2022年高中物理必修第一册《第一章 运动的描述》质点、参考系和坐标 导学案

质点、参考系和坐标系时间和位移【学习目标】1、理解并掌握质点、参考系、时间和位移等基本概念2、清楚相似物理量之间的区别与联系【要点梳理】要点一、质点  要点诠释：1.提出问题“嫦娥一号”卫星为立方体，两侧太阳能电池帆板最大跨度达18.1m，重2350kg，近观相当庞大，但相对苍茫宇宙空间又是如此渺小，出现在指挥荧光屏上也仅是一个光点，科学工作者在研究其运行位置、飞行速度和轨道等问题时，有没有必要考虑其大小和形状?(没有必要)实际研究中会采取一种怎样的科学模型呢?(质点)2.质点①定义：用来代替物体的有质量的点．②物体看成质点的条件：物体的大小、形状对所研究问题的影响可以忽略不计时，可视物体为质点．如：地球很大，但地球绕太阳公转时，地球的大小就变成次要因素，我们完全可以把地球当作质点看待．当然，在研究地球自转时，就不能把地球看成质点了．研究火车从北京到上海的运动时可以把火车视为质点，但研究火车过桥的时间时就不能把火车看成质点了．当研究的问题不明确时，可遵循分析问题的习惯：一般来说当物体上各个点的运动情况都相同时，可用物体上—个点的运动代替整个物体的运动，研究其运动性质时，可将它视为质点；做转动的物体，当研究其细微特征时不能将其视为质点；但是当物体有转动，且因转动而引起的差异对研究问题的影响忽略时，物体也可视为质点．此外物体的大小不是判断物体能否作为质点的依据．③质点是一个理想模型，要区别于几何学中的点．3.质点的物理意义实际存在的物体都有一定的形状和大小，有质量而无大小的点是不存在的，那么定义和研究质点的意义何在?质点是一个理想的物理模型，尽管不是实际存在的物体，但它是实际物体的一种近似，是为了研究问题的方便而进行的科学抽象，它突出了事物的主要特征，抓住了主要因素，忽略了次要因素，使所研究的复杂问题得到了简化．在物理学的研究中，“理想模型”的建立，具有十分重要的意义．引入“理想模型”，可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差，在现实世界中，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，即可以将研究“理想模型”的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时，由于地球的直径(约1.3×104km)比地球和太阳之间的距离(约1.5×108km)小得多，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，在这种情况下，就可以直接把地球当作一个“质点”来处理．要点二、参考系  要点诠释：1.提出问题坐船在河中旅行的人观看两岸的风景时，常有“看山恰似走来迎”的感觉，而变换一下目光，又感到“仔细看山山不动”，同是那一座山，为什么有时感觉它是动的而有时却感觉它是静止不动的呢?平常我们认为坐在屋子里的人是不动的，而毛泽东却有诗日：“坐地日行八万里”，这又是怎么回事呢? 其实，要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他物体来作参考．2.参考系①定义：在描述一个物体的运动时，选来作为标准的另外的某个物体叫参考系．②物体的运动都是相对参考系而言的，这是运动的相对性．一个物体是否运动，怎样运动，决定于它相对于所选的参考系的位置是否变化、怎样变化．同一物体，选取不同的参考系，其运动情况可能不同，如：路边的树木，若以地面为参考系是静止的，若以行驶的汽车为参考系，树木是运动的，这就是我们坐在车里前进时感到树木往后倒退的原因．“看山恰似走来迎”是以船为参考系，“仔细看山山不动”是以河岸为参考系．“坐地日行八万里”是以地心为参考系，因为人随地球自转，而地球周长约八万里．③参考系的选择是任意的，但应以观测方便和使运动的描述尽可能简单为原则．研究地面上物体的运动时，常选地面为参考系．要点三、坐标系  要点诠释：      1.提出问题对于在平面上运动的物体，例如在做花样滑冰的运动员，要描述他的位置，你认为应该怎样做呢?当然是建立平面直角坐标系．2.坐标系要准确地描述物体的位置及位置变化需要建立坐标系．①如果物体沿直线运动，可以以这条直线为x轴，在直线上规定原点、正方向和单位长度，就建立了直线坐标系．②物体在平面内运动时，可以建立二维平面直角坐标系．③空间内物体的运动，可建立三维的空间直角坐标系．例如：描述高空中飞行的飞机时可建立三维的空间坐标系．如图所示为三种不同的坐标系，其中：(A)中M点位置坐标为x＝2m；(B)中N点位置坐标为x＝3m，y＝4m；(C)中P点位置坐标为x＝2m，y＝3m，z＝0m．要点四、时刻和时间间隔  要点诠释：  1.提出问题生活中经常用到“时间”一词，如：火车到站时间是12时45分，开出时间是12时50分，在本站停留时间是5分钟，前两句话中的“时间”与第三句话中的“时间”的含义是否相同，如何区分?平常所说的“时间”，有时指时刻，有时指时间间隔，如前述三句话中前两个“时间”都是指时刻，第三个“时间”指时间间隔．特别注意:我们在日常生活中所说的时间可能是指时间间隔也可能指时刻．在物理中两者物理意义不同，必须严格区分，物理学中说的时间指的是时间间隔． 2.时间轴上的表示在时间轴上，时刻表示一个点，时间表示一段线段如图所示，0～3表示3s的时间，即前3s；2～3表示第3s，是1s的时间．不管是前3s，还是第3s，都是指时间．“7”所对应的刻度线记为7s末，也为8s初，是时刻．【注意】ns末、ns初是指时刻，第ns内是指1s的时间，第ns末与第(n+1)s初指的是同一时刻．3.时刻与时间的区别与联系时刻时间区别①时刻指一瞬时，对应于物体所处的位置②在时间轴上用一个点表示③只有先与后、早与迟的区分，没有长短之分①时间指两时刻之间的间隔，对应于物体的一段路程或位移②在时间轴上，用一段线段表示③只有长短之分，无先后、迟早的区别联系①两个时刻的间隔即为时间，即△t＝t2－t1②时间轴上的两个点无限靠近时，它们间的时间间隔就会趋近于零，时间间隔就趋近于时刻了③时间间隔能够展示物体运动的一个过程，好比是一段录像；时刻可以显示物体运动的一个瞬间，好比是一张照片，即由一个一个连续的照片可以组成录像，一系列连续时刻的积累便构成时间4.时间的测量时间的单位有秒、分钟、小时，符号分别是s、min、h．生活中用各种钟表来计时，实验室里和运动场上常用停表来测量时间，若要比较精确地研究物体的运动情况，有时需要测量和记录很短的时间，学校的实验室中常用电磁打点计时器或电火花计时器来完成．要点五、路程和位移要点诠释：1.提出问题登泰山时从山门处到中天门，可以坐车沿盘山公路上去，也可以通过索道坐缆车上去，还可以沿山间小路爬上去，三种登山的路径不同，游客体会到的登山乐趣也不同，但他们的位置变化却是相同的，可见物体运动的路径与其位置变化并不是一回事．2.路程：质点的实际运动路径的长度，路程只有大小，其单位就是长度的单位．3.位移：从初位置到末位置的有向线段．线段的长度表示位移的大小，有向线段的指向表示位移的方向．4.位移与路程的区别和联系①位移是描述质点位置变化的物理量，既有大小又有方向，是矢量，是从起点A指向终点B的有向线段，有向线段的长度表示位移的大小，有向线段的方向表示位移的方向，位移通常用字母“x”表示，它是一个与路径无关，仅由初、末位置决定的物理量．②路程是质点运动轨迹的长度，它是标量，只有大小，没有方向．路程的大小与质点的运动路径有关，但它不能描述质点位置的变化．例如，质点环绕一周又回到出发点时，它的路程不为零，但其位置没有改变，因而其位移为零．③由于位移是矢量，而路程是标量，所以位移不可能和路程相等；但位移的大小有可能和路程相等，只有质点做单向直线运动时，位移的大小才等于路程，否则，路程总是大于位移的大小．在任何情况下，路程都不可能小于位移的大小． ④在规定正方向的情况下，与正方向相同的位移取正值，与正方向相反的位移取负值，位移的正负不表示大小，仅表示方向，比较两个位移大小时，只比较两个位移的绝对值．位移与路程的区别与联系可列表如下：项目位移路程区别定义物体空间位置变化的大小和方向物体运动轨迹的长度方向性(1)是矢量，有大小和方向(2)由起始位置到末位置的方向为位移的方向(3)这一矢量线段的长为位移的大小(24)遵循平行四边形定则（第三章学习）(1)是标量，只有大小，没有方向(2)物体运动轨迹的长度，即为路程的大小(3)遵从算术法则图示（曲线运动）物体由A点到B点有向线段的大小和方向表示质点的位移物体由A点运动到B点，弧AB轨迹的长度即为质点的路程联系都是长度单位，国际单位都是米（m）都是描述质点运动的物理量对于单向直线运动来讲，位移的大小与路程相等要点六、标量和矢量的区别要点诠释：1.标量：只有大小没有方向的量．如：长度、质量、时间、路程、温度、能量等运算遵从算术法则．2.矢量：有大小也有方向，求和运算遵循平行四边形定则的量．如：力、速度等．运算法则和标量不同，我们在以后会学习到．3.对矢量概念的理解:①矢量可用带箭头的线段表示，线段的长短表示矢量的大小，箭头的指向表示矢量的方向．②同一直线上的矢量，可在数值前加上正、负号表示矢量的方向，正号表示矢量方向与规定正方向相同，负号表示矢量方向与规定正方向相反，加上正、负号后，同一直线上的矢量运算可简化为代数运算．③矢量前的正、负号只表示方向，不表示大小，矢量大小的比较实际上是矢量绝对值的比较．如前一段时间位移为2m，后一段时间位移为-3m，则后一段时间物体的位移大．要点七、做直线运动的质点在坐标轴上的位置与位移的关系要点诠释：如果物体做直线运动，沿这条直线建立坐标轴，则运动中的某一时刻对应的是此时物体所处位置，如果是一段时间，对应的是这段时间内物体的位移．位移等于物体末位置坐标减去初位置坐标．如图所示，一个物体从A运动到B，如果A、B两位置坐标分别为xA和xB，那么质点的位移△x＝xB－xA．若初位置xA＝5m，末位置xB＝-2m，质点位移△x＝xB-xA＝-2m-5m＝-7m，负号表示位移的方向由A点指向B点，与x轴正方向相反．【典型例题】类型一、关于质点的理解例1、做下列运动的物体，能当作质点处理的是（）A．绕太阳公转的地球 B．从北京往上海运动的火车C．旋转中的风力发电机叶片 D．在冰面上旋转的花样滑冰运动员【答案】A、B【解析】研究地球绕太阳公转时，太阳的体积相对于和地球之间的距离来说是很小的，所以可看作质点，故A正确；火车的长度相对于北京到上海的距离是很小的，可以忽略，此时的火车可以看做质点，所以B正确；研究旋转中的风力发电机叶片，不能看成质点，否则就没有转动了，故选项C错误；在冰面上旋转的花样滑冰运动员，要看其动作，也不能看成质点，故D错误．【总结升华】根据质点的定义，能否将问题看做质点，关键是物体自身因素对我们研究问题的影响，物体的大小不是判断物体可否视为质点的重要依据．举一反三【变式】如在研究下述问题中，能够把研究对象当作质点的是（）A．研究某学生骑车由学校回家的速度B．对这名学生骑车姿势进行生理学分析C．研究火星探测器从地球到火星的飞行轨迹D．研究火星探测器降落火星后如何探测火星的表面E．研究地球绕太阳公转一周所需时间的多少F．研究地球绕太阳公转一周地球上不同区域季节的变化、昼夜长短的变化G．一枚硬币用力上抛，猜测它落地时正面朝上还是反面朝上H．正在进行花样溜冰的运动员【答案】ACE类型二、关于参考系的理解例2、如图是体育摄影中“追拍法”的成功之作，摄影师眼中清晰的滑板运动员是静止的，而模糊的背景是运动的，摄影师用自己的方式表达了运动的美．请问摄影师选择的参考系是（）A．大地B．太阳C．滑板运动员D．步行的人【答案】C【解析】摄影师眼中清晰的滑板运动员是静止的，显然是选择滑板运动员为参考系。【总结升华】参考系是认为固定不动的物体，以它为参考判断其它物体的运动与否。举一反三【变式】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“仔细看山山不动”所选的参考系分别是（）A．船和地面B．地面和船C．船和山D．河岸和流水【答案】A【变式】两辆汽车在平直公路上匀速并排行驶，甲车内一个人看见窗外树木向东移动，乙车内一个人发现甲车没有动，如果以大地为参考系，上述事实说明（）A．甲车向西运动，乙车不动B．乙车向西运动，甲车不动C．甲车向西运动，乙车向东运动D．甲乙两车以相同的速度同时向西运动 【答案】D类型三、关于坐标系的理解例3、如图甲所示，某人从学校门口A处开始散步，先向南走了50m到达B处，再向东走100m到达C处，最后又向北走了150m到达D处，则A、B、C、D各点位置如何表示?【解析】本题考查坐标系的建立方法．可以以A点为坐标原点，向东为x轴的正方向，向北为y轴的正方向，如图乙所示，则各点坐标为A(0，0)，B(0，－50m)，C(100m，－50m)，D(100m，100m)．【总结升华】本题答案不是唯一的．我们选择的坐标原点不同，x，y轴的正方向不同，各点的位置也不同．正确建立坐标系是正确描述物体位置的前提．举一反三【变式】如图是为了定量描述物体的位置变化作出的坐标轴（x轴），在画该坐标轴时规定原点在一平直公路上某路标所在处。公路为南北走向，规定向北为正方向。坐标轴上有两点A和B，A的位置坐标为xA=5m，B的位置坐标为xB=-3m，下列说法正确的是（）①A点位于该路标南5m处②A点位于该路标北5m处③B点位于该路标南3m处④B点位于该路标北3m处A．①③B．②④C．①④D．②③【答案】D【解析】在坐标轴上标注A、B的位置，如图所示。原点为该路标，向北为正方向，由图可知，A点位于该路标北5m处，B点位于该路标南3m处。类型四、关于时刻与时间间隔的理解例4、以下的计时数据指时间间隔的是（）A．从北京开往广州的火车预计10时到站B．1997年7月1日零时中国对香港恢复行使主权C．某人百米跑的成绩是13sD．某场足球赛开赛了15min时甲队攻入一球【答案】C【解析】火车到站的时间，并没有起止时刻；1997年7月1日零时，它是一个激动人心的时刻；百米跑是一个运动过程；足球赛开赛15min时，甲队攻入一球，事情发生在一瞬间．【总结升华】时刻和时间间隔既有区别也有联系，区分二者的方法有：(1)利用上下文判断：分析所给的说法，根据题意去体会．(2)利用时间轴判断：画出时间轴，把所给的时刻或时间间隔标出来，时刻对应一个点，时间间隔对应一条线段．举一反三【变式1】时间和时刻是两个不同的概念．要注意区分：①第几秒初；②第几秒末；③第几秒；④几秒内；⑤前几秒；⑥前几秒末；⑦后几秒；⑧后几秒初等概念．其中属于“时间”概念的有__________．（填序号） 【答案】③④⑤⑦【变式2】如图所示的时间轴，下列关于时刻和时间的说法中正确的是（）A．t2表示时刻，称为第2s末或第3s初，也可以称为2s内B．t2～t3表示时间，称为第3s内C．t0～t2表示时间，称为最初2s内或第2s内D．tn－1～tn表示时间，称为第(n－1)s内【答案】B类型五、关于路程与位移的理解例5、一质点绕半径为R的圆圈运动了一周，则其位移大小为________，路程是________，若质点运动了周，则其位移大小为________，路程是________，此运动过程中最大位移是________，最大路程是________．【答案】02R【解析】质点绕半径为R的圆圈运动一周，位置没有变化，位移是0，走过的路程是2πR；质点运动周，设从A点开始逆时针运动，则末位置为C，如图所示，其位移为由A指向C的有向线段，大小为，路程即轨迹的总长，为个周长，即；运动过程中位移最大是由A到B点时，最大位移是2R，最大路程即为．【总结升华】(1)以某物体为研究对象，选择一个研究过程．(2)找出研究过程的初位置和末位置，则由初位置指向末位置的有向线段是位移．(3)画出物体在运动过程中的运动轨迹示意图，则实际路径的总长度就是路程．举一反三【变式1】中学的垒球场的内场是一个边长为16.77m的正方形，在它的四个角分别设本垒和一、二、三垒，如图所示.一位击球员击球后，由本垒经一垒、二垒直跑到三垒.他运动的路程是m，位移是m，位移的方向.【答案】50.31m16.77m由本垒到三垒【变式2】一质点在x轴上运动，各个时刻的位置坐标如下表，则此质点开始运动后t/s012345x/m05－4－1－71（1）前几秒内的位移最大（）A．1sB．2sC．3sD．4sE．5s（2）第几秒内的位移最大（）A．第lsB．第2sC．第3sD．第4sE．第5s（3）前几秒内的路程最大（） A．1sB．2sC．3sD．4sE．5s【答案】DBE【变式3】一位同学在操场上从某点出发，先向正东方向走了30m，然后右转向正南走了40m。他走过的路程为_______m，发生的位移大小为_______m。【答案】70；50.