高中物理加速度教案
發(fā)表時(shí)間:2020-04-29向心力與向心加速度。
4.2《向心力與向心加速度》學(xué)案
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
(一)知識(shí)與技能
1、理解向心加速度和向心力的概念
2、知道向心力、向心加速度與線速度、角速度的關(guān)系式。
3、能夠運(yùn)用向心力公式求解有關(guān)問題。
【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】
理解勻速圓周運(yùn)動(dòng)中加速度的產(chǎn)生原因,掌握向心力的確定方法和計(jì)算公式。
【知識(shí)要點(diǎn)】
1.向心力
(1)大小:
(2)方向:總指向圓心,時(shí)刻變化
(3)“向心力”是一種效果力。任何一個(gè)力,或者幾個(gè)力的合力,或者某一個(gè)力的某個(gè)分力,只要其效果是使物體做圓周運(yùn)動(dòng)的,都可以作為向心力?!跋蛐牧Α辈灰欢ㄊ俏矬w所受合外力。做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,向心力就是物體所受的合外力,總是指向圓心。做變速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,向心力只是物體所受合外力在沿著半徑方向上的一個(gè)分力,合外力的另一個(gè)分力沿著圓周的切線,使速度大小改變。
2.向心加速度
做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,加速度方向始終指向,這個(gè)加速度叫做。
3、向心加速度的大小表達(dá)式有an=、an=等。
4、勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一個(gè)加速度大小不變、方向時(shí)刻變化的變加速曲線運(yùn)動(dòng)。
3.處理方法:
一般地說,當(dāng)做圓周運(yùn)動(dòng)物體所受的合力不指向圓心時(shí),可以將它沿半徑方向和切線方向正交分解,其沿半徑方向的分力為向心力,只改變速度的方向,不改變速度的大?。黄溲厍芯€方向的分力為切向力,只改變速度的大小,不改變速度的方向。分別與它們相應(yīng)的向心加速度描述速度方向變化的快慢,切向加速度描述速度大小變化的快慢。
做圓周運(yùn)動(dòng)物體所受的向心力和向心加速度的關(guān)系同樣遵從牛頓第二定律:Fn=man在列方程時(shí),根據(jù)物體的受力分析,在方程左邊寫出外界給物體提供的合外力,右邊寫出物體需要的向心力(可選用等各種形式)。
【典型例題】
例1如圖所示,將一質(zhì)量為m的擺球用長為L的細(xì)繩吊起,上端固定,使擺球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),細(xì)繩就會(huì)沿圓錐面旋轉(zhuǎn),這樣就構(gòu)成了一個(gè)圓錐擺,則關(guān)于擺球A的受力情況,下列說法中正確的是()
A.?dāng)[球受重力、拉力和向心力的作用
B.?dāng)[球受拉力和向心力的作用
C.?dāng)[球受重力和拉力的作用
D.?dāng)[球受重力和向心力的作用
【解析】:我們?cè)谶M(jìn)行受力分析時(shí),“物體受到哪幾個(gè)力的作用”中的力是指按照性質(zhì)命名的力,顯然,物體只受重力G和拉力FT的作用,而向心力F是重力和拉力的合力,如圖所示。也可以認(rèn)為向心力就是FT沿水平方向的分力FT2,顯然,F(xiàn)T沿豎直方向的分力FT1與重力G平衡。所以,本題正確選項(xiàng)為C。
例2如圖所示,一個(gè)內(nèi)壁光滑的圓錐形筒的軸線垂直于水平面,圓錐筒固定不動(dòng),有兩個(gè)質(zhì)量相等的小球A和B緊貼著內(nèi)壁分別在圖中所示的水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則以下說法中正確的是()
A.A球的線速度必定大于B球的線速度
B.A球的角速度必定小于B球的線速度
C.A球的運(yùn)動(dòng)周期必定小于B球的運(yùn)動(dòng)周期
D.A球的向心加速度必定小于B球的向心加速度
答案:AB
【解析】:小球A和B的受力情況如圖所示,由圖可知,兩球的向心力都來源于重力G和支持力FN的合力,建立如圖所示的坐標(biāo)系,則有:
FN1=FNsinθ=mg
FN2=FNcosθ=F
所以F=mgcotθ。
也就是說FN在指向圓心方向的分力即合力F=mgcotθ提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力,可見A、B兩球受力情況完全一樣,當(dāng)然向心力肯定也大小相等。由于前提是兩球的向心力一樣,所以比較時(shí)就好比較了
比較兩者線速度大小時(shí),由F=mv2r可知:r越大,v一定較大,因此選項(xiàng)A正確。
比較兩者角速度大小時(shí),由F=mrω2可知:r越大,ω一定較小,因此選項(xiàng)B正確。
比較兩者的運(yùn)動(dòng)周期時(shí),由F=mr(2πT)2可知:r越大,T一定較大,因此選項(xiàng)C不正確。
由a=Fm,可知,兩球的向心加速度一樣大,因此選項(xiàng)D不正確。
例3如圖所示,細(xì)繩的一端固定于O點(diǎn),另一端系一個(gè)小球,在O點(diǎn)的正下方釘一個(gè)釘子A。讓小球從一定高度擺下,經(jīng)驗(yàn)告訴我們,當(dāng)細(xì)繩與釘子相碰時(shí),如果釘子的位置越靠近小球,繩就越容易斷。請(qǐng)用圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)加以論證。
【解析】:在繩子與釘子相碰的瞬間,速度大小不變,但小球從大半徑的圓周運(yùn)動(dòng)突變到小半徑的圓周運(yùn)動(dòng),所以由于v不變,根據(jù)公式知:r越小,F(xiàn)越大,故繩越易斷。
【達(dá)標(biāo)訓(xùn)練】
1.關(guān)于做勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的向心加速度方向,下列說法正確的是()
A.與線速度方向始終相同B.與線速度方向始終相反
C.始終指向圓心D.始終保持不變
2.關(guān)于質(zhì)點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的下列說法正確的是()
A.由a=v2/r,知a與r成反比
B.由a=ω2r,知a與r成正比
C.由ω=v/r,知ω與r成反比
D.由ω=2πn,知ω與轉(zhuǎn)速n成正比
3.A、B兩小球都在水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng),A球的軌道半徑是B球軌道半徑的2倍,A的轉(zhuǎn)速為30r/min,B的轉(zhuǎn)速為15r/min。則兩球的向心加速度之比為()
A.1:1B.2:1C.4:1D.8:1
4.如圖所示,輕桿的一端有一個(gè)小球,另一端有光滑的固定軸O.現(xiàn)給球一初速度,使球和桿一起繞O軸在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),不計(jì)空氣阻力,用F表示球到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)桿對(duì)小球的作用力,則F()
A.一定是拉力
B.一定是推力
C.一定等于零
D.可能是拉力,可能是推力,也可能等于零
5.一質(zhì)點(diǎn)沿著半徑r=1m的圓周以n=1r/s的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng),如圖,試求:
(1)從A點(diǎn)開始計(jì)時(shí),經(jīng)過1/4s的時(shí)間質(zhì)點(diǎn)速度的變化;
(2)質(zhì)點(diǎn)的向心加速度的大小。
【達(dá)標(biāo)訓(xùn)練參考答案】
1.C
2.D
3.D
4.D
5.解析(1)求出1/4s的時(shí)間連接質(zhì)點(diǎn)的半徑轉(zhuǎn)過的角度是多少;
(2)求出質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)和1/4s末線速度的大小和方向。
(3)由矢量減法作出矢量三角形。
(4)明確邊角關(guān)系,解三角形求得Δv的大小和方向。
(5)根據(jù)an=v2/r或an=ω2r求出向心加速度的大小。
答案(1)Δv=2πm/s方向與OA連線成45°角指向圓心O(2)a=4π2m/s2
相關(guān)知識(shí)
《向心力與向心加速度》
【設(shè)計(jì)思想】
向心力概念的建立有兩條途徑:一是先通過實(shí)驗(yàn)建立向心力概念,歸納出向心力公式,再推出向心加速度;二是先通過理論推導(dǎo)導(dǎo)出向心加速度,再推出向心力。本節(jié)課目的是想通過先理論分析,得出向心力的存在,再通過實(shí)驗(yàn)探究,用理論指導(dǎo)實(shí)踐。理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn),能訓(xùn)練學(xué)生的推理能力,實(shí)驗(yàn)方法講向心力,降低了難度,便于學(xué)生理解接受。這樣讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到向心力的存在及意義。
【教學(xué)目標(biāo)】
一、知識(shí)與能力
1、知道向心力的定義和方向,通過實(shí)例認(rèn)識(shí)向心力的作用效果及來源。
2、通過實(shí)驗(yàn)理解向心力的大小與哪些因素有關(guān),初步掌握向心力的公式并可以進(jìn)行計(jì)算。
3、知道向心加速度及其公式,能運(yùn)用牛頓第二定律分析勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力及向心加速度。
4、經(jīng)歷向心力和向心加速度的概念形成過程的體驗(yàn),大膽發(fā)表自己對(duì)有關(guān)問題的認(rèn)識(shí)。
二、過程與方法
通過向心力理論分析到實(shí)驗(yàn)探究,培養(yǎng)學(xué)生用理論指導(dǎo)實(shí)踐的素養(yǎng)和能力。
三、情感態(tài)度與價(jià)值觀
培養(yǎng)學(xué)生觀察生活,思考生活現(xiàn)象的能力,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生大膽分析及勇于探究的科學(xué)素養(yǎng),以及尊重實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的客觀唯物精神。
【教學(xué)重點(diǎn)】
向心力概念的建立及實(shí)驗(yàn)探究向心力的大小是教學(xué)重點(diǎn)。
【教學(xué)難點(diǎn)】
向心力概念的建立及實(shí)驗(yàn)探究向心的大小也是教學(xué)難點(diǎn)。通過簡單實(shí)例及分組實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)感知,突破難點(diǎn)。
【教具準(zhǔn)備】
1、小球、細(xì)繩和光滑木板16套
2、小鏈球16對(duì)。
3、向心力演示器16臺(tái)。
4、課件。
【教學(xué)過程】
一、引入新課
欣賞視頻:我國選手趙宏博和申雪在06年冬奧會(huì)花樣滑冰比賽中,以精彩表演獲得金牌,為國爭光。視頻中申雪的運(yùn)動(dòng)可以近似看成什么運(yùn)動(dòng)?(學(xué)生回答:勻速圓周運(yùn)動(dòng)),其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)刻改變的原因是什么?(學(xué)生回答:受到合外力)有力就會(huì)產(chǎn)生(加速度)。這節(jié)課我們共同探究做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體合外力及加速度的特點(diǎn)。
板書:向心力與向心加速度
二、學(xué)生實(shí)驗(yàn)引出向心力的定義
引導(dǎo)學(xué)生分組利用手中的小球、細(xì)線、光滑水平木板,構(gòu)建一個(gè)簡單的勻速圓周運(yùn)動(dòng),讓學(xué)生對(duì)小球進(jìn)行受力,得出勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體所受合外力的特點(diǎn):始終指向圓心,從而引出向心力的定義。
板書:向心力
1、向心力的定義:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)受到一個(gè)始終指向圓心等效的力。
三、學(xué)生觀察得到向心力的方向
再引導(dǎo)學(xué)生觀察分析得到向心力的方向時(shí)刻在變化,是一個(gè)變力但始終指向圓心而且和速度方向垂直。
板書:向心力的方向:始終指向圓而且速度方向垂直
四、引導(dǎo)學(xué)生分析得到向心力的作用效果
因?yàn)橄蛐牧退俣确较蚴冀K垂直,所以向心力不做功,不改變速度的大小,只改變速度的方向,得到向心力的作用效果。
板書:向心力的作用效果:不改變速度的大小,只改變速度的方向。
五、通過三個(gè)典型題目引導(dǎo)學(xué)生分析向心力的來源
對(duì)物體受力分析,說明向心力的來源。
物體隨轉(zhuǎn)盤一起勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體隨滾筒一起勻速圓周運(yùn)動(dòng)
板書:向心力的來源:向心力可以由重力、彈力、摩擦力等某個(gè)力提供,也可以由它們的合力,或某個(gè)力的分力提供。
六、實(shí)驗(yàn)探究:向心力的大小
提出問題:向心力的大小跟哪些因素有關(guān)?
(引導(dǎo)學(xué)生用兩個(gè)小鏈球?qū)嶒?yàn),憑感覺粗略體驗(yàn)。學(xué)生經(jīng)實(shí)驗(yàn)、討論有了自己的看法后,自由發(fā)言。)
學(xué)生的猜想:向心力跟物體質(zhì)量m、半徑r、角速度ω有關(guān)。
(若學(xué)生說到v,可引導(dǎo)學(xué)生由公式v=ωr得出ω和v有重復(fù)的部分)
進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生猜想它們的定量關(guān)系。學(xué)生可能猜想向心力與質(zhì)量成正比,與半徑成正比,與角速度成正比。老師先不要作出判斷。
提問:實(shí)驗(yàn)時(shí)能否讓三個(gè)量同時(shí)變。
學(xué)生:不行,應(yīng)該保持其它量不變,使一個(gè)量變化即控制變量法。
實(shí)驗(yàn)裝置:向心力演示器。
介紹構(gòu)造:
講解工作原理:小球向外壓擋板,擋板對(duì)小球的反作用力指向轉(zhuǎn)軸,提供了小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,兩力大小相等,同時(shí)小球壓擋板的力使擋板另一端壓縮套在軸上的彈簧,彈簧被壓縮的格數(shù)可以從標(biāo)尺中讀出,即顯示了向心力大小。
演示操作:如何實(shí)現(xiàn)控制變量。
強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng):
學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)得出:
①F向心力與質(zhì)量的關(guān)系:ω、r一定,取兩球使mA=2mB觀察:(學(xué)生讀數(shù))FA=2FB。
結(jié)論:向心力F∝m。
②F向心力與半徑的關(guān)系:m、ω一定,取兩球使rA=2rB觀察:(學(xué)生讀數(shù))FA=2FB。
結(jié)論:向心力F∝r。
③F向心力與角速度的關(guān)系:m、r一定,使ωA=2ωB觀察:(學(xué)生讀數(shù))FA=4FB。
結(jié)論:向心力F∝ω2。
歸納:綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力與物體的質(zhì)量成正比,與半徑成正比,與角速度的二次方成正比。但不能由一個(gè)實(shí)驗(yàn)、一個(gè)測量就得到一般結(jié)論,實(shí)際上要進(jìn)行多次測量,同時(shí)選取更精密的儀器,大量實(shí)驗(yàn),但我們不可能一一去做。同學(xué)們剛才所做的實(shí)驗(yàn)得出:m、r、ω越大,F(xiàn)越大;若將實(shí)驗(yàn)稍加改進(jìn),如課本中所介紹的小實(shí)驗(yàn),加一彈簧秤測出F,可粗略得出結(jié)論。我們還可以設(shè)計(jì)很多實(shí)驗(yàn)都能得出這一結(jié)論,說明這是一個(gè)帶有共性的結(jié)論。測出m、r、ω的值,可知向心力大小為:F=mrω2r。
板書:向心力:F向心力=mω2r=mv2/r
我們知道合外力必然產(chǎn)生加速度,向心力實(shí)際就是物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的合外力,這個(gè)力產(chǎn)生的加速度是怎么樣的呢?
七、根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出向心加速度
板書:向心加速度
1、向心加速度大?。篴=F向心力/m=ω2r=v2/r=ωv
a=4π2r/T2=4π2rf2
提問:方向是怎么樣的?
板書:向心加速度的方向:與向心力同向,始終指向圓心
思考:勻速圓周運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)還是非勻變速運(yùn)動(dòng)?
學(xué)生:不是,因?yàn)榧铀俣炔缓愣?。方向時(shí)刻在改變。
板書:向心加速度的物理意義:描述速度方向變化快慢的物理量。
【及時(shí)鞏固】
長度為0.5m的輕繩一端系一質(zhì)量為2kg的小球,另一端固定,小球繞固定點(diǎn)在光滑水平面上以4m/s的速度做勻速圓周運(yùn)動(dòng),請(qǐng)計(jì)算小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和向心加速度的大小?
【課堂小結(jié)】
1.知識(shí)內(nèi)容:(見板書)
2.實(shí)驗(yàn)方法:控制變量法。
3.物理思想:先猜想后探究,從定性到定量。
高一物理向心力與向心加速度
第2節(jié)向心力與向心加速度
從容說課
教材分析
教材先講向心力,后講向心加速度,回避了用矢量推導(dǎo)向心加速度這個(gè)難點(diǎn),通過實(shí)例給出向心力概念,再通過探究性實(shí)驗(yàn)給出向心力公式,之后直接應(yīng)用牛頓第二定律得出向心加速度的表達(dá)式,順理成章,便于學(xué)生接受.
向心力和向心加速度是個(gè)難點(diǎn).可以先從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度推導(dǎo)出向心加速度的公式和向心加速度的方向,然后運(yùn)用牛頓第二定律得出向心力公式,這樣講邏輯性強(qiáng),有利于學(xué)生理解公式的來源,但這種講法比較難,可能有的學(xué)生不易接受.本書未采取這種講法,而是根據(jù)公式先講向心力.對(duì)于小球在繩的拉力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的情況來說,由繩的拉力引出向心力比較容易接受,然后在定性分析的基礎(chǔ)上直接給出向心力公式,再由牛頓第二定律導(dǎo)出向心加速度的公式.
至于向心加速度公式的推導(dǎo),則視學(xué)生基本情況而定.如果學(xué)生基礎(chǔ)較好,也可改變本書的講法,即先講此推導(dǎo),再得出向心力的公式.
教學(xué)建議
1.要通過對(duì)物體做圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)例進(jìn)行分析入手,從中引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)到:做圓周運(yùn)動(dòng)的物體都必須受到指向圓心的力的作用,由此引入向心力的概念.
2.對(duì)于向心力概念的認(rèn)識(shí)和理解,應(yīng)注意以下三點(diǎn):
第一點(diǎn)是向心力只是根據(jù)力的方向指向圓心這一特點(diǎn)而命名的,或者說是根據(jù)力的作用效果來命名的,并不是根據(jù)力的性質(zhì)命名的,所以不能把向心力看作是一種特殊性質(zhì)的力.
第二點(diǎn)是物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),所需的向心力就是物體受到的合外力.
第三點(diǎn)是向心力的作用效果只是改變線速度的方向.
3.讓學(xué)生充分討論向心力的大小可能與哪些因素有關(guān),并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng).
4.講述向心加速度公式時(shí),不僅要使學(xué)生認(rèn)識(shí)到勻速圓周運(yùn)動(dòng)是向心加速度大小不變、方向始終與線速度垂直并指向圓心的變速運(yùn)動(dòng),在這里還應(yīng)把“向心力改變速度方向”與在直線運(yùn)動(dòng)中“合外力改變速度大小”聯(lián)系起來,使學(xué)生全面理解“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的含義,再結(jié)合無論速度大小或方向改變,物體都具有加速度,使學(xué)生對(duì)“力是物體產(chǎn)生加速度的原因”有更進(jìn)一步的理解.
教學(xué)重點(diǎn)理解向心力和向心加速度的概念.知道向心力大小F=mrω2=mv2/r,向心加速度的大小a=rω2=v2/r,并能用來進(jìn)行計(jì)算.
教學(xué)難點(diǎn)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和向心加速度都是大小不變,方向在時(shí)刻改變.
教具準(zhǔn)備投影儀、投影片、多媒體、CAI課件、向心力演示器、鋼球、木球、細(xì)繩.
課時(shí)安排1課時(shí)
三維目標(biāo)
一、知識(shí)與技能
1.理解向心加速度和向心力的概念;知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生向心加速度的原因;
2.知道向心力大小與哪些因素有關(guān),理解向心力公式的確切含義,并能用來進(jìn)行計(jì)算.
二、過程與方法
1.懂得物理學(xué)中常用的研究方法,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和研究能力;
2.培養(yǎng)學(xué)生探究物理問題的習(xí)慣,訓(xùn)練學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)的能力和分析綜合能力.
三、情感態(tài)度與價(jià)值觀
1.通過a與r及ω、v之間的關(guān)系,使學(xué)生明確任何一個(gè)結(jié)論都有其成立的條件;
2.培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的觀察、分析能力,培養(yǎng)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中去的思想.
教學(xué)過程
導(dǎo)入新課
由于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向時(shí)刻在變,勻速圓周運(yùn)動(dòng)是變速曲線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)刻在改變,所以做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體一定有加速度,所受合外力一定不為零.那么做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受合外力有何特點(diǎn)?加速度又如何呢?本節(jié)課我們就來共同學(xué)習(xí)這個(gè)問題.
推進(jìn)新課
一、向心力
演示實(shí)驗(yàn):在光滑水平桌面上,繩的一端拴住一個(gè)小球,繩的另一端固定于桌上,原來細(xì)繩處于松弛狀態(tài),用手輕擊小球,小球先做勻速直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)繩繃直后,小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng).
(用CAI課件,模擬上述實(shí)驗(yàn)過程)
討論:1.繩繃緊前,小球?yàn)槭裁醋鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)?
2.繩繃緊后,小球?yàn)楹巫鰟蛩賵A周運(yùn)動(dòng)?小球此時(shí)受到哪些力的作用?合外力是哪個(gè)力?這個(gè)力的方向有什么特點(diǎn)?這個(gè)力起什么作用?
結(jié)論:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的小球,受到的繩的拉力就是它的合力,這個(gè)拉力方向始終指向圓心,方向不斷變化,不改變速度的大小,只改變速度的方向.
(1)概念:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的始終指向圓心的合力,叫做向心力.
向心力是根據(jù)力的作用效果命名的,不是一種新的性質(zhì)的力.
(2)向心力的作用效果:只改變運(yùn)動(dòng)物體的速度方向,不改變速度大小.
向心力指向圓心,而物體運(yùn)動(dòng)的方向沿切線方向,物體在運(yùn)動(dòng)方向上不受力,速度大小不會(huì)改變,所以向心力的作用只是改變速度的方向,不改變速度的大小.
二、向心力的大小
體驗(yàn)向心力的大?。好拷M學(xué)生發(fā)給用細(xì)線連結(jié)的鋼球、木球各一個(gè),讓學(xué)生拉住繩的一端,讓小球盡量做勻速圓周運(yùn)動(dòng),改變轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢、細(xì)線的長短多做幾次.
引導(dǎo)學(xué)生猜想:向心力可能與物體的質(zhì)量、角速度、半徑有關(guān).
過渡:剛才同學(xué)們已猜想到向心力可能與m、v、r有關(guān),那么,我們的猜想是否正確呢?下面我們通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)一下.
(介紹向心力演示器的構(gòu)造和使用方法)
構(gòu)造:(略)介紹各部分的名稱
使用方法:勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,可以使塔輪以及長槽和短槽隨之勻速轉(zhuǎn)動(dòng),槽內(nèi)的小球就做勻速圓周運(yùn)動(dòng).使小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由橫臂的擋板對(duì)小球的壓力提供,球?qū)醢宓姆醋饔昧νㄟ^杠桿的作用使彈簧測力套筒下降,從而露出標(biāo)尺,標(biāo)尺上露出的紅白相間等方格可顯示出兩個(gè)球所受向心力的比值.
實(shí)驗(yàn)操作:用質(zhì)量不同的鋼球和鋁球,使它們運(yùn)動(dòng)的半徑r和角速度ω相同,觀察得到,向心力的大小與質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量越大,向心力也越大.
用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球,保持運(yùn)動(dòng)半徑相同,觀察向心力與角速度之間的關(guān)系.
仍用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球,保持小球運(yùn)動(dòng)的角速度相同,觀察向心力的大小與運(yùn)動(dòng)半徑之間的關(guān)系.
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:向心力的大小與物體質(zhì)量m、圓周半徑r和角速度ω都有關(guān)系.
通過控制變量法、定量測數(shù)據(jù)等,可以得到勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力大小為
F=mrω2
根據(jù)線速度和角速度的關(guān)系v=rω可得,向心力大小跟線速度的關(guān)系為
.
三、向心加速度
(1)加速度的方向
做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,在向心力F的作用下必然要產(chǎn)生一個(gè)加速度,據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到,這個(gè)加速度的方向與向心力的方向相同,始終沿半徑指向圓心.
做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體沿半徑指向圓心的加速度,叫做向心加速度.
(2)向心加速度的大小
根據(jù)向心力公式,結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律F=ma,推導(dǎo)得到:a=rω2或.
四、說明
(1)向心力的實(shí)質(zhì)就是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的合外力.
它是根據(jù)力的效果命名的,不是一種新的性質(zhì)的力,在受力分析時(shí)不能重復(fù)考慮.
(2)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是在大小不變、方向時(shí)刻變化的變力作用下的變加速曲線?運(yùn)動(dòng).
做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,向心力的大小不變,方向總指向圓心,是一個(gè)大小不變方向時(shí)刻變化的變力.向心加速度也是大小不變方向時(shí)刻變化的,不是一個(gè)恒矢量.
思考與討論:
一個(gè)圓盤可繞通過圓盤中心O且垂直于盤面的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng),在圓盤上放置一個(gè)小木塊A,它隨圓盤一起運(yùn)動(dòng)——做勻速圓周運(yùn)動(dòng),如圖所示.木塊受幾個(gè)力的作用?各是什么性質(zhì)的力?方向如何?木塊所受的向心力是由什么力提供的?
研究勻速圓周運(yùn)動(dòng)要注意以下幾個(gè)問題:
1.正確分析物體的受力,確定向心力
由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知,產(chǎn)生加速度的力是物體受到的各個(gè)力的合力.因此產(chǎn)生向心加速度的力是向心力,向心力一般是由合力提供,在具體問題中也可以是由某個(gè)實(shí)際的力提供,如拉力、重力、摩擦力等.
2.確定勻速圓周運(yùn)動(dòng)的各物理量之間的關(guān)系
描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物理量主要是線速度、角速度、軌道半徑、周期和向心加速度.這里需要指出的是在計(jì)算中常常遇到π值的問題,一定注意帶入3.14而不是180°,因?yàn)閳A周運(yùn)動(dòng)中的角速度是以弧度/秒為單位的.例如鐘表的分針周期是60分鐘,求它轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.根據(jù),那么=1.74×10-3弧度/秒.
3.要注意雖然圓周運(yùn)動(dòng)向心加速度公式是從勻速圓周運(yùn)動(dòng)推出的,但是它也適用于非勻速圓周運(yùn)動(dòng)情況,可以是瞬時(shí)關(guān)系.
【例題剖析1】
汽車在水平彎道上拐彎,彎道半徑是r.如果汽車與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,那么為了不使汽車發(fā)生滑動(dòng)的最大速率是()
A.B.C.D.
【教師精講】汽車在水平彎道上做圓周運(yùn)動(dòng),受到重力、支持力和靜摩擦力作用,其中重力和支持力大小相等,方向相反,作用力互相抵消.所以靜摩擦力一定沿彎道半徑指向圓心,提供向心力.
隨汽車行駛速率增大,需要的向心力也增大,則靜摩擦力增大.因此靜摩擦力達(dá)到最大值時(shí),汽車速率不能再增大,否則會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng).由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可得:
,N=mg
fm=μN(yùn)則,
,因此選項(xiàng)A正確.
【例題剖析2】如圖所示,在半徑等于R的半圓形碗內(nèi)有一個(gè)小物體從A點(diǎn)勻速滑下,下列說法中正確的是()
A.物體在下滑過程中,所受合力為零
B.物體滑到底端時(shí),對(duì)碗底的壓力大于物體的重力
C.物體下滑過程中,所受合力不為零
D.物體滑到底端時(shí),對(duì)碗底的壓力等于物體的重力
【教師精講】物體沿碗勻速下滑,是在豎直平面內(nèi)做勻速率圓周運(yùn)動(dòng).圓周運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng),因此一定有加速度,所以物體所受合力不能為零,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)C正確.物體下滑到碗底時(shí),速度沿水平方向,但是此時(shí)向心加速度沿半徑指向圓心,即豎直向上.所以物體這時(shí)受到的豎直向上的支持力大于豎直向下的重力,選項(xiàng)B正確,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.
【例題剖析3】有一圓錐擺,其擺線所能承受的拉力是有一定限度的.在擺球質(zhì)量m一定,且保持?jǐn)[角θ不變時(shí),下面說法正確的是()
A.角速度一定,擺線越長越容易斷
B.角速度一定,擺線越短越容易斷
C.線速度一定,擺線越長越容易斷
D.線速度一定,擺線越短越容易斷
【教師精講】圓錐擺是球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),擺球受到重力和擺線拉力,它們的合力作向心力,沿水平方向指向圓心.設(shè)擺線長為l,擺線對(duì)球的拉力為T,如圖所示.由幾何關(guān)系可知,合力F=Tsinθ,軌道半徑r=lsinθ,因此根據(jù)牛頓定律F=Tsinθ=mω2lsinθ,,
則T=mω2l①
②
根據(jù)①式可以得知當(dāng)角速度一定時(shí),拉力T和擺線長l成正比,所以選項(xiàng)A正確.根據(jù)②式可以得知當(dāng)線速度一定時(shí),拉力T和擺線長l成反比,所以選項(xiàng)D正確.
五、鞏固練習(xí)
1.關(guān)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的說法,以下說法正確的是()
A.因?yàn)?所以向心加速度與半徑成反比
B.因?yàn)閍=ω2r,所以向心加速度與半徑成正比
C.因?yàn)?所以角速度與半徑成反比
D.因?yàn)棣?2πn,所以角速度與轉(zhuǎn)速成正比
2.擺角為θ的圓錐擺所受的向心力大小是()
A.mgB.mgsinθC.mgcosθD.mgtanθ
3.如圖所示,一輕桿一端固定一質(zhì)量為m的小球,以另一端O為圓心,使小球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng).以下說法正確的是()
A.小球過最高點(diǎn)時(shí),桿受力可以是零
B.小球過最高點(diǎn)時(shí)的最小速率為rg
C.小球過最高點(diǎn)時(shí),桿對(duì)球的作用力可以豎直向上,此時(shí)球受到的重力一定大于桿對(duì)球的作用力
D.小球過最高點(diǎn)時(shí),桿對(duì)球的作用力一定豎直向下
4.關(guān)于向心力的說法正確的是()
A.物體受到向心力的作用才可能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
B.向心力是指向圓心的力,是根據(jù)作用效果命名的
C.向心力可以是物體受到的幾個(gè)力的合力,也可以是某個(gè)實(shí)際的力或幾個(gè)力的分力
D.向心力的作用是改變物體速度的方向,不可能改變物體的速率
5.質(zhì)量為m的木塊從半球形的碗口下滑到碗底的過程中,如果由于摩擦力的作用使木塊的速率保持不變,那么()
A.因?yàn)樗俣却笮〔蛔?,所以木塊的加速度為零
B.木塊下滑過程中所受的合力越來越大
C.木塊下滑過程中,加速度大小不變,方向始終指向球心
D.木塊下滑過程中,摩擦力大小始終不變
6.圓形軌道豎直放置,質(zhì)量為m的小球經(jīng)過軌道內(nèi)側(cè)最高點(diǎn)而不脫離軌道的最小速率為v.現(xiàn)在使小球以2v的速率通過軌道最高點(diǎn)內(nèi)側(cè),那么它對(duì)軌道的壓力大小為()
A.0B.mgC.3mgD.5mg
參考答案:
1.D2.D3.AC4.ABCD5.C6.C
課堂小結(jié)
這節(jié)課我們學(xué)習(xí)了向心力和向心加速度,掌握了它們大小的計(jì)算公式和方向特點(diǎn),進(jìn)一步明確了勻速圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)——是在大小不變方向時(shí)刻變化的變力作用下的變加速曲線運(yùn)動(dòng).
布置作業(yè)
課本P72作業(yè)3、4、5.
板書設(shè)計(jì)
1.向心力
(1)概念:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的始終指向圓心的合力,叫做向心力.向心力是根據(jù)力的作用效果命名的,不是一種新的性質(zhì)的力.
(2)向心力的作用效果:只改變運(yùn)動(dòng)物體的速度方向,不改變速度大小.
2.向心力的大小
向心力的大小與物體質(zhì)量m、圓周半徑r和角速度ω都有關(guān)系.
F=mrω2
根據(jù)線速度和角速度的關(guān)系v=rω可得,向心力大小跟線速度的關(guān)系為
.
3.向心加速度
(1)加速度的方向
做勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的沿半徑指向圓心的加速度,叫做向心加速度.
(2)向心加速度的大小
根據(jù)向心力公式,結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律F=ma,推導(dǎo)得到a=rω2或.
活動(dòng)與探究
感受向心力:
在一根結(jié)實(shí)的細(xì)繩的一端拴一個(gè)橡皮塞或其他小物體,掄動(dòng)細(xì)繩,使小物體做圓周運(yùn)動(dòng)(如圖所示).依次改變轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度、半徑和小物體的質(zhì)量,體驗(yàn)一下手拉細(xì)繩的力(使小球運(yùn)動(dòng)的向心力),在下述幾種情況下,大小有什么不同:使橡皮塞的角速度增大或減小,向心力是變大還是變??;改變半徑r盡量使角速度保持不變,向心力怎樣變化;換個(gè)橡皮塞,即改變橡皮塞的質(zhì)量m,而保持半徑r和角速度不變,向心力又怎樣變化.
做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,要注意不要讓做圓周運(yùn)動(dòng)的橡皮塞甩出去碰到人或其他物體.
向心力、向心加速度
教學(xué)目標(biāo):
一、知識(shí)目標(biāo):
1、理解向心加速度和向心力的概念
2、知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生向心加速度的原因。
3、掌握向心力與向心加速度之間的關(guān)系。
二、能力目標(biāo):
1、學(xué)會(huì)用運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系分析分題
2、理解向心力和向心加速度公式的確切含義,并能用來進(jìn)行計(jì)算。
三、德育目標(biāo):
通過a與r及、v之間的關(guān)系,使學(xué)生明確任何一個(gè)結(jié)論都有其成立的條件。
教學(xué)重點(diǎn):
1、理解向心力和向心加速的概念。
2、知道向心力大小,向心加速的大小,并能用來進(jìn)行計(jì)算。
教學(xué)難點(diǎn):
勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和向心加速度都是大小不變,方向在時(shí)刻改變。
教學(xué)方法:
實(shí)驗(yàn)法、講授法、歸納法、推理法
教學(xué)用具:
投影儀、投影片、多媒體、CAI課件、向心力演示器、鋼球、木球、細(xì)繩
教學(xué)步驟:
一、引入新課
1:復(fù)習(xí)提問(用投影片出示思考題)
(1)什么是勻速圓周運(yùn)動(dòng)
(2)描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的物理量有哪幾個(gè)?
(3)上述物理量間有什么關(guān)系?
2、引入:由于勻速云的速度方向時(shí)刻在變,所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)是變速曲線運(yùn)動(dòng)。而力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。所以做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受合外力有何特點(diǎn)?加速度又如何呢?本節(jié)課我們就來共同學(xué)習(xí)這個(gè)問題。
二、新課教學(xué)
(一)用投影片出示本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo):
1、理解什么是向心力和向心加速度
2、知道向心力和向心加速度的求解公式
3、了解向心力的來源
(二)學(xué)習(xí)目標(biāo)完成過程
1:向心力的概念及其方向
(1)在光滑水平桌面上,做演示實(shí)驗(yàn)
a:一個(gè)小球,拴住繩的一端,繩的另一端固定于桌上,原來細(xì)繩處于松馳狀態(tài)
b:用手輕擊小球,小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)
c:當(dāng)繩繃直時(shí),小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
(2)用CAI課件,模擬上述實(shí)驗(yàn)過程
(3)引導(dǎo)學(xué)生討論、分析:
a:繩繃緊前,小球?yàn)槭裁醋鰟蛩賵A周運(yùn)動(dòng)?
b:繩繃緊后,小球?yàn)楹巫鰟蛩賵A周運(yùn)動(dòng)?小球此時(shí)受到哪些力的作用?合外力是哪個(gè)力?這個(gè)力的方向有什么特點(diǎn)?這個(gè)力起什么作用?
(4)通過討論得到:
a:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到一個(gè)指向圓心的合力的作用,這個(gè)力叫向心力。
b:向心力指向圓心,方向不斷變化。
c:向心力的作用效果——只改變運(yùn)動(dòng)物體的速度方向,不改變速度大小。
2、向心力的大小
(1)體驗(yàn)向心的大小
a:每組學(xué)生發(fā)用細(xì)線聯(lián)結(jié)的鋼球、木球各一個(gè),讓學(xué)生拉住繩的一端,讓小球盡量做勻速圓周運(yùn)動(dòng),改變轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢、細(xì)線的長短多做幾次。
b:引導(dǎo)學(xué)生猜想:向心力可能與物體的質(zhì)量、角速度、半徑有關(guān)。
c:過渡:剛才同學(xué)們已猜想大向心力可能與m、v、r有關(guān),那么,我們的猜想是否正確呢?下邊我們通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)一下。
(2)a:用實(shí)物投影儀,投影向心力演示器。
b:介紹向心力演示的構(gòu)造和使用方法
構(gòu)造:(略)主要介紹各部分的名稱
使用方法:勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1,可以使塔輪2和3以及長槽4和短槽5隨之勻速轉(zhuǎn)動(dòng),槽內(nèi)的小球就做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。使小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由橫臂6的擋板對(duì)小球的壓力提供,球?qū)醢宓姆醋饔昧νㄟ^杠桿的作用使彈簧測力套筒7下降,從而露出標(biāo)尺8,標(biāo)尺8上露出的紅白相間等方格可顯示出兩個(gè)球所受向心力的比值。
(3)操作方法:
a:用質(zhì)量不同的鋼球和鋁球,使他們運(yùn)動(dòng)的半徑r和角速度相同觀察得到:向心力的大小與質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量越大,向心力也越大。
b:用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球,保持運(yùn)動(dòng)半徑相同,觀察向心力與角速度之間的關(guān)系
c:仍用兩個(gè)質(zhì)量相同的小球,保持小球運(yùn)動(dòng)的角速度相同,觀察向心力的大小與運(yùn)動(dòng)半徑之間的關(guān)系。
(4)總結(jié)得到:向心力的大小與物體質(zhì)量m、圓周半徑r和角速度都有關(guān)系,且給出公式:F=mr2(說明該公式的得到方法,空氣變量法、定量測數(shù)據(jù))
(5)學(xué)生據(jù)推導(dǎo)向心力的另一表達(dá)式
3、向心加速度
(1)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體,在向心力F的作用下必然要產(chǎn)生一個(gè)加速度,據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到:這個(gè)加速度的方向與向心力的方向相同,叫做向心加速度。
(2)結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)得到
4、說明的幾個(gè)問題:
(1)由于a向的方向時(shí)刻在變,所以勻速圓周運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)加速度的方向不斷改變的變加速運(yùn)動(dòng)。
(2)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,向心力是一個(gè)效果力,方向總指向圓心,是一個(gè)變力。
(3)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到的合外力就是向心力。
三、鞏固訓(xùn)練
1:向心加速度只改變速度的,而不改變速度的。
2、一個(gè)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,當(dāng)它的轉(zhuǎn)速度為原來的2倍時(shí),它的線速度、向心力分別變?yōu)樵瓉淼膸妆叮咳绻€速度不變,當(dāng)角速度變?yōu)樵瓉淼?倍時(shí),它的軌道半徑和所受的向心力分別為原來的幾倍
3、(1)用CAI課件展示思考與討論中的物理情景
(2)分析木塊受幾個(gè)力的作用?各是什么性質(zhì)的力?
(3)木塊所受的向心力是由什么提供的?
四、小結(jié)
1:什么是向心力和向心加速度?它們的大小和方向有什么特點(diǎn)?
2:向心力的求解公式(1)(2)
3:向心加速度的求解公式(1)(2)
4、勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)?
五、作業(yè)
課后練習(xí)三
六、板書設(shè)計(jì)
《向心力和向心加速度》教學(xué)反思
《向心力和向心加速度》教學(xué)反思
1.教材的處理
向心力和向心加速度的學(xué)習(xí),都是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn),向心加速度概念的引入和理解在過去的教學(xué)中是重點(diǎn)也是難點(diǎn),但在現(xiàn)在的教材中這個(gè)難點(diǎn)被淡化了,突出了向心加速度兩個(gè)公式的物理意義的討論和理解,我認(rèn)為這樣很好,沒有必要再搞難,但是對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生,可以引導(dǎo)他們?nèi)ゾW(wǎng)站查閱向心加速度的幾種推導(dǎo)方法或老師給向心加速度推導(dǎo)方法的資料。而向心力概念的學(xué)習(xí),應(yīng)及時(shí)強(qiáng)調(diào)指出,向心力是根據(jù)力的效果命名的,而不是根據(jù)力的性質(zhì)命名的,它不是重力、彈力、摩擦力等以外的特殊力,而是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)受到的合外力,沿著半徑指向圓心,它的方向時(shí)刻改變。本節(jié)的難點(diǎn)是運(yùn)用向心力、向心加速度知識(shí)解釋有關(guān)現(xiàn)象,解釋有關(guān)問題。
教材一開始就以“觀察與思考”的方式,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)例:細(xì)線系著的小球在水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。目的是讓學(xué)生體驗(yàn)繩對(duì)手的拉力在不同情況下的感覺,從而引入向心力概念。這樣的引入不錯(cuò),各個(gè)學(xué)校也都能做到。“實(shí)驗(yàn)與探究”這個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)很好,只是老師要提前讓學(xué)生們準(zhǔn)備大小不同的小物體、細(xì)繩,用生活物品做實(shí)驗(yàn)可以拉近科學(xué)與學(xué)生的距離。第一個(gè)“討論與交流”中的問題設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生們通過思考和討論進(jìn)一步理解向心加速度兩個(gè)公式的物理意義;第二個(gè)“討論與交流”中的問題1我認(rèn)為放在向心力的概念后面比較好,可及時(shí)理解這個(gè)概念?!皩?shí)踐與拓展”是讓學(xué)生課后做的實(shí)驗(yàn),應(yīng)當(dāng)在第三節(jié)講授完之后再講解,效果會(huì)更好。講解本節(jié)教材,要積極體現(xiàn)新課程“教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體”的改革理念。
2.演示實(shí)驗(yàn)
可以在本節(jié)第1節(jié)課教學(xué)完向心力、向心加速度知識(shí)后,用向心力演示器給學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證向心力的公式。