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第2节 向心力
教学任务分析
课程标准对本部分的要求是：能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力，关注圆周运动的规律与日常生活的联系。
二、学生学情分析
学生在此之前学习了牛顿运动定律及圆周运动的基本知识，并通过实验演示及分析对匀速圆周运动的规律已经掌握。但对于向心力及向心加速度的理解任然需要提高认识和理解。对于生活中有关圆周运动的知识还缺乏较深的理解。
三、教学目标
（一）知识与技能
1.能定性分析火车外轨比内轨高的原因；
2.能定量分析汽车过拱形桥最高点和凹形桥最低点的压力问题；
3.会在具体问题中分析向心力的来源；
4.会用牛顿第二定律解决生活中较简单的圆周运动问题；
5.知道离心运动及其产生的条件，了解离心运动的应用和防止。
（二）过程与方法
1.通过对匀速圆周运动的实例分析，渗透理论联系实际的观点，提高分析和解决问题的能力；
2.通过对离心现象的实例分析，提高综合应用知识解决问题的能力；
（三）情感、态度与价值观
运用生活中的事例，激发学生学习兴趣和探索动机，树立具体问题具体分析的科学观念。
四、教学重点
1.掌握处理圆周运动问题的一般步骤；
2.知道离心运动及其产生的条件，了解离心运动的应用和防止。
五、教学难点
火车轮缘与轨道的受力关系、离心运动。
六、教学流程
（一）学生上台表演，复习回顾
教师让学生上台弹唱自己作词作曲的《听我说圆周运动》
【设计意图】创造一种轻松的课堂氛围，把物理知识融入歌曲里，激发学生学习兴趣，拓宽了学生眼界。
（二）回归生活，积极探索
【环节一】火车转弯问题
1.提出问题，做好铺垫
教师：播放火车转弯的视频，同时展示火车车轮与轨道的构造，介绍火车内轮、外轮、内轨、外轨。
【设计意图】1.引导学生产生对火车问题的探究欲望，为接下来对火车转弯的探究做铺垫。
2.教师顺势提出今天研究的第一个问题火车的转弯问题——水平面内的圆周运动。
2.立足物理知识，深化探究
教师用多媒体展示火车内外轨道一样高和外轨略高于内轨时，并提出下列问题：
a.圆周运动平面是哪个？圆心、半径在哪里？
b.研究对象受到什么力？由谁提供向心力？
带着问题，教师与学生一同分析：
（1）内外轨道一样高时
由于该弹力是由轮缘和外轨的挤压产生的,且由于火车质量很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大,易损坏铁轨。
（2）外轨略高于内轨时
教师借助课本和黑板擦做演示，将课本当做斜坡、黑板擦为火车。抛出问题：圆心在哪里？
部分学生认为圆心在斜坡底端，部分学生认为圆心在水平面上。
教师演示圆心在斜坡底端的情况，发现如果是这种情况，火车转到地下了，因此圆心不可能在斜坡的底端，而是在与重心等高的位置。揭示正确答案，火车圆周运动的平面在水平面。
【设计意图】提出问题，引发学生思考与猜想。再进行演示，得出正确答案。这里实际是一个实验探究的过程。
教师在黑板板书，并与学生一起确定圆周平面、圆心、半径；再进行受力分析、确定向心力来源：重力G与支持力FN的合力F是使火车转弯的向心力；最后列方程求解。

教师用多媒体出示：
如果火车的车速比正常情况下，向心力还是原来的大小吗？由谁来提供？如果车速比正常情况大又如何？车速过快将发生什么情况？
从两个方面解释：1.需求量与供给量的平衡，即速度增大，向心力需求量增大，只靠重力G与支持力FN的合力F提供向心力已远远不够，所以外轨给轮缘一个挤压力作用；速度减小时相反；2.生活经验感受：速度增大，火车有往外跑的趋势，対外轨产生挤压，速度减小时则相反。
【练习】在水平铁路转弯处，往往使外轨略高于内轨，这是为( )
A．减轻火车轮子挤压外轨
B．减轻火车轮子挤压内轨
C．使火车车身倾斜，利用重力和支持力的合力提供转弯所需向心力
D．限制火车向外脱轨
教师带领学生简单回顾汽车转弯的情况，并向学生展示飞车杂技！
教师总结：向心力可以由一个力提供，也可以由几个力的合力提供。在研究水平面内的圆周运动的时候我们应该遵循以下三部曲：
1.找圆周运动平面、圆心、半径；
2.分析力，找向心力来源；
3.列方程。
【设计意图】本环节通过对火车转弯问题的探究，使学生掌握水平面内的圆周运动的一般研究方法。在解决问题的过程中感受物理学的伟大和源于生活高于生活的美。
【环节二】探究凹凸路面问题，并推广到拱形桥、凹形桥问题
教师讲述：去年我去了陕西，我记得从延安到西安的路上，有一段路路面凹凸不平，如果进行理想化处理就如下图一样，类似于两个圆弧组成。
车开得很快，我们担心车轮会爆胎。下面同学们思考一个问题，如果这辆车以不变的速度行驶，A、B两点哪里更容易爆胎？为什么？
学生交流和讨论：在B点更容易爆胎。
教师与学生一起分析：如果在A点对汽车进行受力分析如下左图所示，再根据圆周运动公式可得：
学生思考与练习：在B点对汽车进行受力分析，如上右图所示再根据圆周运动公式可得：
教师：果然跟你们所想的一样，车轮在B点爆胎。如果把这样的凹凸路面理想化，就可以把刚才研究凹凸路面的方法推广到研究整个竖直平面内的圆周运动，例如研究拱形桥、凹形桥问题等等。
提问：在研究凹凸路面的时候汽车是否做匀速圆周运动？向心力公式是否仍然适用呢？
学生：不是匀速圆周运动，但是向心力公式仍然适用，因为研究的只是一个瞬间。
教师：是的，向心力公式仍然适用，当时在推导向心力公式的时候就已经知道它具有瞬时性。
教师：这节课到现在为止，我们已经探究了研究水平面内的圆周运动和竖直面内的圆周运动，并分别得到了研究的方法，接下来同学们能不能总结一下研究圆周运动的一般方法。
总结：
处理圆周运动问题的一般步骤：
（1）明确研究对象，找出圆周运动平面，确定圆心和半径；
（2）进行受力分析，画出受力分析图;
（3）求出在半径方向的合力，即向心力；
（4）用牛顿第二定律结合匀速圆周运动的特点列方程求解。
【设计意图】本环节通过对凹凸路面问题的探究，使学生掌握竖直平面内的圆周运动的一般研究方法，并通过感受建立模型的过程，使学生明白模型的重要意义。此外，通过对圆周运动一般研究方法的总结，使学生的总结方法的能力得到进一步提升。
【环节三】探究离心运动
1.离心运动
教师多媒体展示图片并板书：

教师：以我们最熟悉的物块随圆盘转动为例。
提问：物块做圆周运动时受什么力作用？什么力提供向心力/
学生：物块受重力、支持力和静摩擦力作用。静摩擦力提供向心力。
教师：随着角速度的增加，根据可知，静摩擦力增大。但是静摩擦力不会无限增大。当它达到最大静摩擦力时，物块就会发生滑动。
板书并解释供给量与需求量关系如何决定物块做离心运动。总结：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失，或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动。这种运动叫做离心运动。
教师举生活实例进行类比：饭堂打饭，需求量大，供给不足，转身离开。
【设计意图】培养学生定性与定量分析的能力，并通过有趣的生活实例进行类比，提高学生学习的积极性，使学生更容易理解离心现象及其产生条件。
拓展：借助公共汽车转弯时人的感受解释离心力，并强调高中时不谈离心力，从而引出物体做离心运动的根本原因是“惯性”。
【设计意图】通过对离心现象的讨论，使学生对离心运动的认识更清晰，进一步开阔学生的思维和视野。
2.离心运动的应用与防止
教师用多媒体向学生展示日常生活中的各种离心现象，例如脱水机工作过程（水滴附着力不足以提供向心力）、制作棉花糖等等。
教师播放珠海赛车节汽车做离心运动的视频，并让学生解释现象。借用《流浪地球》很火的一句话造句，展示PPT：
【环节四】：向心运动
做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然增大，大于提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐靠近圆心的运动。
提问和画图：高空轨道卫星环绕地球运转，如何使卫星回到地面。
学生：引力一定时，减小需求量，即减小速度，卫星就能回到地面。
教师：是的。实际上不是供给在变化，而是需求量变化。
总结：如果供给量与需求量相等，一切都刚刚好。如果供给量大于需求量，物体做向心运动。如果供给量小于需求量，物体做离心运动。比如我去一家公司应聘，目标薪资是10000元，老板说只能提供5000元，那么我会做离心运动；而换了一家公司后，老板提供一万五千元，我可能做向心运动了。
【环节五】：学生总结与分享：这节课你收获了什么？
【设计意图】交给学生总结与分享，更能促进学生思考。
【环节六】作业：1、完成《全优课堂》练习； 2、选做题：根据本节课，任选一个实例制作出一个实物模型（对学有余力的同学有拔高的作用）。
五、板书

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