1、教学设计2.5.2 向量在物理中的应用举例整 体 设 计教学分析向量与物理学天然相联向量概念的原型就是物理中的力、速度、位移以及几何中的有向线段等概念，向量是既有大小、又有方向的量，它与物理学中的力学、运动学等有着天然的联系，将向量这一工具应用到物理中，可以使物理题解答更简捷、更清晰并且向量知识不仅是解决物理许多问题的有利工具，而且用数学的思想方法去审视相关物理现象，研究相关物理问题，可使我们对物理问题的认识更深刻物理中有许多量，比如力、速度、加速度、位移等都是向量，这些物理现象都可以用向量来研究用向量研究物理问题的相关知识(1)力、速度、加速度、位移等既然都是向量，那么它们的合成与分解就是向
2、量的加、减法，运动的叠加亦用到向量的合成；(2)动量是数乘向量；(3)功即是力与所产生位移的数量积用向量知识研究物理问题的基本思路和方法(1)通过抽象、概括，把物理现象转化为与之相关的向量问题；(2)认真分析物理现象，深刻把握物理量之间的相互关系； (3)利用向量知识解决这个向量问题，并获得这个向量的解；(4)利用这个结果，对原物理现象作出合理解释，即用向量知识圆满解决物理问题教学中要善于引导学生通过对现实原型的观察、分析和比较，得出抽象的数学模型例如，物理中力的合成与分解是向量的加法运算与向量分解的原型同时，注重向量模型的运用，引导解决现实中的一些物理和几何问题这样可以充分发挥现实原型对抽象
3、的数学概念的支撑作用三维目标1通过力的合成与分解的物理模型，速度的合成与分解的物理模型，掌握利用向量方法研究物理中相关问题的步骤，明了向量在物理中应用的基本题型，进一步加深对所学向量的概念和向量运算的认识2通过对具体问题的探究解决，进一步培养学生的数学应用意识，提高应用数学的能力体会数学在现实生活中的重要作用养成善于发现生活中的数学，善于发现物理及其他科目中的数学及思考领悟各学科之间的内在联系的良好习惯重点难点教学重点：1.运用向量的有关知识对物理中力的作用、速度的分解进行相关分析和计算.2.归纳利用向量方法解决物理问题的基本方法教学难点：将物理中有关矢量的问题转化为数学中向量的问题课时安排1
4、 课时教 学 过 程导入新课思路 1.(章头图引入)章头图中，道路、路标体现了向量与位移、速度、力等物理量之间的密切联系章引言说明了向量的研究对象及研究方法那么向量究竟是怎样应用于物理的呢？它就像章头图中的高速公路一样，是一条解决物理问题的高速公路在学生渴望了解的企盼中，教师展示物理模型，由此展开新课思路 2.(问题引入)你能举出物理中的哪些向量？比如力、位移、速度、加速度等，既有大小又有方向，都是向量，学生很容易就举出来进一步，你能举出应用向量来分析和解决物理问题的例子吗？你是怎样解决的？教师由此引导：向量是有广泛应用的数学工具，对向量在物理中的研究，有助于进一步加深对这方面问题的认识我们可
5、以通过对下面若干问题的研究，体会向量在物理中的重要作用由此自然地引入新课Error!例 1 在日常生活中，你是否有这样的经验：两个人共提一个旅行包，夹角越大越费力；在单杠上做引体向上运动，两臂的夹角越小越省力你能从数学的角度解释这种现象吗？活动：这个日常生活问题可以抽象为如图 1 所示的数学模型，引导学生由向量的平行四边形法则，力的平衡及解直角三角形等知识来思考探究这个数学问题这样物理中力的现象就转化为数学中的向量问题只要分析清楚 F、G、 三者之间的关系(其中 F 为F1、F 2的合力 )，就得到了问题的数学解释图 1在教学中要尽可能地采用多媒体，在信息技术的帮助下让学生来动态地观察|F|、
6、 |G|、 之间在变化过程中所产生的相互影响由学生独立完成本例后，与学生共同探究归纳出向量在物理中的应用的解题步骤，也可以由学生自己完成，还可以用信息技术来验证用向量解决物理问题的一般步骤是：问题的转化，即把物理问题转化为数学问题；模型的建立，即建立以向量为主体的数学模型；参数的获得，即求出数学模型的有关解理论参数值；问题的答案，即回到问题的初始状态，解释相关的物理现象解：不妨设|F 1|F 2|，由向量的平行四边形法则、力的平衡以及直角三角形的知识，可以知道cos |F 1| .2 12|G|F1| |G|2cos2通 过 上 面 的 式 子 ， 我 们 发 现 ： 当 由 0到 180逐
7、渐 变 大 时 ， 由 0到 90逐 渐 变 大 ， cos2的 值 由 大 逐 渐 变 小 ， 因 此 |F1|由 小 逐 渐 变 大 ， 即 F1， F2之 间 的 夹 角 越 大 越 费 力 ， 夹 角 越 小 越2省 力 点评：本例是日常生活中经常遇到的问题，学生也会有两人共提一个旅行包以及在单杠上做引体向上运动的经验本例的关键是作出简单的受力分析图，启发学生将物理现象转化成模型，从数学角度进行解释，这就是本例活动中所完成的事情教学中要充分利用好这个模型，为解决其他物理问题打下基础得到模型后就可以发现，这是一个很简单的向量问题，这也是向量工具优越性的具体体现.变式训练某人骑摩托车以 2
8、0 km/h 的速度向西行驶，感到风从正南方向吹来，而当其速度变为 40 km/h 时，他又感到风从西南方向吹来，求实际的风向和风速解：如图 2 所示设 v1 表示 20 km/h 的速度，在无风时，此人感到的风速为v 1，实际的风速为 v，那么此人所感到的风速为 v(v 1)vv 1.图 2令 v 1， 2v 1，实际风速为 v.AB AC ，DA AB DB vv 1，这就是骑车人感受到的从正南方向吹来的风的速度DB ，DA AC DC v2v 1.DC 这就是当车的速度为 40 km/h 时，骑车人感受到的风速由题意得DCA45，DBAB，ABBC ，DCA 为等腰三角形，DADC，DA
9、CDCA45.DADC BC20 .2 2|v |20 km/h.2答：实际的风速 v 的大小是 20 km/h，方向是东南方向.2例 2 如图 3 所示，利用这个装置(冲击摆) 可测定子弹的速度，设有一砂箱悬挂在两线下端，子弹击中砂箱后，陷入箱内，使砂箱摆至某一高度 h.设子弹和砂箱的质量分别为 m和 M，求子弹的速度 v 的大小图 3解：设 v0 为子弹和砂箱相对静止后开始一起运动的速度，由于水平方向上动量守恒，所以 m|v|(M m)|v0|. 由于机械能守恒，所以 (Mm) v (M m) gh. 12 20联立解得|v| .M mm 2gh又因为 m 相对于 M 很小，所以|v| ，
10、Mm2gh即子弹的速度大小约为 .Mm2ghError!1一艘船以 4 km/h 的速度沿着与水流方向成 120的方向航行，已知河水流速为 2 km/h，则经过 小时，该船实际航程为 ( )3A2 km B6 km15C. km D8 km84答案：B点评：由于学生还没有学习正弦定理和余弦定理，所以要通过作高来求2如图 4，已知两个力的大小和方向，则合力的大小为_ N；若在图示坐标系中，用坐标表示合力 F，则 F_.图 4答案： (5,4)413一艘船以 5 km/h 的速度向垂直于对岸的方向行驶，而该船实际航行的方向与水流方向成 30角，求水流速度与船的实际速度答案：如图 5 所示，设 表示
11、水流速度， 表示船垂直于对岸的速度， 表示船的OA OB OC 实际速度，AOC30，| |5 km/h.OB 图 5因为 OACB 为矩形，所以| | |cot30| |cot305 8.66 km/h，OA AC OB 3| | 10 km/h.OC |OA |cos305332答：水流速度为 8.66 km/h，船的实际速度为 10 km/h.点评：转化为数学模型，画出向量图，在直角三角形中解出Error!1与学生共同归纳总结利用向量解决物理问题的步骤问题的转化，即把物理问题转化为数学问题；模型的建立，即建立以向量为主体的数学模型；参数的获得，即求出数学模型的有关解理论参数值；问题的答案
12、，即回到问题的初始状态，解释相关的物理现象2与学生共同归纳总结向量在物理中应用的基本题型力、速度、加速度、位移都是向量；力、速度、加速度、位移的合成与分解对应相应向量的加减；)动量 mv 是数乘向量，冲量 tF 也是数乘向量；功是力 F 与位移 s 的数量积，即 WFs.Error!1课本习题 2.5 A 组 3、4 ，B 组 1、2.2归纳总结物理学中哪些地方可用向量设 计 感 想1本教案设计的指导思想是：由于本节重在解决两个问题，一是如何把物理问题转化成数学问题，也就是将物理量之间的关系抽象成数学模型；二是如何用建立起来的数学模型解释和回答相关的物理现象因此本教案设计的重点也就放在怎样让学
13、生探究解决这两个问题上而把这个探究的重点又放在这两个中的第一个上，也就是引导学生认真分析物理现象、准确把握物理量之间的相互关系通过抽象、概括，把物理现象转化为与之相关的向量问题，然后利用向量知识解决这个向量问题2经历是最好的老师充分让学生经历分析、探究并解决实际问题的过程，这也是学习数学，领悟思想方法的最好载体学生这种经历的实践活动越多，解决实际问题的方法就越恰当而简捷教科书中对本节的两个例题的处理方法，都不是先给出解法，而是先进行分析，探索出解题思路，再给出解法，就足以说明这一点3突出数形结合的思想教科书例题都是先画图进行分析的，本教案的设计中也突出了这一点让学生在活动的时候就先想到画图，并
14、在这个活动中，体会数形结合的应用，体会数学具有广泛的应用，体会向量这个工具的优越性备 课 资 料一、向量与重心问题假如有两个质点 M1，M 2，它们的质量分别是 m1，m 2，由物理学知识，这两个质点的重心 M 在线段 M1M2 上，并且分此线段为与质量成反比例的两部分，即 ，或 m1 m 2 .M1MMM2 m2m1 M1M MM2 现设点 M1、M 2、M ，对应的向量分别是 r1、r 2、r，则上式可以写成m1(rr 1)m 2(r2r)所以 r ，点 M 处的质量为 m1m 2.m1r1 m2r2m1 m2现求三个质点的重心问题三个质点 M1、M 2、M 3 的质量分别是 m1、m 2
15、、m 3，所对应的向量分别是 r1、r 2、r 3，我们可设 M1，M 2 的重心在点 D 处，该处对应的向量为 rD ，该点的质量m1r1 m2r2m1 m2为 m1m 2，然后求点 D 与点 M3 的重心 M 所对应的向量 r，易得r .m1r1 m2r2 m3r3m1 m2 m3二、备用习题1作用于同一点的两个力 F1和 F2，|F 1|5，|F 2|3，夹角为 60，则 F1F 2的大小为_答案：72一条渔船距对岸为 4 km，现正以 2 km/h 的速度向垂直于对岸的方向划去，到达对岸时，船的实际航程为 8 km，求河水的流速. 答案：解：如图 7 所示，设 表示船垂直于对岸的速度，
16、则 ，AB AB BC AC 图 7知 就是渔船实际航行的速度因为航行的时间为 422(h)，AC 所以在 RtABC 中，|A |2 km/h，| |824 km/h，则|B |2 km/h.B AC C 3答：河水的流速为 2 km/h.33在半径为 15 cm 的均匀铁板上，挖出一个圆洞，已知圆洞的圆心和铁板中心相距 8 cm，圆洞的半径是 5 cm，求挖去圆洞后所剩下铁板的重心答案：解：如图 8 所示，建立平面直角坐标系，两圆的圆心分别为 O1(0,0)，O 2(8,0)，圆 O2 是挖去的圆，不妨设铁板的密度为 1，则小圆的质量 m125，挖去圆洞后，铁板的质量为 m2(22525)
17、 200，设所求的重心为 O3.图 8根据物理学知识，知 O3 在直线 O1O2 上，即可设 O3(x3,0)，且满足 ，O3O1 O1O2 其中 .由定比分点坐标公式知 0 ，解得 x31，m1m2 25200 18x3 1881 18即 O3(1,0) 为挖去圆洞后所剩下铁板的重心4如图 6 所示，重力为 G 的均匀小球放在倾角为 的斜面上，球被与斜面夹角为 的木板挡住，球面、木板均光滑，若使球对木板的压力最小，求木板与斜面间夹角 的大小. 图 6答案：解：对小球的受力分析如图 6 所示，重力为 G，斜面弹力为 N2(垂直于斜面向上)，木板弹力 N1(垂直于木板 )，其中 N1与 N2的合力的大小恒为| G |，方向向上，N 2的方向始终不变，随着木板的转动，N 1的方向始终垂直于木板，N 1的大小在变化，且满足 ，又 |G | G|， |N1| .当 sin 取最大值 1 时，|N 1|min|G|sin ，此时|N1|sin |G |sin |G|sinsin .2
