6.4 生活中的圆周运动 教学设计-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

教学设计 课题 生活中的圆周运动 课型 新授课☑ 章/单元复习课□ 专题复习课□ 习题/试卷讲评课□ 学科实践活动课□ 其他□ 1.教学内容分析 本节意图通过丰富的实例，让学生利用受力分析、运动分析建立圆周运动模型，并运用牛顿运动定律和圆周运动知识求解一些具体问题。教材选择了与生活联系紧密，学生易于观察的火车转弯、汽车过拱形桥和凹形路面等例子。另外，教材还分析了航天器中的完全失重状态以及离心运动现象。从地上的圆周运动，到天上的圆周运动，既帮助学生感受物理规律的统一性，也为下一章做了铺垫。 通过对实例的分析，要让学生逐步掌握处理圆周运动的基本方法，引导他们学会确定运动轨迹、圆心和半径，能根据圆心位置确定向心加速度方向，再进行受力分析，确定向心力的来源，并建立力与运动联系的方程。这个过程要先将实际问题转化为圆周运动的模型，再对问题进行求解。 1.火车转弯 解决实际中的汽车和火车转弯问题首先需要建立正确的模型。这个过程的关键是进行运动和受力分析，在这一过程中需要忽略一些次要因素，以建立力与加速度之间的联系。考虑到生活中汽车转弯更常见，教学中也可以引导学生先讨论汽车转弯问题，再讨论火车转弯的问题。汽车在水平面上转弯的模型比较简单，可以先让学生讨论，最后再讨论斜面上汽车转弯的问题。 2.汽车过拱形桥和凹形路面 学生一般有在拱形桥和凹形路面上乘坐汽车的经历，最好先让学生建立生活体验与路面状态的对应关系，再通过建立物理模型，用物理知识加以解释。 3.航天器中的失重现象 教材中的“思考与讨论”以“把地球看作一个巨大的拱形桥”为基础，引出航天器中的失重现象的讨论，引导学生用类似的处理方法解决航天器中的失重现象。这也是超重和失重问题在太空情境中的延续。 4.离心现象 学生在生活中都观察过类似的现象，所以认识这种运动并不困难，困难的是如何用科学的概念和规律解释离心运动。学生用生活语言分析离心现象时，经常错误地将“惯性”当成“力”,从生活语言到物理语言是一个逐步发展的过程，教师既要引导学生用自己的语言解释实际现象，又要适时纠正学生不合理的表述，使表述逐步科学规范。 本节内容是高中物理教学的重要内容，也是高考考查的主要内容之一，包括的核心知识和体现的核心素养如下： 核心知识 核心素养 火车转弯 汽车过拱形桥 航天器中的失重现象 离心运动 物理观念 科学思维 2.学习者分析 学生在前面的学习中，已经能用牛顿第二定律求解直线运动的一些问题，对运动与相互作用有了初步的认识。本节对圆周运动进行分析，本质上仍然是应用牛顿第二定 律来解决问题，两者求解的思路是相同的。教学中指出这种相同性不仅有利于学生建构自己的知识结构，也会进一步深化运动与相互作用的观念。 本节应用了圆周运动的一系列规律，列举了大量的生活例子，如水平面上的匀速圆周运动、火车转弯问题；竖直面上的非匀速圆周运动、凸形拱桥、凹形桥问题，航天器中的失重现象，向心力不足时物体的运动——离心运动以及应用。在学习研究过程中，要抓住解决力学问题的基本思想分析物体受力，再列出式子、解出要求解的物理量。 本节内容着重于知识的理解应用，学生对于一些内容不易理解，因此在教学时注意用一些贴近学生生活的实例或是让学生通过动手实验来得到结果。注意引导学生应用牛顿第二定律和有关圆周运动知识分析实例，使学生深刻理解向心力的基础知识，熟练掌握应用向心力知识分析两类圆周运动模型的步骤和方法，锻炼学生通过观察、分析、抽象、建模去解决实际问题的能力，培养学生的主动探索精神、应用实践能力和思维创新意识。 3.学习目标确定 (1) 通过观察模型了解火车车轮的特点，会从动力学的角度分析向心力的来源。 (2) 能分析汽车过拱形桥和凹形路面的受力情况，从动力学角度分析两类模型问题。 (3) 通过航天器中完全失重现象理解竖直面内圆周运动的失重现象。 (4) 了解离心现象及条件。 4.学习重点难点 重点 (1)定性分析火车转弯过程中外轨高于内轨的原因。 (2)定量分析汽车过拱形桥最高点、凹形路面最低点时对路面的压力。 (3)航天器中完全失重现象的本质。 难点 (1)分析生活中的圆周运动向心力的来源。利用牛顿 第二定律求解有关问题。 (2)对临界问题的讨论和分析。 5.学习评价设计 一、课堂过程性评价（实时观测） 模型建构评价 评价内容：能否将火车转弯、汽车过桥、航天器失重等真实情境转化为圆周运动物理模型，正确找圆心、定半径。 评价指标：能准确建模并说明依据；能建模但表述不清；无法建模。 评价方式：课堂提问、小组展示、白板推演。 受力分析与向心力来源评价 评价内容：能否正确受力分析，说出向心力由重力、支持力、摩擦力、弹力中的哪些力提供。 评价指标：受力完整、向心力来源清晰；有遗漏但能修正；错误分析。 评价方式：同桌互查、教师巡视点评。 科学表达与逻辑思维评价 评价内容：能否用规范物理语言解释现象，不把惯性当作离心力。 评价指标：语言规范、逻辑严谨；基本正确、偶有不规范；概念混淆。 评价方式：口头汇报、小组辩论。 二、目标达成度评价（对应学习目标） 目标 1：火车转弯动力学分析 评价要点：能否解释外轨高于内轨的原因，判断不同速度下轨道挤压情况。 评价方法：课堂问答、即时小练。 目标 2：汽车过桥受力与压力计算 评价要点：最高点/最低点支持力与重力关系，能否用向心力方程列式求解。 评价方法：板演、即时检测。 目标 3：航天器失重本质理解 评价要点：知道失重不是不受重力，而是重力提供向心力。 评价方法：情境判断、选择题快测。 目标 4：离心现象条件与解释 评价要点：知道向心力不足 / 消失发生离心运动，能辨析生活实例。 评价方法：举例说明、正误判断。 三、作业与分层评价（课后闭环） 基础检测题评价 评价内容：圆周运动模型、向心力公式、超重失重、离心现象基础判断。 评价标准：正确率≥80% 达标；60%-79% 需巩固；＜60% 重点辅导。 探究类习题评价 评价内容：复杂情境建模、临界问题分析、公式推导与应用。 评价指标：思路完整、步骤规范；思路正确、步骤简略；无法建立方程。 开放性实践作业评价 评价内容：纳斯卡赛车倾斜车道研究报告/小论文。 评价维度：情境联系、原理应用、逻辑结构、表达清晰、创新思考。 6.学习活动设计 教师活动 学生活动 环节一：导入 教师活动1 教师导入：2026年F1中国大奖赛已于3月13日在上海开赛，引擎轰鸣，急速过弯，这是速度与激情的巅峰。我们观看一段视频来感受一下F1赛车与纳斯卡赛车的激情。请同学们注意观察两种比赛的路面有什么不同。 教师：高速过弯的纳斯卡赛车路面是倾斜的外高内低，除了赛车，生活中常见的火车转弯和汽车转弯也会用到倾斜路面。今天我们就用物理知识破解生活中的圆周运动。 学生活动1 学生观看视频，答出两种赛车路面的区别：F1赛车的路面是平的，纳斯卡赛车的路面是倾斜的。 活动意图说明 用学生感兴趣的赛车实例和生活中常见的例子引出课题，引起学生的探索欲望。 环节二：火车转弯 教师活动2 （1） 观察火车车轮的特点 教师提出问题：火车的车轮有何特点? （2） 研究火车转弯的向心力来源 师：当火车在水平的轨道上转弯时，火车所需要的向心力来自什么力？请同学们画出火车转弯的受力分析图，分析火车转弯的向心力来源。 师：由于火车的质量和速度都比较大，所以它所需的向心力也很大。这样，轮缘和铁轨之间的挤压作用力就会很大，导致的后果是铁轨很容易损坏，轮缘也很容易损坏。 师:为了解决这个问题，实际应用中修建的铁轨不是水平的，而是外轨高于内轨。请同学们画出这种情况下的受力分析图，说明为什么倾斜轨道可以减少轮缘和轨道的损坏。 教师在教室内走动，观察学生的受力分析图。 师：重力与支持力可以提供向心力，我们希望此时轮缘和轨道是不挤压的，也就是说不希望出现横向的弹力。请同学们写出火车的向心力方程 教师引导学生辨别火车转弯的轨迹是水平的，即向心力沿水平方向，不是斜向弯道。 （3） 探究轨道轮缘压力与或火车速度的关系 展示学生的向心力方程。 师：从方程中可以看出，这个受力是一定的，在轨道转弯半径一定的情况下，火车的速度也是一定的。即火车按照这个速度大小行驶，才能使轮缘和轨道不挤压。那么火车的实际行驶速度不是这个临界值的时候，火车的受力有什么变化？ 师：我们课前观看的纳斯卡赛车的路面，为了使赛车在高速过弯的时候不冲出赛道，将赛道设计为外高内低的倾斜路面也是一样的原因。布置一个小任务，请大家课后利用今天所学知识，研究赛车在水平路面和倾斜路面上转弯的向心力来源。 学生活动2 观察教材中火车车轮的图片。 生：火车的车轮内侧有凸出的轮缘，火车在铁轨上运行时，车轮与铁轨有水平和竖直两个接触面，这种结构特点主要是避免火车运行时脱轨。 学生画出受力分析图。 生：火车受重力和竖直向上的支持力。轮缘和轨道挤压产生水平的支持力，指向圆心提供向心力。 生：画受力分析图，找向心力。 生：弯道处使外轨略高于内轨，火车转弯时，铁轨对火车的支持力的方向不再是竖直的，而是斜向轨道的内侧，它与重力的合力指向圆心，为火车转弯提供了一部分向心力，这就减轻了轮缘与外轨间的挤压。 生：写出火车的向心力方程。 生： (1)当火车行驶速率v=v。时，火车对内外轨均无侧向压力。 (2)当火车行驶速率v>v。时，外轨道对轮缘有侧向压力。 (3)当火车行驶速率v<v。时，内轨道对轮缘有侧向压力。 活动意图说明 先观察火车车轮的特点，通过火车在水平轨道和倾斜轨道上的受力对比，理解倾斜轨道的设计原因。列出火车转弯的向心力方程，定量分析火车在不同速度下的受力，培养学生的科学思维能力。 环节三：汽车过拱形桥 教师活动3 在F1赛车中，赛车需要通过拱形桥和凹形路面，在这些路面上，可以将赛车的运动看做圆周运动，我们来分析汽车过拱形桥的最高点和凹形路面的最低点时的向心力。 教师提出以下问题： (1) 汽车在这两个位置处的受力是怎样的？ (2) 汽车的向心力方程怎么表达？ (3) 汽车所受的支持力如何变化？ 教师总结： (1) 汽车过拱形桥时，汽车对路面的压力和路面对汽车的支持力小于重力（失重) (2) 汽车过凹形路面时，汽车对路面的压力和路面对汽车的支持力大于重力（超重）。 师：若汽车在拱形桥的最高点，支持力最小为多少？此时速度使多少？ 师：若速度大于这个临界值，汽车做什么运动？ 学生活动3 学生思考，画出汽车过拱形桥的最高点和凹形路面的最低点时的受力分析图。 学生思考，小组讨论，展示成果。 学生根据向心力方程求解。 生：平抛运动。 活动意图说明 联系生活中的实例，让学生充分利用对比思想，讨论汽车过拱形桥和凹形路面的不同特点，渗透理论联系实际的观点，提高学生分析和解决问题的能力。 环节四：航天器中的失重现象 教师活动4 师：从刚才的研究可以看出，当汽车通过拱形桥的最高点时，如果车速达到一定大小，则可使汽车对桥面的压力为0。如果我们把地球看作特大的“拱形桥”,则情形会如何呢?会不会出现这样的情况：当汽车的速度达到一定程度时，地面对车的支持力是0。这时驾驶员与座椅之间的压力是多少?驾驶员躯体各部分之间的压力是多 少?他这时可能有什么感觉? 教师展示学生的推导过程，引导学生间交流、讨论。 师：刚才同学们的交流、讨论的问题即为教材P37“思考与讨论”的内容，其中描述的情境其实已经实现了，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中。 师：假设宇宙飞船的质量为M,它在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径近似等于地球半径R,航天员的质量为m,宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于他们在地面上的重力。试求座舱对航天员的支持力。此时飞船的速度多大?通过求解，你可以得出什么结论? 学生活动4 学生分析并推导：通过整体法对宇宙飞船进行受力分析，并运用牛顿第二定律可得， 宇宙飞船的速度为√gR;再对航天员进行受力分析可得，此时座椅对航天员的支持力为0,即航天员处于完全失重状态。 学生活动3 活动意图说明 通过实例分析，使学生了解到航天器中的失重现象，在学习知识放热同时激发学生学习物理学的兴趣。 环节五：离心运动 教师活动4 师：用不可伸长的细绳牵引着小球在光滑的水平面上做匀速圆周运动，当突然撤去 绳子的拉力时，小球将怎样运动? 师：若小球受的拉力小于小球需要的向心力，小球会如何运动呢? 教师讲解： 若，物体做匀速圆周运动， 即“提供”满足“需要”，供需平衡。 若，物体做半径变小的向心运动，即“提供过度”，供大于求。 若，合力不足以将物体拉回原轨道，做半径增大的离心运动，即“提供不足”，供小于求。 师：请同学们阅读教材内容，了解离心运动的应用与危害。 学生活动4 学生思考并回答：小球将沿着切线飞出。 学生进行讨论并回答：。 学生阅读教材，说出离心运动的应用和危害。 (1)应用：洗衣机脱水时，利用离心运动把附着在衣物上的水分甩掉。在炼钢厂中， 把熔化的钢水浇入圆柱形模子，模子沿圆柱的中心轴线高速旋转，钢水由于离心运动趋 于周壁，冷却后就形成无缝钢管。 (2)危害：在水平公路上行驶的汽车，如果转弯时速度过快，所需向心力很大，大于最 大静摩擦力，汽车将做离心运动而造成事故。高速转动的砂轮、飞轮等，都不得超过允许的最大转速。转速过高时，砂轮、飞轮内部分子间的相互作用力不足以提供所需的向心力，离心运动会使它们破裂，酿成事故。 学生活动4 活动意图说明 通过力和运动的关系分析，了解什么是离心运动，结合生活中的离心运动实例，了解离心运动的应用和危害。 7.作业与拓展学习设计 一、检测类 1．在“天宫二号”中工作的航天员可以自由悬浮在空中，处于失重状态，下列分析正确的是（　　） A．失重就是航天员不受力的作用 B．失重的原因是航天器离地球太近，从而摆脱了地球引力的束缚 C．失重是航天器独有的现象，在地球上不可能存在失重现象 D．正是由于引力的存在，才使航天员有可能做环绕地球的圆周运动 2．如图所示，有关圆周运动的情景，下列说法正确的是（　　） A．图1，湿衣服在滚筒洗衣机竖直平面内脱水时做匀速圆周运动，不计水滴重力的情况下，水滴在最高点比在最低点更容易被甩出 B．图2，“感受向心力”的活动中，保持小球转速及绳长不变，当增大小球质量时会感到拉力亦增大，从而可以得出“向心力与质量成正比”的结论 C．图3，“水流星”表演中，碗在竖直平面内做圆周运动，在最低点的碗处于超重状态 D．图4，汽车通过拱形桥的最高点时，速度越大，桥面对汽车的支持力越小 3．如图所示，一辆汽车驶上一圈弧形的拱桥，当汽车以20m/s的速度经过桥顶时，恰好对桥顶没有压力。若汽车以10m/s的速度经过桥顶，则汽车自身重力与汽车对桥顶的压力之比为（　　） A． B． C． D． 4．近日，长春第一冰锅火爆出圈，吸引全国越野爱好者打卡挑战。冰锅为半径的用冰砖打磨的球面，一质量为，可视为质点的汽车从冰锅边缘驶下，到达锅底的速率为，重力加速度取，则（　　） A．汽车在锅底的向心加速度为 B．汽车在锅底的向心加速度为 C．汽车在锅底受到的支持力为 D．汽车在锅底受到的支持力为 5．如图是短道速滑训练中运动员过弯道时的情境，运动员通过调整身体和水平冰面的夹角，使冰面对其作用力的方向指向身体的重心，从而平稳过弯。若过弯时，运动员做半径为的匀速圆周运动，线速度大小为，运动员的质量为，重力加速度大小取，下列说法正确的是（　　） A．运动员过弯时，角速度大小为 B．运动员过弯时，向心加速度的大小为 C．运动员过弯时，所需向心力的大小为 D．运动员过弯时，冰面对其作用力的方向与冰面夹角的正切值为 二、探究类 6．如图所示，质量为m的小球放在玻璃漏斗中，晃动漏斗后使小球在某一水平面内做匀速圆周运动，漏斗坡面与竖直方向的夹角为，重力加速度大小为g，关于小球做匀速圆周运动，下列说法正确的是（　　） A．小球所受的向心力的大小为 B．小球的向心加速度大小为 C．小球做匀速圆周运动的半径越大，周期越大 D．小球做匀速圆周运动的半径越大，角速度越大 7．如图甲为火车过铁轨弯道时的情景，轨道的正视图如图乙所示。已知此处内外铁轨高度差为h，内外轨道的水平距离为d，火车转弯的轨道半径为R，火车的质量为m，火车速度为v，不考虑火车长度对受力情况造成的影响。下列说法正确的是（　　） A．当时，火车对内外轨道没有侧向挤压 B．当时，火车对内轨道有侧向挤压 C．火车受到的轨道对它的作用力大小为 D．当时，火车轮缘受到的侧向挤压力大小为 3、 开放性作业 利用火车转弯的知识，研究纳斯卡赛车的倾斜车道的设计意图。 8.特色学习资源分析、技术手段应用说明 很多学生在寒假期间观看了电影《飞驰人生3》，对赛车有很大的兴趣，本教学设计的导入部分使用最新的时事新闻——2026年F1中国大奖赛上海站，能吸引学生兴趣，将高大上的赛车拉入课堂，用高中物理知识解释顶级比赛的原理，培养学生的科学观念，锻炼科学思维和科学探究能力。 9.教学反思与改进 (1)通过对火车转弯、汽车过拱形桥的分析，使学生深入理解圆周运动的规律，并结合日常生活中的某些生活体验，加深对物理知识的印象，最终能够把物理知识运用于生活中。 (2)教学过程中，通过自主学习，给学生充分的时间进行思考和讨论，最大限度地激发学生的学习兴趣。通过师生互动，教师给予恰当的思维点拨，培养学生灵活迁移的能力。 学科网（北京）股份有限公司 $