1.1 质点 参考系和坐标系

1.1 质点 参考系和坐标系【教学目标】1. 理解质点的概念，明确质点是理想模型，知道实际物体在什么条件下可看作质点，知道这种科学抽象是一种常用的研究方法。2. 理解参考系的概念，明确选择不同的参考系来观察一个运动，结果会有不同； 描述一个物体的运动时，参考系是可以任意选取的。【重点难点】1. 理解机械运动的永恒性和相对性，知道运动是物体的固有属性，是物体的存在形式。2. 理解质点概念以及初步理解建立质点概念所采用的抽象思维方法。【教学方法】讲练结合、讨论【教学用具】【教学过程】一、机械运动1、定义：物体的空间位置随时间的变化（物体相对于其他物体的位置变化），是自然界中最简单、最基本的运动形态，称为机械运动，简称运动。机械运动涉及到空间和时间。2、机械运动的形式：平动、转动、振动等。3、力学：在物理学中，研究物体做机械运动的分支叫做力学。（1）古希腊杰出的哲学家、科学家亚里士多德曾说过：“不了解运动，就不了解自然”。（2）力学、电学、热学、光学、原子物理学：二、物体和质点1、理想化方法（科学抽象）：突出问题的主要方面，而忽略次要因素，将实际问题简化为理想化的物理模型，从而使复杂问题得到简化，这是研究物理学问题的基本思维方法之一，叫理想化方法。（抓主放次）质点就是利用这种思维方法建立的一个理想化物理模型。2、质点：用来代替物体的有质量的点叫质点。（几何点）质点是一个理想化的物理模型：其突出特点是“具有质量”（它的质量就是它所代替的物体的质量），但没有形状和大小（忽略次要因素）。3、物体可以视为质点的条件：如果在研究的问题中，物体的形状、大小及物体上各部分运动的差异是次要的或不起作用的因素，就可以把物体看做一个质点。（1）平动的物体，一般（不一定）可视为质点。如：火车从A地开往B地，中途经过一座桥（或一个隧道）（2）转动的物体：a、转动因素可忽略时，可视为质点。b、在研究其转动时不可简化为质点。（3）物体的大小跟所研究的对象间的距离（或运动的空间范围）相比可以忽略不计时，物体可视为质点。 质点不一定是体积小的物体，体积大的物体也可视为质点，体积小的物体也不一定能视为质点。 同一个物体，在研究的问题不同时，有时可以看作质点，有时又不能看作质点，要具体问题具体分析。【思考】（1）能否把物体看作质点，与物体的大小、形状有关吗？（2）研究一辆汽车在平直公路上的运动，能否把汽车看作质点？要研究这辆汽车车轮的转动情况，能否把汽车看作质点？（3）原子核很小，可以把原子核看作质点吗？地球很大，可以把地球视为质点吗？【例1】下列情况中的物体，哪些可以看成质点（ ） A研究绕地球飞行时的航天飞机。 B研究汽车后轮上某一点的运动情况的车轮。 C研究从北京开往上海的一列火车（从桥上通过的一列队伍）。D研究在水平推力作用下沿水平地面运动的木箱。E研究小木块的翻倒过程。F跳水冠军郭晶晶在跳水比赛中，奥运会冠军邢慧娜在万米长跑中。三、参考系1、运动的绝对性和相对性：（1）运动的绝对性：宇宙中的一切物体都在不停地运动，无论是巨大的天体，还是微小的原子、分子，都处在永恒的运动之中，运动是绝对的。（2）运动的相对性：“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”人们住在地球上，因地球自转，于不知不觉中，一日已行了八万里路。地球赤道全长四万公里，合八万华里。又地球在公转，所以住在地球上的人们也在“巡天”。一千河，泛指宇宙中很多的星河。2、参考系：在描述一个物体的运动时，选来作为参考的物体称为参考系。（1）参考系的选择是任意的，但应以观测方便和对运动的描述尽可能简单为原则。研究地面上物体的运动，一般以地面（或相对于地面静止的物体）作为参考系。以后如没有特别说明时，通常以地面为参考系。（2）参考系本身可以是运动的，也可以是静止的（假定不动）。（3）选择不同的参考系来观察同一物体的运动，其观察结果可能不同；要比较两个物体的运动，应选择同一参考系。（4）通常所说物体是运动的还是静止的，是相对于选择的参考系而言。【例2】 讨论坐在行驶的火车中的乘客： 以车厢作为参考系静止 以地面作为参考系运动 从匀速飞行的飞机上向地面空投物体： 以飞机作为参考系沿直线下落 以地面作为参考系沿曲线下落【例3】 某人划船逆流而上，当船经过一桥时，船上一木块掉入水中，但船一直航行到上游才发现，立刻返航追赶，返航后1小时追上木块，发现木块距小桥6千米，若此人向上游和下游划船时，船相对水的速度相同，则水的流速是多大？3、静止的相对性：运动是绝对的，但静止是相对的。【例4】 欣赏（1）小小竹排江中游，巍巍青山两岸走。（闪闪红星）（2）飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。卧看满天云不动，不知云与我俱东。（襄邑道中）赏析：船行百里云不动，其实是动中见静，似静实动。四、坐标系1、目的：为了定量地描述物体的位置及位置变化，需要在参考系上建立坐标系。有时需要准确地描述某个物体所在的位置，如地理上用纬度和经度来确定某个地点在军事、大地测量等领域常采用全球卫星定位系统(GPS)来确定方位2、坐标系的建立：（1）坐标系相对参考系是静止的（两系关系在选定的参考系中建立坐标系）。（2）坐标系的三要素：原点、正方向、单位长度。（3）意义：用坐标表示质点的位置，用坐标的变化表示质点位置的改变。3、种类：（1）直线坐标系：如果物体在一维空间运动，即沿一条直线运动，只需建立直线坐标系，就能准确表达物体的位置；（2）平面直角坐标系：如果物体在二维空间运动，即在同一平面运动，就需要建立平面直角坐标系来描述物体的位置；（3）三维直角坐标系：如果物体在三维空间运动时，则需要建立三维直角坐标系来描述。【科学漫步】 从GPS定位器显示屏中的信息可以知道：（1）第1行的“西”和第2行的“航向267”表示航向，如图所示。（2）“航速：00km/h”说明定位器现在相对地面静止。（3）航程：10 km是指从出发到现在的里程。（4）累计：13：32是指从开始启动定位器到现在的时间。（5）第4行的“N 3955451”和“E ll623504”是指定位器所处位置的经纬度。（6）时间：10：29：57，显示的是北京时间10点29分57秒。通过地理知识或查阅地图手册可以知道定位器此刻正处于北京市城区的西部。【课外作业】1、教材：P122，3【阅读材料】理想模型及其在科学研究中的作用在自然科学的研究中，“理想模型”的建立，具有十分重要的意义。第一，引入“理想模型”的概念，可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。把现实世界中，有许多实际的事物与这种“理想模型”十分接近。在一定的场合、一定的条件下，作为一种近似，可以把实际事物当作“理想模型”来处理，即可以将“理想模型”的研究结果直接地应用于实际事物。例如，在研究地球绕太阳公转的运动的时候，由于地球与太阳的平均距离(约为14960万公里)比地球的半径(约为6370公里)大得多，地球上各点相对于太阳的运动可以看做是相同的，即地球的形状、大小可以忽略不计。在这种场合，就可以直接把地球当作一个“质点”来处理。在研究炮弹的飞行时，作为第一级近似，可以忽略其转动性能，把炮弹看成一个“质点”；作为第二级近似，可以忽略其弹性性能，把炮弹看成一个“刚体”。在研究一般的真实气体时，在通常的温度和压强范围内，可以把它近似地当作“理想气体”，从而直接地运用“理想气体”的状态方程来处理。第二，对于复杂的对象和过程，可以先研究其理想模型，然后，将理想模型的研究结果加以种种的修正，使之与实际的对象相符合。这是自然科学中，经常采用的一种研究方法。例如：“理想气体”的状态方程，与实际的气体并不符合，但经过适当修正后的范德瓦尔斯方程，就能够与实际气体较好地符合了。第三，由于在“理想模型”的抽象过程中，舍去了大量的具体材料，突出了事物的主要特性，这就更便于发挥逻辑思维的力量，从而使得“理想模型”的研究结果能够超越现有的条件，指示研究的方向，形成科学的预见。例如：在固体物理的理论研究中，常常以没有“缺陷”的“理想晶体”作为研究对象。但应用量子力学对这种“理想晶体”进行计算的结果，表明其强度竟比普通金属材料的强度大一千倍。由此，人们想到：既然“理想晶体”的强度应比实际晶体的强度大一千倍，那就说明常用金属材料的强度之所以减弱，就是因为材料中有许多“缺陷”的缘故。如果能设法减少这种“缺陷”，就可能