高中物理 向心力

注重学习者分析

——向心力的教学设计

教学目标

知识与技能

1．理解向心力的概念及其表达式的确切含义．

2．知道向心力大小与哪些因素有关，并能用来进行计算．

3．知道在变速圆周运动中，可用上述公式求质点在某一点的向心力．

过程与方法

1．通过自制实验仪器和向心力演示器了解向心力的大小与哪些因素有关，并控制变量法研究向心力．

2．会用运动和力的关系分析问题，运用向心力知识解释有关现象．

情感、态度与价值观

1．在实验中，培养学生观察能力并提高分析问题、解决问题的能力．

2．感受成功的快乐．体会实验的意义，激发学习物理的兴趣．

教学重点

1．匀速圆周运动的向心力是大小不变，方向在时刻改变的等效力的特点。2．明确向心力的意义、作用、公式及其变形．

教学活动

[新课导入]

师：前面两节课，我们学习了匀速圆周运动，并且用几个常见物理量描

述匀速圆周运动．那么物体为什么做圆周运动呢，这节课我们再来学习物体

做匀速圆周运动的动力学特征——向心力．

[新课教学]

一、向心力及其方向

多媒体展示生活中物体做圆周运动的实例，贴近生活，激发兴趣。

师：匀速圆周运动是生活中常见的曲线运动，它的合力与运动方向一定不在一条直线上（与直线运动，平抛运动类比），那么物体做的匀速圆周运动的合力有什么特点？

1．演示：绳子系小球在水平面内做匀速圆周运动。用手抡一个被绳子系着的物体，使它做圆周运动，一旦绳子断了，小球就会沿直线飞出去，

小球做圆周运动，是因为绳子的力在拉着它．一旦绳子断了，小球就会

飞出去．

师：砂轮上的砂粒被刀具碰掉后，沿切线方向飞出去的现象．说明了力消失后物体直线飞出。以上情况说明有个无形的力拉着它在圆周上运动。3．向心力的概念及其方向

（1）在光滑水平桌面上，做演示实验（多媒体演示）

a：一个小球，拴住绳的一端，绳的另一端固定于桌上，原来细绳处于松驰状态

b：用手轻击小球，小球做匀速直线运动，绳子未伸直前，仅受重力和支持力作用，二力平衡。

c：当绳绷直时，小球做匀速圆周运动，此时小球还将受到绳子的拉力作用。

重力和支持力是一对平衡力，合力为0，不会改变小球的运动状态，正是绳子的拉力F使小球做匀速圆周运动。此时重力G, 支持力N , 拉力F三个力的合力就是拉力F。

向心力：做匀速圆周运动的物体受到始终指向圆心的合力的作用。这个合力叫向心力。

师：向心力有什么特点呢?(多媒体展示，学生交流总结)

a 匀速圆周运动中向心力的方向时刻在改变，但是它始终指向圆心（合力是变力）

b物体瞬时速度方向沿着该点切线，向心力始终与速度方向垂直，因此向心力只改变速度方向，不改变速度大小。（由于动能不变，向心力不做功）

多媒体展示做匀速圆周运动的几个实例，学生进行受力分析，创设问题情境。学生可能把向心力当成一个特殊的力。

师:向心力不是一种特殊的力，它就是使物体做匀速圆周运动所需要的合力，只要合力能使物体做匀速圆周运动，那么合力就是向心力，向心力可能是弹力，摩擦力，吸引力，也可能是几个力的合力。

1.指出学生受力分析存在的问题。(指明合力就是向心力)

2.随圆台一起的物体向心力是摩擦力。

3.圆锥摆中向心力是重力和拉力的合力。

4.月球绕地球向心力是万有引力。

值得注意的是，向心力只改变速度的方向，如果物体做线速度改变的变速圆周运动，则向心力并非物体所受到的合力，而只能说其是一个等效的力。

刚才我们详细讨论了向心力的特点以及方向，向心力的大小跟什么因素有关呢？

二．向心力的大小。

师：明确研究主题，实验设计方案，实验安全。

设计演示实验P72迷你实验（学生分组活动）通过实验

猜想向心力的大小跟什么因素有关系，引导学生交流讨论得出，向心力大小跟物体质量，角速度，半径均有关系，质量越大，角速度越大，半径越大，向心力就越大。我们要精确研究向心力与多个物理量的关系用何种方法？

生：控制变量法。

介绍向心力演示器的结构和使用方法。

使用方法：匀速转动手柄1，可以使塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球就做匀速圆周运动。使小球做匀速圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力通过杠杆的作用使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8，标尺8上露出的红白相间等方格可显示出两个球所受向心力的比值。

实验操作方法：

a：用质量不同的钢球和铝球，使他们运动的半径r和角速度ω相同→观察得到：向心力的大小与质量有关，质量越大，向心力也越大。当r、ω一定时，向心力与质量成正比

b：仍用两个质量相同的小球，保持小球运动的角速度相同，观察向心力的大小与运动半径之间的关系。当m、ω一定时，向心力与运动半径成正比。

c：用两个质量相同的小球，保持运动半径相同，观察向心力与角速度之间的关系。当m、r一定时，角速度越大，向心力越大。F N=mrω2。

精确实验表明向心力：物体做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。表达式：F N =mr ω2

学生据r v =ω推导向心力的另一表达式r

v m F 2

= 对于同一个物体，角速度一定时，向心力与半径成正比；线速度一定时,向心力与半径成反比。

以上两式均可用于求变速圆周运动中某点的向心力，（2）中速度是瞬时速度。

三．学生总结

四．课堂练习

1．如图6.7—5所示，一圆盘可以绕一个通过圆盘中心且垂直于盘面的竖直轴转动，在圆盘上放置一木块，当圆盘匀速转动时，木块随圆盘一起运动，那么…( )

A.木块受到圆盘对它的摩擦力，方向背离圆盘中心

B.木块受到圆盘对它的摩擦力．方向指向圆盘中心

C.因为木块与圆盘一起做匀速转动，所以它们之间没有摩擦力

D.因为摩擦力总是阻碍物体运动的，所以木块受到圆盘对它的摩擦力的方向与木块运动方向相反

(目的：让学生加深理解向心力的概念以及方向)

2．线的一端系一个重物，手执线的另一端使重物在光滑水平面上做匀速圆

周运动，当转速相同时．线长易断，还是线短易断?为什么?如果重物运动时系线被桌上的一个钉子挡住，随后重物以不变的速率在系线的牵引下绕钉子做圆周运动，系线碰钉子时钉子离重物越远线易断?还是离重物越近线易断?为什么?

（目的：让学生理解向心力的大小相关因素）