視頻簡介：
視頻標簽：無生課堂
所屬欄目：模擬課、微型課及試講
視頻課題：第五屆全國高中物理教師微課模擬課講課視頻（無生課堂）《向心力》中山市
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第五屆全國高中物理教師微課模擬課講課視頻（無生課堂）《向心力》中山市第一中學高中物理
向心力
中山市第一中學 和曉東
一、使用教材
本節課《向心力》選自廣東教育出版社出版的粵教版高中物理必修二的第二章圓周運動的第2節。適用于高中一年級學生下學期學習。
二、實驗器材
1、有機玻璃板框架；2、數顯測力計；3、57步進電機控制裝置；4、57步進電機；5、電機轉速控制裝置；6、轉速顯示器；7、有機玻璃弧形軌道；8、連接線；9、不同質量槽碼；10、刻度尺；11、8字環；12、滑輪；13、電機聯軸器。
三、實驗改進要點
在高中物理教學中關于向心力公式的得出是個難點，該公式的理論推導過程對學生來說過于抽象，不易理解。而圓周運動這一章在高中物理中有著重要的作用和我們的生活聯系也十分緊密。使用電動向心力定量分析演示儀可以讓學生通過實驗探究，親身感受什么是勻速圓周運動？什么是向心力？向心力由于那些因素有關，這比理論分析更有說服力。
傳統的“向心力實驗演示儀”僅僅是半定量的，并且誤差較大，從而只能定性地說明向心力大小與相關變量有關，而無法定量地測出向心力與半徑、線速度和質量有關，即準確性難以控制為了解決上述問題。
筆者設計制作了探究向心力演示儀，將向心力定性演示實驗改進為定量操作實驗。本演示儀利用調速裝置和測力裝置，通過實際演示可分別改變質量、角速度、半徑，實時讀出向心力和轉速的數值，分別探究上述物理量與向心力的關系，幫助學生更好地理解圓周運動的特點以及向心力公式。本演示儀還針對傳統電動向心力定量分析演示儀所存在的不足做了以下幾點改進：
一是，電機選用的是高精度的步進電機，調速方便，利用電機驅動裝置和控制裝置實時調節轉速，轉速精度高還可通過顯示器直接讀出轉速。
二是，固定槽碼的細線與數顯測力計的連接是在漁具中使用到的高速軸承轉環，這樣可以防止細線在旋轉的過程中因扭轉而產生的纏繞。
三是，在軌道的中心位置安裝了一個定滑輪，將水平弧形軌道中的槽碼連線轉90°與豎直方向的高速軸承轉環連接。
四是，采用了精度更高的工業用數顯測力計，使向心力的測量更加準確，測量時既可動態讀數又可將測量數據進行存儲，還能與計算機相連實現實驗數據的實時輸出，并能夠方便、快捷讀取平均值。
五是，水平凹槽的下方安裝了一個直徑與弧形軌道相等的輕質圓盤，既使演示效果更直觀，又可避免儀器啟動的時候滑槽傷人，提高了儀器的安全性能。
探究向心力演示儀與傳統的“向心力實驗演示儀”相比，實現了定量地研究與向心力大小有關的物理量，并且大大減小了實驗誤差。本演示儀具有性能可靠、誤差小的優點。在進行向心力教學時就可以以實驗探究為主，以問題討論和小組交流為輔，把知識傳授、能力培養和學生的情感態度有機的結合起來，從而加深學生對向心力公式的理解和記憶。
四、實驗原理
步進電機通過聯軸器與有機玻璃軌道連接，由電機帶動軌道轉動。將不同質量的槽碼套在軌道中的繩子上，繩子的一端繞過小滑輪后綁在8字環上，將8字環固定在數顯測力計的掛鉤上。通過步進電機控制裝置控制槽碼的轉速，當槽碼轉動時，數顯拉力計上的示數即為繩子受到的拉力，而繩子受到的拉力即為槽碼轉動時所需的向心力。
探究向心力的大小與質量的關系時，保持轉速和槽碼做圓周運動半徑不變，通過改變槽碼的質量讀出不同質量所對應的向心力的大小，將對應數據輸入Excel表格中生成F-m圖像，即探究向心力的大小與質量的關系。
探究向心力的大小與半徑的關系時，保持轉速和槽碼的質量不變，通過改變槽碼做圓周運動的半徑，測出不同半徑所對應的向心力的大小，將對應數據輸入Excel表格中生成F-r圖像，即探究向心力的大小與半徑的關系。
探究向心力的大小與角速度的關系時，保持槽碼質量和槽碼做圓周運動半徑不變，通過改變轉速讀出不同角速度所對應的向心力的大小，將對應數據輸入Excel表格中生成F- 以及F- 圖像，即探究向心力的大小與角速度的關系。
五、學生情況分析
（一）知識層面
學生已經知道了曲線運動、圓周運動的相關知識，并且能夠準確而熟練的進行受力分析和運用牛頓運動定律。因此，我們可以讓學生在教師的引導下分析向心力來源，建立向心力和向心加速度的概念。
（二）思維特點
高一學生的認知遵循從感性到理性的規律，通過創設情境，學生親身體驗的感性認識，建立對知識的理性掌握。高中學生的具有極大的好奇心，并且已經初步掌握了探究未知事物的一般方法，因此教師可以引導他們進行自主設計實驗、解決自己的困惑。
六、實驗教學目標
課程標準對本節課的要求是能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力，知道向心加速度，關注圓周運動的規律與日常生活的聯系。
基于課程標準對本節課的要求，學生要會分析勻速圓周運動的向心力。但通過分析發現，教材對向心力大小的公式給出實在過于“簡單粗暴”——直接呈現公式，這對于加深學生對于向心力的影響因素的認識，以及提高學生對向心力本質的認識都非常不利�；谏鲜龇治�，本節課的三維教學目標確定如下：
（一）知識與技能
1．理解向心力、向心加速度的概念，知道向心力是根據力的效果命名的；
2．知道向心力大小與哪些因素有關，知道向心力、向心加速度的公式的含義，計算簡單情境中的向心力、向心加速度；
（二）過程與方法
1．自主設計實驗，探究與向心力大小有關的因素；
2．結合生活中的向心力的應用實例，體會牛頓第二定律的普適性。
（三）情感態度與價值觀
1．通過探究性活動，體會成功的愉悅，發展參與物理學習活動的興趣；
2．聯系實際，注重應用，形成理論聯系實際的意識。
七、實驗教學內容
本節課《向心力》是粵教版高中物理必修二的第二章圓周運動的第2節。本節內容是在了解圓周運動基本知識之后，嘗試從動力學角度研究圓周運動產生的原因，詳細學習向心力和變速圓周運動的知識。它與生活實際聯系緊密，在物理學中占有重要地位，同時也是本章的重點和難點。學生掌握好這部分知識，可以為后面萬有引力定律和帶電粒子在勻強磁場中的運動打好基礎。
教材的編排首先從身邊的實例出發，引出向心力的概念；接著通過“實驗與探究”欄目──讓學生思考和感受向心力的大小與哪些因素有關，然后直接定量給出了向心力大小的計算公式。然后，結合牛頓第二定律，得到了向心加速度的公式。最后運用牛頓第二定律和向心力的知識，分析和討論了日常生活中與圓周運動有關的物理現象。物理源自生活，又回歸生活！
八、實驗教學重難點
（一）重點
1．向心力、向心加速度概念的建立； 2．理解向心力的來源，并能用公式進行計算。
（二）難點
1．理解向心力的來源；
2．探究向心力大小的實驗設計。
九、實驗教學策略
本節課主要采用學生討論與實驗探究相結合的教學方法。
十、實驗教學過程
本節課的教學過程設計為：巧設實驗，引入新課→創設情境，建立概念→大膽猜想，細心實驗→學有所得，回歸生活。
（一）巧設實驗，引入新課
趣味小實驗——巧搬乒乓球。將乒乓球置于一個倒立的紅酒杯中，讓學生動手將乒乓球從桌子的一端搬運到另一端，激發學生的挑戰欲。
將乒乓球置于倒立的紅酒杯中，旋轉酒杯，使乒乓球在酒杯中做圓周運動，從而保證乒乓球不會掉下來。學生親自動手體驗乒乓球在杯子中做圓周運動，并且不會掉下來。
提出問題——做圓周運動的物體受力有什么特點？引發學生思考。
（二）創設情境，建立概念
創設以下三種情境，學生通過分析做圓周運動物體的受力，總結其共同點，嘗試建立向心力的概念。
（1）酒杯中轉動的球（勻速圓周）
乒乓球受到重力，支持力的作用。使物體做圓周運動的力——指向圓心的合力，
（2）水槽中轉動的鐵球
（勻速圓周）
小球受到重力、底面對其的支持力以及槽對其的彈力。使物體做圓周運動的力——槽對其指向圓心的彈力。
（3）圓盤上轉動的木塊
（勻速圓周） 小木塊受到重力、支持力以及靜摩擦力，合力指向圓心。使物體做圓周運動的力——指向圓心的靜摩擦力。
通過三個實驗中物體的受力分析，學生發現規律——做勻速圓周運動的物體都會受到指向圓心的合力作用，從而提出向心力的概念。
概念：
向心力——做勻速圓周運動的物體會受到始終指向圓心合外力，這個力叫做向心力。 通過對比分析，歸納總結，加深學生對向心力定義及其方向的認識。
特點：
（1）物體做圓周運動需要的向心力是由其他的力來提供的。
（2）向心力的方向與速度的方向垂直，只改變速度方向，不改變速度大小。
（3）向心力是按效果來命名的，不是一種新的特殊性質的力。
從學生熟悉的物理情境入手，引導學生從已有物理知識出發思考，把握“向心力的概念”這一重點。另外，通過學生親身體驗、分析多個圓周運功中向心力來源，逐步加深學生對“向心力是效果力”的認識，以此來突破難點。
（三）大膽猜想，細心實驗
現將教材實驗進行改裝，進一步創設可以感知向心力的情境，引導學生分析向心力來源的同時進行思考——向心力的大小與哪些因素有關？
讓物體做圓周運動，分別改變運動半徑、質量、和轉動速度，感受手上拉力的改變。
動手體驗并猜想——拉力的大小可能與鋼球的質量m、線速度的v、角速度 、周期T，半徑r有關。然而，采用控制變量法，若保持鋼球的質量m、線速度的v、角速度 、周期T不變，半徑r不可能變化。物體做勻速圓周運動的，v、 、T，r這四個物理量中，只要有兩個量確定了，其他兩個量也就跟著確定了。所以只需要研究向心力與m、v、 、T、r這四個物理量中兩個物理量的關系。排除相關因素，得到最終需要驗證的關鍵物理量。
1．學生猜想——向心力大小可能與做圓周運動物體的質量m、運動半徑r和角速度 有關。學生通過體驗后，感覺向心力與這些物理量有如下關系：
質量m、半徑r一定，角速度 越大，向心力越大；質量m、角速度 一定，半徑r越大，向心力越大；角速度 、半徑r一定，質量m越大，向心力越大。
分步引導的方法符合高一學生的認知水平，使學生深刻理解實驗原理，排除無關因素并且整合相關因素，得到關鍵影響因素。
2．設計實驗——控制變量法，保持其中兩個物理量不變，研究另一個量與向心力關系。
問題1：如何改變運動物體的質量？
砝碼
問題2：如何讓物體做勻速圓周運動并測量角速度？
步進電機
問題3：如何測量運動物體所需向心力？
力傳感器
問題4：如何測量物體做圓周運動的半徑？
直尺
最終設計下圖實驗裝置，進行實驗探究。
3．實驗探究
實驗一：探究向心力的大小與物體質量的關系 控制步進電機的轉速與物體圓周運動的半徑不變，改變物體質量m，測量不同質量時對應的繩子拉力——即向心力的大小。將質量及對應的向心力數據導入Excel表格，作出拉力與質量F-m的圖像，可以明顯發現，二者呈正相關。
在實驗中引導學生分析、解決問題，以提高學生的實驗能力。
因此可以得到結論，物體做勻速圓周運動的半徑和角速度一定時，所需向心力與物體的質量成正比。 實驗二：探究向心力的大小與運動半徑的關系
控制步進電機的轉速與物體質量m不變，改變物體圓周運動的半徑，測量不同半徑時對應的繩子拉力——即向心力的大小。將半徑及對應的向心力數據導入Excel表格，作出拉力與半徑F-r的圖像，可以明顯發現，二者也呈正相關。
因此可以得到結論，物體做勻速圓周運動的角速度和質量一定時，所需向心力與物體的運動半徑成正比。 實驗三：探究向心力的大小與角速度的關系 控制物體圓周運動的半徑與物體質量m不變，改變步進電機的轉速n，測量不同轉速n時對應的繩子拉力——即向心力的大小。將質量及對應的向心力數據導入Excel表格，通過公式換算，作出拉力與半徑F- 的圖像，可以明顯發現，二者也呈正相關。
因此可以得到結論，物體做勻速圓周運動的半徑和質量一定時，所需向心力與物體運動角速度的平方成正比。 基于上述研究，結果用公式呈現如下： ，其中k為系數。為了方便，我們就認為1kg的物體做圓周運動，若運動半徑為1m、角速度為1rad時，需要的向心力為1N。即
學生親身經歷“提出問題→猜想與假設→交流與合作→設計實驗→實驗探究→分析與論證→得出結論”的科學探究過程，加深對科學探究的理解，培養學生嚴謹、細致、耐心的實驗修養，實事求是、尊重客觀規律的科學態度，并體會到實驗在探索物理規律中的作用。這個環節，突出了重點，學生成功演繹了真理發現的過程。
（四）理論推導，強化概念
下面，引導學生思考，根據力是產生加速度的原因，可知做圓周運動的物體，在向心力F的作用下必然要產生一個加速度。根據牛頓第二定律得到，這個加速度的方向與向心力的方向相同，始終指向圓心，所以稱為向心加速度。 向心加速度的作用效果與向心力的作用效果一樣，只改變速度的方向。
結合牛頓第二定律，提出向心加速度的概念，并利用理論導出向心加速度的計算 ，強化向心加速度的效果——方向始終沿半徑指向圓心，改變速度大小。先講向心力，后講向心加速度，回避了用矢量推導向心加速度這個難點。 （五）學有所得，回歸生活
為了幫助學生消化理解新知識，把枯燥的知識帶到生活中去。設置課前引入部分的幾個問題和生活中有關向心力的問題讓學生去討論，讓學生意識到物理既源于生活而又走向生活。同時也起到前后呼應的作用。
（1）飛車和過山車通過圓周最高點時向心力是由哪些力來提供的？
（2）裝有水的杯子在豎直平面內做圓周運動，到最高點時杯口朝下，水做圓周運動的向心力由哪些力來提供？
（3）假設你坐在一輛車上，周圍沒有其他乘客，也不靠在車廂上，當車子轉彎時，你的向心力是從哪里來的？
通過具體實例讓學生初步體驗圓周運動中向心力的來源，并對圓周運動中力和運動的關系有較深入的認識，幫助學生鞏固概念，發展思維。
最后進行課堂小結，回顧整節課的內容。
十一、教學效果反思
該堂課創設的物理情景，不僅使學生經歷了建立概念、發現規律的過程，也很好地落實了過程目標和情感目標。
學生主動參與探究的全過程，成為學習的主體，激發了學生的求知欲望，加深了對知識的理解。在探究過程中，教師要給學生提供必要的實驗器材和多媒體資源，比如，讓學生知道了什么是步進電機、真正的見到了力傳感器，對于相關創新實驗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處理數據……老師引導學生去發現問題，使學生產生探究的動機，從而提出問題，解決問題，體驗問題。整個教學過程中，教師是一個引導者和參與者，組織者和幫助者，學生是學習的主人，課堂上教師要組織引導學生交流討論，充分重視學生在探究過程中的情感、態度與價值觀的培養。學生能在愉快的教學環境中獲得知識和培養思維能力。
學生在“玩”當中獲得成功的愉悅，這種探究性學習模式在物理教學的應用，真正體現了“以學生為中心”、“教師為主導、學生為主體”的教學原則，比教師講和做好得多，達到事半功倍的效果！
當然，教學過程中也存在相應的問題，比如說，Excel數據的處理過于迅速，學生只是知道了結果，沒有經歷處理數據的過程，可能會使得印象不是很深刻；由于時間限制，學生實例分析的安排不是很足等。
附：
作者姓名：和曉東
作者單位：中山市第一中學
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
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