2019版高中物理新教材 质点 参考系 时间教学设计（1）粤教版高中物理必修第一册

第一章　运动的描述
1.1 质点 参考系 时间
本节主要让学生知道描述直线运动的几个基本概念：质点是高中物理提出的第一个理想化模型，通过本节对质点的学习，让学生体会物理模型在探索自然规律中的作用，逐步掌握和运用理想化模型代替实际事物的研究方法；由于运动的相对性，描述质点运动时必须明确所选择的参考系；为了更准确地描述质点的运动，又从空间、时间维度上提出了坐标系和时间的概念，建立时间坐标轴，让学生体会用数学知识处理物理问题的优势，逐步掌握和运用数学知识处理物理问题的方法。
【物理观念】
1．理解质点的含义，并能用质点分析解决实际问题。
2．理解参考系的含义，并能根据实际情况选定参考系。
3．理解坐标系的含义，会建立坐标系和定量描述物体位置的变化。
4．理解时间的含义，知道时间和时间间隔的区别和联系，并能用时间分析解决实际问题。
【科学思维】
1．知道质点是一种理想化模型，知道将物体抽象成质点的条件，能将特定实际情境中的物体抽象成质点。
2．知道如何建立坐标系和时间坐标轴，能应用数学工具更准确地描述质点的运动。
【科学探究】
1．经历质点模型的建构过程，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。
2．通过参考系的学习，知道从不同角度研究问题的方法。
3．经历坐标系和时间坐标轴的建构过程，体会用数学知识处理物理问题的优势，逐步掌握和运用数学知识处理物理问题的方法。
【科学态度与责任】
1．认识运动是宇宙中的普遍现象、运动和静止的相对性、培养学生热爱自然、关心科技发展、勇于探索的精神。
2．通过质点和参考系等概念的学习，体会物理规律与生活的联系。
【教学重点】
1．质点概念的理解和应用。
2．参考系概念的理解和应用。
【教学难点】
1．知道将物体抽象成质点的条件，能将特定实际情境中的物体抽象成质点。
2．知道参考系的相对性，能根据实际情况选定参考系。
PPT，演示教具（羽毛，手持式小风扇）
【新课导入】
我们生活在一个运动的世界中，在我们的周围，处处可以看到物体的运动：流星在夜空中划过，鸟儿在空中飞翔，河水在奔流，树叶在摇曳，车辆在行驶，机器在运转……自然界中的一切物体都在不停地运动。通常认为不动的物体，如树木、高楼、桥梁、山脉等其实也每时每刻随着地球的公转和自转在运动着。宇宙中的一切，大到星系、星系团，小到微观世界的分子、原子，都处在永恒的运动中。运动是宇宙中的普遍现象。

图1-1-1 河水在奔流 图1-1-2 车辆在行驶 图1-1-3 太阳的自转和行星的公转
【新课讲授】
一、机械运动
我们把物体相对于其他物体在空间位置上随时间的变化，叫机械运动（mechanical moion），简称运动。
那我们要如何来描述各种物体的运动呢？物体实际的运动是复杂多变的，为了便于研究，我们先引入几个与物体描述相关的基本概念。
二、质点
教师演示1：教师将课前准备好的羽毛举高后释放，让学生认真观察羽毛的运动情景。
提出问题：羽毛在下落的过程中有什么特点？
学生认真思考后回答出羽毛的下落情况：一方面下落；一方面本身有旋转。
教师演示2：教师拿着已启动的手持式小风扇在教室走道里绕学生走一圈。
提出问题：手持式小风扇的运动又有什么特点？
学生合作讨论得到结果：手持式小风扇既随着老师前进，自身的扇叶也有在转动。
自然界物体的运动是多种多样的，要想详细而准确地描述物体上各部分的运动，是一件十分困难的事。请同学们根据刚才老师的演示思考，描述物体运动的困难和麻烦出在哪里？能不能克服这些麻烦呢？
学生认真思考后归纳：详细描述的困难就在于物体有自己的大小和形状，物体各部分的运动情况有可能不一样。
物体的大小和形状在一些问题的描述过程中起着重要的作用，不可忽略。比如刚才老师的演示，如果要研究羽毛形状对其下落时间的影响，如果要研究手持式小风扇扇叶上每个点的速度大小时，物体的大小和形状就起了关键作用。
提出问题：是不是我们研究的所有问题，物体的大小和形状都起关键作用而不可忽略呢？
课件展示两个实例：①高速动车从广州开往上海，如果要研究这列动车的运行时间，什么情况下可以不考虑动车的长度，什么情况下动车的长度不能忽略？②我们生活的地球在绕太阳公转，同时又在自转，什么情况下可以不考虑地球的大小，什么情况下地球的大小不能忽略？（地球的直径是1.3×10 4 km，地球到太阳的距离约为1.5×10 8 km）

图1-1-4 高速动车的运行 图1-1-5 地球在绕太阳公转的同时又在自转
以“高速动车的运行”为例，如果要研究这列动车从广州到上海的运行时间时，动车的长度与广州到上海的距离相比要小得多，就能不考虑动车的长度，这时可以把动车看成一个“点”，用一个“点”的运动代替整列动车的运动；但如果讨论的是这列动车通过隧道或道口的时间，动车的长度就不能忽略，也就不可以把动车看成一个“点”了。
学生合作讨论，分析“地球在绕太阳公转的同时又在自转”的例子：地球的直径相比地球到太阳的距离远远小得多，如果研究地球绕太阳公转，由地球的大小而引起的地球上各部分的运动差异就可以忽略不计，可以把地球看成一个“点”去研究；但如果研究一架飞机从南京飞向北京的情况，这时候就不能忽略地球的大小，不可以把地球看成一个“点”去研究了。
我们有时候关注物体各部分的运动，有时关注物体的整体运动，因此如何描述物体的运动要看我们关注的问题是什么。当物体的大小与形状在研究的问题中影响很小，可忽略不计时，我们就可以把物体看成一个“点”。物理学中，我们把用来代替物体的有质量的点，叫做质点（mass point）。这样对实际物体运动的描述，就简化成对质点运动的描述。
【知识提炼】质点，理想化模型
1．质点：用来代替物体的有质量的点。
2．关于质点的认识
(1)质点是用来代替物体的有质量的点，其突出的特点是“具有质量”和“占有位置”，但是质点没有大小、体积、形状，它与几何中的“点”有本质区别．
(2)质点是实际物体的一种高度抽象，是一种“理想化模型”， 实际中并不存在．
(3)物体可视为质点的三种情况：
①做平动的物体可视为质点．所谓平动即物体上各部分的运动情况都相同，物体上任一点的运动情况都能反映物体的运动，如从斜面上滑下来的木块．
②物体有转动，但相对于平动而言可以忽略其转动时，可把物体视为质点．如汽车在运行时，虽然车轮转动，但我们研究的是车辆整体的运动快慢，这时可将汽车视为质点．
③问题所涉及的空间距离远远大于物体本身的大小时，通常物体自身的大小可以忽略不计，这时可将物体视为质点．
3．理想化模型
(1)在物理学中，突出问题的主要方面，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．
(2)“理想化模型”是为了使研究的问题得以简化或研究问题方便而进行的一种科学的抽象，实际并不存在．
【随堂演练】
[例1](多选)下列关于质点的一些说法，其中正确的有(　　)
A．研究和观察日食时，不可以把太阳看成质点
B．研究地球的公转时，可以把地球看成质点
C．观看广州亚运会上，刘翔以13秒09破亚运会纪录并成就亚运三连冠的过程时，观众不能把刘翔视为质点
D．原子核很小，一定可把它看做质点
解析：物体能否被看做质点，关键是要看物体的形状和大小对研究问题的影响是否可以忽略．观察日食时，会看到日偏食、日全食等现象，显然太阳的大小不能忽略，故选项A正确；由于地球的直径是1.28×104 km，其公转半径是1.49×108 km，它是地球直径的104倍还要多，故研究地球的公转时，可以把地球看成质点，选项B正确；刘翔的比赛，观众关心的是他的成绩和名次，故可以视其为质点，选项C错误；原子核虽小，但研究其结构时，无论如何不能把它看做质点，选项D也是错误的．
答案：AB
三、参考系
课件展示情境：静坐在汽车里的乘客，司机说他静止没动，路旁的孩子赞叹他前进得真快。对于同一物体的同一状态，关于运动和静止的说法为什么会不一样呢？
图1-1-6 乘客是静止的，还是运动的？
学生认真思考后回答：司机以自己和汽车作为参照，所以判断乘客是静止不动的；路旁的孩子以自己和路面作为参照，所以判断乘客和汽车是飞速运动的。他们的说法都对，只是选择的参照标准不同而已。
自然界的一切物体都处于永恒的运动中，绝对静止的物体是不存在的；运动是绝对的。运动又具有相对性。因此，要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他物体作参考，观察物体相对于这个物体的位置是否随时间变化，以及怎样变化。研究一个物体运动时，选来作为参考的其他物体，称为参考系（reference frame）。
【知识提炼】参考系
1．参考系：研究一个物体运动时，选来作为参考的其他物体。
(1)有了参考系，才能确定物体的位置．
(2)参考系选得不同，则对同一个物体的运动得出的结论也不同．通常在研究地面上物体的运动时，如果不声明参考系，则默认以地面为参考系．
2．参考系的四性
(1)标准性，选作参考系的物体都假定不动，被研究的物体是运动的还是静止的，都以参考系为标准．
(2)任意性，参考系的选取具有任意性，但应以观察方便和使运动的描述尽可能简单为原则。
(3)统一性，比较不同物体的运动或同一个物体不同阶段的运动都应选择同一参考系．
(4)差异性，对于同一物体选择不同的参考系结果一般不同．
3．参考系的特征
(1)由于运动描述的相对性，凡是提到物体的运动，都应该明确它是相对哪个参考系而言．
(2)在同一个问题当中，若要研究多个物体的运动或同一个物体在不同阶段的运动时，必须选取同一个参考系．
(3)无论物体原来运动情况如何，一旦把它选为参考系，就认为它是静止的．
【随堂演练】
[例2] 下列关于参考系的认识正确的是（ ）
A．只有静止的物体才能被选作参考系 B．对物体的运动的描述与参考系的选择无关
C．描述一个物体的运动，一定要选择参考系
D．做直线运动的物体，无论选哪个物体为参考系，其运动轨迹都不可能是曲线
解析：因为物体的运动具有相对性，所以描述一个物体的运动时，必须选择另外的物体作参考系，故选项C正确．对参考系的选择是任意的，只要能清楚而又简单地描述出物体的运动情况就行，因此选项A是错误的．对同一物体的运动，选择不同的参考系，其运动情况的描述一般不同，所以选项B、D错误．
答案：C
四、坐标系
为了定量描述物体的位置及位置的变化，需要在参考系上建立适当的坐标系。如果物体沿直线运动，我们可以以这条直线建立直线坐标系，规定原点、正方向和单位长度。建立坐标系后，我们就可以用坐标表示质点的位置，用坐标的变化描述质点的位置变化。
课件展示直线坐标系：若某一物体运动到点A、此时它的坐标是多少？若运动到点B呢？
图1-1-7 直线坐标系
学生思考后回答：点A的坐标是xA＝2 m，点B的坐标是xB＝-1 m。
课件展示，提出问题：若某人从学校门口A处开始散步，先向南走了50 m到达B处，再向东走了100 m到达C处，最后又向北走了150 m到达D处，则A、B、C、D各点的位置如何表示？
图1-1-8 如何描述平面内的运动？
学生分组讨论，可能说法较多，如B点在A点南面50 m处、C在A的东南方向等。
同学们的描述在日常生活中是能够简单表明意思的，但严格说来是不够准确的。如果物体的运动是在平面内的，则需要建立平面直角坐标系。对于上述问题，可以A点为坐标原点，向东为x轴正向，向北为y轴正向，则各点坐标分别是什么？
学生思考后回答：A（0，0）、B（0，-50 m）、C（100 m，-50 m）、D（100 m，100 m）。
五、时间
对物体运动的描述，除了空间维度，还需要时间维度。生活中我们经常碰到“时间”一词，但在不同的语境当中，时间的含义又不尽相同。
教师随机问班里某个学生：你每天上学是什么时间离开家的？在路上用了多长时间？什么时间到校的？
被提问的学生回答。
教师继续提出问题：刚才那位同学的回答中，他离家和到校所对应的时间概念，与他在路上所用的时间概念的含义一样吗？
学生思考后回答：不一样，他离家和到校所对应的时间概念是个时间点，他在路上所用的时间的概念是时间段。
也就是说，我们平常所说的“时间”，有时指时刻，有时指时间间隔，时刻指的是某一瞬间，时间间隔指的是两个时刻的间隔。为了使时间的描述更加直观形象，我们也可以采用数形结合的方法，即用时间坐标轴来描述。
课件展示时间坐标轴：一物体沿直线从O点开始运动，如果各点之间的时间间隔都是1s，则下列各说法中分别表示哪一点或线段：①第2s末；②第3s初；③前3s内；④第2s内；⑤第二个2s内。
图1-1-9 时间坐标轴
学生合作讨论得到结果：①B点；②B点；③AC段；④BC段；⑤CE段。
【知识提炼】时间
1．时刻：某一瞬间。
2．时间间隔：两个时刻之间的间隔。有时也简称时间。
3．二者的关系：用t1和t2分别表示两个时刻，Δt表示两个时刻之间的时间间隔，则Δt= t2－t1。
4．注意几种时间和时刻常见的说法
(1) 第1秒末，第2秒末，第3秒末……第n秒末。意义：时间轴上对应数值为n的一个点，为时刻。
例如，第3秒末为时间轴上数值为3的点。
相同意义的名称：第1秒末=第2秒初，第2秒末=第3秒初……第n秒末=第n+1秒初。
(2) 第1秒内，第2秒内，第3秒内……第n秒内。意义：时间轴上从数据n-1到数据n的长度为1秒的一段时间。
例如，第4秒内即指时间轴上数值为4和5之间的1秒钟间隔。
(3) 前1秒，前2秒，前3秒……前n秒。意义：时间轴上从数字0到数字n的长度为n秒的一段时间。
例如，前4秒即指时间轴上数值为0到4之间的4秒钟间隔。
相同意义的名称：前1秒=前1秒内，前2秒=前2秒内……前n秒=前n秒内。
【随堂演练】
[例3]（多选）关于时刻和时间，下列说法正确的是（ ）
A．时刻表示较短的时间间隔，而时间是表示较长的时间间隔
B．时刻在时间轴上对应一点，时间对应一线段
C．作息时间表上的数字均表示时刻 D．1min只能分成60个时刻
解析：时刻与时间的物理意义有差别，时间表示一段间隔，与一个过程对应，在表示时间的数轴上用线段来表示；时刻表示某瞬间，在表示时间的数轴上用点来表示，A错，B、C正确．一段很小的时间内有无数个时刻，D错．
答案：BC
1．本节课有一个重点就是理想模型的建立，理想模型在高中阶段具有着重要的意义，高中学习的非常多的实例都是建立在理想化模型的基础之下，需要学生勤加思考琢磨，以便更好的运用。
2．学生能够基本掌握质点、参考系、坐标系和时间等相关内容，对学生注重学科间的关联性及注重现代信息手段的使用有积极作用，对学生尊重自然科学、喜爱物理学习、树立学习信心有积极作用。