高二物理4.7《用牛頓定律解決問題（二）》教案（新人教版必修1）

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111 4.7用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題（二） 一、 教材分析 牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，它在科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用.上一節(jié)課主要是以理論的分析為主，研究如何根據(jù)已知運(yùn)動(dòng)情況求解物體的受力情況和已知受力情況求解物體的運(yùn)動(dòng)情況.本節(jié)課是從應(yīng)用角度學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，舉例說明了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的兩個(gè)具體應(yīng)用.物體的平衡是物體加速度為零的一種特殊情況，分析物體平衡時(shí)應(yīng)該緊緊地抓住這一點(diǎn)，主要利用力的分解知識列出方程進(jìn)行求解，主要用到的方法是力的正交分解 和建立直角坐標(biāo)系.超重和失重研究的是在豎直方向上物體的受力情況和物體運(yùn)動(dòng)情況的關(guān)系，要注意引導(dǎo)學(xué)生區(qū)別視重和實(shí)際重力.了解加速下落和減速上升其實(shí)加速度的方向是一樣的. 二、 教學(xué)目標(biāo) 知識與技能 1.理解共點(diǎn)力作用下物體平衡狀態(tài)的概念，能推導(dǎo)出共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件. 2.會用共點(diǎn)力平衡條件解決有關(guān)力的平衡問題. 3.通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象，理解產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象的條件和實(shí)質(zhì). 4.進(jìn)一步熟練掌握應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題的方法和步驟. 過程與方法 1.培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力. 2.培養(yǎng)學(xué)生處理三力平衡問題時(shí)一題多解的能力. 3.引導(dǎo)幫助學(xué)生歸納總結(jié)發(fā)生超重、失重現(xiàn)象的條件及實(shí)質(zhì). 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1.滲透“學(xué)以致用”的思想，有將物理知識應(yīng)用于生產(chǎn)和生活實(shí)踐的意識，勇于探究與日常生活有關(guān)的物理問題. 2.培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神. 三、 教學(xué)重點(diǎn) 1.共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件及應(yīng)用. 2.發(fā)生超重、失重現(xiàn)象的條件及本質(zhì). 四、 教學(xué)難點(diǎn) 1.共點(diǎn)力平衡條件的應(yīng)用. 2.超重、失重現(xiàn)象的實(shí)質(zhì).正確分析受力并恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用正交分解法. 五、 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 師：上一節(jié)課中我們學(xué)習(xí)了用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題的兩種方法，根據(jù)物體的受力情況確定物體的運(yùn)動(dòng)情況和根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)情況求解受力情況.這一節(jié)我們繼續(xù)學(xué)習(xí)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解題. 師：我們常見的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有哪些種類？ 生：我們常見的運(yùn)動(dòng)有變速運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)，最常見的是物體靜止的情況. 師：如果物體受力平衡，那么物體的運(yùn)動(dòng)情況如何？ 生：如果物體受力平衡的話，物體將做勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止，這要看物體的初速度情況. ［新課教學(xué)］ 一、共點(diǎn)力的平衡條件 師：那么共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件是什么？ 生：因?yàn)槲矬w處于平衡狀態(tài)時(shí)速度保持不變，所以加速度為零，根據(jù)牛頓第二定律得：物體所受合力為零. 師：同學(xué)們列舉生活中物體處于平衡狀態(tài)的實(shí)例. 生1：懸掛在天花板上的吊燈，停止在路邊的汽車，放在地面上的講桌以及放在講桌上的黑板擦等等. 生2：豎直上拋運(yùn)動(dòng)的物體到達(dá)最高點(diǎn)的瞬間. 師：大家討論一下豎直上拋的物體到達(dá)最高點(diǎn)的瞬間是否處于平衡狀態(tài). 學(xué)生討論，回答提問 生1：豎直上拋的最高點(diǎn)物體應(yīng)該處于平衡狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)物體速度為零. 生2：我不同意剛才那位同學(xué)的說法，物體處于平衡狀態(tài)指的是物體受合力為零的狀態(tài)，并不是物體運(yùn)動(dòng)速度為零的位置.處于豎直上拋?zhàn)罡唿c(diǎn)的物體只是在瞬間速度為零，它的速度立刻就會發(fā)生改變，所以不能認(rèn)為處于平衡狀態(tài). 師：剛才的同學(xué)分析得非常好，大家一定要區(qū)分到底是速度為零還是合外力為零時(shí)物體處于平衡狀態(tài)，經(jīng)過討論分析我們知道應(yīng)該是合外力為零時(shí)物體處于平衡狀態(tài).為了加深同學(xué)們對這個(gè)問題的理解，我們通過一個(gè)例子來進(jìn)一步探究物體的平衡是怎樣進(jìn)行研究的. 多媒體投影課本中的例題、三角形的懸掛結(jié)構(gòu)及其理想化模型 師：輕質(zhì)細(xì)繩中的受力特點(diǎn)是什么？ 生：輕質(zhì)細(xì)繩中的受力特點(diǎn)是兩端受力大小相等，內(nèi)部張力處處相等. 師：節(jié)點(diǎn)O的受力特點(diǎn)是什么？ 生：節(jié)點(diǎn)O的受力特點(diǎn)是一理想化模型，所受合外力為零. 師：我們分析的依據(jù)是什么？ 生：上面的分析借助牛頓第二定律進(jìn)行，是牛頓第二定律中合力等于零的特殊情況. 師：同學(xué)們把具體的解答過程寫出來. 投影學(xué)生的解答過程 解答：如圖4－7－1所示，F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)力的合力為零，表示這三個(gè)力在x方向的分矢量之和及y軸方向的分矢量之和也都為零，也就是： 圖4－7－1 F2－F1cosθ=0 F1sinθ－F3=0 由以上兩式解出鋼索OA受到的拉力F1 F1== 硬桿OB的支持力F2 F2=F1cosθ= 師：在這個(gè)同學(xué)解題的過程中，他采用的是什么方法？ 生：正交分解法：將其中任意一個(gè)力沿其余兩個(gè)力的作用線進(jìn)行分解，其分力必然與其余兩個(gè)力大小相等. 師：除了這種方法之外，還有沒有其他的方法？ 生1：可以用力的合成法，任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力大小相等，方向相反. 生2：也可以用三角形法，將其中任意兩個(gè)力進(jìn)行平移，使三個(gè)力首尾依次連接起來，應(yīng)構(gòu)成一閉合三角形. 師：總結(jié)：處理多個(gè)力平衡的方法有很多，其中最常見的就是剛才幾位同學(xué)分析的這三種方法，即正交分解法、力的合成法和三角形定則.這幾種方法到底采用哪一種方法進(jìn)行分析就要看具體的題目，在實(shí)際操作的過程中大家可以靈活掌握. 【課堂訓(xùn)練】 如圖4－7－2所示，質(zhì)量為m的木塊在推力F的作用下，在水平地面上做勻速直線運(yùn)動(dòng).已知木塊與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，F(xiàn)的方向與水平方向成θ角斜向下.那么木塊受到的滑動(dòng)摩擦力為下列各值的哪個(gè) 圖4－7－2 A.μmg B.μ（mg＋Fsinθ） C.μ（mg－Fsinθ） D.Fcosθ 解析：物體受力如圖4－7－3所示，水平方向有f=Fcosθ，故D正確.豎直方向有FN=Fsinθ+G，由于勻速運(yùn)動(dòng)，f=μFN=μ（Fsinθ+G），故選項(xiàng)B正確.點(diǎn)評：要注意問題的多解性. 圖4－7－3 答案：BD 二、超重和失重 【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】 一位同學(xué)甲站在體重計(jì)上靜止，另一位同學(xué)說出體重計(jì)的示數(shù).注意觀察接下來的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 學(xué)生活動(dòng)：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析原因 師：甲突然下蹲時(shí)，體重計(jì)的示數(shù)是否變化？怎樣變化？ 生：體重計(jì)的示數(shù)發(fā)生了變化，示數(shù)變小了. 師：甲突然站起時(shí)，體重計(jì)的示數(shù)是否變化？怎樣變化？ 生：體重計(jì)的示數(shù)發(fā)生了變化，示數(shù)變大. 師：當(dāng)人下蹲和突然站起的過程中人受到的重力并沒有發(fā)生變化，為什么體重計(jì)的示數(shù)發(fā)生了變化呢？ 生：這是因?yàn)楫?dāng)人靜止在體重計(jì)上時(shí)，人處于受力平衡狀態(tài)，重力和體重計(jì)對人的支持力相等，而實(shí)際上體重計(jì)測量的是人對體重計(jì)的壓力，在這種靜止的情況下，壓力的大小是等于重力的.而當(dāng)人在體重計(jì)上下蹲或突然站起的過程中，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，也就是說產(chǎn)生了加速度，此時(shí)人受力不再平衡，壓力的大小不再等于重力，所以體重計(jì)的示數(shù)發(fā)生了變化. 這位同學(xué)分析得非常好，我們把物體對支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦凶鑫矬w的視重，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，視重就不再等于物體的重力，而是比重力大或小.大家再看這樣一個(gè)問題： 多媒體投影例題：人站在電梯中，人的質(zhì)量為m.如果當(dāng)電梯以加速度a加速上升時(shí)，人對地板的壓力為多大？ 學(xué)生思考解答 生1：選取人作為研究對象，分析人的受力情況：人受到兩個(gè)力的作用，分別是人的重力和電梯地板對人的支持力.由于地板對人的支持力與人對地板的壓力是一對作用力與反作用力，根據(jù)牛頓第三定律，只要求出地板對人的支持力就可以求出人對地板的壓力. 生2：取向上為正方向，根據(jù)牛頓第二定律寫出支持力F、重力G、質(zhì)量m、加速度a的方程F－G=ma，由此可得：F=G+ma=m（g+a） 人對地板的壓力F′與地板對人的支持力大小相等，即F′=m（g+a） 由于m（g+a）>mg，所以當(dāng)電梯加速上升時(shí)，人對地板的壓力比人的重力大. 師：物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w受到的重力的現(xiàn)象稱為超重現(xiàn)象.物體處于超重現(xiàn)象時(shí)物體的加速度方向如何呢？ 生：物體的加速度方向向上. 師：當(dāng)物體的加速度方向向上時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎樣的？ 生：應(yīng)該是加速上升. 師：大家看這樣一個(gè)問題： 投影展示：人以加速度a減速下降，這時(shí)人對地板的壓力又是多大？ 學(xué)生討論回答 生1：此時(shí)人對地板的壓力也是大于重力的，壓力大小是：F=m（g+a）. 生2：加速度向上時(shí)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為兩種情況，即加速向上運(yùn)動(dòng)或減速向下. 師：大家再看這樣幾個(gè)問題： 【投影展示】 1.人以加速度a加速向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)人對地板的壓力多大？ 2.人隨電梯以加速度a減速上升，人對地板的壓力為多大？ 3.人隨電梯向下的加速度a＝g，這時(shí)人對地板的壓力又是多大？ 師：這幾種情況物體對地板的壓力與物體的重力相比較哪一個(gè)大？ 生：應(yīng)該是物體的重力大于物體對地板的壓力. 師：結(jié)合超重的定義方法，這一種現(xiàn)象應(yīng)該稱為什么現(xiàn)象？ 生：應(yīng)該稱為失重現(xiàn)象.當(dāng)物體對支持物的壓力和對懸掛物的拉力小于物體重力的現(xiàn)象稱為失重. 師：第三種情況中人對地板的壓力大小是多少？ 生：應(yīng)該是零. 師：我們把這種現(xiàn)象叫做完全失重，完全失重狀態(tài)下物體的加速度等于重力加速度g. 師：發(fā)生超重和失重現(xiàn)象時(shí)，物體實(shí)際受的重力是否發(fā)生了變化？ 生：沒有發(fā)生變化，只是物體的視重發(fā)生了變化. 師：為了加深同學(xué)們對完全失重的理解，我們看下面一個(gè)實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 課堂演示實(shí)驗(yàn)：取一裝滿水的塑料瓶，在靠近底部的側(cè)面打一小孔，讓其做自由落體運(yùn)動(dòng). 生：觀察到的現(xiàn)象是水并不從小孔中噴出，原因是水受到的重力完全用來提供水做自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度了. 師：現(xiàn)在大家就可以解釋人站在臺秤上，突然下蹲和站起時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象了. 六、 課堂小結(jié) 本節(jié)課是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的具體應(yīng)用，分別是兩種特殊情況，一種是物體受合力為零時(shí)物體處于平衡狀態(tài)時(shí)的分析，應(yīng)該注意三力合成與多力合成的方法，注意幾種方法的靈活運(yùn)用，另一種情況就是物體在豎直方向上做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)超重和失重現(xiàn)象.對于這兩種現(xiàn)象，我們應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題：物體處于“超重”或“失重”狀態(tài)，并不是說物體的重力增大了或減小了（甚至消失了），地球作用于物體的重力始終是存在的且大小也無變化.即使是完全失重現(xiàn)象，物體的重力也沒有絲毫變大或變小.當(dāng)然，物體所受重力會隨高度的增加而減小，但與物體超、失重并沒有聯(lián)系.超（失）重現(xiàn)象是指物體對懸掛物的拉力（或?qū)χС治锏膲毫Γ┐笥冢ㄐ∮冢┲亓Φ默F(xiàn)象. “超重”“失重”現(xiàn)象與物體運(yùn)動(dòng)的速度方向和大小均無關(guān)，只決定于物體的加速度方向. 111