2024-2025學(xué)年新教材高中物理第3章圓周運(yùn)動(dòng)第2節(jié)科學(xué)探究向心力教案1魯科版必修第二冊(cè)

PAGE1-第2節(jié)科學(xué)探究：向心力本節(jié)選自魯科版中學(xué)物理必修二第三章其次節(jié)，是在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)有了肯定理解的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。學(xué)生知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種變速運(yùn)動(dòng)，只是表面的知道，為什么線速度的方向時(shí)刻在變？是什么力來變更物體的這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)力有何特點(diǎn)？學(xué)生帶著這些疑問來進(jìn)入本節(jié)課的學(xué)習(xí)。本節(jié)課從學(xué)生的實(shí)際動(dòng)身，結(jié)合學(xué)生前面所學(xué)學(xué)問，注意創(chuàng)設(shè)物理背景，應(yīng)用牛頓其次定律，初步得出向心力的大小；引導(dǎo)學(xué)生對(duì)詳細(xì)問題的分析，解決向心力來源問題；通過學(xué)生自己動(dòng)手試驗(yàn)，驗(yàn)證向心力公式，并分析得到影響向心力的因素。這個(gè)過程中加強(qiáng)學(xué)生的活動(dòng)，使學(xué)生充分思索探討、大膽猜想，敢于提出自己的想法，漸漸提高科學(xué)素養(yǎng)。最終由向心力引出向心加速度的概念以及公式，運(yùn)用理論分析推導(dǎo)物理概念的過程，可進(jìn)一步幫助學(xué)生理解向心加速度大小和方向的含義。物理觀念：建立向心力、向心加速度的物理觀念，駕馭向心力的準(zhǔn)確含義，知道向心加速度的內(nèi)涵?？茖W(xué)思維：能在熟識(shí)情境中運(yùn)用勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型解決問題；能對(duì)常見的勻速圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析推理，獲得結(jié)論；能用與勻速圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的證據(jù)說明結(jié)論并作出說明；能從不同角度分析解決勻速圓周運(yùn)動(dòng)問題?？茖W(xué)探究：通過對(duì)向心力大小與哪些因素有關(guān)的探究，熟識(shí)科學(xué)探究的一般過程：提出問題——猜想與假設(shè)——試驗(yàn)驗(yàn)證——分析數(shù)據(jù)——得出結(jié)論?？茖W(xué)看法與責(zé)任：通過視察、試驗(yàn)及探究、溝通與探討等學(xué)習(xí)活動(dòng)，培育學(xué)生敬重客觀事實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)看法。教學(xué)重點(diǎn)：理解向心力、向心加速度的概念，駕馭向心力公式并能進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。2、教學(xué)難點(diǎn)：理解向心力是按作用效果命名的力，向心力的方向時(shí)刻在變更。PPT、視頻片斷、向心力演示器【新課導(dǎo)入】這些物體為什么會(huì)做圓周運(yùn)動(dòng)？復(fù)習(xí)提問：(1)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是什么?勻速圓周運(yùn)動(dòng)是變速曲線運(yùn)動(dòng)變速曲線運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變更肯定受到外力肯定存在加速度那么做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合力有何特點(diǎn)？加速度又怎樣呢？【新課內(nèi)容】向心力：思索與探討:取一根細(xì)繩，一端系一小球，另一端固定在一枚圖釘上。將圖釘釘于水平光滑木板上，如圖所示。（1）用手指沿小球與圖釘連線的垂直方向輕輕彈擊小球，在細(xì)繩未伸直前，小球做什么運(yùn)動(dòng)？（2）用手指彈擊小球，方向同上，加大彈擊力氣，使小球運(yùn)動(dòng)過程中細(xì)繩伸直。細(xì)繩伸直后，小球做什么運(yùn)動(dòng)？想一想：1、小球受哪幾個(gè)力的作用？2、合外力有何特點(diǎn)？3、若細(xì)線突然剪斷，將會(huì)看到什么現(xiàn)象？探討小球所受合力的方向FN與G相平衡，所以合力為F，小球受到重力，桌面支持力和細(xì)線的拉力作用。用剪刀將細(xì)線剪斷，小球?qū)⒀厍芯€方向飛出，做勻速直線運(yùn)動(dòng)。結(jié)論：物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，合外力指向圓心，且與線速度V垂直。對(duì)于做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，物體的速度大小不發(fā)生變更，因此，所受合力只變更速度的方向。1、向心力做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合力總指向圓心，這個(gè)指向圓心的力就叫作向心力,用符號(hào)：Fn2、方向：始終指向圓心(與v垂直或與半徑垂直)，是變力。3、向心力的作用只變更線速度的方向。4、向心力來源：向心力是依據(jù)力的作用效果命名的，它不是具有確定性質(zhì)的某種力，它可以是某一個(gè)力或者幾個(gè)力的合力供應(yīng)的。圓錐擺做勻速圓周運(yùn)動(dòng)：結(jié)論：拉力和重力的合力供應(yīng)物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力。地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)結(jié)論：地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)可近似看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，太陽對(duì)地球的引力供應(yīng)向心力。木塊相對(duì)轉(zhuǎn)盤靜止，隨盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)結(jié)論：靜摩擦力供應(yīng)物體做勻速圓周的向心力。思索：某乘客坐在一輛車上，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，他受到的向心力來自何處？解答：人坐在座椅上，當(dāng)車向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于人自身具有慣性身體會(huì)向右傾斜，座椅會(huì)對(duì)人有一個(gè)向左的摩擦力，這個(gè)摩擦力供應(yīng)了人的向心力。當(dāng)車向其他方向轉(zhuǎn)彎時(shí)同理。例1.關(guān)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)，下列說法正確的是（CD）A、勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種勻速運(yùn)動(dòng)B、勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種勻變速運(yùn)動(dòng)C、勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種變加速運(yùn)動(dòng)D、物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)其向心力不變更線速度的大小例2.分析下圖中物體A、B、C的受力狀況，并說明這些物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)向心力的來源。二.探究影響向心力大小的因素【做一做】感受向心力（1）在繩子的一端拴一個(gè)小沙袋，另一端握在手中，將手舉過頭頂，使沙袋在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。沙袋所受的向心力近似等于手通過繩對(duì)沙袋的拉力。（2）保持沙袋轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和繩的長度不變，變更沙袋的質(zhì)量，感受向心力的變更。（3）保持繩的長度和沙袋的質(zhì)量不變，變更沙袋轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，感受向心力的變更。（4）保持沙袋的質(zhì)量和沙袋轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不變，變更繩的長度，感受向心力的變更。通過上面的試驗(yàn)，可以知道：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受向心力的大小與物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)·速度、軌道半徑等因素有關(guān)系。探究影響向心力大小的因素：1、試驗(yàn)器材：向心力演示器2、向心力演示器的構(gòu)造勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1、變速塔輪2和3、長槽4和短槽5、橫臂6、彈簧測力套筒7、標(biāo)尺8。3、原理勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，可使塔輪、長槽和短槽勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，槽內(nèi)的小球也就隨之做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。擋板對(duì)小球的作用力供應(yīng)了小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。同時(shí)，小球擠壓擋板的力使擋板另一端壓縮測力套筒的彈簧，壓縮量可從標(biāo)尺上讀出，該讀數(shù)即顯示了向心力的大小。4、試驗(yàn)方法:限制變量法5、試驗(yàn)步驟（1）向心力與質(zhì)量關(guān)系讓鋼球與鋁球的質(zhì)量之比為2:1。將鋼球和鋁球分別放在相同半徑處，搖動(dòng)手柄。視察套桶露出標(biāo)度的格數(shù)，比較向心力的大小。出示視頻：向心力與質(zhì)量關(guān)系其他條件相同的條件下，質(zhì)量越大，套桶露出標(biāo)度的格數(shù)越多，即向心力越大。（2）向心力與角速度的關(guān)系將兩個(gè)質(zhì)量相同的小鋼球放在相同半徑處。皮帶套在兩個(gè)半徑為2:1的塔輪上，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄視察套筒露出標(biāo)度的格數(shù)，比較向心力的大小。出示視頻：向心力與角速度的關(guān)系其他條件相同的條件下，角速度越大，套桶露出標(biāo)度的格數(shù)越多，即向心力越大。（3）向心力與半徑的關(guān)系將兩個(gè)質(zhì)量相同的鋼球分別放在不同半徑處。搖動(dòng)手柄視察套筒露出標(biāo)度的格數(shù)，比較向心力的大小。出示視頻：向心力與半徑的關(guān)系其他條件相同的條件下，半徑越大，套桶露出標(biāo)度的格數(shù)越多，即向心力越大。精確的試驗(yàn)表明，向心力的大小可以表示為：Fn＝mω2r由：v=ωr得：向心加速度:思索:（1）向心加速度方向如何？向心加速度由向心力產(chǎn)生，據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律知道，這個(gè)加速度的方向與向心力的方向相同.（2）加速度是描述速度變更快慢的物理量，那么向心加速度是描述什么的物理量？向心加速度是描述速度方向變更快慢的物理量（3）怎樣推導(dǎo)向心加速度的公式？推導(dǎo):向心加速度的大小與方向:由向心力公式：依據(jù)牛頓其次定律:F合=ma得：或1、定義：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體加速度指向圓心，這個(gè)加速度稱為向心加速度2、公式：或3、方向：始終指向圓心4、物理意義：描述速度方向變更的快慢5、說明：勻速圓周運(yùn)動(dòng)加速度的大小不變，方向時(shí)刻變更，所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)不是勻變速運(yùn)動(dòng)，是變加速運(yùn)動(dòng)向心加速度的的理論推導(dǎo)：設(shè)一質(zhì)點(diǎn)沿著半徑為r的圓周做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在某時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)位于A點(diǎn)，經(jīng)過很短一段時(shí)間Δt運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。在此期間，質(zhì)點(diǎn)的速度由vA變?yōu)関B，速度變更量為Δv。若把速度矢量vB的始端移到A點(diǎn)，其矢量關(guān)系如圖所示。速度矢量三角形與相應(yīng)的△OAB是相像三角形，且vA和vB的大小都等于線速度v。用s表示AB弦長，有即：Δt趨于零時(shí)，AB弦長等于AB孤長，因此等于線速度的大小v。Δt趨于零時(shí)，表示的就是向心加速度a的大小，且有，因此再由Δt趨于零時(shí)，vA和vB的夾角趨于零，Δv的方向趨于vA垂直而指向圓心，即加速度的方向指向圓心。例3.一般飛行員能承受的最大向心加速度的大小約為6g。在飛行表演中，飛機(jī)某次水平轉(zhuǎn)彎時(shí)，可視為在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。若飛機(jī)以150m/s的速度飛行，在該次水平轉(zhuǎn)彎過程中向心加速度為6g，取重力加速度g=9.8m/s2，飛機(jī)水平轉(zhuǎn)彎半徑至少為多少？答案：382.7m例4.向心加速度由向心力產(chǎn)生。下面請(qǐng)分析解決涉及圓周運(yùn)動(dòng)的一些動(dòng)力學(xué)問題。如圖，若水平圓臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω=0.6rad/s，質(zhì)量為30kg的小孩坐在距離軸心1m處隨圓臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。小孩的向心加速度為多大？小孩受到的靜摩擦力為多大？答案：a=0.36m/s2，f=10.8N例5.如圖所示，兩個(gè)質(zhì)量不同的小球用長度不等的細(xì)線拴在同一點(diǎn)，并在同一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則它們的：（A）A．周期相同B．線速度的大小相等C．細(xì)線的拉力大小相等D．向心加速度的大小相等例6.一個(gè)內(nèi)壁光滑的圓錐筒的軸線是豎直的，圓錐固定，有質(zhì)量相同的兩個(gè)小球A和B貼著筒的內(nèi)壁在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，A的運(yùn)動(dòng)半徑較大，則（AC）A．A球的角速度必小于B球的角速度B．A球的線速度必小于B球的線速度C．A球運(yùn)動(dòng)的周期必大于B球運(yùn)動(dòng)的周期D．A球?qū)ν脖诘膲毫Ρ卮笥贐球?qū)ν脖诘膲毫?.如圖所示，有一質(zhì)量為m的小球在光滑的半球形碗內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌道平面在水平面內(nèi)。已知小球與半球形碗的球