生活中的圓周運(yùn)動

第第頁6.4生活中的圓周運(yùn)動【教材分析】本節(jié)課是人教版物理必修二第六章的第四節(jié)，也是該章最后一節(jié)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生能用牛頓第二定律分析勻速圓周運(yùn)動的向心力。本節(jié)課是前面所學(xué)的知識的綜合運(yùn)用。與生活聯(lián)系緊密如火車彎道，拱形橋都是常見的，同時也是運(yùn)用向心力解決實(shí)際問題的一節(jié)。通過研究圓周運(yùn)動規(guī)律在生活中的具體應(yīng)用，使學(xué)生深入理解圓周運(yùn)動規(guī)律，并且結(jié)合日常生活中的某些生活體驗(yàn)，加深物理知識在頭腦中的印象。物理與生活相聯(lián)系，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)物理的興趣?！緦W(xué)情分析】學(xué)生在第2節(jié)已經(jīng)學(xué)習(xí)過向心力，理解做圓周運(yùn)動的物體受到的合力指向圓心，提供向心力，具備足夠的理論知識，本節(jié)重點(diǎn)是運(yùn)用是理論知識分析生活中的圓周運(yùn)動.在生活中有大量的圓周運(yùn)動現(xiàn)象，例如游樂場中的旋轉(zhuǎn)木馬，過山車等.學(xué)生所了解的這些現(xiàn)象，豐富的體驗(yàn)是很好的教學(xué)資源，讓學(xué)生建構(gòu)起物理模型，用所學(xué)知識具體分析各種圓周現(xiàn)象，不僅能加深對理論知識的認(rèn)識，更能解釋這些現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生對物理與生活緊密聯(lián)系的認(rèn)識.【教學(xué)目標(biāo)】物理觀念：樹立運(yùn)動觀念，加深學(xué)生對向心力的認(rèn)識，使其會在實(shí)際問題中分析向心力的來源，并進(jìn)行簡單運(yùn)算。科學(xué)思維：通過對火車轉(zhuǎn)彎、拱形橋看做勻速圓周運(yùn)動的實(shí)例分析，滲透理論聯(lián)系實(shí)際的觀點(diǎn)，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。。科學(xué)探究：通過火車轉(zhuǎn)彎、拱形橋物理模型的鞏固，體會物理模型在物理學(xué)習(xí)中的重要性?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過向心力在具體問題中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生將物理知識應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實(shí)踐的意識?！窘虒W(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】重點(diǎn)：能運(yùn)用運(yùn)動觀和物質(zhì)觀分析生活中的常見的圓周運(yùn)動，體會模型構(gòu)建的方法。難點(diǎn)：具體問題中向心力的來源分析。【教學(xué)環(huán)境】多媒體設(shè)備（實(shí)物展臺）、課件、幾何畫板工具【教學(xué)過程】新課引入通過前面章節(jié)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)對圓周運(yùn)動的規(guī)律有了一定的認(rèn)識，請同學(xué)們先觀看一段視頻：案例導(dǎo)入：播放2008年膠濟(jì)鐵路4.28火車脫軌特別重大交通事故模擬視頻。 請問：問題1.視頻中事故發(fā)生地點(diǎn)有什么特殊之處？（轉(zhuǎn)彎處）問題2.原因有是什么?（超速，規(guī)定80km/h，實(shí)際速度131km/h）問題3.這個規(guī)定速度是怎樣得來的？帶著這些問題我們開始今天的學(xué)習(xí)——《生活中的圓周運(yùn)動》。板書：6.4生活中的圓周運(yùn)動新課教學(xué)首先，請大家明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）能根據(jù)所學(xué)知識分析生活中的各種圓周運(yùn)動現(xiàn)象，在此過程中體會模型構(gòu)建的方法。（2）知道航天器中的失重現(xiàn)象。（3）觀察生活中的離心現(xiàn)象，知道離心運(yùn)動產(chǎn)生的原因，了解其在生活中的應(yīng)用和所帶來的危害。本節(jié)課的重難點(diǎn)：運(yùn)用所學(xué)知識分析生活中的圓周運(yùn)動，體會模型構(gòu)建的方法。鐵路是國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，受地形制約，彎道設(shè)計不可避免，每一段彎道可視為一小段圓弧，火車在較短時間內(nèi)的運(yùn)動可視為水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動模型.火車彎道的設(shè)計1、展示火車轉(zhuǎn)彎圖片[來源:Z|xx|k.Com]問題4：分析火車轉(zhuǎn)彎可看做什么樣的運(yùn)動？（圓周運(yùn)動）思考與討論： 火車車輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：火車的車輪由水平的踏面和突出的輪緣組成。問題5：輪緣的作用是什么？（輪緣有導(dǎo)向和防止脫軌的作用）問題6：某列火車勻速行駛在平直的軌道上，其受力情況如何？（火車受到4個力的作用：重力、支持力、牽引力和因摩擦、空氣等產(chǎn)生的阻力，其中牽引力和阻力始終平衡，為做圖方便，下面我們不在畫出）。問題7：如果前方出現(xiàn)一個右轉(zhuǎn)彎道，受力情況有何不同？①如果鐵路彎道的內(nèi)外軌一樣高。演示實(shí)驗(yàn)：幾何畫板火車轉(zhuǎn)彎時實(shí)際是在做水平面內(nèi)圓周運(yùn)動，因而水平面內(nèi)具有向心加速度。重力和地面對鐵軌的支持力在豎直方向上，不可能提供向心力，是什么力使它產(chǎn)生向心加速度？只能是火車外側(cè)鐵軌對輪緣的彈力提供火車轉(zhuǎn)彎的向心力。問題8：路軌對車輪的彈力提供向心力，會產(chǎn)生什么影響？有何危害？火車質(zhì)量和速度相當(dāng)大，靠這種辦法得到向心力，輪緣與外軌間的相互作用力太大，鐵軌和車輪極易受損。問題9：假設(shè)你是一位從事鐵路設(shè)計的工程師，請設(shè)計一套方案來解決這一實(shí)際問題？讓學(xué)生分析、討論和交流。（防止火車脫軌，根本上是減少鐵軌與輪緣之間的擠壓，我們可以設(shè)計彎道使外軌略高于內(nèi)軌）問題10：現(xiàn)實(shí)中，火車彎道設(shè)計和同學(xué)們的方案一致，為什么要這樣設(shè)計？小組討論后請一名代表給大家講解一下。②如果在彎道使外軌略高于內(nèi)軌。如果在轉(zhuǎn)彎處使外軌略高于內(nèi)軌，火車轉(zhuǎn)彎時鐵軌對火車的支持力N的方向不再是豎直的，而是斜向彎道的內(nèi)側(cè)，水平、豎直方向正交分解，若：水平方向：NX=meq\f(v2,r)即支持力水平方向的分力恰好能夠提供火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力，輪緣與鐵軌間無擠壓，這種情況下是最安全的，火車轉(zhuǎn)彎時的規(guī)定速度就是這樣得來的。問題11：請同學(xué)們計算出規(guī)定速度的表達(dá)式？（學(xué)生活動）規(guī)定速度：v=eq\r(grtanθ)【思考與討論】若火車行駛的速度大于規(guī)定速度，火車受力情況有變化嗎？（學(xué)生活動）支持力的分力NX不足以提供火車做圓周運(yùn)動的向心力，需要其它力來補(bǔ)充，這個力只能是鐵軌對火車沿鐵軌平面的斜向下的彈力。這就是為什么視頻中火車彎道處超速是火車脫軌和翻車的主要原因。同理，若火車行駛的速度小于規(guī)定速度，鐵軌對火車沿鐵軌平面的斜向上的彈力【小試牛刀】[例1]質(zhì)量為2.0×103kg的汽車在水平公路上行駛，輪胎與路面間的最大靜摩擦力為1.4×104N。汽車經(jīng)過半徑為50m的彎路時，如果車速達(dá)到72km/h，這輛車會不會發(fā)生側(cè)滑？演示實(shí)驗(yàn)：二、橋梁設(shè)計展示圖片拱形橋凸形橋生活中道路設(shè)計還有很多，比如橋梁設(shè)計：平橋、拱形橋、凹形橋。思考與討論：①公路在通過小型水庫泄洪閘的下游時常常要修建凹形路面，也叫“過水路面”。請思考其中原因？同樣把這橋看成圓周運(yùn)動的一部分，在豎直方向?qū)囘M(jìn)行受力分析。得：，根據(jù)牛頓第三定律可知，車輛對橋的壓力汽車通過凹形路面的最低點(diǎn)時,車對地面的壓力比汽車所受的重力大，即處于超重狀態(tài)，這樣車就不容易被水沖走了。②汽車過拱形橋（凸橋）時，在最高點(diǎn)車對橋面的壓力又怎樣？同樣把這橋看成圓周運(yùn)動的一部分，在豎直方向?qū)囘M(jìn)行受力分析。應(yīng)該剛才的結(jié)論：移項(xiàng)得根據(jù)牛三定律，汽車對橋的壓力與橋?qū)ζ嚨闹С至N是一對作用力和反作用力，大小相等。所以壓力的大小為?！舅伎寂c討論】地球可以看作一個巨大的拱型橋，其半徑就是地球半徑R.如果一輛汽車在地球表面運(yùn)動的速度足夠大會發(fā)生什么現(xiàn)象？（汽車“飛”離橋面做拋體運(yùn)動）小試牛刀【例2】以繞地球做勻速圓周運(yùn)動的宇宙飛船(含宇航員）M為例，當(dāng)飛船距地面高度為100?200km時，它的軌道半徑近似等于地球半徑R，航天員m受到的地球引力近似等于他在地面受到的重力mg,證明：航天員處于是完全失重狀態(tài)?；疖噺澋篮凸皹蚨际翘峁┑牧η『玫扔谒璧南蛐牧?，若外界提供的力發(fā)生突然變化，運(yùn)動又會怎樣？三、離心運(yùn)動（1）離心運(yùn)動做圓周運(yùn)動的物體，—旦提供的力突然消失，由于本身的慣性，物體就沿切線方向飛去，離圓心越來越遠(yuǎn)。除了提供的力突然消失外，在合外力F不足以提供物體做圓周運(yùn)動所需的向心力，即供需雙方不能滿足需要時，物體將偏離原來運(yùn)動的圓軌道。物體將沿切線和圓周之間的某條曲線運(yùn)動，離圓心越來越遠(yuǎn)，如圖所示。若外界提供的力突然變大，在合外力F超過圓周運(yùn)動所需的向心力時，物體將離圓心越來越遠(yuǎn)，如圖所示。（2）離心運(yùn)動的應(yīng)用和防止①離心運(yùn)動的防止運(yùn)動具有復(fù)雜性，同學(xué)們要學(xué)會運(yùn)用所學(xué)的知識，做到趨利避害。彎道設(shè)計就是避害的一種，如下圖②離心運(yùn)動的應(yīng)用生活中也有很多趨利的設(shè)計。，如下圖所示： 回顧整節(jié)課，我們一起總結(jié)一下圓周運(yùn)動模型的的一般處理步驟：（1）明確對象，找出圓周平面，確定圓心和半徑；（2）進(jìn)行受力分析，畫出受力分析圖;（3）求出在半徑方向的合力，即向心力；（4）求出物體做圓周運(yùn)動所需的向心力（5）結(jié)合勻速圓周運(yùn)動的特點(diǎn)列方程求解。生活中很多現(xiàn)象都與物理知識有關(guān)，希望同學(xué)們都能做到眼中有物,心中有理。本節(jié)課就講到這里，下課。【板書設(shè)計】6.4生活中的圓周運(yùn)動一、火車轉(zhuǎn)彎①如果在彎道使外軌略高于內(nèi)軌支持力F支與重力mg的合力指提供部分向心力：F合＝mgtanθ二、汽車過拱形橋1、汽車過凹橋時：2、汽車過凸橋時：指向圓心的力-背向圓心的力=向心力【教學(xué)反思】重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，體現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的新型師生關(guān)系，強(qiáng)化情感、態(tài)度與價值觀的教育，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。力圖在教學(xué)中營造活躍、寬松的學(xué)習(xí)氛圍，鼓勵學(xué)生合作探究，為學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生的交流與合作創(chuàng)設(shè)更多的機(jī)會【知識拓展】2013年6月20日太空授課內(nèi)容（1）制作水球一個金屬圈插入飲用水袋并抽出后，形成了一個水膜。用飲水袋不斷注水，水膜很快長成一個晶瑩剔透的大水球。水球內(nèi)有連串的氣泡，用針筒取出，水球卻不受任何破壞。揭秘：液體表面張力（2）“單擺”運(yùn)動T形支架上，細(xì)繩拴著一顆小球。王亞平將小球拉升至一定高度后放掉，小球像著了魔似的，用很慢的速度擺動。隨后，王亞平用手指輕推小球