物理7.生活中的圆周运动第一课时教学设计

【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，也为教学活动中的“生成”搭建舞台。其设计特色有二，其一，密切联系和关注时代的发展和社会的进步（火车提速）；其二，创造性地利用现代化仪器和设备进行实验为教学服务，突破教学难点。

【教材分析】

《课程标准》要求学生能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。这就要求学生首先要知道什么是向心力，明确向心力与向心加速度的关系，然后应用牛顿第二定律布列方程。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，学习它有助于了解物理学的特点和研究方法，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。

【学情分析】

在学习本节内容之前，学生已学习了描述圆周运动的运动学量（如线速度、角速度、向心加速度等）和向心力；并已知道对于一般的曲线运动，尽管这时曲线各个地方的弯曲程度不一样，但在研究时只要取足够短的一小段，就可以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，存在一些错误的前概念，例如部分学生错误地理解为因为圆周运动而产生了向心力。

　　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。

【教学目标】

（1）巩固向心力和向心加速度的知识；

（2）会在具体问题中分析向心力的来源；

（3）会用牛顿第二定律解决生活中较简单的圆周运动问题。

【教学重点】

用牛顿第二定律列方程

【教学难点】

1. 分析具体问题中向心力的来源；
2. 理解超重和失重。

【课前准备】电子秤；自制轨道；小球；纸箱；数码相机；三角架；电脑多媒体。

【教学过程】

1. 引入课题

师：生活中圆周运动的例子很多，你能列举一些吗？

生： ……

师：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：组织、鼓励学生向老师提问有关圆周运动的问题。

生：积极提问。

师：对学生的提问，教师首先要肯定其勇气，并告诉学生他们所提的问题多数会在这堂课中得到解决，这堂课将深入分析圆周运动的几个特例，解决圆周运动问题的关键是分析向心力的来源，应用的规律仍然是牛顿第二定律，与前面所学的知识大同小异。

    点评：传统教学中常见的是老师问、学生答，学生处于被动的地位。而现在推行的新课程强调以学生为主体，因此我们要把提问权还给学生。 “提出问题往往比解决问题更重要”，善于提出问题或发现问题是学生自主学习与主动探求知识的生动表现。在质疑状态下的学生取之所需，求知欲强，学生主动地参与到学习中去，学习兴趣高，学习效率高。

2. 实例1——拐弯（水平面内的圆周运动）

师：首先，让我们一起来看汽车拐弯（播放一段汽车拐弯侧翻的视频，如图1）。

生：观察和思考（学生兴致高涨）

师：汽车为什么没能安全拐弯呢？影响汽车能否安全拐弯的因素又有哪些呢？相信这些正是同学在思考的问题，请同学们用物理学的方法来分析一番（投影汽车拐弯示意图，如图2）。（提示先是受力分析，然后分析由谁来提供向心力，最后应用牛顿第二定律列出动力学方程，分析供求关系。）  

生：汽车受到的力有重力、支持力、牵引力、摩擦力。其中向心力由沿转弯半径指向里面的静摩擦力提供（教师在图2中画出）。

师：那圆周运动需要的向心力是什么呢？

生：是；

师：如果要让汽车安全拐弯需要满足怎样的关系？（即动力学方程）

生：动力学方程为　。

师：汽车没能安全拐弯的原因是什么？

生：是因为汽车速度太大，因而需要的向心力太大，或者说静摩擦力提供的向心力不够大。

师：那在怎样的情况下汽车恰好能安全拐弯呢？

生：最大静摩擦力等于拐弯所需要的向心力。

师：板书，并指明ｖ0为临界速度。那么，在不改变汽车行驶速度的情况下，要让汽车安全拐弯，我们可以怎么办？

生：增大摩擦因数、减小汽车质量、增大转弯半径。

师：减小汽车质量，真的可以转危为安吗？

生：思索后发现，等式两边质量可以消去，即与质量无关。

师：刚才我们根据摩擦力提供向心力分析了汽车拐弯的安全问题，有没有办法让其他力来提供向心力呢？停顿一段时间后展示赛车跑道图片（如图3）。

生：观察和思考后发现，可以让路面倾斜。

师：引导学生用物理知识分析为什么让路面倾斜可以增加拐弯的安全性。

生：先是受力分析，然后进行力的合成或力的分解来分析向心力的来源，并与同学讨论、交流其正确性。

师：巡视并及时纠正学生的错误，如将重力和支持力的合力画成沿斜面向下。提醒学生向心力必须指向圆心，因而肯定是在水平面内。展示公路拐弯处的限速牌（如图4），请学生分析在确定限速值时需要考虑哪些因素？

生：公路的倾斜程度，摩擦因素，转弯半径以及车流量等。

师：学习了与汽车拐弯有关的物理知识后，再让我们来看看火车，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？（展示图6）请描述它们的特点？

图5　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6

生：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？

生：（联想到赛车跑道）使铁路弯道倾斜。

师：如果能根据转弯半径R和火车速度V来设计内、外轨高度差或倾斜角，使转弯时所需要的向心力刚好由重力和支持力的合力来提供，那么外轨就不再受轮缘的挤压，从而可以大大延长使用寿命（动画演示）。请同学们写出这种情况下牛顿第二定律的表达式？

生： 。

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。

点评：传统教学中强调的是如何把知识讲清楚、讲透彻，而新课程强调的是自主探究，充分展示过程和方法，实现学习方式的多样化，贯彻从生活走向物理，从物理走向社会，突出STS思想，展现物理学科的人文价值。通过汽车拐弯问题的分析，为学生自主探究火车拐弯的问题搭设了台阶，并紧密联系到我国最近的第六次火车大提速，由于赋予了实践的背景，有效地调动了学生的积极性，物理知识被活化了，学生跟物理学的距离便一下子拉近了许多，同时，也让学生因为当了一回工程师而获得了一次很好的情感体验。