高中物理情景與模型教學之圓周運動分析

黃風林

【摘要】高中物理教學中，一般對豎直平面內的圓周運動和水平面內圓周運動兩種情況進行實例分析和研究。物體在豎直平面的圓周運動，是學生普遍感到難學難懂的地方，筆者在多年教學中感到物體在豎直平面內做圓周運動，如果教學中能夠透徹地作出分析，讓學生理解掌握物理模型，則可以解決豎直平面內圓周運動的難題。

【關鍵詞】物理：情景;模型教學;圓周;運動

物體在豎直平面內圓周運動有兩個模型：繩拉小球在豎直平面內的圓周運動和輕桿帶小球在豎直平面內的圓周運動，兩者的區別是前者繩子只能對運動的小球產生拉力作用，后者輕桿對運動的小球可以有拉力，也可以有支持力作用。這兩個模型都是變速圓周運動，運動過程復雜，合外力不僅要改變運動方向，還要改變速度大小，所以一般不研究任意位置的情況，只研究特殊的位置 最高點和最低點。而物體在水平面內圓周運動相對簡單，以圓錐擺模型為例關鍵問題是向心力的來源。

模型拓展：這個模型可以拓展到其他情形，如小球在豎直（光滑）圓弧軌道內側的圓周運動、水流星的運動、過山車運動等。這些實例中，做圓周運動物體受力情形與豎直平而內的圓周運動的輕繩拉小球完全相同。

二、輕桿模型：

（一）輕桿模型的特點

1.輕桿的質量和重力不計;

2.任意方向的形變不計，只能產生和承受各方向的拉力和壓力;

3.輕桿拉力和壓力的變化不需要時間，具有突變性。

（二）輕桿模型在圓周運動中的應用

輕桿的一端連著一個小球在豎直平而內做圓周運動，小球通過最高點時，輕桿對小球產生彈力的情況：

三、圓錐擺模型在圓周運動中的應用

分析：擺球在水平面上做勻速圓周運動，加速度必定指向圓心，依據牛頓第二定律，對擺球受力分析，得：

拓展延伸，解決水平面內的勻速圓周的問題仍然是牛頓定律的問題，運用規律時采用的基本方法是正交分解法，圓錐擺是物理學中一個基本模型，許多現象都含有這個模型。