1.质点 参考系
教材分析
质点和参考系是研究直线运动的基础,本节主要让学生知道描述直线运动的几个基本概念,通过本节课的学习,逐步领会物理学的研究方法,体会物理概念、规律的科学性和准确性,从而培养学生规范的意识。尤其是质点,是高中遇到的第一个理想模型,通过对它的学习,学生要知道采用理想化模型是我们研究物理的很重要的方法之一。
教学目标
1.了解质点的含义。知道将物体抽象为质点的条件,能将特定实际情境中的物体抽象成质点。
2.经历质点模型的建构过程,初步体会建构物理模型的思维方式,认识物理模型在探索自然规律中的作用。
3.了解参考系的概念及其对描述物体运动的意义。结合实例,了解不同参考系中对同一运动的描述可能不同,体会运动的相对性和绝对性。
核心素养
物理观念:能建立质点的物理观念,能科学地描述运动的相对性,形成运动观念
科学思维:知道质点是一种理想化的物理模型,具有建构模型的意识
科学探究:掌握把物体看作质点的条件,能将特定实际情景中的物体抽象成质点
科学态度与责任:理解科学发现、发展的过程和规律;感悟自然界的统一、和谐美;感悟科学家追求和宣传科学真理所表现出的坚定信念和献身精神
教学重点
1.理解质点概念以及初步建立质点概念所采用的抽象思维方法。
2.在研究具体问题时,如何选取参考系。
3.如何用数学上的坐标轴与实际的物理情景结合起来建立坐标系。
教学难点
在什么情况下可以把物体看作质点,即将一个实际的物体抽象为质点的条件。
教具准备
录像资料、多媒体课件
课时安排
1课时
教学过程
[新课导入]
选择有关反映物体运动的画面播放给学生看,如:雄鹰、小鸟在空中飞翔,飞机在天空中划过,行星、卫星在宇宙中运行,航天员杨利伟在宇航舱中给地球拍照,汽车在公路飞驰,轮船在海水中搏击海浪。……
雄鹰在空中翱翔,足球在绿茵场上飞滚,连静静的山川也在“坐地日行八万里”……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、分子等,请大家根据刚才观看的录像片,回顾初中学过的机械运动,提出一些关于运动的话题。
参考回答:
宇宙中一切物体都处在永恒的运动中;运动是绝对的,静止是相对的;物体空间位置随时间的变化就是机械运动,片中记录了大量物体的运动情景;描述物体的运动要选择参照物;“坐地日行八万里”,我怎么没感觉到呢?……
总结:机械运动:简称“运动”,指物体与物体间或是物体的一部分和另一部分间相对位置随时间发生改变的过程,是最基本、最简单、最普遍的运动形式。机械运动是空间位置随时间变化的体现,这里涉及到空间和时间的问题。
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”,这句话向我们提出了严峻的挑战,我们要充满信心,迎接这一挑战。
指导学生快速阅读教材第一段,并粗看这节课的黑体字标题,提出问题:要描述物体的机械运动,本节课将从哪几个方面去描述?
学生通过阅读、思考,对本节涉及的概念有个总体印象,知道这些概念都是为了进一步描述物体的运动而引入的,要研究物体的运动首先从学好这些基本概念入手。
汽车在公路上飞驰,江水在咆哮着奔向远方,鸟儿在飞翔,树叶在摇动,高山上流水,瀑布直泻千尺,雪花在空中飞舞……
宇宙中的一切物体都在不停地运动,运动是宇宙间永恒的主题,也是日常生活中常见的现象,诗人可以用“飞流直下三千尺,疑是银河落九天”,来描绘气势磅礴的瀑布,画家也可以用美丽的画笔描绘出动感十足的情景,那么,我们改如何描绘物体的运动呢?即怎样地描述物体上各点的位置及其随时间的变化呢?这就是我们今天要研究的课题──认识运动。
[新课教学]
一、物体和质点
我们生活的客观世界是物质的,物质由分子、原子等组成,我们所看到的物体是物质的聚集状态。机械运动描述的是物体住置随时间变化的规律。
提出问题:详细描述物体的运动有什么困难?我们需要了解物体各部分运动的区别吗?
要准确描述物体的运动,特别是物体各部分的详细运动情况,并不是一件很容易的事,因为物体本身都有一定的大小和形状,物体各部分的运动情况一般并不一样。
研究物体的运动,首先要确定物体的位置。物体都具有大小和形状,在运动中物体的各点的位置变化一般说来是不同的,所以要详细描述物体的位置及其变化,并不是一件简单的事情。在地球在绕太阳公转时,注意地球同时又在自转,所以地球的各部分离太阳的远近在不断变化。
地球是一个庞然大物,直径约为12800km,与太阳相距1.5×108km,也就是说地球直径约是它与太阳距离的万分之一。当我们讨论地球的公转时怎么看待地球?有什么巧妙的方法?
指导学生讨论。在学生讨论过程中,引导学生想到我们在处理这些问题时,采用科学抽象的方法,即不考虑物体各部分的差异,把物体简化成为没有大小、形状的点,或者说用一个有质量的点来代替物体。
可见,引入质点是为了使物体的位置有一个确切的概念,使物体的复杂运动转化成点的运动。
1、质点
在研究某一问题时,对影响结果非常小的因素常可忽略。常建立一些物理模型,这是一种科学抽象。以前接触过这样的物理模型吗?
学生:光滑的水平面、轻质弹簧。
老师:对,这些都是把摩擦、弹簧质量对研究问题影响极小的因素忽略掉了。今天我们又要建立一种新的物理模型──质点。
实际物体都有一定的大小和形状,物体的各部分运动情况不一定相同,给运动的描述带来不便。但是,在一定条件下,我们可以将物体简化。
(1)用来代替物体的有质量的点,叫做质点。
质点是一种理想化的模型,实际上是不存在的。把物体抽象成质点,既简化了问题,又抓住了实质;既便于从理论上研究,又使从研究中所得的结论十分近似地符合实际情况。用来代替物体的有质量的点,根据所研究问题的性质和需要,抓住问题中的主要因素,忽略次要因素,建立一种理想化的模型,使复杂问题得到简化,这是一种重要的科学研究方法。
(2)质点突出了“物体具有质量”和“物体占有位置”这两个根本属性。
2、物体看作质点的条件
物体能否看作质点,要具体问题具体分析。撇开具体问题去谈某物体能否看作质点是毫无意义的,也不能从物体的大小上去判断,同一物体在这一问题中可看作质点,在另一问题中却不一定能看作质点。
质点是一种科学抽象,抓住了主要特征,忽略了次要因素。如果在我们研究的问题中,物体的形状、大小以及物体上各部分运动的差异是次要的或不起作用的,就可以把它看作质点。比如在平直公路上运动的汽车,研究它的运动特点,汽车的大小、形状及车上各部分运动的差异是次要的,可把汽车看作质点。而研究车轮的转动,是研究汽车上部分的运动,就不能把汽车看作质点,再比如原子核很小,要是研究质子与质子的作用时,就不能把它看作质点。
【课堂探究】
亲自做一做、试一试,书本在下列情景中能否被看成质点。
①沿一个方向推动桌面上的书本,如果测量书本移动的距离,是否可以将书本视为质点,为什么?
②如果测定书本经过桌面上方某一定点所需要的时间,是否可以将书本视为质点,为什么?
③还有什么情况下书本可以被视为质点?什么情况下书本不能被视为质点?
参考答案:①沿同一个方向移动书本时,书本各部分的运动情况完全相同,可以将它视为质点;②相对桌面上方的某一定点来说,书本本身的长度(或宽度)不能忽略,并对经过该定点位置所需要的时间起决定作用,所以这种情况下不能将书视为质点;③答案视学生提出的问题而定(根据学生提出的各种情景,老师进行准确恰当的点拨)。
当物体本身的大小和形状对所研究的问题没有影响,或影响可以忽略不计时,物体可看作质点。
通常在下列两种情况下可将物体看作质点:①物体各部分的运动情况都相同;②物体本身的尺寸与其它尺寸相比小得多。
3、说明
【讨论与交流】
1.地球是一个庞然大物,直径约为12 800 km,与太阳相距1.5×108 km。研究地球绕太阳的公转时,能不能把它看成质点 研究地面上各处季节变化时,能不能把它看成质点
参考答案:若研究地球绕太阳公转时,由于地球本身的大小比地球到太阳的距离小得多,则可以把地球看作质点;但若研究地面上各处季节变化时,则不能把其看作质点。
2.撑杆跳高是一项非常刺激的体育运动项目,一般来说可以把撑杆跳运动分为如下几个阶段:助跑、撑杆起跳、越过横杆。讨论并思考后回答,在下列几种情况下运动员能否被看作质点,从中体会质点模型的建立过程。
①练员针对训练录像纠正运动员的错误时,能否将运动员看成质点?
②析运动员的助跑速度时,能否将其看成质点?
③量其所跳高度(判断其是否打破纪录)时,能否将其看成质点?
参考答案:①能,纠正错误动作时不能忽略运动员的姿势及动作,也就是说不能忽略运动员的形状和大小;②,分析助跑速度时,可以忽略运动员的姿势及动作;③能。
3.物理中的“质点”跟几何中的点有什么相同和不同之处?
参考答案:相同之处为:都是没有形状和大小的点;不同之处为:质点是实际物体的抽象,它具有一定的物理内涵,不仅具有物体的全部质量,而且是一个相对的概念;几何学中的点没有质量,仅表示一个位置,而且应该是“绝对得小”。
总结:
(1)质点是一种科学抽象,是一种理想化的模型;
(2)质点是对实际物体的近似,这也是物理学中常用的一种重要的研究方法;
(3)一个物体能否看成质点,取决于它的形状和大小在所研究问题中是否可以忽略不计,而跟自身体积的大小、质量的多少和运动速度的大小无关;
(4)一个物体能否被看作质点,取决于所研究问题的性质。即使是同一个物体,在研究的问题不同时,有的情况下可以看作质点,而有的情况可能不可以看作质点。
二、参考系
1、运动的绝对性和运动描述的相对性
请你设想一下,你和一位同伴正坐在火车中去旅行。铁路边的人看到火车中的乘客在飞快地离去,而乘客自己却认为自己是静止的。
引导学生分析:为什么路边的同学说车上的人跑得快?为什么车中的一个人又认为他和司机没有动?
总结:两个小孩和车都是运动的,这是相对地面来说的,而两个小孩之间是相对静止的,他们的相对位置没有改变。
平时我们说树木、房屋是静止的,行驶的汽车是运动的,这是以地面作标准来说的。坐在行驶的火车里的乘客,认为自己是静止的,而在车厢里走动的乘务员在运动,他还认为路旁的树木在向后倒退,这些都是以车厢作标准来说的。在描述一个物体的运动时,选来作为标准的另外的物体──参考系。
自然界中的一切物体,大到宏观天体,小到微观粒子,都在不停地运动着,所以运动具有绝对性。为了研究和描述物体的运动,必须选定作为参照的标准物体,所以运动的描述具有相对性。
2、参考系:在描述一个物体的运动时,选来做参考的物体称为参考系。
任何运动都是相对于参考系而言的,在研究物体的运动时参考系是假定为不动的物体。
【讨论与交流】
思考并交流讨论下列描述中隐含的参考系。
①电影《闪闪的红星》中有两句歌词:“小小竹排江中游,巍巍青山两岸走。”这其中分别描述了两种运动情景,那么它们分别是以什么为参考系的?
②“月亮在莲花般的云朵里穿行。”
③坐在美丽的校园内学习毛泽东的诗句“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”时,我们感觉是静止不动的。这与诗句里的描述是否矛盾 说明理由。
④敦煌曲子词中有这样的诗句:“满眼风波多闪烁,看山恰似走来迎,仔细看山山不动,是船行。”其中“看山恰似走来迎”和“是船行”所选的参考系分别是什么
参考答案:①河岸竹排;②云朵;③地心、地面。这种说法不矛盾,是参考系的选择不同。人随地球一起围绕地轴自转,而且地球赤道周长大约是s=4.0×104 km,即大约为八万里;④这两种现象是由于选取的参考系不同造成的。第一种现象是以人为参考系,人看到远处的山向人靠近;第二种现象是以地面为参考系,山是静止的,船在行驶。
3、说明
【课堂探究】
一跳伞运动员在下落过程中,看到身旁的直升机在向上运动,则直升机相对于地面的运动情况是怎样的?
参考答案:跳伞运动员在下落过程中,看到身旁的直升机在向上运动,是以自己作参考系,即以跳伞运动员为标准,它们间的距离在不断增大。如果以地面为参考系,这种情况的出现有以下几种可能性:(1)直升机静止在空中不动;(2)直升机向上升;(3)直升机下落,但速度比跳伞运动员慢。以上三种情况都能使跳伞运动员与直升机间的距离不断增大。因此,跳伞运动员无法根据自己看到的现象来判断直升机相对于地面的运动情况。
为了确定物体的位置和描述物体的运动而被选作参考的物体或物体系叫做参考系。如果物体相对于参考系的位置在变化,则表明物体相对于该参考系在运动;如果物体相对于参考系的位置不变,则表明物体相对于该参考系是静止的。同一物体相对于不同的参考系,运动状态可以不同。在运动学中,参考系的选择可以是任意的。研究和描述物体运动,只有在选定参考系后才能进行。如何选择参考系,必须从具体情况来考虑。例如,一个星际火箭在刚发射时,主要研究它相对于地面的运动,所以把地球选作参考系。但是,当火箭进入绕太阳运行的轨道时,为研究方便,便将太阳选作参考系。为研究物体在地面上的运动,选地球作参考系最方便,例如,观察坐在飞机里的乘客,若以飞机为参考系来看,乘客是静止的;若以地面为参考系来看,乘客是在运动。因此,选择参考系是研究问题的关键之一。
①运动和静止都是相对于参考系的;
②参考系的选取是任意的;
③选择不同的参考系,观察的结果可能不一样,也可能一样;
④选择参考系时,应使物体运动的描述尽可能简单、方便;
⑤比较两个物体的运动情况,必须选择同一参考系才有意义。
【小结】本节学习的参考系和质点的概念是运动学甚至整个力学的最基本、最重要的概念,并且还提供了重要的科学思维方法。了解参考系的概念,对于观察、比较、研究物体的运动有实际的意义。同学们要明白,严格意义上的“有质量的点”实际上是不存在的,是一种理想化模型,是对实际物体的近似,是一种科学抽象。自然界中任何一种事物及其运动变化,都是比较复杂的,研究问题,要暂时撇开起作用很小的因素,抓住主要因素。如果在我们研究的问题中,物体的形状、大小,以及物体上各部分运动的差异是次要的或不起作用的,就可以把它看成质点。
【布置作业】
P13 练习与应用。
板书设计
1.质点 参考系
一、物体和质点
1、质点
(1)用来代替物体的有质量的点,叫做质点。
(2)质点突出了“物体具有质量”和“物体占有位置”这两个根本属性。
2、物体看作质点的条件
当物体本身的大小和形状对所研究的问题没有影响,或影响可以忽略不计时,物体可看作质点。
通常在下列两种情况下可将物体看作质点:①物体各部分的运动情况都相同;②物体本身的尺寸与其它尺寸相比小得多。
3、说明
(1)质点是一种科学抽象,是一种理想化的模型;
(2)质点是对实际物体的近似,这也是物理学中常用的一种重要的研究方法;
(3)一个物体能否看成质点,取决于它的形状和大小在所研究问题中是否可以忽略不计,而跟自身体积的大小、质量的多少和运动速度的大小无关;
(4)一个物体能否被看作质点,取决于所研究问题的性质。即使是同一个物体,在研究的问题不同时,有的情况下可以看作质点,而有的情况可能不可以看作质点。
二、参考系
1、运动的绝对性和运动描述的相对性
2、参考系:在描述一个物体的运动时,选来做参考的物体称为参考系。
3、说明
①运动和静止都是相对于参考系的;
②参考系的选取是任意的;
③选择不同的参考系,观察的结果可能不一样,也可能一样;
④选择参考系时,应使物体运动的描述尽可能简单、方便;
⑤比较两个物体的运动情况,必须选择同一参考系才有意义。
问题?
生活中随处可见运动的物体,例如玩耍的孩童、行驶的汽车、翱翔的雄鹰……对于这些运动的物体,我们如何准确地描述它们的运动呢
在物理学中,突出问题的主要因素,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,并将其作为研究对象,是经常采用的一种科学研究方法。质点这一理想化模型就是这种方法的具体应用。
思考与讨论?
运动员踢足球的不同部位,会使球产生不同的运动。足球运动中常说的“香蕉球”是球在空中旋转、整体运动径迹为类似香蕉型弧线的一种运动(图1.1-2)。在研究如何才能踢出香蕉球时,能把足球看作质点吗 研究什么样的问题可以把足球看作质点
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