生活中的圓周運動

江蘇省蘇州市青云實驗中學(215200)

周 鑫●

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生活中的圓周運動

江蘇省蘇州市青云實驗中學(215200)

周 鑫●

教學是培養學生學科素養的過程.當今的課堂教學需要突出學生在學習中的主體地位，課堂就必須讓他們積極主動地參與學習過程，融于到真實的物理情景中去，在課堂上積極分析、探究，在實驗模擬的過程中不斷提升技能.本文以“生活中的圓周運動”為例，來談談怎樣讓學生在課堂上敢于嘗試，勇于親歷科學探究的全過程，通過感悟歷練戰勝困難，享受解決物理問題的喜悅，循序漸進地揭示物理科學知識的奧秘.

圓周運動;生活;案例

通過運動員的體操表演，可以看到圓周運動是實際中的一種完美、和諧的一種運動形式.是怎樣的神秘力量操縱著運動員的身體，讓他們做出了這種完美、和諧的運動呢？讓我們一起去揭秘生活中的圓周運動的面紗吧.

一、感悟物理知識的生活案例，分析物理規律的奧秘所在

給出生活中的幾個常見的案例，讓學生去體驗向心力是怎樣產生的.

案例1：用一根粗線拉小物體在光滑桌面上做勻速圓周運動(讓學生課前準備)；

案例2：讓學生想一想家庭的餐桌上的轉盤盤子、碗筷隨轉盤做勻速周圍運動的情況；

案例3：讓學生通過實驗器材做圓錐擺運動.

通過以上案例讓學生感悟向心力的產生原因，如案例1的向心力是粗線的拉力、案例2的向心力是轉盤對盤子、碗筷產生的摩擦力……它并不是一種新性質的力，在這里就要去強調在做圓周運動的物體受力分析過程中額外加上一個向心力是錯誤的.

二、掌握物理概念的內涵與外延，進一步探究生活中的新實例

通過以上三個案例，讓學生掌握向心力概念的內涵與外延，認識到它是做圓周運動的物體因受到外界給予的一個力或幾個力的合力體現出來的一種力，所以，分析做圓周運動的物體所受到的力，就能找出向心力.

1.行駛的火車轉彎時是做圓周運動的實例

讓學生探究在平直軌道上勻速行駛的火車受到哪些力的作用，它們有什么關系.

學生探究發現此時火車車輪受四個力：重力(G)、支持力(N)、牽引力(F)和摩擦力(f)，讓學生展示結果如下：

再觀察分析發現其中重力(G)和支持力(N) 是一對平衡力，牽引力(F)和摩擦力(f)是一對平衡力，這四個力的合力為零.

類似平直軌道上勻速行駛的火車的受力分析，火車勻速轉彎的狀態又是怎樣的呢？激發出學生探究的好奇心.

讓學生探究時一定要明確火車勻速直線運動時合外力為零，火車勻速轉彎時受向心力，合外力不為零.然后，學生自然提出了“火車轉彎時所需的向心力是如何產生的？”的質疑，讓探究進入學生的視野.

在質疑的引導下學生討論的激情高漲，有的學生聯想到了自己騎單車的轉彎的情況：因為火車轉彎做的是曲線運動，所以，所受合外力不為零，合外力提供火車轉彎所需的向心力(應是指向圓心的)；通過以上受力分析，提供火車轉彎時所需向心力的是外側鐵軌和輪緣相互擠壓產生的彈力.

火車質量很大，行駛的速度快，所以，所需向心力就很大，從而導致鐵軌和輪緣的損壞，怎樣才能避免這種后果的發生呢？學生又會提出新的質疑.

課堂上學生再通過實物模型模擬在平面彎曲軌道上火車轉彎的情景進一步探究，最終得出發現：當外軌高于內軌時，鐵軌對火車的支持力不再是豎直向上，這種支持力和重力的合力可以提供向心力，學生展示分析如上圖，這樣，就減輕了火車對鐵軌外緣的擠壓.

2.行駛的火車轉彎時做圓周運動的理論分析

因為行駛的火車轉彎時支持力和重力的合力提供了向心力，鐵軌的內、外軌均不受到側向擠壓的力.何時火車轉彎處于最佳狀況呢？這樣的質疑學生就會油然而生，探究的欲望就會再次點燃.

首先根據上述分析，火車轉彎的向心力是火車受到的支持力和重力的合力，它水平指向圓心.

總之，通過轉彎問題的探究，用勻速圓周運動和力的分析揭示了物體曲線運動的真正內涵.因為站在力的角度分析火車轉彎的特點，火車所受的合外力的方向一定在水平方向上向內.案例讓學生一定會明確物體除了重力外，至少還要受到一個其他的力，確保物體在做勻速圓周運動產生一個水平面的向心力.

[1]郝國勝.生活中的圓周運動[J].《中學生數理化:高一版》, 2008(1):55-57

[2]鄭康.ARCS動機模型在高中物理課堂中的應用——以“生活中的圓周運動”為例[J].《中學物理教學參考》, 2016(12)

[3]楊亞芳.基于物理核心素養提升的教學設計——以“生活中的圓周運動”為例[J].《物理教學》, 2016(5):11-15

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