《探究向心力大小》教學設(shè)計

?探究向心力大小?教學設(shè)計〔〕:

摘要：通過旋轉(zhuǎn)小實驗，引導學生初步猜測影響向心力大小F的三個因素(質(zhì)量m、圓周運動的半徑r和角速度omega;)之間的關(guān)系可能為F=kmromega;。利用自制向心力大小探究儀測得的實驗數(shù)據(jù)，通過圖像法分析法得出F與m、r成正比，與omega;不成正比；根據(jù)圖像再次猜測F與omega;可能成二次關(guān)系，然后利用計算法和圖像法分析得出F與omega;確實成二次關(guān)系。最后綜合分析論證得出向心力的表達式。

關(guān)鍵詞：向心力；實驗探究；教學設(shè)計；控制變量；圖像法

本文引用格式：苗芳.?探究向心力大小?教學設(shè)計[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔75〕：248-250.

一教學分析

〔一〕教材分析

本課題選自教科版?高中物理〔必修2〕?第二章勻速圓周運動第二節(jié)：勻速圓周運動的向心力和向心加速度【1】。本節(jié)的內(nèi)容是在曲線運動、勻速圓周圓周運動根底上的擴展：?曲線運動?中介紹了物體作曲線運動的條件，?勻速圓周運動?中介紹了描繪圓周運動的物理量，本節(jié)那么定量闡述了力與圓周運動的關(guān)系，是這一章的重點內(nèi)容。通過本節(jié)課的學習，要求學生理解物體需要向心力維持圓周運動，并滿足F=mromega;2。本節(jié)內(nèi)容也為后面的萬有引力定律、天體的運行及帶電粒子在磁場中的運動等知識的學習奠定了根底。

本節(jié)教材中，采用了傳統(tǒng)的向心力大小探究儀進展研究，雖然儀器的設(shè)計思想比擬巧妙，利用各物理量間的比例關(guān)系，可以很方便地得到結(jié)論，但此過程卻不是真正的探究過程，只能說是驗證性的實驗。所以，本設(shè)計更側(cè)重于";探究";向心力大小規(guī)律，讓學生經(jīng)歷科學探究的過程。

〔二〕學情分析

1.知識方面

在學習本節(jié)課之前，學生已經(jīng)掌握了曲線運動和勻速圓周運動的有關(guān)知識，為本節(jié)內(nèi)容的學習奠定了一定的根底【2】。并且對用數(shù)學方法中的圖像方法來分析解決問題也有了一定的認知，可以用圖像法分析與處理較簡單的實驗數(shù)據(jù)。

2.才能方面

高一的學生已經(jīng)具備一定的觀察才能、分析才能和實驗才能，用實驗探究法能得出向心力的大小與m、r、omega;之間的定量關(guān)系。

3.教學重難點

重點：向心力的大小F與m、r、omega;之間的定量關(guān)系。

難點：向心力F與omega;的二次方關(guān)系的得出。

二教學目的

〔一〕知識與技能

掌握向心力F與m、r、omega;之間的定量關(guān)系。

〔二〕過程與方法

〔1〕通過實驗探究勻速圓周運動向心力與質(zhì)量、半徑、角速度之間的關(guān)系，穩(wěn)固學生對控制變量法的運用。

〔2〕通過對實驗數(shù)據(jù)的兩種方法處理，培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)處理才能，掌握圖像法和計算法。

〔3〕在實驗數(shù)據(jù)的處理中，讓學生領(lǐng)會到數(shù)學方法在物理研究中的作用，以及圖像法和計算法之間的互相補充作用。

〔三〕情感態(tài)度與價值觀

〔1〕通過實驗探究勻速圓周運動向心力與質(zhì)量、半徑、角速度之間的關(guān)系，培養(yǎng)學生探究物理規(guī)律的興趣【3】。

〔2〕在猜測-驗證-再猜測-再驗證的探究過程中，讓學生體會科學研究的艱辛曲折及嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

三教法分析

講授法、實驗探究法。

四教學工具

不同質(zhì)量的小球假設(shè)干、不同長度的繩子假設(shè)干、力傳感器、數(shù)據(jù)顯示器、自制向心力大小探究儀、坐標紙、三角板〔直尺〕、計算器、記號筆、鉛筆等。

五教學過程

〔一〕溫故知新

引導學生回憶以下的內(nèi)容：

〔1〕物體做勻速圓周運動需要向心力。【1】

〔2〕向心力可由彈力提供，也可由其它性質(zhì)的力提供，可以由一個力提供，也可由幾個力的合力提供。【4】

〔3〕向心力的大小與質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)。

然后教師提問：向心力與質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速度間到底是什么樣的定量關(guān)系呢？

〔二〕初步猜測

旋轉(zhuǎn)小球?qū)嶒灒涸趫D2中，小球的重力G和繩的拉力F拉的合力提供小球做圓周運動所需的向心力F向。不難分析，當G不變時，F(xiàn)拉越大，F(xiàn)向越大。

1.初步探究

(1)教師先引導學生體驗向心力與旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系：保持m、r不變，逐漸加快轉(zhuǎn)速角速度omega;，可以感受到繩的拉力越來越大，因為重力G不變，所以圓周運動所需的向心力越大。猜測：向心力F1與旋轉(zhuǎn)角速度omega;成正比，即F1=k1m。

(2)接著讓學生體驗向心力與物體質(zhì)量的關(guān)系：保持omega;、r不變，改變小球的質(zhì)量m，當m越大時，感受到繩的拉力也越來越大。同上分析可知，物體做圓周運動所需的向心力也越大。猜測：向心力F2與物體質(zhì)量m成正比，即F2=k2m

(3)學生體驗向心力與旋轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系：保持omega;、m不變，改變小球的半徑r，當r越大時，感受到繩的拉力同樣是越來越大，故做圓周運動所需的向心力也越大。猜測：向心力F3與旋轉(zhuǎn)半徑r成正比，即F3=k3m。

初步猜測：向心力與旋轉(zhuǎn)角速度omega;成正比，與物體質(zhì)量m成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑r成正比，從而得出向心力F與m、r、omega;的可能關(guān)系為：F=kmromega;。

〔三〕實驗探究

1.介紹自制向心力大小探究儀

電機帶動導軌旋轉(zhuǎn)，使小球做圓周運動。小球質(zhì)量可通過更換質(zhì)量不同的小球來改變，旋轉(zhuǎn)半徑通過改變繩子的長度來調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速采用3∶1轉(zhuǎn)速控制器來調(diào)節(jié)。向心力大小通過連接在繩子上的力傳感器和數(shù)據(jù)顯示器直接測量和顯示。

2.分組實驗

采用控制變量的方法，通過學生分組實驗來探究。

第一組：保持omega;、r不變，探究向心力F與質(zhì)量m的關(guān)系【1】。

第二組：保持m、omega;不變，探究向心力F與旋轉(zhuǎn)半徑r的關(guān)系。

第三組：保持m、r不變，探究向心力F與omega;的關(guān)系。

要求：將實驗結(jié)果記錄在表格中，并繪制相應(yīng)函數(shù)圖像〔F-m,F-r，F(xiàn)-omega;〕。

3.分析論證

引導學生通過計算法和圖像法來分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

F-m,F-r，F(xiàn)-omega;〔1〕分析數(shù)據(jù)與圖像：結(jié)合實驗數(shù)據(jù)與圖像進展分析。

〔2〕得出結(jié)論：F與成m、r正比，與omega;不成正比。

〔3〕由圖像再次猜測：F與omega;可能成二次關(guān)系。

〔4〕驗證猜測：采用計算法，直接帶入數(shù)據(jù)計算出omega;2；用圖像法，檢驗與omega;2的圖像是否是一條直線。

〔5〕再猜測：向心力F與m、r、omega;的關(guān)系為F=momega;2r。再驗證：用計算法直接驗證。

最后結(jié)論：向心力的表達式nu;=romega;為F=momega;2r。再根據(jù)還可得：Fmvr

〔四〕課堂小結(jié)

總結(jié)所學的主要知識：理解向心力的大小與質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系，學會應(yīng)用向心力的表達式來解決問題。

總結(jié)所學的主要科學方法：探究物理規(guī)律過程中的科學猜測和控制變量的研究方法；用圖像法和計算法分析處理實驗數(shù)據(jù)的方法。

〔五〕課后考慮

〔1〕兩個公式Fmvr和F=momega;2r表征的向心力與半徑之間關(guān)系的"矛盾";。

〔2〕結(jié)合本節(jié)課所學習的知識，分析"汽車過彎道";"人跑步過彎道";為什么要減速？

六設(shè)計意圖

先通過溫故知新，回憶舊知識，激發(fā)學生探求新知識的欲望；接著進展初步猜測，讓學生親身體驗，感受向心力大小的變化，鼓勵學生大膽猜測向心力大小的定量關(guān)系，充分表達以學生為主的教學理念，活潑學生的思維；再進展實驗探究，經(jīng)過小組實驗，培養(yǎng)學生的理論才能和分工、協(xié)作精神，強化團隊精神；再由分析論證，培養(yǎng)學生的科學探究的方法和處理數(shù)據(jù)的才能，表達嚴謹?shù)奈锢硭季S；最后通過課后考慮，聯(lián)絡(luò)生活，深化理解知識的本質(zhì)，真正的做到學以致用。

七教學反思

本設(shè)計中，主要突出兩個探究步驟：猜測與和實驗數(shù)據(jù)的處理與分析。一方面引導學生根據(jù)實驗的體驗，鼓勵他們初步猜測。另一方面通過采用控制變量法，用計算法和圖像法來獲得探究結(jié)