2024-2025学年新教材高中物理第3章圆周运动第2节科学探究向心力教案1鲁科版必修第二册

PAGE1-第2节科学探究：向心力本节选自鲁科版中学物理必修二第三章其次节，是在学生已经学习了匀速圆周运动，对匀速圆周运动有了肯定理解的基础上的进一步学习。学生知道匀速圆周运动是一种变速运动，只是表面的知道，为什么线速度的方向时刻在变？是什么力来变更物体的这种运动状态，这个力有何特点？学生带着这些疑问来进入本节课的学习。本节课从学生的实际动身，结合学生前面所学学问，注意创设物理背景，应用牛顿其次定律，初步得出向心力的大小；引导学生对详细问题的分析，解决向心力来源问题；通过学生自己动手试验，验证向心力公式，并分析得到影响向心力的因素。这个过程中加强学生的活动，使学生充分思索探讨、大胆猜想，敢于提出自己的想法，渐渐提高科学素养。最终由向心力引出向心加速度的概念以及公式，运用理论分析推导物理概念的过程，可进一步帮助学生理解向心加速度大小和方向的含义。物理观念：建立向心力、向心加速度的物理观念，驾驭向心力的准确含义，知道向心加速度的内涵。科学思维：能在熟识情境中运用匀速圆周运动模型解决问题；能对常见的匀速圆周运动进行分析推理，获得结论；能用与匀速圆周运动相关的证据说明结论并作出说明；能从不同角度分析解决匀速圆周运动问题。科学探究：通过对向心力大小与哪些因素有关的探究，熟识科学探究的一般过程：提出问题——猜想与假设——试验验证——分析数据——得出结论。科学看法与责任：通过视察、试验及探究、沟通与探讨等学习活动，培育学生敬重客观事实、实事求是的科学看法。教学重点：理解向心力、向心加速度的概念，驾驭向心力公式并能进行相关计算。2、教学难点：理解向心力是按作用效果命名的力，向心力的方向时刻在变更。PPT、视频片断、向心力演示器【新课导入】这些物体为什么会做圆周运动？复习提问：(1)匀速圆周运动的实质是什么?匀速圆周运动是变速曲线运动变速曲线运动运动状态变更肯定受到外力肯定存在加速度那么做匀速圆周运动的物体所受的合力有何特点？加速度又怎样呢？【新课内容】向心力：思索与探讨:取一根细绳，一端系一小球，另一端固定在一枚图钉上。将图钉钉于水平光滑木板上，如图所示。（1）用手指沿小球与图钉连线的垂直方向轻轻弹击小球，在细绳未伸直前，小球做什么运动？（2）用手指弹击小球，方向同上，加大弹击力气，使小球运动过程中细绳伸直。细绳伸直后，小球做什么运动？想一想：1、小球受哪几个力的作用？2、合外力有何特点？3、若细线突然剪断，将会看到什么现象？探讨小球所受合力的方向FN与G相平衡，所以合力为F，小球受到重力，桌面支持力和细线的拉力作用。用剪刀将细线剪断，小球将沿切线方向飞出，做匀速直线运动。结论：物体做匀速圆周运动，合外力指向圆心，且与线速度V垂直。对于做匀速圆周运动的物体，物体的速度大小不发生变更，因此，所受合力只变更速度的方向。1、向心力做匀速圆周运动的物体所受的合力总指向圆心，这个指向圆心的力就叫作向心力,用符号：Fn2、方向：始终指向圆心(与v垂直或与半径垂直)，是变力。3、向心力的作用只变更线速度的方向。4、向心力来源：向心力是依据力的作用效果命名的，它不是具有确定性质的某种力，它可以是某一个力或者几个力的合力供应的。圆锥摆做匀速圆周运动：结论：拉力和重力的合力供应物体做匀速圆周运动向心力。地球绕太阳的运动结论：地球绕太阳的运动可近似看作匀速圆周运动，太阳对地球的引力供应向心力。木块相对转盘静止，随盘做匀速圆周运动结论：静摩擦力供应物体做匀速圆周的向心力。思索：某乘客坐在一辆车上，当车辆转弯时，他受到的向心力来自何处？解答：人坐在座椅上，当车向左转弯时，由于人自身具有惯性身体会向右倾斜，座椅会对人有一个向左的摩擦力，这个摩擦力供应了人的向心力。当车向其他方向转弯时同理。例1.关于匀速圆周运动，下列说法正确的是（CD）A、匀速圆周运动是一种匀速运动B、匀速圆周运动是一种匀变速运动C、匀速圆周运动是一种变加速运动D、物体做圆周运动时其向心力不变更线速度的大小例2.分析下图中物体A、B、C的受力状况，并说明这些物体做圆周运动时向心力的来源。二.探究影响向心力大小的因素【做一做】感受向心力（1）在绳子的一端拴一个小沙袋，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。沙袋所受的向心力近似等于手通过绳对沙袋的拉力。（2）保持沙袋转动的速度和绳的长度不变，变更沙袋的质量，感受向心力的变更。（3）保持绳的长度和沙袋的质量不变，变更沙袋转动的速度，感受向心力的变更。（4）保持沙袋的质量和沙袋转动的速度不变，变更绳的长度，感受向心力的变更。通过上面的试验，可以知道：做圆周运动的物体所受向心力的大小与物体的质量、转动·速度、轨道半径等因素有关系。探究影响向心力大小的因素：1、试验器材：向心力演示器2、向心力演示器的构造匀速转动手柄1、变速塔轮2和3、长槽4和短槽5、横臂6、弹簧测力套筒7、标尺8。3、原理匀速转动手柄，可使塔轮、长槽和短槽匀速转动，槽内的小球也就随之做匀速圆周运动。挡板对小球的作用力供应了小球做匀速圆周运动的向心力。同时，小球挤压挡板的力使挡板另一端压缩测力套筒的弹簧，压缩量可从标尺上读出，该读数即显示了向心力的大小。4、试验方法:限制变量法5、试验步骤（1）向心力与质量关系让钢球与铝球的质量之比为2:1。将钢球和铝球分别放在相同半径处，摇动手柄。视察套桶露出标度的格数，比较向心力的大小。出示视频：向心力与质量关系其他条件相同的条件下，质量越大，套桶露出标度的格数越多，即向心力越大。（2）向心力与角速度的关系将两个质量相同的小钢球放在相同半径处。皮带套在两个半径为2:1的塔轮上，转动手柄视察套筒露出标度的格数，比较向心力的大小。出示视频：向心力与角速度的关系其他条件相同的条件下，角速度越大，套桶露出标度的格数越多，即向心力越大。（3）向心力与半径的关系将两个质量相同的钢球分别放在不同半径处。摇动手柄视察套筒露出标度的格数，比较向心力的大小。出示视频：向心力与半径的关系其他条件相同的条件下，半径越大，套桶露出标度的格数越多，即向心力越大。精确的试验表明，向心力的大小可以表示为：Fn＝mω2r由：v=ωr得：向心加速度:思索:（1）向心加速度方向如何？向心加速度由向心力产生，据牛顿运动定律知道，这个加速度的方向与向心力的方向相同.（2）加速度是描述速度变更快慢的物理量，那么向心加速度是描述什么的物理量？向心加速度是描述速度方向变更快慢的物理量（3）怎样推导向心加速度的公式？推导:向心加速度的大小与方向:由向心力公式：依据牛顿其次定律:F合=ma得：或1、定义：做匀速圆周运动的物体加速度指向圆心，这个加速度称为向心加速度2、公式：或3、方向：始终指向圆心4、物理意义：描述速度方向变更的快慢5、说明：匀速圆周运动加速度的大小不变，方向时刻变更，所以匀速圆周运动不是匀变速运动，是变加速运动向心加速度的的理论推导：设一质点沿着半径为r的圆周做匀速圆周运动。在某时刻该质点位于A点，经过很短一段时间Δt运动到B点。在此期间，质点的速度由vA变为vB，速度变更量为Δv。若把速度矢量vB的始端移到A点，其矢量关系如图所示。速度矢量三角形与相应的△OAB是相像三角形，且vA和vB的大小都等于线速度v。用s表示AB弦长，有即：Δt趋于零时，AB弦长等于AB孤长，因此等于线速度的大小v。Δt趋于零时，表示的就是向心加速度a的大小，且有，因此再由Δt趋于零时，vA和vB的夹角趋于零，Δv的方向趋于vA垂直而指向圆心，即加速度的方向指向圆心。例3.一般飞行员能承受的最大向心加速度的大小约为6g。在飞行表演中，飞机某次水平转弯时，可视为在水平面内做匀速圆周运动。若飞机以150m/s的速度飞行，在该次水平转弯过程中向心加速度为6g，取重力加速度g=9.8m/s2，飞机水平转弯半径至少为多少？答案：382.7m例4.向心加速度由向心力产生。下面请分析解决涉及圆周运动的一些动力学问题。如图，若水平圆台转动的角速度ω=0.6rad/s，质量为30kg的小孩坐在距离轴心1m处随圆台一起转动。小孩的向心加速度为多大？小孩受到的静摩擦力为多大？答案：a=0.36m/s2，f=10.8N例5.如图所示，两个质量不同的小球用长度不等的细线拴在同一点，并在同一水平面内做匀速圆周运动，则它们的：（A）A．周期相同B．线速度的大小相等C．细线的拉力大小相等D．向心加速度的大小相等例6.一个内壁光滑的圆锥筒的轴线是竖直的，圆锥固定，有质量相同的两个小球A和B贴着筒的内壁在水平面内做匀速圆周运动，如图所示，A的运动半径较大，则（AC）A．A球的角速度必小于B球的角速度B．A球的线速度必小于B球的线速度C．A球运动的周期必大于B球运动的周期D．A球对筒壁的压力必大于B球对筒壁的压力例7.如图所示，有一质量为m的小球在光滑的半球形碗内做匀速圆周运动，轨道平面在水平面内。已知小球与半球形碗的球