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2019-2020年高中物理 5.8《生活中的圓周運動》同步教案 新人教版必修2 【設計思想】 本教學設計以新課程的三維目標為依據，重視學生的學習過程，體現“以學生為主體，以教師為主導”的新型師生關系，強化情感、態(tài)度與價值觀的教育，發(fā)展學生的科學素養(yǎng)。力圖在教學中營造活躍、寬松的學習氛圍，鼓勵學生合作探究，為學生與學生、教師與學生的交流與合作創(chuàng)設更多的機會，也為教學活動中的“生成”搭建舞臺。其設計特色有二，其一，密切聯系和關注時代的發(fā)展和社會的進步（火車提速）；其二，創(chuàng)造性地利用現代化儀器和設備進行實驗為教學服務，突破教學難點。 【教材分析】 《課程標準》要求學生能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力。這就要求學生首先要知道什么是向心力，明確向心力與向心加速度的關系，然后應用牛頓第二定律布列方程。本課內容是圓周運動有關知識的綜合應用，是牛頓第二定律的重要應用之一，學習它有助于了解物理學的特點和研究方法，體會物理學在生活中的應用以及對社會發(fā)展的影響，同時也為后續(xù)知識的學習打下基礎。這節(jié)內容安排2課時，這是第1課時的教學設計。 【學情分析】 在學習本節(jié)內容之前，學生已學習了描述圓周運動的運動學量（如線速度、角速度、向心加速度等）和向心力；并已知道對于一般的曲線運動，盡管這時曲線各個地方的彎曲程度不一樣，但在研究時只要取足夠短的一小段，就可以采用圓周運動的分析方法進行處理；但學生對向心力的理解還不夠透徹，存在一些錯誤的前概念，例如部分學生錯誤地理解為因為圓周運動而產生了向心力。 　　處于高一階段的學生，其思維習慣中形象思維占的比例還比較大，邏輯思維的能力有待進一步的開發(fā)和提高；對于物理學科特定的研究方法和分析方法已有了一定的了解，但還不是非常的熟練，有待進一步地培養(yǎng)。 【教學目標】 （1）鞏固向心力和向心加速度的知識； （2）會在具體問題中分析向心力的來源； （3）會用牛頓第二定律解決生活中較簡單的圓周運動問題。 【教學重點】 用牛頓第二定律列方程 【教學難點】 A. 分析具體問題中向心力的來源； B. 理解超重和失重。 【課前準備】電子秤；自制軌道；小球；紙箱；數碼相機；三角架；電腦多媒體。 【教學過程】 1. 引入課題 師：生活中圓周運動的例子很多，你能列舉一些嗎？ 生： …… 師：生活中的圓周運動是多種多樣的，大家都知道圓周運動需要向心力，你能談談對向心力的認識嗎？ 生1：向心力總是指向圓心的； 生2：向心力是按力的作用效果命名的力，并且是由其他力來提供的； …… 師：組織、鼓勵學生向老師提問有關圓周運動的問題。 生：積極提問。 師：對學生的提問，教師首先要肯定其勇氣，并告訴學生他們所提的問題多數會在這堂課中得到解決，這堂課將深入分析圓周運動的幾個特例，解決圓周運動問題的關鍵是分析向心力的來源，應用的規(guī)律仍然是牛頓第二定律，與前面所學的知識大同小異。 點評：傳統(tǒng)教學中常見的是老師問、學生答，學生處于被動的地位。而現在推行的新課程強調以學生為主體，因此我們要把提問權還給學生。 “提出問題往往比解決問題更重要”，善于提出問題或發(fā)現問題是學生自主學習與主動探求知識的生動表現。在質疑狀態(tài)下的學生取之所需，求知欲強，學生主動地參與到學習中去，學習興趣高，學習效率高。 2. 實例1——拐彎（水平面內的圓周運動） 師：首先，讓我們一起來看汽車拐彎（播放一段汽車拐彎側翻的視頻，如圖1）。 生：觀察和思考（學生興致高漲） 師：汽車為什么沒能安全拐彎呢？影響汽車能否安全拐彎的因素又有哪些呢？相信這些正是同學在思考的問題，請同學們用物理學的方法來分析一番（投影汽車拐彎示意圖，如圖2）。（提示先是受力分析，然后分析由誰來提供向心力，最后應用牛頓第二定律列出動力學方程，分析供求關系。） 生：汽車受到的力有重力、支持力、牽引力、摩擦力。其中向心力由沿轉彎半徑指向里面的靜摩擦力提供（教師在圖2中畫出）。 師：那圓周運動需要的向心力是什么呢？ 生：是； 師：如果要讓汽車安全拐彎需要滿足怎樣的關系？（即動力學方程） 生：動力學方程為　。 師：汽車沒能安全拐彎的原因是什么？ 生：是因為汽車速度太大，因而需要的向心力太大，或者說靜摩擦力提供的向心力不夠大。 師：那在怎樣的情況下汽車恰好能安全拐彎呢？ 生：最大靜摩擦力等于拐彎所需要的向心力。 師：板書，并指明ｖ0為臨界速度。那么，在不改變汽車行駛速度的情況下，要讓汽車安全拐彎，我們可以怎么辦？ 生：增大摩擦因數、減小汽車質量、增大轉彎半徑。 師：減小汽車質量，真的可以轉危為安嗎？ 生：思索后發(fā)現，等式兩邊質量可以消去，即與質量無關。 師：剛才我們根據摩擦力提供向心力分析了汽車拐彎的安全問題，有沒有辦法讓其他力來提供向心力呢？停頓一段時間后展示賽車跑道圖片（如圖3）。 　 　 　　　　　圖3 　　　　　　　　　　　　圖4 生：觀察和思考后發(fā)現，可以讓路面傾斜。 師：引導學生用物理知識分析為什么讓路面傾斜可以增加拐彎的安全性。 生：先是受力分析，然后進行力的合成或力的分解來分析向心力的來源，并與同學討論、交流其正確性。 師：巡視并及時糾正學生的錯誤，如將重力和支持力的合力畫成沿斜面向下。提醒學生向心力必須指向圓心，因而肯定是在水平面內。展示公路拐彎處的限速牌（如圖4），請學生分析在確定限速值時需要考慮哪些因素？ 生：公路的傾斜程度，摩擦因素，轉彎半徑以及車流量等。 師：學習了與汽車拐彎有關的物理知識后，再讓我們來看看火車，火車是當今社會的重要交通工具之一（展示火車圖片，如圖5），可你有仔細觀察過火車車輪與鐵軌的構造嗎？（展示圖6）請描述它們的特點？ 圖5　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 生：輪緣半徑大于車輪半徑，軌道將兩車輪的輪緣卡在里面。 師：如果鐵路彎道是水平的，那么火車拐彎時將會出現什么情況？ 生：火車輪緣會擠壓鐵軌。 師：追問是外軌還是內軌？ 生：是外軌。 師：火車質量大，速度也大，因此所需的向心力大。外軌長期受到強烈擠壓就會損壞。你能想辦法改進一下嗎？ 生：（聯想到賽車跑道）使鐵路彎道傾斜。 師：如果能根據轉彎半徑R和火車速度V來設計內、外軌高度差或傾斜角，使轉彎時所需要的向心力剛好由重力和支持力的合力來提供，那么外軌就不再受輪緣的擠壓，從而可以大大延長使用壽命（動畫演示）。請同學們寫出這種情況下牛頓第二定律的表達式？ 生： 。 師：可是現實中，鐵路建造完工后，傾斜角和轉彎半徑R就已確定，因此要使外軌不受輪緣的擠壓，應該調整火車的行駛速度。請求出這個速度？ 生：，。 師：那么，火車如果不是按此速度行駛，會怎么樣呢？ 生：討論和交流后得到：，外軌產生彈力起輔助作用；，內軌產生彈力起輔助作用。 師：(投影)今年4月18日，我國鐵路進行了第六次大提速，時速將達200公里以上，這必將為我國的經濟騰飛注入新的活力。假設你是一位從事鐵路設計的工程師，你認為火車提速有必要對鐵路拐彎處進行改造嗎？應如何改造？ 生：分析、討論和交流。 點評：傳統(tǒng)教學中強調的是如何把知識講清楚、講透徹，而新課程強調的是自主探究，充分展示過程和方法，實現學習方式的多樣化，貫徹從生活走向物理，從物理走向社會，突出STS思想，展現物理學科的人文價值。通過汽車拐彎問題的分析，為學生自主探究火車拐彎的問題搭設了臺階，并緊密聯系到我國最近的第六次火車大提速，由于賦予了實踐的背景，有效地調動了學生的積極性，物理知識被活化了，學生跟物理學的距離便一下子拉近了許多，同時，也讓學生因為當了一回工程師而獲得了一次很好的情感體驗。 3. 實例２——過橋（豎直面內的圓周運動） 師：(投影拱橋照片，如圖7)請看大屏幕，生活中我們經常會看到美麗的拱形橋，而很少見到凹形橋，那拱形橋有哪些優(yōu)點呢？(照片與模型對不上) 　　　　　　　　圖7　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8 生1：拱形橋可以讓更大的船只通過，利于通航。 生2：發(fā)洪水的時候，拱形橋在相同的時間內可以流過更多的水，利于泄洪。 生3：更加堅固、美觀。 …… 師：當你騎自行車快速通過凹凸不平的路面時，不知道你有沒體會到過與平路不一樣的感覺？ 生：有，有時感覺飄起來，有時屁股震得好痛。 師：為什么會這樣呢？讓我們來分析一下，(投影)設橋面圓弧半徑為R，質量為m的汽車在拱橋上以速度v前進（如圖8），問汽車通過拱橋最高點時對橋的壓力多大？(提示分析步驟：受力分析、確定向心力、列方程) 生：討論和交流，由代表陳述：是重力和支持力的合力提供向心力，根據牛頓第二定律有，,再根據牛頓第三定律，汽車對橋面的壓力比重力小，發(fā)生了失重現象。 師：那如果是凹形橋又會怎樣呢？ 生：分析。 師：我們可以用模擬實驗來檢驗和證明我們的分析。同時出示電子秤、自制軌道，闡明軌道相當于凹形橋，而電子秤可以顯示壓力大小，用小球在軌道上運動來模擬汽車通過凹形橋的情景。實驗時先把軌道和小球放在電子秤上稱，并將電子秤置零，然后移開小球，電子秤顯示示數為負。將小球從軌道高處釋放前，提示學生注意觀察電子秤示數的變化，然后釋放小球，并問學生觀察到了什么？又說明了什么？ 生：觀察到電子秤上示數中的負號有一瞬間消失了，說明出現了超重現象。 師：剛才的實驗中，示數變化很快看不清楚，我們可以用數碼相機將其拍下一幀一幀地看(請學生協助拍攝，然后將其信號投影至大屏幕播放慢鏡頭,選取幾張截圖如圖9)。 圖9 生：清晰地看到小球過最低點時示數為正，過最高點時示數為負。 師：這說明了什么？ 生：示數為正說明發(fā)生了超重現象，示數為負說明發(fā)生了失重現象。 點評：新課程強調充分利用課程資源，讓現代化的技術和設備為物理教學服務，創(chuàng)設形象生動的物理情景，豐富物理教學的內容，激發(fā)學生的學習興趣，促進學生對知識的理解和掌握。汽車過拱橋時的失重現象在現實中并不明顯，學生較難體會到，即使學生體會到了也不太會跟物理知識聯系起來。為了突破這一教學難點，筆者采用了電子秤，但小球在軌道上運動時間較短，示數變化太快而看不清楚，只看到有一瞬間負號消失，又利用數碼相機的連拍功能使示數變化的整個過程清晰可見，令學生嘆為觀止。 師：試想如果汽車的速度很大，會出現什么情況呢？ 生：將會“飛”起來。 師：(投影地球圖片,如圖10)地球可以看作一個巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球半徑（約6400km）,如果地面上行駛的汽車速度足夠大，會發(fā)生什么現象？試想這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少？他這時可能有什么感覺？ 圖10 生：（表現得很有興趣）積極思考和分析。 師：在學生表述的基礎上，闡明如果汽車速度足夠大，那將可以飛離地球而成為人造衛(wèi)星，這時，地球這座拱橋就“形同虛設”了，相關的知識我們將會在后面學習。 　　點評：許多物理知識間存在緊密的聯系,為了使學生更容易理解和掌握知識的來龍去脈，物理教學要有全局的觀念，當前知識的教學要有利于學生學習后續(xù)知識，合理設置“接口”。 4. 課堂小結 師：通過這堂課的學習，你學到了什么？（鼓勵學生發(fā)言并輔以適當的引導和提示） 生：踴躍發(fā)言。 師：肯定學生的發(fā)言，并在學生發(fā)言的基礎上，進一步明確本堂課的主要知識和方法。 5. 作業(yè)布置 利用假期時間，實地調查某公路拐彎處的傾斜情況，并查看路邊的限速牌，運用所學的知識，從理論上進行分析并對其限速值的合理性作出評價，填寫學生探究性學習用表（見附頁）。 【板書設計】 【問題研討】 1、如何處理好預設與生成的關系 傳統(tǒng)教學中，教案是教師實施教學的“法寶”，因而教師為設計教案絞盡腦汁，力求盡善盡美。然而，隨著課程改革的逐步推進，這樣的教案，在課堂教學中似乎已經不那么管用了，即使是一些被認為是經典的教案，在實施過程中也會常?！翱ぁ保科湓?，主要是教師過分拘泥于靜態(tài)教案的預設而忽視學生動態(tài)的生成。預設與生成是對立統(tǒng)一的矛盾體，課前細致的預設使本該動態(tài)生成的教學變成了機械執(zhí)行教案的過程；預設與生成又是相互依存的，沒有預設的生成往往是盲目的，而沒有生成的預設又往往是低效的。因此，在新課程背景下，如何處理好預設與生成的關系，是提高課堂教學效益的關鍵所在。只有課前精心預設，才能在課堂上動態(tài)生成，用智慧將教學演繹得更加精彩。 2、如何實現課堂教學的有效互動 我國的中學教學長期以來普遍采用傳授式的課堂教學模式，并以講解基礎知識和訓練基本技能為其主要特征，忽視對學習過程和實踐能力的研究、培養(yǎng)。筆者認為，深化教學改革就應打破以講授、灌輸為主的教學套路，在教學活動中，既要強調學生的主體性和師生的互動作用，又要看到探究是它的重要特征，只有開展探究性學習才能真正調動學生的學習積極性，才能充分發(fā)揮師生的雙向互動作用，讓學生自主地完成知識建構，獲得知識、能力、品德上的全面發(fā)展?，F代教學理論認為，在教學過程中，教師不再是知識的提供者，而是一個“協助者”，要為學生創(chuàng)設良好的學習環(huán)境，設置恰當的問題情境，誘發(fā)學生在認知上沖突，引導學生通過自主活動去建構起自己新的認知結構，從而扎實地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。