浅析圆周运动学习中的一些问题

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  质点在以某点为圆心半径为r的圆周上运动时,即其轨迹是圆周的运动叫“圆周运动”。它是一种最常见的曲线运动。圆周运动分为:匀速圆周运动和变速圆周运动(如:竖直平面内绳/杆转动小球、竖直平面内的圆锥摆运动)。其中最常见和最简单的是匀速圆周运动。
  概念是学生在接触科学知识前,对现实生活现象所形成的经验型概念,而由于中学生的知识经验有限,辩证思维还不发达,思维的独立性和批判性还不成熟,考虑问题容易产生表面性,且往往会被表面现象所迷惑,而看不到事物本质,所以易形成一些错误的前概念,这些错误概念对物理概念的正确形成极为不利,它排斥了科学概念的建立,是物理教学低效率的重要原因之一,尤其在这一部分内容的学习中学生有几个容易混淆的地方:
  其一,在学生学习的过程中,往往不能把握匀速圆周运动是变速运动这一点,老觉的匀速圆周运动就是匀速运动,其实不然,匀速运动指速度不变的运动,速度是一个矢量,它的不变代表速度的大小和方向都不会发生变化,但是在匀速圆周运动中速度的方向是在不断变化的(曲线运动的速度方向是该点的切线方向),我们所说的匀速圆周运动只是匀速率圆周运动的简称,这是人们的习惯说法而已,当然了匀速圆周运动也不可能是匀变速运动,匀变速运动指的是加速度不变的运动,同样加速度也是矢量,它不变也代表加速度的大小和方向都不变,对于匀速圆周运动,其加速度的方向是时刻指向圆心的,在圆的各个位置上我们可以看出在匀速圆周运动中加速度的方向是时刻变化的。
  其二,在学生学习的过程中不能理解和熟练掌握好向心力,因为所有的公式都是跟向心力有关的,但是向心力是按效果命名的力,任何一个力或几个力的合力只要它的作用效果是使物体产生向心加速度,它就是物体所受的向心力,不能认为做匀速圆周运动的物体除了受到另外物体的作用外,还要另外受到向心力,换句话说向心力并不是一种特殊性质的力,它是效果力,向心力的名称只是根据这个力的方向总是沿半径指向圆心的特点来命名的,它可以是重力,弹力,摩擦力等各种性质力,也可以是几个性质力的合力,或者某一个力的分力,没有单独存在的另外的向心力,在对质点进行受力分析的时候,不能额外的加个向心力,另外,向心力的方向是始终沿半径指向圆心的,始终与线速度方向垂直,是时刻变化的,所以向心力是个大小不变但方向时刻变化的力,向心力的作用是只改变线速度的方向,不改变线速度的大小,质点做变速圆周运动时,所受合外力方向一般不指向圆心,可将合力沿半径方向和切线方向正交分解,其沿半径方向的分力即为向心力,用来改变速度的方向,其沿切线方向的分力,改变速度的大小,值得注意的是,变速圆周运动中的线速度和角速度与匀速圆周运动中的不同,它的大小是时刻变化着的,计算质点在变速圆周运动中某一点时所需要的向心力大小时应该是该点处瞬时线速度和瞬时角速度的大小,
  圆周运动既是教学的重点,学生学习的难点,又是历年高考的热点。圆周运动作为基础性的知识,往往与其他内容密切相连的,所以与圆周运动相结合的问题类型较多,现分类介绍如下:一、匀速圆周运动中与线运动、角速度、向心加速度等相关的问题;二、水平方向上匀速圆周运动中与向心力相关的问题,三、竖直面内作圆周运动的临界问题;四、竖直面内作圆周运动与向心力有关的问题;五、天体(包括人造天体)在万有引力作用下的运动;六、与磁场有关的问题;七、核外电子在库仑力作用下绕原子核的运动;八、带电质点在电、磁复合场中做圆周运动的有关的问题。
  由此可见圆周运动贯穿在力学、电学、原子物理等整个高中物理之中,在近几年高考物理试卷中以匀速圆周运动为背景的试题频频出现,无疑,匀速圆周运动问题始终是高考中的热点之一,但是不管是属于以上哪种类型的问题,只要能够牢牢抓住圆周运动中的基本概念和基本公式,耐心地分析,我想大部分问题是可以由學生们自己单独解决的,其中带电粒子以垂直于磁场方向的速度进入匀强磁场(或复合场)中受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动类试题,几乎成了这些年高考必考试题,而且往往是以计算题的形式来考查学生。虽然在平时练习和模拟考试中,教师和学生都非常重视进行求解这类试题的训练,但在高考中学生们仍然觉得求解这类试题十分困难,我认为最主要的原因除了物理(运动)图景非常抽象、复杂以外,最主要的是要正确解答这类问题,作出粒子在匀强磁场(或复合场)中做匀速圆周运动的轨迹示意图是关键。因为作出正确、规范的示意图之后,题中所隐藏的条件、空间位置关系、长度(距离)关系、时间关系等相关量之间的关系就一目了然,求解试题就轻而易举了。而学生们没有养成良好的做图习惯,大部分学生不习惯用三角板、圆规、铅笔规范作出粒子做圆周运动的轨迹示意图,他们怕麻烦,最多是凭手乱画一个“示意图”,这样的“示意图”既不能准确表示粒子做圆周运动的轨迹,又展现不出那些隐藏的条件、关系和规律,这就需要我们老师以身作则,
  在讲解这类习题时,不能怕麻烦和一味追求节省时间多讲一个例题,而应宁肯少讲一个题也要放慢速度用工具(三角板、圆规、铅笔)在黑板上规范作出粒子做圆周运动的轨迹示意图,给学生做出表率,培养学生作图的习惯。
  
  参考文献
  [1]东北师范大学出版社.赵双菊编
  [2]志鸿优化系列丛书.任志鸿编
  [3]新新系列图书.薛金星编
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