资源简介

第6章 圆周运动
第2节 向心力
教学内容分析
《向心力》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修2模块中“曲线运动与万有引力定律”主题下的内容，课程标准要求为：“通过实验，探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系。能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。”本节教材设计从特殊到一般，从定性到定量的科学探究过程，是牛顿运动定律咋曲线运动中的应用，进一步深化运动和相互作用观念，教材从匀速圆周运动速度方向变化，加速度不为零，受到的合力不为零，体现力是运动状态改变的原因。通过具体的匀速圆周运动受到的合力指向圆心，得到向心力概念，并指出向心力是根据力的作用效果命名。通过定性活动感受向心力与物体质量、角速度和半径有关，进一步使用向心力演示器定量探究，让学生设计实验步骤，体现控制变量思想，体现新教材中的科学探究理念.
学情分析
学生已学习过牛顿第二定律，知道力是改变运动状态的原因。通过第一节的学习，了解匀速圆周运动是变速运动，从而不难理解匀速圆周运动加速度一定不为零，受到的合力不为零，从而引出新的问题：受到的合力方向指向如何？合力大小是多少？学生能够对物体进行受力分析，可以对具体匀速圆周运动情境受力分析，得到合力指向圆心的结论，向心力的方向对学生不难理解.用绳拉着物体做圆周运动，学生实际生活有类似的体验，能够了解影响向心力大小的因素，得到向心力半径、角速度和质量的定性关系，进一步定量探究得到定量表达式.本节难点是设计实验方案定量探究向心力的表达式以及对物体受力分析，找到向心力来源求解物体的角速度或线速度.
教学目标
学生知道向心力是根据力的效果命名的，会分析向心力的来源.
学生通过活动感受影响向心力大小的因素，通过实验探究它们之间的关系.
学生掌握向心力的表达式，能够计算简单情境中的向心力.
学生知道变速圆周运动和一般曲线运动的分析方法.
教学重难点
教学重点：理解向心力的概念、分析向心力来源
教学难点：分析向心力来源
教学方法：分组实验探究、启发式教学、演示实验
教学过程
新课引入
用PPT动画模拟匀速圆周运动，并画出各点的速度方向示意图.
问题1：匀速圆周运动速度变化吗？“匀速”是什么含义？
速度方向变化→速度变化→加速度a不为零→合力F不为零
问题2：物体做匀速圆周运动，合力大小是多少？合力方向如何？
新课教学
1、向心力
展示图片1：地球绕太阳做匀速圆周运动
图 1
问题1：地球受到哪些力？
问题2：地球受到的合力方向指向哪里？
展示动态图片2：小球在光滑水平面内做匀速圆周运动
图 2
问题3：小球受到哪些力？画出受力示意图.
问题4：小球受到的重力和支持力FN相等吗？为什么？
问题5：合力是多少？合力方向指向哪里？
展示圆锥摆：介绍圆锥摆构造，用几何画板模拟圆锥摆运动，并用几何画板的“追踪线段”功能显示绳转动时围成的圆锥.
图 3 圆锥摆
问题6：小球(视为质点)受到哪些力？
问题7：合力指向哪里？
向心力：做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向圆心，这个指向圆心的力叫作向心力.物体做匀速圆周运动，速率不变，向心力只改变线速度的方向，不改变线速度的大小.向心力是某个力或者几个力的合力提供，根据力的作用效果命名.
问题8：上述三幅情境中，向心力分别是由什么力提供？
演示实验 物体在圆盘上跟随圆盘匀速转动

问题：物体受到哪些力？向心力由什么力提供？
物体受重力mg(竖直向下)、弹力FN(竖直向上).在竖直方向上，物体受力平衡，FN=mg。静摩擦力f静在水平面内，作为向心力，指向圆心.
2、向心力的大小
定性感受向心力的大小及影响因素
感受向心力
课外活动：安排学生提前在空旷场地进行课外活动：用绳悬吊一物体，近似匀速摇动，使得物体做匀速圆周运动.通过计数控制物体转动的角速度和周期.改变物体的质量和绳与物体间的距离，感受向心力与哪些因素有关.
问题1：物体受到哪些力？(忽略空气阻力、风力等次要因素)
问题2：向心力由什么力提供？
物体转动角速度较大，质量较小时，重力相对于绳的拉力可忽略，可认为绳的拉力提供向心力.
问题3：通过活动，你认为向心力与哪些因素有关？向心力与这些因素有何定性关系？
定量探究向心力大小的表达式
阅读教材
28-29页 实验：探究向心力大小的表达式，思考下列问题：
问题1：向心力演示器由哪些部分组成？
问题2：小球做圆周运动，向心力由什么力提供？
问题3：向心力演示器如何测量向心力的大小？
问题4：如何设定钢球的轨道半径？如何改变转动的角速度？
问题5：实验的基本思路是什么？如何设计实验步骤？
学生活动：将学生分成若干学习小组，每组一台向心力演示器，结合器材认识向心力演示器的构造，测量向心力大小的方法.
教师活动：对学生的回答补充完善，师生确立控制变量的基本实验思想，完善实验步骤.制定不同组分别研究向心力与角速度、质量和轨道半径的关系.
选择三组学生代表汇报小组实验结果。
向心力大小：Fn=mω2r
利用v=ωr，Fn=m
利用ω = ，Fn=m（）2r
例题1 圆锥摆 小球在水平面内做圆周运动，绳长为L，与竖直方向夹角为θ，求小球的角速度大小和线速度大小.重力加速度为g.
答案：ω= v=
分析：角速度ω越大，轻绳与竖直方向夹角θ越大.
练习1 质量为m的物体放在粗糙转盘上，动摩擦因数为μ，到转轴中心距离为R.物体始终与转盘保持相对静止，求转盘转动的最大角速度.最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g.
答案：ωmax=
3.变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点
演示实验 小球在竖直圆轨道内做圆周运动
问题1：小球的轨迹是什么形状？
问题2：小球在不同位置速率相等吗？哪个位置速率最大？
问题3：小球受到哪些力？合力指向圆心吗？
问题4：小球做变速圆周运动，速度方向是否变化？需要向心力吗？
问题5：向心力的来源是什么？
问题6：小球的速率为何会改变？
径向：FN-mgsinθ=m
切向：Ft=mgcosθ，与线速度v共线，改变线速度大小.
一般情况下，对于变速圆周运动，合力F不指向圆心，将合力F分解为向心力Fn和切向力Ft，Fn只改变线速度方向，不改变线速度大小，Ft与v共线，改变线速度大小。Ft与v同向，线速度v增大；Ft与v反向，线速度v减小.
速度增大 速度减小
一般的曲线运动：学生自主学习教材30页
课堂小结：1.匀速圆周运动
向心力：指向圆心，只改变线速度方向。向心力是物体受到的合力.
2.变速圆周运动
F不指向圆心，合力分解为向心力Fn和切向力Ft。
3.一般的曲线运动
作业：30页第3题、41页第7题
板书设计
§ 6.2 向心力
1、向心力
(1)向心力 Fn 合力
(2)方向：指向圆心
(3)作用：只改变线速度方向
2、向心力的大小
Fn=mω2r Fn=m Fn=m()2r
3、变速圆周运动和一般的曲线运动
变速圆周运动：F不指向圆心 Fn改变线速度方向 Ft改变线速度大小
教学反思
学生设计探究实验方案能力较差，教学时应对学生多加以引导，利用控制变量法，制定实验步骤，设计记录表格，逐步提高学生的实验设计能力，处理数据的能力。对于匀速圆周运动，应通过典型例题训练求解向心力大小和匀速圆周运动的半径.

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