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视频课题：第五届全国高中物理教师微课模拟课讲课视频（无生课堂）《向心力》中山市
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第五届全国高中物理教师微课模拟课讲课视频（无生课堂）《向心力》中山市第一中学高中物理
向心力
中山市第一中学 和晓东
一、使用教材
本节课《向心力》选自广东教育出版社出版的粤教版高中物理必修二的第二章圆周运动的第2节。适用于高中一年级学生下学期学习。
二、实验器材
1、有机玻璃板框架；2、数显测力计；3、57步进电机控制装置；4、57步进电机；5、电机转速控制装置；6、转速显示器；7、有机玻璃弧形轨道；8、连接线；9、不同质量槽码；10、刻度尺；11、8字环；12、滑轮；13、电机联轴器。
三、实验改进要点
在高中物理教学中关于向心力公式的得出是个难点，该公式的理论推导过程对学生来说过于抽象，不易理解。而圆周运动这一章在高中物理中有着重要的作用和我们的生活联系也十分紧密。使用电动向心力定量分析演示仪可以让学生通过实验探究，亲身感受什么是匀速圆周运动？什么是向心力？向心力由于那些因素有关，这比理论分析更有说服力。
传统的“向心力实验演示仪”仅仅是半定量的，并且误差较大，从而只能定性地说明向心力大小与相关变量有关，而无法定量地测出向心力与半径、线速度和质量有关，即准确性难以控制为了解决上述问题。
笔者设计制作了探究向心力演示仪，将向心力定性演示实验改进为定量操作实验。本演示仪利用调速装置和测力装置，通过实际演示可分别改变质量、角速度、半径，实时读出向心力和转速的数值，分别探究上述物理量与向心力的关系，帮助学生更好地理解圆周运动的特点以及向心力公式。本演示仪还针对传统电动向心力定量分析演示仪所存在的不足做了以下几点改进：
一是，电机选用的是高精度的步进电机，调速方便，利用电机驱动装置和控制装置实时调节转速，转速精度高还可通过显示器直接读出转速。
二是，固定槽码的细线与数显测力计的连接是在渔具中使用到的高速轴承转环，这样可以防止细线在旋转的过程中因扭转而产生的缠绕。
三是，在轨道的中心位置安装了一个定滑轮，将水平弧形轨道中的槽码连线转90°与竖直方向的高速轴承转环连接。
四是，采用了精度更高的工业用数显测力计，使向心力的测量更加准确，测量时既可动态读数又可将测量数据进行存储，还能与计算机相连实现实验数据的实时输出，并能够方便、快捷读取平均值。
五是，水平凹槽的下方安装了一个直径与弧形轨道相等的轻质圆盘，既使演示效果更直观，又可避免仪器启动的时候滑槽伤人，提高了仪器的安全性能。
探究向心力演示仪与传统的“向心力实验演示仪”相比，实现了定量地研究与向心力大小有关的物理量，并且大大减小了实验误差。本演示仪具有性能可靠、误差小的优点。在进行向心力教学时就可以以实验探究为主，以问题讨论和小组交流为辅，把知识传授、能力培养和学生的情感态度有机的结合起来，从而加深学生对向心力公式的理解和记忆。
四、实验原理
步进电机通过联轴器与有机玻璃轨道连接，由电机带动轨道转动。将不同质量的槽码套在轨道中的绳子上，绳子的一端绕过小滑轮后绑在8字环上，将8字环固定在数显测力计的挂钩上。通过步进电机控制装置控制槽码的转速，当槽码转动时，数显拉力计上的示数即为绳子受到的拉力，而绳子受到的拉力即为槽码转动时所需的向心力。
探究向心力的大小与质量的关系时，保持转速和槽码做圆周运动半径不变，通过改变槽码的质量读出不同质量所对应的向心力的大小，将对应数据输入Excel表格中生成F-m图像，即探究向心力的大小与质量的关系。
探究向心力的大小与半径的关系时，保持转速和槽码的质量不变，通过改变槽码做圆周运动的半径，测出不同半径所对应的向心力的大小，将对应数据输入Excel表格中生成F-r图像，即探究向心力的大小与半径的关系。
探究向心力的大小与角速度的关系时，保持槽码质量和槽码做圆周运动半径不变，通过改变转速读出不同角速度所对应的向心力的大小，将对应数据输入Excel表格中生成F- 以及F- 图像，即探究向心力的大小与角速度的关系。
五、学生情况分析
（一）知识层面
学生已经知道了曲线运动、圆周运动的相关知识，并且能够准确而熟练的进行受力分析和运用牛顿运动定律。因此，我们可以让学生在教师的引导下分析向心力来源，建立向心力和向心加速度的概念。
（二）思维特点
高一学生的认知遵循从感性到理性的规律，通过创设情境，学生亲身体验的感性认识，建立对知识的理性掌握。高中学生的具有极大的好奇心，并且已经初步掌握了探究未知事物的一般方法，因此教师可以引导他们进行自主设计实验、解决自己的困惑。
六、实验教学目标
课程标准对本节课的要求是能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力，知道向心加速度，关注圆周运动的规律与日常生活的联系。
基于课程标准对本节课的要求，学生要会分析匀速圆周运动的向心力。但通过分析发现，教材对向心力大小的公式给出实在过于“简单粗暴”——直接呈现公式，这对于加深学生对于向心力的影响因素的认识，以及提高学生对向心力本质的认识都非常不利。基于上述分析，本节课的三维教学目标确定如下：
（一）知识与技能
1．理解向心力、向心加速度的概念，知道向心力是根据力的效果命名的；
2．知道向心力大小与哪些因素有关，知道向心力、向心加速度的公式的含义，计算简单情境中的向心力、向心加速度；
（二）过程与方法
1．自主设计实验，探究与向心力大小有关的因素；
2．结合生活中的向心力的应用实例，体会牛顿第二定律的普适性。
（三）情感态度与价值观
1．通过探究性活动，体会成功的愉悦，发展参与物理学习活动的兴趣；
2．联系实际，注重应用，形成理论联系实际的意识。
七、实验教学内容
本节课《向心力》是粤教版高中物理必修二的第二章圆周运动的第2节。本节内容是在了解圆周运动基本知识之后，尝试从动力学角度研究圆周运动产生的原因，详细学习向心力和变速圆周运动的知识。它与生活实际联系紧密，在物理学中占有重要地位，同时也是本章的重点和难点。学生掌握好这部分知识，可以为后面万有引力定律和带电粒子在匀强磁场中的运动打好基础。
教材的编排首先从身边的实例出发，引出向心力的概念；接着通过“实验与探究”栏目──让学生思考和感受向心力的大小与哪些因素有关，然后直接定量给出了向心力大小的计算公式。然后，结合牛顿第二定律，得到了向心加速度的公式。最后运用牛顿第二定律和向心力的知识，分析和讨论了日常生活中与圆周运动有关的物理现象。物理源自生活，又回归生活！
八、实验教学重难点
（一）重点
1．向心力、向心加速度概念的建立； 2．理解向心力的来源，并能用公式进行计算。
（二）难点
1．理解向心力的来源；
2．探究向心力大小的实验设计。
九、实验教学策略
本节课主要采用学生讨论与实验探究相结合的教学方法。
十、实验教学过程
本节课的教学过程设计为：巧设实验，引入新课→创设情境，建立概念→大胆猜想，细心实验→学有所得，回归生活。
（一）巧设实验，引入新课
趣味小实验——巧搬乒乓球。将乒乓球置于一个倒立的红酒杯中，让学生动手将乒乓球从桌子的一端搬运到另一端，激发学生的挑战欲。
将乒乓球置于倒立的红酒杯中，旋转酒杯，使乒乓球在酒杯中做圆周运动，从而保证乒乓球不会掉下来。学生亲自动手体验乒乓球在杯子中做圆周运动，并且不会掉下来。
提出问题——做圆周运动的物体受力有什么特点？引发学生思考。
（二）创设情境，建立概念
创设以下三种情境，学生通过分析做圆周运动物体的受力，总结其共同点，尝试建立向心力的概念。
（1）酒杯中转动的球（匀速圆周）
乒乓球受到重力，支持力的作用。使物体做圆周运动的力——指向圆心的合力，
（2）水槽中转动的铁球
（匀速圆周）
小球受到重力、底面对其的支持力以及槽对其的弹力。使物体做圆周运动的力——槽对其指向圆心的弹力。
（3）圆盘上转动的木块
（匀速圆周） 小木块受到重力、支持力以及静摩擦力，合力指向圆心。使物体做圆周运动的力——指向圆心的静摩擦力。
通过三个实验中物体的受力分析，学生发现规律——做匀速圆周运动的物体都会受到指向圆心的合力作用，从而提出向心力的概念。
概念：
向心力——做匀速圆周运动的物体会受到始终指向圆心合外力，这个力叫做向心力。 通过对比分析，归纳总结，加深学生对向心力定义及其方向的认识。
特点：
（1）物体做圆周运动需要的向心力是由其他的力来提供的。
（2）向心力的方向与速度的方向垂直，只改变速度方向，不改变速度大小。
（3）向心力是按效果来命名的，不是一种新的特殊性质的力。
从学生熟悉的物理情境入手，引导学生从已有物理知识出发思考，把握“向心力的概念”这一重点。另外，通过学生亲身体验、分析多个圆周运功中向心力来源，逐步加深学生对“向心力是效果力”的认识，以此来突破难点。
（三）大胆猜想，细心实验
现将教材实验进行改装，进一步创设可以感知向心力的情境，引导学生分析向心力来源的同时进行思考——向心力的大小与哪些因素有关？
让物体做圆周运动，分别改变运动半径、质量、和转动速度，感受手上拉力的改变。
动手体验并猜想——拉力的大小可能与钢球的质量m、线速度的v、角速度 、周期T，半径r有关。然而，采用控制变量法，若保持钢球的质量m、线速度的v、角速度 、周期T不变，半径r不可能变化。物体做匀速圆周运动的，v、 、T，r这四个物理量中，只要有两个量确定了，其他两个量也就跟着确定了。所以只需要研究向心力与m、v、 、T、r这四个物理量中两个物理量的关系。排除相关因素，得到最终需要验证的关键物理量。
1．学生猜想——向心力大小可能与做圆周运动物体的质量m、运动半径r和角速度 有关。学生通过体验后，感觉向心力与这些物理量有如下关系：
质量m、半径r一定，角速度 越大，向心力越大；质量m、角速度 一定，半径r越大，向心力越大；角速度 、半径r一定，质量m越大，向心力越大。
分步引导的方法符合高一学生的认知水平，使学生深刻理解实验原理，排除无关因素并且整合相关因素，得到关键影响因素。
2．设计实验——控制变量法，保持其中两个物理量不变，研究另一个量与向心力关系。
问题1：如何改变运动物体的质量？
砝码
问题2：如何让物体做匀速圆周运动并测量角速度？
步进电机
问题3：如何测量运动物体所需向心力？
力传感器
问题4：如何测量物体做圆周运动的半径？
直尺
最终设计下图实验装置，进行实验探究。
3．实验探究
实验一：探究向心力的大小与物体质量的关系 控制步进电机的转速与物体圆周运动的半径不变，改变物体质量m，测量不同质量时对应的绳子拉力——即向心力的大小。将质量及对应的向心力数据导入Excel表格，作出拉力与质量F-m的图像，可以明显发现，二者呈正相关。
在实验中引导学生分析、解决问题，以提高学生的实验能力。
因此可以得到结论，物体做匀速圆周运动的半径和角速度一定时，所需向心力与物体的质量成正比。 实验二：探究向心力的大小与运动半径的关系
控制步进电机的转速与物体质量m不变，改变物体圆周运动的半径，测量不同半径时对应的绳子拉力——即向心力的大小。将半径及对应的向心力数据导入Excel表格，作出拉力与半径F-r的图像，可以明显发现，二者也呈正相关。
因此可以得到结论，物体做匀速圆周运动的角速度和质量一定时，所需向心力与物体的运动半径成正比。 实验三：探究向心力的大小与角速度的关系 控制物体圆周运动的半径与物体质量m不变，改变步进电机的转速n，测量不同转速n时对应的绳子拉力——即向心力的大小。将质量及对应的向心力数据导入Excel表格，通过公式换算，作出拉力与半径F- 的图像，可以明显发现，二者也呈正相关。
因此可以得到结论，物体做匀速圆周运动的半径和质量一定时，所需向心力与物体运动角速度的平方成正比。 基于上述研究，结果用公式呈现如下： ，其中k为系数。为了方便，我们就认为1kg的物体做圆周运动，若运动半径为1m、角速度为1rad时，需要的向心力为1N。即
学生亲身经历“提出问题→猜想与假设→交流与合作→设计实验→实验探究→分析与论证→得出结论”的科学探究过程，加深对科学探究的理解，培养学生严谨、细致、耐心的实验修养，实事求是、尊重客观规律的科学态度，并体会到实验在探索物理规律中的作用。这个环节，突出了重点，学生成功演绎了真理发现的过程。
（四）理论推导，强化概念
下面，引导学生思考，根据力是产生加速度的原因，可知做圆周运动的物体，在向心力F的作用下必然要产生一个加速度。根据牛顿第二定律得到，这个加速度的方向与向心力的方向相同，始终指向圆心，所以称为向心加速度。 向心加速度的作用效果与向心力的作用效果一样，只改变速度的方向。
结合牛顿第二定律，提出向心加速度的概念，并利用理论导出向心加速度的计算 ，强化向心加速度的效果——方向始终沿半径指向圆心，改变速度大小。先讲向心力，后讲向心加速度，回避了用矢量推导向心加速度这个难点。 （五）学有所得，回归生活
为了帮助学生消化理解新知识，把枯燥的知识带到生活中去。设置课前引入部分的几个问题和生活中有关向心力的问题让学生去讨论，让学生意识到物理既源于生活而又走向生活。同时也起到前后呼应的作用。
（1）飞车和过山车通过圆周最高点时向心力是由哪些力来提供的？
（2）装有水的杯子在竖直平面内做圆周运动，到最高点时杯口朝下，水做圆周运动的向心力由哪些力来提供？
（3）假设你坐在一辆车上，周围没有其他乘客，也不靠在车厢上，当车子转弯时，你的向心力是从哪里来的？
通过具体实例让学生初步体验圆周运动中向心力的来源，并对圆周运动中力和运动的关系有较深入的认识，帮助学生巩固概念，发展思维。
最后进行课堂小结，回顾整节课的内容。
十一、教学效果反思
该堂课创设的物理情景，不仅使学生经历了建立概念、发现规律的过程，也很好地落实了过程目标和情感目标。
学生主动参与探究的全过程，成为学习的主体，激发了学生的求知欲望，加深了对知识的理解。在探究过程中，教师要给学生提供必要的实验器材和多媒体资源，比如，让学生知道了什么是步进电机、真正的见到了力传感器，对于相关创新实验的器材有了切身的感知；知道了可以借助其他工具非常迅速的处理数据……老师引导学生去发现问题，使学生产生探究的动机，从而提出问题，解决问题，体验问题。整个教学过程中，教师是一个引导者和参与者，组织者和帮助者，学生是学习的主人，课堂上教师要组织引导学生交流讨论，充分重视学生在探究过程中的情感、态度与价值观的培养。学生能在愉快的教学环境中获得知识和培养思维能力。
学生在“玩”当中获得成功的愉悦，这种探究性学习模式在物理教学的应用，真正体现了“以学生为中心”、“教师为主导、学生为主体”的教学原则，比教师讲和做好得多，达到事半功倍的效果！
当然，教学过程中也存在相应的问题，比如说，Excel数据的处理过于迅速，学生只是知道了结果，没有经历处理数据的过程，可能会使得印象不是很深刻；由于时间限制，学生实例分析的安排不是很足等。
附：
作者姓名：和晓东
作者单位：中山市第一中学
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
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