4.5 牛顿运动定律的应用 教学设计-2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

5 牛顿定律的运用 目标素养 1．物理观念：通过两道例题，引导学生对比两种处理问题的思路，培养学生自主归纳利用牛顿运动定律解决两类问题的主体思路，从而提升运动与相互作用的物理观念。 2．科学思维：以冰壶在冰道上的运动为情境，引导学生将实际运动过程构建成理想的匀变速直线运动模型，通过规范的受力分析，利用牛顿运动定律，得出冰壶在冰面上运动的加速度，从而解决冰壶离开运动员时的速度及运动时间等运动学问题；以运动员滑雪为情境，选择研究对象，构建匀加速直线运动模型，结合运动学的相关知识，得出运动员滑行过程中的加速度，通过牛顿运动定律，分析运动员在斜面上所受的阻力和支持力。这个过程可以培养学生建构理想运动模型进而解决问题的科学思维能力。通过观察刷冰运动员的刷冰运动，能从受力的角度合理地预测摩擦力的变化情况，从而将一个完整复杂的冰壶运动合理地拆分为多过程的物理情境问题，逐步提升学生的科学思维。 3．科学探究：通过对冰壶和滑雪两个现实情境的分析，引导学生对于解决问题的过程提出合理的物理问题，并基于证据进行合理的解释，提升学生在科学探究过程中的问题意识、证据意识和解释物理问题的能力。 4．科学态度与责任：通过应用实例，体会牛顿运动定律对社会发展的影响，逐步形成科学解决问题的意识，提升学生的科学态度与责任。 重点难点 重点 1．已知物体的受力情况，通过牛顿运动定律确定物体的运动情况。 2．已知物体的运动情况，通过牛顿运动定律确定物体的受力情况。 难点 1．能将实际的问题情境转化为理想的运动模型。 2．能将复杂的问题情境拆分为多过程的物理问题。 教学准备 教师准备 1．制作本节课的多媒体课件。 2．准备冬奥会冰壶比赛的视频。 学生准备 1．预习本节课的内容。 2．上网查阅冰壶运动的相关知识。 导入新课 导入一（情境导人） 播放冬奥会冰壶比赛的视频。 学生 观看视频。 教师 谁能说一说，冰壶比赛中都有哪些运动？ 导入二（知识导入） 教师 课前布置学生上网查阅冰壶的赛事规则。 学生 查阅资料，了解冰壶运动中每位运动员的任务，以及冰壶停止在什么位置是可以得分的，怎样能够赢得比赛。 教师 谁能说一说，冰壶比赛有哪些规则？ 学生 冰壶比赛中，每场由两支球队对抗进行，每队由4名球员组成。每名球员均有两次掷冰壶机会。两队按一垒、二垒、三垒及主力队员的顺序交替掷冰壶，在一名队员掷冰壶时，由两名本方队员手持毛刷在冰壶滑行的前方快速左右擦刷冰面，使冰壶能准确到达营垒的中心。同时，对方的队员为使冰壶远离营垒的中心，也可在冰壶的前面擦刷冰面。 谁能说一说，冰壶比赛中都有哪些运动？ 教学过程 环节一：从受力确定运动情况 在刚才的比赛视频中，你们都关注了哪些运动？ 冰壶运动员掷冰壶的运动，冰壶在冰道上的运动，刷冰运动员擦刷冰面的运动······ 教师 如果我们只关注冰壶的运动，冰壶的运动可视为什么运动？为什么？ 学生 冰壶的运动可视为两段直线运动。 第一段运动是冰壶离开运动员的手后的运动，受力情况如图甲所示。 设冰壶运动的方向为正方向， 轴： |y轴： 根据受力分析可知，y轴方向受力平衡，而x轴方向只受到一个和运动方向相反的摩擦力，根据牛顿运动定律，可以判断出，冰壶离开运动员的手后做加速度为a的匀减速直线运动。 第二段运动是冰壶在刷冰运动员擦刷冰面时的运动。 由于擦刷冰面可使得冰壶受到的摩擦力减小，所以冰壶的受力情况如图乙所示。 设冰壶运动的方向为正方向， 轴： 根据受力分析可知，y轴方向受力平衡，而x轴方向只受到一个和运动方向相反的摩擦力，由于摩擦力变小，根据牛顿运动定律，可以判断出，冰壶在刷冰运动员擦刷冰面时做加速度为a1的匀减速直线运动。 因此，可以将整个冰壶的运动分为两个阶段的匀减速直线运动。 教师 研究问题时，应从最简单的运动开始，如果冰壶离开运动员的手后，没有刷冰运动员作用，冰壶的运动最为简单，可认为该过程中摩擦力恒定，可视为匀减速直线运动。 例 （1）如图所示，某次训练中，运动员把冰壶沿水平冰面投出，让冰壶在冰面上自由滑行，在不与其他冰壶碰撞的情况下，最终停在远处的某个位置。 某同学查阅了相关资料，可以知道：冰壶的质量为19.1kg，从投球点起约28m远处画有圆形标志的地方为“大本营”，若冰壶和冰面的动摩擦因数为0.02，应以多大的速度投掷冰壶能恰好将其投入“大本营”中心位置？g取10m／s2。 （2）按比赛规则，投掷冰壶运动员的队友，可以用毛刷在冰壶滑行前方来回摩擦冰面，减小冰面的动摩擦因数以调节冰壶的运动。 若某次以3m／s的速度将冰壶投出，其队友在冰壶自由滑行10m后开始在其滑行前方摩擦冰面，冰壶和冰面的动摩擦因数变为原来的90％，冰壶能否进入到“大本营”区域呢？已知“大本营”区域的半径为2m。 解析 （1）设冰壶运动的方向为正方向， 轴：轴 根据, 代入数据解得 （2）分析整个运动过程，可将其分为两个匀减速直线运动过程，过程一的加速度比过程二的加速度更大一些。经过（1）的求解过程可知，投掷速度为3m／s是不能把冰壶投入到“大本营”中的，但如果有了刷冰运动员的加入，可使冰壶减速的加速度由大变小，投掷的距离会更远一些。冰壶是否能投入到“大本营”区域中则需要重新通过计算来判断。 设冰壶运动的方向为正方向， 轴：,轴：, 根据、 代入数据解得 轴： 轴：, 根据 代入数据解得 则 根据冰壶场地的示意图，如果冰壶进入“大本营”，总位移应为26～28m之间，此次的冰壶运动的总位移为23.9m，冰壶不能被投入到“大本营”内。 答案 （1）3.3m／s（2）不能被投进“大本营”内。 设计意图 通过真实情境-冰壶比赛，构建匀变速直线运动的模型，通过规范的受力分析，根据牛顿运动定律，确定冰壶运动时的加速度，从而解决冰壶的运动学问题。例1（1）中，由简单的物理情境过渡到复杂的物理情境，引导学生将复杂的问题情境分解为两个运动过程，体会建模带来的解决问题的价值；例1（2）中，要求解的是冰壶能否在新的问题情境下进入“大本营”，引导学生发现定性的科学解释已经不能达到解决问题的目的，必须通过科学计算才能预测结果。通过这部分的内容，引导学生将物理知识应用到真实情境中进行综合应用并解决问题，逐步提升学生的建模能力和科学解释问题的能力。 环节二：从运动情况确定受力 教师除了冰壶，你还知道哪些冬奥会的比赛项目？ 滑雪。 教师 那么，在滑雪运动中有哪些运动呢？存在什么规律呢？ 例 如图所示是一位滑雪者，人与装备的总质量为75kg，以2m／s的初速度沿山坡匀加速直线滑下，山坡倾角为30°，在5s的时间内滑下的路程为60m。求滑雪者对雪面的压力及滑雪者受到的阻力（包括摩擦和空气阻力），g取 （1）请分析一下，能否通过受力分析来确定滑雪者受到的阻力和滑雪者对雪面的压力。 （2）根据题干的信息，能否确定滑雪者的加速度呢？ 解析 （1）通过受力分析和力的分解，将滑雪者受到的三个力分解到沿斜面方向的x轴和垂直于斜面方向的y轴组成的直角坐标系中，如图所示。 轴：-轴： 通过沿y轴方向的受力分析可以求出滑雷者受到的支持力，根据牛细第三定缩，可知滑雪者对雪面的压力与滑雪者受到的支持力是一对相互作用力，大小相等，方向相反，即可求出滑雪者对雪面的压力；通过沿x轴方向的受力分析，可知要想求解滑面者受别的阻力，还禽要知道滑雪者运动的加速度。 （2）题干中有非常明确的运动学信息，可以通过运动学公式，求出加速度，再根场牛领运动定律，建立力学关系，从而求出滑雪者所受的阻力。 答案 （1）设沿山坡向下的方向为正方向， 根据 代入数据解得 （2）设沿山坡向下的方向为正方向， 轴：轴：, 代入数据解得： 根据牛顿第三定律，滑雪者对雪面的压力大小等于雪面对滑雪者的支持力大小，为650N，方向垂直山坡向下。滑雪者受到的阻力大小为75N，方向沿山坡向上。 设计意图 通过真实的滑雪情境，构建理想的匀加速直线运动模型。先引导学生分析能否通过受力分析直接解决问题，再让学生通过规范的受力分析和合理的正交分解，意识到只通过受力分析是不能解决问题的，解决问题的关键在于加速度，进而基于牛顿第二定律进行思考，进一步明确牛顿第二定律是力学与运动学的桥梁，最后使学生可以通过运动学的信息去求解加速度，从而达到解决问题的目的。 环节三：应用牛顿运动定律来解决问题 请同学们分析一下例1和例2在解决问题时的异同处。 学生 无论是解决力学问题还是解决运动学问题，都是通过牛顿第二定律来建立关系，从而实现了解决问题的目的。 设计意图 引导学生对比例1和例2中解决问题思路的相同点和不同点：例1是通过明确力学信息，求解加速度，从而求解运动学的相关信息；而例2是先通过运动学信息求出加速度，然后通过受力分析求解力学的相关信息。对比这两种解题的思路，学生可自行归纳出牛顿第二定律是解决问题的关键，通过它建立了力学与运动学之间的桥梁，进而梳理出利用牛顿运动定律解决问题的思维程序图。 核心总结 本节课通过两个真实的情境，引导学生选择研究顺序，构建理想的匀变速直线运动模型，提升了学生基于真实情境建立理想模型的科学思维能力。例1是从受力情况确定运动情况，例2是从运动情况确定受力情况，通过这两个例题，引导学生经历选择研究对象、规范受力分析、讨论已有条件、得出最终结论的整个解题过程，逐步将利用牛顿第二定律解决问题的过程内化为学生自主的认知，从而培养了学生定量分析、讨论和解释的科学思维能力。同时，引导学生对比例1和例2的异同处，梳理利用牛顿第二定律解决问题的思维程序图，让学生能够意识到从生活中常见的物体运动到发射卫星等很多的问题，都是与牛顿力学相关联的，牛顿第二定律在解决问题的过程中有着举足轻重的地位。经历本节课的学习，也能逐步提升学生的运动与相互作用的物理观念。 学科网（北京）股份有限公司 $$