“向心力与向心加速度”教学设计，本文主要内容关键词为：向心力论文,加速度论文,教学设计论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“向心力与向心加速度”是司南版高中物理必修2第四章第二节的内容。标准要求“知道向心加速度，能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力与向心加速度的关系”。该标准要求学生认识什么是向心力，知道向心力与向心加速度的关系，在此基础上，能分析一些做匀速圆周运动的物体所受的向心力。本节知识是本章的重点，也是本章承上启下的重要内容。学好这部分知识，可以为学习本章后面应用部分打下基础，也为将来进一步探究万有引力定律和有关圆周运动相关知识作好必要的知识和能力准备。
一、学情分析与教学目标
思维特点及知识基础：学生已经学习了抛体运动，对变速运动、曲线运动有一定的了解。但对向心力与向心加速度的概念，学生还是普遍感到比较难学，而且受错误前概念的影响，难以建立正确的新概念。因此，可以利用高中学生学习的自主性、抽象思维能力都比较强的特点，设置适当的问题情境激发学生的思考、讨论，学生需应用已有知识进行积极思维，通过对问题的主动探究、获得概念、得出规律，以达到对知识深入理解和提高能力的目的。
知识与技能目标：通过三个实验认识向心力及其来源，并分析、归纳、总结出向心力的概念；认识向心力的方向；了解向心力演示器的设计原理。
过程与方法目标：通过实验，让学生体会从特殊到一般、从具体到抽象，层层递进的科学思维方法，培养学生分析、推理和归纳能力；让学生利用间接测量法经历向心力演示器的设计原理的探索过程。
情感、态度与价值观目标：通过演示实验，激发学生思考与讨论，让学生体验成功的喜悦和讨论交流与合作的重要性；通过逆向思维，解剖仪器并探索仪器的制作过程和方法，让学生学到科学的研究方法，使他们在创造性思维和实践精神方面受到激励和感染。
二、教学重点难点与教学设计理念
重点：向心力与向心加速度概念的建立和公式的得出。
难点：知道圆周运动向心力的来源和探究向心力大小的实验设计。
向心力与向心加速度对学生来说虽然是新的概念，且概念本身较难，但学生已具备必要的知识基础，如：知道变速运动的物体有加速度，以及力是产生加速度的原因，也会进行受力分析，并且多次经历了应用控制变量法进行实验探究。因此，教师可以依据思维的逻辑，通过不同类型的实验，设置循序渐进的问题情境，组织学生对一个个问题进行充分的分析、讨论后获得新的知识，即根据问题教学的有关理论展开教学，使整个教学过程成为提出问题、讨论问题、解决问题的过程。从而培养学生自主学习能力、实验能力和交流、讨论的习惯。
三、教学过程
（一）创设问题情境，揭示课题
用“倒置的玻璃杯搬运乒乓球”的游戏设置问题情境引入新课。游戏成功的秘诀是让乒乓球在杯子中快速做圆周运动（如图1）。
引导学生思考：（1）为什么快速做圆周运动的乒乓球不会掉下来呢？
（2）究竟做圆周运动的乒乓球有什么受力特点呢？
教师引导分析：做圆周运动的物体，它的速度方向不断发生改变。速度方向变了，就存在一个速度改变量，有速度改变量，就有一个加速度。由牛顿第二定律，有加速度就有力。因此我们有必要研究做圆周运动的物体的受力情况。物理学中，研究问题总是从简单到复杂，从特殊到一般，这节课先学习最简单的匀速圆周运动。
设计意图：该问题情境中包含当前要学习的知识，激发学生解决问题，探究新知的动机。同时教学游戏有效激发学生的学习兴趣和探究欲望，也为下面的教学提供实例。引入起到了吸引学生学习的目的，又呼应之后教学，为向心力概念建立和向心力来源创设情境。
（二）新课讲解
1.向心力及其方向
向心力概念的建立是一个重点，向心力的来源则是难点。学生不易理解，因此教师应创设问题情境，加强学生的感性认识，引导学生积极思维。让学生认真观察利用自制教具演示的三个实验，要求学生对做圆周运动的物体进行受力分析。
实验1：小球在近似光滑的可拆卸的环形挡板内做圆周运动，让学生对其进行受力分析。学生分析小球受重力、支持力、挡板对它的弹力。其中重力和支持力大小相等，方向相反，作用效果互相抵消。
问题：（1）怎么判断小球有受到挡板的弹力呢？
教师通过自制教具演示：挡板的一部分是可以打开的。打开挡板缺口后，小球沿切线方向做直线运动。说明做圆周运动的小球确实受到挡板对它的弹力。
（2）弹力是怎样产生的？
小球挤压挡板使挡板发生形变产生的。小球会挤压挡板，说明做圆周运动的小球有远离圆心的运动趋势。
（3）弹力的方向如何？
学生分析弹力方向与接触面垂直，也就是与挡板的切面垂直，所以弹力方向总是沿半径指向圆心。
教师归纳：小球在运动的每一瞬间，都有沿切线远离圆心的趋势，正是该弹力把小球拉到圆周上，使小球做圆周运动。
实验2：木块在蒙有毛巾的转盘上随着转盘近似做匀速圆周运动，要求学生对其进行受力分析。学生分析木块受到的重力、支持力、静摩擦力的作用。
教师归纳：重力和支持力大小相等，方向相反，相互抵消。静摩擦力方向呢？
启发学生：
（1）根据已学知识：静摩擦力方向与相对运动趋势相反；
（2）受到上面实验的启发：做圆周运动的物体有远离圆心的运动趋势。
教师归纳：静摩擦力的方向是指向圆心，正是这个静摩擦力使木块近似做匀速圆周运动。
实验3：要求学生分析引入实验中乒乓球在倒置的光滑玻璃杯中做圆周运动的受力情况，呼应前面设置的疑问“为什么快速做圆周运动的乒乓球不会掉下来？”回顾课堂导入游戏，再次激发学生的探究学习欲望。
引导思考：是什么力使乒乓球做圆周运动呢？
学生成功提出两种看法：（1）是重力和支持力的合力；
（2）是支持力在水平方向的分力。
引导思考：为什么快速做圆周运动的乒乓球不会掉下来？
学生分析：乒乓球在竖直方向上的合力为零，即重力被支持力的竖直分力抵消了，所以不会掉下来。
师生共同分析三个演示实验的共同点，列表归纳，得出向心力的概念：
结合表格，教师启发学生思考：（1）小球、木块、乒乓球的运动状态有何共同点呢？
（2）是什么力使它们做圆周运动的呢？
（3）这些力的方向有什么共同特点呢？
（4）你能尝试着给向心力下一个定义吗？
设计意图：上述三个典型实例，符合学生的心理特点，既能启发学生思维，又能培养学生从物理实验中分析、归纳的能力。该过程突出了学生的主体地位，学生积极参与概念的建立和知识的获得过程，体现了“自主学习”的新课程教学理念。
教师强调：（1）做圆周运动的物体是受到向心力，而不是产生向心力。
（2）向心力方向与速度方向垂直，只改变速度方向，不改变速度大小。
（3）向心力是按力的效果来命名的，它不是一种新的特殊性质的力。
2.科学探究：向心力的大小
（1）提出问题：向心力的大小可能与哪些因素有关？
（2）科学猜想。
引导学生探究实验：学生使用自制学具向心力笔（如图6），向心力笔可以通过改变伸出细线的长度来改变半径，通过增减钥匙数量来改变质量，通过手控制转动快慢来改变角速度，把数量不等的钥匙系在笔筒里伸出来的细线环上，用手控制让钥匙尽量在水平面做圆周运动，学生感受向心力的大小。先体验得出定性的认识，即得出向心力的大小可能与质量、半径、角速度、线速度、周期、转速等因素有关。教师引导分析，线速度、周期、角速度以及转速又有关系，都是描述圆周运动快慢的物理量，从而归结为：向心力的大小可能与质量、半径、角速度有关。
（3）探索原理。
要研究它们的关系，首先要解决如何测出向心力的大小。向心力的大小与m、r、ω的关系是本节的重点知识。为了突破重点，教师运用问题讨论的方法进行教学。
教师首先出示向心力演示器，介绍装置：转盘上固定一个小槽，将小球放在小槽中（如图7），转动圆盘，因为摩擦力太小，不足以提供向心力，小球远离圆心。
问题（1）：如何让小球做圆周运动？
学生受前面环形挡板实验的启发，想到可以在小球运动的方向上固定一挡板（如图8），挡板对小球的弹力提供向心力，小球就可以做圆周运动。
问题（2）：如何测出小球所需的向心力大小？
想要直接测出向心力的大小是很难的，但学生可成功根据已学的牛顿第三定律想出：用弹簧秤测出小球对挡板的压力（如图9），就可间接知道小球所需的向心力大小。
问题（3）：弹簧秤随着转盘转动（如图9），无法准确读数。如何解决？
教师提示：在圆周运动中只有圆心处是不转动的！
讨论与交流：可以把水平放置的弹簧秤换成竖直放置并固定在圆心处。
启发学生想到水平放置引起的转动问题可以转换到圆心处放置的不转动，学生恍然大悟，并在学生热情和好奇的积极情绪中，进一步完成对向心力演示器的改造：把水平放置的弹簧秤换成竖直放置并固定在圆心处，装上弹簧，加上刻度，套上套筒的弹簧秤。并用铁片代替挡板，铁片一端通过杠杆与套筒相连。转盘转动时，小球挤压铁片，铁片通过杠杆挤压套筒里的弹簧，从而就可通过套筒里露出的红白刻度的多少来测出小球所需向心力的大小。
设计意图：这种分步引导了解实验原理的方式，符合高一学生的认知水平，容易取得良好的教学效果。同时，对于现成的实验仪器，教师不是直接介绍，而是逆向思维，把仪器拆开并和学生共同探讨逐步组建。探索仪器的制作过程和方法，使学生在创造性思维和实践精神方面受到激励和感染。此时，学生已基本了解向心力演示器构造原理——向心力的大小就是对应套筒上露出的刻度的大小。从而知道向心力演示器的应用，为下面自主探究向心力大小与质量、半径、角速度的关系做好知识准备。
（4）实验探究。
学生发现可以通过质量不同的钢球和铝球改变质量。将球放置在长槽和短槽的不同位置，改变半径。通过皮带连接两个塔轮，就可以改变角速度。引导学生讨论实验方法一控制变量法，从而设计实验方案、步骤并进行实验操作，指导学生完成表2。
（5）实验结论。
设计意图：这部分教学采用教师引导下科学探究的方式，解决了向心力大小与质量、半径和角速度的关系，突出了教材重点，突破了教材的难点。教师用“问题”的形式组织课堂教学，条理清晰，逻辑性强。通过有效的师生互动，培养学生科学的态度和提高学生实验设计能力、数据分析处理能力。
3.理论推导：向心加速度
力是产生加速度的原因，向心力对应的加速度为向心加速度。
又根据向心力的方向推得向心加速度的方向：始终指向圆心。
设计意图：这部分教学，从教材编排上，先讲向心力，后讲向心加速度，回避了用矢量推导向心加速度这个难点，又培养了学生理论推导能力。
4.拓展提高
最后教师强调：（1）对于某一确定的匀速圆周运动，向心力和向心加速度的大小恒定不变，但方向时刻在变，实质是匀速率的变加速运动；（2）向心力和向心加速度的公式不仅适用于匀速圆周运动，也适用于一般的圆周运动，只是速度必须用该时刻该质点的瞬时速度。
5.作业
研究课题：平日同学们骑着自行车在水平路面上转弯时，会产生向外打滑的趋势，往往需要向内侧稍稍倾斜。你能根据今天学习的知识探究自行车在转弯时速度大小与哪些因素有关吗？并把结果和同学讨论，同时把方案上传到校园网物理作业文件夹上。
在第三届“东芝杯”中国师范大学理科师范生教学技能创新大赛的比赛现场中，评委点评道：“自制的环形挡板实验仪等仪器取材于生活中的普通物品，利用简单的材料制作出精美的教具。通过直观的物理现象把抽象的物理知识、物理本质讲解清楚。这也是中学物理实验的最高境界！”
（注：本教学设计获第三届“东芝杯”教学技能创新大赛最高奖创新奖。）