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2019-2020年高中物理 1.1《質點 參考系和坐標系》教案3 新人教版必修1 從容說課 本節(jié)首先讓學生閱讀一段有關運動和靜止的描述，讓學生了解更寬泛意義上的運動和靜止.在回顧了機械運動的根本特征后，讓學生知道如何確定物體的運動和怎樣看待運動的物體的問題.通過對質點的認識，了解物理學研究中物理模型的特點，體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用.用多個討論與交流的目的在于讓學生從生活中的實際聯(lián)系物理中的概念.通過討論與交流將生活中的經驗升華為物理概念.本節(jié)是高中學生學習物理的起始章節(jié)，激發(fā)學生的學習興趣是教師在教學中應該注意的主要問題.教學內容看起來似乎淺顯，但其中蘊涵著許多學生在初中學習時很少接觸過的方法，教師在教學中要創(chuàng)設豐富多彩的情景，要使學生在愉悅的心境中開始高中階段的物理學習.教師的教學手段要多樣化，教學氣氛要熱烈，在教學中建立融洽、和諧、平等的師生關系，使學生感受到物理的魅力.通過課堂教學讓學生學會歸納，學會表達，學會設想，學會討論，學會交流，學會比較，學會換位思考，學會建立物理模型，學會小結. 三維目標 知識與技能 1.認識建立質點模型的意義和方法，能根據具體情況將物體簡化為質點.知道它是一種科學的抽象，知道科學抽象是一種普遍的研究方法. 2.理解參考系的選取在物理中的作用，會根據實際情況選定參考系. 3.認識一維直線坐標系，掌握坐標系的簡單應用. 過程與方法 1.體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，初步掌握科學抽象理想化模型的方法.讓學生將生活實際與物理概念相聯(lián)系，通過具體事例引出質點的這個理想化的模型.通過幾個具體的例子讓學生自主討論，在討論與交流中自主升華為物理中的概念. 2.通過參考系的學習，知道從不同角度研究問題的方法.讓學生從熟悉的常見現(xiàn)象和已有的生活經驗出發(fā)，體驗不同參考系中運動的相對性，揭示參考系在確定物體運動時客觀存在的必要性和合理性，促使學生形成勤于觀察、勤于思考的習慣，提高學生自主獲取知識的能力. 3.體會用坐標方法描述物體位置的優(yōu)越性，可用不同的方法設計實驗并體會比較，增強學生發(fā)現(xiàn)問題并力求解決問題的意識和能力. 情感態(tài)度與價值觀 1.認識運動是宇宙中的普遍現(xiàn)象，運動和靜止的相對性.培養(yǎng)學生熱愛自然、關心科技發(fā)展、勇于探索的精神. 2.通過質點概念和參考系的學習，體會物理規(guī)律與生活的聯(lián)系. 3.滲透抓住主要因素，忽略次要因素的哲學思想. 4.滲透具體問題具體分析的辯證唯物主義思想，幫助學生建立辯證唯物主義的世界觀. 5.通過本節(jié)學習，激發(fā)學生學習高中物理課程的興趣. 教學重點 1.理解質點概念以及初步建立質點概念所采用的抽象思維方法. 2.在研究具體問題時，如何選取參考系. 3.如何用數學上的坐標軸與實際的物理情景結合起來建立坐標系. 教學難點 在什么情況下可以把物體看作質點，即將一個實際的物體抽象為質點的條件. 教具準備 錄像資料、多媒體課件 課時安排 1課時 教學過程 ［新課導入］ 師：請同學們觀看一段錄像后思考問題（有關運動的話題）. （放映錄像）選擇有關反映物體運動的畫面播放給學生看（可搜集整理電視片《科技之光》和《動物世界》中的圖像）.如：雄鷹、小鳥在空中飛翔，飛機在天空中劃過，行星、衛(wèi)星在宇宙中運行，航天員楊利偉在宇航艙中給地球拍照，汽車在公路飛馳，輪船在海水中搏擊海浪?！? 師：雄鷹在空中翱翔，足球在綠茵場上飛滾，連靜靜的山川也在“坐地日行八萬里”……宇宙中的一切物體都在不停地運動，無論是巨大的天體，還是微小的原子、分子等.請大家根據剛才觀看的錄像片，回顧初中學過的機械運動，提出一些關于運動的話題. 生1：宇宙中一切物體都處在永恒的運動中. 生2：運動是絕對的，靜止是相對的. 生3：物體空間位置隨時間的變化就是機械運動，片中記錄了大量物體的運動情景. 生4：描述物體的運動要選擇參照物. 生5：“坐地日行八萬里”，我怎么沒感覺到呢？…… 教師總結學生發(fā)言，講述機械運動. 機械運動：簡稱“運動”.指物體與物體間或是物體的一部分和另一部分間相對位置隨時間發(fā)生改變的過程，是最基本、最簡單、最普遍的運動形式.機械運動是空間位置隨時間變化的體現(xiàn).這里涉及到空間和時間的問題. 師：古希臘杰出的哲學家、科學家、圣賢——亞里士多德曾說過“不了解運動，就不了解自然”，這句話向我們提出了嚴峻的挑戰(zhàn).我們要充滿信心，迎接這一挑戰(zhàn). 指導學生快速閱讀教材第一段，并粗看這節(jié)課的黑體字標題，提出問題：要描述物體的機械運動，本節(jié)課將從哪幾個方面去描述？ 學生通過閱讀、思考，對本節(jié)涉及的概念有個總體印象，知道這些概念都是為了進一步描述物體的運動而引入的，要研究物體的運動首先從學好這些基本概念入手. 師：我們在剛才的錄像片中看到：汽車在公路上飛馳，江水在咆哮著奔向遠方，鳥兒在飛翔，樹葉在搖動，高山上流水，瀑布直瀉千尺，雪花在空中飛舞…… （放映錄像）（播放“神舟”五號升空的錄像片）“xx年10月15日，一個令人驕傲的日子，一個彪炳史冊的日子，我國第一艘載人飛船滿載著全國人民的希望成功升空.” 師：飛船在茫茫太空中遨游，假如你是文學家，你如何描述它的運動呢？ 參考：文學家的描述：《光明日報》xx年10月17日第一版，作者歐陽中石：“凌云戲月游銀漢，轉瞬翔天過太空.” 師：如果你是科學家，你又將如何描述呢？這就是我們今天要研究的課題——認識運動. ［新課教學］ 一、物體和質點 針對上面看過的錄像，老師提出問題： 詳細描述物體的運動有什么困難？ 我們需要了解物體各部分運動的區(qū)別嗎？ 學生討論： 要準確描述物體的運動，特別是物體各部分的詳細運動情況，并不是一件很容易的事. 因為物體本身都有一定的大小和形狀，物體各部分的運動情況一般并不一樣. 師：在剛才看過的錄像片中，我們見到了楊利偉，看到了“神舟”五號.據報道，“神舟”五號飛船載人艙長7.4 m，直徑2.8 m，用長58 m、重達480 t的“長征”2號火箭發(fā)射.升空后，顯示在指揮部熒光屏上的僅是一個小小的光點.科學家研究它在空中的位置、離開地面的高度、飛行的速度、運動軌道等問題時，需要考慮它本身的大小和形狀嗎？ 生：不需要，我們可以用熒光屏上的小光點代替這個“龐大”的飛船呀！ 引入質點：用來代替物體的有質量的點.根據所研究問題的性質和需要，抓住問題中的主要因素，忽略次要因素，建立一種理想化的模型，使復雜問題得到簡化，這是一種重要的科學研究方法. 引子：乒乓球小而輕，直徑僅4 cm，質量約2.7 g.運動員研究各種旋轉球的打法時，要關注球的受力部位和受力方向對旋轉的影響.這種情況下，必須考慮到球的大小和形狀，不能把它簡化為一個點. 【討論與交流】（供參考） 1.地球是一個龐然大物，直徑約為12 800 km，與太陽相距1.5108 km.研究地球繞太陽的公轉時，能不能把它看成質點?研究地面上各處季節(jié)變化時，能不能把它看成質點? 參考答案：若研究地球繞太陽公轉時，由于地球本身的大小比地球到太陽的距離小得多，則可以把地球看作質點；但若研究地面上各處季節(jié)變化時，則不能把其看作質點. 2.撐桿跳高是一項非常刺激的體育運動項目，一般來說可以把撐桿跳運動分為如下幾個階段：助跑、撐桿起跳、越過橫桿.討論并思考后回答，在下列幾種情況下運動員能否被看作質點，從中體會質點模型的建立過程. （1）教練員針對訓練錄像糾正運動員的錯誤時，能否將運動員看成質點？ （2）分析運動員的助跑速度時，能否將其看成質點？ （3）測量其所跳高度（判斷其是否打破紀錄）時，能否將其看成質點？ 參考答案：（1）不能，糾正錯誤動作時不能忽略運動員的姿勢及動作，也就是說不能忽略運動員的形狀和大小.（2）能，分析助跑速度時，可以忽略運動員的姿勢及動作.（3）能. 3.物理中的“質點”跟幾何中的點有什么相同和不同之處？ 參考答案：相同之處為：都是沒有形狀和大小的點.不同之處為：質點是實際物體的抽象，它具有一定的物理內涵，不僅具有物體的全部質量，而且是一個相對的概念；幾何學中的點沒有質量，僅表示一個位置，而且應該是“絕對得小”. 師：請同學們對質點進行小結： 生：對質點小結： 1.質點是一種科學抽象，是一種理想化的模型. 2.質點是對實際物體的近似，這也是物理學中常用的一種重要的研究方法. 3.一個物體能否看成質點，取決于它的形狀和大小在所研究問題中是否可以忽略不計，而跟自身體積的大小、質量的多少和運動速度的大小無關. 4.一個物體能否被看作質點，取決于所研究問題的性質.即使是同一個物體，在研究的問題不同時，有的情況下可以看作質點，而有的情況可能不可以看作質點. 【課堂探究】 親自做一做、試一試，書本在下列情景中能否被看成質點. 1.沿一個方向推動桌面上的書本，如果測量書本移動的距離，是否可以將書本視為質點，為什么？ 2.如果測定書本經過桌面上方某一定點所需要的時間，是否可以將書本視為質點，為什么？ 3.還有什么情況下書本可以被視為質點？什么情況下書本不能被視為質點？ 參考答案： 1.沿同一個方向移動書本時，書本各部分的運動情況完全相同，可以將它視為質點. 2.相對桌面上方的某一定點來說，書本本身的長度（或寬度）不能忽略，并對經過該定點位置所需要的時間起決定作用，所以這種情況下不能將書視為質點. 3.答案視學生提出的問題而定（根據學生提出的各種情景，老師進行準確恰當的點撥）. 說明： 將物體看作質點的條件： （1）平動的物體可以看作質點，一般研究物體的轉動時不能把物體看作質點. （2）物體有轉動，但物體的轉動不是我們所要研究的主要問題時，物體本身的形狀和大小已變成了次要因素. （3）物體本身的大小對所研究的問題不能忽略時，不能把物體看作質點，如研究火車過橋的時間時就不能把火車看作質點. 【課堂訓練】 1.下列關于質點的說法中，正確的是 A.體積很小的物體都可看成質點 B.質量很小的物體都可看成質點 C.不論物體的質量多大，只要物體的尺寸跟物體間距相比甚小時，就可以看成質點 D.只有低速運動的物體才可看成質點，高速運動的物體不可看作質點 答案：C 解析：一個實際物體能否看成質點，跟它體積的絕對大小、質量的多少以及運動速度的高低無關，決定于物體的尺寸與物體間距相比的相對大小.例如，地球可稱得上是個龐然大物，其直徑約為1.28107 m，質量達到61024 kg，在太空中繞太陽運動的速度每秒幾百米.由于其直徑與地球離太陽的距離（約1.51011 m）相比甚小，因此在研究地球的公轉運動時，完全可以忽略地球的形狀、大小及地球自身的運動，把它看成一個質點. 2.在以下的哪些情況中可將物體看成質點? （1）研究某學生騎車回校的速度. （2）對這位學生騎車姿勢進行生理學分析. （3）研究火星探測器從地球到火星的飛行軌跡. （4）研究火星探測器降落火星后如何探測火星的表面. 答案：（1）（3） 解析：根據質點的定義，研究學生騎車回校的速度只是討論學生與學校之間的位置隨時間的變化關系，無須討論學生的騎車動作和自行車的行駛方法原理，故可把其看成質點.對學生的騎車姿勢進行分析時，學生的身軀和四肢就構成研究的對象，故不能把學生看成質點.火星探測器的大小相對地球與火星的距離在尺寸上完全可以忽略不計，故可把其看成質點.當火星探測器在火星表面探測火星，則探測器的動作直接影響探測的效果，所以，此時火星探測器不能看成質點. 3.下列情形中的物體可以看作質點的是 A.跳水冠軍郭晶晶在跳水比賽中 B.一枚硬幣用力上拋，猜測它落地時是正面朝上還是反面朝上 C.奧運會冠軍邢慧娜在萬米長跑中 D.花樣滑冰運動員在比賽中 答案：C 解析：在跳水比賽中，人們要觀察跳水運動員的優(yōu)美動作，包括空中的和入水時的動作，所以不能看作質點，故A錯.硬幣是正面朝上還是反面朝上，與硬幣的形狀有密切關系，所以不能看作質點，故B錯.邢慧娜在萬米長跑中是可以看成質點的，因為在長跑中主要看她所用的時間，不考慮本身的形狀和大小，所以可以看成質點，故C正確.花樣滑冰運動員在比賽中主要是觀察滑冰的動作，即“花樣”，所以不能看作質點，故D錯. 二、參考系 引子：請你設想一下，你和一位同伴正坐在火車中去旅行.鐵路邊的人看到火車中的乘客在飛快地離去，而乘客自己卻認為自己是靜止的. 教師可展示Flash動畫課件，動畫內容描述為： 兩位同學在路邊看到急馳而過的一輛小汽車，大聲叫喊， “唉呀!你看他們跑得真快啊!” 車中的人對司機說：“你動了嗎？” 引導學生分析片中的對話.為什么路邊的同學說車上的人跑得快？為什么車中的一個人又認為他和司機沒有動？ 投影教材中的圖1.1－3圖，讓學生自己分析，教師加以引導. 生1：車中兩個小孩都是靜止的，他們都沒動. 生2：這兩個小孩是運動的，因為在車窗玻璃上有幾個線條表示“風”，這是畫家描述運動時常用的手法. 師：兩個小孩和車都是運動的，這是相對地面來說的，而兩個小孩之間是相對靜止的，他們的相對位置沒有改變. 師：平時我們說樹木、房屋是靜止的，行駛的汽車是運動的，這是以地面作標準來說的.坐在行駛的火車里的乘客，認為自己是靜止的，而在車廂里走動的乘務員在運動，他還認為路旁的樹木在向后倒退，這些都是以車廂作標準來說的.在描述一個物體的運動時，選來作為標準的另外的物體——參考系. 參考系：任何運動都是相對于某個參照物而言的，這個選來作標準的參照物稱為參考系. 【討論與交流】 與同桌和前排（或后排）同學組成四人一組，思考并交流討論下列描述中隱含的參考系. 展示問題： 1.電影《閃閃的紅星》中有兩句歌詞：“小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走.”這其中分別描述了兩種運動情景，那么它們分別是以什么為參考系的？ 2.“月亮在蓮花般的云朵里穿行.” 3.坐在美麗的校園內學習毛澤東的詩句“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河”時，我們感覺是靜止不動的.這與詩句里的描述是否矛盾?說明理由. 4.敦煌曲子詞中有這樣的詩句：“滿眼風波多閃爍，看山恰似走來迎，仔細看山山不動，是船行.”其中“看山恰似走來迎”和“是船行”所選的參考系分別是什么? 參考答案： 1.河岸竹排. 2.云朵 3.地心、地面.這種說法不矛盾，是參考系的選擇不同.人隨地球一起圍繞地軸自轉，而且地球赤道周長大約是s=4.0104 km，即大約為八萬里. 4.這兩種現(xiàn)象是由于選取的參考系不同造成的.第一種現(xiàn)象是以人為參考系，人看到遠處的山向人靠近；第二種現(xiàn)象是以地面為參考系，山是靜止的，船在行駛. 【課堂交流】（分四小組進行） 師：下述物理過程中選擇什么為參考系較恰當？ 課件投影問題： 1.xx年，所有的目光都集中在火星.繼美國宇航局的兩臺火星探險漫游者“勇氣”號和“機遇”號之后，歐洲的火星快車飛船已順利地將“獵兔犬”2號火星登陸車投放至火星表面.從地球表面向火星發(fā)射火星探測器的過程中，若要研究探測器的運動情況，各應選擇什么為參考系? 參考答案：前者為地球，后者為火箭. 2.在印度洋海嘯救災中，從水平勻速航行的飛機上向受災的地區(qū)空投救災物資.在不考慮空氣阻力的情況下，飛機上的人以飛機作參考系，他看到投下的物體是沿什么路線下落的？地面上的人以地面作參考系，觀察被投下的物體又是沿著什么路線下落的? 參考答案：前者為豎直直線，后者為曲線（拋物線）. 3.第一次世界大戰(zhàn)期間的一次空戰(zhàn)中，一個法國飛行員正在2 000米高的空中飛行，忽然，他發(fā)現(xiàn)臉旁好像有一個小東西在飛舞，他以為是一只小昆蟲，于是就伸手輕松地把它抓了過來，仔細一看，把他嚇出一身冷汗來.他抓住的不是別的，是德國飛機射向他的一顆子彈.請根據上述信息討論回答以下問題，并注意體會參考系的選取與運動的相對性. （1）子彈飛得那么快（一般為幾百米每秒），為什么沒有把他的手打穿？體會一下，同一物體相對于不同的參考系運動狀態(tài)相同嗎？ （2）受類似現(xiàn)象的啟發(fā)，人們實現(xiàn)了飛機在飛行途中進行空中加油，在航天飛行中，宇宙飛船發(fā)射到太空和正在繞地球運動的空間站實行空中對接.實現(xiàn)“空中加油”和“空中對接”應滿足的基本條件是什么？ 參考答案： （1）因同一物體相對于不同的參考系有不同的運動狀態(tài)，相對于發(fā)射子彈的槍而言，子彈的初速度雖然為幾百米每秒，但相對于其他以不同方向和速度運動著的物體，其運動速度就會有明顯不同.當子彈和飛機的速度大小方向相同，則子彈相對于飛機靜止，即出現(xiàn)上述情況. （2）除了飛行員具有高超的飛行技術外，相對于同一參考系時兩個“物體”的速度要相同，即二者相對速度為零，處于相對靜止狀態(tài)即可完成. 4.1997年6月10日，在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征一號”運載火箭成功發(fā)射的“風云二號A”氣象衛(wèi)星，是我國研制成功的第一顆靜止氣象衛(wèi)星，設計工作歷時三年.2000年6月25日，“長征三號”運載火箭又將我國自行研制的第二顆“風云二號B”氣象衛(wèi)星成功發(fā)射上天，在太空中順利完成與A星的“新老交替”，最終定點在東經105赤道上空，向地面?zhèn)骰刂袊爸苓叺貐^(qū)的高質量的氣象資料. （1）上述材料中的“靜止氣象衛(wèi)星”“最終定點在東經105赤道上空”，是以誰為參考系來描述衛(wèi)星的運動的？ （2）具有上述特點的衛(wèi)星稱為“同步衛(wèi)星”.除了“氣象衛(wèi)星”外，“同步衛(wèi)星”還有什么用途？ 參考答案： （1）是以地球為參考系，且處于相對靜止狀態(tài). （2）通訊衛(wèi)星. 【課堂探究】 一跳傘運動員在下落過程中，看到身旁的直升機在向上運動，則直升機相對于地面的運動情況是怎樣的？ 參考答案：跳傘運動員在下落過程中，看到身旁的直升機在向上運動，是以自己作參考系，即以跳傘運動員為標準，它們間的距離在不斷增大.如果以地面為參考系，這種情況的出現(xiàn)有以下幾種可能性：（1）直升機靜止在空中不動；（2）直升機向上升；（3）直升機下落，但速度比跳傘運動員慢.以上三種情況都能使跳傘運動員與直升機間的距離不斷增大.因此，跳傘運動員無法根據自己看到的現(xiàn)象來判斷直升機相對于地面的運動情況. 師：參考系可以任意選擇嗎？ 將教材圖1.1－4做成動畫課件，展示給學生，鼓勵學生分析其中的對話. 說明：為了確定物體的位置和描述物體的運動而被選作參考的物體或物體系叫做參考系.如果物體相對于參考系的位置在變化，則表明物體相對于該參考系在運動；如果物體相對于參考系的位置不變，則表明物體相對于該參考系是靜止的.同一物體相對于不同的參考系，運動狀態(tài)可以不同.在運動學中，參考系的選擇可以是任意的.研究和描述物體運動，只有在選定參考系后才能進行.如何選擇參考系，必須從具體情況來考慮.例如，一個星際火箭在剛發(fā)射時，主要研究它相對于地面的運動，所以把地球選作參考系.但是，當火箭進入繞太陽運行的軌道時，為研究方便，便將太陽選作參考系.為研究物體在地面上的運動，選地球作參考系最方便，例如，觀察坐在飛機里的乘客，若以飛機為參考系來看，乘客是靜止的；若以地面為參考系來看，乘客是在運動.因此，選擇參考系是研究問題的關鍵之一. 組織學生小結并作好適時適度的引導： （1）運動和靜止都是相對于參考系的. （2）參考系的選取是任意的. （3）選擇不同的參考系，觀察的結果可能不一樣，也可能一樣. （4）選擇參考系時，應使物體運動的描述盡可能簡單、方便. （5）比較兩個物體的運動情況，必須選擇同一參考系才有意義. 三、坐標系 展示問題： 有時需要準確地描述某個物體所在的位置，如地理上用緯度和經度來確定某個地點.在軍事、大地測量等領域常采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）來確定方位. 要準確地描述物體的位置及位置變化需要建立坐標系.如果物體在一維空間運動，即沿一條直線運動，只需建立直線坐標系，就能準確表達物體的位置；如果物體在二維空間運動，即在同一平面運動，就需要建立平面直角坐標系來描述物體的位置；當物體在三維空間運動時，則需要建立三維直角坐標系來描述. 【課堂探究】 創(chuàng)設一個實例讓學生思考，可以結合本地實際選取相應的例子. 參考示例： 如圖1－1－1所示，一輛汽車從天安門沿長安街駛向西單、南菜園方向，思考汽車的位置隨時間怎樣變化？ 問題： 1.如何選擇坐標軸和正方向？ 2.如何選擇坐標原點？ 3.如何確定坐標軸上的刻度值？ 圖1－1－1 師：對質點的直線運動，一般選質點的運動軌跡為坐標軸，質點運動的方向為坐標軸的正方向，選取質點經過坐標軸原點的時刻為時間的起點. 師：畫坐標系時，必須標上原點、正方向和單位長度. 【課堂訓練】 一質點在x軸上運動，各個時刻的位置坐標如下表： t/s 0 1 2 3 4 5 x/m 0 5 –4 –1 –7 1 （1）請在下面的x軸上標出質點在各時刻的位置. 圖1－1－2 （2）哪個時刻離坐標原點最遠？有多遠？ 參考答案：（1）如圖1－1－3標注： 圖1－1－3 （2）在第4 s末的位置坐標是－7 m，說明這一時刻質點離開坐標原點的距離為7 m，在x軸的負向上，為最遠，而其他幾個都不是最遠的. 【討論與交流】 問題：田徑場上，描述百米運動員在運動中的位置，需建立什么樣的坐標系？描述800米賽跑運動員在運動中的位置需建立什么樣的坐標系？足球場上，描述足球運動員的位置需建立什么樣的坐標系？要描述足球的位置呢？ 參考答案：百米運動員是在一條直線上運動，所以應建立直線坐標系；800米賽跑運動員不是在一條直線上運動，而是在一個平面內運動，所以應建立平面直角坐標系；足球運動員也是在球場平面內運動，也要建立平面直角坐標系，而足球的運動可以在草坪上進行，也可以在空中飛行，所以要建立立體空間直角坐標系. 學生閱讀教材“科學漫步”欄目并思考書中提出的問題. 參考答案：從GPS定位器上顯示屏中的信息可以知道：第1行的“西”和第2行的“航向267”表示的是航向，如圖1－1－4所示.“航速0.0 km”說明定位器現(xiàn)在相對地面靜止.第3行的“航程1.0 km”是指從出發(fā)到現(xiàn)在的里程，“累計13：32”是指從開始啟動定位器到現(xiàn)在的時間.第4行的“N3955.451′”和“E11623.504′”是指定位器所處位置在北緯3955.451′、東經11623.504′.第5行“時間：10：29：57”顯示的是北京時間10點29分57秒.通過地理知識或查閱地圖手冊可以知道定位器此刻正處于北京市城區(qū)的西部. 圖1－1－4 ［小結］ 本節(jié)學習的參考系和質點的概念是運動學甚至整個力學的最基本、最重要的概念，并且還提供了重要的科學思維方法.了解參考系的概念，對于觀察、比較、研究物體的運動有實際的意義.同學們要明白，嚴格意義上的“有質量的點”實際上是不存在的，是一種理想化模型，是對實際物體的近似，是一種科學抽象.自然界中任何一種事物及其運動變化，都是比較復雜的，研究問題，要暫時撇開起作用很小的因素，抓住主要因素.如果在我們研究的問題中，物體的形狀、大小，以及物體上各部分運動的差異是次要的或不起作用的，就可以把它看成質點. ［布置作業(yè)］ 教材第13頁問題與練習. ［課外訓練］ 1.在下列各運動的物體中，可視為質點的有 A.汽車的后輪，研究汽車牽引力的來源 B.沿斜槽下滑的小鋼球，研究它沿斜槽下滑的速度 C.人造衛(wèi)星，研究它繞地球的轉動 D.海平面上的木箱，研究它在水平力作用下是先滑動還是先滾動 2.分析下列運動中研究對象能否當作質點. （1）做花樣溜冰的運動員； （2）運行中的人造地球衛(wèi)星； （3）轉動著的砂輪； （4）從斜面上滑下的木塊. 3.一列火車?？吭谡九_上，車廂內的人看著窗外另一列火車，感覺到自己乘坐的火車又開動了，可等一會兒卻發(fā)現(xiàn)自己乘坐的火車還在站臺上未動.你有過類似的經歷嗎？出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是什么？ 4.請你畫出從家出發(fā)到達學校的路線圖，嘗試描述你的位置隨時間變化的關系圖.如果提前十分鐘到達學校，那么把你經過各處的時間也標在圖上. 參考答案 1.答案：BC 解析：汽車牽引力的來源跟后輪轉動情況有關，此時汽車后輪不能視為質點.小鋼球下滑的速度與球大小無關，可視作質點.研究人造衛(wèi)星繞地球轉動時，衛(wèi)星的形狀、大小可以不考慮，可視為質點.木箱在水平力作用下是否滾動，與力作用點位置有關，物體大小不能忽略，故不能看作質點.實際物體能否被看作質點，關鍵看物體大小、形狀對所研究的問題是否有影響，若沒有影響，則物體可看作質點.所以正確選項應為B、C. 2.答案：（1）花樣滑冰運動員的動作復雜，既有旋轉也有平移.若對運動員的動作進行技術分析，顯然不能把其視為質點，但若只研究運動員滑冰場上的滑行路線，也可把運動員視為質點.（2）若只研究人造地球衛(wèi)星繞地球的軌道運動，由于人造衛(wèi)星本身的大小與衛(wèi)星離地球的距離小得多，則應把人造地球衛(wèi)星看作質點；但若對人造地球衛(wèi)星進行姿態(tài)調整控制，則不能把其看作質點.（3）砂輪轉動時，砂輪各部分的轉動情況與砂輪的大小和形狀有關，故不能把砂輪看作質點.（4）從斜面上滑下的木塊，其各部分的運動情況都相同，故可把木塊看作質點. 3.答案：車廂內的人是注視另一站臺的火車，即人的視線已經離開了地面，人不以自身為參考系，就會以另一站臺的火車為參考系，顯然，人習慣于以自身為參考系，故有此感覺.生活中學生和教師在乘坐汽車時也會有類似的經歷，可以用語言引導學生說出自己的感受，一般會出現(xiàn)同樣感覺（特別是防震功能較好的高檔汽車）. 4.參考提示：仿照坐標系欄目下的課堂探究建立平面直角坐標系，刻度比例要盡量符合實際.通過實際測量盡可能地準確描述. 板書設計 1 質點 參考系和坐標系 機械運動：簡稱“運動”，指物體與物體間或是物體的一部分和另一部分間相對位置隨時間發(fā)生改變的過程，是最基本、最簡單、最普遍的運動形式. 物體和質點 參考系 坐標系 概念 用來代替物體的有質量的點. 描述物體的運動時，選擇用來作參考的物體稱為參考系. 為了定量地描述物體的位置及位置的變化，而需要在參考系上建立適當的坐標系. 說明 （1）質點是一種科學抽象，是一種理想化的模型. （2）質點是對實際物體的近似，這也是物理學中常用的一種重要的研究方法. （3）一個物體能否看成質點，取決于它的形狀和大小在所研究問題中是否可以忽略不計，而跟自身體積的大小、質量的多少和運動速度的大小無關. （1）運動和靜止都是相對于參考系的. （2）參考系的選取是任意的. （3）選擇不同的參考系，觀察的結果可能不一樣，也可能一樣. （4）選擇參考系時，應使物體運動的描述盡可能簡單、方便. （5）比較兩個物體的運動情況，必須選擇同一參考系才有意義. （1）描述直線運動的物體的位置變化，可以建立一維直線坐標系. （2）描述平面上運動的物體的位置變化，可以建立二維平面直角坐標系. （3）描述立體空間內運動的物體的位置變化，可以建立三維立體空間坐標系. 活動與探究 探究活動的主題：亞里士多德和伽利略對物體運動的研究 通過查找資料或上網等方式，了解討論亞里士多德和伽利略對物體運動的研究在科學發(fā)展和人類進步上的重大意義. 步驟 學生活動 教師指導 目的 1 到圖書館、上網查閱相關書籍. 介紹相關書籍 1.讓學生更多地了解亞里士多德和伽利略在科學發(fā)展和人類進步上的重大貢獻. 2.培養(yǎng)學生動手能力和獨立思考能力. 2 根據查閱的資料，確定文章主題和內容. 解答學生提出的具體問題. 3 相互交流活動的感受. 對優(yōu)秀文章進行點評. 參考資料 1.亞里士多德對運動的分類 亞里士多德在科學上并不是一個坐在椅子上空想的學者，他對周圍的環(huán)境進行了敏銳的觀察.在對運動的觀察中，亞里士多德注意到某些運動無需幫助即可維持，而另外一些運動只有借助外界作用才能維持.亞里士多德認為一個無需幫助的運動例子是：當你把一塊石頭推出石梁，它在無明顯幫助的情況下向地面落下.亞里士多德把這種能夠自己維持的運動稱為自然運動. 除固體下落外，亞里士多德還察覺到另外三種自然運動：瀉下或沿坡流下的液體，上升的氣體和向上跳動的火焰.在亞里士多德看來，這四種運動代表了地球上能發(fā)生的四種自然運動.他認為，由于地球上所有的東西都由四種不同物質或元素——土、水、氣和火構成，而每一種元素都力圖到達不同的自然位置，所以就產生了自然運動.雖然亞里士多德所說的元素不同于化學元素，但元素這個詞仍沿用至今，意指那些構成萬物的物質. 每個亞里士多德元素都有各自固有的自然運動和力圖到達的固有自然位置：土元素向下運動，因為地球中心是它的自然靜止位置（有學識的古希臘人知道大地是一個球）；水向下流動，因為它的自然位置剛好在土的上方；氣上升，因為大氣層是其自然位置；而火焰向上跳，這是因為其自然位置在氣之上. 亞里士多德認為萬物皆由這四種元素構成，一個物體的自然運動由該物體所含的每種元素的多少而定.巖石在水中下沉，因為巖石主要由土構成；木頭浮在水面，因為它除含土外還含有氣；而熱氣上升，因為它含有火. 所有這些自然運動要么豎直向下，要么豎直向上.水平運動有所不同.當你沿著道路拉一輛小車，或水平拋出一塊石頭，或在地板上推一個箱子時，是你的活動維持著物體運動：你使小車運動；石頭因你拋出而運動；你必須推這個箱子.推和拉是讓小車、石頭和箱子運動所必需的.亞里士多德認為，之所以需要推與拉，是因為物體必須受到強制才會背離其自身的本性行事，換句話說，才會做與其自然運動完全不同的運動.亞里士多德把所有這些強制的運動歸類為強迫運動，意思是需要外界的推或拉來維持它. 亞里士多德認為地球上所有的運動不是自然的就是強迫的，但是他覺察到天上的情況則完全不同.他相信月亮、太陽、行星和恒星是由地球上找不到的第五種元素——以太（來自希臘文，意為使燃燒或發(fā)光）構成.與地上的四種元素不同，以太沒有質量，不會腐朽（不變的，永恒的）.以太在一切方面都是完美的，它的自然位置是在天空，它的自然運動是環(huán)繞地球的完美的圓周運動.這第三種運動叫做天體運動. 這個理論用幾條普遍原理解釋了相當大范圍內的觀察結果.它是一個勝任的和有用的理論，并得到廣泛的認可，這種情況可部分地歸因于這個理論似乎言之成理.巖石的確是自動下落，為了維持水平運動的確需要推動，而天上的運動也的確與地上的運動不同.然而我們將看到，牛頓物理學與所有這些觀念完全對立. 亞里士多德理論支持了希臘人關于地球在宇宙中地位的另一個觀念，即地球是靜止的，星星圍繞它運行.亞里士多德物理學解釋了這一切的原因：地球之所以不能運動，是因為它主要由土元素構成，其自然靜止位置在地球中心；而星星做圓周運動則由以太的本性決定；地上的物體不能像星星那樣運動，因為地上沒有以太.亞里士多德物理學解釋了地上與天上為什么如此不同. 中世紀基督教哲學發(fā)現(xiàn)古希臘物理學和天文學與它非常合拍.地心宇宙、由可腐壞的元素構成的地球、由可腐壞和易朽的元素構成的人類、萬物之自然安息位置、處于永恒的天體運動中由不朽的以太構成的完美天國——所有這一切都與教會神學配合得很好.因此，一直到公元1600年前后，地心天文學和亞里士多德物理學仍在歐洲文明的哲學與文化中起著核心作用. 2.亞里士多德與伽利略給我們的啟示 縱觀物理學發(fā)展的歷史長河，我們感喟人類認識自然規(guī)律之曲折、艱辛、漫長；驚嘆那些在黑夜中摸索的物理學巨匠們的頑強、睿智、杰出.從古代的亞里士多德、阿基米德到物理學新時代的伽利略、牛頓，到近代物理學的奠基者愛因斯坦、玻爾……一代代的物理學家所代表的人類智力的自由創(chuàng)造，使我們關于物理實在的圖景的描繪愈來愈接近客觀真理，使物理學大廈逐步地趨向完美.回顧物理學的發(fā)展歷史，重溫物理學家曾經經歷的種種挫折與成功，猶如實施一種智力移植；通過挖掘革命性、科學性理論的創(chuàng)造性思路或者偉大科學家從事科學創(chuàng)造的思路，使我們對物理世界的認識更科學、合理，更富于創(chuàng)見，更機智敏捷.如借鑒歷史的明鏡，依據古人曾經產生過的錯誤，預料今天初學者腦子里會出現(xiàn)的影像，未雨綢繆、少走彎路.讓我們以亞里士多德與伽利略為例去尋求啟迪吧. 我們從教科書上曾經結識過這兩位偉大的學者.在落體運動法則問題上、在力與運動的關系問題上，這兩位時隔兩千年的學者的觀點的確是相去甚遠.在16世紀以前，亞里士多德在物理學界享有至高無上的威望，致使人們的思維、觀察和知識都緊緊束縛在亞氏所寫下的那些東西上.它使人們相信地球是宇宙的中心；輕物體的自然運動是向上的；重物體的自然運動是向下的，越重的物體下落得越快；天體物質的自然運動則是圍繞宇宙中心旋轉的；這些自然運動無須外力作用；非自然運動的那些物體都是由于有外力迫使；力是維持物體非自然運動的原因；馬車沿著馬路行駛當然得由馬來拉動；推一個物體的力不再去推它，原本運動著的物體自然便停下來……亞里士多德的觀點與最簡單的經驗事實那么吻合、與人們對事物的理解程度那么相符，所以曾一代一代地被奉若神明，視作人類知識的巔峰而保持了千百年.大自然的真諦隱匿在黑夜中，謬誤使人們困惑、迷茫，人類在混沌中摸索……伽利略偉大的工作，從根本上改變了人們關于運動問題的概念，使物理學進入了新時期.伽利略運用科學的研究方法，在幾十年時間里研究落體運動，研究力與運動的關系，得出了與亞里士多德截然不同的結論.現(xiàn)在我們知道，任何物體總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變，直至有外力迫使物體改變這種狀態(tài)為止；勻速直線運動或靜止才是物體的自然運動狀態(tài)，力則是導致物體改變自然運動狀態(tài)的原因；自由下落的物體“下落速度與下落時間成正比”.伽利略是劃時代的物理學家，正如愛因斯坦所言：伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端. 物理教科書上，亞里士多德給同學們的形象不妙，他老是出錯，老是作出一些輕率的結論.同學們覺得亞氏實在太不高明而伽利略則比他偉大千百倍.事實上，亞里士多德是古代一位偉大的學者，一位百科全書式的大學問家，他有著成就事業(yè)的理性方法，又有幾乎無所不及的思想成果，他在哲學、邏輯學方面的成就至今還被應用著，不過他在物理學中卻的確是錯誤百出并且謬種流傳，整整貽誤物理學二十個世紀.亞里士多德的悲哀不在于頭腦，也不全在于時代，而在于研究方法不當.亞里士多德的物理研究方法有什么特點呢?或許可以用“觀察加直覺”來概括.亞里士多德觀察了眾多的自然現(xiàn)象：火焰向上竄、石頭往下落、馬車要馬拉著跑、尖厲的聲音傳得遠……于是便依賴于直覺推理得出一系列直覺結論.固然，觀察與直覺對物理研究是至關重要的，詳實的觀察與良好的直覺往往導致偉大的發(fā)現(xiàn)，觀察使人腦累積事物的形象，形成一種潛知，直覺的想象、鑒別與啟發(fā)便使這種潛知的信息外傳.阿基米德巧解王冠之謎發(fā)現(xiàn)浮力規(guī)律、牛頓由蘋果落地而及月亮乃至天地萬物間的引力，就是亞里士多德本人也曾從觀察月食現(xiàn)象而正確判斷地球是圓球形的.然而，物理學更是一門以實驗為基礎的科學，所以根據直接觀察所得出的直覺的結論不是常常可靠的，它們有時會將人們引入歧途，將“觀察加直覺”作為物理研究的基本方法，這也正是亞里士多德物理學的失敗之所在. 伽利略是第一位創(chuàng)造通過實驗檢驗理論推導的科學研究方法的科學家.他崇尚“實驗加推理”，他拒絕聽信任何未經實驗的科學思想，哪怕那是來自于教堂或權威.伽利略用盡畢生的精力探索落體運動的規(guī)律，他首先通過落體佯謬的思想實驗，否定亞里士多德的重物下落快的結論.通過觀察棉花、羽毛等在空氣中落下，伽利略曾經提出過落體速度與密度成正比例的法則，然而通過科學的推理，使伽利略認識了不易察覺的空氣阻力，從而發(fā)現(xiàn)了自己最初的法則的錯誤，并猜想到在沒有空氣阻力的情況下，一切物體都在同樣地增加著速度.為了建立真正的落體法則，伽利略仔細地用實驗研究了擺的運動和小球在斜面上的運動，嚴格地定義了勻變速運動，設計出了精密的時間測量方法，盡量地消除各種阻力的影響，運用數學工具……最終找到了物體下落速度與下落時間成正比的正確法則.伽利略的貢獻不只是建立了一個新的法則，而且將物理學研究推向正確的軌道，從此開始了物理學的突飛猛進. 亞里士多德與伽利略的故事告訴我們，知識就是力量，而能力與方法比知識更有力量.我們每個人都同樣地擁有一個健全的大腦，我們每個人都應該可以像伽利略那樣去思索.重要的是學會認識世界的方法和具備進行科學研究的能力.如若我們能從亞里士多德和伽利略以及其他各位偉大學者的失敗與成功中尋求啟發(fā)和借鑒，我們也將會擁有一顆杰出的閃爍著智慧之光的大腦，去容納經典的與現(xiàn)代的物理知識，去面對已知的與未知的物理世界.