建议：通过观察太空中的现象，认识完全失重现象，首先通过用汽车过桥类比，再严格建立运动模型后求解。要注意引导学生关注研究对象的变化，从小球与陀螺，到汽车，再到航天员。
（2）教学活动建议：对问题1，学生回答，其他同学补充；对问题2，因是前面过桥模型的拓展，可要求学生独立求解，然后回答；对问题3，学生回答，其他同学补充；对问题4、5，让学生独立求解后展示，其他同学评价与补充；对问题6，可在学生独立思考的基础上，小组讨论，教师根据情况决定是否补充说明。
任务4：理解离心现象
问题情景：如图11、12所示。
问题
1．如图11，如果汽车速度过大或开到了结冰的路面，会出现什么现象？原因是什么？
2．如图12，洗衣机甩干桶的转速达到一定值时,衣服上的水会被甩出，为什么？取出脱水后的衣服时，是放在桶中心的衣服干一些，还是外面的干一些？为什么？
3．洗完手后，你常常会甩几下手，这样做的目的是什么？要甩的更加干净，可以怎么做？
4．生活中还有哪些地方是利用了离心现象？
教学建议：
（1）思维引导建议：汽车滑移、洗衣机脱水和洗完手后甩几下，都是学生熟悉的现象，要引导用所学的知识分析、解释这些现象。
（2）教学活动建议：对问题1，可让学生思考后回答，其他同学补充完善；对问题2，可先让学生思考，然后小组讨论再回答，其他小组同学补充完善；对问题3、4，可让学生思考后回答，其他同学补充完善。