高二物理《向心力和向心加速度》教學(xué)設(shè)計
新課程強調(diào)“將學(xué)習(xí)的重心從過分強調(diào)知識的傳承和積累向獲取知識的探究過程轉(zhuǎn)化，從學(xué)生被動接受知識向主動獲取知識轉(zhuǎn)化，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的精神”。為此本教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施就是采用學(xué)生實驗探究和教師演示實驗相結(jié)合的實驗探究教學(xué)法。
教學(xué)內(nèi)容
《普通高中課程標準實驗教科書·物理（2）》（司南版）
教學(xué)目標
1、知識與技能
�。�1）知道向心力，通過實例認識向心力的作用及向心力的來源
（2）通過實驗理解向心力的大小與哪些因素有關(guān)系，能運用向心力公式進行計算。
（3）知道向心加速度及其公式，能運用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力和向心加速度。
2、過程與方法
（1）經(jīng)歷形成向心力概念的過程，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、歸納能力。
（2）通過創(chuàng)設(shè)一定的問題情境，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)生對科學(xué)的好奇心與求知欲，使學(xué)生樂于探究自然界的奧秘，體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅，培養(yǎng)學(xué)生主動參與活動的熱情和與他人合作的精神，有將自己的見解與他人交流的愿望，敢于堅持正確觀點，勇于修正錯誤，具有團隊精神。
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，學(xué)好這一節(jié)可以為學(xué)好本章應(yīng)用部分以及萬有引力的應(yīng)用作必要準備。 教材先講向心力，后講向心加速度，回避了用矢量推導(dǎo)向心加速度這個難點，通過實例給出向心力概念，再通過探究性實驗給出向心力公式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)了勻速圓周運動。知道描述勻速圓周運動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。知道在傳動裝置中，共軸的輪子上各點的角速度相等；皮帶轉(zhuǎn)動（不打滑）中，凡和皮帶接觸的點，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動是一種變速運動，因為它的線速度方向時刻在變，更深一步來分析，為什么線速度的方向時刻在變？是什么力來改變物體的這種運動狀態(tài)，這個力有何特點？學(xué)生將帶著這些疑問來進入本節(jié)課的學(xué)習(xí)。
教學(xué)過程
一、引入新課
1、 設(shè)置情景
教師做“水流星”實驗,并設(shè)下疑問：為什么盛水的杯子以一定的速度做圓周運動，水不從杯里灑出，甚至杯子在豎直面內(nèi)運動到最高點時，杯口已經(jīng)朝下，水也不會從杯里灑出來？
[在課堂上創(chuàng)設(shè)真實可見的物理情景，通過演示實驗的現(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
�。�1）什么是勻速圓周運動?
（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：由于勻速圓周運動的速度方向時刻在變，所以勻速圓周運動是變速曲線運動。而力是改變物體運動狀態(tài)的原因。那么做勻速圓周運動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？加速度怎樣呢？指出：這兩個問題即是我們這節(jié)課要研究的問題，且通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)大家即可自行解釋前面小實驗的因果。
[采用這樣的導(dǎo)入法是在復(fù)習(xí)舊知識的基礎(chǔ)上，提出將要進一步研究的問題，從而使學(xué)生對講授的新內(nèi)容產(chǎn)生迫切求知的欲望，主動積極開展思維活動，進入新課的學(xué)習(xí)。同時能給學(xué)生一種知識的整體感。]
二、向心力
1、實驗探究“小球在光滑水平面做圓周運動”。
�。�1）、步驟
�、僖粋�小球，拴在繩的一端，繩的另一端固定于桌上，原來細繩處于松馳狀態(tài)
②用手輕擊小球，觀察繩繃直前后小球的運動情況。
（2）、借助課件引導(dǎo)學(xué)生討論、分析：
�、倮K繃緊前，小球做勻速直線運動，小球受到哪些力的作用？
②繩繃緊后，小球做勻速圓周運動，小球受到哪些力的作用？合外力是哪個力？這個力的方向有什么特點？這個力起什么作用？
�。�3）、通過討論得到：
�、僮鰣A周運動的物體始終受到一個指向圓心的力的作用，這個力叫向心力。
②向心力指向圓心，方向不斷變化。是變力。
�、巯蛐牧Φ淖饔眯Ч桓淖冞\動物體的速度方向，不改變速度大小。
[這實驗簡單易做，效果明顯，通過親身感受學(xué)生獲得了成功的樂趣。討論時教師應(yīng)適時介入引導(dǎo)學(xué)生得出正確的結(jié)論。]
2、課件展示動畫：（1）圓錐擺 （2） 物體相對轉(zhuǎn)盤靜止，隨盤做勻速圓周運動 （3）汽車轉(zhuǎn)彎 （4）衛(wèi)星繞地球運行
3、向心力的來源：通過對以上四個圓周運動實例的分析得出向心力的來源可以是某一個力（重力、彈力、摩擦力）或幾個力的合力，也可以是某個力的分力。
4、應(yīng)用：學(xué)生嘗試解釋“水流星”的實驗現(xiàn)象。
[向心力的來源是學(xué)生在本章學(xué)習(xí)中的一個難點，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，物體都做圓周運動，具有運動方面的共性，由此啟發(fā)學(xué)生對這些物體的受力進行分析，尋找受力方面的共性，使學(xué)生經(jīng)歷了分析、比較、歸納等思維過程，也體驗到了成功的喜悅。學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)中可能將向心力當成獨立的一個力，教師此時應(yīng)特別指出：受力分析時, 不能多出一個向心力。且①物體做勻速圓周運動時，向心力就是物體所受到的合外力。②物體做非勻速圓周運動時，向心力物體并非是所受到的合外力。]
三、 向心力的大小
1、 實驗探究：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、細繩等動手實驗并感受向心的大小。
（1）讓學(xué)生用細線聯(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動，改變轉(zhuǎn)動的快慢、細線的長短多做幾次。
（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驗中應(yīng)采用控制變量法來研究這一問題。
[該小實驗在此做了改動，與課本上的不盡相同。做該實驗時學(xué)生的感受更直接，更易操作。提醒學(xué)生實驗時應(yīng)使物體盡可能在水平面內(nèi)做圓周運動，這樣繩的拉力近似等于向心力。]
課件展示：
2、 實驗探究向心力大小
�。�1）實驗方法：控制變量法
�。�2）介紹向心力演示器的構(gòu)造和使用方法。
�。�3）實驗過程
�、儋|(zhì)量不同的鋼球和鋁球，當它們運動的半徑r和角速度ω相同時，比較向心力的大小
②兩個質(zhì)量相同的小球，保持運動半徑相同，觀察向心力與角速度之間的關(guān)系
�、蹆蓚�質(zhì)量相同的小球，保持小球運動的角速度相同，觀察向心力的大小與運動半徑之間的關(guān)系
�。�4）實驗記錄表格
實驗質(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）實驗結(jié)論：
�、賹嶒灡砻魑矬w做圓周運動所需向心力大小為：
F=mω2r （式中F表示向心力，m表示物體的質(zhì)量，ω是物體做圓周運動的'角速度，r是所做圓周運動的圓周半徑。）
�、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是做勻速圓周運動的線速度）
[對于控制變量法學(xué)生已有一定程度的認知，因此在學(xué)生的自主探究并提出猜想后通過演示實驗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)造和使用方法時教師可結(jié)合傳動裝置中，共軸的輪子上各點的角速度相等，皮帶傳動（不打滑）中，凡和皮帶接觸的點，線速度的大小相等這一知識點讓學(xué)生思考怎樣控制角速度不變。當學(xué)生明白這一問題后，教師的演示也可換成學(xué)生的演示。不然，臺上的忙得不亦樂乎，臺下的卻不知所以然，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)出向心加速的表達式----a=ω2r.
向心力的大小還可以用F=mν2/r來表達，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，所以勻速圓周運動是變加速運動。
4、動動腦：a=ω2r、a=ν2/r ，a與r究竟是成正比呢，還是成反比？
指出：當w一定時，a∝r
當v一定時，a∝1/r
5、課本例題：在航空競賽場里，由一系列路標塔指示飛機的飛行路徑。在飛機轉(zhuǎn)彎時，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)一飛機以150 m/s的速度飛行，當加速度為6g時，其路標塔轉(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動中推導(dǎo)出來的,但這些公式對變速圓周運動中求某點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)計思路
向心力和向心加速度是高中物理的一個難點內(nèi)容，學(xué)生對于向心力一直很難理解。為了突破重點，難點，本節(jié)課本節(jié)首先通過創(chuàng)設(shè)真實可見的物理情景，激發(fā)他們的求知欲，引起學(xué)習(xí)的興趣。然后學(xué)生親身進行實驗探究來感受向心力。當學(xué)生對向心力的概念有了一定的認識后，就進一步提出向心力的大小與哪些因素有關(guān)呢？再讓學(xué)生動手完成感受向心力大小的小實驗后做出猜想，然后借助了向心力演示器進行實驗，從而得出了向心力公式。接著運用牛頓第二定律，給出向心加速度的公式，讓學(xué)生明白勻速圓周運動的向心力和向心加速度的大小不變，但方向時刻在改變。
本教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施都落實了高中物理新課程的目標要求，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)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生自主探究，親身體會到科學(xué)探究的過程。通過實驗探究，讓學(xué)生人人參與，親身體驗探究過程，活躍學(xué)生思維，并在探究中突破教學(xué)難點。教師結(jié)合演示實驗，同時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、操作性很強的教學(xué)設(shè)計案例。
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