5.8生活中的圓周運(yùn)動(dòng)一．教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能1．知道如果一個(gè)力或幾個(gè)力的合力的效果是使物體產(chǎn)生向心加速度，它就是圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的向心力．會(huì)在具體問(wèn)題中分析向心力的來(lái)源．2．能理解運(yùn)用勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析和處理生產(chǎn)和生活中的具體實(shí)例．3．知道向心力和向心加速度的公式也適用于變速圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)求變速圓周運(yùn)動(dòng)中物體在特殊點(diǎn)的向心力和向心加速度．過(guò)程與方法1．通過(guò)對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(wèn)題的能力．2．通過(guò)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律也可以在變速圓周運(yùn)動(dòng)中使用，滲透特殊性和一般性之間的辯證關(guān)系，提高學(xué)生的分析能力．3．通過(guò)對(duì)離心現(xiàn)象的實(shí)例分析，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力．情感態(tài)度與價(jià)值觀1．培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力和思維創(chuàng)新能力．2．運(yùn)用生活中的幾個(gè)事例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、求知欲和探索動(dòng)機(jī)．3.通過(guò)對(duì)實(shí)例的分析，使學(xué)生明確具體問(wèn)題必須具體分析．二．教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)1．理解向心力是一種效果力．2．在具體問(wèn)題中能找到是誰(shuí)提供向心力的，并結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律求解有關(guān)問(wèn)題．教學(xué)難點(diǎn)1．具體問(wèn)題中向心力的來(lái)源．2．關(guān)于對(duì)臨界問(wèn)題的討論和分析．3．對(duì)變速圓周運(yùn)動(dòng)的理解和處理．三．課時(shí)安排1課時(shí)四．教學(xué)方法探究、講授、討論、練習(xí)教學(xué)過(guò)程導(dǎo)入新課課件展示自行車賽中自行車在通過(guò)彎道時(shí)的情景。根據(jù)展示可以看出自行車在通過(guò)彎道時(shí)都是向內(nèi)傾斜，這樣做的目的是什么？賽場(chǎng)有什么特點(diǎn)？自行車手經(jīng)過(guò)彎道時(shí)沒(méi)有減速，火車在經(jīng)過(guò)彎道時(shí)也沒(méi)有減速，那么我們?nèi)绾蝸?lái)保證火車的安全呢？推進(jìn)新課一．鐵路轉(zhuǎn)彎師：(多媒體課件)展示觀察鐵軌和火車車輪的形狀并模擬在平直軌道上勻速行駛的火車，提出問(wèn)題：1．火車受幾個(gè)力作用?2．這幾個(gè)力的關(guān)系如何?生：火車受到4個(gè)力的作用，各為兩對(duì)平衡力，即合外力為零．師：對(duì)，火車受重力、支持力、牽引力及摩擦力．且四個(gè)力合力為零，其中重力和支持力的合力為零，牽引力和摩擦力的合力為零．師：過(guò)渡；那火車轉(zhuǎn)彎時(shí)情況會(huì)有何不同呢?多媒體課件：模擬平直軌道火車轉(zhuǎn)彎情形．提出問(wèn)題：1．轉(zhuǎn)彎與直進(jìn)有何不同?2．畫(huà)出受力示意圖，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)情況分析各力的關(guān)系．生：轉(zhuǎn)彎時(shí)火車的速度方向在不斷變化，故其一定有加速度，其合外力一定不為零．師：對(duì)，轉(zhuǎn)彎時(shí)合外力不為零，即需要提供向心力，而平直路前行不需要．那么火車轉(zhuǎn)彎時(shí)是如何獲得向心力的?進(jìn)一步受力分析得：需增加的一個(gè)向心力(效果力)，由鐵軌外軌的輪緣和鐵軌之間互相擠壓而產(chǎn)生的彈力提供．師：提出問(wèn)題：擠壓的后果會(huì)怎樣?生：由于火車質(zhì)量、速度比較大，故所需向心力也很大．這樣的話，輪緣和鐵軌之間的擠壓作用力將很大，導(dǎo)致的后果是鐵軌容易損壞，軌緣也容易損壞．師：(設(shè)疑引申)那么應(yīng)該如何解決這一實(shí)際問(wèn)題?結(jié)合學(xué)過(guò)的知識(shí)加以討論，提出可行的解決方案，并畫(huà)出受力圖，加以定性說(shuō)明．[交流與討論]學(xué)生發(fā)揮自己的想象能力，結(jié)合知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案．結(jié)合受力圖發(fā)表自己的見(jiàn)解……師：剛才同學(xué)們交流和討論得非常熱烈、充分，方案設(shè)計(jì)得也很好，下面我們擇其一的示意圖來(lái)共同分析、說(shuō)明．投影學(xué)生的受力圖，進(jìn)行定性分析；如圖l所示，火車受的重力和支持力的合力提供向心力，對(duì)內(nèi)外軌都無(wú)擠壓，這樣就達(dá)到了保護(hù)鐵軌的目的．強(qiáng)調(diào)說(shuō)明：向心力是水平的．（1）當(dāng)時(shí)內(nèi)外軌道對(duì)火車兩側(cè)車輪輪緣都無(wú)壓力．（2）當(dāng)時(shí)外軌道對(duì)外側(cè)車輪輪緣有壓力．（3）當(dāng)時(shí)內(nèi)軌道對(duì)內(nèi)側(cè)車輪輪緣有壓力．要使火車轉(zhuǎn)彎時(shí)損害最小，應(yīng)以規(guī)定速度轉(zhuǎn)彎，此時(shí)內(nèi)外軌道對(duì)火車兩側(cè)車輪輪緣都無(wú)壓力．二．拱形橋播放錄像，交通工具(自行車、汽車等)過(guò)拱形橋．投影問(wèn)題情境：質(zhì)量為m的汽車在拱形橋上以速度行駛，若橋面的圓弧半徑為，試畫(huà)出受力分析圖，分析汽車通過(guò)橋的最高點(diǎn)時(shí)對(duì)橋的壓力．師：通過(guò)分析，你可以得出什么結(jié)論?生：在最高點(diǎn)，對(duì)汽車進(jìn)行受力分析，確定向心力的來(lái)源；由牛頓第二定律列出方程求出汽車受到的支持力：由牛頓第三定律求出橋面受到的壓力．F’N=G—可見(jiàn)，汽車對(duì)橋的壓力F’N小于汽車的重力G，并且壓力隨汽車速度的增大而減?。畮煟赫?qǐng)同學(xué)們進(jìn)一步考慮當(dāng)汽車對(duì)橋的壓力剛好減為零時(shí)，汽車的速度有多大．當(dāng)汽車的速度大于這個(gè)速度時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?生：把F’N=0代人上式可得，此時(shí)汽車的速度為，當(dāng)汽車的速度大于這個(gè)速度時(shí)，就會(huì)發(fā)生汽車飛出去的現(xiàn)象．這種現(xiàn)象我們?cè)陔娪袄锟吹竭^(guò)．[思考與討論]汽車通過(guò)凹形橋最低點(diǎn)時(shí)，汽車對(duì)橋的壓力比汽車的重力大還是小呢？學(xué)生自主畫(huà)圖分析，教師巡回指導(dǎo)。[課堂訓(xùn)練]師：請(qǐng)同學(xué)們一起來(lái)看一道例題，看完題后，自己先獨(dú)立分析、處理，然后我們?cè)僖坏澜涣?、討論．例：一輛質(zhì)量m=2.0t的小轎車，駛過(guò)半徑R=90m的一段圓弧形橋面，重力加速度g=10m／s2．求：(1)若橋面為凹形，汽車以20m／s的速度通過(guò)橋面最低點(diǎn)時(shí)，對(duì)橋面壓力是多大?(2)若橋面為凸形，汽車以l0m／s的速度通過(guò)橋面最高點(diǎn)時(shí)，對(duì)橋面壓力是多大?(3)汽車以多大速度通過(guò)凸形橋面頂點(diǎn)時(shí)，對(duì)橋面剛好沒(méi)有壓力解：(1)汽車通過(guò)凹形橋面最低點(diǎn)時(shí)，在水平方向受到牽引力F和阻力f．在豎直方向受到橋面向上的支持力N1和向下的重力G＝mg，如圖2所示．圓強(qiáng)形軌道的圓心在汽車上方，支持力Nl與重力G=mg的合力為N1—mg，這個(gè)合力就是汽車通過(guò)橋面最低點(diǎn)時(shí)的向心力，即=N1—mg．由向心力公式有：N1—mg=mv2/R解得橋面的支持力大小為根據(jù)牛頓第三定律，汽車對(duì)橋面最低點(diǎn)的壓力大小是（2）汽車通過(guò)凸凹形橋面最高低點(diǎn)時(shí)，在水平方向受到牽引力F和阻力f．在豎直方向受到橋面向上的支持力和向下的重力G＝mg，如圖3所示，由向心力公式解得橋面的支持力大小為根據(jù)牛頓第三定律，汽車對(duì)橋面最高點(diǎn)的壓力大小是（3）設(shè)汽車速度為時(shí)，通過(guò)凸形橋面頂點(diǎn)時(shí)對(duì)橋面壓力為零。根據(jù)牛頓第三定律，汽車對(duì)橋面壓力為零，由向心力公式解得三、航天器中的失重現(xiàn)象師：從剛才研究的一道例題可以看出，當(dāng)汽車通過(guò)拱形橋凸形橋面頂點(diǎn)時(shí)，如果車速達(dá)到一定大小，則可使汽車對(duì)橋面的壓力為零．如果我們把地球想象為特大的“拱形橋”，則情形如何呢?會(huì)不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況；速度達(dá)到一定程度時(shí)，地面對(duì)車的支持力是零?這時(shí)駕駛員與座椅之間的壓力是多少?駕駛員軀體各部分之間的壓力是多少?他這時(shí)可能有什么感覺(jué)?學(xué)生獨(dú)立分析以上提出的問(wèn)題，并在練習(xí)本上畫(huà)出受力分析圖，嘗試解答．投影學(xué)生推導(dǎo)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生間交流、討論．師：剛才同學(xué)們交流、討論的問(wèn)題即為課本第25頁(yè)上面的“思考與討論”，該“思考與討論”中描述的情景其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)不是在汽車上，而是在航天飛機(jī)中．投影；假設(shè)宇宙飛船質(zhì)量為M，它在地球表面附近繞地球傲勻逮圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑近似等于地球半徑R，航天員質(zhì)量為m，宇宙飛船和航天員受到的地球引力近似等于他們?cè)诘孛嫔系闹亓Γ嚽笞搶?duì)宇航員的支持力．此時(shí)飛船的速度多大?通過(guò)求解．你可以得出什么結(jié)論?生：通過(guò)整體法對(duì)宇宙飛船受力分析，并運(yùn)用牛頓第二定律可解得：宇宙飛船的速度為，再對(duì)宇航員進(jìn)行分析可得．此時(shí)座椅對(duì)宇航員的支持力為零．即在任何關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)，又不受阻力的飛行器中，航天員處于完全失重狀態(tài)。四、離心運(yùn)動(dòng)師：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體一旦失去向心力的作用，它會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢?如果物體受的合力不足以提供向心力，它會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢?發(fā)表你的見(jiàn)解并說(shuō)明原因．生：我認(rèn)為做圓周運(yùn)動(dòng)的物體一旦失去向心力的作用，它會(huì)沿切線飛出去，如體育中的“鏈球”運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員手一放后，“鏈球”馬上飛了出去．生：如果物體受的合力不足以提供向心力，它會(huì)做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)．如：在電影中經(jīng)常看到，速度極快的汽車在急速轉(zhuǎn)彎時(shí)．會(huì)有向外側(cè)滑寓的現(xiàn)象．師：如果向心力突然消失，物體由于慣性，會(huì)沿切線方向飛出去．如果物體受的合力不足以提供向心力，物體雖不能沿切線方向飛出去．但會(huì)逐漸遠(yuǎn)離圓心．這兩種運(yùn)動(dòng)都叫做離心運(yùn)動(dòng)．[討論與思考]師：請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合生活實(shí)際，舉出物體做離心運(yùn)動(dòng)的例子．在這些例子中，離心運(yùn)動(dòng)是有益的還是有害的?你能說(shuō)出這些例子中離心運(yùn)動(dòng)是怎樣發(fā)生的嗎?生：洗衣機(jī)脫水、棉砂糖、汽車轉(zhuǎn)彎、制作無(wú)縫鋼管、魔盤游戲等師：1、提供的外力F超過(guò)所需的向心力，物體靠近圓心運(yùn)動(dòng)2、提供的外力F恰好等于所需的向心力，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)3、提供的外力F小于所需的向心力，物體做遠(yuǎn)離圓心運(yùn)動(dòng)4、物體原先在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，突然間外力消失，物體沿切線方向飛出。五．課堂小結(jié)本節(jié)課主要的內(nèi)容：一方面從力的角度分析，確定什么力提供物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，能提供多大的力，是否發(fā)生變化；另一方面從運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)，分析物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要多大的向心力。如果供需雙方正好相等，則物體做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)；如果供大于需，則物體將偏離圓軌道，逐漸靠近圓心；如果供小于需，則物體將偏離圓軌道，逐漸遠(yuǎn)離圓心；如果外力突然變?yōu)榱悖瑒t物體將沿切線方向做勻速圓周