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        《角動量守恒定律》微課教學(xué)設(shè)計

        2016-12-20 19:08:08魏櫻
        知音勵志·社科版 2016年11期
        關(guān)鍵詞:角動量剛體角速度

        魏櫻

        摘 要本文從教學(xué)背景、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點、難點和關(guān)鍵點、教學(xué)方法、教具的選用、教學(xué)過程等幾個方面對《角動量守恒定律》微課的教學(xué)內(nèi)容進行了分析和設(shè)計。

        【關(guān)鍵詞】微課教學(xué)設(shè)計;角動量守恒定律

        1 教學(xué)背景

        選用教材《物理學(xué)》是由徐建中主編的,由化學(xué)工業(yè)出版社出版的教育部高職高專公共課教材?!敖莿恿渴睾愣伞笔恰皠傮w定軸轉(zhuǎn)動”這一章的重點、難點內(nèi)容。角動量和動量、能量一樣是力學(xué)中最重要的概念之一。角動量守恒定律是自然界中的普遍規(guī)律之一,它在現(xiàn)代技術(shù)中有許多重要的應(yīng)用。學(xué)好這部分知識對培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力,探索求真精神,以及對學(xué)生進行實踐教育都有重要意義。本次微課利用視頻、動畫等現(xiàn)代化教學(xué)手段,對角動量守恒定律做專項講授,希望通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí),會應(yīng)用角動量守恒定律分析實際問題,不再覺得其抽象。

        2 教學(xué)目標(biāo)

        掌握角動量守恒定律,明確守恒條件;能用角動量守恒定律解釋相關(guān)的實際應(yīng)用;培養(yǎng)學(xué)生類比學(xué)習(xí)的能力和觀察、分析解決問題的能力;通過情景模擬和討論增強了學(xué)生進行實踐探索規(guī)律的意識;通過一些體育運動、航天技術(shù)與物理的結(jié)合教學(xué),激發(fā)學(xué)生的愛國主義情操和努力學(xué)習(xí)的奮斗意識。

        3 教學(xué)重點、難點和關(guān)鍵點

        教學(xué)重點:角動量守恒定律和應(yīng)用;教學(xué)難點:運用角動量守恒定律解決實際問題;教學(xué)關(guān)鍵點:能夠在實際問題中判斷角動量守恒定律是否適用,如果適用怎樣分析解決實際問題。

        4 教學(xué)方法

        講授法、討論法、多媒體教學(xué)法、設(shè)疑法、實驗法、情景法、類比法等。

        (1)由于本節(jié)知識點較抽象,按常規(guī)方法很易讓學(xué)生失去興趣并難以理解。所以采用多媒體教學(xué),這不僅可以提高課堂容量,更可以展示一些動畫,更好去分析角動量守恒定律,來提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

        (2)在講解角動量守恒定律時,設(shè)置問題激發(fā)學(xué)生求知欲,再通過播放演示實驗,學(xué)生討論并探究,重視知識形成的過程,讓學(xué)生逐步從感性上升到理性認(rèn)識來理解角動量守恒定律。

        (3)歌名猜猜看游戲,調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,同手同腳的情景模擬,活躍了課堂氣氛,提高了學(xué)習(xí)興趣。

        (4)問題貫穿始終,提出問題并解答問題的過程,就是學(xué)習(xí)的過程。釋疑解惑法,加深了對新知識點的掌握。

        5 教具的選用

        茹可夫斯基凳(演示實驗);跳水運動員、花樣滑冰運動員的旋轉(zhuǎn)表演(演示動畫);《啊啊啊啊科學(xué)試驗站——角動量守恒定律》視頻節(jié)目;太空中陀螺實驗視頻;被中香爐視頻;直升機螺旋槳對旋的動畫視頻。

        6 教學(xué)過程

        6.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,引出課題。

        檢查課前任務(wù)完成的情況。課前任務(wù)一:通過查閱資料,了解直升機的種類。學(xué)生①回答圖片中直升機的名稱。引出思考題一:直升機的兩幅螺旋槳,為什么會朝相反的方向轉(zhuǎn)動?課前任務(wù)二:觀看《啊啊啊啊科學(xué)試驗站——角動量守恒定律》節(jié)目后,哪個實驗對你的印象最深,你思考了什么樣的問題呢?學(xué)生②提出疑問:剪斷旋轉(zhuǎn)飛輪的繩子,為什么飛輪可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)?學(xué)生③提出疑問:為什么陀螺可以在桌面和繩子上繼續(xù)旋轉(zhuǎn),為什么宇航員在神十做陀螺演示實驗時,效果會更加明顯?教師強調(diào):在本次課程的學(xué)習(xí)中,以上問題都可以一一解答。

        6.2 知識點回顧

        剛體的角動量:

        質(zhì)點的角動量:

        角動量定理:

        剛體的轉(zhuǎn)動慣量與剛體的質(zhì)量、質(zhì)量的分布、轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。

        6.3 新知識點講授

        6.3.1 角動量守恒定律

        由剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理:,得角動量守恒條件:合外力矩為零。剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量守恒定律:當(dāng)剛體所受的合外力矩為零,則剛體的角動量保持不變。

        角動量

        討論分兩種情況:I不變,剛體作勻速轉(zhuǎn)動;I發(fā)生改變,則剛體的角速度發(fā)生變化。

        6.3.2 角動量守恒定律應(yīng)用

        繞定軸轉(zhuǎn)動的剛體:地球近似為一剛體,地球繞自轉(zhuǎn)軸自西向東的轉(zhuǎn)動,從北極點上空看呈逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量分布一定時,地球的自轉(zhuǎn)周期基本恒定。即I不變,剛體作勻速轉(zhuǎn)動。但活躍的地殼運動如地震威力巨大,地軸移位,質(zhì)量分布改變,即可以改變地球的轉(zhuǎn)動慣量,從而影響地球的自轉(zhuǎn)周期。

        解答同學(xué)②疑問:播放視頻——杜海濤剪斷繩子,分析旋轉(zhuǎn)的輪子可以近似視為一剛體,當(dāng)我們剪短繩子時,合外力矩=0,所以角動量守恒。

        播放視頻——茹可夫斯基凳。實驗者坐在凳子上系好安全帶,手持啞鈴,兩臂平伸。其他人推動轉(zhuǎn)椅,使轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)動起來,然后實驗者收縮雙臂,可看到實驗者和凳的轉(zhuǎn)速顯著增大。兩臂再度平伸,轉(zhuǎn)速又減慢。播放視頻——花樣滑冰運動員旋轉(zhuǎn)表演。運動員往往先把手臂張開旋轉(zhuǎn),此時旋轉(zhuǎn)較慢;然后迅速將兩臂靠攏身體,旋轉(zhuǎn)加快。教師分析因為以繞人體中心軸轉(zhuǎn)動,合外力矩等于零,所以角動量守恒。手臂伸展開,半徑變大,轉(zhuǎn)動慣量變大,所以角速度變小。手臂收縮,半徑變小,轉(zhuǎn)動慣量變小,所以角速度變大。

        播放視頻——跳水運動員空中翻轉(zhuǎn)。在空中翻筋斗時,常把身體蜷縮起來,以加大翻轉(zhuǎn)的角速度;當(dāng)接近水面時,把身體展開,以利于減小轉(zhuǎn)速沿垂直方向進入水中。

        播放小球作圓周運動flash動畫。教師提問:小球系于繩的一端,繩的另一端則由光滑水面上的小孔通過,下面掛一個重物。請問當(dāng)小球作圓周運動的半徑改變的時候,小球做圓周運動的角速度怎么變呢?學(xué)生④回答——半徑增大,角速度減小,半徑減小,角速度增大。教學(xué)和學(xué)生分析:小球受到重力和支持力、繩子拉力。重力支持力是平衡力。拉力提供向心力,讓小球做圓周運動。但拉力對于轉(zhuǎn)軸而言,沒有產(chǎn)生力臂,因此沒有力矩,所以角動量守恒。帶入質(zhì)點的角動量公式L=mr2,因為m不變,所以半徑增大,角速度減小,半徑減小,角速度增大。

        6.3.3 工程技術(shù)上的應(yīng)用

        慣性導(dǎo)航儀,也叫“定向回轉(zhuǎn)儀”,或叫“陀螺”。它是裝置在套在一起的常平架上的一個很大質(zhì)量的轉(zhuǎn)子,架上的兩個圓環(huán)具有豎直軸和水平軸。由于高度潤滑,因此不會受到任何力矩作用。所以根據(jù)角動量守恒定律,它對空間的指向不變。因此在輪船、飛機、導(dǎo)彈或宇宙飛船上安裝此系統(tǒng)能起導(dǎo)航作用。

        播放視頻——《啊啊啊啊科學(xué)試驗站——角動量守恒定律》節(jié)目中陀螺在桌面和繩子上旋轉(zhuǎn),解答同學(xué)③、同學(xué)④疑問。陀螺轉(zhuǎn)動后,放在水平桌面上或者繩子上,都因為滿足合外力矩為零,所以角動量守恒。因此繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

        播放視頻——在神十上宇航員王亞平做的“陀螺實驗”,解答同學(xué)④疑問。因為當(dāng)合外力矩為零時,角動量守恒。即使宇航員施加了力,也沒有產(chǎn)生持續(xù)的力矩,旋轉(zhuǎn)的陀螺的轉(zhuǎn)軸不會發(fā)生很大的改變。而在地面上會受到摩擦阻力的干擾,轉(zhuǎn)速會越來越低,所以這個實驗很難在地面上完成。

        被中香爐,又叫臥褥香爐,是西漢時期丁緩制造。我國早在《西京雜記》上就有記載。它就用了常平架,因而“環(huán)轉(zhuǎn)四周,而爐體常平”,顯示出非凡的技巧。

        6.3.4 質(zhì)點系的角動量守恒定律的應(yīng)用

        質(zhì)點系的角動量守恒定律的條件:合外力矩為零。對于幾個物體所組成的系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)合外力矩為零時,則該系統(tǒng)角動量守恒。如果系統(tǒng)原來是靜止的,則角動量為零。而當(dāng)內(nèi)力使系統(tǒng)的一部分轉(zhuǎn)動時,另一部分也必會沿相反的方向轉(zhuǎn)動,而系統(tǒng)的總角動量仍保持為零。

        解釋課前提出的思考題:直升機的兩幅螺旋槳,為什么會朝相反的方向轉(zhuǎn)動?因為當(dāng)直升機上方的旋翼轉(zhuǎn)動時,它必然會引起機身的反向打轉(zhuǎn),來保持角動量為零,而直升機側(cè)向的尾槳可以提供水平力,來保證機身不打轉(zhuǎn)。魚雷在其尾部也裝有對旋螺旋槳,其目的也是為了消除單螺旋槳造成魚雷自身的反轉(zhuǎn)問題。

        音樂欣賞游戲——猜歌名《同手同腳》,由同學(xué)表演動作。討論為什么同手同腳地走路或跑步會使人覺得別扭呢?這是因為人在跑步或走路過程中,左腳向前跨出時,右臂必須同時向前擺出,才不至于使整個軀干向右旋轉(zhuǎn)。隨著閉合腿的運動,軀干的上端(肩)和下端(髖)彼此向相反方向扭轉(zhuǎn),而軀干的中端和頭部則大體保持在原來位置上,這樣可以使整個身體對于豎直軸的角動量為零。

        6.3.5 自然界中存在多種守恒定律

        角動量守恒定律是自然界普遍成立的最重要、最基本的定理之一。角動量守恒定律是自然界獨立存在的基本定律,不包含在動量守恒或能量守恒定律中。大至宇宙天體、小至基本粒子,迄今還未發(fā)現(xiàn)角動量守恒不成立的情況。自然界中存在著多種守恒定律:動量守恒定律、角動量守恒定律、能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、電荷守恒定律等。

        守恒定律被無數(shù)事實證明了是描述自然界的一種客觀規(guī)律,它深刻反應(yīng)了物質(zhì)運動“變中有不變”的內(nèi)在規(guī)律。在處理問題時,對于一個待研究的物理過程,首先看其是否符合守恒條件,如果滿足合外力矩為零的守恒條件,可以只需考慮初態(tài)和末態(tài),不必考慮中間過程,大大簡化解決問題的過程。

        6.4 知識點小結(jié)

        角動量守恒定律和角動量守恒定律的應(yīng)用。

        6.5 布置課后作業(yè)

        (1)為什么貓從高處落下時,總能四腳著地?

        (2)利用角動量守恒定律導(dǎo)出開普勒第二定律,即行星對太陽的矢徑在相同的時間內(nèi)掃過的面積相等。

        參考文獻

        [1]徐建中.物理學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:110-112.

        作者單位

        南京科技職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部 江蘇省南京市 210048

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