北京市空中课堂人教版（2019）高一物理必修第二册第六章 -6.4生活中的圆周运动 (课件+教案)

教 案 教学基本信息 课题 生活中的圆周运动 学科 物理 学段： 高一第三学段 年级 高一 教材 书名： 普通高中教科书《物理》必修第二册 出版社：人民教育出版社 出版日期： 2019年 7 月 教学目标及教学重点、难点 【教学目标】 1． 能根据所学知识分析生活中的各种圆周运动现象，在此过程中体会模型建构的方法。 2． 知道航天器中的失重现象。 3． 了解生产生活中的离心现象及其产生的原因。 【难点】 火车转弯时合力方向的判定，过山车过最高点的速度条件。 【重点】 从生活情境中抽象出圆周运动的模型，找出向心力由什么力提供。 教学过程(表格描述) 教学环节 主要教学活动 设置意图 环节一： 圆周运动知识复习 环节二：火车转弯 环节三：汽车过拱形桥 环节四：航天器中的失重现象 环节五：离心运动 1 同学们好，这节课我们来学习生活中的圆周运动。在前面几节中，大家学习了关于圆周运动的一些基本知识，包括描述圆周运动的物理量以及向心力和向心加速度的概念。在开始这节课的学习之前，我们先来简单回顾一下这些知识。 2 我们知道，做匀速圆周运动的物体，需要一个指向圆心的力，叫做向心力。向心力的大小可以用物体的质量，物体做圆周运动的半径以及线速度、角速度或周期等物理量来表示，表达式可以写成。同时，做匀速圆周运动的物体，由于速度方向不断发生变化，也有加速度。根据牛顿第二定律，它的表达式可以通过将向心力表达式中的质量m去掉得到，方向与合力方向相同，也指向圆心，叫向心加速度。 当物体做匀速圆周运动的时候，合力等于向心力。也就是说，外界提供给物体的力，等于物体所需要的向心力，供需平衡，这时候物体就能够做匀速圆周运动。从本质上讲，这是牛顿第二定律在圆周运动中的应用，只不过这时候的加速度a应该是向心加速度。 需要注意的是，向心力并不是物体真实受到的力，它是按照效果命名的力，所以我们在做物体受力分析的时候并不能画出向心力。我们通常说是什么力或者是哪些力的合力充当或者提供了向心力。在解决问题的时候，往往找出向心力是由什么力来提供的是解决问题的关键。这节课我们利用之前学过的知识，来解决生活中的一些问题。 3 接下来我们来研究几个实例。第一个是火车转弯，第二个是汽车过拱形桥，第三个是航天器中的失重现象，第四个是离心运动。第四个实例打了星号，表示是自主学习的内容。 4 我们先来看火车转弯。请同学们先看一段视频。（放视频）坐过火车的同学可能体验过这样的情景。铁路上有弯道，火车在转弯的时候，如果弯道是一段圆弧，那么火车做的是圆周运动。不知道同学们有没有考虑过这样一些问题：火车在转弯的时候，是什么力提供了向心力？这个力需要多大？铁轨在弯道处的设计有什么特点？有哪些需要特别考虑的地方？下面，我们通过一个具体的问题来看。 5 假设有一辆质量m = 60 t的机车，以v = 10 m/s的速度匀速通过一段半径R = 100 m的弯道。如果两条轨道的高度相同，轮缘受到的水平压力为多大？如果要使轮缘不受侧向压力，应该如何设计轨道？ 问题是这样的。那么，什么是轮缘？为什么轮缘会受到水平压力？为了搞清楚这些问题，我们需要先介绍一下火车车轮和铁轨的结构。 6 坐过火车的同学，不知道你们有没有注意过火车车轮和铁轨的形状。铁轨的截面是上下宽、中间窄的形状，类似汉字工人的“工”，又叫工字钢。火车的车轮，各处的半径并不相同，车轮的内侧有一圈凸出的边缘，叫做轮缘。火车行驶时，轮缘卡在轨道的内侧，能够限制火车始终在轨道上行驶，不至于轻易脱轨。 火车转弯时是在水平面内做圆周运动。（动画）如果两条轨道等高的话，火车在转弯的时候，轮缘会受到轨道给它的侧向压力。这个侧向压力就提供了火车转弯时候所需要的向心力。 弯道处的两条铁轨，离圆心较近的一条我们叫做内轨，离圆心较远的一条我们叫做外轨。由于侧向压力指向圆心，所以这个压力是外轨给轮缘的。 由于外轨给轮缘的侧向压力提供了向心力，所以，如果我们算出来火车转弯需要的向心力是多大，就能知道轮缘受到的水平压力是多大了。 7 让我们再回顾一下刚才的问题，这里有些数据我们先要记住，机车的质量是60t，速度大小是10m/s，弯道的半径是100m。下面我们来做一下计算。 8 刚才已经分析了，如果两轨的高度相同，火车转弯所需的向心力由外轨对轮缘的压力提供。（动画）根据向心力的表达式，，带入相应的数据，这样我们就可以算出来，火车转弯时需要的向心力是，也就是说，轮缘受到的水平压力也是这么大，有6万牛。（动画）这样的力可不小，相当于质量为6t的卡车给水面路面的压力。在这样大的力的作用下，铁轨和车轮极易受损。（动画）那么，如何设计轨道才能使轮缘不受侧向压力呢？ 9 有一个办法是把轨道的一侧垫高，使弯道处的