第六章 圆周运动 学情分析+内容与价值分析+单元小结-高中物理人教版（2019）必修第二册

第六章《圆周运动》内容与价值分析一、课标要求2.2.3会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动。知道匀速圆周运动向心加速度大小和方向。通过实验，探究并了解匀速圆周运动运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系。能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。了解生产生活中的离心运动及其产生的原因。例2.了解铁路和高速公路拐弯处路面有一定倾斜度的原因。活动建议：收集资料，探究自行车拐弯时受到的向心力。二、学习内容与价值分析圆周运动是继抛体运动之后学习的另一种物体在一个平面内的运动，而且这种曲线运动具有周期性特征。本章将原课标中关于匀速圆周运动的两个条目进行了整合，并明确提出了对描述圆周运动相关物理量的教学要求。学生要通过观察、实验建立匀速圆周运动模型，理解角速度、线速度、周期等描述匀速圆周运动的物理量，知道什么是向心加速度、什么是向心力、向心力与向心加速度的关系，通过这些概念与规律的学习，深化对加速度、力与运动关系的认识。会分析实际情况下物体做圆周运动的向心力，例如，分析汽车拐弯时和火车过弯道时的向心力作用等，可以让学生调查公路拐弯处的倾斜情况，或铁路拐弯处两条铁轨的高度差异，发展学生分析和解决实际问题的能力。在此基础上了解什么是离心现象，应用所学知识分析生产、生活中的离心现象，例如洗衣机脱水的过程、汽车拐弯时乘客身体倾斜的原因等。

1.从物理学的视角观察自然现象，将物理学知识与实际相联系本章内容与学生的生活紧密联系。在知识层面先从摩天轮的运动引入圆周运动模型，学生体会到，要研究圆周运动这种周期性变化的运动，已有的物理量不能解决问题，由此引出线速度、角速度、周期等物理量。在引入转速这个常用量时以旋转木马为例，使得问题情境更加清晰直观，同时配以各种实例图片做背景材料，把所研究的问题由浅入深，由表及里展现出来。由物理概念的形成入手，通过观察生活中的圆周运动，把实际圆周运动抽象为圆周运动的模型，培养学生模型建构的能力，本章突出解决实际问题，体现物理学科学习的规律，也体现了学科价值。哲学思想强调由现象→本质，本单元学习过程也体现了事物发展的必然规律。2.进一步掌握比值定义法做圆周运动的物体，为了描述物体经过点附近时运动的快慢，如图，取很短的时间内物体由运动到,通过的弧长为，弧长与时间之比反映了物体在点附近运动的快慢，当非常非常小时，这个比值表示在时运动的快慢，把它称之为线速度的大小。用两个物理量相比，得出了第三个物理量，很多物理量的得来都采用了这个方法，用同样的方法定义了描述圆周运动的另一个物理量—角速度。线速度、角速度物理量的意义不同，但这两个物理量都采用了相同的定义方法，说明方法的重要性，强化比值定义法的重要性。3.深化对微元法的认识在教学实践中我们说一小段时间的含义就是，趋于零但是不等于零，这里面蕴含着微元的方法。这种方法是物理学中很重要的方法。物理方法的渗透是一个长期的过程，对后续物理量的学习也起到积极的引导作用，比如由运动学推导向心加速度表达式用到了微元法，再比如，将在第八章学习的物体沿曲线运动时重力做功问题，利用微元法可得到重力做功与路径无关只与高度有关这样一个重要结论，这种方法的学习起到程序性知识的储备。正是物理思想使物理世界从散碎的知识形态上升为系统的普适形态，并建构起从感性认识通向理性认识的桥梁，引导学生从公式背后去获得对物理世界的一些根本认识，这也使得公式概念的学习更有意义。4.通过思维引导掌握解决问题的方法如图所示本单元由游乐场的“飞椅”情景入手，由学生感兴趣的话题引出圆周运动中的受力问题，实际情景有代表性又贴近学生实际。大量实例表明做匀速圆周运动的物体所受的合力指向圆心，通过归纳整理实验中的体会和理论分析知道，匀速圆周运动向心力只改变物体的速度方向，不改变速度大小这一重要的结论。实验表明向心力并不是物体真实受到的力，它是由某个力或者几个力的合力提供。回扣引入问题情景，会发现人和飞椅的向心力来自于绳子拉力与物体重力的合力，加深对向心力的理解，学生能提升运动与相互作用观念。高一第一学期已经接触到运动与相互作用的观念，本单元通过进一步深入研究发现，牛顿第二定律在圆周运动中依然适用。本章先引入向心力的概念，再引入向心加速度的概念，重视向心力的探究体验，这也更符合学生的认知顺序，向心力较向心加速度更加具象，由牛顿第二定律可以知道力是使物体产生加速度的原因，自然而然地学生就能理解向心加速度的含义，由具象到抽象，这使得向心加速度概念更容易为学生接受。同时，向心力的学习也会为带电粒子在场中的运动的学习起到铺垫作用，知识的网络化，促进知识体系的建立。本章学习过程中，强化对圆周运动向心力指向圆心这一重要结论的认识，为后续学习奠定方法基础。在处理匀速圆周运动问题时，有时候我们先画出圆周运动的轨迹和圆心，就很容易找到向心力方向，比如火车转弯时画出火车运动轨迹便可以清楚知道火车向心力方向沿水平方向指向圆心，而不是沿内外轨高度差斜坡向下，再结合数学方法很容易得到轨道对火车支持力大小。在选择性必修2中将要学习的带电粒子在磁场中运动问题也经常要用到这种方法，画出带电粒子运动的轨迹和圆心，再结合数学方法很容易找到半径等其他条件。本章知识与方法为后面的的学习奠定基础。本章不仅仅是知识学习的深入，更是物理观念的提升，用科学推理方法产生新规律，促进科学思维的发展，加强了对物理世界本质的认识。5.探究向心力大小的表达式，提升科学探究能力面对一个真实情景，结合已有水平，提出新的研究问题，把科学探究变得更有意义。如图所示本章做一做设计了这样的实验：感受向心力的大小，学生抡动小球做圆周运动，通过最直接的办法感受到向心力的存在，也能初步感受到向心力可能与哪些因素有关，但是这个实验更多强调的是感受，这种感受无法准确地度量。如图所示，书中进一步介绍了向心力演示仪。但是该探究性实验，并未介绍我们需要测量哪些物理量，学生可以根据已有的经验说出完成该实验需要测量哪些物理量。是不是说出了需要测量的物理量就能很好的完成实验任务呢，带着问题引导学生充分思考。很多因素会对我们的实验结果产生影响，不同物理量之间掺杂在一起，学生需要找出单一因素的影响，就要很好地去控制变量。在完成实验的过程中通过很好地控制变量，找出单一因素对实验结果的影响，继而在对实验数据加以整理分析得出所要的结论，这就是体现控制变量的重要性。在初中及加速度与力、质量两个物理量关系实验中，已经掌握了控制变量法，此处探究向心力与角速度、半径、质量三个物理量之间的关系，控制变量法不仅仅是物理学科探究的重要实验方法，而且也被广泛运用在各种科学探索和实验研究中。本章突出问题导向，问题情境明确，符合学生的实验水平，能够激发学生探究兴趣继而引发学生的思考，探究性实验不仅培养学生的问题意识和思维习惯，更能促进物理观念的认识。在探究过程中通过大量数据的归纳总结向心力的影响因素，利用好数据也是教师需要正确引导的，对实验数据和结果的合理分析，也体现了科学态度与责任。丰富的内容，鲜活的实例，不仅体现了学科价值，更丰富了育人价值。学生不仅仅学会了物理知识，更建立了物理观念，培养着物理思维，实践着探究精神，这一切都为物理核心素养的提升起到了积极的促进作用。第六章《圆周运动》学情分析学生已经完成了必修一内容的学习，对高中物理学科力与运动的部分知识和学习方法有了初步的认识，通过本章的学习丰富了对运动的理解，加深对学科知识、学科方法的学习，深化模型建构的思想，也为后续内容的学习提供帮助。一、认知基础前概念可以分成两种，一种是具有正向迁移作用的前概念，当新的科学概念和前概念有很高的契合度，学生在探究活动中往往会表现得比较活跃和积极，就容易达成相应的教学目标；另一种是具有负向迁移作用的前概念，当新的科学概念和前概念产生冲突时，前概念则会严重干扰科学概念的构建，相应的教学任务也不易完成。速度、加速度等物理量的学习，力和运动的关系的认知储备奠定了本单元的学习基础，比值法、微元法、极限法等物理方法，都为顺利过渡到圆周运动做好了铺垫。对于圆周运动的速度方向，学生在抛体运动一章已经学习并掌握了曲线运动的速度方向，能正向迁移到圆周运动的速度方向沿圆周的切线。向心加速度的推导计算，应用到了矢量运算的平行四边形定则，在平行四边形定则过渡到矢量减法的三角形定则是一个难点，正向迁移基础上，学生能提升对矢量运算法则的掌握。而“离心力”这个前概念在日常生活中会经常遇到，本章的向心力、离心运动概念，很多学生会误以为离心运动是由于离心力的原因造成的，产生矛盾就容易引起冲突，把原有的知识和现有的新概念结合好，解决学生生活常识与知识之间的矛盾冲突，既充分重视和了解学生的前概念，又合理地解决了前概念中的问题，这样使学习更有意义和价值。二、认知特点适宜的学习方法可以提高学生的认知水平，可发展学生独立学习的能力。认知水平的提高依赖于认知知识的积累。描述直线运动的方法学生已经基本掌握，对位移、速度、加速度的认知也比较全面，必修第一册力与运动的关系也植根于学生脑海中。必修第二册第五章对曲线运动进行了介绍，但是从抛体运动过渡到圆周运动还是会有一些的障碍。1.高一年级的学生观察的仔细程度和思维的深度较初中都有了很大的进步。从学生的认知水平理解线速度概念不是难点，但对新概念的引入，特别是角速度这个物理量，还有一定难度。学生会联系自己坐过的“旋转木马”，想象到“转的快慢”这个词。如图所示，骑行链条传动的自行车时，由于链条不可伸长，因而大、小齿轮边缘的点在相等时间内通过的弧长是相等的，即线速度大小相等。由学生认知基础容易得出大、小齿轮转的“快慢”不相同这个结论，而这个转动快慢又刚好是得出角速度这个物理量的基础。学生深入思考会得出由于两个齿轮的半径不同，相等时间内它们转过的角度不相同，学生感悟到角速度这个物理量在描述匀速圆周运动的重要性了。学生认知水平决定了新概念学习的难易程度。2.高一学生有了较好的实验素养和动手能力。学生的观察精细程度、动手能力和思维深度都为规律的获得提供很好的保障。如图所示，在研究向心力实验中，一个小球在细线的牵引下，绕光滑桌面上的图钉做匀速圆周运动。用香火烧断细线，观察小球的运动。这样丰富的体验活动，每一位学生都愿意参与实验的过程中，学生真实地感受到了小球做圆周运动中绳子拉力的作用，把日常生活的体验运用于物理学习，学习的兴趣与欲望增强了，愿意积极主动参与到学习的过程中，知道了学习的价值，从而会进一步主动获取知识、发展能力。3.高一年级学生已经具有猜想和设计实验的能力。探究加速度与力、质量关系的实验中，学生已经知道了如何去设计实验以及在实验中如何控制变量。探究向心力大小的实验，学生猜想到向心力大小与哪些物理量有关。如何解决多变量对向心力的大小的影响，学生之间沟通交流控制变量法会顺势而出。学生的积极思考与之前学习的方法结合在一起，促进了实验原理、方法设计在学生脑海中的建立。同学之间互动、交流与分享不但提高对问题认识的全面，还可以促进沟通、交流与合作能力的提高。4.高一学生初步具有了把生活中的现象抽象为物理模型的能力。之前学生通过学习掌握了一些模型及其建构方法，学生已经初步具有“能在熟悉情境中选用恰当模型解决简单问题”的能力。圆周运动是一种常见的运动形式，在生活中有着广泛的应用。学生在习得圆周运动向心力知识后，很自然地想到这部分知识学习价值所在。汽车过拱桥是一个生活中实际的例子，把汽车过桥转化为理想模型，把现实生活中汽车过桥的的例子抽象为物理模型，体现了物理学科的建模的思想，而这一切都是学生现有的知识水平与能力在作支撑。学生对汽车转弯司空见惯，对于火车转弯观察很少甚至没有观察过，这与学生生活体验有很大的差别，学生认知基础和能力较难破解类似的问题。由于大部分学生没有见过火车轮子的真实样子，没有类似的体验过程，因此对火车转弯向心力的来源不能清楚分析出来，在该模型建构的过程中还需要学生进一步搜集整理资料（图示为火车轮子与铁轨关系）。在物理学习、探究过程中，朝着学习目标，学生会不断地进行自我评价和调节。学生的自我评价会发展成为调节探究活动的关键因素，培养兴趣、提高思维的深度、促进知识的形成、丰富学科认知，并在新的情境中对综合性物理问题进行分析推理，获得正确结论并作出解释，解决实际问题，促进学生自身学科能力的提升。第六章《圆周运动》单元小结一、本单元内容梳理二、本单元小结本章学习分为两条主线：一条是概念和规律等知识的习得，另一条是规律的应用。教师合理安排、创设问题情境、精心组织，优化教学方法，学生主动探究、积极思考、知识建构、获得基本结论。生活中大量的圆周运动现象，都有着复杂的情境，需要学生从复杂情境中提纯、简化，构建物理模型，学会变繁为简。把所学的知识，转化为解决实际圆周运动问题的方法，深刻认知学习的目的与意义，努力去发现问题、解决问题，促进科学探究的深入，在知识的内化与能力的提升过程中，物理学科核心素养得到提升。1.物理模型建构模型建构是物理学习及研究中非常重要的方法和手段，蕴含着分析、抽象、概括等思维方法，对学生科学思维的提升有很好的作用。本章通过观看摩天轮、电扇扇叶的转动、旋转木马、游乐场的飞椅等大量鲜活的实例，学生建立了圆周运动模型。对圆周运动模型的建构经历了观察、分析、总结、提升的过程，由现象到本质、突出主要问题忽略次要因素的思维发展过程。2.物理概念和物理规律的建立线速度、角速度