6.2向心力 导学案 -2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

本节遵循从特殊到一般，从定性到定量的科学探究过程 高一物理学习设计 编者： 审核: 高一物理组 日期： 6.2向心力 【课标要求】 通过实验，探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系。 【课标解读】 本节内容可以看作牛顿运动定律在曲线运动中的应用，遵循从特殊到-般、从定性到定量的科学探究过程，进一步深化了运动和相互作用观念。帮助学生再次体会力是改变运动状态的原因，促进对知识的同化，完善知识结构。本章后面的学习都将围绕向心力的概念展开，它也是分析关体的圆周运动、带电粒子在磁场中的运动的知识基础。 【学习目标】 1、 知道向心力是根据力的效果命名的，会分析向心力的来源 2、 感受影响向心力大小的因素，通过实验探究它们之间的关系 3、 掌握向心力的表达式，能够计算简单情境中的向心力。 4、 知道变速圆周运动和一般曲线运动的分析方法 【重难点】建立与理解向心力的概念以及对向心力来源的分析 【创设情境】 圆周运动在生活中非常常见，请欣赏一段精彩的杂技表演，感受物理的魔力，并思考：水没有洒出的原因是什么？。 【问题体验1】 1.如图甲所示，小球在细绳的牵引下在光滑的水平桌面上做匀速圆周运动，如果绳子断了，小球还能做圆周运动吗？为什么？ 2.在运动过程中，竖直方向的重力与支持力是什么关系？绳子给小球的作用力在整个运动过程中有什么特点？ 3.如图乙所示，物块在水平圆盘上随圆盘做匀速圆周运动，如果圆盘光滑，物块还能做圆周运动吗？什么力对物块做圆周运动起了作用？ 4.图乙中的物块与图甲中的小球运动情况相同吗？它们的受力是否也应该相似？ 5.如图丙所示，小球在细绳的牵引下在空中做匀速圆周运动，小球运动轨迹的圆心在哪？ 6.图丙中的小球与图甲中的小球和图乙中物块运动情况相同吗？它们的受力是否也应该相似？ 7.图丙中的小球是否真的受到一个指向圆心的力？从力的合成角度看，这个力是什么？从力的分解角度看，这个力又是什么？ 8.向心力是否一定是一个真实力? 向心力是否可以是几个力的合力或某个力的分力? 【归纳总结1】向心力 1.定义:做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向 ，这个力叫做向心力。 2.方向：始终指向 。 3.作用效果：只改变速度 ，不改变速度 。 4.来源：向心力是根据 命名的，是由某个力、某几个力的合力或某个力的分力提供的。 【解决问题1】 把一个小球放在玻璃漏斗中，晃动漏斗，可以使小球在短时间内沿光滑的漏斗壁在某一水平面内做匀速圆周运动，小球的向心力是由什么力提供的？受力分析是解题的开始，试试吧 【问题体验2】向心力的大小 如图，在绳子的一端拴一个小物体，另一端握在手中。将手举过头顶，使沙袋在水平面内做圆周运动。此时，沙袋所受的向心力近似等于手通过绳对沙袋的拉力。换用不同质量的沙袋，并改变沙袋转动的速度和绳的长度，感受向心力的变化。 猜想；做圆周运动的物体所受向心力的大小与哪些因素有关？ 2、阅读课本28页向心力演示器用法。 （1）在如图的向心力演示仪中，向心力的大小怎样测量？ （2）如何改变物体的质量？如何设定轨道半径？ （3）如何控制或测定物体的角速度？ （4）你安排的实验步骤是怎样的？ （5）得到了怎样的实验结果？根据已有知识，你还能写出怎样的表达式？ 【归纳总结2】 1、实验目的：探究向心力大小Fn与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。 2、实验器材：向心力演示器、小球等。 3、实验方法： 法 4、实验过程： （1）探究Fn与m的关系：把两个质量不同的小球分别放在长槽和短槽上，调整塔轮上的皮带和小球位置，使两球的转动半径和角速度都相同。转动手柄，观察向心力的大小与质量的关系，记录实验数据。 （2）探究Fn与ω的关系：换两个质量相同的小球，调整小球的位置，使两球的转动半径相同，调整塔轮上的皮带，使两球转动的角速度不同转动手柄，观察向心力的大小与角速度的关系，记录实验数据。 （3）探究Fn与r的关系：换两个质量相同的小球，使两球转动的角速度相同，再增大长槽上小球的转动半径，使两球的转动半径不同。动手柄，观察向心力的大小与转动半径的关系，记录实验数据。 5、实验结论 1.在转动半径和角速度一定的情况下，向心力大小与质量成_______比。 2.在质量和转动半径一定的情况下，向心力大小与角速度的平方成_______比。 3.在质量和角速度一定的情况下，向心力大小与转动半径成_______比。 6、表达式 Fn= Fn= 公式：Fn= Fn= Fn= 【解决问题2】 控制变量法是物理实验探究的基本方法之一。下图是用控制变量法探究向心力大小与质量m、角速度ω和半径r之间关系的实验情境图,其中 (1)探究向心力大小与质量m之间关系的是图___________。  (2)探究向心力大小与角速度ω之间关系的是图____________。  (3)若两个钢球质量和转动半径相等,且标尺上红白相间的等分标记显示出两个钢球所受向心力的比值为1∶9,则与皮带连接的两个变速塔轮的半径之比为__________。  【问题体验3】变速圆周运动和一般曲线运动中的受力特点 1. 链球运动员在掷出链球之前的加速过程如图6-5所示，能近似看作圆周运动吗?还是匀速圆周运动吗? 2.做圆周运动需要什么方向的力?速度变大需要什么方向的力?你能画出相应的图示吗? 3.图6-6中的F、F来源于哪里? 绳子与速度方向还垂直吗? 4.如图6-7所示，汽车在水平弯曲的道路上行驶时，能近似看作圆周运动吗?它的运动是匀速圆周运动吗? 5.你能大致分析汽车的受力情况吗? 6. 汽车在图6-7所示的道路上行驶，如果从速度计读出了汽车运动的速度，为了计算汽车的向心力，还需要知道什么物理量? 7.向心加速度与向心力公式是否只适用于匀速圆周运动?试结合图6-8进行说明。 【归纳总结3】 1.变速圆周运动。 做变速圆周运动的物体的向心力一般不等于其所受合力。合力可以分解为两个相互垂直的分力: (1)跟圆周相切的分力Ft,只改变速度的________。 (2)指向圆心的分力Fn,提供物体做圆周运动所需的_________,只改变速度的_________。 2.一般的曲线运动。 (1)一般的曲线运动:运动轨迹既不是_____线也不是_______的曲线运动。 (2)处理方法:可以把这条曲线分割为许多很短的小段,质点在每小段的运动都可以看作_______运动的一部分。这样,在分析质点经过曲线上某位置的运动时,就可以采用圆周运动的分析方法来处理。 【解决问题3】 一辆汽车在水平公路上转弯，沿曲线由M向N行驶，速度逐渐减小。图6.2-10甲、乙、丙、丁分别画出了汽车转弯时所受合力F的四种方向，你认为哪种是正确的？为什么？ 【自我检测】 1.地球质量为6.0×1024kg，地球与太阳的距离为1.5×1011m。地球绕太阳的运动可以看作匀速圆周运动。太阳对地球的引力是多少？ 2.如图6.2-9所示，细绳的一端固定于O点，另一端系一个小球，在O点的正下方钉一个钉子A，小球从一定高度摆下。经验告诉我们，当细绳与钉子相碰时，钉子的位置越靠近小球，绳就越容易断。请解释这一现象。 3.如图6.2-8所示，一个圆盘在水平面内匀速转动，角速度是4rad/s。盘面上距圆盘中心0.10m的位置有一个质量为0.10kg的小物体在随圆盘一起做匀速圆周运动。 （1）求小物体所受向心力的大小。 （2）关于小物体所受的向心力，甲、乙两人有不同意见：甲认为该向心力等于圆盘对小物体的静摩擦力，指向圆心；乙认为小物体有向前运动的趋势，静摩擦力方向和相对运动趋势方向相反，即向后，而不是和运动方向垂直，因此向心力不可能由静摩擦力提供。你的意见是什么？说明理由。 4.如图6-3所示，长L的轻杆两端分别固定着可以视为质点的小球A、B，放置在光滑水平桌面上，杆中心O有一竖直方向的固定转动轴，小球A、B的质量分别为3m、m。当轻杆以角速度ω绕轴在水平桌面上转动时，求转轴受杆拉力的大小。 B3.如图6-9所示，带有一白点的黑色圆盘，绕过其中心且垂直于盘面的轴沿顺时针方向匀速转动，转速n＝20r/s。在暗室中用每秒闪光21次的频闪光源照射圆盘，求观察到白点转动的方向和转动的周期。 【课后反思】通过本节课的学习，请你画出思维导图，和大家分享收获和困惑 ( 2 ) ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$