向心力 向心加速度的教學設計

　　一、教學目標

　　1．物理知識方面：

　　(1)理解勻速圓周運動是變速運動；

　　(2)掌握勻速圓周運動的線速度、角速度、周期的物理意義及它們間的數量關系；

　　(3)初步掌握向心力概念及計算公式。

　　2．通過勻速圓周運動、向心力概念的建立過程，培養學生觀察能力、抽象概括和歸納推理能力。

　　3．滲透科學方法的教育。

　　二、重點、難點分析

　　向心力概念的建立及計算公式的得出是教學重點，也是難點。通過生活實例及實驗加強感知，突破難點。

　　三、教具

　　1．轉臺、小傘；

　　2．細繩一端系一個小球(學生兩人一組)；

　　3．向心力演示器。

　　四、主要教學過程

　　(一)引入新課

　　演示：將一粉筆頭分別沿豎直向下、水平方向、斜向上拋出，觀察運動軌跡。

　　復習提問：粉筆頭做直線運動、曲線運動的條件是什么？

　　啟發學生回答：速度方向與力的方向在同一條直線上，物體做直線運動；不在同一直線上，做曲線運動。

　　進一步提問：在曲線運動中，有一種特殊的運動形式，物體運動的軌跡是一個圓周或一段圓弧(用單擺演示)，稱為圓周運動。請同學們列舉實例。

　　(學生舉例教師補充)

　　電扇、風車等轉動時，上面各個點運動的軌跡是圓……大到宇宙天體如月球繞地球的運動，小到微觀世界電子繞原子核的運動，都可看做圓周運動，它是一種常見的運動形式。

　　提出問題：你在跑400米過彎道時身體為何要向彎道內側微微傾斜？鐵路和高速公路的轉彎處以及賽車場的環形車道，為什么路面總是外側高內側低？可見，圓周運動知識在實際中是很有用的。

　　引入：物理中，研究問題的基本方法是從最簡單的情況開始。

　　板書：勻速圓周運動

　　(二)教學過程設計

　　思考：什么樣的圓周運動最簡單？

　　引導學生回答：物體運動快慢不變。

　　板書：1．勻速圓周運動

　　物體在相等的時間里通過的圓弧長相等，如機械鐘表針尖的運動。

　　思考：勻速周圓運動的一個顯著特點是具有周期性。用什么物理量可以描述勻速圓周運動的快慢？

　　(學生自由發言)

　　板書：2．描述勻速圓周運動快慢的物理量

　　恒量。

　　當t很短，s很短，即為某一時刻的瞬時速度。線速度其實就是物體做圓周運動的瞬時速度。當物體做勻速圓周運動時，各個時刻線速度大小相同，而方向時刻在改變。那么，線速度方向有何特點呢？

　　演示：水淋在小傘上，同時搖動轉臺。觀察：水滴沿切線方向飛出。

　　思考：說明什么？

　　師生分析：飛出的水滴在離開傘的瞬間，由于慣性要保持原來的速度方向，因而表明了切線方向即為此時刻線速度的方向。

　　板書：方向：沿著圓周各點的切線方向。如圖3。

　　單位：rad/s。

　　(3)周期：質點沿圓周運動一周所用的時間。如：地球公轉周期約365天，鐘表秒針周期60s等，周期長，表示運動慢。

　　(角速度、周期可由學生自己說出并看書完成)

　　板書：(師生共同完成)

　　思考：物體做勻速圓周運動時，v、ω、T是否改變？(ω、T不變，v大小不變、方向變。)

　　講述：勻速周周運動是勻速率圓周運動的簡稱，它是一種變速運動。

　　提出問題：勻速圓周運動是一種曲線運動，由物體做曲線運動的條件可知，物體必定受到一個與它的速度方向不在同一條直線上的合外力作用，這個合外力的方向有何特點呢？

　　學生小實驗(兩人一組)：

　　線的一端系一小球，使小球在水平面內做勻速圓周運動。小球質量很小(可用橡皮塞等替代)，甩動時線速度盡量大，小球重力與拉力相比可忽略，以保證拉線近似在水平方向。

　　觀察并思考：

　　①小球受力？

　　②線的拉力方向有何特點？

　　③一旦線斷或松手，結果如何？

　　(提問學生后板書并圖示)

　　概括：要使物體做勻速圓周運動，必須使物體受到與速度方向垂直而指向圓心的力作用，故名向心力。

　　板書：3．向心力：物體做勻速圓周運動所需要的力。

　　提出問題：向心力的大小跟什么因素有關？

　　(學生自己設想，用剛才的儀器做小實驗，憑感覺粗略體驗。學生經實驗、討論有了自己的看法后，自由發言。)

　　演示實驗(驗證學生的設想)：研究向心力跟物體質量、軌道半徑r、角速度ω的定量關系。

　　提問：實驗時能否讓三個量同時變。

　　保持兩個量不變，使一個量變化。

　　實驗裝置：向心力演示器。

　　演示：搖動手柄，小球隨之做勻速圓周運動。

　　提問：向心力由什么力提供？如何測量？

　　小球向外壓擋板，擋板對小球的反作用力指向轉軸，提供了小球做勻速圓周運動的向心力，兩力大小相等，同時小球壓擋板的力使擋板另一端壓縮套在軸上的彈簧，彈簧被壓縮的格數可以從標尺中讀出，即顯示了向心力大小。

　　演示內容：

　　①向心力與質量的關系：ω、r一定，取兩球使A=2B觀察：(學生讀數)FA=2FB結論：向心力F∝

　　②向心力與半徑的關系：、ω一定，取兩球使rA=2rB觀察：(學生讀數)FA=2FB結論：向心力F∝r

　　③向心力與角速度的關系：、r一定，使ωA=2ωB觀察：(學生讀數)FA=4FB結論：向心力F∝ω2

　　歸納：綜合上述實驗結果可知：物體做勻速圓周運動需要的向心力與物體的質量成正比，與半徑成正比，與角速度的二次方成正比。但不能由一個實驗、一個測量就得到一般結論，實際上要進行多次測量，大量實驗，但我們不可能一一去做。同學們剛才所做的實驗得出：、r、ω越大，F越大；若將實驗稍加改進，如課本中所介紹的小實驗，加一彈簧秤測出F，可粗略得出結論(要求同學回去做)。我們還可以設計很多實驗都能得出這一結論，說明這是一個帶有共性的結論。測出、r、ω的值，可知向心力大小為：F=rω2。

　　反饋練習：

　　①對于做勻速圓周運動的物體，下面說法正確的是：A速度不變；B速率不變；C角速度不變；D周期不變。

　　②如圖7為一皮帶傳動裝置，在傳動過程中皮帶不打滑。試比較輪上A、B、C三點的線速度、角速度大小。

　　③物體做勻速圓周運動所需要的向心力跟半徑的關系，有人說成正比，有人說成反比。你對這兩種說法是如何理解的？

　　④(前后呼應)解釋跑400彎道時身體為何要傾斜等一類問題。(火車拐彎要求課后看書)

　　五、課堂小結

　　1．科學方法

　　①點明建立概念的過程：是通過大量實例，概括抽象出本質的內容，即由個別到一般的思維過程。

　　②點明實驗歸納的過程：必須經過多次實驗，必須有足夠的事實，由多個特殊的共同結論才能歸納出一般情況下的結論。

　　2．知識內容：(見板書)

　　3．對向心力的理解：向心力并不是一種特殊性質的力，它的名稱只是根據始終指向圓心這一作用效果來命名的。下節課再進一步討論。

　　六、說明

　　1．向心力、向心加速度的講授順序。向心力概念的建立有兩條途徑：一是先通過實驗建立向心力概念，歸納出向心力公式，再推出向心加速度；二是先通過理論推導導出向心加速度，再推出向心力。

　　先講加速度，理論推導嚴謹，又能訓練學生的推理能力，但方法較抽象，對基礎差的學生難度較大。考慮到我所任班級學生的實際情況，我選用了先講向心力，降低了難度，便于學生理解、接受，現行必修教材采用的也是這一順序。不足之處是：由于實驗存在誤差，只能粗略得出結論，而且課堂不可能做很多實驗，實驗歸納的事實不足。解決的關鍵是盡量減小實驗誤差，補充實例，彌補實驗事實不足的缺陷。

　　2．對向心力的教學，本節完成了感知、概括、定義，即完成了個別到一般的過程和簡單的再認。而進一步的再認即一般到個別，留待下節完成，所以本節對向心力的要求教學目標定為初步掌握。