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粉笔头做直线运动、曲线运动的条件是什么?
启发学生回答:
速度方向与力的方向在同一条直线上,物体做直线运动;
不在同一直线上,做曲线运动。
进一步提问:
在曲线运动中,有一种特殊的运动形式,物体运动的轨迹是一个圆周或一段圆弧(用单摆演示),称为圆周运动。
请同学们列举实例。
(学生举例教师补充)
电扇、风车等转动时,上面各个点运动的轨迹是圆……大到宇宙天体如月球绕地球的运动,小到微观世界电子绕原子核的运动,都可看做圆周运动,它是一种常见的运动形式。
提出问题:
你在跑400米过弯道时身体为何要向弯道内侧微微倾斜?
铁路和高速公路的转弯处以及赛车场的环形车道,为什么路面总是外侧高内侧低?
可见,圆周运动知识在实际中是很有用的。
引入:
物理中,研究问题的基本方法是从最简单的情况开始。
板书:
匀速圆周运动
(二)教学过程设计
思考:
什么样的圆周运动最简单?
引导学生回答:
物体运动快慢不变。
1.匀速圆周运动
物体在相等的时间里通过的圆弧长相等,如机械钟表针尖的运动。
匀速周圆运动的一个显著特点是具有周期性。
用什么物理量可以描述匀速圆周运动的快慢?
(学生自由发言)
2.描述匀速圆周运动快慢的物理量
恒量。
当t很短,s很短,即为某一时刻的瞬时速度。
线速度其实就是物体做圆周运动的瞬时速度。
当物体做匀速圆周运动时,各个时刻线速度大小相同,而方向时刻在改变。
那么,线速度方向有何特点呢?
水淋在小伞上,同时摇动转台。
观察:
水滴沿切线方向飞出。
说明什么?
师生分析:
飞出的水滴在离开伞的瞬间,由于惯性要保持原来的速度方向,因而表明了切线方向即为此时刻线速度的方向。
方向:
沿着圆周各点的切线方向。
如图3。
单位:
rad/s。
(3)周期:
质点沿圆周运动一周所用的时间。
如:
地球公转周期约365天,钟表秒针周期60s等,周期长,表示运动慢。
(角速度、周期可由学生自己说出并看书完成)
(师生共同完成)
物体做匀速圆周运动时,v、ω、T是否改变?
(ω、T不变,v大小不变、方向变。
)
讲述:
匀速周周运动是匀速率圆周运动的简称,它是一种变速运动。
匀速圆周运动是一种曲线运动,由物体做曲线运动的条件可知,物体必定受到一个与它的速度方向不在同一条直线上的合外力作用,这个合外力的方向有何特点呢?
学生小实验(两人一组):
线的一端系一小球,使小球在水平面内做匀速圆周运动。
小球质量很小(可用橡皮塞等替代),甩动时线速度尽量大,小球重力与拉力相比可忽略,以保证拉线近似在水平方向。
观察并思考:
①小球受力?
②线的拉力方向有何特点?
③一旦线断或松手,结果如何?
(提问学生后板书并图示)
概括:
要使物体做匀速圆周运动,必须使物体受到与速度方向垂直而指向圆心的力作用,故名向心力。
3.向心力:
物体做匀速圆周运动所需要的力。
向心力的大小跟什么因素有关?
(学生自己设想,用刚才的仪器做小实验,凭感觉粗略体验。
学生经实验、讨论有了自己的看法后,自由发言。
演示实验(验证学生的设想):
研究向心力跟物体质量m、轨道半径r、角速度ω的定量关系。
提问:
实验时能否让三个量同时变。
保持两个量不变,使一个量变化。
实验装置:
向心力演示器。
摇动手柄,小球随之做匀速圆周运动。
向心力由什么力提供?
如何测量?
小球向外压挡板,挡板对小球的反作用力指向转轴,提供了小球做匀速圆周运动的向心力,两力大小相等,同时小球压挡板的力使挡板另一端压缩套在轴上的弹簧,弹簧被压缩的格数可以从标尺中读出,即显示了向心力大小。
演示内容:
①向心力与质量的关系:
ω、r一定,取两球使mA=2mB观察:
(学生读数)FA=2FB结论:
向心力F∝m
②向心力与半径的关系:
m、ω一定,取两球使rA=2rB观察:
向心力F∝r
③向心力与角速度的关系:
m、r一定,使ωA=2ωB观察:
(学生读数)FA=4FB结论:
向心力F∝ω2
归纳:
综合上述实验结果可知:
物体做匀速圆周运动需要的向心力与物体的质量成正比,与半径成正比,与角速度的二次方成正比。
但不能由一个实验、一个测量就得到一般结论,实际上要进行多次测量,大量实验,但我们不可能一一去做。
同学们刚才所做的实验得出:
m、r、ω越大,F越大;
若将实验稍加改进,如课本中所介绍的小实验,加一弹簧秤测出F,可粗略得出结论(要求同学回去做)。
我们还可以设计很多实验都能得出这一结论,说明这是一个带有共性的结论。
测出m、r、ω的值,可知向心力大小为:
F=mrω2。
反馈练习:
①对于做匀速圆周运动的物体,下面说法正确的是:
A速度不变;
B速率不变;
C角速度不变;
D周期不变。
②如图7为一皮带传动装置,在传动过程中皮带不打滑。
试比较轮上A、B、C三点的线速度、角速度大小。
③物体做匀速圆周运动所需要的向心力跟半径的关系,有人说成正比,有人说成反比。
你对这两种说法是如何理解的?
④(前后呼应)解释跑400m弯道时身体为何要倾斜等一类问题。
(火车拐弯要求课后看书)
(三)课堂小结
1.科学方法
①点明建立概念的过程:
是通过大量实例,概括抽象出本质的内容,即由个别到一般的思维过程。
②点明实验归纳的过程:
必须经过多次实验,必须有足够的事实,由多个特殊的共同结论才能归纳出一般情况下的结论。
2.知识内容:
(见板书)
3.对向心力的理解:
向心力并不是一种特殊性质的力,它的名称只是根据始终指向圆心这一作用效果来命名的。
下节课再进一步讨论。
五、说明
1.向心力、向心加速度的讲授顺序。
向心力概念的建立有两条途径:
一是先通过实验建立向心力概念,归纳出向心力公式,再推出向心加速度;
二是先通过理论推导导出向心加速度,再推出向心力。
先讲加速度,理论推导严谨,又能训练学生的推理能力,但方法较抽象,对基础差的学生难度较大。
考虑到我所任班级学生的实际情况,我选用了先讲向心力,降低了难度,便于学生理解、接受,现行必修教材采用的也是这一顺序。
不足之处是:
由于实验存在误差,只能粗略得出结论,而且课堂不可能做很多实验,实验归纳的事实不足。
解决的关键是尽量减小实验误差,补充实例,弥补实验事实不足的缺陷。
2.对向心力的教学,本节完成了感知、概括、定义,即完成了个别到一般的过程和简单的再认。
而进一步的再认即一般到个别,留待下节完成,所以本节对向心力的要求教学目标定为初步掌握。
超重和失重
1.了解超重和失重现象;
2.运用牛顿第二定律研究超重和失重的原因;
3.培养学生利用牛顿第二定律分析问题和解决问题的能力。
1.超重和失重在本质上并不是物体受到的重力发生了变化,而是物体在竖直方向有加速度时,物体对支持物的压力或拉力的变化,这一点学生理解起来往往困难较大。
让学生理解超重和失重的本质是本节课教学的重点之一,也是后面理解航天器中失重现象的基础。
2.超重和失重中物体对支持物的压力和拉力的计算,是牛顿第二定律应用的一个方面,也应作为本节教学的重点之一。
演示教具:
超重和失重演示装置、弹簧秤、重物、细线、下面扎孔的可乐瓶、录像资料。
学生用具:
弹簧秤、钩码、打点计时器用重锤、绣花线。
看录像片《航天飞机上的失重现象》《失重物体的运动》。
刚才所看到的录像片是在什么地方发生的?
它向我们展示了一种什么现象?
这里给我们展示了失重现象,是在航天飞机中发生的。
航天飞机在起飞中产生了超重现象,在太空中又产生了失重现象。
超重和失重是怎么产生的呢?
这就是我们这节课研究的内容。
十、超重和失重
我们先来研究一下超重现象。
1.超重现象
实验:
介绍装置,架子上有两个滑轮,两边挂有重物。
我们取左边的重物加以研究,重物静止时,弹簧秤的示数大小等于物体所受的重力,物体对弹簧秤的拉力等于物体所受的重力。
放手后物体做向上的加速运动,我们再观察弹簧秤示数的变化。
看到了什么现象?
弹簧秤的示数增大,物体对绳的拉力增大。
以上实验可以用更简单的装置来完成,只不过观察时的效果稍差一些。
弹簧秤下挂一重物,物体静止时,弹簧秤的示数等于物体所受的重力。
当物体向上做加速运动时,弹簧秤的示数大于物体所受的重力,物体对绳的拉力大于物重。
学生小实验:
细线拉重锤(绣花线、打点计时器用重锤)。
线系在重锤上,缓慢拉起,再让重锤做向上的加速运动,线断。
分析原因:
取物体为研究对象,T-G=ma,T-mg=ma,弹簧秤的拉力为
T=mg+ma=m(g+a)
讨论:
(1)物体做向上的加速运动时,弹簧对物体的拉力大于物体静止时的拉力,T>mg,物体对弹簧的拉力大于物重。
举例:
起重机在吊起重物时,有经验的司机都不让物体的加速度过大是什么原因?
(2)学生列举生活中的感受:
电梯向上起动时,电梯对人的支持力大于静止时的支持力,同样人对电梯的压力也大于物重;
电梯下降刹车时也一样。
只要物体的加速度方向是向上的,就会产生以上现象。
在电梯中放一弹簧测力秤,人站在上面。
当电梯向上加速度运动时秤的示数怎样变化?
(3)整理公式:
T=m(g+a)=mg′,g′叫做等效重力加速度,g′>g。
站在电梯里的人在电梯向上加速或向下减速时,人对电梯的压力大于人的重力,好像是重力加速度g增大了。
火箭起飞时有很大的向上的加速度,内部发生的是超重现象。
当物体存在向上的加速度时,它对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物重的现象叫做超重现象。
发生超重现象时,物重并没有变化。
2.失重现象
重物静止时,弹簧秤的示数大小等于物体所受的重力,物体对弹簧秤的拉力等于物体所受的重力。
放手后物体做向下的加速运动,我们再观察弹簧秤示数的变化。
弹簧秤的示数减少,物体对支持物的拉力减小。
学生实验:
观察感受失重现象。
当物体向下做加速运动时,弹簧秤的示数小于物体所受的重力。
(注意对减速时的示数增大的解释。
取物体为研究对象,G-T=ma,弹簧秤的拉力为T=mg-ma=m(g-a)
(1)物体做向下的加速运动时,弹簧对物体的拉力小于物体静止时的拉力,T<mg,物体对弹簧的拉力小于物重。
电梯向下起动时,电梯对人的支持力小于静止时的支持力,同样人对电梯的压力也小于物重;
电梯上升刹车时也一样。
T=m(g-a)=mg′,g′叫做等效重力加速度,g′<g。
站在电梯里的人在电梯向下加速或向上减速时,人对电梯的压力小于人的重力,好像是重力加速度g减少了。
失重:
当物体存在向下的加速度时,它对支持物的压力(或拉力)小于物重的现象,叫做失重。
当a=g时,T=0,叫做完全失重。
发生失重时,物重并没有变化。
在可乐瓶下面扎一些小孔,装上水后水从小孔喷出。
把水瓶抛出,喷水情况会怎
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