2. 匀速圆周运动的向心力和向心加速度教学创新设计

高中物理教学设计

匀速圆周运动的向心力和向心加速度

四川省名山中学

郑本铁

一、教材分析

教材分析分以下几个内容来进行：

1. 教材地位和作用分析：向心力和向心加速度是在学生掌握牛顿第二定律、匀速圆周运动的基本概念基础上学习的两个较为抽象的物理量，它是用动力学的方法研究匀速圆周运动的基础。在高中物理中属于主干知识的范畴。

本节内容没有采用先用矢量推导得出向心加速度的公式，再由向心加速度的公式得出向心力公式的编排，而是通过生活中的实例说明做匀速圆周运动的物体始终受到一个指向圆心的力——向心力的作用，接着通过实验探究得出其计算公式，再由牛顿第二定律得出向心加速变的公式。体现了从感性到理性的过渡，降低了学习的难度。

2. 教学目标

知识与技能：

（1）1.通过对圆周运动实例的分析，归纳总结物体做圆周运动的条件，理解向心力的概念、来源。

（2）归纳影响向心力大小的因素，理解向心力公式的确切含义，并能用公式计算向心力的大小。

（3）理解加速度的概念，能利用公式计算向心加速度的大小．

过程与方法：通过实例分析，引导学生初步总结物理规律；通过动手实验和演示实验引导学生分析问题，得出结论，体会物理思想方法；通过讲练结合巩固新知识。

情感、态度、价值观：关注生活，培养好奇心；增强合作意识；理论联系实际。

3. 重点难点

重点：向心力、向心加速度的概念、计算公式

难点：分析向心力的来源，探究向心力的大小

二、学法分析

1、学情分析

我所面对的学生是名为名山区二类学生，学生思维较迟钝，数学基础较差，但思想活跃，有一定的可塑性。同时，学生经过高一一个学期的学习，在知识储备上，学生已经具备了一定的运动学和力学方面的知识，对直线运动和曲线运动都有了一定程度的了解；在思维能力1

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上，学生正由抽象思维能力向逻辑思维能力转换。学生已经进行了第一章“抛体运动”的学习，研究抛体运动是采用等效转换的方法，本质上还是直线运动的研究方式。圆周运动是另一种形式的曲线运动，直接针对圆周运动进行整体性研究对学生而言有一定难度。学生虽然有动力、阻力等效果力的概念，但是向心力的复杂性在理解上难度是较大的。学生在初中阶段也曾经历过类似电阻定律这样有多个影响因素的探究，但是向心力大小的探究又会遇到新的挑战。以往的学生在学习这一节的知识时，由于学生自身认知水平的差异，思维能力的差异，使得很大部分学生学习这一节时觉得很困难，对于向心力的理解上很容易出错，这直接导致学生在学习第三章天体运动时的困难。因而，本节课的内容对学生来讲仍然是一个不小的台阶。

2、学法设计

新课改中特别强调学生学习中的主体地位。结合高一学生的认知和思维发展水平，根据新课改内容要求，我是这样引导学生学习，创设物理情境和问题情境，引导学生进行分组探究、合作探究，尽可能让学生自己讨论、交流，分析归纳得出结果。这样学生主动探究出的结果比被动接受更容易让学生理解，同时亦能体验成功的乐趣，对学生自我构建学习方法有所帮助。

3、学法：主动参与，观察、思考、联想、质疑。体验、互动交流。

三、教法分析

1、设计思想

本节课的设计思想是：

根据学情,采用我校“五环教学法”，提前发放“五环教学法”之课前预习.并收起来,教师认真批改了。本节课先以生活视频引入教学，以学生分组五环教学活动深入教学，以学生体验实验进入教学，最后以学生分析归纳，总结得出结论结束教学，体现新课改以学生为主体的探究式教学理念。

2、教法设计

本节教学中一改传统的平铺直述模式，采用以学生分组探究、合作探究为主的探究式教学模式，学生在活动中感受向心力，了解向心力的来源，体会向心力的概念，化抽象为具体，化难为易，学生更容易理解。突破了向心力，向心加速度可以结合牛顿第二定律由学生自己推导得出，其难度也不攻自破。

3、教学反馈

为了让学生熟练掌握本节的知识，引导学生真正理解向心力的概念，同时结合以往学生2

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的经验和对现有学生能力的了解，需设计简单基础的练习题，或当堂训练，或留作课后作业，并予以检查或批阅，了解学生掌握的情况，对反馈回来结果较好的学生，提升训练难度；对反馈回来发现基础掌握不牢固的学生，进行强化训练。这样对不同层次学生因材施教，努力让绝大多数学生学得知识。

3、教法：“五环教学法”,讲授法、实验探究法、小组讨论法

四、教学过程

（1）“五环教学法”之第二环: 教师展示教学目标,学生完成课堂检测,在互动交流,兵教兵。

（2）新课教学

【活动】：感受向心力

用一根结实的细绳，一端捏在手上，另一端栓一个小球，在光滑桌面上抡动细绳，使小球做圆周运动，体验手对绳的拉力，从而感悟绳对做圆周运动物体的拉力。

在黑板上画图，分析受力，说明小球受到的合力就是细绳对小球拉力，该力的方向是指向圆心的。

链球运动员抓住铁索，使另一端的链球旋转时，铁索对链球也有拉力作用，这个拉力也是指向圆心的。做圆周运动的物体是不是都受到指向圆心的力的作用呢？

（设计意图：通过实验亲身体验向心力的存在。增加感性认识。）

【讨论交流】：

观察：月球、“旋转秋千”做匀速圆周运动的视频。

3

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思考：月球、“旋转秋千”做匀速圆周运动时受到哪些力的作用？这些力的合力指向哪里？画出受力分析图。要求同学们进行受力分析，并找出每一个力的施力物体。

归纳：1．向心力（板书）

定义：物体做匀速圆周运动时所受合力始终指向圆心，这个力就叫向心力（板书）

思考：向心力是不是做匀速圆周运动的物体另外受到的一个力？

归纳：不是，没有另外的施力物体。向心力是物体做匀速圆周运动时所受合力，是根据效果来命名的。

说明：向心力是效果力，只能由其他的力或者合力来提供。（板书）

思考：月球、“旋转秋千”做匀速圆周运动时受到的合力方向与速度方向是什么关系？是否改变速度的大小？

引导学生从初中物理功的角度分析。由同学们利用匀速圆周运动的轨迹，在不同位置分析向心力的方向、线速度的大小和方向来得出向心力的方向和作用。

向心力方向：始终指向圆心，与速度方向垂直。（板书）

向心力作用效果：只改变线速度的方向而不改变大小（板书）

2．匀速圆周运动的条件：合外力恰好提供向心力（板书）

（设计意图：创设情境，设计问题，讨论交流，后请学生代表归纳，教师整理结论。通过问题情境调动学生参与的热情；通过问题台阶化解学生思维的难度。）

【实验探究】3．探究向心力大小F与质量m、角速度ω、和半径r之间的关系。（板书）

猜想：向心力大小F与哪些因素有关？

活动：继续进行前面抡细绳旋转的活动，改变旋转的速度，或者增大旋转的半径，或者换用质量更大的物体进行实验，比较拉力的大小有什么不同。在此基础上猜想。

（设计意图：科学猜想是研究自然科学的一种广泛应用的思想方法，它不是无根据的幻想，是在生活经验或者客观基础上的推测或者假想。学生可能既猜想向心力跟角速度有关，又猜想向心力跟线速度有关，指出要这两种猜想要进行整合。）

向心力大小F可能与物体质量m、角速度ω、和半径r有关。（板书）

设计方案：控制变量。

为了便于设计实验步骤。可以由验证牛顿第二定律实验的物理方法引导学生如何使用“控制变量法”。

实验演示：实验前要说明实验仪器上标尺显现的距离和向心4

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力大小的关系，需简单介绍利用皮带传动改变ω的方法，改变转盘半径的比例就是改变是角速度的比例。提醒学生需要观察的现象,如：小球的质量，角速度的关系，半径，以及套管下降的距离和向心力大小的关系，实验分三步：

r和ω一定时，探究F与m的关系；

m和ω一定时，探究F与r的关系；

m和r一定时，探究F与ω的关系；

最终归纳得出结论：F＝mω2r，然后再由ω＝v/r

推出F＝mv2/r。（板书）

【讨论交流】：

思考：为什么一个公式里面向心力跟半径成正比，另一个公式里面向心力跟成半径成反比？它们相互矛盾吗？

说明：这是“控制变量法”的再次体现。

解释：“导入新课”视频中出现各种现象的原因。

4．向心加速度（板书）

由牛顿第二定律引导得出向心加速度的概念，推导得出向心加速度的公式，向心加速度的方向始终指向圆心。

a＝ω2r=v2/r（板书）

指出匀速圆周运动的向心加速度反映了速度方向变化的快慢。

总结出匀速圆周运动的性质：加速度方向不断改变的变加速曲线运动。

5．教师发放“五环教学法”之第三环: 学生当堂训练，在互动交流，兵教兵，反馈订正。教师负责点拨。

（三）总结、质疑（说：由物理学科长总结：本节课的知识和方法）

知识：1．向心力的定义、来源和方向

v22．向心力的大小：Fmrm

r2v23．向心加速度：大小ar

方向：始终沿半径指向圆心

r2方法：控制变量法

（五）布置作业：

“五环教学法”之第四环：课后巩固

五、板书设计

匀速圆周运动的向心力和向心加速度

一、向心力：

1、定义：

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2、来源：

3、方向：

二、向心力的大小：

1、相关因素：m、r、ω

v22、定量关系：Fmrm

r2三、向心加速度：

v21、大小：ar

r22、方向：

教学反馈：

本节课为四川省名山中学“五环教学法”探究性学习课，即在教师创设情景，让学生自己提出想要知道的问题，在教师的引导下，通过全班同学的讨论、实验、演示来不断完善。教师在教学中通过具体的实例、实验，激发学生的求知欲望，让学生主动参与到探究的过程，成为学习的主体，积极主动地获取知识和提高能力。在本节课的五环教学中，教师充当了课堂教学中的指导者，对话的“提问者”，学生是课堂学习的主角，是知识建构的主体。学生对知识的建构是在生生互动、师生互动中进行的，能够充分调动学生的学习积极性，进行自主学习，建构新的知识体系。

教师在整个教学过程十分重视对学生思维过程的引导和启发，问题串的设置富有启发性，教学过程中即时对学生进行形成性的评价，能激励学生学习的主动性，对重点内容布置书面作业，有利于知识目标的巩固。

在整节课的实施过程中，充分发挥了物理实验和课件辅助的功能，突出了知识的形成过程，有利于学生对所学知识的理解和把握。

不足之处，还可学生参与，也可让传感器进课堂，尝试定量现代化计算机辅助教学。

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附：学生教学评价设计

本节课体现新课程教学要求，把评价的侧重点放在学生的学习活动上，围绕学生主动学习来评价；充分利用现代教育技术，使评价具有客观性和可操作性，便于掌握和应用。

课堂学习成果评价量表

班别______ 姓名：________ 得分:___________ 评价项目

知识与技能

课堂上积极参与，积极思维，积极动8 情

动脑，发言次数多. 感

对本内容兴趣浓厚，提出了有深度的8 6 4 2

6 4 2

了解向心力的概念

知道向心力的来源

知道向心力的特点

掌握向心力大小的公式

10 10 10 20 评 价 标 准

优秀

好

8 8 8 6 般

5 5 5 4 差

3 3 3 2 等级（权重）分

自良一较评

评

评

组师小教

态

问题。

度

课堂调查：书面写出你在学习本节课

时所遇到的困难，向教师提出较合理的教学建议。 我这样评价我自己：

伙伴眼里的我：

注：1.得分为自评、互评、教师评总分之均值；2.“我这样评价我自己”、“伙伴眼里的我”以及“老师的话”都是针对课堂学习情况的概括性评判和描述。

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