1、基于学生体验的认知教学向心力教学设计一前期分析“向心力”是人民教育出版社 2011 年出版的普通高中课程标准实验教科书物理 2（必修）第五章曲线运动中第六节的内容。本节课是一节向心力的概念课，是圆周运动的重点与难点，也是学好圆周运动的关键，学好这部分知识，既让学生明白了牛顿运动定律同样适用于分析曲线运动，同时也为以后学习天体运动和带电粒子在磁场中的运动打下基础。教材的编排思路非常清晰，先从身边的事例出发，让学生体会到做圆周运动的物体需要有一个指向圆心的力，从而定义向心力的概念，讨论了向心力的性质和特点，然后根据牛顿第二定律和向心加速度表达式得到向心力的表达式，之后为了让学生对向心力有一个感性的
2、认识，设计了“实验”栏目“用圆锥摆验证向心力的表达式” ，一方面可以减少由于器材引起的困难，确保实验的开展，有利于分组学生实验。另一方面，用生活中常见的物品做实验会拉近科学与学生的距离，使学生感到科学就在我们身边，对科学产生亲切感。然后让学生在更一般、更广阔的背景下认识圆周运动和曲线运动。最后，设置了“做一做”栏目，通过体验性实验，让学生获得直接的感性认识，加深对向心力的理解。学生在学习此节之前已经学习了直线运动和用牛顿运动定律解决相关问题，并通过前一节的学习，已经从数学的角度初步完成了向心加速度的推导，对向心加速度的概念也有了一定的了解。但是由于经验或者思维定势，往往认为向心力是一种新的力，
3、在对物体受力分析的时候多分析了一个向心力，究其原因还是学生对向心力的体验不够，所以在教学过程中要多设计体验性的实验，让学生亲身去感受，去体验向心力的存在及来源；另外由于向心加速度本身从理论上推导得出的，而本节继续从理论的基础上推出向心力表达式，学生对向心力表达式是否接受或者完全接受其实还是要打问号的，因此非常有必要通过实验对表达式加以验证，最好是能够做到比较准确的验证，而不是粗略的验证。这样做不仅解决了学生对表达式的疑虑，而且还从另一个方面使学生能感受到牛顿运动定律不仅适用于直线运动，同样适用于圆周运动，有利于学生对牛顿运动定律的深化理解。而教材中实验的难点在于不易保持摆球的圆周运动，所以相当
4、有必要对实验进行改进，以保持摆球圆周运动的持续性和稳定性，进一步保证了实验的精确性。同时本节课限于时间的限制，不可能面面俱到，对于变速圆周运动跟一般曲线运动中向心力问题，可以作为学生课后拓展性知识。重点应放在如何帮助学生在匀速圆周运动中如何形成向心力概念。（一）教学要求基本要求1. 了解向心力概念，知道向心力是根据力的效果命名的。2. 体验向心力的存在，掌握向心力的表达式。3. 会分析向心力的来源，计算简单情境中的向心力。4. 初步了解“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”的原理。5. 会测量、分析实验数据，获得实验结论。发展要求1. 从牛顿第二定律角度理解向心力的表达式2. 知道做变速圆周运动的
5、物体所受的合力一般不指向圆心，可分解为切向分力和向心分力。3. 知道向心力的公式也适用于变速圆周运动，对竖直平面上的变速圆周运动问题，能运用向心力公式对最高点和最低点做定量分析。（二）教学重点1.向心力概念的理解2.体验向心力的存在和影响向心力大小的因素3.实验验证向心力的表达式（三）教学难点1.向心力概念的理解二教学目标知识与技能1知道什么是向心力，理解它是一种效果力。2理解向心力公式的确切含义，并能用来进行简单的计算。3知道向心力的公式也适用于变速圆周运动过程与方法1通过实验，体验和感受向心力的存在和向心力大小的影响因素。2经历向心力公式的理论推导和实验验证过程，并体会其中所涉及到的物理思
6、想与方法。情感态度与价值观1通过亲身的体验，拉近科学与学生的距离，使学生感到科学就在身边。2在实验中，培养动手的习惯和操作能力及分析问题、解决问题的能力。3感受成功的快乐，体会实验的意义，调动学生学习的积极性，激发学生学习物理的兴趣。三教学设计思想本节课的重点和难点是学生如何建立向心力的概念，而物理概念的形成是一个非常复杂的过程，从认识论的角度来讲，物理概念的形成通常可以概括为三个阶段，即通过生活经验和观察实验获得感性的认识的阶段、由感性认识上升到理性认识的阶段、理性认识到实际运用的阶段。为了有利于学生概念的形成，教师必须加强物理实验，并充分利用图片、图形、电视录像、多媒体课件等手段再现知识发
7、生、发展的过程，并用图文并茂的方式为学生提供丰富的感性材料，促进学生的思维活动，降低学生形成概念的难度。本节课基于学生学习体验的教学模式，在教学中设计各种活动和实验，让学生从中去体验、去感受向心力的存在及其影响因素，当学生有了真切的感受之后，才有进一步学习的欲望和动力，然后因势利导，同时也能很好的解决教学中的重点跟难点。教学设计的流程图：四课前准备1学生应该对简单的匀速圆周运动进行受力分析，知道向心加速度的概念、公式及物理意义2实验仪器：圆珠笔杆、50CM 细线、小钢球、塑料球、向心力演示仪、改进后的圆锥摆3制作 PPT五教学过程（一）创设问题情境，提出向心力师：我们来看两个做匀速圆周运动的例
8、子，思考这样的问题：他们的受力情况如何，这些创设情景演示实验学生活动学生体验 1观察玩实验学生体验 2展示汇报表达暴露认知盲点、障碍点明确任务学生体验 3定性探究理论探究定量探究实验探究得出结论应用结论物体为什么没有飞出去？（1）绳的一端系一小球，使小球在水平面内做圆周运动（2）地球绕太阳运动 学生活动：对以上两个物体分别进行受力分析：提问：他们的受力有什么特点？引导学生回答：合力指向圆心，并且跟速度的方向垂直。总结归纳：看来，要使物体做匀速圆周运动，必须使物体受到与速度方向垂直而指向圆心的力的作用，在物理学中称之为向心力。引导学生进一步归纳：向心力是按照力的作用效果命名，可以是合力提供，也可
9、以使由某一个力提供，也可以是某一个力的分力提供。（二）创设活动和实验情境，体验向心力师：你想亲身感受向心力的存在吗，能不能在现场设计一个活动，感受向心力的存在？生：两个人手拉手，一个人绕另一个人转，或者相互转。师：是否介意我们一起来完成这个活动？ 师生共同完成这个活动（在活动中也要凸显学生的主体作用，把自己当作配角，让学生发出指令，老师绕学生转）师：你感受到了向心力的存在吗？哪里感受到了？生：手感受到了。师：有没有什么办法使你的感受更强烈些？（通过这个问题寻找向心力大小的影响因素）生：你可以转的快一些，我们之间的距离变大些，你的质量大一些。师：根据你的感受，你认为向心力的大小与哪些因素有关？生
10、：与做圆周运动物体的质量，半径，转速（角速度）有关。（通过该活动不仅让学生亲身感受了向心力，使其对向心力有了感性的认识，而且拉近了师生的距离，充分调动了学生的积极性，很好的激发了学生的学习热情）师：同学们利用桌上的装置设计一些方案，亲身感受向心力的存在及影响其大小的因素。学生设计活动方案，活动之后，然后让学生汇报其体验的结果。（学生在活动过程中一开始不知道怎么弄，因此要适时的对学生的活动进行指导，学生通过该实验再次亲身感受并体验了向心力及其大小的影响因素，使学生对向心力有了进一步金属球塑料球圆珠笔筒的认识，并且启发了学生的思维，使其有进一步学习向心力的欲望）（三）联系旧知，寻求解释，获取新知师
11、：通过以上的活动与实验，大家切实感受到了向心力的存在，并且对影响向心力的大小因素也达成了共识，那我们能不能从理论上去进行解释呢？引导学生回顾做匀速圆周运动的物体具有向心加速度，产生向心加速度的力其实就是向心力。根据牛顿第二定律，可以得到向心力的表达式： 或者 。2nvFmr2nr（通过该环节的理论推导，不仅使学生的体验有了理论的支撑，而且使学生能感受到圆周运动中力与运动的关系，同样也遵循牛顿运动定律）（四）实验验证，深化新知师：由于上一节的向心加速度的表达式本身也是从理论上推导得出的，这些理论正确与否我们必须通过实验来验证。展示向心力演示仪，结合 PPt 给学生介绍其构造和工作原理，引导学生说
12、出验证采用的方法控制变量法，然后确定具体的方案。教师演示给全班同学并引导学生通过实验现象共同归纳出结论：半径 r、角速度 一定，与质量 m 成正比；质量 m、角速度 一定，与半径 r 成正比；质量 m、半径 r 一定，与角速度 的平方成正比；师：通过该结论好像只能验证我们表达式里面的比例关系是正确的，但是影响向心力大小是否还有其他的因素，又是怎样的关系我们好像还不得而知，因此我们又必须通过进一步的实验来检验表达式是否正确？展示改进的圆锥摆用电动机制作的一个电动的圆锥摆，可以改变摆长、转速、以及小球的质量，可以做到转速稳定、半径不变、摆角不变。首先引导学生明确该实验的目的：验证向心力表达式 或者
13、 ；2nvFmr2nr然后引导学生从力的角度分析向心力的来源，得出向心力的大小 ；tang进一步明确实验的目的：检验 与 是否相等。tanmg2r师：实验过程中我们需要测量那些物理量？分别如何测量？OOlm OlmO生 1：质量、角度、半径、角速度；生 2：质量不需要测量，两边都消掉了；生 3：角速度直接不好测量，可以先测量其周期师：很好，那周期怎么测量呢？生 3：哦，应该测量他很多圈所用的时间，然后再用总时间除圈数生 4：角度也不是很好测量，可以测量半径跟摆长；生 5：半径好像也不是很好测量 对学生的回答给予肯定，引导学生对需要验证的等式进行化简： 24tanmgrT r= h tan 2所
14、以我们只需要测量周期跟高度就可以了。请两位学生协助共同完成实验的数据记录与处理次数 T/s h/m T2 h/T2 g/4 2 绝对误差 相对误差(%)123引导全体同学结合以上的数据对实验的可靠性进行评估。（实验方案确定了之后，关于实验当中需要测量哪些物理量，不能仅凭公式中存在的物理量，应该在实验前期进行分析论证）（五）联系实际，巩固反馈，活化新知1. 将乒乓球倒扣在高脚玻璃杯内，快速在桌面上旋转杯子，使乒乓球在杯内快速转动，让学生分析乒乓球的向心力是由什么力提供的，引导学生构建物理模型，正确选取研究对象并对研究对象进行受力分析，找出向心力的来源。2实验演示物体随圆盘转动，首先让学生分析物体
15、向心力是由什么力提供的，然后给出物体的质量 m=100g,距离圆盘中心 0.2m 的位置，圆盘转动的角速度大约是 4rad/s,求物体所受向心力的大小？（该问题学生对物体的向心力可能有不同的意见，应该给学生充分思考的时间）（六）归纳小结让学生结合自己的体验与学习梳理本节课的内容，让他们谈谈对向心力的理解，相互之间进行补充。六形成性练习1.地球质量为 6.010-24kg，地球与太阳的距离为 1.51011m。地球绕太阳的运动可以看做匀速圆周运动。太阳对地球的引力是多少？2.试估算地球赤道上质量 1KG 的物体随地球自转所受向心力的大小？3.小物体随圆盘做匀速圆周运动， （1）小物体离盘近一些还
16、是远一些容易滑动（2）如果滑动，小物体会向哪个方向运动。 （3）若物体随圆盘做变速圆周运动，某时刻的向心力大小如何计算？4.体验性实验中，当转速达到一个确定值时，金属球可处于静止状态，（1）分析这一问题时，需要忽略一些次要因素（做一些理想化考虑）建立一个模型，哪些次要因素需忽略的；（2）画出这一模型的示意图；（3）写出求解转动角速度的基本方程。七板书设计第七节 向心力1.定义：做匀速圆周运动的物体受到的指向圆心的合力叫做向心力。注意（1）向心力是根据力的作用效果来命名的。（2）向心力的方向与线速度的方向垂直，起改变速度方向的作用，不改变速度的大小。（3）匀速圆周运动中，物体所受的合外力提供其做圆周运动的向心力。2.表达式： 或者2nvFmr2nr
