人教版高中物理必修2教學設計

課題生活中的圓周運動單元6學科物理年級高一

本節是人教版必修2第六章第4節的內容,本節是圓周運動的應用課，內容豐富。教材

中的每個例子的選擇都各有特點，很有代表性：鐵路的彎道時分析水平面上的勻速圓周運動；

教材

拱形橋和凹形橋是分析豎直面上的非勻速圓周運動；航天器中的失重現象研究失重問題；離

分析

心運動則研究向心力不足時物體的運動趨勢。討論教材中的這幾個實例，要抓住先分析物體

所受的力，然后列出方程，解方程。

一、教學目標

1、進一步加深對向心力的認識，會在實際問題中分析向心力的來源

2、能定性分析火車外軌比內軌高的原因，及車速變化時內外軌的壓力變化

3、能定量計算汽車過拱橋最高點和凹形橋最低點的壓力問題

教學4、知道離心運動及其產生條件，了解離心運動的應用于防止

目標

二、核心素養

與核

物理觀念：能建立火車轉彎和汽車過拱橋等幾個物理模型的物理觀念。

心素

養科學思維：培養學生獨立觀察、分析問題、解決問題的能力，提高學生概括總結知識的

能力。

科學探究：通過對幾個圓周運動的事例分析，掌握用牛頓第二定律分析向心力的方法。

科學態度與責任：通過離心運動的應用和防止的實例分析．使學生明白事物都是一分為

二的，要學會用一分為二的觀點來看待問題，養成良好的思維表述習慣和科學的價值觀。

重點具體問題中向心力的來源

難點1、具體問題中向心力的來源尤其是火車轉彎問題。

2、離心現象的理解

教學過程

教學環節教師活動學生活動設計意圖

導入新課賽車在經過彎道時都會減速，如果不減速賽車

就會出現側滑,從而引發事故，大家思考一下我們如學生觀察思考拋出問題，引發

何才能使賽車在彎道上不減速通過?如何才能使賽思考，激發同學

出示圖片:摩托車轉彎車在彎道上不們的學習的興趣

摩托車賽中摩托車在經過彎道時不減速，可以減速通過?

通過傾斜摩托車來通過彎道，你知道什么力提供向

心力？向心力與傾斜度有關嗎？今天我們就通過

實例來解決這類問題

講授新課一、火車轉彎

1、在平直軌道上勻速行駛的火車受幾個力作學生思考討論通過對水平軌道

用?這幾個力的關系如何?問題火車轉彎問題的

火車受重力、支持力、牽引力及摩擦力．且四分析，引導學生

個力合力為零，其中重力和支持力的合力為零，牽認識輪緣的作

引力和摩擦力的合力為零。用，及其存在的

那火車轉彎時情況會有何不同呢?弊端，激發學生

2、火車轉彎思考，推理能力

火車轉彎時實際是在做圓周運動，因而具有向

心加速度。

是什么力使它產生向心加速度？

出示圖:火車的輪緣

教師歸納:與汽車輪胎不同的是，火車的車輪

上有突出的輪緣.

3、火車轉彎時向心力的來源

火車在水平軌道上轉彎時，所需的向心力由誰學生自主探究培養學生的創造

提供？分析力，引出實際火

鐵路彎道的內外軌一樣高，火車轉彎時，外側車軌道的建構

車輪的輪緣擠壓外軌，使外軌發生彈性形變，外軌

對輪緣的彈力是火車轉彎所需向心力的主要來源。

出示圖片:火車轉彎示意圖

火車質量太大，靠這種辦法得到向心力，將會

使輪緣與外軌間的相互作用力過大，不僅鐵軌和車

輪極易受損，還可能使火車側翻。

如果在彎道處使外軌略高于內軌，就可解決這

一問題。

4、彎道處使外軌略高于內軌

火車轉彎時鐵軌對火車的支持力FN的方向

不再是豎直的，而是斜向彎道的內側，它與重力G

的合力指向圓心，為火車轉彎提供了一部分向心

力。這就減輕了輪緣與外軌間的擠壓。

畫出火車在彎讓學生能主動的

道上的重力與對待問題，提出

支持力的合力合理方案，培養

方向學生解決問題能

力

向心力是水平的

思考討論：軌道對輪緣無擠壓，此時火車的速

度為多大？

在修筑鐵路時，要根據彎道的半徑和規定的行

駛速度，適當選擇內外軌的高度差，使轉彎時所需

的向心力幾乎完全由重力G和支持力FN的合力

在教師的引導鍛煉學生計算推

來提供。

下算出這一速理能力

F合＝mgtanθ火車轉彎時所需的向心力

度

2

Fn=mv/r

思考討論：若火車的速度大于或小于這個值

時，軌道對輪緣有擠壓嗎？

學生思考討論讓學生明確火車

火車向外側運動做離心運動，輪緣受到外軌向在彎道上不能過

內的彈力。快也不能過慢。

回歸生活，再次

火車向內側運動做向心運動，輪緣受到內軌向體驗知識與生活

外的彈力。的聯系，培養學

注意：生利用合理、科

向心力是按效果命名的力，任何一個力或幾個學的方法解決生

力的合力，只要它的作用效果是使物體產生向心加活中的問題

速度，它就是物體的向心力。并不是除了受到另外

物體的作用，還要再受一個向心力。

針對練習

1、火車轉彎可近似看成是做勻速圓周運動，

當火車速度提高時會使軌道

的外軌受損。為解決火車高速轉彎時不使外軌

受損這一難題，你認為以

下措施可行的是（）

A．適當增高內軌

B．適當降低外軌學生練習鞏固所學知識

C．減小彎道半徑

D．增大彎道半徑

答案:D

典型例題:火車以半徑R=900m轉彎，火車質

量為8×105kg，速度為30m/s，火車軌距l=1.4m，

要使火車通過彎道時僅受重力與軌道的支持力，軌

道應該墊的高度h？

在教師引導下鍛煉學生解決實

計算軌道應該際問題的能力

墊的高度h

解：（θ較小時tanθ=sinθ）

由向心力公式得：F/mg=tanθ

力的關系得：F=mv2/R

由幾何關系得：h/l=sinθ

h=lv2/Rg=0.14m

思考討論：高速公路轉彎處和場地自行車比賽

的賽道，路面往往有一定的傾斜度，說說這樣設計

的原因。

教師總結:汽車和自行車都在做圓周運動，都需

要一個向心力,而向心力是車輪與地面的摩擦力提

供的,由于摩擦力的大小是有限的，當汽車與地面的

摩擦力不足以提供向心力時汽車就會發生側滑，發

生事故，如果高速公路轉彎處和場地自行車比賽的

賽道路面有一定的傾斜度，這樣重力和支持力的合

力可以提供一部分向心力，使行駛更安全。

二、汽車過拱形橋

1、汽車過拱形橋

學生閱讀課文鍛煉學生的自主

分析汽車通過學習能力和分析

汽車通過拱形橋拱形橋的受力解決問題的能力

質量為m的汽車在拱形橋上以速度v前進，示意圖

設橋面的圓弧半徑為r我們來分析汽車通過橋的

最高點時對橋的壓力。

它們的合力就是使汽車做圓周運動的向心力

F，向心加速度的方向豎直向下。

F＝mg－FN

當汽車通過橋的最高點時，根據牛頓第二定律

F＝ma，因為F＝mv2/r所以mg－

22

FN＝mv/r,FN＝mg－mv/r,由牛頓第三定

2

律：FN′＝mg－mv/r

即：汽車對橋的壓力FN′與橋對汽車的支持力

FN是一對作用力和反作用力，大小相等。

2

所以壓力的大小為FN′＝mg－mv/r<mg

即：汽車處于失重現象而且汽車的速度越大，汽車

對橋的壓力越小。

思考討論：當恰好FN′=0時，汽車的速度為多

大？當汽車以越來越大的速度通過拱形橋的最高學生思考討論使學生掌握豎直

點時，會發生什么現象？平面內的圓周運

當恰好FN′=0時，重力提供物體做圓周運動的動的一般研究方

向心力法，并通過感受

即：mg＝mv2/R建立模型的過程

解得：

2

由FN′＝mg－mv/r<mg可知，速度越來越

大，FN′越來越小，

當FN′=0，即：

汽車脫離橋面，做平拋運動，汽車及其中的物

體處于完全失重狀態。

2、汽車通過凹形路面

學生閱讀理通過對凹凸橋的

解，在老師引分析，拓展，使

2

FN－mg＝mv/r

導下進行受力學生的對圓周運

2

FN＝mg+mv/r＞mg

由牛頓第三定律得，汽車通過橋的最高點時對分析動的分析方法得

橋的壓力比汽車重力大到進一步提升。

2

FN′＝mg+mv/r>mg,此時汽車處于超重現

象。

思考討論:地球可以看作一個巨大的拱形橋，橋

面的半徑就是地球的半徑R（約為6400km）。地

面上有一輛汽車在行駛，所受重力G＝mg，地面

對它的支持力是FN根據上面的分析，汽車速度越學生思考討論鍛煉學生的計算

大，地面對它的支持力就越小。會不會出現這樣的并回答分析能力

情況：速度大到一定程度時，地面對車的支持力是

0？這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少？駕駛

員軀體各部分之間的壓力是多少？他這時可能有

什么感覺？

解：若地面對車的支持力恰好為零，那么車的

重力提供向心力，即mg＝mv2/r，所以

＝7.9×103m/s＝7.9km/s.

三、航天器中的失重現象

1、航天器在發射升空（加速上升）

航天器在發射升空（加速上升）時：FN－mg＝

ma

學生獨立分析鍛煉學生分析解

FN=ma+mg航天員處在超重狀態。

以上提出的問決問題的能力

2、航天器繞地球做勻速圓周運動時

題，并在練習通過實例分析，

當飛船距地面高度為100?200km時，它

本上畫出受力讓學生了解到航

的軌道半徑近似等于地球半徑R，航天員受到的地

分析圖，嘗試天器中的失重現

球引力近似等于他在地面受到的重力mg。

解答象．學習知識的

除了地球引力外，航天員還可能受到飛船座艙

同時激發學習物

對他的支持力FN。

理學的興趣．

引力與支持力的合力為他提供了繞地球做勻

速圓周運動所需的向心力即：

2

mg－FN＝mv/R

2

FN＝m（g－v/R）

由此可以解出，當

時座艙對航天員的支持力FN＝0，

航天員處于完全失重狀態。

四、離心運動和向心運動

1、做圓周運動的物體，如果向心力突然消失，

由于慣性，總有沿著切線方向飛出去的傾向。

2、離心運動

做圓周運動的物體，在所受合外力突然消失或

不足以提供圓周運動所需向心力時（F<mrω2），就學生認真思考培養學生觀察生

做逐漸遠離圓心的運動，這種運動就叫離心運動。并討論問題，活的良好品質，

3、向心(近心)運動學生代表發表培養學生發現問

見解，相互間題、解決問題的

交流、討論，主動求知的意

回答。識。

做圓周運動的物體，在所受合外力大于物體所

需的向心力時（F合>Fn），就做逐漸靠近圓心的

運動，這種運動就叫做向心(近心)運動。

4、離心運動的應用以及危害

（1）離心運動的應用

出示圖片:洗衣機脫水桶

①洗衣機脫水

洗衣機脫水時利用離心運動把附著在物體上

的水分甩掉；紡織廠也用這樣的方法使棉紗、毛

線、紡織品干燥。

②醫務人員用離心機分離血液學生閱讀理解鍛煉學生的自主

出示圖片:離心機學習能力掌握離

借助離心機，醫務人員可以從血液中分離出血心運動的應用以

漿和紅細胞及危害

③棉花糖的制作

出示棉花糖制作圖片

小朋友愛吃的“棉花糖”它的制作方法也應

用了離心運動的原理。

④無縫鋼管

出示無縫鋼管的圖片

在煉鋼廠中，把熔化的鋼水澆入圓柱形模子，

模子沿圓柱的中心軸線高速旋轉。

鋼水由于離心運動趨于周壁，冷卻后就形成無

縫鋼管。

（2）離心運動的防止

①汽車拐彎時限速

在水平公路上行駛的汽車轉彎時靜摩擦力提

供汽車轉彎時的向心力，如果轉彎時速度過大，

2

Fmax<mv/r，汽車將做離心運動而造成事故，因此，

在公路彎道，車輛不允許超過規定的速度。

出示汽車轉彎圖片

汽車轉彎時速度過大會造成交通事故

②高速旋轉的飛輪、砂輪的限速

對于一些本身轉動的物體也要預防離心現象

例如：高速轉動的砂輪、飛輪等，都不得超過允許

的最大轉速。

轉速過高時，砂輪、飛輪內部分子間的相互作

用力不足以提供所需向心力，離心運動會使它們破

裂，釀成事故。

出示圖片：高速轉動的砂輪

課堂練習

1、如圖所示，一輛汽車正通過一段彎道公路，

視汽車做勻速圓周運動，則（）

A．該汽車速度恒定不變。

B．汽車左右兩車燈的線速度大小相等。

學生練習鞏固所學知識

C．若速率不變，則跟公路內道相比，汽車在

外道行駛時所受的向心力較小。

D．若速率不變，則跟晴天相比，雨天路滑時

汽車在同車道上行駛時所受的向心力較小。

答案：C

2、火車轉彎時可以看成是做勻速圓周運動，

火車速度提高會使外軌受損，為解決火車高速轉彎

時不使外軌受損這一難題，你認為以下措施可行的

是（）

①增加內外軌的高度差

②減小內外軌的高度差

③增大彎道半徑

④減小彎道半徑。

A．①③B．②③C．①④D．②④

答案：A

3、在日常生活中有許多地方需要注意離心現

象造成的危害，下列措施不是用于預防離心現象危

害的是（）

A．在平直的校園路面上設置減速帶

B．在砂輪的外側加防護罩

C．在鐵餅的投擲區域修建鋼絲網

D．在道路的拐彎處豎立限速標示牌

答案：A

4、關于離心運動，下列說法中正確的是（）

A．物體突然受到離心力的作用，將做離心運

動。

B．物體受的離心力大于向心力時將做離心運

動。

C．做勻速圓周運動的物體，只要向心力的數

值發生變化，就將做離心運動。

D．做勻速圓周運動的物體，當外界提供的向

心力突然消失或變小時將做離心運動。

答案：D

拓展提高

1、汽車在水平轉彎時由靜摩擦力提供向心

力，如果發生側翻通常向彎道的————（選填“內

側”或者“外側”）翻倒，而引起汽車側翻的主要

原因有————．

A．汽車速度太小

B．汽車轉彎半徑太小

C．汽車輪胎與路面間的摩擦因數太大．

答案：外側；B

2、如圖所示，光滑水平面上，小球m在拉力

F作用下做勻速圓周運動。若小球運動到P點時，

拉力F突然消失，關于小球運動情況的說法正確的

是（）

A．小球將沿軌跡Pa做離心運動

B．小球將沿軌跡Pb做離心運動

C．小球將沿軌跡Pc做向心運動

D．小球將繼續做勻速圓周運動

答案：A

3、如圖所示為家用洗衣機的脫水桶，當它高

速旋轉時，能把衣物甩干。以下敘述正確的是

（）

A．脫水桶高速運轉時，水受到向心力作用，

做向心運動飛離衣物。

B．脫水桶高速運轉時，水受到與運動方向一

致的合外力作用飛離衣物

C．通過脫水流程，打開洗衣機，發現衣物集