PAGE5-向心力的實例分析一、教材分析本節內容是魯科版中學必修2第四章《勻速圓周運動》的第三節內容，在此之前，學生已經初步相識了勻速圓周運動，會用線速度、角速度、周期、頻率描述勻速圓周運動的快慢。而通過其次節向心力和向心加速度內容的學習，學生已經知道了向心力的大小與質量、角速度、半徑的定量關系。本節課立足于勻速圓周運動基本規律上，結合實際生活中兩個實例“火車轉彎”和“汽車過拱橋”進行分析，解決有關圓周運動問題重要的是搞清晰向心力的來源，明確提出向心力是按效果命名的力，任何一個或幾個力的合力只要它的作用效果是使物體產生向心加速度，它就是物體所受的向心力，這是探討圓周運動的關鍵。教材后面又附有思索與探討，以開拓學生的思維。二、學習目標1．學問與技能（1）會在詳細問題中分析向心力的來源，明確向心力是按效果命名的力．（2）駕馭應用牛頓運動定律解決勻速圓周運動問題的一般方法，會處理水平面、豎直面的問題．（3）知道向心力，向心加速度的公式也適應變速圓周運動，理解如何運用．2．過程與方法（1）通過列舉生活中圓周運動的例子，總結出這些多樣的圓周運動的共同特點，及都受到向心力的作用。（2）留意統一性和特殊性，留意一般方法和特殊方法，提高綜合分析的實力．3．情感看法與價值觀（1）通過對圓周運動受力的分析，體會到任何事物的改變和運動都能找到動力學緣由從而領悟到因果的制約與被制約關系。（2）通過實際演練，使學生在鞏固學問的同時，體會到物理就在我們身邊，領會到將理論應用于實際解決問題而帶來的勝利的消遣．（3）激發學生學習愛好，培育學生關切四周事物的習慣．三、學習對象分析本節課是在學生已經基本駕馭勻速圓周運動規律和描述圓周運動的基本物理量（線速度，角速度，向心力和向心加速度）以及有關公式推導與計算之后，支配的一節實例分析課。在課堂中采納試驗演示，多媒體，電腦動畫模擬等協助手段，幫助學生建立形象直觀的相識，降低難度。四、學習重、難點1．學習重點（1）理解向心力是按效果命名的力．（2）會在詳細問題中分析向心力，綜合運用牛頓定律分析解決問題．解決方法：多聯系實際，通過對生活實例的分析駕馭重點內容2．學習難點：實際問題中向心力的來源的分析解決方法：通過對實例的分析，結合課件和實物演示，從力的作用效果上去找尋向心力五、教學設計思想為了在教學中體現科學探究精神，盡可能完整的經驗科學探究過程，使學生通過體驗感受戰勝困難，解決物理問題的喜悅，體驗到學習科學的樂趣，了解科學的方法，獲得科學學問，本節教學把課本中的內容以問題的形式提出，通過學生探究式的大膽猜想，再通過科學的分析，將物理理論應用生活實際之中。六、學習程序設計師生互動活動設計1．老師利用多媒體課件展示物理情景，在分析時點撥關鍵之處．2．學生通過自學、視察來探討分析實際問題與書本學問的聯系，找出解決方法．整體感知：這一節課結合兩個實際例子進行分析．要充分發揮老師的主導作用和學生的主體作用，師生共同探討，拓展學問．新課引入勻速圓周運動被認為是實際中最完備最和諧的一種運動形式。古希臘哲學家柏拉圖(Plato，公元前427年—公元前347年)提出：“天上星體代表著永恒的、神圣的、不變的存在，因此它們確定沿著最完備的軌道以最完善的方式運動。最完善的運動是勻速圓周運動，因此，它們確定是圍圍著地球作勻速圓周運動。”由此可見，古人對勻速圓周運動充溢了神奇感。那么，是什么神奇的力氣操縱著物體，使它做這種最完備最和諧的運動呢？今日，我們就一起揭秘生活中的兩種勻速圓周運動“火車轉彎”和“汽車過拱橋”。1復習提問，為學習新課做打算勻速圓周運動的物體受到向心力．向心力是怎樣產生的？用學生已熟識的例子說明：（1）繩拉物體做勻速圓周運動，繩的拉力供應向心力．（2）物體隨水平圓盤做勻速四周運動，靜摩擦力供應向心力．小結：向心力是由物體實際受到的一個力或幾個力的合力供應的；向心力是按作用效果命名的力．特殊強調：分析和解決勻速圓周運動的問題，關鍵是要把向心力的來源搞清晰。向心力是按效果命名的力，并不是一種新性質的力，受力分析時絕不能額外加上一個向心力。下面，我們從分析向心力角度進一步探討幾個實例：（一）火車轉彎課件展示圖片：在平直軌道上勻速行駛的火車老師提問：火車受到幾個力的作用，這幾個力間的關系如何？學生視察火車運動狀況，畫出受力示意圖，并探討回答：（1）此時火車車輪受三個力：重力、支持力、牽引力和摩擦力（2）四個力的合力為零，其中重力和支持力、牽引力和摩擦力分別都是一對平衡力。那火車轉彎時的狀況又如何呢？提出問題并引導學生探討：1、火車勻速直線運動和勻速轉彎是否同種狀態？[學生回答]：不是，火車勻速直線運動時合外力為零，火車勻速轉變時受向心力，合外力不為零勻速直線運動時F合＝0勻速轉彎時F合≠02、火車轉彎時所需的向心力是如何產生的？引導學生探討：分兩種狀況探討：內外軌一樣高；外軌比內軌高．內外軌一樣高圖片展示火車車輪有凸出的輪緣結構；實物模型模擬在平面彎曲軌道上火車轉彎的情景；師生互動當火車轉彎時，火車做曲線運動，所受合外力不為零，合外力供應火車轉彎所需的向心力；有受力分析得：此時供應火車轉彎時所需向心力的是鐵軌外緣和輪緣相互擠壓產生的彈力進一步引導學生思索：擠壓的結果會如何？學生探討:由于火車質量很大，行駛的速度很高，故所需向心力通常很大，這樣，導致鐵軌外緣和輪緣間的相互作用力很大，簡單造成鐵軌和輪緣的損壞，甚至導致嚴峻的后果。老師總結：由于平面轉彎軌道鐵軌和輪緣簡單損壞，因此實際應用中多采納下面的彎道，其外軌略高于內軌。（2）外軌高于內軌當外軌比內軌高時，鐵軌對火車的支持力不再是豎直向上，和重力的合力可以供應向心力，可以減輕軌和輪緣的擠壓．最佳狀況是向心力恰好由支持力和重力的合力供應，鐵軌的內、外軌均不受到側向擠壓的力．定量分析火車轉彎的最佳狀況．①受力分析：如圖所示火車受到的支持力和重力的合力的水平指向圓心，成為使火車拐彎的向心力．②動力學方程：依據牛頓其次定律得mgtanθ＝mv02/r其中r是轉彎處軌道的半徑，是使內外軌均不受力的最佳速度．③分析結論：解上述方程可知v02＝rgtanθ可見，最佳狀況是由v0、r、θ共同確定的．當火車實際速度為v時，可有三種可能，當v＝v0時，內外軌均不受側向擠壓的力；當v＞v0時，外軌受到側向擠壓的力（這時向心力增大，外軌供應一部分力）；當v＜v0時，外軌受到側向擠壓的力（這時向心力削減，內軌供應一部分力）．（4）還有哪些實例和這一模型相同？自行車轉彎，高速馬路上汽車轉彎等等．老師總結：我們探討的火車轉彎問題，實質是物體在水平面的勻速圓周運動，從力的角度看其特點是；合外力的方向確定在水平方向上，由于重力方向在豎直方向，因此物體除了重力外，至少再受到一個力，才有可能使物體產生在水平面勻速圓周運動的向心力．探究情景:圓錐擺：在長度是L的細繩下端拴一質量為m的小球，固定繩子的上端，使小球在水平面內做勻速圓周運動，細繩就沿圓錐面旋轉。試分析做圓錐擺運動的小球的向心力的來源，并探討小球旋轉的角速度漸漸增大時帶來的小球受力和運動狀況的改變。（二）汽車過拱橋視頻展示汽車過凸形拱橋的物理情景提問探討：（1）汽車靜止在橋頂與通過橋頂是否同種狀態？不是，汽車靜止在橋頂、或通過橋頂，雖然都受到重力和支持力．但前者這兩個力的合力為零，后者合力不為零．（2）汽車過拱橋橋頂的向心力如何產生？方向如何？NG汽車在橋頂受到重力和支持力，如圖所示，向心力由二者的合力供應NG①動力學方程：由牛頓其次定律得G－N＝mv2/r解得N＝G－mv2/r②汽車處于失重狀態汽車具有豎直向下的加速度，N＜mg，對橋的壓力小于重力．這也是為什么橋一般做成拱形的緣由．③汽車在橋頂運動的最大速度為依據動力學方程可知，當汽車行駛速度越大，汽車和橋面的壓力越小，當汽車的速度為時，壓力為零，這是汽車保持在橋頂運動的最大速度，超過這個速度，汽車將飛出橋頂．思索與探討：依據上面分析汽車通過凸形橋的思路，分析一下汽車通過凹形橋最低點時對橋的壓力。這時的壓力比汽車的重量大還是小？探究情景:雜技節目水流星：一根細