6.1_圆周运动 教学设计-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

圆周运动——设计自行车码表 1 项目背景 1.1 项目内容分析 “圆周运动”内容要求为：“会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动”。教材中通过自行车的传动结构、时针分针的转动、旋转木马等学生熟悉的情境引导学生分析、概括圆周运动的特点，建立描述圆周运动快慢的物理量，理解它们的物理意义，并从数学表达式的角度建立联系。 本项目以“设计自行车码表”为主题，引导学生运用圆周运动的知识研究自行车的运动，探究测量自行车速度和里程的原理，并提出测量的设计方案。本节是学习了圆周运动基本知识之后的应用课，是对匀速圆周运动、线速度、角速度、周期、转速等概念的深入理解，也是对各个物理量之间关系的进一步巩固应用。因此，这节课既是对圆周运动的复习，也是理论联系实际、学以致用的纽带。 1.2 学情分析 学生学习了第一课时的内容后，已经了解了匀速圆周运动的特点，能够准确描述圆周运动的快慢，并利用物理量之间的关系进行简单计算。同时，学生对构建物理模型、分析论证等科学研究方法也并不陌生，也了解实验室、生活中一些测速工具的原理和技术手段，具备运用物理知识解决生活中实际问题的能力。自行车是学生十分熟悉的交通工具，但对于自行车的传动结构及其与自行车运动的关系的了解并不深入。 2 项目设计 2.1 项目目标 （1） 通过对自行车车轮的运动以及传动结构的研究，能够以质点为研究对象建立圆周运动的模型，并运用线速度、角速度等物理量描述圆周运动。 （2） 通过对自行车运动和结构的研究，能够根据圆周运动的特点以及各个物理量之间的定量关系提出设计方案，推理出测量原理。 （3） 通过项目的问题分析和小组合作完成任务的过程，建立解决问题的一般思路与方法；建构物理模型，将生活问题转化为物理问题，并利用常用的实验技术手段提进行实验。 （4） 在完成项目的过程中，能够关注社会热点和科技前沿，有创新意识和团队协作意识。 2.2 项目安排 本项目分为三个阶段，第一阶段为项目背景介绍以及测量原理的探究，在课上完成，学时1课时。第二阶段为学生分组合作形成完善的设计方案，在课下完成。第三阶段为课堂展示、方案评价，在课上完成，学时1课时。 2.3 项目评价 项目评价由过程性评价和终结性评价组成。过程性评价采用小组互评的方式，评价内容为项目实施过程中小组成员的情感态度及能力，由教师设计评价量表在项目结束后发给学生进行评价。终结性评价采用组间互评及教师评价，组件互评侧重评价项目成果，方式为课上展示后由其他小组成员进行质疑和提问，也可以对方案发表意见和建议，各小组全部展示完毕后，各小组再根据方案评价标准通过量表对其他小组的方案进行打分。教师评价侧重学习目标的达成，通过设计后测题进行检验。 3 项目实施 3.1 项目阶段一：项目背景介绍及测量原理探究 （1）项目背景介绍 现在越来越多的人选择骑自行车进行健身，为了保证骑手能合理地控制锻炼时间和强度，我们能不能设计一种装置，可以实时测量自行车的里程和速度呢？这其实就是自行车码表，自行车码表主要功能就是实时测量并显示车速和里程，让我们利用圆周运动的知识一起设计一款自行车的码表吧。 （2）项目主题 设计一种测量自行车里程和速度的码表 （3）测量原理探究 教师展示自行车，引导学生认识自行车的传动结构，认识到车轮的滚动与自行车整体的运动有直接联系。提出问题：车轮的转动与车的运动有什么定量关系？为了解决这个问题，设计探究活动及驱动问题展示给学生，学生分组进行探究。 探究活动：祝融号车轮上“中”字的奥秘。 我国自主设计的火星车“祝融号”的后轮上，由设计师刻下了一个“中”字，如图1。其技术意义是根据车辙中“中”字的间距可判断车轮是否出现打滑。 驱动问题：（1）如果车轮不打滑，出现“中”字的间距有什么规律？（2）车轮上哪一点的运动可以代表车轮整体向前的运动？（3）每出现一个“中”字，车轮整体向前移动的距离是多少？（4）若把“中”字看作车轮边缘上的一个点，以轮轴为参考系，该点做什么运动？每出现一个“中”字，该点通过的距离为多少？（5）请你总结车轮的转动与车轮整体向前的运动之间有什么定量关系。对自行车里程和速度的测量有什么启示呢？ 学习支架：为每个小组提供一卷透明胶带，透明胶带的开口处粘上一条纸带，纸带长度刚好为透明胶带的周长。 小组展示：解决问题，提出结论，并利用提供的学具说明（如图2）。 图1 祝融号车轮上的“中”字 图2 小组展示的实验 结论：车轮边缘一点以车轴为参考系做圆周运动的弧长等于车整体在地面上移动的距离。得出测量原理：自行车行驶的里程等于车轮边缘的点绕车轴通过的弧长，公式： 式中r为车轮半径，N为车轮转动的圈数。自行车整体运动的速度等于车轮边缘的点绕车轮轴做圆周运动的线速度。 3.2 项目阶段二：设计方案展示 （1）展示案例一：利用光电门测自行车里程和速度 方案设计：如图3所示，在自行车轮毂侧面固定一个挡光片，将光电门固定在车轮侧面，并靠近车轮，使挡光片经过光电门时可以遮住发光孔。 测量原理：车轮转动一圈测一组数据，即为挡光片的线速度大小。由于挡光片的位置并不在车轮边缘，需要测出挡光片到车轴的距离，根据同轴转动的关系算出车轮边缘的线速度的大小，即为自行车的实时速度。记录一段时间内测量数据的个数，可得到车轮转过的圈数，再测出车轮的半径，可以计算里程。 图3 案例一方案设计 图4 瞬时速度测量数据 问题探讨：自行车车轮每转一圈测一次速度，这样表示自行车的实时速度够精确吗？查阅资料后得出以下数据：普通人骑自行车的平均速度为15km/h，约为4.16m/s，26寸轮毂的自行车车轮半径约为33cm。求车轮边缘的点绕轴做圆周运动的周期？学生通过计算得出周期约为0.5s，可以看出车轮每转一圈经过的时间很短，一个周期内速度大小的变化可以忽略不计，即车轮边缘的点以车轴为参考系做匀速圆周运动。 学生交流：其他组同学对该组的设计方案提出问题或建议。 学生1：我想提出两个问题，第一是挡光片的形状应该是弧形，因为线速度的大小是弧长比时间。第二是光电门的发光孔和接收孔容易受环境影响被遮挡，也容易受到环境光的影响，怎么处理这个问题？ 小组成员回答：可以尽量减小孔间距，增强发光亮度。 （2） 展示案例二：利用磁传感器测自行车里程和速度 方案设计：将磁铁固定在自行车辐条上，磁传感器固定在车架上，探头对准并靠近磁铁。 测量原理：磁铁每转到对准磁传感器的位置时，传感器的示数会出现一次峰值，一段时间内出现峰值的次数即为车轮转过的圈数，再测出车轮的半径，可以计算里程。测出相邻两个峰值之间的时间间隔，可以得到车轮边缘的点绕车轴做圆周运动的周期，利用车轮的周长除以周期可以得到线速度大小，即为自行车的速度。 图5 磁感应传感器测出的B-t图像 方案改进：通过B-t图像可以看出，峰值的出现并不稳定。通过查阅资料发现一种更好的替代品——电磁计数器，可将磁信号转化为电信号，并将车轮转的圈数稳定输出。 图6 电磁计数器 图7 踏频传感器 学生交流：其他组同学对该组的设计方案提出问题或建议。 学生2：为什么峰值出现不稳定的情况？ 小组成员回答：我们查阅了资料，可能与磁铁的运动以及辐条的磁化现象有关系。 （3） 教师展示案例：利用踏频传感器测自行车里程和速度 方案设计：踏频指的是单侧曲柄每分钟转动的圈数，利用踏频传感器（图7）测出脚踏板的转速，通过自行车的传动关系计算出车轮边缘的线速度和转速，可得出自行车整体运动的速度，以及一段时间内车轮转动的圈数，再根据车轮周长计算得出里程。 原理探究：如图8所示，以轴为参考系，ABCD均做圆周运动，半径分别为rA、rB、rC、rD。①ABCD的传动关系？②推导A点的线速度、转速与C点的转速之间有的定量关系？小组进行合作探究。 学习支架：每组发一个探究传动关系的自制教具，如图9所示。 图8 原理探究 图9 探究自行车传动关系自制教具 小组展示：①利用自制教具中的角度盘，可得出相同时间两盘转过的角度之比，再根据两盘的半径之比，得出皮带传动的线速度关系。比较圆盘转动时同一条半径上的不同点，可得出同轴转动的角速度关系。②根据A、B两点角速度相同，B、D两点线速度大小相同，C、D两点角速度相同的关系，可以得出： 3.3 项目阶段三：小组互评 问题：一个好的方案应该有哪些标准？ 学生回答：有效性、科学性、方便性、低成本…… 活动：以小组为单位讨论并评价三个设计方案，并进行打分。 3.4 介绍中国传统文化——记里鼓车 中国古代劳动人民曾经发明了一种记录里程的工具——记里鼓车，《晋书》记载：“记里鼓车，其中有木人执锤向鼓，行一里则打一锤。”记里鼓车通过复杂的齿轮传动，实现每前进一里，敲一下鼓，展现了中国古代劳动人民的智慧。 展示记里鼓车模型，并进行演示。 图10 记里鼓车模型 课下活动：同学们请查阅资料，了解记里鼓车原理，体会中华文化的博大精深。 4 教学反思 本设计的亮点为项目式学习的方式，学生利用描述圆周运动快慢的基本知识，以小组合作的方式探究测量自行车里程和速度的原理、自行车的传动结构特点，提出设计方案并进行展示，最后由各小组对所有方案进行评价。学生在合作探究中运用知识解决问题，锻炼了学生解决问题的能力，充分发挥学生学习的主观能动性。 测量原理的探究是本项目学习中的难点，本设计通过引入“祝融号”的案例，将问题具体化，并设置驱动问题引导学生合作探究，并借助教具展示，化抽象为具体，较好地突破了难点。 传感器、智能手机、传屏软件等现代技术的辅助应用也是一大亮点。利用光电门、磁传感器等测量自行车的里程和速度，为学生利用现代技术解决实际问题提供了思路。智能手机中的数据分析软件配合投屏软件，可以将传感器测量数据实时显示大屏幕，课堂效果很好。最后记里鼓车的介绍是很好情感态度价值观的教育素材，让学生感受古代劳动人民的智慧，感受中华文化的博大精深。 教学中的不足有：评价方案还需要完善，应形成统一的评价标准；除了队测量方案的学生互评以外，教师应在课前了解方案内容，在课上给出更科学的评价，鼓励学生继续改进并形成项目报告。 学科网（北京）股份有限公司 $$