第2節(jié) 向心力





本節(jié)課是物理必修二第6章第2節(jié)內容，是在學生已經(jīng)學習了勻速圓周運動，對勻速圓周運動有了一定理解的基礎上的進一步學習。學生知道勻速圓周運動是一種變速運動，只是表面的知道，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？學生帶著這些疑問來進入本節(jié)課的學習。本節(jié)課從學生的實際出發(fā)，結合學生前面所學知識，注重創(chuàng)設物理背景，應用牛頓第二定律，初步得出向心力的大小；引導學生對具體問題的分析，解決向心力來源問題；通過學生自己動手實驗，驗證向心力公式，并分析得到影響向心力的因素。這個過程中加強學生的活動，使學生充分思考討論、大膽猜想，敢于提出自己的想法，逐漸提高科學素養(yǎng)。最后把分析圓周運動的方法推廣到研究一般的曲線運動，在此過程中引導學生分析得出勻速圓周運動的加速度特點。本節(jié)知識在圓周運動部分處于核心地位，既有定性結論，又有定量計算，知識要求較高。


物理觀念：：建立向心力的物理觀念，掌握向心力的確切含義。


科學思維：在實驗中，培養(yǎng)學生動手的習慣并提高分析問題、解決問題的能力。


科學探究：通過對向心力大小與哪些因素有關的探究，熟悉科學探究的一般過程：提出問題——猜想與假設——實驗驗證——分析數(shù)據(jù)——得出結論。


科學態(tài)度與責任：通過觀察、實驗及探究、交流與討論等學習活動，培養(yǎng)學生尊重客觀事實、實事求是的科學態(tài)度。





1、教學重點：理解向心力的概念、性質、公式，會分析向心力的來源


2、教學難點： 理解向心力的大小和方向，會利用向心力公式進行簡單的計算及分析勻速圓周運動中供求關系。





多媒體課件、電子白板、小桶、小球、繩子、向心力演示器














由于向心力是一種學生感到陌生的力，而高一學生的抽象思維能力和邏輯推理還不是很強，所以需要在教學中通過實例、實驗，使學生對向心力的認識從感性認識升華到理性認識。對變速圓周運動和一般的曲線運動，可使學生在更一般、更廣闊的背景下認識拋體運動和勻速圓周運動。這個思想與我們討論非勻變速的直線運動、討論勻變速直線運動的位移-時間圖象時的出發(fā)點是一脈相承的?！耙詫W生熟悉的情景為鋪墊、以質疑引導為主線、以體驗探究為載體、以多媒體材料為輔助、以培養(yǎng)學生的探究思維為主旨“的設計思路，從大量的實景圖片和視頻切入圓周運動的力學研究，利用上一節(jié)的向心加速度方向、大小表達式等已有知識，引導學生以牛頓第二定律為依據(jù)，得出向心力的定義，效果，大小表達式。教學過程
教學環(huán)節(jié)
教師活動
學生活動
設計意圖
導入新課
出示圖片:勇敢者轉盤;空中飛椅





勇敢者轉盤，空中飛椅，它們與人一起做勻速圓周運動。


你知道它們在運動過程中所受合力的方向有什么特點嗎？


這就是我們今天將要學習的問題。
觀看圖片，思考物體能夠做勻速圓周運動


的原因



通過學生熟悉的物理情景，便于引發(fā)學生從已有物理知識出發(fā)思考，引出新知
講授新課
一、向心力


思考與討論:一個小球在細線的牽引下，繞光滑桌面上的圖釘做勻速圓周運動。小球受到哪幾個力作用？用剪刀將細線剪斷，觀察小球將做什么運動？你認為使小球做圓周運動的力指向何方？





研究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，桌面支持力和細線的拉力作用。


用剪刀將細線剪斷，小球將沿切線方向飛出，做勻速直線運動。





結論：物體做勻速圓周運動，合外力指向圓心，且與線速度V垂直。


對于做勻速圓周運動的物體，物體的速度大小不發(fā)生改變，因此，所受合力只改變速度的方向。


1、向心力


做勻速圓周運動的物體所受的合力總指向圓心，這個指向圓心的力就叫作向心力,用符號：Fn


2、方向：始終指向圓心(與v垂直或與半徑垂直)，是變力。


3、向心力的作用只改變線速度的方向。


4、向心力來源


向心力是根據(jù)力的作用效果命名的，它不是具有確定性質的某種力，它可以是某一個力或者幾個力的合力提供的。





如圖：拉力和重力的合力提供物體做勻速圓周運動向心力。


出示圖片：地球繞太陽的運動


地球繞太陽的運動可近似看作勻速圓周運動，太陽對地球的引力提供向心力。





飛椅與人一起做圓周運動的向心力Fn則是由繩子斜向上方的拉力F和所受重力G的合力提供的。


木塊隨轉盤一起做勻速轉動視頻


出示圖片：木塊隨轉盤一起做勻速轉動


靜摩擦力提供物體做勻速圓周的向心力。


二、向心力的大小


思考:研究向心力的大小與哪些因素有關？


向心力的大小我們可以先通過實驗感受向心力大小與圓周運動的一些運動學量之間的定性關系，再通過實驗，進一步探究向心力的大小與這些量的定量關系。


做一做感受向心力


實驗器材：繩子、小沙袋





實驗步驟：


（1）在繩子的一端拴一個小沙袋，另一端握在手中，將手舉過頭頂，使沙袋在水平面內做圓周運動。沙袋所受的向心力近似等于手通過繩對沙袋的拉力。


（2）保持沙袋轉動的速度和繩的長度不變，改變沙袋的質量，感受向心力的變化。


（3）保持繩的長度和沙袋的質量不變，改變沙袋轉動的速度，感受向心力的變化。


（4）保持沙袋的質量和沙袋轉動的速度不變，改變繩的長度，感受向心力的變化。


實驗結論：做圓周運動的物體所受向心力的大小與物體的質量、速度、軌道半徑等因素有關系。


向心力的大小與物體的質量、速度、軌道半徑有什么樣關系呢？


出示圖片：向心力演示器


我們可以通過向心力演示器對此進行更深入的研究。


做一做：探究向心力大小的表達式


1、實驗器材：向心力演示器、兩個質量相同的鋼球和一個質量小的鋁球。





向心力演示器


2、向心力演示器的構造


勻速轉動手柄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、標尺8。


3、原理


勻速轉動手柄，使變速塔輪以及長槽和短槽和槽內的小球隨之勻速轉動，使小球做勻速圓周運動的向心力由橫臂的擋板對小球的壓力提供。球對擋板的反作用力，通過橫臂的杠桿作用使彈簧測力套筒下降，從而露出標尺。根據(jù)標尺上露出的紅白相間等分標記，可以粗略計算出兩個球所受向心力的比值。


4、實驗步驟





（1）向心力與質量關系


讓鋼球與鋁球的質量之比為2:1。將鋼球和鋁球分別放在相同半徑處，搖動手柄。觀察套桶露出標度的格數(shù)，比較向心力的大小。


出示視頻：向心力與質量關系


其他條件相同的條件下，質量越大，套桶露出標度的格數(shù)越多，即向心力越大。


（2）向心力與角速度的關系


將兩個質量相同的小鋼球放在相同半徑處。皮帶套在兩個半徑為2:1的塔輪上，轉動手柄觀察套筒露出標度的格數(shù)，比較向心力的大小。


出示視頻：向心力與角速度的關系


其他條件相同的條件下，角速度越大，套桶露出標度的格數(shù)越多，即向心力越大。


（3）向心力與半徑的關系


將兩個質量相同的鋼球分別放在不同半徑處。搖動手柄觀察套筒露出標度的格數(shù)，比較向心力的大小。


出示視頻：向心力與半徑的關系


其他條件相同的條件下，半徑越大，套桶露出標度的格數(shù)越多，即向心力越大。


精確的實驗表明，向心力的大小可以表示為：Fn＝mω2r由：v=ωr得：Fn=mv2/r


三、變速圓周運動和一般曲線運動的受力特點


1、加速、減速、改變速度方向


（1）加速：速度方向與力的方向相同





（2）減速：速度方向與力的方向相反





（3）力的方向與速度方向垂直，只改變速度方向，不改變速度的大小。





2、變速圓周運動的特點


如圖：做圓周運動的沙袋正在加速轉動。O是沙袋運動軌跡的圓心，F(xiàn)是繩對沙袋的拉力。





根據(jù)F產生的效果，可以把F分解為兩個相互垂直的分力：跟圓周相切的分力Ft和指向圓心的分力Fn。Ft與沙袋運動的速度同向，使得沙袋的速度越來越大；Fn指向圓心，提供沙袋做圓周運動所需的向心力，改變沙袋速度的方向。





Fn改變速度的方向Ft改變速度的大小


思考與討論:當物體做圓周運動的線速度逐漸減小時，物體所受合力的方向與速度方向的夾角是大于90°還是小于90°呢？


大于90°Ft與物體運動的速度反向，使得物體的速度越來越??；Fn指向圓心，提供物體做圓周運動所需的向心力，改變物體速度的方向。





3、一般的曲線運動


（1）定義：運動軌跡既不是直線也不是圓周的曲線運動，可以稱為一般的曲線運動。


（2）研究方法：采用圓周運動的分析方法來處理





在研究時，可以把這條曲線分割為許多很短的小段，質點在每小段的運動都可以看作圓周運動的一部分。


這樣，在分析質點經(jīng)過曲線上某位置的運動時，就可以采用圓周運動的分析方法來處理了。


課堂練習


1、用細線拴住一球做勻速圓周運動，下列說法中正確的是（ ）


A.在線速度一定情況下，線越長越易斷


B.在線速度一定情況下，線越短越易斷


C.在角速度一定情況下，線越長越易斷


D.在角速度一定情況下，線越短越易斷


答案:BC


2、如圖所示，小物塊A與圓柱保持相對靜止，跟著圓盤一起作勻速圓周運動，則A受力情況是受（ ）





A．重力、彈力


B．重力、向心力


C．重力、彈力和摩擦力


D．重力、彈力、向心力和摩擦力


答案：C


3、關于向心力的下列說法正確的是( )


A．物體由于做圓周運動而產生了一個向心力。


B．向心力只能改變做圓周運動的物體的速度方向，不能夠改變速度的大小。


C．做勻速圓周運動的物體其向心力指向圓心，所以是恒力。


D．做勻速圓周運動的物體其向心力可以改變線速度的大小。


答案：B
























學生思考討論


學生代表發(fā)表自己的見解。




























































































學生分析物體受力，說出什么力提供物體做圓周運動的向心力



































學生觀看木塊隨轉盤一起做勻速轉動視頻









































學生動手操作，親歷實驗驗證的過程，體驗成功的樂趣。






























































學生觀察向心力演示器，掌握向心力演示器的構造
































學生動手實驗


并觀看向心力與質量關系的視頻，向心力與角速度的關系的視頻，向心力與半徑的關系的視頻，并總結實驗結論。













































































學生閱讀課文


說出變速圓周運動的特點









































學生思考討論


并回答









































閱讀課文說出一般的曲線運動的定義和研究方法
































學生練習




































激發(fā)學生的思維，充分調動學習的積極性。通過學生發(fā)表見解，培養(yǎng)學生語言表達能力和分析問題的能力。
















































































學生掌握向心力的來源












































掌握向心力的來源












































培養(yǎng)動手能力和團結協(xié)作的團隊精神。




































































為下面的實驗順利進行打下基礎






































鍛煉學生的動手總結能力





































































































鍛煉學生的自主學習能力












































進一步理解變速運動









































鍛煉學生的自主學習能力






































鞏固本節(jié)的知識












課堂小結
1、做勻速圓周運動的物體所受的合力總指向圓心，這個指向圓心的力就叫作向心力,用符號：Fn


2、向心力來源


向心力是根據(jù)力的作用效果命名的，它不是具有確定性質的某種力，它可以是某一個力或者幾個力的合力提供的。


3、向心力的大小可以表示為：Fn＝mω2r


Fn=mv2/r
梳理自己本節(jié)所學知識進行交流
根據(jù)學生表述，查漏補缺，并有針對性地進行講解補充。
板書
一、向心力


1、向心力


做勻速圓周運動的物體所受的合力總指向圓心，這個指向圓心的力就叫作向心力,用符號：Fn


2、方向：始終指向圓心(與v垂直或與半徑垂直)，是變力。


3、向心力的作用只改變線速度的方向。


4、向心力來源


二、向心力的大小


向心力的大小可以表示為：Fn＝mω2r由：v=ωr得：Fn=mv2/r


三、變速圓周運動和一般曲線運動的受力特點


1、變速圓周運動


Fn改變速度的方向Ft改變速度的大小


2、研究方法：采用圓周運動的分析方法來處理。

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2 向心力

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