高中物理圆周运动教学设计.docx

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高中物理圆周运动教学设计

《圆周运动》教学设计

一、教学目标

1.知识与技能

①知道什么是圆周运动，什么是匀速圆周运动。

②知道线速度和角速度的物理意义、定义式、单位、矢量性，了解转速与周期的意义。

③掌握线速度、角速度、周期（转速）之间的关系，并能在具体情境中应用之。

2.过程与方法

①联系日常生活中所观察到的各种圆周运动，总结出共同特点。

②通过分组实验，归纳总结描述圆周运动快慢的方法及各物理量间的关系。

③通过计算得出自行车前进的速度表达式并引出无级变速模型的原理。

3.情感态度与价值观

①经历线速度、角速度概念由来的理论探究过程，让学生体验科学探究的艰辛和成功的喜悦。

②通过极限思想和数学知识的应用，体会学科间知识的联系，建立普遍联系的观点。

③通过从多级变速到无级变速的学习，使学生知道物理的意义及在生产生活中的巨大影响。

二、教学分析

1.内容分析

教学内容选自人教版必修2第五章《曲线运动》，圆周运动虽是一种运动的理想化模型，但具有普遍性——与日常生产生活的联系非常紧密；基础性——为以后学习天体等问题打下了知识基础；典型性——是高中阶段两种特殊曲线运动之一。

基于以上特点，本节课中的圆周运动限定在质点的运动模型而不是刚体转动模型，这样便于师生把着眼点放在概念的理解和联系上，从而使得教学有清晰的组织结构。

2.学生分析

学生在知识上已经知道如何比较直线运动的快慢、曲线运动是一种变速运动及其瞬时速度方向为切线方向、数学上是如何表示角度的大小；在能力上已经具有一定的自主构建新知识框架的能力，可以从已知的物理现象与规律迁移至新的现象与规律；在科学探究方法上学生已经有了初步的极限思想。

但学生对曲线运动的认识比较肤浅，不善于从多方面多角度地研究一个问题。

3.重点难点

①教学重点：

多角度描述圆周运动的快慢。

②教学难点：

理解描述圆周运动各物理量之间的关系、掌握分析和解决实际问题的方法。

三、教学方法

教无定法，贵在得法，重在培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力以及逻辑推理能力，要学生“知其然”，更要“知其所以然”；法国生物学家贝尔纳指出，良好的学习方法能使我们更好地发挥天赋才能，而拙劣的学习方法则阻碍天赋才能的发挥。

本节课教师应做到以下几点来激发学生兴趣、突出重点、化解难点、解决疑点，达成教学目标：

1.为了体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念，应选取一些学生感兴趣的内容加以分析和拓展，在教学中采用情景教学法、比较法，指导学生采用观察法、推理法学习，培养学生理论联系实际的能力；

2.为了体现“以实验为基础，以思维为中心，以过程为主线”的物理学科特色，在教学中采用演示实验法、分组实验法、问题导引法，指导学生采用比较法、极限法、数理结合法学习，培养学生横向联系不同学科知识的能力；

3.为了体现“教师主导，学生主体”的教学原则，在教学中应采用目标导学法、指导学生采用分组讨论法、自学法学习，引导学生养成良好的自主学习习惯和合作讨论学习习惯。

四、教学资源

1.齿轮组（自制）

为了能够让学生清楚地知道为什么要引入不同的物理量来描述圆周运动的快慢，设计制作了齿轮组学生实验装置，让学生在实际操作中观察比较圆周运动的快慢，能有更直观更深刻的体会。

该齿轮组由大小不同的三个齿轮（图1）以及背面的手柄（图2）组成。

2.无线摄像

为了减少学生到黑板上板演、用实物展示台投影展示讲解计算过程中的紧张情绪带来的影响，采用无线摄像头配合适配器和支架（图3），可以让学生在座位上把其推导计算过程上展示给大家，方便快捷有效，利于学生的课堂学习。

3.无级变速（自制）

为了模拟汽车无级变速箱，制作无级变速演示仪（图4），主要由下方的电动机和上方相互垂直接触（图5）的两个圆盘组成，下圆盘和电动机相连，轴穿过上圆盘让其可以横向移动，通过改变接触位置可以实现不改变下圆盘转速的同时使上圆盘转速连续可调实现无级变速。

五、板书设计

六、教学过程

（一）情境导入

师：

前面我们学习了曲线运动的一种特例：

平抛，今天我们来接着学习另一种曲线运动。

这是一个小球,连着细绳,请同学们注意观察。

演示：

用细线拴住小球，让其在竖直平面内做圆周运动。

师：

小球的运动轨迹是什么？

生：

圆。

师：

像这种轨迹是圆的运动在平常生活中还有吗？

学生举例，教师补充（图6）。

总结：

像这种轨迹是圆、沿着圆周的运动我们专门给他一个名称，叫做圆周运动（板书：

圆周运动）。

（二）概念辨析

演示：

转动地球仪。

师：

这是一个我们地理课上很熟悉的地球仪，代表我们美丽又可爱的地球，球体在做圆周运动吗？

学生讨论并回答。

教师分析：

地球绕着地轴的转动叫做自转，仅考虑自转，球体的空间位置并没有改变，轨迹显然不是圆，所以自转并不是圆周运动。

谁的轨迹是圆？

生：

地球上的一个点、绕太阳公转的地球。

师：

通过举例，看来这种运动非常普遍，今天我们就来研究它，对于一种运动，我们最关心的肯定是它的快慢问题，所以我们就先来看看如何描述圆周运动的快慢。

（三）快慢描述

1.分组实验

师：

请同学们拿出齿轮组，我们可以看到齿轮之间相互啮合，在底板背面有一个手柄，匀速转动手柄就可以使齿轮组转动。

请同学们2人一组，通过观察，比较abc3点的快慢（图7）。

学生分组观察并讨论a、b的快慢，形成结论：

结论1：

转一圈所用时间相同，a、b一样快；

结论2：

转过360°的时间相同，a、b一样快；

结论3：

相同时间内通过路程b点长，b快；

教师根据结论1、2引导学生明白可以通过比较相同时间内转过的角度来比较快慢，根据结论3引导学生明白比较相同时间内通过的弧长也可以比较快慢，而且得出的快慢结论是完全不同的（结论1为后面学习周期的概念、传动装置中同轴点角速度相等的特点等知识打下基础）。

学生分组观察讨论a、c的快慢，形成结论：

结论4：

c转一圈a转了很多圈，a快；

结论5：

转过360°的时间a短，a快；

结论6：

相同时间内通过路程一样长，a、c一样快；

教师引导学生将结论4、5与结论1、2对比，都比较角度；结论6与结论3类比，都比较弧长，而不同的角度得出的快慢结论也不同（结论4为后面学习转速的概念打下基础，结论6为后面学习传动装置中同带点线速度相等的特点打下基础）。

教师总结：

看来圆周运动的快慢比较复杂，不像直线运动那么简单，从不同的方面可以得出截然不同的结论，我们既可以比较沿圆周运动的快慢，也可以比较绕圆心转动的快慢（板书），前者比的是通过的弧长，后者比的是转过的角度，就像ab之间的快慢，如果比弧长则b快，比角度则一样快。

教师指出：

为了描述圆周运动的快慢，应该有不同的速度来描述它，我们引入两种速度，一种叫线速度，一种叫角速度（板书）。

师：

根据经验，学习新的物理量首先要知道为什么要引入这个量？

它表示的物理意义是什么？

生：

线速度是用来描述质点沿圆周运动的快慢，角速度是用来描述质点绕圆心转动的快慢。

师：

除此之外可以从它们的定义、公式、单位、量性等方面进行研究（图8）。

接下来请同学们根据这几条提纲自学线速度和角速度。

2.线速度

学生根据提纲自学并回答线速度相关问题。

教师总结：

定义为弧长与时间的比值，单位米每秒，矢量，方向为切线方向（板书）。

师：

过去我们是怎么定义速度的？

生：

位移与时间的比值。

师：

那么这里圆周运动的快慢是不是一定要用弧长来除以时间，还是用位移来除，行不行？

引导思考：

a、b两个质点从o点出发做圆周运动，在相同时间里运动到如图位置（图9），比较弧长谁快，比较位移又是谁快？

生：

都是b快。

师：

看来用位移除以时间也可以得出相同的结论，那还一定要用弧长除以时间吗？

生：

如果b转了一圈，比较弧长b快，但是比较位移则b慢，必须要用弧长除以时间。

教师分析：

对，这是特殊情况，一般情况下如果有一个c点运动了接近一圈，通过的弧长c最大，但位移c最小。

教师指出：

这种情况下用位移除以时间是不合理的，这里必须要用弧长除以时间。

师：

通过这番分析，看来这两个速度是有不同之处的，因此我们在前面用一个“线”字加以区别，那么有区别是否就意味着两种速度之间毫无联系截然不同呢？

生：

不是，他们有联系，时间趋向于0时，弧长也就是弦长，等于位移。

分析总结：

对，时间越短，弧长也越短，在足够短的时间里，圆周运动可以看成是直线运动，弧长等于位移，这说明两种速度在本质上还是一致的。

师：

我们知道直线运动里有一种特殊情况叫做匀速直线运动，任意相同时间内位移都相同，类似的也有这样一种圆周运动，任意相同时间内通过的弧长都相同，我们把它叫做匀速圆周运动，例如像地球上的人，旋转的木马等，那么能不能说匀速圆周运动是一种匀速运动呢？

生：

不能，因为线速度的方向时刻在变。

教师总结：

虽然线速度大小不变但是方向却时刻在变，因此它不是匀速运动，而是匀速率运动。

3.角速度

学生根据提纲自学并回答角速度相关问题。

教师总结：

定义为角度与时间的比值，单位弧度每秒，矢量（板书）。

师：

角速度也是矢量（其方向高中阶段不作要求）；单位的符号rad/s，国际单位制里面角度的单位是弧度而不是度，我们知道半径相同的情况下角度越大弧长也越长，所以国际上呢就用弧长与半径的比值来定义这个角的大小（图10），单位弧度。

当周长取一周时，所对应角度是多少？

生：

2πr/r=2π弧度！

师：

也就是说360°对应2π弧度。

前面讲了匀速圆周运动的线速度大小不变，那么角速度大小变吗?

生：

角速度不变，相等时间内通过弧长相等，对应的角度也相等。

分析总结：

学习完线速度角速度之后我们回头来看看齿轮组，很明显，a、b点在相同时间内转过的角度相同，因此他们的角速度也应该相等，其实只要是绕同一根轴转动，转过的角度都应该相同，其角速度相等，我们往往把这个特点说成：

同轴点角速度相等。

那么a、c点呢？

相同时间转过的齿数相同，因此他们的线速度相等，其实在传送带系统中也有类似的特点，皮带不打滑的情况下轮子边缘的点的线速度相等，我们往往说成：

同带点线速度相等（图11）。

4.周期与转速

师：

除了线速度和角速度，我们还有其他办法来描述圆周运动的快慢吗？

（学生思考）就像分针、秒针上的点，谁转的快？

（图12）

生：

红点！

因为它转一圈的时间短。

教师总结：

我们知道，秒针转一圈1分钟，分针转一圈1小时，这个时间越长，说明转的越慢，我们把这个走一圈的时间称之为周期，用来描述圆周运动的快慢，用T表示，单位秒；此外，也可以用单位时间内转过的圈数即转速来比较快慢，用字母n表示，单位r/s。

师：

通过上面的学习，我们知道了要描述圆周运动的快慢，可以用线速度、角速度以及周期、转速等物理量，那么它们之间有着怎样的关系呢？

学生分析：

根据线速度和角速度的定义式，如果时间取一个周期那么对应的弧长就是一周的周长，角度就是2π弧度，因此v=2πr/T，w=2π/T，根据这两个公式很明显v=wr。

师：

对，根据定义T与n之间又是什么关系？

生：

互为倒数。

教师总结：

说的很好，根据定义，转速是单位时间内转过的圈数，周期是转一圈所需要的时间，可知他们两互为倒数（板书）。

（四）举例分析

1.例一

师：

毛主席有两句诗：

坐地日行八万里，巡天遥看一千河（图13）。

红一方面军长征1年时间走了2万5千里，你坐着一动不动一天就已经走了8万里，这是艺术夸张呢还是有科学根据的？

生：

有科学根据，地球赤道周长约为4万公里，一天自转一周为八万里。

师：

对。

看来毛主席的物理学的很好，诗句并不是凭空捏造。

那么是地球上每个人都是“日行八万里”吗？

生：

不，只有赤道上的人才是，其他地方的人线速度要小一些。

师：

地球上哪些地方的人线速度一样呢？

生：

同一经线上南北同纬度的位置。

教师总结：

很好，要保证线速度一样必须大小方向都一样，同一条经线保证了方向相同，南北同纬度保证大小相同。

师：

地球上哪些位置的人角速度相同？

生：

所有人都相同。

教师总结：

对，角速度是否相等我们只要看周期，除了南北极全世界任何一个地方一天都是24小时，周期相同，所以角速度相等。

2.例二

师：

自行车是一种常见的交通工具，它的传动装置主要由齿轮

和链条组成（图14），假设脚踏板每2秒转1圈，要测出自行车前

进的速度，我们还需要测量哪些物理量？

如何用这些量导出自行车

前进的速度？

请同学们分成各个学习小组进行合作学习。

小组合作学习，发言人分析讲解（无线摄像头投影）。

教师分析：

根据牙盘和飞轮边缘线速度相等，已知牙盘的转速，测出他们的半径就可以求出飞轮的角速度，而飞轮和后轮角速度相等，也就是车后轮的角速度，再测出后轮半径就可以求出车后轮的速度，所以只要测出牙盘、飞轮和后轮的半径r1、r2、r3，则自行车前进速度为v=2πnr1r2/r3。

师：

除了普通的自行车，大家一定也见到过高级的变速赛车，它变速的奥妙在哪里？

生：

牙盘和飞轮有很多层齿轮。

师：

牙盘和飞轮有好多层齿轮，这是一组很常见的组合，2层牙盘，9层飞轮（图15）。

根据生活经验，我们知道在平地上自行车可以骑得很快，上坡时就比较慢，假定人踩踏板的转速不变，那么怎样调整齿轮才能减小车速呢？

生：

减小牙盘齿轮半径、增大飞轮齿轮半径。

师：

变速赛车就是通过改变两个齿轮的半径大小r1、r2来实现变速，那么这辆车能变出几种速度来呢？

生：

根据数学上的排列组合，18速。

师：

像这种装置如果再增加齿轮，就能实现更多的变速比，我们把这种变速方式称为多级变速（图16），但是增加齿轮会使装置越来越复杂，那么有没办法改进这种传动方式呢？

接下来请同学们来看一个实验。

展示装置并讲解：

这个装置主要由下方的电动机和上方的两块相互垂直接触的圆盘组成，上圆盘套在轴上可以自由地横向移动，通电后看到圆盘转了，谁能来解释一下这个装置的传动原理吗？

生：

摩擦力带动上圆盘转动。

师：

对，那我们可以用什么办法在不改变下圆盘转速的同时改变上圆盘的转速？

生：

横向拉动上圆盘位置，摩擦力带动上圆盘转动的过程中，上圆盘边缘线速度等于接触位置的下圆盘线速度，拉动上圆盘则改变接触处线速度大小，从而改变上圆盘转速。

师：

解释的很到位，关键在接触处线速度相等，所以w1r1=w2r2，w2=w1/r2*r1，与r1

成正比（图17），理论上改变r1可以改变上圆盘转速，但实际上真的能实现吗？

我们来看一看！

实验验证：

来回推动上圆盘，其转速发生了明显的改变。

总结：

看来通过改变r1的确可以改变转速，而且转速在一定范围内是连续可调的，我们把这种变速方式称之为无级变速，这种原理在现代汽车工业中有着越来越广泛的应用，有兴趣的同学课后可以进一步去分析研究。

（五）本课小结

教师：

今天我们学习了描述圆周运动快慢的物理量及其性质特点，而我们的物理课与生活是紧密相连的，希望同学们多关注生活，把生活和课堂结合起来。

七、教学流程图

开始

结束

互动分析、演示无级变速

符号说明：