6.4生活中的圆周运动（火车转弯问题）教学设计-2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

生活中的圆周运动——火车转弯问题 教学设计 教学目标：1.加深对向心力的认识，会在实际问题中找到向心力的来源； 2. 培养学生利用圆周运动的知识分析解决生活中的实例的能力。 教学重难点：火车在圆周运动中圆心位置和向心力的来源的确定。 教学过程： 首先对向心力知识的回顾，物体做稳定圆周运动的条件，构建供需相等的思想。引导学生利用所学知识分析生活中的实例—火车转弯问题。 1、 了解火车车轮的结构，火车的车轮有凸出的轮缘，将火车的车轮和铁轨简化为图1所示的结构，以向右转为例，当火车有向里运动的趋势时，内铁轨挡住内轮缘，当火车有向外运动的趋势时，外铁轨挡住外轮缘，所以火车会始终沿铁轨前进，起到了限定方向的作用。 图2 F G N 内铁轨 外铁轨 图1 2、 分析内外铁轨在同一水平面时的火车转弯问题，如图2所示。 如果火车转弯处内外轨无高度差，火车行驶到此处时，由于火车惯性的缘故，会造成外轨内侧与火车外轮的轮缘相互挤压现象，使火车受到外轨内侧的侧压力作用，迫使火车转弯做圆周运动。根据牛顿第二定律F=m可知，火车质量很大，外轨对轮缘的侧压力很大，这个侧压力的反作用力，作用在外轨上会对外轨产生极大的破坏作用，甚至会引起外轨变形，造成翻车事故。这显然不是一种最佳的设计方案，为了解决这个问题，设计师将铁轨设计为内高外低 。 3、 分析铁轨内高外低的情况下是什么力来提供火车转弯所需要的向心力，如图3所示。 图3 图4 重力和支持力的合力指向圆心可以提供向心力，设铁轨平面与水平面的倾角为ɑ，可以求出合力 ，根据牛顿第二定律，求出火车此时的转弯速度为，如果火车以这个速度转弯向心力只需由重力和支持力的合力来提供，这就大大减少了火车轮缘与铁轨间的挤压，因此把这个速度叫做最佳转弯速度。因铁轨平面与水平面的倾角ɑ是很小的，=，可以求出内外铁轨间的高度差。设想在实际生活中，火车转弯时的速度或又会是什么情况呢？ 讨论：①当时，供<需，火车有向外甩的趋势，外铁轨对外轮缘产生一个向里的弹力，这个弹力与支持力在水平方向的分力共同提供向心力，如图5所示。 ②当时，供>需，火车有向里运动的趋势，内铁轨对内轮缘产生一个向外的弹力，这个弹力与支持力在水平方向的分力抵消一部分后提供向心力，如图6所示。 图6 图5 由以上分析可知，倾斜的路面为火车转弯提供了条件，与此类似，盘旋的飞鸟或者飞机也是靠倾斜来获得向心力的。鸟儿转弯时翼面倾斜，受到垂直翼面的升力和竖直向下的重力，这两个力的合力指向圆心提供向心力，如图7所示。 今天学习了火车转弯模型，在处理这种模型时，要明确物体在哪个平面内做圆周运动、找圆心，并对物体受力分析找出向心力的来源。 学科网（北京）股份有限公司 $