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高三物理教案:《曲線運(yùn)動》教學(xué)設(shè)計

來源:學(xué)科網(wǎng) 2018-11-13 09:39:17

  【教學(xué)目標(biāo)】

  l.知道什么是曲線運(yùn)動。

  2.知道曲線運(yùn)動中速度的方向,理解曲線運(yùn)動是一種變速運(yùn)動。

  3.會用作圖和計算的方法,求解位移和速度的合成與分解問題。

  4.知道物體做曲線運(yùn)動的條件是所受的合外力與它的速度方向不在一條直線上。

  【教學(xué)重點(diǎn)】

  1.什么是曲線運(yùn)動。

  2.物體做曲線運(yùn)動的方向的確定。

  3.位移和速度的合成與分解。

  4.物體做曲線運(yùn)動的條件。

  【教學(xué)難點(diǎn)】

  1.曲線運(yùn)動是變速運(yùn)動。

  2.應(yīng)用位移和速度的合成和分解分析解決實際問題。

  3.物體做曲線運(yùn)動的條件。

  【教學(xué)方法】探究、講授、討論、練習(xí)

  【教學(xué)用具】投影儀、演示紅蠟燭運(yùn)動的有關(guān)裝置、斜面、小鋼球、條形磁鐵

  【教材分析】本章明確物體做曲線運(yùn)動的條件和和曲線運(yùn)動的特點(diǎn),如何描述曲線運(yùn)動,闡述了研究曲線運(yùn)動的基本方法,并用這個方法具體研究了平拋運(yùn)動的特點(diǎn)和規(guī)律。勻速圓周運(yùn)動的描述方法和基本規(guī)律以及勻速圓周運(yùn)動規(guī)律的應(yīng)用舉例。牛頓運(yùn)動定律對不同形式的機(jī)械運(yùn)動是普遍適用的,在研究不同運(yùn)動時要注意各自的特點(diǎn),對具體問題進(jìn)行具體分析,靈活運(yùn)用所學(xué)的知識。

  【教學(xué)過程】

  [新課導(dǎo)入]

  前面我們研究了直線運(yùn)動:勻速直線運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動(自由落體運(yùn)動、豎直上拋運(yùn)動)。在實際中,普遍發(fā)生的是曲線運(yùn)動。那什么是直線、曲線運(yùn)動?物體做直線、曲線運(yùn)動的條件是什么?如何處理曲線運(yùn)動?這就是本節(jié)要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

  [新課教學(xué)]

  下面來看幾個實驗:

  演示自由落體運(yùn)動。該運(yùn)動的軌跡是什么?(直線)

  演示平拋運(yùn)動。該運(yùn)動的軌跡是什么?(曲線)

  1、直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動

  運(yùn)動軌跡是直線的運(yùn)動叫直線運(yùn)動,運(yùn)動軌跡是曲線的運(yùn)動叫曲線運(yùn)動。

  請大家再舉出一些生活中的曲線運(yùn)動的例子。(微觀世界里如電子繞原子核旋轉(zhuǎn);宏觀世界里如天體運(yùn)行;生活中如投標(biāo)搶、導(dǎo)彈、擲鐵餅、跳高、跳遠(yuǎn)、汽車轉(zhuǎn)彎等均為曲線運(yùn)動。)

  曲線運(yùn)動比直線運(yùn)動復(fù)雜,但同樣可以用位移和速度來描述,選取參考系,建立坐標(biāo)系。只是研究直線運(yùn)動時沿著物體或質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡建立一維直線坐標(biāo)系,而我們現(xiàn)在只研究在平面內(nèi)的曲線運(yùn)動,則可建立二維平面直角坐標(biāo)系,以把物體沿水平方向拋出為例,其坐標(biāo)系可以這樣建立:以物體拋出點(diǎn)為原點(diǎn),水平拋出方向為x軸,豎直向下方向為y軸。

  2、曲線運(yùn)動的位移

  圖5.1-1,當(dāng)物體運(yùn)動到A點(diǎn)時,相對于拋出點(diǎn)的位移OA,可用表示。由于曲線運(yùn)動中位移方向時刻變化,運(yùn)算不太方便,而坐標(biāo)軸上的兩分矢量方向是確定的,則只可用A點(diǎn)的坐標(biāo)、(為位移與x軸的夾角)就能表示了。

  3、曲線運(yùn)動的速度

  我們知道直線運(yùn)動的速度方向與物體的運(yùn)動方向相同,那曲線運(yùn)動的速度方向如何?

  P2“思考與討論”

  分析圖5.1-3例子可知:做曲線運(yùn)動的物體不同時刻速度具有不同的方向。

  那速度方向如何呢?

  磨出的火星是砂輪與刀具磨擦出的微粒,由于慣性,以脫離砂輪時的速度沿切線方向飛出,切線方向即為火星飛出時的速度方向。對于鏈球也是同樣的道理,它們也會沿著脫離點(diǎn)的切線方向飛出。如手通過細(xì)線拉一小球在光滑水平面上做圓周運(yùn)動,在某位置A突然放手。撐開的帶著水的傘繞傘柄旋轉(zhuǎn),傘面上的水滴沿傘邊各點(diǎn)所劃圓周的切線方向飛出。

  剛才的幾個物體的運(yùn)動軌跡都是圈,我們總結(jié)曲線運(yùn)動的方向沿著切線方向,但對于一般的曲線運(yùn)動是不是也是這樣呢?下面我們來做個實驗看一看,一般的曲線運(yùn)動是什么情況。

  在討論曲線速度方向前,我們來看一個數(shù)學(xué)概念:曲線的切線。圖5.1-5,當(dāng)A、B靠得很近很近時,割線就成了切線。

  演示:

  如圖5.1—4所示,水平桌面上擺一條曲線軌道,它是由幾段稍短的軌道組合而成的。鋼球由軌道的一端滾入(通過壓縮彈簧射人或通過一個斜面滾入),在軌道的束縛下鋼球做曲線運(yùn)動。在軌道的下面放一張白紙,蘸有墨水的鋼球從出口A離開軌道后在白紙上留下一條運(yùn)動的軌跡,它記錄了鋼球在A點(diǎn)的運(yùn)動方向。拿去一段軌道,鋼球的軌道出口改在圖中B,同樣的方法可以記錄鋼球在軌道B點(diǎn)的運(yùn)動方向。觀察一下,白紙上的墨跡與軌道(曲線)有什么關(guān)系?(墨跡與軌道只有一個交點(diǎn),說明了墨跡所在的直線為軌道所在曲線在該點(diǎn)的切線。)

  ①速度方向:質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)(或某一時刻)的速度,沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向

  通過實驗我們總結(jié)出了確定做曲線運(yùn)動的物體在任意一點(diǎn)的速度方向,下面我們再從理論上來證明這個結(jié)論。

  圖5.1—5,要求曲線上A點(diǎn)的瞬時速度,可在離A不遠(yuǎn)處取一B點(diǎn),用AB的平均速度來近似表示A點(diǎn)的瞬時速度,據(jù)式:VAB=XAB/t可知:VAB的方向與XAB的方向一致,t越小,VAB越接近A點(diǎn)的瞬時速度,當(dāng)t→0時,AB間的平均速度即為A點(diǎn)的瞬時速度,AB曲線即為切線,A點(diǎn)的瞬時速度為該點(diǎn)的切線方向。

  P4“做一做”

  曲線運(yùn)動的速度和直線運(yùn)動的速度最大的區(qū)別是什么?(直線運(yùn)動的速度方向不發(fā)生變化,而曲線運(yùn)動速度方向時刻在變。

  ②速度特點(diǎn):時刻在變

  速度是矢量,既有大小又有方向。在勻變速運(yùn)動中,速度大小發(fā)生變化,速度矢量就發(fā)生了變化→具有加速度,我們說這是變速運(yùn)動。而在曲線運(yùn)動中,速度方向時刻在改變,速度矢量就發(fā)生了變化→具有加速度,我們也說它是變速運(yùn)動。

 、矍運(yùn)動特點(diǎn):變速運(yùn)動

  由于速度V方向時刻變化,跟位移一樣,則也可用x、y軸上的分矢量、(為速度與x軸的夾角)來表示。圖5.1-6。

  ④分速度:、(為速度V與x軸的夾角)

  P4例題

  4、運(yùn)動描述的實例

  下面我們就來描述平面內(nèi)的一個具體運(yùn)動。

  演示

  如圖5.1—9所示,在一端封閉、長約l m的玻璃管內(nèi)注滿清水,水中放一紅蠟做的小圓柱體R,將玻璃管的開口端用膠塞塞緊。(圖甲)

  將這個玻璃管倒置(圖乙),蠟塊R就沿玻璃管上升。如果旁邊放一個米尺,可以看到蠟塊上升的速度大致不變,即蠟塊做勻速直線運(yùn)動。

  再次將玻璃管上下顛倒,在蠟塊上升的同時將玻璃管水平向右勻速移動,觀察蠟塊的運(yùn)動。(圖丙) (向右上方運(yùn)動)

  在圖丙中蠟塊做的是什么運(yùn)動呢?直線運(yùn)動?勻速運(yùn)動?……僅僅通過眼睛觀察我們并不能得到物體運(yùn)動的準(zhǔn)確信息,要精確地了解物體的運(yùn)動過程,還需要我們進(jìn)行理論上的分析。下面我們就對該物體的運(yùn)動過程進(jìn)行分析。

  ①蠟塊的位置

  建立如圖5.1—10所示的平面直角坐標(biāo)系:選蠟塊開始運(yùn)動的位置為原點(diǎn),水平向右的方向和豎直向上的方向分別為x軸和y軸的正方向。

  在觀察中我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)蠟塊在玻璃管中是勻速上升的,所以我們設(shè)蠟塊勻速上升的速度為vy,玻璃管向右勻速運(yùn)動的速度為vx,從蠟塊開始運(yùn)動的時刻開始計時,我們就可以得到蠟塊在t時刻的位置P(x,y),我們該如何得到點(diǎn)p的兩個坐標(biāo)呢?(蠟塊在兩個方向上做的都是勻速直線運(yùn)動,所以x、y可以通過勻速直線運(yùn)動的位移公式x=vt獲得,即x=vxt,y=vyt)

  這樣我們就確定了蠟塊運(yùn)動過程中任意時刻的位置,然而要知道蠟塊做的究竟是什么運(yùn)動,我們還要知道蠟塊的運(yùn)動軌跡是什么樣的。下面我們就來探究這個問題。

  ②蠟塊的運(yùn)動軌跡

  在數(shù)學(xué)上,我們學(xué)過了怎樣在坐標(biāo)中表示一條直線或曲線,即關(guān)于x、y兩個變量的方程就可以代表一條直線或曲線,F(xiàn)在我們要找的蠟塊運(yùn)動的軌跡,實際上我們只要找到表示蠟塊運(yùn)動軌跡的方程就可以了。觀察我們剛才得到的關(guān)于蠟塊位置的兩個方程,發(fā)現(xiàn)在這兩個關(guān)系式中,除了x、y之外還有一個變量t,那我們應(yīng)該如何來得到蠟塊的軌跡方程呢?(根據(jù)數(shù)學(xué)上的消元法,我們可以從這兩個關(guān)系式中消去變量t,就可以得到關(guān)于x,y兩個變量的方程了。)

  結(jié)果應(yīng)該是怎樣的呢?(y=vyx/vx)

  現(xiàn)在我們對公式進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,看看它究竟代表的是一條什么樣的曲線呢?(由于蠟塊在x、y兩個方向上做的都是勻速直線運(yùn)動,所以vy、vx都是常量,所以vy/vx也是常量,可見公式表示的是一條過原點(diǎn)的傾斜直線。)

  在物理上這代表什么意思呢?(這也就是說,蠟塊的運(yùn)動軌跡是直線,即蠟塊做的是直線運(yùn)動。)

  既然這個方程所表示的直線就是蠟塊的運(yùn)動軌跡,那如果我們要找蠟塊在任意時刻的位移,是不是就可以通過這條直線來實現(xiàn)呢?下面我們就來看蠟塊的位移。

 、巯瀴K的位移

  我們知道要確定物體運(yùn)動的位移,只要知道物體的初末位置就可以了。在前面建立坐標(biāo)系的時候我們已經(jīng)說過了,物體開始運(yùn)動的位置為坐標(biāo)原點(diǎn),現(xiàn)在我們要找任意時刻的位移,只要再找出任意時刻t物體所在的位置就可以了。

  前面我們已經(jīng)找出物體在任意時刻的位置P(x,y),請同學(xué)們想一下在坐標(biāo)中物體位移應(yīng)該是怎么表示的呢?(在坐標(biāo)系中,線段OP的長度就代表了物體位移的大。海

  我們知道位移是矢量,所以我們要計算物體的位移僅僅知道位移的大小是不夠的,我們還要再計算位移的方向。這應(yīng)該怎樣來求呢?(因為坐標(biāo)系中的曲線就代表了物體運(yùn)動的軌跡,所以我們只要求出該直線與x軸的夾角θ就可以了。)

  tanθ==vy/vx

  這樣就可以求出θ,從而得知位移的方向。

  現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了蠟塊做的是直線運(yùn)動,并且求出了蠟塊在任意時刻的位移。但我們還不知道蠟塊做的是什么樣的直線運(yùn)動,要解決這個問題,我們還需要求出蠟塊的速度。

 、芟瀴K的速度

  根據(jù)我們學(xué)過的速度的定義,物體在某過程中的速度等于該過程的位移除以發(fā)生這段位移所需要的時間,即前面我們已經(jīng)求出了蠟塊在任意時刻t的位移的大小。所以我們可以直接套入速度公式計算蠟塊的速度。我們可以得到什么樣的速度表達(dá)式?()

  分析這個公式我們可以得到什么樣的結(jié)論?(vy/vx都是常量,也是常量。也就是說蠟塊的速度是不發(fā)生變化的,即蠟塊做的是勻速運(yùn)動。)

  同樣其方向tanθ==vy/vx

  結(jié)合我們前面得出的結(jié)論,我們可以概括起來總結(jié)蠟塊的運(yùn)動,它做的應(yīng)該是個什么運(yùn)動?(勻速直線運(yùn)動)

  5、物體做直線、曲線運(yùn)動的條件

  為什么有些物體做直線運(yùn)動,有些物體做曲線運(yùn)動呢?下面我們通過實驗來研究這個問題。

  演示:如圖5.1—11所示的裝置放在水平桌面上,在斜面頂端放置一鋼球,放開手讓鋼球自由滾下,觀察鋼球在桌面上的運(yùn)動情況,記住鋼球的運(yùn)動軌跡。(鋼球做直線運(yùn)動,速度逐漸減小。)

  請同學(xué)們來分析鋼球在桌面上的受力情況。(鋼球受豎直向下的重力,豎直向上的支持力,還受到滑動摩擦力的作用。)

  摩擦力的方向如何?(摩擦力的方向與運(yùn)動方向在同一直線上,但與運(yùn)動方向相反。)

  在剛才實驗中,鋼球的運(yùn)動路徑旁邊放一塊磁鐵,重復(fù)剛才的實驗操作,觀察鋼球在桌面上的運(yùn)動情況。(鋼球做曲線運(yùn)動)

  分析鋼球在桌面上的受力情況。(鋼球受豎直向下的重力,豎直向上的支持力,還受到方向與運(yùn)動方向相反的滑動摩擦力的作用,此外還受到磁鐵的吸引力。)

  引力的方向如何?(引力的方向隨著鋼球的運(yùn)動不斷改變,但總是不與運(yùn)動方向在同一直線上。)

  由實驗我們可以得出什么樣的情況下物體會做直線、曲線運(yùn)動?(當(dāng)物體受到與運(yùn)動方向不在同一條直線上的力的作用時,會做曲線運(yùn)動。)

  那我們該如何總結(jié)物體做直線和曲線運(yùn)動的條件呢?

 、傥矬w做直線運(yùn)動的條件:

  a當(dāng)物體不受外力或所受合外力為零時,物體做勻速直線運(yùn)動或處于靜止?fàn)顟B(tài)。

  b當(dāng)物體所受合外力不為零,且合外力方向與速度方向在一條直線上時,物體做變速直線運(yùn)動;當(dāng)合外力恒定時,物體做勻變速直線運(yùn)動。其中,當(dāng)合外力方向與速度方向相同時,物體做勻加速直線運(yùn)動;當(dāng)合外力方向與速度方向相反時,物體做勻減速直線運(yùn)動。

  ②物體做曲線運(yùn)動的條件:當(dāng)物體所受的合力方向跟它的速度方向不在同一直線上時。物體將做曲線運(yùn)動。

 、墼谇運(yùn)動中,合外力的作用效果:

  設(shè)質(zhì)點(diǎn)沿曲線運(yùn)動,在時刻t位于A點(diǎn),經(jīng)Δt位于B點(diǎn),它在A點(diǎn)和B點(diǎn)的瞬時速度分別用v1和v2表示,那么在Δt內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的平均加速度應(yīng)表示為:=。式中,Δv是速度的變化量,的方向應(yīng)與此方向相同,按照矢量運(yùn)算法則(平行四邊形定則),的方向是指向曲線凹的一側(cè),當(dāng)Δt足夠小趨于零時,平均加速度無限接近于在A點(diǎn)的瞬時加速度a,它的方向與足夠小的Δv方向相同,也指向曲線的凹側(cè),由牛頓第二定律可知,質(zhì)點(diǎn)所受合外力的方向與其加速度方向相同,總指向曲線的凹側(cè)。

  把加速度a和合外力F都分解在沿切線和沿法線(與切線垂直)方向上,如下圖所示:


  沿切線方向的分力F1產(chǎn)生切線方向的加速度a1,當(dāng)a1和v同向時,速率增加;當(dāng)a1和v反向時,速率減小,如果物體做曲線運(yùn)動的速率不變,說明a1=0,即F1=0,此時的合外力方向一定與速度方向垂直,沒有改變速度的大小。

  沿法線方向的分力F2產(chǎn)生法線方向上的加速度a2,改變了速度的方向,由于曲線運(yùn)動的速度方向時刻在改變,合外力的這一作用效果對任何曲線運(yùn)動總是存在的。

  可見,在曲線運(yùn)動中合外力的作用,首先是產(chǎn)生a2以改變速度的方向,對于變速率曲線運(yùn)動,合外力不僅改變速度的方向,同時還要改變速度的大小。

  ④運(yùn)動的性質(zhì)和軌跡的判斷:由運(yùn)動的性質(zhì)及合初速度與合加速度的方向和大小關(guān)系決定。

  a兩個勻速直線運(yùn)動的合運(yùn)動一定是勻速直線運(yùn)動。

  b一個勻速直線運(yùn)動和一個勻變速直線運(yùn)動的合運(yùn)動仍然是勻變速運(yùn)動,當(dāng)兩者共線時為勻變速直線運(yùn)動,不共線時為勻變速曲線運(yùn)動。

  c兩個勻變速直線運(yùn)動的合運(yùn)動一定是勻變速運(yùn)動。若合初速度方向與合加速度方向在同一條直線上時,則是直線運(yùn)動;若合初速度方向與合加速度方向不在一條直線上時,則是曲線運(yùn)動。

  下面我們來看一些例子。

  例題1、下列說法中正確的是

  A.做曲線運(yùn)動的物體一定具有加速度     B.做曲線運(yùn)動物體的加速度一定是變化的

  C.物體在恒力的作用下,不可能做曲線運(yùn)動

  D.物體在變力的作用下,可能做直線運(yùn)動,也可能做曲線運(yùn)動

  解析:物體做直線運(yùn)動還是曲線運(yùn)動,不取決于物體受到的是恒力還是變力,而取決于物體所受的合外力方向與速度方向在不在一條直線上,故D正確而C錯誤;曲線運(yùn)動的速度方向是可改變,則一定具有加速度,但加速度取決于合外力怎樣變化,故A正確B錯誤。

  例題2、質(zhì)點(diǎn)在恒力F作用下,F(xiàn)從A點(diǎn)沿下圖中曲線運(yùn)動到B點(diǎn),到達(dá)B點(diǎn)后,質(zhì)點(diǎn)受到的力大小仍為F,但方向相反,則它從B點(diǎn)開始的運(yùn)動軌跡可能是圖中的哪條曲線?

  A.曲線a   B.直線b   C.曲線c   D.三條曲線均有可能

  解析:物體在A點(diǎn)的速度方向沿A點(diǎn)的切線方向,物體在恒力F作用下沿曲線AB運(yùn)動時,F(xiàn)必有垂直速度的分量,即F應(yīng)指向軌跡彎曲的一側(cè)。物體在B點(diǎn)時的速度沿B點(diǎn)的切線方向,物體在恒力F作用下沿曲線A運(yùn)動到B時,若撤去此力F,則物體必沿b的方向做勻速直線運(yùn)動;若使F反向,則運(yùn)動軌跡應(yīng)彎向F方向所指的一側(cè),即沿曲線a運(yùn)動,A正確;若物體受力不變,則沿曲線c運(yùn)動。


  例題3、一質(zhì)量為m的物體在一組共點(diǎn)力F1、F2、F3作用下處于平衡狀態(tài),如圖所示,若撤去F1,試討論物體的運(yùn)動情況將怎樣?

  解析:當(dāng)外力F1撤去后由于平衡條件可知:物體所受的F2與F3的合力大小等于F1,方向與F1相反,因物體原來處于平衡狀態(tài),即可能靜止,或勻速直線運(yùn)動,其初速度及以后運(yùn)動情況可能有下列幾種:

 、僭瓉盱o止,v0=0,物體將沿F1的反方向做勻加速直線運(yùn)動。

 、谠瓉碜鰟蛩僦本運(yùn)動,v0方向與F1相反,沿v0方向做勻加速直線運(yùn)動。

 、墼瓉碜鰟蛩僦本運(yùn)動,v0方向與F1相同將沿v0方向做勻減速直線運(yùn)動。

  ④原來做勻速直線運(yùn)動,v0方向與F1成一夾角,將做勻變速曲線運(yùn)動。

  例題4、關(guān)于互成角度的兩個勻變速直線運(yùn)動的合成,下列說法中正確的是

  A.一定是直線運(yùn)動                   B.一定是曲線運(yùn)動

  C.一定是勻變速運(yùn)動                 D.可能是直線運(yùn)動,也可能是曲線運(yùn)動

  解析:若兩個運(yùn)動均為初速度為零的勻變速直線運(yùn)動,如圖(A),則合運(yùn)動一定是勻變速直線運(yùn)動。若兩個運(yùn)動之一為初速度為零的勻變速直線運(yùn)動,另一個初速度不為零,如圖(B),則合運(yùn)動一定是曲線運(yùn)動。若兩個運(yùn)動均為初速度不為零的勻變速直線運(yùn)動,則合運(yùn)動又有兩種情況:如圖(C)


 、俸纤俣葀與合加速度a不共線,則合運(yùn)動為曲線運(yùn)動。

 、诤纤俣葀與合加速度a恰好共線,則合運(yùn)動也是勻變速直線運(yùn)動。由于兩個勻變速直線運(yùn)動的合加速度恒定,故上述直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動均為勻變速運(yùn)動。

  由此CD正確。

  [課堂小結(jié)]

  1.運(yùn)動軌跡是曲線的運(yùn)動叫曲線運(yùn)動。

  2.曲線運(yùn)動中速度的方向是時刻改變的,是變速運(yùn)動,質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的瞬時速度的方向在曲線的這一點(diǎn)的切線上。

  3.探究曲線運(yùn)動的基本方法——合成與分解。這種方法在應(yīng)用過程中遵循平行四邊形定則。在實際的解題過程中,通常選擇實際看到的運(yùn)動為合運(yùn)動。

  4.當(dāng)合外力F的方向與它的速度方向有一夾角a時,物體做曲線運(yùn)動。物體的加速度方向也跟速度方向不在同一直線上。F=0,靜止或勻速運(yùn)動;F≠0,變速運(yùn)動;F為恒量時,勻變速運(yùn)動;F為變量時,非勻變速運(yùn)動;F和v0的方向在同一直線時,直線運(yùn)動;F和v0的方向不在同一直線時,曲線運(yùn)動。

  [課外作業(yè)]第7頁“問題與練習(xí)”

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