《角动量守恒定律》微课教学设计

魏樱

摘 要本文从教学背景、教学目标、教学重点、难点和关键点、教学方法、教具的选用、教学过程等几个方面对《角动量守恒定律》微课的教学内容进行了分析和设计。

【关键词】微课教学设计；角动量守恒定律

1 教学背景

选用教材《物理学》是由徐建中主编的，由化学工业出版社出版的教育部高职高专公共课教材。“角动量守恒定律”是“刚体定轴转动”这一章的重点、难点内容。角动量和动量、能量一样是力学中最重要的概念之一。角动量守恒定律是自然界中的普遍规律之一，它在现代技术中有许多重要的应用。学好这部分知识对培养学生的分析问题能力，探索求真精神，以及对学生进行实践教育都有重要意义。本次微课利用视频、动画等现代化教学手段，对角动量守恒定律做专项讲授，希望通过本节内容的学习，会应用角动量守恒定律分析实际问题，不再觉得其抽象。

2 教学目标

掌握角动量守恒定律，明确守恒条件；能用角动量守恒定律解释相关的实际应用；培养学生类比学习的能力和观察、分析解决问题的能力；通过情景模拟和讨论增强了学生进行实践探索规律的意识；通过一些体育运动、航天技术与物理的结合教学，激发学生的爱国主义情操和努力学习的奋斗意识。

3 教学重点、难点和关键点

教学重点：角动量守恒定律和应用；教学难点：运用角动量守恒定律解决实际问题；教学关键点：能够在实际问题中判断角动量守恒定律是否适用，如果适用怎样分析解决实际问题。

4 教学方法

讲授法、讨论法、多媒体教学法、设疑法、实验法、情景法、类比法等。

（1）由于本节知识点较抽象，按常规方法很易让学生失去兴趣并难以理解。所以采用多媒体教学，这不仅可以提高课堂容量，更可以展示一些动画，更好去分析角动量守恒定律，来提升学生学习兴趣和学习主动性。

（2）在讲解角动量守恒定律时，设置问题激发学生求知欲，再通过播放演示实验，学生讨论并探究，重视知识形成的过程，让学生逐步从感性上升到理性认识来理解角动量守恒定律。

（3）歌名猜猜看游戏，调动了学生的学习积极性，同手同脚的情景模拟，活跃了课堂气氛，提高了学习兴趣。

（4）问题贯穿始终，提出问题并解答问题的过程，就是学习的过程。释疑解惑法，加深了对新知识点的掌握。

5 教具的选用

茹可夫斯基凳（演示实验）；跳水运动员、花样滑冰运动员的旋转表演（演示动画）；《啊啊啊啊科学试验站——角动量守恒定律》视频节目；太空中陀螺实验视频；被中香炉视频；直升机螺旋桨对旋的动画视频。

6 教学过程

6.1 激发学习兴趣，引出课题。

检查课前任务完成的情况。课前任务一：通过查阅资料，了解直升机的种类。学生①回答图片中直升机的名称。引出思考题一：直升机的两幅螺旋桨，为什么会朝相反的方向转动？课前任务二：观看《啊啊啊啊科学试验站——角动量守恒定律》节目后，哪个实验对你的印象最深，你思考了什么样的问题呢？学生②提出疑问：剪断旋转飞轮的绳子，为什么飞轮可以继续旋转？学生③提出疑问：为什么陀螺可以在桌面和绳子上继续旋转，为什么宇航员在神十做陀螺演示实验时，效果会更加明显？教师强调：在本次课程的学习中，以上问题都可以一一解答。

6.2 知识点回顾

刚体的角动量：

质点的角动量：

角动量定理：

刚体的转动惯量与刚体的质量、质量的分布、转轴的位置有关。

6.3 新知识点讲授

6.3.1 角动量守恒定律

由刚体定轴转动的角动量定理：，得角动量守恒条件：合外力矩为零。刚体定轴转动的角动量守恒定律：当刚体所受的合外力矩为零，则刚体的角动量保持不变。

角动量

讨论分两种情况：I不变，刚体作匀速转动；I发生改变，则刚体的角速度发生变化。

6.3.2 角动量守恒定律应用

绕定轴转动的刚体：地球近似为一刚体，地球绕自转轴自西向东的转动，从北极点上空看呈逆时针旋转。当地球质量分布一定时，地球的自转周期基本恒定。即I不变，刚体作匀速转动。但活跃的地壳运动如地震威力巨大，地轴移位，质量分布改变，即可以改变地球的转动惯量，从而影响地球的自转周期。

解答同学②疑问：播放视频——杜海涛剪断绳子，分析旋转的轮子可以近似视为一刚体，当我们剪短绳子时，合外力矩=0，所以角动量守恒。

播放视频——茹可夫斯基凳。实验者坐在凳子上系好安全带，手持哑铃，两臂平伸。其他人推动转椅，使转椅转动起来，然后实验者收缩双臂，可看到实验者和凳的转速显著增大。两臂再度平伸，转速又减慢。播放视频——花样滑冰运动员旋转表演。运动员往往先把手臂张开旋转，此时旋转较慢；然后迅速将两臂靠拢身体，旋转加快。教师分析因为以绕人体中心轴转动，合外力矩等于零，所以角动量守恒。手臂伸展开，半径变大，转动惯量变大，所以角速度变小。手臂收缩，半径变小，转动惯量变小，所以角速度变大。

播放视频——跳水运动员空中翻转。在空中翻筋斗时，常把身体蜷缩起来，以加大翻转的角速度；当接近水面时，把身体展开，以利于减小转速沿垂直方向进入水中。

播放小球作圆周运动flash动画。教师提问：小球系于绳的一端，绳的另一端则由光滑水面上的小孔通过，下面挂一个重物。请问当小球作圆周运动的半径改变的时候，小球做圆周运动的角速度怎么变呢？学生④回答——半径增大，角速度减小，半径减小，角速度增大。教学和学生分析：小球受到重力和支持力、绳子拉力。重力支持力是平衡力。拉力提供向心力，让小球做圆周运动。但拉力对于转轴而言，没有产生力臂，因此没有力矩，所以角动量守恒。带入质点的角动量公式L=mr2，因为m不变，所以半径增大，角速度减小，半径减小，角速度增大。

6.3.3 工程技术上的应用

惯性导航仪，也叫“定向回转仪”，或叫“陀螺”。它是装置在套在一起的常平架上的一个很大质量的转子，架上的两个圆环具有竖直轴和水平轴。由于高度润滑，因此不会受到任何力矩作用。所以根据角动量守恒定律，它对空间的指向不变。因此在轮船、飞机、导弹或宇宙飞船上安装此系统能起导航作用。

播放视频——《啊啊啊啊科学试验站——角动量守恒定律》节目中陀螺在桌面和绳子上旋转，解答同学③、同学④疑问。陀螺转动后，放在水平桌面上或者绳子上，都因为满足合外力矩为零，所以角动量守恒。因此继续转动。

播放视频——在神十上宇航员王亚平做的“陀螺实验”，解答同学④疑问。因为当合外力矩为零时，角动量守恒。即使宇航员施加了力，也没有产生持续的力矩，旋转的陀螺的转轴不会发生很大的改变。而在地面上会受到摩擦阻力的干扰，转速会越来越低，所以这个实验很难在地面上完成。

被中香炉，又叫卧褥香炉，是西汉时期丁缓制造。我国早在《西京杂记》上就有记载。它就用了常平架，因而“环转四周，而炉体常平”，显示出非凡的技巧。

6.3.4 质点系的角动量守恒定律的应用

质点系的角动量守恒定律的条件：合外力矩为零。对于几个物体所组成的系统，当系统合外力矩为零时，则该系统角动量守恒。如果系统原来是静止的，则角动量为零。而当内力使系统的一部分转动时，另一部分也必会沿相反的方向转动，而系统的总角动量仍保持为零。

解释课前提出的思考题：直升机的两幅螺旋桨，为什么会朝相反的方向转动？因为当直升机上方的旋翼转动时，它必然会引起机身的反向打转，来保持角动量为零，而直升机侧向的尾桨可以提供水平力，来保证机身不打转。鱼雷在其尾部也装有对旋螺旋桨，其目的也是为了消除单螺旋桨造成鱼雷自身的反转问题。

音乐欣赏游戏——猜歌名《同手同脚》，由同学表演动作。讨论为什么同手同脚地走路或跑步会使人觉得别扭呢？这是因为人在跑步或走路过程中，左脚向前跨出时，右臂必须同时向前摆出，才不至于使整个躯干向右旋转。随着闭合腿的运动，躯干的上端（肩）和下端（髋）彼此向相反方向扭转，而躯干的中端和头部则大体保持在原来位置上，这样可以使整个身体对于竖直轴的角动量为零。

6.3.5 自然界中存在多种守恒定律

角动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。角动量守恒定律是自然界独立存在的基本定律，不包含在动量守恒或能量守恒定律中。大至宇宙天体、小至基本粒子，迄今还未发现角动量守恒不成立的情况。自然界中存在着多种守恒定律：动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定律、质量守恒定律、电荷守恒定律等。

守恒定律被无数事实证明了是描述自然界的一种客观规律，它深刻反应了物质运动“变中有不变”的内在规律。在处理问题时，对于一个待研究的物理过程，首先看其是否符合守恒条件，如果满足合外力矩为零的守恒条件，可以只需考虑初态和末态，不必考虑中间过程，大大简化解决问题的过程。

6.4 知识点小结

角动量守恒定律和角动量守恒定律的应用。

6.5 布置课后作业

（1）为什么猫从高处落下时，总能四脚着地？

（2）利用角动量守恒定律导出开普勒第二定律，即行星对太阳的矢径在相同的时间内扫过的面积相等。

参考文献

[1]徐建中.物理学[M].北京：化学工业出版社，2004：110-112.

作者单位

南京科技职业学院基础部 江苏省南京市 210048