物理教案向心力

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【設計思想】

教育以人為本，學生是學習的主體，在課堂教學中應該讓學生帶著自己的問題去探究以體現學生的主體性。

【教材分析】

本節課是從動力學的角度研究勻速圓周運動的，這部分知識是本章的重點和難點，也是學好圓周運動的關鍵點，學好這部分知識，可以為后面的天體運動和帶電粒子在勻強磁場中的運動打好基礎。

教材的編排思路很清晰，先是從身邊的事例出發，讓學生體驗到做圓周運動的物體需要有一個指向圓心的力，從而引出向心力的概念。由于上一節中，已經從一般性的結論入手，利用矢量運算，在普遍情況下得出做勻速圓周運動的物體的加速度方向指向圓心的結論，進一步得到了向心加速度的大小。于是根據牛頓第二定律，就可以得到做勻速圓周運動的物體受到的合外力方向和大小，即向心力的大小和方向。

接著，教材為了讓學生對向心力有一個感性的認識，設計了“實驗”欄目──“用圓錐擺驗證向心力的表達式。實際上，這個實驗除了要驗證向心力表達式之外，另外一個目的就是可以讓學生體驗到“向心力不是一個新的力，而是一個效果力”，也即讓學生初步學會分析向心力的來源。

與過去不同的是，本節中又討論了變速圓周運動和一般的曲線運動。這樣安排的目的是從生活實際出發，在更廣闊的背景下讓學生認識到什么情況下物體將做勻速圓周運動，什么情況下會做變速圓周運動。以及知道如何處理一般曲線運動的方法。

【學情分析】

（1）思維基礎

根據新課程教學理念，從高一第一學期開始，在課堂教學過程中教師一直重視“過程與方法”的教學，學生已經初步有了探究事物的一般方法，即“是什么？──怎么樣？──為什么？”的思維方法。因此，本設計中就通過創設問題情景，激勵學生自己提出想要研究的問題。

（2）心理特點

依據20世紀最著名的發展心理學家皮亞杰的理論可知高一學生的認知發展過程是由具體運算階段向形式運算階段過渡，也是由直觀認識向邏輯推理、實驗推理過渡階段，因此在教學中，要遵循從感性到理性的認識規律，本節課抓住學生的心理特點進行教學設計。

（3）已有知識

通過前一節《向心加速度》的學習，學生已經知道了向心加速度的方向指向圓心，它描述了物體速度方向變化的快慢。于是根據牛頓第二定律可知，這個加速度一定是由于它受到了指向圓心的力。因此將向心加速度的表達式代入牛頓第二定律即可得到向心力的表達式。

但由于錯誤的經驗或者說是思維定勢，學生往往認為向心力是一種新的力，因此“向心力不是一種新的力，而是根據作用效果命名的力”（即向心力的來源）對學生來說，將是個難點。

【教學目標】

1．知識與技能

（1）知道什么是向心力，理解它是一種效果力。

（2）理解向心力公式的確切含義，并能用來進行簡單的計算。

（3）知道變速圓周運動中向心力是合外力的一個分力，知道合外力的作用效果。

2．過程與方法

（1）通過對向心力概念的探究體驗，讓學生理解其概念。并掌握處理問題的一般方法：提出問題，分析問題，解決問題。

（2）在驗證向心力的表達式的過程中，體會控制變量法在解決問題中的作用。

（3）經歷從勻速圓周運動到變速圓周運動再到一般曲線運動的研究過程，讓學生領會解決問題從特殊到一般的思維方法。并學會用運動和力的觀點分析、解決問題。

3．情感態度與價值觀

（1）經歷從自己提出問題到自己解決問題的過程，培養學生的問題意識及思維能力。

（2）經歷從特殊到一般的研究過程，培養學生分析問題、解決問題的能力。

（3）實例、實驗緊密聯系生活，拉近科學與學生的距離，使學生感到科學就在身邊，調動學生學習的積極性，培養學生的學習興趣。

【重點難點】

1．教學重點

（1）理解向心力的概念和公式的建立。

（2）理解向心力的公式，并能用來進行計算。

（3）理解向心力只改變速度的方向，不改變速度的大小。

2．教學難點

（1）向心力的來源。

（2）理解向心力只改變速度的方向，不改變速度的大小。

【教學策略與手段】

本節課設計成了探究性學習課，即在教師創設情景，讓學生自己提出想要知道的問題，在教師的引導下，通過全班同學的討論，自評和互評來不斷完善。教師在教學中通過具體的實例、實驗，激發學生的求知欲望，讓學生主動參與到探究的過程，成為學習的主體，積極主動地獲取知識和能力。

一、難點的突破

“向心力不是一種新的力，而是根據作用效果命名的力”和“向心力和切向力的作用效果和特點”對學生來說都將是難點。因此在勻速圓周運動的例子中，必須讓學生對物體進行受力分析，并讓學生判斷合力的作用效果是什么、產生了怎樣的加速度，目的是讓學生體驗向心力的來源。在變速圓周運動中，讓學生對物體進行受力分析，說明各個力產生怎樣的加速度，從而進一步得到向心力和切向力的作用效果。

二、對教材中兩個地方的處理

1．由于課本中用來粗略驗證向心力表達式的圓錐擺運動在課堂中很難實現讓學生測量，所以本設計中安排了先用向心力演示儀去驗證向心力的表達式，然后在讓學生分析游樂園中轉椅的運動和受力情況后，通過讓學生體驗在實驗室里粗略測量圓錐擺模型運動中的向心力大小以落實它的向心力來源，并向學生說明我們可以用圓錐擺粗略驗證向心力表達式。

2．為說明做變速圓周運動的物體，它受到的力并不是通過圓心時，課本上是通過實例鏈球運動和學生自己讓小沙袋做變速圓周運動的體驗來說明。這里本人認為直接這樣讓學生體驗并得到上述結論難度不小，所以本設計中先讓學生通過對游樂園中過山車做變速圓周運動進行受力分析，從而得到──物體在什么情況下做變速圓周運動，然后讓學生觀察并分析鏈球運動和體驗讓小球做變速圓周運動時的受力情況，從而降低了難度。

三、本節課的教學流程設計為

1．向心力概念的引出。

2．引導學生提出自己想要研究的問題。

3．鼓勵學生先共同解決自己提出的一部分問題。

4．用實驗驗證理論──用向心力演示儀驗證向心力表達式。

5．從游樂園里轉椅出發落實：①分析圓錐擺中向心力的來源；②用圓錐擺模型可以粗略去驗證向心力表達式。

6．由游樂園中的過山車模型和運動員的鏈球運動落實：物體做勻速圓周運動和變速圓周運動的條件及向心力和切向力的作用效果和特點。

7．讓學生知道研究一般曲線運動的方法。

8．課堂小結。

在教學手段上，充分使用ppt、視頻、演示實驗、身邊的圓周運動，以增強教學的生動性和形象性，活躍課堂氣氛，從而充分調動學生學習的積極性，落實教學目標。

【課前準備】

1．實驗儀器：帶細繩的小鋼球（兩人一個）。

2．動畫及視頻：地球繞太陽運動、圓錐擺（動畫），雙人花樣滑冰，游樂園中的轉椅和過山車、鏈球運動的視頻及圖片。

3．制作ppt。

【教學過程】

一、向心力概念的引出

師：我們先看幾個做圓周運動的例子，思考這樣一個問題：這些做圓周運動的物體為什么不會飛出去，而是老老實實地繞著一個中心點做圓周運動？

大家也可以自己動手制作一個圓周運動（事先給學生發了個帶細繩的小球）

生：受到了拉力的作用，

[學生活動]：對以上做圓周運動的物體受力分析

師：這些力的指向有什么特點呢？

生：指向圓心。

師：我們把這樣的力叫做向心力。

板書向心力：做圓周運動的物體所需的指向圓心的力，符號：Fn

二、引導學生提出自己要研究的問題

師：這節我們就來研究向心力。接下來我想把課堂交給在座的各位同學。關于向心力，你想知道什么，想研究什么，就以問題的形式提出來，我們一起解決。大家先考慮兩分鐘。同桌、前后排的同學也可以相互討論下。

[學生活動]：

生1：向心力的方向與向心加速度的方向是否相同？

生2：向心力的大小跟什么有關？與ω、ν之間什么關系？

生3：向心力的大小怎么測量計算？

生4：向心力有什么特點？

生5：向心力的作用效果是怎樣的？

生6：向心力是不是合力？

生7：向心力的來源？

生8：向心力的施力物體是什么？

生9：圓周運動的半徑為何不變？

生10：向心力與向心加速度的關系如何？

（師將這些問題一一寫道黑板上）

三、鼓勵學生先共同解決一部分問題

師：有問題我們一起解決，大家思考下這些問題，看看你能不能幫別人解決這些問題。

以下是課堂實錄：

生1（男）：老師我回答第一個問題，我覺得向心加速度方向與向心力的方向相同，因為根據牛頓第二定律，得到加速度的方向與力的方向是一致的。

師：大家都同意他的看法嗎？

生2（女）：我不同意，因為牛頓第二定律是在直線運動中的，這里是曲線運動，情況不一樣，所以不能用牛頓第二定律得出來。

生3（女）：我認為他是對的。因為牛頓第二定律是說物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。也沒說在曲線運動中不成立，所以是對的。

（師引導學生通過受力分析，并由上節課學習的在圓周運動中某點的向心加速度方向指向圓心，從而總結得到牛頓第二定律在曲線運動中仍成立。）

生4：根據牛二律可以得到

四、用實驗驗證理論──用向心力演示儀驗證向心力表達式

師：剛才我們已經得到了向心力的表達式。理論的正確與否我們必須要用實踐去證明。

引導學生說出怎么去驗證──利用控制變量法。

介紹向心力演示儀原理，請一位學生自己來演示給全班同學看。

引導學生由多次實驗現象可以得到：

半徑r、角速度ω一定，與質量m成正比

質量m、角速度ω一定，與半徑r成正比；

質量m、半徑r一定，與角速度ω的平方成正比；

到此為止，以上學生提出的很多問題都得到了解決

（師將這些解決掉的問題一一畫勾）

五、從游樂園里轉椅出發落實：①分析圓錐擺中向心力的來源②用圓錐擺實驗可以粗略去驗證向心力表達式

1．圓周擺

（1）游樂園圖片及視頻材料

（2）學生動手讓小球做圓錐擺運動

（3）建立物理模型（如圖所示）

思考與討論：

①如圖所示，做勻速圓周運動的小球受到哪些力的作用？合力產生了怎樣的加速度？

②能否在實驗室里粗略計算此勻速圓周運動中的向心力大?。?/p>

分析：

①這里的受力分析結合前面落實：向心力不是一種新的力，它可以是重力、彈力、摩擦力等各種性質的力，也可以是這些性質力的合力，也可以是這些性質力的一個分力。

②在“實驗室里如何計算向心力的大小”這里，引導學生可以設計兩種方法去測。

師：我們課本上就是利用圓錐擺中可以有兩種方法測向心力來粗略驗證向心力的表達式的，同學們課后有興趣完全可以自己去做一下。

六、由游樂園中的過山車模型和運動員的鏈球運動落實：物體做勻速圓周運動和變速圓周運動的條件及向心力和切向力的作用效果和特點

1、看過山車視頻并對右圖中的情況進行受力分析，說明各個力產生了怎樣的加速度，并進一步引導向心力的來源。

分析圖1落實：

①向心力和切向力的作用效果。

②什么情況下物體做勻速圓周運動，什么情況下做變速圓周運動。

師：哪個力提供向心力？

有向心力就向心加速度，上節課我們學習的向心力可以改變什么？

引導得到向心力的作用效果：只改變速度的方向。

師：切線方向上的重力會對物產生怎么樣的影響？

引導學生得到切向力改變了速度的大小。

2、總結什么情況下，物體做勻速圓周運動，什么情況是做變速圓周運動

勻速圓周運動：只有向心加速度時。

變速圓周運動：同時具有向心加速度和切向加速度時。

3、分析圖2、圖3，讓學生獲得在不同情況下如何分析向心力和切線力的來源

4、讓學生觀察和自己動手體驗變速圓周運動從而得到變速圓周運動物體受力情況。

再次問學生：向心力是否一定是合力？

生：不一定

（七）讓學生知道研究一般曲線運動的方法：曲線→小段圓弧→圓周運動，即利用微元法將曲線分割為許多極短的小段，每一段都可以看做一小段圓弧，然后進行研究。

八、課堂小結

課堂的最后將學生的問題歸類：說到底我們研究了向心力的大小，方向，作用效果，來源。

【板書設計】

向心力

1．定義：使物體做圓周運動，指向圓心的力。

2．研究內容：

⑴向心力的方向與向心加速度的方向是否相同？

⑵向心力的大小跟什么有關？與ω、ν之間什么關系？

⑶向心力的大小怎么測量計算？

⑷向心力有什么特點？

⑸向心力的作用效果是怎樣的？

⑹向心力是不是合力？

⑺向心力的來源？

⑻向心力的施力物體是什么？

⑼圓周運動的半徑為何不變？

⑽向心力與向心加速度的關系如何？

3．勻速圓周運動：僅有向心加速度的運動。

變速圓周運動：同時具有向心加速度和切向加速度的圓周運動運動。

4．問題歸納：

⑴向心力的方向

⑵向心力的大小

⑶向心力的作用效果

⑷向心力的來源

【問題研討】

1．這是一節探究型學習課。本堂課中學生活動較多，所用時間相應就多了，所以整堂課沒有寬裕的時間用來提供例題讓學生利用向心力表達式簡單計算物體做勻速圓周運動所需的向心力和分析向心力的來源。

2．因為整堂都是以學生為主的探究性學習，創設情景讓學生提出自己關心、想要知道的問題，解決問題的時候又主要是以學生自評和互評以及合作學習而得出結論的，所以在結論的得出或是結論的表述可能會不嚴密，難免缺少知識的系統性，因此如何處理和保持好探究性學習中知識的系統性是探究性學習中的值得我們去研究的問題。

3．探究型學習課給教師提出了很高了要求。在探究的第一個環節一定要千方百計的鼓勵學生提出問題，但由于學生之間存在差異性，不同的學生提出的問題層次各有不同，因此一定要因材施教，根據不同的學生創設不同的情景以及要運用不同的引導方法、激勵方法和評價方案；根據不同的學生，采用不同的方法激發學生的學習興趣和調動學生的積極性等等。這就給教師提出了很大的要求。又由于學生提出的問題的難預料，給課堂教學帶來了一定的難度。這就要求教師具有較強的引導和應變能力以及較強的課堂管理能力，同時教師必須要非常了解學生，教師平時多走進學生，關愛學生，了解學生，懂得學生的興趣點；尊重每一位學生，但不放縱學生等。對于教師本人，必須要有強烈的“以學生為主體”的意識，課堂應該是屬于學生的課堂，同時一要創設一個和諧、平等、民主的課堂氛圍。

參考資料：

1．人教版物理必修2《教師教學用書》，人民教育出版社，第41頁。

2．張大昌：《〈物理1〉〈物理2〉的編寫思想》，《中學物理教學參考》2007年第1-2期

3．邵曉明：《對高中物理“探究式課堂教學”探究程度的思考》，《物理教學探討》2005年第9期