圆周运动教材分析ppt课件

圆周运动 教材分析,让生命因教育而精彩,内容目录,教学要求,课时安排,背景分析,旧教材 新课标 高考改革 合格性考试以后 选考中的必选 自主招生,让生命因教育而精彩,核心素养与概念进阶,第一章 抛体运动 1 曲线运动 2 运动的合成与分解 3 平抛运动 4 斜抛运动（选学） 第二章 匀速圆周运动 1 圆周运动 2 匀速圆周运动的向心力和向心加速度 3 圆周运动实例分析 4 圆周运动与人类文明（选学）,第五章 曲线运动 1 曲线运动 2 平抛运动 3 实验：研究平抛运动 4 圆周运动 5 向心加速度 6 向心力 7 生活中的圆周运动,教科版教材,人教版教材,教材章节对比,教材知识结构（教科版）,1、认识和圆周运动的描述 （重点） §2.1 圆周运动 2、圆周运动的需要与条件 （难点） §2.2 匀速圆周运动的向心力和向心加速度 3、圆周运动的应用 （重点） §2.3 圆周运动的实例分析 4、挖掘圆周运动中的思想、观念与方法 §2.4圆周运动与人类文明（选学）,9,抛体运动,教材的地位,承上启下,第一二章 运动学,第三四章 动力学,万有引力定律,第一章静电 场粒子在电 场中的运动,第三章磁场 带电粒子在磁 场中的运动,必修一,选修3-1,概念上从直线到曲线、从线量到角量，逐渐将所学概念进行扩展和加深，规律上是将牛顿运动定律运用到曲线运动，是运动学和动力学从“一维”到“二维”、从直角坐标系到自然坐标系 的延伸，也为功能知识的应用提供了多样化的情景，使研究力和运动的基本方法和基本思路得以更加广泛的应用。,圆周运动,承前启后,教材地位和作用,从力学体系来看：本章是继物体的平衡、匀变速直线运动、匀变速曲线运动之后的另一典型运动，也是牛顿运动定律的另一重要应用，是运动和力的进一步拓展与应用，为后续宏观的天体运动与微观的粒子运动提供了基本模型，是高中物理教学的重点与难点。,从特征方法来看： 1.匀速圆周运动是变加速曲线运动，有别于匀变速曲线运动的合成与分解； 2.匀速圆周运动是第一个周期性的运动； 3.匀速圆周运动的时空变化是有约束、受限制的； 4.分析求解圆周运动的方法是分析一般曲线运动的基础。,11,课时安排（8-9课时）,第一节 圆周运动,教材处理建议,一、感受圆周运动P20形形色色的圆周运动 （1）不仅借助教材第20页的各种图片，也可以利用第3节实例分析的各种情景让学生充分认识生活中的圆周运动； （2）引导学生尝试着概况圆周运动的特点； （3）讨论从哪些方面来描述这个圆周运动。,1、怎么确定质点位置？（定参考，以不变应万变） 2、怎样确定质点的路程、位移？ 3、怎样描述运动的快慢？ 4、怎样描述速度变化的快慢？ 5、怎样描述速度方向变化及其变化的快慢？,圆心、半径R、角（弧）度9（有点极坐标的意思）,L=9R,二、描述圆周运动运动的物理量,A,B,乙方观点： A点B点运动的一样快,甲方观点： A点比B点运动的快,描述圆周运动运动的快慢,1、比较物体在一段时间内通过的圆弧的长短,3、比较物体在一段时间内半径转过的角度大小,2、比较物体转过一圈所用时间的多少,4、比较物体在一段时间内转过的圈数,描述圆周运动运动的快慢,17,4、线速度、角速度、周期、频率、转速的关系,(1),(2),（3）,（4）,若n的单位是r/min：,若n的单位是r/s：,B,A,o,定义：物体沿着圆周运动，并且线速度的大小处处相等，这种运动叫做匀速圆周运动。,速率,匀速圆周运动中的“匀速”指速度不变吗？,注意：匀速圆周运动是一种变速运动,三、什么样的运动是匀速圆周运动,总结：匀速圆周运动是_的圆周运动。,线速度大小不变，方向变化,匀速圆周运动的特点,哪些量始终不变？ 圆心、半径、角速度、周期、频率、转速、速率、动能 哪些量大小不变方向时刻改变？ 线速度、向心力、合外力、加速度、动量 哪些量相同时间内变化相同？ 路程、弧长、角度（弧度）,a、皮带传动线速度相等,b、齿轮传动线速度相等,同一接触传动各轮边缘上线速度相同,接触传动（无滑动）,1、某电钟上秒针、分针的长度比为2:1, 求： （1）秒针、分针尖端的线速度之比 （2）秒针、分针转动的角速度之比,参考例题,问题探究,C,B,A,(1)要测量哪些物理量？,(2)写出自行车正常行驶的速度与测量量之间的关系,2、如何估算你骑自行车的正常速度,(3)估算正常行驶的速度,3、图为自行车传动机构的示意图.假设脚踏板每2 s转1 圈,要知道在这种情况下自行车前进的速度有多大,还需要测量哪些量?请在图中标出来,并用这些量推导出自行车前进速度的表达式.,r1=20cm,r2=10cm, r3=35cm, T1=2 s.,1.车前进的速度等于后轮的线速度vC . 2.vA=vBAr1= br2=2r1/T1 B=CvB/r2= vC/r3 3.,参考例题,4、设雨伞表面为水平面,且水平放置,雨伞边缘半径为r,且高出水平地面h.当雨伞以角速度匀速转动时,雨滴从边缘飞出后在地面形成一个半径为R的大圆.已知重力加速度为g,求大圆半径R.,1.曲线运动的速度方向. 2.空间几何关系.,参考例题,1、区别“质点匀速圆周运动”和“刚体转动”,质点与刚体是两个不同的物理模，要提醒学生注意，不要把质点做匀速圆周运动说成是“质点在转动”，因为“转动”是刚体的一种运动形态。也要提醒学生注意，不要把刚体的转动说成是“刚体在做匀速圆周运动”，而应说“刚体上的某质点在做匀速圆周运动”。,疑难问题探讨,2.描述速度方向及其变化快慢的物理量是什么？,速度方向的变化率（变化快慢）就是角速度， 是矢量,x,x,x,x,疑难问题探讨,3、向心加速度是描述速度方向变化的快慢吗？,疑难问题探讨,根据 可知，向心加速度还与速率有关；可以说，对速率相同的质点，向心加速度的大小可以描述速度方向变化的快慢,怎样描述圆周运动（拓展要求）,运动学的状态参量,位矢,运动方程,位移,速度,加速度,速率,圆周运动的线量描述,圆周运动的角量描述,1、角速度,rad/s,2、角加速度,rad/s2,匀速圆周运动,匀变速圆周运动,讨论：,匀变速圆周运动的关系式,匀变速直线运动的关系式,比较知：两者数学形式完全相同,说明用角量描述,可把平面圆周运动转化为一维运动形式，从而简化问题。,线量和角量的关系,O,A,B,R,x,线量和角量的关系,第二节 匀速圆周运动向心力与向心加速度,思路二： 体验向心力 实验探究向心力与质量、角速度、半径的关系 向心力 向心加速度 变速圆周的加速度与合外力,思路一： 速度变化量 向心加速度 向心力 实验验证 变速圆周的加速度与合外力,处理教材的两种思路,人教版,速度变化,向心加速度,教科版,承接描述圆周运动的物理量,1.物体做变速直线运动：,（一）回顾速度的变化量,vt,v0,v,-v0,2.物体做曲线运动：,v0,vt,v,v0,vt,v,3.物体做圆周运动：,（二）匀速圆周运动速度的变化量,（三）匀速圆周运动的加速度,v,v,v,v,如果时间足够短，足够小：,方向：指向圆心,1、向心加速度an是由速度方向变化引起的 2、an不仅与有关，而且与速率v有关 3、物理意义：用来描述由于速度方向变化而引起的速度矢量的变化率,a,v,1.做匀速圆周运动物体的加速度大小：,2.做匀速圆周运动物体的加速度方向：,始终指向圆心(所以叫向心加速度)。,注意：匀速圆周运动是变加速曲线运动。,（三）匀速圆周运动的加速度,1、由牛顿第二定律推导向心力公式:,（四）、向心加速度 向心力,2、体验，定性验证:,3、演示实验:向心力大小Fn与v、r的关系,可选实验,4、传感器实验:向心力的大小Fn跟v、的关系,(1)由向心力的公式 Fn=mv2/r 计算向心力,需要测量哪些物理量?怎样测量?(钢球质量m，半径r，周期T) (2)测量小球受到的合力(F=mgtan),需要测量哪些物理量?怎样测量? (钢球质量m，半径r，高度h),参考练习,1. 质量为m的物体,放在水平转盘上, 随转盘一起以角速度匀速转动,物体到圆盘中心距离为r. (1)物体受到的力是 A.重力,支持力 B.重力,支持力,向心力 C.重力,支持力,摩擦力 D.重力,支持力,向心力,摩擦力 (2)求物体受到的摩擦力大小和方向? (3)设物体与转盘间的摩擦因数为,使物体不滑动, 转盘转动的角速度不能超过多少?,向心力是根据力的效果命名的. 静摩擦力的方向与相对运动趋势的方向相反.,参考练习,2. 在一个光滑的玻璃漏斗中,有两个质量相等的小球A、B，它们沿光滑漏斗壁在不同的水平面内作匀速圆周运动. (1)小球的向心力是由什么力提供的? (2)比较A、B两球 A. A球线速度较大 B. A球角速度较大 C. A球加速度较大 D. A球对壁的压力较大.,F=mgcot=ma,参考练习,3. 如图所示,一球质量为m,用长为L的细线悬挂于O点,在O点正下方L/2处有一根长钉P,把悬线沿水平方向拉直后无初速度释放. (1)当悬线碰到钉子的瞬间 A. 小球的线速度突然减小 B. 小球的角速度突然增大 C. 小球的向心加速度突然增大 D. 悬线的拉力保持不变 (2)如果钉子越靠近小球,绳越容易断,为什么?,线速度v不变.,一、切向加速度和法向加速度,自然坐标系：,方向都变化,在轨道曲线上任取一点为坐标原点,O,P,R,（五）、变速圆周运动的加速度,加速度总是指向曲线的凹侧，因为正是 加速度的法向分量改变了质点的运动方向。,切向加速度大小等于速度的大小(速率)对时间的导数，表示速率变化的快慢。,法向加速度大小等于速率平方除以半径，反映了速度方向变化的快慢。,圆周运动和一般曲线运动,下列情况时，质点作什么运动,等于0， 等于0, 质点做什么运动？,等于0， 不等于0, 质点做什么运动？,不等于0， 等于0, 质点做什么运动？,不等于0， 不等于0, 质点做什么运动？,匀速直线运动,匀变速直线运动,匀速率圆周运动,变速曲线运动,圆周运动和一般运动,第三节 圆周运动实例分析,常见圆周运动实例,（一）铁路的弯道 （二）拱形桥 （凹凸两种情况） （三）航天器中的失重现象 （四）离心运动 （五） 圆锥摆 （六）过山车 （七）水流星 。,求解匀速圆周运动动力学问题的方法：,2、受力分析,3、运动分析,向心力来源,1、确定对象、轨道平面、圆心o和半径r,题目涉及a、v、T哪个物理量就选择哪组公式,2、受力分析：向心力来源,3、运动分析：选取合适公式,实例1.铁路的弯道,(1)阅读教材,回答下列问题: 弯道处轨道有什么特点?为什么? 火车转弯时的向心力是什么力提供的? (2)若转弯时的半径为r,轨道的倾角为,火车的最佳行驶速度是多大? (3)如果火车速度过大或过小会带来什么后果?,实例2. 汽车转弯与赛道,汽车的质量为m=2.0×103 kg的汽车在水平公路上行驶,轮胎与路面间的最大静摩擦力是车重的0.7倍. 汽车经过半径为r=50 m的弯路时做匀速圆周运动. (1)求车速最大不能超过多少? (2)如果车速达到72 km/h,这辆车会不会侧滑? (3)若弯道处倾斜一定的角度, 则汽车完全不靠摩擦力转弯的速率为多大?,实例3. 拱形桥与凹形桥,公路上常有拱形桥, 汽车过桥时可看成圆周运动.质量为m=800 kg的小汽车通过拱桥,到达桥顶的速度为v,设桥面的圆弧半径为r=50 m,地球表面的重力加速度g=10 m/s2. (1)如果v=5 m/s,求汽车对桥的压力. (2)如果v不断增大,会发生什么现象? (3) v 为多大时,汽车恰好对桥没有压力而腾空? (4)对于同样的车速,为了安全,拱桥的半径是大 一些好还是小一些好?,1.F合=Fn=mv2/R FN=mg-Fn=mg-mv2/R 2.mg-FN=ma=mv2/R 3.牛顿第三定律,公路上常有拱形桥, 汽车过桥时可看成圆周运动.质量为m=800 kg的小汽车通过拱桥,到达桥顶的速度为v,设桥面的圆弧半径为r=50 m,地球表面的重力加速度g=10 m/s2. (5)如果拱桥的半径增大到等于地球半径R=6400 km,汽车要在桥面上腾空飞行,速度v为多大? (6)如果汽车(航天器)内的驾驶员(宇航员)的质量为m0,此时受到的支持力为多大?驾驶员有什么感觉?(可图片或视频),实例3. 拱形桥与凹形桥,公路上常有拱形桥, 汽车过桥时可看成圆周运动.质量为m=800 kg的小汽车通过拱桥,到达桥顶的速度为v,设桥面的圆弧半径为r=50 m,地球表面的重力加速度g=10 m/s2. (7)如果将拱形桥建成凹形桥,汽车以速度v通过凹形桥的最低点时,对桥的压力为多大? (8)你生活中见过凹形桥吗?为什么?(凹形桥是存在的,在过水路面有时需要修建凹形桥),实例3. 拱形桥与凹形桥,实例4.竖直面内圆周运动,1.计算过山车模型小球过最高点,水流星到水杯到最高点不流出的最小速度. 2.演示:过山车模型小球过最高点的条件. 3.播放视频:杂技节目“水流星”.,比较几种模型最高点临界条件,轻绳,轻杆,离心轨道,圆形管道,练习1：无支持的轻绳约束,用长为l的轻绳系质量为m的小球,使其在竖直平面内作圆周运动,已知重力加速度为g. (1)若小球过最高点的速度为v,写出绳对小球拉力F的表达式. (2)求小球过圆周最高点的最小速度v0. (3)若小球过最高点的速度v=2v0,求此时绳对小球的拉力F.,练习2：杆约束,如果用长为l的轻杆代替轻绳固定一个质量为m的小球,使其在竖直平面内作圆周运动,已知重力加速度为g. (1)求小球过最高点时的最小速度v. (2)若在最高点杆对小球的作用力大小为零,求小球的速度为v0. (3)若在最高点小球的速度为2v0,求杆对小球的作用力的大小和方向. (4)若在最高点小球的速度为v0/2,求杆对小球的作用力的大小和方向.,如图，质量为0.5kg的杯子里盛有1kg的水，用绳子系着水杯在竖直面内做水流星表演，转动半径为1m，水杯通过最高点时的速度是5m/s，则此时绳子的拉力为_，水对杯底的压力为_。（g取 ）,解：在最高点时，以桶和水为研究对象，其向心力由重力和拉力的合力来提供，由向心力公式可得：,解得：,以水为研究对象，其向心力由重力（m水g）和桶底对水的压力的合力来提供，由向心力公式可得：,解得：,练习3：水流星,练习4：综合应用,F,F,f,离心运动,1.思考与讨论: (1)如图所示是一种娱乐设施“魔盘”，而且画面反映的是魔盘旋转转速较大时，盘中人的情景甲、乙、丙三位同学看了图后发生争论. 甲说：“图画错了，做圆周运动的物体受到向心力的作用，魔盘上的人应该向中心靠拢” 乙说：“图画得对，因为旋转的魔盘给人离心力，所以人向盘边缘靠拢” 丙说：“图画得对，当盘对人的摩擦力不能满足人做圆周运动的向心力时，人会逐渐远离圆心” 你认为哪位同学的说法是对的?,需要的向心力Fn, 提供的向心力(合力)F 比较F与Fn的大小.,离心运动,1.思考与讨论: (2)物体以角速度做半径为r的圆周运动,需要的向心力Fn为多大? (3)如果提供的力F= Fn=m2r,物体做什么运动? 如果提供的力F= 0,物体怎样运动? 如果提供的力F Fn=m2r,物体怎样运动? 2.阅读教材:了解生活中离心运动的应用以及危害. 3.播放视频:离心运动,对向心运动和离心运动的理解:,1.外界对物体提供的向心力大于物体做圆周运动所需的向心力,即Fn 时,物体做靠近圆心的运动. 2.外界对物体提供的向心力小于物体做圆周运动所需要的向心力时, 即 Fn 时,称为向 心力不足,物体做远离圆心的运动. 3.无论是向心运动,还是离心运动,都不是匀速圆周运动,这种运动过程“向心力”要做功,导致物体速度发生变化.,如图所示，质量分别为2m、m、m的A、B、C放在水平的圆盘上，随圆盘在水平面内做圆周运动，转动半径分别为r、r、2r，当转速逐渐增大时，问哪一个物体首先开始滑动。,练习5：谁先滑动？,物体做匀速圆周运动时,当物体刚好滑动时,物体能否滑动与m无关,r大的易滑动， 故C物体首先开始滑动.,练习5：谁先滑动？,司机开着汽车在一宽阔的马路上匀速行驶突然发现前方有一堵墙，他是刹车好还是转弯好？,练习6：刹车好还是转弯好？,练习6：刹车好还是转弯好？,分析：设汽车原来的速度为v，汽车与地面的摩擦因数为，汽车的质量为m，,刹车时：mg=ma，则a=g，,向前滑行的距离为： s=v2/2a=v2/2g，,转弯时：mg=mv2/R，得：R=v2/g =2s,因 sR ，故刹车比转弯好,设转弯时汽车做匀速圆周运动，最大静摩擦力与滑动摩擦力相等,讨论：,（1）若 soR ，则急刹车或急转弯均可以；,（3）若so s，则不能急刹车，但由（2）知若墙长和位置符合一定条件，汽车照样可以转弯。,（2）若 Rsos ，则急刹车会平安无事，汽车能否急转弯与墙的长度和位置有关 ，如图，P点表示汽车即将经过的位置，AB表示墙，设墙的长度为l，当 l = 2（R-Rcos）时，则墙在AB和CD之间任一位置上，汽车转弯同样平安无事；,so,车离墙距离为so，为方便起见，设车是沿墙底线的中垂线运动,R-Rcos,R,A,B,C,D,P,l,例6：刹车好还是转弯好？,非惯性系与惯性力,一、惯性力,非惯性系与惯性离心力,力,非惯性系与惯性离心力,非惯性系与惯性离心力,物理学科有效达成核心素养的经验,促进学生的关键 兴趣为先 眼见为实 心智共鸣 学以致用,推进教学的操作 循迹追踪 问题聚焦 探究攻关 交流共鸣 学以致用 追宗育人,个人经验 仅供参考,谢谢聆听，敬请批评指正！ 祝： 工作快乐！ 生活幸福！,让生命因教育而精彩,