Александрова Зинаида Васильевна, учитель физики и информатики
Образовательное учреждение: МБОУ СОШ №5 п. Печенга, Мурманская обл.
Предмет: физика
Класс : 9 класс
Тема урока : Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью
Цель урока:
дать представление о криволинейном движении, ввести понятия частоты, периода, угловой скорости, центростремительного ускорения и центростремительной силы.
Задачи урока:
Образовательные:
Повторить виды механического движения, познакомить с новыми понятиями: движение по окружности, центростремительное ускорение, период, частота;
Выявить на практике связь периода, частоты и центростремительного ускорения с радиусом обращения;
Использовать учебное лабораторное оборудование для решения практических задач.
Развивающие :
Развивать умения применять теоретические знания для решения конкретных задач;
Развивать культуру логического мышления;
Развивать интерес к предмету; познавательную деятельность при постановке и проведении эксперимента.
Воспитательные :
Формировать мировоззрение в процессе изучения физики и аргументировать свои выводы, воспитывать самостоятельность, аккуратность;
Воспитывать коммуникативную и информационную культуру учащихся
Оснащение урока:
компьютер, проектор, экран, презентация к уроку « Движение тела по окружности» , распечатка карточек с заданиями;
теннисный шар, волан для бадминтона, игрушечный автомобиль, шарик на нити, штатив;
наборы для эксперимента: секундомер, штатив с муфтой и лапкой, шарик на нити, линейка.
Форма организации обучения: фронтальная, индивидуальная, групповая.
Тип урока: изучение и первичное закрепление знаний.
Учебно-методическое обеспечение: Физика. 9 класс. Учебник. Перышкин А.В., Гутник Е.М. 14-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2012 г.
Время реализации урока : 45 минут
1. Редактор, в котором выполнен мультимедиа ресурс: MS PowerPoint
2. Вид мультимедиа ресурса: наглядная презентация учебного материала с использованием триггеров, встроенного видео и интерактивного теста.
План проведения урока
Организационный момент. Мотивация к учебной деятельности.
Актуализация опорных знаний.
Изучение нового материала.
Беседа по вопросам;
Решение задач;
Выполнение исследовательской практической работы.
Подведение итогов урока.
Ход урока
Этапы урока
Временная реализация
Организационный момент. Мотивация к учебной деятельности.
Слайд 1. ( Проверка готовности к уроку, объявление темы и целей урока.)
Учитель. Сегодня на уроке вы узнаете, что такое ускорение при равномерном движении тела по окружности и как его определить.
2 мин
Актуализация опорных знаний.
Слайд 2.
Ф изический диктант:
Изменение положения тела в пространстве с течением времени. (Движение)
Физическая величина, измеряемая в метрах. (Перемещение)
Физическая векторная величина, характеризующая быстроту движения. (Скорость)
Основная единица измерения длины в физике. (Метр)
Физическая величина, единицами измерения которой служат год, сутки, час. (Время)
Физическая векторная величина, которую можно измерить с помощью прибора акселерометра. (Ускорение)
Длина траектории . (Путь)
Единицы измерения ускорения (м/с 2 ).
(Проведение диктанта с последующей проверкой, самооценка работ учениками)
5 мин
Изучение нового материала.
Слайд 3.
Учитель. Мы достаточно часто наблюдаем такое движение тела, при котором его траекторией является окружность. По окружности движется, например, точка обода колеса при его вращении, точки вращающихся деталей станков, конец стрелки часов.
Демонстрации опытов 1. Падение теннисного шара, полёт волана для бадминтона, перемещение игрушечного автомобиля, колебания шарика на нити, закреплённого в штативе. Что общего и чем отличаются эти движения по виду? (Ответы учеников)
Учитель. Прямолинейное движение – это движение, траектория которого - прямая линия, криволинейное – кривая. Приведите примеры прямолинейного и криволинейного движения, с которыми вы встречались в жизни. (Ответы учеников)
Движение тела по окружности является частным случаем криволинейного движения .
Любую кривую можно представить, как сумму дуг окружностей разного (или одинакового) радиуса.
Криволинейным движением называют такое движение, которое совершается по дугам окружностей.
Введём некоторые характеристики криволинейного движения.
Слайд 4. (просмотр видео « скорость.avi» по ссылке на слайде)
Криволинейное движение с постоянной по модулю скоростью. Движение с ускорением, т.к. скорость меняет направление.
Слайд 5 . (просмотр видео «Зависимость центростремительного ускорения от радиуса и скорости. аvi » по ссылке на слайде)
Слайд 6. Направление векторов скорости и ускорения.
(работа с материалами слайда и анализ рисунков, рациональное использование эффектов анимации, заложенных в элементы рисунков, рис 1.)
Рис.1.
Слайд 7.
При равномерном движении тела по окружности вектор ускорения всё время перпендикулярен вектору скорости, который направлен по касательной к окружности.
Тело движется по окружности при условии, что вектор линейной скорости перпендикулярен вектору центростремительного ускорения.
Слайд 8. (работа с иллюстрациями и материалами слайда)
Центростремительное ускорение - ускорение, с которым тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью, всегда направлено вдоль радиуса окружности к центру.
a ц =
Слайд 9.
При движении по окружности тело через определённый промежуток времени вернётся в первоначальную точку. Движение по окружности – периодическое.
Период обращения – это промежуток времени Т , в течение которого тело (точка) совершает один оборот по окружности.
Единица измерения периода - секунда
Частота вращения – число полных оборотов в единицу времени.
[ ] = с -1 = Гц
Единица измерения частоты
Сообщение ученика 1. Период - это величина, которая часто встречается в природе, науке и технике. Земля вращается вокруг своей оси, средний период этого вращения составляет 24 часа; полный оборот Земли вокруг Солнца происходит примерно за 365,26 суток; винт вертолёта имеет средний период вращения от 0,15 до 0,3 с; период кровообращения у человека равен примерно 21 - 22 с.
Сообщение ученика 2. Частоту измеряют специальными приборами – тахометрами.
Частота вращения технических устройств: ротор газовой турбины вращается с частотой от 200 до 300 1/с; пуля, вылетевшая из автомата Калашникова, вращается с частотой 3000 1/с.
Слайд 10. Связь периода с частотой:
Если за время t тело совершило N полных оборотов, то период обращения равен:
Период и частота – это взаимообратные величины: частота обратно пропорциональна периоду, а период обратно пропорционален частоте
Слайд 11. Быстроту обращения тела характеризуют угловой скоростью.
Угловая скорость
(циклическая частота)-
число оборотов за единицу времени, выраженное в радианах.
Угловая скорость – угол поворота, на который поворачивается точка за время t .
Угловая скорость измеряется в рад/с.
Слайд 12. (просмотр видео «Путь и перемещение при криволинейном движении.avi» по ссылке на слайде)
Слайд 13 . Кинематика движения по окружности.
Учитель. При равномерном движении по окружности модуль его скорости не изменяется. Но скорость - векторная величина, и она характеризуется не только числовым значением, но и направлением. При равномерном движении по окружности всё время изменяется направление вектора скорости. Поэтому такое равномерное движение является ускоренным.
Линейная скорость: ;
Линейная и угловая скорости связаны соотношением:
Центростремительное ускорение: ;
Угловая скорость: ;
Слайд 14. (работа с иллюстрациями на слайде)
Направление вектора скорости. Линейная (мгновенная скорость) всегда направлена по касательной к траектории, проведенной к той ее точке, где в данный момент находится рассматриваемое физическое тело.
Вектор скорости направлен по касательной к описываемой окружности.
Равномерное движение тела по окружности является движением с ускорением. При равномерном движении тела по окружности величины υ и ω остаются неизменными. В этом случае при движении изменяется только направление вектора.
Слайд 15. Центростремительная сила.
Сила, удерживающая вращающееся тело на окружности и направленная к центру вращения, называется центростремительной силой.
Чтобы получить формулу для расчёта величины центростремительной силы, надо воспользоваться вторым законом Ньютона, который применим и к любому криволинейному движению.
Подставляя в формулу значение центростремительного ускорения a ц = , получим формулу центростремительной силы:
F =
Из первой формулы видно, что при одной и той же скорости чем меньше радиус окружности, тем больше центростремительная сила. Так, на поворотах дороги на движущееся тело (поезд, автомобиль, велосипед) должна действовать по направлению к центру закругления тем большая сила, чем круче поворот, т. е. чем меньше радиус закругления.
Центростремительная сила зависит от линейной скорости: с увеличением скорости она увеличивается. Это хорошо известно всем конькобежцам, лыжникам и велосипедистам: чем с большей скоростью движешься, тем труднее сделать поворот. Шофёры очень хорошо знают, как опасно круто поворачивать автомобиль на большой скорости.
Слайд 16.
Сводная таблица физических величин, характеризующих криволинейное движение (анализ зависимостей между величинами и формулами)
Слайды 17, 18, 19. Примеры движение по окружности.
Круговое движение на дорогах. Движение спутников вокруг Земли.
Слайд 20. Аттракционы, карусели.
Сообщение ученика 3. В Средние века каруселями (слово тогда имело мужской род) называли рыцарские турниры. Позднее, в XVIII веке, для подготовки к турнирам, вместо схваток с реальными соперниками, стали использовать вращающуюся платформу, прообраз современной развлекательной карусели, которая тогда же появилась на городских ярмарках.
В России первый карусель был построен 16 июня 1766 года перед Зимним дворцом. Карусель состоял из четырёх кадрилей: Славянской, Римской, Индийской, Турецкой. Второй раз карусель была построена на том же месте, в том же году 11 июля. Подробное описание этих каруселей приводятся в газете Санкт-Петербургские ведомости 1766 года.
Карусель, распространённая во дворах в советское время. Карусель может приводиться в движение как двигателем (обычно электрическим), так и силами самих крутящихся, которые перед тем как сесть на карусель, раскручивают её. Такие карусели, которые нужно раскручивать самим катающимся, часто устанавливают на детских игровых площадках.
Кроме аттракционов, каруселями часто называют другие механизмы, имеющие сходное поведение - например, в автоматизированных линиях по разливу напитков, упаковке сыпучих веществ или производству печатной продукции.
В переносном смысле каруселью называют череду быстро сменяющихся предметов или событий.
18 мин
Закрепление нового материала. Применение знаний и умений в новой ситуации.
Учитель. Сегодня на этом уроке мы познакомились с описанием криволинейного движения, с новыми понятиями и новыми физическими величинами.
Беседа по вопросам:
Что такое период? Что такое частота? Как связаны между собой эти величины? В каких единицах измеряются? Как их можно определить?
Что такое угловая скорость? В каких единицах она измеряется? Как можно её рассчитать?
Что называют угловой скоростью? Что является единицей угловой скорости?
Как связаны угловая и линейная скорости движения тела?
Как направлено центростремительное ускорение? По какой формуле оно рассчитывается?
Слайд 21.
Задание 1. Заполните таблицу, решив задачи по исходным данным (Рис.2), затем мы сверим ответы. (Ученики работают самостоятельно с таблицей, необходимо заранее приготовить распечатку таблицы для каждого ученика)
Рис.2
Слайд 22. Задание 2. (устно)
Обратите внимание на анимационные эффекты рисунка. Сравните характеристики равномерного движения синего и красного шара . (Работа с иллюстрацией на слайде).
Слайд 23. Задание 3. (устно)
Колёса представленных видов транспорта за одно и то же время совершают равное количество оборотов. Сравните их центростремительные ускорения. (Работа с материалами слайда)
(Работа в группе, проведение эксперимента, распечатка инструкции для проведения эксперимента есть на каждом столе)
Оборудование: секундомер, линейка, шарик, закреплённый на нити, штатив с муфтой и лапкой.
Цель: исследовать зависимость периода, частоты и ускорения от радиуса вращения .
План работы
Измерьте время t 10 полных оборотов вращательного движения и радиус R вращения, шарика, закреплённого на нити в штативе.
Вычислите период Т и частоту, скорость вращения, центростремительное ускорение Результаты оформите в виде задачи.
Измените радиус вращения (длину нити), повторите опыт ещё 1 раза, стараясь сохранить прежней скорость, прикладывая прежнее усилие.
Сделайте вывод о зависимости периода, частоты и ускорения от радиуса вращения (чем меньше радиус вращения, тем меньше период обращения и больше значение частоты).
Слайды 24 -29.
Фронтальная работа с интерактивным тестом.
Необходимо выбрать один ответ из трёх возможных, если был выбран правильный ответ, то он остаётся на слайде, и начинает мигать зелёный индикатор, неверные ответы исчезают.
Тело движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Как изменится его центростремительное ускорение при уменьшении радиуса окружности в 3 раза?
В центрифуге стиральной машины белье при отжиме движется по окружности с постоянной по модулю скоростью в горизонтальной плоскости. Как при этом направлен вектор его ускорения?
Конькобежец движется со скоростью 10 м/с по окружности радиусом 20 м. Определите его центростремительное ускорение.
Куда направлено ускорение тела при его движении по окружности с постоянной по модулю скоростью?
Материальная точка движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Как изменится модуль ее центростремительного ускорения, если скорость точки увеличить втрое?
Колесо машины делает 20 оборотов за 10 с. Определите период обращения колеса?
Слайд 30. Решение задач (самостоятельная работа при наличии времени на уроке)
Вариант 1.
С каким периодом должна вращаться карусель радиусом 6,4 м для того, чтобы центростремительное ускорение человека на карусели было равно 10 м/с 2 ?
На арене цирка лошадь скачет с такой скоростью, что за 1 минуту обегает 2 круга. Радиус арены равен 6,5 м. Определите период и частоту вращения, скорость и центростремительное ускорение.
Вариант 2.
Частота обращения карусели 0,05 с -1 . Человек, вращающийся на карусели, находится на расстоянии 4 м от оси вращения. Определите центростремительное ускорение человека, период обращения и угловую скорость карусели.
Точка обода колеса велосипеда совершает один оборот за 2 с. Радиус колеса 35 см. Чему равно центростремительное ускорение точки обода колеса?
18 мин
Подведение итогов урока.
Выставление оценок. Рефлексия.
Слайд 31 .
Д/з: п. 18-19, Упр.18 (2,4).
http :// www . stmary . ws / highschool / physics / home / lab / labGraphic . gif
Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назвать равномерным , оно является равноускоренным .
Угловая скорость
Выберем на окружности точку 1 . Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт 2 . При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.
Период и частота
Период вращения T - это время, за которое тело совершает один оборот.
Частота вращение - это количество оборотов за одну секунду.
Частота и период взаимосвязаны соотношением
Связь с угловой скоростью
Линейная скорость
Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной. Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.
Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено - это есть период T . Путь , который преодолевает точка - это есть длина окружности.
Центростремительное ускорение
При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.
Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения
Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.
Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.
Земля участвует в двух основных вращательных движениях: суточном (вокруг своей оси) и орбитальном (вокруг Солнца). Период вращения Земли вокруг Солнца составляет 1 год или 365 суток. Вокруг своей оси Земля вращается с запада на восток, период этого вращения составляет 1 сутки или 24 часа. Широтой называется угол между плоскостью экватора и направлением из центра Земли на точку ее поверхности.
Согласно второму закону Ньютона причиной любого ускорения является сила. Если движущееся тело испытывает центростремительное ускорение, то природа сил, действием которых вызвано это ускорение, может быть различной. Например, если тело движется по окружности на привязанной к нему веревке, то действующей силой является сила упругости.
Если тело, лежащее на диске, вращается вместе с диском вокруг его оси, то такой силой является сила трения. Если сила прекратит свое действие, то далее тело будет двигаться по прямой
Рассмотрим перемещение точки на окружности из А в В. Линейная скорость равна v A и v B соответственно. Ускорение - изменение скорости за единицу времени. Найдем разницу векторов.
Так как линейная скорость равномерно меняет направление, то движение по окружности нельзя назватьравномерным , оно являетсяравноускоренным .
Угловая скорость
Выберем на окружности точку1 . Построим радиус. За единицу времени точка переместится в пункт2 . При этом радиус описывает угол. Угловая скорость численно равна углу поворота радиуса за единицу времени.
Период и частота
Период вращенияT - это время, за которое тело совершает один оборот.
Частота вращение - это количество оборотов за одну секунду.
Частота и период взаимосвязаны соотношением
Связь с угловой скоростью
Линейная скорость
Каждая точка на окружности движется с некоторой скоростью. Эту скорость называют линейной.Направление вектора линейной скорости всегда совпадает с касательной к окружности. Например, искры из-под точильного станка двигаются, повторяя направление мгновенной скорости.
Рассмотрим точку на окружности, которая совершает один оборот, время, которое затрачено - это есть периодT .Путь , который преодолевает точка - это есть длина окружности.
Центростремительное ускорение
При движении по окружности вектор ускорения всегда перпендикулярен вектору скорости, направлен в центр окружности.
Используя предыдущие формулы, можно вывести следующие соотношения
Точки, лежащие на одной прямой исходящей из центра окружности (например, это могут быть точки, которые лежат на спице колеса), будут иметь одинаковые угловые скорости, период и частоту. То есть они будут вращаться одинаково, но с разными линейными скоростями. Чем дальше точка от центра, тем быстрей она будет двигаться.
Закон сложения скоростей справедлив и для вращательного движения. Если движение тела или системы отсчета не является равномерным, то закон применяется для мгновенных скоростей. Например, скорость человека, идущего по краю вращающейся карусели, равна векторной сумме линейной скорости вращения края карусели и скорости движения человека.
Земля участвует в двух основных вращательных движениях: суточном (вокруг своей оси) и орбитальном (вокруг Солнца). Период вращения Земли вокруг Солнца составляет 1 год или 365 суток. Вокруг своей оси Земля вращается с запада на восток, период этого вращения составляет 1 сутки или 24 часа. Широтой называется угол между плоскостью экватора и направлением из центра Земли на точку ее поверхности.
Согласно второму закону Ньютона причиной любого ускорения является сила. Если движущееся тело испытывает центростремительное ускорение, то природа сил, действием которых вызвано это ускорение, может быть различной. Например, если тело движется по окружности на привязанной к нему веревке, то действующей силой является сила упругости.
Если тело, лежащее на диске, вращается вместе с диском вокруг его оси, то такой силой является сила трения. Если сила прекратит свое действие, то далее тело будет двигаться по прямой
Рассмотрим перемещение точки на окружности из А в В. Линейная скорость равна
Теперь перейдем в неподвижную систему, связанную с землей. Полное ускорение точки А останется прежним и по модулю, и по направлению, так как при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой ускорение не меняется. С точки зрения неподвижного наблюдателя траектория точки А - уже не окружность, а более сложная кривая (циклоида), вдоль которой точка движется неравномерно.
4.1. Движение по окружности с постоянной скоростью.
Движение по окружности - простейший вид криволинейного движения.
4.1.1. Криволинейное движение - движение, траекторий которого является кривая линия.
Для движения по окружности с постоянной скоростью:
1) траектория движения - окружность;
2) вектор скорости направлен по касательной к окружности;
3) вектор скорости постоянно меняет свое направление;
4) за изменение направления скорости отвечает ускорение, называемое центростремительным (или нормальным) ускорением;
5) центростремительное ускорение меняет только направление вектора скорости, при этом модуль скорости остается неизменным;
6) центростремительное ускорение направлено к центру окружности, по которой происходит движение (центростремительное ускорение всегда перпендикулярно вектору скорости).
4.1.2. Период (T ) - время одного полного оборота по окружности.
Это величина постоянная, так как длина окружности постоянная и скорость движения постоянна
4.1.3 Частота - число полных оборотов за 1 с.
По сути, частота отвечает на вопрос: как быстро вращается тело?
4.1.4. Линейная скорость - показывает, какой путь проходит тело за 1 с (это та же самая скорость, о которой говорилось в предыдущих темах)
где R - радиус окружности.
4.1.5. Угловая скорость показывает, на какой угол поворачивается тело за 1 с.
где - угол, на который повернулось тело за время
4.1.6. Центростремительное ускорение
Напомним, что центростремительное ускорение отвечает только за поворот вектора скорости. При этом, так как скорость постоянная величина, то значение ускорения тоже постоянно.
4.1.7. Закон изменения угла поворота
Это полный аналог закона движения при постоянной скорости:
Роль координаты x играет угол роль начальной координаты играет скорость - угловая скорость И с формулой следует работать так же, как ранее работали с формулой закона равномерного движения.
4.2. Движение по окружности с постоянным ускорением.
4.2.1. Тангенциальное ускорение
Центростремительное ускорение отвечает за изменение направления вектора скорости, но если еще меняется и модуль скорости, то необходимо ввести величину отвечающую за это - тангенциальное ускорение
Из вида формулы ясно, что - это обычное ускорение, о котором говорилось раньше. Если то справедливы формулы равноускоренного движения:
где S - путь, который проходит тело по окружности.
Итак, еще раз подчеркнем, отвечает за изменение модуля скорости.
4.2.2. Угловое ускорение
Мы ввели аналог скорости для движения по окружности - угловая скорость. Естественно будет ввести и аналог ускорения - угловое ускорение
Угловое ускорение связано с тангенциальным ускорением:
Из формулы видно, что если тангенциальное ускорение постоянно, то и угловое ускорение будет постоянно. Тогда можем записать:
Формула является полным аналогом закона равнопеременного движения, поэтому работать с этой формулой мы уже умеем.
4.2.3. Полное ускорение
Центростремительное (или нормальное) и тангенциальное ускорения не являются самостоятельными. На самом деле, это проекции полного ускорения на нормальную (направлена по радиусу окружности, то есть перпендикулярно скорости) и тангенциальную (направлена по касательной к окружности в сторону, куда направлен вектор скорости) оси. Поэтому
Нормальная и тангенциальные оси всегда перпендикулярны, следовательно, абсолютно всегда модуль полного ускорения можно найти по формуле:
4.4. Движение по криволинейной траектории.
Движение по окружности является частным видом криволинейного движения. В общем случае, когда траектория представляет собой произвольную кривую (см. рис.), всю траекторию можно разбить на участки: AB и DE - прямолинейные участки, для которых справедливы все формулы движения по прямой; а для каждой участка, который нельзя рассмотреть как прямую, строим касательную окружность (окружность, которая касается траектории только в этой точке) - в точках C и D . Радиус касательной окружности называется радиусом кривизны. В каждой точке траектории радиус кривизны имеет свое значение.
Формула для нахождения радиуса кривизны :
где - нормальное ускорение в данной точке (проекция полного ускорения на ось, перпендикулярную вектору скорости).
