高二物理《向心力和向心加速度》教學(xué)設(shè)計(jì)
新課程強(qiáng)調(diào)“將學(xué)習(xí)的重心從過(guò)分強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳承和積累向獲取知識(shí)的探究過(guò)程轉(zhuǎn)化，從學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)獲取知識(shí)轉(zhuǎn)化，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的精神”。為此本教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施就是采用學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和教師演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)法。
教學(xué)內(nèi)容
《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理（2）》（司南版）
教學(xué)目標(biāo)
1、知識(shí)與技能
�。�1）知道向心力，通過(guò)實(shí)例認(rèn)識(shí)向心力的作用及向心力的來(lái)源
�。�2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解向心力的大小與哪些因素有關(guān)系，能運(yùn)用向心力公式進(jìn)行計(jì)算。
�。�3）知道向心加速度及其公式，能運(yùn)用牛頓第二定律分析勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和向心加速度。
2、過(guò)程與方法
�。�1）經(jīng)歷形成向心力概念的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、歸納能力。
�。�2）通過(guò)創(chuàng)設(shè)一定的問(wèn)題情境，讓學(xué)生經(jīng)歷探索向心力F與哪些因素有關(guān)的過(guò)程，學(xué)習(xí)控制變量法，培養(yǎng)學(xué)生分析論證等能力。
3、情感態(tài)度與價(jià)值觀
學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法和科學(xué)研究態(tài)度，發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，使學(xué)生樂(lè)于探究自然界的奧秘，體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)參與活動(dòng)的熱情和與他人合作的精神，有將自己的見(jiàn)解與他人交流的愿望，敢于堅(jiān)持正確觀點(diǎn)，勇于修正錯(cuò)誤，具有團(tuán)隊(duì)精神。
教材分析
《向心力和向心加速度》是司南版必修2第三章第二節(jié)。本節(jié)是本章承上啟下的重要知識(shí)，學(xué)好這一節(jié)可以為學(xué)好本章應(yīng)用部分以及萬(wàn)有引力的應(yīng)用作必要準(zhǔn)備。 教材先講向心力，后講向心加速度，回避了用矢量推導(dǎo)向心加速度這個(gè)難點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例給出向心力概念，再通過(guò)探究性實(shí)驗(yàn)給出向心力公式F=mrω2或 F=mv2/r，之后直接應(yīng)用牛頓第二定律得出向心加速度的表達(dá)式a=rω2或a=v2/r，順理成章，便于學(xué)生接受。
學(xué)情分析
在前面的教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)。知道描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的物理量有線速度、角速度、周期、轉(zhuǎn)速等，并理解它們之間的關(guān)系。知道在傳動(dòng)裝置中，共軸的輪子上各點(diǎn)的角速度相等；皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)（不打滑）中，凡和皮帶接觸的點(diǎn)，線速度的大小相等。這些都為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。但學(xué)生只是表面知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種變速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗木�速度方向時(shí)刻在變，更深一步來(lái)分析，為什么線速度的方向時(shí)刻在變？是什么力來(lái)改變物體的這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)力有何特點(diǎn)？學(xué)生將帶著這些疑問(wèn)來(lái)進(jìn)入本節(jié)課的學(xué)習(xí)。
教學(xué)過(guò)程
一、引入新課
1、 設(shè)置情景
教師做“水流星”實(shí)驗(yàn),并設(shè)下疑問(wèn)：為什么盛水的杯子以一定的速度做圓周運(yùn)動(dòng)，水不從杯里灑出，甚至杯子在豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，杯口已經(jīng)朝下，水也不會(huì)從杯里灑出來(lái)？
[在課堂上創(chuàng)設(shè)真實(shí)可見(jiàn)的物理情景，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，使學(xué)生產(chǎn)生懸念，激發(fā)好奇心和探索欲望，培養(yǎng)學(xué)生把生活與物理聯(lián)系一起的習(xí)慣。]
2、 復(fù)習(xí)提問(wèn)
�。�1）什么是勻速圓周運(yùn)動(dòng)?
�。�2）“勻速”的含義是什么？
在上節(jié)課的基礎(chǔ)上，學(xué)生很快得出答案。教師引導(dǎo)學(xué)生分析：由于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向時(shí)刻在變，所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)是變速曲線運(yùn)動(dòng)。而力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。那么做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受合外力一定不為零。那么物體所受的外力有何特點(diǎn)？加速度怎樣呢？指出：這兩個(gè)問(wèn)題即是我們這節(jié)課要研究的問(wèn)題，且通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí)大家即可自行解釋前面小實(shí)驗(yàn)的因果。
[采用這樣的導(dǎo)入法是在復(fù)習(xí)舊知識(shí)的基礎(chǔ)上，提出將要進(jìn)一步研究的問(wèn)題，從而使學(xué)生對(duì)講授的新內(nèi)容產(chǎn)生迫切求知的欲望，主動(dòng)積極開(kāi)展思維活動(dòng)，進(jìn)入新課的學(xué)習(xí)。同時(shí)能給學(xué)生一種知識(shí)的整體感。]
二、向心力
1、實(shí)驗(yàn)探究“小球在光滑水平面做圓周運(yùn)動(dòng)”。
�。�1）、步驟
�、僖粋�(gè)小球，拴在繩的一端，繩的另一端固定于桌上，原來(lái)細(xì)繩處于松馳狀態(tài)
�、谟檬州p擊小球，觀察繩繃直前后小球的運(yùn)動(dòng)情況。
�。�2）、借助課件引導(dǎo)學(xué)生討論、分析：
�、倮K繃緊前，小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)，小球受到哪些力的作用？
�、诶K繃緊后，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，小球受到哪些力的作用？合外力是哪個(gè)力？這個(gè)力的方向有什么特點(diǎn)？這個(gè)力起什么作用？
（3）、通過(guò)討論得到：
�、僮鰣A周運(yùn)動(dòng)的物體始終受到一個(gè)指向圓心的力的作用，這個(gè)力叫向心力。
�、谙蛐牧χ赶驁A心，方向不斷變化。是變力。
�、巯蛐牧Φ淖饔眯Ч桓淖冞\(yùn)動(dòng)物體的速度方向，不改變速度大小。
[這實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易做，效果明顯，通過(guò)親身感受學(xué)生獲得了成功的樂(lè)趣。討論時(shí)教師應(yīng)適時(shí)介入引導(dǎo)學(xué)生得出正確的結(jié)論。]
2、課件展示動(dòng)畫(huà)：（1）圓錐擺 （2） 物體相對(duì)轉(zhuǎn)盤靜止，隨盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng) （3）汽車轉(zhuǎn)彎 （4）衛(wèi)星繞地球運(yùn)行
3、向心力的來(lái)源：通過(guò)對(duì)以上四個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例的分析得出向心力的來(lái)源可以是某一個(gè)力（重力、彈力、摩擦力）或幾個(gè)力的合力，也可以是某個(gè)力的分力。
4、應(yīng)用：學(xué)生嘗試解釋“水流星”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
[向心力的來(lái)源是學(xué)生在本章學(xué)習(xí)中的一個(gè)難點(diǎn)，用多媒體呈現(xiàn)直觀刺激材料，易引起學(xué)生注意，提高學(xué)習(xí)興趣。 圓錐擺等現(xiàn)象中，物體都做圓周運(yùn)動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)方面的共性，由此啟發(fā)學(xué)生對(duì)這些物體的受力進(jìn)行分析，尋找受力方面的共性，使學(xué)生經(jīng)歷了分析、比較、歸納等思維過(guò)程，也體驗(yàn)到了成功的喜悅。學(xué)生在未來(lái)的學(xué)習(xí)中可能將向心力當(dāng)成獨(dú)立的一個(gè)力，教師此時(shí)應(yīng)特別指出：受力分析時(shí), 不能多出一個(gè)向心力。且①物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，向心力就是物體所受到的合外力。②物體做非勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，向心力物體并非是所受到的合外力。]
三、 向心力的大小
1、 實(shí)驗(yàn)探究：感受向心的大小
讓學(xué)生利用身邊的材料如鑰匙串、橡皮擦、筆、細(xì)繩等動(dòng)手實(shí)驗(yàn)并感受向心的大小。
�。�1）讓學(xué)生用細(xì)線聯(lián)結(jié)鑰匙串、橡皮擦、筆等，然后拉住繩的一端，讓鑰匙串、橡皮擦、筆等盡量做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，改變轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢、細(xì)線的長(zhǎng)短多做幾次。
�。�2）引導(dǎo)學(xué)生猜想：向心力的大小可能與物體的質(zhì)量、角速度、半徑有關(guān)。因此在探究向心力大小實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采用控制變量法來(lái)研究這一問(wèn)題。
[該小實(shí)驗(yàn)在此做了改動(dòng)，與課本上的不盡相同。做該實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生的感受更直接，更易操作。提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)使物體盡可能在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，這樣繩的拉力近似等于向心力。]
課件展示：
2、 實(shí)驗(yàn)探究向心力大小
（1）實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法
�。�2）介紹向心力演示器的構(gòu)造和使用方法。
（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程
�、儋|(zhì)量不同的鋼球和鋁球，當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)的半徑r和角速度ω相同時(shí)，比較向心力的大小
�、趦蓚�(gè)質(zhì)量相同的小球，保持運(yùn)動(dòng)半徑相同，觀察向心力與角速度之間的關(guān)系
�、蹆蓚�(gè)質(zhì)量相同的小球，保持小球運(yùn)動(dòng)的角速度相同，觀察向心力的大小與運(yùn)動(dòng)半徑之間的關(guān)系
�。�4）實(shí)驗(yàn)記錄表格
實(shí)驗(yàn)質(zhì)量比值(m1:m2)半徑比值(r1:r2)角速度比值(ω1:ω2)向心力近似比值(F1:F2)123
（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
�、賹�(shí)驗(yàn)表明物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力大小為：
F=mω2r （式中F表示向心力，m表示物體的質(zhì)量，ω是物體做圓周運(yùn)動(dòng)的'角速度，r是所做圓周運(yùn)動(dòng)的圓周半徑。）
�、趹�(yīng)用線速度和角速度的關(guān)系，上述公式可變形為：
F=mv2/r （式中v是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度）
[對(duì)于控制變量法學(xué)生已有一定程度的認(rèn)知，因此在學(xué)生的自主探究并提出猜想后通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)師生一起探究最后得出向心力大小的關(guān)系式。在介紹向心力演示器的構(gòu)造和使用方法時(shí)教師可結(jié)合傳動(dòng)裝置中，共軸的輪子上各點(diǎn)的角速度相等，皮帶傳動(dòng)（不打滑）中，凡和皮帶接觸的點(diǎn)，線速度的大小相等這一知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生思考怎樣控制角速度不變。當(dāng)學(xué)生明白這一問(wèn)題后，教師的演示也可換成學(xué)生的演示。不然，臺(tái)上的忙得不亦樂(lè)乎，臺(tái)下的卻不知所以然，純看熱鬧。]
四、向心加速度：
�、� 定義: 由向心力產(chǎn)生的加速度叫向心加速度。
2、物理意義: 它是表示速度方向變化快慢的物理量。
3、向心加速度的大小與方向
�。�1）引導(dǎo)學(xué)生利用牛頓第二定律推導(dǎo)出向心加速的表達(dá)式----a=ω2r.
向心力的大小還可以用F=mν2/r來(lái)表達(dá)，同樣向心加速度也可表示為--a=ν2/r.
（2）方向：與向心力的的方向一致。沿半徑指向圓心，方向不斷變化，所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)是變加速運(yùn)動(dòng)。
4、動(dòng)動(dòng)腦：a=ω2r、a=ν2/r ，a與r究竟是成正比呢，還是成反比？
指出：當(dāng)w一定時(shí)，a∝r
當(dāng)v一定時(shí)，a∝1/r
5、課本例題：在航空競(jìng)賽場(chǎng)里，由一系列路標(biāo)塔指示飛機(jī)的飛行路徑。在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，飛行員能承受的最大向心加速度大小約為6g(g為重力加速度)。設(shè)一飛機(jī)以150 m/s的速度飛行，當(dāng)加速度為6g時(shí)，其路標(biāo)塔轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)該為多少?
六、小結(jié)[在小結(jié)中需給學(xué)生指出,向心力和向心加速度的公式雖然是從勻速圓周運(yùn)動(dòng)中推導(dǎo)出來(lái)的,但這些公式對(duì)變速圓周運(yùn)動(dòng)中求某點(diǎn)的向心力和向心加速度也適用.]
七、作業(yè)：P72 3、4、5小題
設(shè)計(jì)思路
向心力和向心加速度是高中物理的一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生對(duì)于向心力一直很難理解。為了突破重點(diǎn)，難點(diǎn)，本節(jié)課本節(jié)首先通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)可見(jiàn)的物理情景，激發(fā)他們的求知欲，引起學(xué)習(xí)的興趣。然后學(xué)生親身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究來(lái)感受向心力。當(dāng)學(xué)生對(duì)向心力的概念有了一定的認(rèn)識(shí)后，就進(jìn)一步提出向心力的大小與哪些因素有關(guān)呢？再讓學(xué)生動(dòng)手完成感受向心力大小的小實(shí)驗(yàn)后做出猜想，然后借助了向心力演示器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得出了向心力公式。接著運(yùn)用牛頓第二定律，給出向心加速度的公式，讓學(xué)生明白勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和向心加速度的大小不變，但方向時(shí)刻在改變。
本教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施都落實(shí)了高中物理新課程的目標(biāo)要求，體現(xiàn)了新課程的精神，采取“學(xué)生自主探究，教師啟發(fā)導(dǎo)學(xué)”的新教法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生自主探究，親身體會(huì)到科學(xué)探究的過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生人人參與，親身體驗(yàn)探究過(guò)程，活躍學(xué)生思維，并在探究中突破教學(xué)難點(diǎn)。教師結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)充分利用多媒體課輔助教學(xué)，使課堂的教學(xué)效果大大提高。這是一節(jié)科學(xué)的、操作性很強(qiáng)的教學(xué)設(shè)計(jì)案例。
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