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第一章 运动的描述
一、质点、参考系和坐标系
[要点导学]
本章章首语中有一句最核心的话:“物体的空间位置随时间的变化……称为机械运动”,即“机械运动”(以后往往简称为运动)的定义。“质点”,就是其中“物体”的一种最简单模型;而“参考系、坐标系”是确定位置及其变化的工具。
1.质点:在某些情况下,在研究物体的运动时,不考虑其形状和大小,把物体看成是一个具有质量的点,这样的物体模型称为“质点”。
需要注意的是,⑴ “质点”是一种为了研究方便而引入的“理想模型”,是一种最简单的模型(以后还会遇到刚体模型、弹性体模型、理想流体模型、理想气体模型等等)。⑵ 既然是模型,就不可能在任何情况下都能够代替真实的物体。因此,要通过教材、例题及习题,知道什么情况下可以用质点模型,要逐渐积累知识,而不必一开始就去死记硬背。
2.参考系:为了研究物体的运动,被选来作为对照(参考)的其他物体称为“参考系”。(以前的中学物理教科书上称为“参照物”,也很直观易懂。)
研究物体运动时需要参考系的意义在于,⑴ 有了参考系,才能确定物体的位置;⑵选定了参考系后,才能知道和研究物体的运动。试设想,在茫茫的大海里,水天一色,如果没有太阳或星辰作参考,水手根本无法确定自己船舰的位置和向什么方向运动。⑶ 参考系选得不同,则对同一个物体的运动作出的结论也不同(见课本和后面例题)。
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。
3.坐标系:为了定量研究运动,必须在参考系上建立坐标系,这样才能应用数学工具来研究运动。
如果物体沿直线运动,可以在这条直线上规定原点、正方向和单位长度,即以这条直线为坐标轴(x轴)。这样物体的位置就可以用一个坐标值(x)来确定。
如果物体在一个平面内运动,则需要建立平面坐标系。用两个坐标值(x,y)来确定物体的位置。
[范例精析]
例1 在研究火车从上海站到苏州或南京站的运动时间(通常只须精确到“分”),能不能把火车看成质点?在研究整列火车经过一个隧道的时间(通常精确到“秒”),能不能把火车看成质点?由此你得出什么看法?
解析:前者可以,后者不可以。前者由于火车的大小(长度)带来的确定时间方面的误差比较小,可以忽略不计;而后者却必须考虑火车的长度。由此可见,能否看成质点与巴物体看成知道后带来的误差大小有关。
拓展 :当然,以“误差大小”来决定是否能够应用“质点模型”只是一个方面。更多的情况下不能用质点模型是因为有别的更加根本的原因。例如,在研究地球自转、杠杆受力矩而转动等物体转动的问题时,就不能把地球、杠杆看成质点。很小的物体也不一定就能看成是质点。例如,在研究原子的结构时,原子尽管很小,也不能看成是质点。
对于常见的物体的复杂运动——既有整体的移动、又有绕物体上某点的转动,比如快速打出去的一个弧圈球,在研究它能否过网时,我们可以暂时不考虑其转动,即先把它当作质点,研究其球心运动轨迹。这种把复杂运动分解成几个简单运动“逐个击破”研究的方法是很有效的。
例2敦煌曲子词中有一首:“满眼风光多闪烁,看山恰似走来迎,仔细看山山不动,是船行”.请用物理学知识解释“山走来”和“山不动,是船行”。你由此又得到什么看法?
解析:作者得出“山走来”是以自己(即船)作为参考系;得出“山不动,是船行
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