生活中的匀速圆周运动教学设计.pdf

生活中的匀速圆周运动 高中物理必修 2 第二单元 圆周运动 微专题 2 生活中的圆周运动 1、能根据所学知识分析生活中的各种匀速圆周运动现象，在此过程中体会模型建构的方法。2、观察生活中的离心现象，知道离心现象产生的原因，了解其在生活中的应用，并知道离心运动所带来的危害。你坐过过山车吗？你是否注意到过山车转弯的地方内轨道总是低于外轨道，其实生活中汽车转弯的地方和火车转弯的地方也是这样的现象，你是否好奇为什么要这样设计？带着这样的疑问我们来开始今天课程的学习吧。【任务一】解决汽车转弯的问题【任务二】解决火车转弯的问题 【任务三】认识离心运动和向心运动 学习活动 学习任务 情境导入 学习目标 此图片为视频资源缩略图。若使用此资源，请下载视频【情境素材】生活中的向心力 【任务一】解决汽车转弯的问题【活动设计】1.1 汽车在水平路面转弯且速率不变：1.1A 问题与任务：你能确定汽车轨道所在平面和汽车做的是什么运动吗？分析：汽车在水平面内转弯做的是圆周运动，并且速率不变，所以做的是水平面内的匀速圆周运动，这个问题让学生体会物理建模的过程。1.1B 问题与任务：汽车受到哪几个力的作用？什么力提供了向心力？分析：汽车受到自身重力 mg、地面的支持力 N 和地面提供的静摩擦力 f,其中重力与支持力等大反向，只有指向圆心的静摩擦力提供向心力。1.1C 问题与任务：汽车做匀速圆周运动的最大速度与什么因素有关？分析：汽车做匀速圆周运动时 f 静 提供 F向，则当摩擦力为最大静摩擦力时，向心力最大，对应的速度也是最大，即2maxmax=mvfFRmg静max向，化简式子可以得到maxvgR。根据式子可以得到 vmax与、R 有关。1.2 汽车在倾斜路面转弯且速率不变：1.2A 问题与任务：你能确定汽车轨道所在平面和汽车做的是什么运动吗？分析：汽车在水平面内做圆周运动，并且速率不变，所以汽车做的是水平面内的匀速圆周运动。这个问题让学生体会物理建模的过程。1.2B 问题与任务：若汽车相对地面既没有向外又没有向里的趋势，此时汽车受到哪几个力的作用？什么力提供了向心力？分析：当汽车相对地面既没有向外又没有向里的趋势时，此时汽车不受摩擦力。则汽车受到自身重力 mg、地面的支持力 N（方向垂直斜面向上）,重力与支持力的合力提供圆周运动的向心力。1.2C 问题与任务：汽车做匀速圆周运动的速度是由什么因素决定？汽车的速度大于或小于该值，汽车的受力有什么变化？分析：汽车所受重力与支持力的 F合 提供 F向，即2tan=RmgFmvF向合（为斜面倾角），化简式子可以得到=tanvgR根据式子可以得到 v 与 g、R、有关。当tanvgR时，汽车受到沿斜面向下的摩擦力；当tanvgR时，汽车受到沿斜面向上的摩擦力。tanvgR 1.2D 问题与任务：汽车在水平面内转弯与在斜面内转弯，他们的相同点和不同点？分析：汽车在水平面内转弯与在斜面内转弯，他们的相同点：做的是水平面内的匀速圆 周运动，他们的不同点：向心力的来源不同，水平面内的转弯是由静摩擦力提供向心力，斜面内的转弯是由合力提供向心力。盘山公路圆轨道其实并不在同一水平面上，我们通常也把它看成是在同一水平面圆轨道，这是一种理想化的模型。【任务二】解决火车转弯的问题【活动设计】2.1A 问题与任务：观察火车转弯时的轨道是水平面吗？分析：火车转弯时的轨道是外轨略高于内轨。2.1B 问题与任务：为什么火车的轮子都有突出的轮缘有何作用？分析：火车的轮子都有突出的轮缘在铁轨上起到限定方向的作用。2.1C 问题与任务：火车转弯时圆周运动平面是哪个？火车做的是什么运动？向心加速度的方向向哪？分析：火车转弯时是做水平面内的匀速圆周运动，向心加速度是沿半径方向指向圆心。这个问题让学生体会物理建模的过程。2.1D 问题与任务：若轮缘与轨道没有接触摩擦力，火车受几个力作用？向心力的来源是什么？分析：当轮缘与轨道没有接触摩擦力时，火车受到自身重力 mg、地面的支持力 N（方向垂直斜面向上）,重力与支持力的合力提供圆周运动的向心力。2.1E 问题与任务：此时火车的速度由什么因素决定？火车速度大于或小于该速度，会出现什么情况？分析：火车所受重力与支持力的 F合 提供 F向，即2tan=RmgFmvF向合（为斜面倾角），由于火车转弯处轨道倾角很小，所以可以作近似处理tansinhd（h 为内外轨高度差，d 为两轨间距），化简式子可以得到hgRvd，根据式子可以得到 v 与 g、R、h、d 有关。当hgRvd时，火车将受到外轨提供的沿斜面向下的支持力，此时火车与外轨道挤压，会使外轨受到磨损；当hgRvd时，火车将受到内轨道提供的沿斜面向上的支持力，此时火车与内轨道挤压，会使内轨道受到磨损。2.1E 问题与任务：火车转弯和汽车转弯中的哪一种情况有相似之处？分析：火车转弯与汽车在倾斜路面上转弯的情况相似，两个都是水平面内的匀速圆周运动，都是合力提供圆周运动的向心力。【任务三】认识离心运动和向心运动【活动设计】3.1 离心运动 3.1A 问题与任务：什么是离心运动？分析：当向心力消失或合力不足以提供所需的向心力时，物体所做的运动叫离心运动。3.1B 问题与任务：生活中哪些地方利用了离心现象?哪些地方要防止离心现象？请完成以下任务单。分析：此图片为活动设计资源缩略图。若使用此 资源，请下载视频【活动设计】调 查离心现象的应用与防止 【活动设计】3.2 向心运动 3.2A 问题与任务：对比离心运动，你能说说什么是向心运动吗？分析：当合力大于所需的向心力时，物体所做的运动叫向心运动。3.2B 问题与任务：你能总结一下匀速圆周运动、离心运动、向心运动中合力与向心力的关系吗？分析：提供的合力刚好等于所需向心力时，物体将做匀速圆周运动；提供的合力小于所需向心力时，物体将做离心运动；提供的合力大于所需向心力时，物体将做向心运动。离心分层现象 在一个盛有清水的圆筒形容器(转鼓)中，倒入一组同样大小的钢球和木球，然后启动电机使其绕轴高速旋转。此时，由于离心力的大小正比于物体的质量(体积相同的小球，质量正比于它的密度)，所以钢球很快被甩到最外层，而木球则被推向转轴，清水则占据了“中间地带”(图 1)。可见，一旦转鼓高速转动起来，容器中的物质就会按密度分层排列。密度小者(轻相)聚集在“中央”即转轴附近，密度大者(重相)则分散在“边区”即转鼓壁附近。这种现象称为离心沉降。如果在转鼓上开满小孔，则其中的液体就会在离心力作用下通过小孔被“驱逐出境”，而固体颗粒则停留在转鼓壁面上，从而达到脱水活动拓展 D为了减小火车轮缘与外轨的压力 2、如图是赛车手骑摩托车在水平路面上转弯时的画面，下列关于转弯时摩托车受力情况说法正确的是（）A地面对摩托车支持力的方向斜向上 B重力和地面支持力的合力提供向心力 C地面给轮胎的静摩擦力提供向心力 D摩托车进入弯道，如果速度过快，离心力增大，容易做离心运动 参考答案【评价】题号 学科核心素养 水平 参考答案 1 物理观念 科学思维 水平 3 水平 3 BD 火车转弯时，为了保护铁轨，应避免车轮边缘与铁轨间的挤压，故火车受到重力和支持力的合力完全提供向心力，有 2mgtanvFmR 解得tanvgRtanvgR故 A 错误，B 正确；当铁轨转弯处外轨略高于内轨，根据 AB 可知，当重力和支持力的合力提供向心力时，可以减小火车轮缘与外轨的压力，故 C 错误，D 正确。故选：BD 2 物理观念 水平 3 C 水平路面对摩托车的支持力方向垂直于路面竖直向上，故 A 错误；摩托车做圆周运动靠水平路面对车轮的静摩擦力提供向心力，故 B错误，C正确；摩托车进入弯道，受重力、支持力和摩擦力，并不受离心力，摩擦力提供向心力。如果速度过快，需要的向心力增大，当最大静摩擦力小于所需的向心力时，摩托车做离心运动，故 D错误。