7/73．圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析西華師范大學(xué)曹馳四川省自貢衡川實(shí)驗(yàn)學(xué)校杜一平北師大成都實(shí)驗(yàn)中學(xué)梁翠梅【教材分析】1．體系結(jié)構(gòu)。《圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)例分析》是高中物理必修第二冊(cè)《第二章勻速圓周運(yùn)動(dòng)》第3節(jié)的內(nèi)容。2．地位作用。這節(jié)課是對(duì)前面兩節(jié)知識(shí)內(nèi)容的回顧，內(nèi)容包括圓周運(yùn)動(dòng)理論知識(shí)與實(shí)際生活相結(jié)合，即理論聯(lián)系實(shí)際解決生活中的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)也訓(xùn)練了學(xué)生的思維及動(dòng)手解決問(wèn)題的能力等。3．知識(shí)背景。本章前面兩節(jié)的學(xué)習(xí)為本節(jié)學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)，學(xué)生已有了向心力、線速度和角速度的知識(shí)積累。【學(xué)情分析】1．學(xué)生的認(rèn)知。高中一年級(jí)的學(xué)生已經(jīng)有一定的處理物理問(wèn)題的能力，通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)的磨煉具備了一定的動(dòng)手操作能力，并且在學(xué)習(xí)本章前已接觸了許多生活中的圓周運(yùn)動(dòng)。90%的學(xué)生能很快地明確指出物體是否做圓周運(yùn)動(dòng)，即已經(jīng)有了一定的前概念。2．高中學(xué)生思維特征。高中學(xué)生已完成從形象思維到抽象思維的轉(zhuǎn)變，邏輯推理能力大大增強(qiáng)。3．學(xué)生行為方式。學(xué)生對(duì)新奇的事物表現(xiàn)出較強(qiáng)的探索欲，有一定的實(shí)驗(yàn)操作能力，獲取信息的途徑多種多樣，信息范圍攝取廣泛，有著扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。4．學(xué)生基本情況。通過(guò)本章前兩節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)了描述圓周運(yùn)動(dòng)的有關(guān)物理量，例如線速度、角速度、向心加速度等，知道做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體合外力是指向圓心，知道如何對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析。但是，在面對(duì)生活實(shí)際中的圓周運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，仍顯得無(wú)從下手。【課標(biāo)解讀】1．課標(biāo)要求。了解生產(chǎn)生活中的離心現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因，例如，了解鐵路和高速公路轉(zhuǎn)彎處路面有一定傾斜度的原因。2．課標(biāo)解讀。此標(biāo)準(zhǔn)即要求學(xué)生會(huì)分析實(shí)際情況下物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，例如，分析自行車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)和火車(chē)過(guò)彎道時(shí)受到的向心力等。可以讓學(xué)生調(diào)查公路轉(zhuǎn)彎處的傾斜情況或鐵路轉(zhuǎn)彎處兩條鐵軌的高度差異，發(fā)展學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在此基礎(chǔ)上了解什么是離心現(xiàn)象，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析生活、生產(chǎn)中的離心現(xiàn)象，例如洗衣機(jī)脫水的過(guò)程、汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)乘客身體傾斜等。【教學(xué)目標(biāo)】核心素養(yǎng)素養(yǎng)表現(xiàn)素養(yǎng)內(nèi)涵教學(xué)目標(biāo)物理觀念運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念初步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀，并能用它對(duì)自然圖景進(jìn)行描述進(jìn)一步了解認(rèn)識(shí)勻速圓周運(yùn)動(dòng)能量觀念形成經(jīng)典的能量觀，并用它解釋自然現(xiàn)象初步對(duì)物體在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)存在重力勢(shì)能、動(dòng)能等有一定的概念。知道在做圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中存在動(dòng)能與重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。在解決生活中的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)也蘊(yùn)含了機(jī)械能守恒、能量守恒的相關(guān)知識(shí)問(wèn)題解決根據(jù)物理觀念，解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題構(gòu)建有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的高中物理知識(shí)體系，強(qiáng)化物理知識(shí)與實(shí)際情境的關(guān)聯(lián)。運(yùn)用前面所學(xué)習(xí)的圓周運(yùn)動(dòng)理論知識(shí)解決生活中如汽車(chē)過(guò)拱橋問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)秋千問(wèn)題等科學(xué)思維模型建構(gòu)根據(jù)問(wèn)題和情境，對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括，構(gòu)建物理模型在分析具體圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，常將摩擦力及阻力忽略，即進(jìn)行理想化處理科學(xué)推理正確理解和應(yīng)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論對(duì)具體圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例進(jìn)行受力分析，列方程，通過(guò)定量計(jì)算得出最終結(jié)果交流具有合作與交流的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思探究過(guò)程與結(jié)果學(xué)會(huì)在得出各問(wèn)題的結(jié)果后進(jìn)行交流合作、反思問(wèn)題科學(xué)態(tài)度與責(zé)任科學(xué)本質(zhì)能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)到物理是人類(lèi)有意識(shí)的探究過(guò)程通過(guò)計(jì)算為生活中圓周運(yùn)動(dòng)提供理論數(shù)據(jù)支持科學(xué)態(tài)度具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心和求知欲，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、持之以恒；善于基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的見(jiàn)解，形成獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、善于反思的創(chuàng)新精神從生活中的圓周運(yùn)動(dòng)出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的好奇心；能在教師示范后，自主列方程并得出最后答案社會(huì)責(zé)任理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境的關(guān)系，形成遵守道德規(guī)范、保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感深刻理解物理源于生活并服務(wù)于生活的理念【教學(xué)重點(diǎn)】分析具體問(wèn)題中的向心力來(lái)源。【教學(xué)難點(diǎn)】生活中圓周運(yùn)動(dòng)的空間想象，例如，關(guān)于火車(chē)軌道的空間想象，火車(chē)彎道雙軌高度差的原因。【教法學(xué)法】教法：?jiǎn)l(fā)式講授法。學(xué)法：觀察法，討論法。【教具學(xué)具】1．實(shí)驗(yàn)用具：小棒，瓶身鉆有小孔的塑料瓶。2．其他用具：PPT，圖片資料，視頻資料等。【課時(shí)安排】1課時(shí)。【教學(xué)思路】通過(guò)生活中的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例圖片引發(fā)學(xué)生思考，通過(guò)汽車(chē)過(guò)凹凸型橋的問(wèn)題解決最高點(diǎn)或最低點(diǎn)對(duì)橋面壓力的問(wèn)題，通過(guò)水平方向上的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例（火車(chē)轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)秋千）完成一些公式推導(dǎo)，最后闡述離心運(yùn)動(dòng)定義及列舉生活中的離心運(yùn)動(dòng)。【教學(xué)過(guò)程】環(huán)節(jié)一新課引入◆教師活動(dòng)展示火車(chē)轉(zhuǎn)彎、汽車(chē)過(guò)拱橋以及摩天輪的圖片引入新課，并讓學(xué)生列舉一些其他的生活中的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例，共同回顧前面所學(xué)的向心力公式及向心加速度的公式等。◆學(xué)生活動(dòng)觀察、思考，溫故知新。★設(shè)計(jì)意圖回顧舊知，為即將所學(xué)的新知識(shí)做鋪墊。用生活中常見(jiàn)的圓周運(yùn)動(dòng)激發(fā)學(xué)生興趣。環(huán)節(jié)二新課教學(xué)1．圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例。實(shí)例一：汽車(chē)過(guò)拱橋問(wèn)題◆教師活動(dòng)PPT展示汽車(chē)過(guò)拱橋圖片。提問(wèn)：拱橋有什么優(yōu)點(diǎn)？生活中有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)拱形橋呢？（可能的答案如：拱橋很堅(jiān)固、利于水路通航……）現(xiàn)在有一座拱橋，橋面圓弧半徑為R，質(zhì)量為m的汽車(chē)在橋面上以速度v行駛。那么，汽車(chē)在拱橋最高點(diǎn)時(shí)對(duì)橋的壓力為多大？引導(dǎo)學(xué)生并提示：受力分析，確定圓心，明確向心力，列出方程，向心加速度方向是指向圓心的。v◆學(xué)生活動(dòng)v重力與支持力的合力提供向心力，列方程F運(yùn)用牛頓第二定律有mgN◆教師活動(dòng)提示學(xué)生：利用牛頓第三定律可知，汽車(chē)對(duì)拱橋橋面的壓力與橋面對(duì)汽車(chē)的支持力是一對(duì)相互作用力，其大小相等，方向相反，則汽車(chē)對(duì)橋面的壓力N'=mg-mv2引導(dǎo)學(xué)生自己推導(dǎo)出汽車(chē)對(duì)橋面壓力為零時(shí)的速度，同時(shí)強(qiáng)調(diào)安全駕駛知識(shí)。★設(shè)計(jì)意圖從生活中常見(jiàn)的拱形橋引入，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行受力分析，找到圓心，判斷向心力的來(lái)源，列方程并解答，潛移默化中就使得學(xué)生學(xué)會(huì)將生活中的物理問(wèn)題模型化后分析的方法。◆教師活動(dòng)提問(wèn)：有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)凹形橋。在很多城市，有“下穿隧道”，即是一個(gè)凹形面。那么，過(guò)凹形橋時(shí)汽車(chē)對(duì)地面的壓力為多大？◆學(xué)生活動(dòng)學(xué)生按照解決汽車(chē)過(guò)拱形橋的方法來(lái)解決此問(wèn)題。★設(shè)計(jì)意圖讓學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，并訓(xùn)練他們解決問(wèn)題、舉一反三的能力。實(shí)例二：旋轉(zhuǎn)秋千◆教師活動(dòng)提問(wèn)：游樂(lè)園里，有一個(gè)刺激的項(xiàng)目叫旋轉(zhuǎn)秋千（PPT展示旋轉(zhuǎn)秋千圖片）。隨著旋轉(zhuǎn)速度越來(lái)越大，我們發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)秋千的座椅離地面越來(lái)越高。請(qǐng)同學(xué)們猜想，旋轉(zhuǎn)秋千的纜繩與豎直方向上的夾角與哪些因素有關(guān)？（PPT展示簡(jiǎn)化后的旋轉(zhuǎn)秋千示意圖）一根長(zhǎng)為l的細(xì)線下面系一個(gè)質(zhì)量為m的小球，給小球一個(gè)初速度，讓其在水平面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，懸線與豎直方向上的角度為α。此時(shí)，懸線運(yùn)動(dòng)形成了一個(gè)圓錐面，這就是圓錐擺。組織學(xué)生討論并對(duì)小球進(jìn)行受力分析，請(qǐng)一名同學(xué)上臺(tái)畫(huà)出小球所受到的力并說(shuō)出是誰(shuí)提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。◆學(xué)生活動(dòng)交流、思考、互動(dòng)。★設(shè)計(jì)意圖從生活中的經(jīng)歷引入，引起學(xué)生共鳴；師生互動(dòng)一起解決問(wèn)題，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力和效率。◆教師活動(dòng)跟上一個(gè)實(shí)例一樣，接下來(lái)還需要明確列出方程，F(xiàn)合指向圓心O。此時(shí)列出方程有：F合=mgtanα，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r與懸線的長(zhǎng)度l的幾何關(guān)系為r=lsinα◆學(xué)生活動(dòng)思考、解決問(wèn)題，積極與老師溝通互動(dòng)。據(jù)此知道，纜繩與中心軸的夾角與角速度和繩長(zhǎng)有關(guān)：繩長(zhǎng)一定，角速度越大，夾角也就越大。實(shí)例三：火車(chē)轉(zhuǎn)彎問(wèn)題◆教師活動(dòng)PPT出示教科書(shū)“討論交流”中的問(wèn)題。提問(wèn)：在水平路基的鐵軌上轉(zhuǎn)彎時(shí)，火車(chē)受哪些力的作用？◆學(xué)生活動(dòng)分析火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力：重力、彈力、牽引力及阻力。（結(jié)合老師PPT展示的圖片）共同探討車(chē)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。★設(shè)計(jì)意圖通過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)例來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生在腦海中將鐵軌的設(shè)計(jì)及火車(chē)轉(zhuǎn)彎的問(wèn)題模型化的能力。◆教師活動(dòng)若一節(jié)列車(chē)車(chē)廂大概40t，圓弧半徑300m，以60km/h的速度通過(guò)彎道，請(qǐng)計(jì)算鐵軌所受的彈力。這個(gè)彈力將磨損車(chē)輪與鐵軌，所以，在彎道處，鐵軌不能設(shè)計(jì)成水平的。那么，怎樣設(shè)計(jì)能減少磨損且能讓火車(chē)順利轉(zhuǎn)彎呢？◆學(xué)生活動(dòng)學(xué)生分組討論并回答想法。◆教師活動(dòng)在通常的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師會(huì)讓轉(zhuǎn)彎處的外軌略高于內(nèi)軌（出示PPT），即火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)鐵軌對(duì)火車(chē)的支持力N的方向不是豎直的，而是傾向彎道的內(nèi)側(cè)，則通過(guò)力的合成，支持力與重力的合力就為火車(chē)轉(zhuǎn)彎、提供了一部分的向心力，這樣就能減輕輪緣與軌道的磨損。而內(nèi)外軌的高度差由轉(zhuǎn)彎半徑及速度來(lái)設(shè)計(jì)，只要設(shè)計(jì)精確，重力與支持力的合力幾乎就為火車(chē)提供了轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的全部向心力。2．離心運(yùn)動(dòng)。◆學(xué)生活動(dòng)小實(shí)驗(yàn)：給學(xué)生準(zhǔn)備如圖所示的塑料小瓶實(shí)驗(yàn)裝置，瓶身有小孔，瓶?jī)?nèi)放有濕棉絮。雙手搓動(dòng)細(xì)棒帶動(dòng)小瓶旋轉(zhuǎn)，請(qǐng)學(xué)生觀察現(xiàn)象。總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：有水從小孔流出。◆教師活動(dòng)指