理化综合第2章.ppt

第二章运动 在我们周围 到处可以看到物体在运动 汽车在公路上飞驰 江水咆哮着流向远方 鸟儿在飞翔 树叶在摇动 连我们脚下的地球 也在不停地自转 公转 物体的位置随时间的变化 是自然界最简单 最基本的运动状态 称为机械运动 这一章 我们就来研究最常见的一些运动的规律 第一节长度 时间和尺子 一 尺子的历史 要测量物体的长度 就得用尺子 大家熟悉的尺子有木尺 钢尺 皮尺等 古今中外各种尺子的长度单位虽然各不相等 但是尺子的祖先大都来源于人体 我国古代曾用张开的大拇指和中指间一拃的距离叫做一尺 据说我国古代还曾用一根小臂骨的长度作为一尺 现在人们把这根小臂骨叫 尺骨 大概就是这个缘故 根据古书中的文字记载 有些人往往以为古代人的身材比现在人的身材高大 例如 在 战国策 齐策 中的 邹忌讽齐王纳谏 二 古今中外的长度单位 世界上各国都有自己的长度单位 这些长度单位各不相同 我国过去使用的市制长度单位有市里 市丈 市尺 市寸 市分等 它们之间的关系是 1市里 150市丈 1市丈 10市尺 1市尺 10市寸 1市寸 10市分 英国和美国使用的长度单位有英里 码 英尺 英寸等 它们之间的关系是 1英里 1760码 1码 3英尺 1英尺 12英寸 为了适应各国交流日益发展的需要 国际计量局于1960年规定了一套统一的单位 称为国际单位制 在这个单位制中 长度的基本单位是米 m 此外还有千米 km 分米 dm 厘米 cm 毫米 mm 微米 m 等 它们和我国的市制长度单位的换算关系是 1千米 2市里 1米 3市尺 它们和英制长度单位的换算关系是 1英里 1 609千米 1英尺 0 305米 米的长度又是怎么规定的呢 早在1791年 法国决定把通过巴黎的子午线 从赤道到北极的长度的1 107规定为1m 并把测量的结果用纯铂制成了标准米原器 由于这样规定的 米 比较固定 客观 越来越多的国家采用了这一单位 19世纪50年代 我国开始采用米制单位 尽管 国际米原器 比较固定 客观 但是它会随着外界条件的变化而变化 而且还可能损坏和丢失 1983年10月 第17届国际计量大会规定 1m等于光在真空中在1 299792458s内传播的路程 这一新的规定有两个好处 一是精确度比以前提高了 二是具有更高的稳定性 三 人体某些部位与长度的特殊关系在我们人的身上同样存在着一些与长度有关的有趣现象 人伸开两臂的长度大约等于身高 人的头长和脚长相同 身高等于9 5倍头长 人握住拳头的大小和心脏一样大 伸开手掌 从大拇指到中指间的距离叫 一大拃 大拇指到食指间的距离叫 一小拃 如能知道自己 一拃 的长度 就可用手掌估测外套的长度 人身上许多部位是按 黄金分割 分配的 比如眼睛是头部的黄金分割点 肚脐是人体的黄金分割点等 四 用游标卡尺测量提高精确度我们在初中已经用过刻度尺 刻度尺的最小刻度值是毫米 用它测量长度可以精确到毫米 还可以估读到毫米的下一位 如果需要更精确的测量 可以使用游标卡尺 下面介绍游标卡尺 游标卡尺的构造如图2 1所示 它的主要部分是一条主尺和一条可以沿着主尺滑动的游标尺 也称游标 一般游标卡尺最大可以测量十几厘米的长度 用图2 1所示的游标卡尺测量长度时 可以精确到0 1mm 这种游标卡尺 主尺的最小分度是1mm 游标尺上有10个小的等分刻度 它们的总长等于9mm 因此游标尺的每一分度与主尺的最小分度相差0 1mm 当左 右测量爪合在一起 游标尺的零刻度线与主尺的零刻度线重合时 只有游标的第10条刻度线与主尺的9mm的刻度线重合 其余的刻 度线都不重合 游标尺的第一条刻度线在主尺的1mm刻度线左边0 1mm处 游标尺的第二条刻度线在主尺的2mm刻度线左边0 2mm处 如图2 2所示 在两测量爪间放一张厚0 1mm的纸片 游标尺就向右移动0 1mm 这时它的第一条刻度线与主尺的1mm刻度线重合 其余的刻度线都与主尺的刻度线不重合 同样 在两测量爪间放一张0 5mm的薄片 游标尺的第5条刻度线将与主尺的5mm刻度线重合 其余的刻度线都与主尺上的刻度线不重合 所以 被测薄片的厚度不超过1mm时 游标尺的第几条刻度线与主尺的某一刻度线重合 就表示薄片的厚度是零点几毫米 在测量大于1mm的长度时 整的毫米数由主尺上读出 十分之几毫米从游标尺上读出 例如 在图2 3中 游标卡尺的示数是2 37cm 这样 我们读出的十分之几毫米是直接测出的 而不是估读出的 因此 用这种游标卡尺测长度可以精确到0 1mm 通常用的游标卡尺 在游标尺上有20个小的等分刻度 它们的总长度为19mm 它的每一分度与主尺的最小分度1mm相差0 05mm 当左 右测量爪合在一起 游标尺的零刻度线与主尺的零刻度线重合时 只有游标尺的第20条刻度线与主尺的19mm的刻度线重合 其余的刻度线都图2 4不重合 见图2 4 使用时 整的毫米数由主尺上读出 再看游标尺的第几条刻度线与主尺某一刻度线重合 毫米以下的长度就是0 05mm的几倍 例如 游标尺的第5条刻度线与主尺的某一刻度线重合 毫米以下的长度为0 05 5mm 0 25mm 游标尺的第5条刻度线的下方标有 25 表示这条刻度线与主尺的某一刻度线重合时 毫米以下的读数是0 25mm 用这种游标卡尺测长度可以精确到0 05mm 五 测时间的 尺子 找一支香 先用尺子量出它的长度 点燃5min以后 再量一下它的长度 过5min以后 再量一次 量了几次以后 你会发现 在没有风的情况下 香的燃烧速度基本上没有什么变化 根据实验所得到的燃烧速度 比如每5分钟燃烧掉1cm 就可以在同样的香上每隔1cm刻上一个刻度 这样 就成了一把测量时间的 尺子 了 只要看看香烧掉的长度 就可以知道已经过去了多少时间 利用水流也可以计算时间 找一个空酒瓶子 灌满水以后 倒立过来 让水流出去 反复做几次 水流完的时间总是一定的 第一次用几秒钟 第二次还是几秒钟 流动的水和燃烧的香为什么可以作为测量时间的 尺子 呢 因为水的流动和香的燃烧都是一种运动 时间和运动有密切的关系 只有通过运动才能表现出流逝的时间 因此 量度时间离不开运动 第二节运动的描述 对于机械运动 你一定十分熟悉了 怎样描述机械运动呢 不同的人有不同的视角 诗人可以用 气势磅礡 这样的词语描述大河中的水流 用 矫捷如燕 描述滑冰运动员轻盈 的舞图2 5画家用车后的几条直线表示汽车在很快地运动姿 画家可以用汽车后面的几个线条表示 风 来描述车辆的飞驰 见图2 5 科学家应该怎样描述物体的机械运动呢 一 物体和质点科学家描述物体的机械运动时会力求准确 但准确地描述运动 并不简单 雄鹰拍打着翅膀在空中翱翔时 雄鹰的身体在向前运动 但它的翅膀在向前运动的同时还在上下运动 可见要准确地描述物体的运动 并不是一件容易的事 看来 在某些情况下 真的可以不考虑物体的大小和形状 这时 我们突出 物体具有质量 这一要素 把它简化为一个有质量的点 称为质点 于是 对实际物体运动的描述 就转化成对质点运动的描述 二 参考系物体运动的描述是相对的 如图2 6所示 铁路边的人看到火车中的乘客在飞快离去 而乘客却认为自己是静止的 他甚至可以靠在椅子上睡觉 为了便于交流 人们必须确定一个参照物来描述物体的运动 这种用来描述物体运动的参照物称为参考系 描述一个物体的运动时 参考系可以任意选择 但是 选择不同的参考系来观察同一物体的运动 其结果会有所不同 例如 在匀速飞行的飞机上 人们以飞机作参考系 看到从飞机上落下的重物几乎是沿直线竖直下落的 而地面上的人以地面作参 考系 看到物体是沿着曲线下落的 由于运动描述的相对性 因此凡是提到运动 就应该弄清楚它是相对哪个参考系而言的 参考系的选择是个重要的问题 选取得当 会使问题的研究变得简捷 方便 为了描述质点的运动 我们还要对时刻和时间等这样一些耳熟能详的词语 有更为确切的认识 三 时刻和时间时刻和时间既有联系又有区别 我们说上午8时上课 8时45分下课 这里的 8时 8时45分 是这节课开始和结束的时刻 而这两个时刻之间的45分 则是两个时刻之间的时间间隔 在表示时间的数轴上 时刻用点表示 时间间隔用线段表示 我们平时说的 时间 有时指的是时刻 有时指的是时间间隔 要根据上下文认清它的含义 四 路程和位移一个人从北京去重庆 可以选择不同的交通方式 既可以乘火车 也可以乘飞机 还可以先乘火车到武汉 然后乘轮船沿长江而上 显然 在这几种情况下 他所通过的路线 也就是他运动的轨迹是不一样的 我们在初中已经知道 路程是物体运动轨迹的长度 可见他所经过的路程也不相同 但是 就位置的变动来说 无论使用什么交通工具 走过了怎样不同的路程 他总是从北京到达了西南方向直线距离约1300km的重庆 即位置的变动是相同的 一般说来 当物体从某一点A运动到另一点B时 尽管可以沿不同的轨迹 走过不同的路程 但位置的变动是相同的 在物理学中用一个叫做位移的物理量来表示物体 质点 的位置变化 我们从初位置到末位置作一条有向线段 用这条有向线段表示位移 五 速度不同的运动 位置变化的快慢往往不同 也就是说 运动的快慢不同 那么 怎样比较汽车与百米赛跑运动员运动的快慢呢 这就要找出统一的标准 物理学中 描述运动快慢程度的物理量叫速度 它的符号是v 速度是运动物体的位移与所用时间之比 即 在国际单位制中 速度的单位是米每秒 符号是m s 生产和生活中也常用千米每小时做速度的单位 它的符号是km h 速度是矢量 它的方向和物体位移方向相同 做匀速直线运动的物体的速度的大小和方向都不随时间变化 匀速直线运动的位移可用下式计算 六 平均速度和瞬时速度一般来说 物体在某一时间间隔内 运动的快慢不一定是时时一样的 所以由式 2 1 求得的速度 表示的只是物体在时间间隔t内的运动的平均快慢程度 称为平均速度 显然 平均速度只能粗略地描述运动的快慢 可不可以更精确些呢 如果我们只知道汽车在半小时内的平均速度 我们对汽车运动情况的了解是很粗略的 如果我们知道了汽车每 10min内的平均速度 我们对汽车运动情况的了解就较为细致了 由此可知 对于一个做变速运动的物体 我们要精确地了解它的运动情况 就要知道它在各个很短时间内的平均速度 如果我们能知道物体在各个时刻的速度 我们对它的变速运动的了解就最精确了 运动物体在某一时刻 或某一位置 的速度 叫做瞬时速度 平均速度只能粗略地描述变速运动 瞬时速度才能精确地描述变速运动 表2 1列出了常见物体的速度 我们在初中学到的匀速直线运动 就是瞬时速度保持不变的运动 在这种运动中 平均速度与瞬时速度相等 与所有矢量一样 速度既有大小又有方向 瞬时速度的大小通常叫做速率 汽车速度计不能显示车辆运动的方向 它的读数实际是汽车的速率 日常生活和物理学中说到的 速度 有时是指速率 要根据上下文判断 用v0和vt分别表示物体在时间t内的初速度和末速度 用a表示加速度 则 七 加速度汽车开动时 速度在几秒内可以从0增加到几十米每秒 而枪膛中的子弹在发射时 速度在千分之几秒内就从0增加到数百米每秒 可见 物体运动时 速度变化的快慢也不尽相同 在国际单位制中 加速度的单位是米每二次方秒 符号为m s2 由式 2 3 可计算汽车急刹车时的加速度 其值为 7 5m s2 自由滑行停下时 加速度为 3m s2 我们可以看出 加速度的绝对值的大小反映了速度变化的快慢 负号的含义是什么呢 它表示了速度变化的方向 加速度是矢量 它的方向就是速度变化的方向 当物体做匀加速运动时 vt v0 a 0 这时加速度方向与初速度方向相同 物体做匀减速运动时 vt v0 a 0 这时加速度的方向与初速度方向相反 a 0 表示加速度的方向跟初速度的方向相同 a 0 表示加速度的方向跟初速度的方向相反 表2 2列出了一些运动物体的加速度 第三节匀变速直线运动 一 匀变速直线运动沿着一条直线 且加速度不变的运动 叫做匀变速直线运动 在匀变速直线运动中 如果物体的速度随着时间均匀增加 这个运动叫做匀加速直线运动 如果物体的速度随着时间均匀减小 这个运动叫做匀减速直线运动 车辆起动时的运动一般为匀加速直线运动 车辆刹车时的运动一般为匀减速直线运动 二 匀变速直线运动的速度和位移做匀变速直线运动的物体 它的瞬时速度是时刻改变的 那么 瞬时速度是怎样随着时间而改变的呢 由加速度的定义式a vt v0t 可以得到匀变速直线运动的瞬时速度公式为 通过推导可以得出匀变速直线运动的位移公式为 第四节自由落体运动 一 自由落体运动 实验结果表明 消除了空气阻力之后 不同的物体仅在重力作用下做下落运动时 它们下落的快慢完全相同 运动服从同一规律 物体只在重力作用下 从静止开始下落的运动叫做自由落体运动 如上所述 自由落体运动是初速度为零的加速直线运动 那么它究竟是怎样一种加速直线运动呢 通过对做自由落体运动的小球的闪光照片的研究可知 自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动 二 重力加速度自由落体运动的性质我们已经确定了 我们再进一步研究一下它的加速度 在玻璃管实验中 从同一高度同时自由落下的不同物体同时着地 这一实验现象说明在相同的时间内它们的位移相同 由s 12at2 可知 它们的加速度a也一定相同 由此可得如下结论 在同一地点 一切物体在自由落体运动中的加速度都相同 与物体的形状 大小和质量无关 这个加速度叫做自由落体加速度 或叫重力加速度 用符号g表示 重力加