高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第1节 空间和时间学案及答案

空间和时间

知识点一　机械运动

[情境导学]

如图所示，你和一位同伴正坐在这辆火车上去旅行，铁路边的人看到火车中的你是怎样运动的，而同伴认为你是怎样的？

提示：铁路边的人看到火车中的你在和火车一起运动，而同伴认为你和他一起静止在火车上。

[知识梳理]

1．机械运动

(1)概念：一个物体相对其他物体的位置随时间的变化，简称运动。

(2)特点：机械运动是最基本、最普遍的运动形式。

2．参考系

(1)概念：用来描述物体运动的参照物。

(2)特点：在描述物体的运动时，参考系被假定为静止。

(3)对于同一运动，选择的参考系不同，描述运动的结果就不一定相同。若参考系选择恰当，则可使研究的问题简化。

3．静止的相对性：静止是相对的，运动是绝对的，说某一个物体如何运动是相对于假定静止的物体而言的。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)参考系只能选择静止的物体。(×)

(2)自然界中没有绝对静止的物体。(√)

(3)一个物体的运动情况与选择的参考系无关。(×)

(4)毛泽东主席的著名词句“坐地日行八万里”所对应的参考系是地心。(√)

2．在有云的夜晚，抬头望月，发现“月亮在白莲花般的云朵里穿行”，这里选取的参考系是(　　)

A．月亮　　　　　　　　　　 B．云

C．地面 D．观察者

解析：选B　月亮在云朵里穿行是认为月亮运动而云朵静止不动。以云为参考系，月亮相对于云是运动的，则B正确，A、C、D错误。

知识点二　空间位置的描述

[知识梳理]

1．建立坐标系的目的：在物理学中，用建立坐标系来描述物体的位置。

2．坐标系的三要素：原点、正方向、单位长度。

3．坐标系的种类：为了定量地描述物体的位置，需要在参考系上建立适当的坐标系。

(1)对于在一条直线上运动的物体，可以建立一个一维坐标系来描述其位置；

(2)对于在平面上运动的物体，可以建立一个二维直角坐标系来描述其在平面内的位置；

(3)当物体在空间运动时，需要建立一个三维直角坐标系来描述其在空间内的位置。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)因为－5＜5，所以在一维坐标系中，5 m的位置比－5 m 的位置距离原点远一些。(×)

(2)若A、B两点坐标分别为3 m、－6 m，则两点相距9 m。(√)

(3)坐标系应建立在参考系上。(√)

(4)描述汽车在弯道上运行的位置变化要建立二维坐标系。(√)

2．(多选)如图所示的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＝5 m，B的位置坐标为xB＝－3 m，下列说法正确的是(　　)

A．A点位于该路标南5 m处

B．A点位于该路标北5 m处

C．B点位于该路标南3 m处

D．B点位于该路标北3 m处

解析：选BC　原点为路标，向北为正方向，A点坐标为正值，则A点位于该路标北5 m处，B点坐标为负值，则B点位于该路标南3 m处，B、C正确。

知识点三　时间的描述

[情境导学]

中考结束后，张赛与李阳乘火车去深圳旅游，火车20：30准时从北京西站出发，经5小时23分于第二天1：53到达山东菏泽站，停2分钟后出发，于4：26到达安徽阜阳站……这一段话中提到的“时间”哪些是时刻，哪些是时间？

提示：20：30、1：53、4：26是时刻，5小时23分、2分钟是时间。

[知识梳理]

1．时刻：表示某一瞬间。在表示时间的数轴上用点表示，如第2 s末、第8 s初均为时刻。

2．时间：表示两个时刻之间的间隔。在表示时间的数轴上用线段表示，如前4 s内(0～4 s末)、第4 s内(3 s末～4 s末)均为时间。

3．单位：主要有秒、分、时，它们的符号分别为s、min、h。

4．日常生活中说的“时间”，有时表示时刻，有时表示两个时刻的间隔，要根据具体情况确定其准确含义。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)时刻就是一瞬间，即一段很短的时间。(×)

(2)一分钟可分为60个时刻。(×)

(3)第2 s末和第3 s初指的是同一时刻。(√)

(4)第2 s内和前2 s内指的是同一段时间。(×)

2．如图所示，在时间轴上标出“第3 s初”“第3 s末”“第3 s内”“前3 s内”。然后指出哪些表示时刻，哪些表示时间？

解析：“第3 s初”“第3 s末”“第3 s内”“前3 s内”表示如图所示。

“第3 s初”“第3 s末”表示时刻，“第3 s内”“前3 s内”表示时间。

答案：见解析

　　[问题探究]

中国的动车组列车分为三大级别：高速动车组(时速250公里及其以上，标号G，主要对应高速铁路，还没有上限时速)、一般动车组或中速动车组(标号D，时速160公里至200公里，主要对应快速铁路)、低速动车组(时速140公里，以适应城市轻轨)。如图所示的是正在高速行驶的动车中站立的“动姐”。

(1)在火车站上的人来看，她们随动车以很大的速度快速运动，那动车上站立的两位“动姐”感觉自己在高速运动吗？

(2)她们若观察窗外的景色，能感觉自己在高速运动吗？

(3)她们为什么会有上述两种不同的感觉呢？

提示：(1)站立的两位“动姐”，感觉自己是不动的。

(2)她们看窗外的景色，能感觉自己在高速运动。

(3)她们感觉自己是静止的，是相对于自己的同伴或座椅来说的。在看窗外的景色时感觉自己在高速行驶，是相对于外面的物体来说的。

[要点归纳]

1．参考系的四性

2．参考系的选取原则

(1)理论上：参考系的选择具有任意性。

(2)实际问题中：以观测方便和使运动的描述尽可能简单为原则。

①研究地面上物体的运动时，常选地面或相对地面静止的物体作为参考系。

②研究某一系统中物体的运动时，常选系统为参考系。例如：a.研究列车员在列车上的运动情况时，选取列车为参考系；b.研究太空舱内物体的运动情况时，选取太空舱为参考系。

[例题1]　如图所示，新中国成立70周年阅兵式上，国产武装直升机排列并保持“70”字样编队从天安门上空整齐飞过。甲、乙分别是编队中的两架直升机，则(　　)

A．以甲为参考系，乙是运动的

B．以乙为参考系，甲是运动的

C．以甲为参考系，坐在观众席上的观众都是静止的

D．以乙为参考系，“70”字样编队中所有直升机都是静止的

[解析]　为了保持“70”字样编队，要求所有的直升机都要同速飞行，无论是选甲或乙为参考系，其他直升机都是相对静止的。故A、B错误，D正确。若以甲为参考系，则坐在观众席上的观众是运动的，故C错误。

[答案]　D

判断参考系的两种方法

(1)静物法：在明确观察到的现象中，什么物体是运动的，什么物体是静止的，静止的物体可能就是参考系。

(2)假设法：假设以某物体为参考系，看对物体运动的描述是否与描述中的结果一致。若一致，该物体可能就是参考系。　　　　

[针对训练]

1.如图所示的是体育摄影中“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

解析：选C　由于在摄影师眼中滑板运动员是静止的，故滑板运动员和摄影师相对静止，以滑板运动员作为参考系，摄影师是静止的，所以滑板运动员的图片是清晰的，但由于背景相对于滑板运动员是运动的，所以背景相对于摄影师是运动的，所以拍摄出的背景是模糊的。故在“追拍法”中摄影师选择的参考系是滑板运动员，C正确。

2．2020年2月9日《中国诗词大会》第5季在CCTV­1落下帷幕，老将彭敏在收获两届亚军之后，勇夺冠军。《中国诗词大会》作为一档弘扬中华优秀传统文化的节目，带动了全民重温曾经学过的古诗词，分享诗词之美，感受诗词之趣，从古人的智慧和情怀中汲取营养，涵养心灵。李白在《望天门山》一诗中写到“两岸青山相对出，孤帆一片日边来”。诗文中的“青山相对出”选择的参考系是(　　)

A．青山　　　　　　　 B．孤帆

C．河岸 D．太阳

解析：选B　描述“青山”的运动，不能以“青山”本身为参考系，故A错误；以“帆船”为参考系，“青山”和“帆船”之间的位置发生了变化，“青山”是运动的，故B正确；以“河岸”为参考系，“青山”与“河岸”之间的位置没有发生变化，“青山”是静止的，故C错误；在判断“青山”运动情况时，都是以“地面”为参考系，以太阳为参考系时地球是围绕太阳转动的，而青山相对地球是静止，因此，青山围绕太阳转动，与题目语境不符，故D错误。

3.如图所示，对于正在乘坐索道缆车观光的某游客，下列说法正确的是(　　)

A．以自己为参考系，看到自己所乘坐的缆车向对面运动

B．以对面的山为参考系，自己是静止不动的

C．以自己为参考系，看到同一缆车里的人向对面的山不断靠近

D．以所乘坐的缆车为参考系，看到两边的青山绿树向身后远离

解析：选D　乘坐索道缆车观光的游客，以自己为参考系，缆车相对于游客静止不动，选项A错误；以对面的山为参考系，自己向山运动，选项B错误；以自己为参考系，看到同一缆车里的人静止不动，选项C错误；以所乘坐的缆车为参考系，看到两边的青山绿树向身后远离，选项D正确。

[问题探究]

如图所示，物体沿x轴做直线运动，从A点运动到B点，由图判断：

(1)A点坐标是多少？

(2)B点坐标是多少？

(3)A、B两点间的距离是多少？

提示：(1)A点坐标是－3 m；

(2)B点坐标是2 m；

(3)5 m。

[要点归纳]

1．物体在坐标系中的坐标值有正值也有负值，其正、负不表示大小，仅表示物体在原点的哪一侧(正号表示物体在原点的正方向一侧；负号表示物体在原点的负方向一侧)。

2．三类常见坐标系的对比

[例题2]　一质点沿x轴运动，各个时刻的位置坐标如下表所示：

(1)请在图中的x轴上标出质点在各时刻的位置；

(2)哪个时刻质点离坐标原点最远？有多远？

[解析]　(1)根据各个时刻的位置坐标对应情况，标出位置如图所示。

(2)质点在第1 s末、第2 s末、第3 s末、第4 s末、第5 s末离坐标原点的距离分别为5 m、4 m、1 m、7 m、1 m，所以第4 s末质点离坐标原点最远，距离为7 m。

[答案]　(1)见解析　(2)第4 s末　7 m

物体的位置坐标与坐标系原点的选取、坐标轴正方向的规定有关。同一位置，所选的原点不同，或选定的正方向不同，物体的位置坐标不同。　　　　

[针对训练]

1．(多选)关于坐标系，下列说法正确的是(　　)

A．建立坐标系是为了定量描述物体的位置和位置变化

B．坐标系都是建立在参考系上的

C．坐标系的建立与参考系无关

D．物体在平面内做曲线运动，用平面直角坐标系就能确定其位置

解析：选ABD　坐标系是建立在参考系上的，是用来定量描述物体的位置及位置变化的，A、B正确，C错误；描述平面内曲线运动时建立平面直角坐标系就能满足需要，D正确。

2．在国庆盛典上，游行的队伍和彩车依次从天安门前经过，以北京长安街为坐标轴x，向西为正方向，天安门中心所对的长安街中心为坐标原点O，建立一维坐标系，一辆彩车最初在原点以东3 km处，几分钟后行驶到原点以西2 km处。这辆彩车的最初位置x1和最终位置x2分别是(　　)

A．x1＝3 km，x2＝2 km

B．x1＝－3 km，x2＝2 km

C．x1＝3 km，x2＝－2 km

D．x1＝－3 km，x2＝－2 km

解析：选B　坐标轴的正方向向西，则位置在原点以西为正，在原点以东为负。彩车最初在原点以东且距原点3 km，所以最初位置是x1＝－3 km，同理，最终位置是x2＝2 km，B正确。

[问题探究]

2018年12月8日2时23分，“嫦娥四号”探测器在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭成功发射，12月12日16时45分，“嫦娥四号”探测器经过约110小时奔月飞行，到达月球附近，成功实施近月制动，顺利完成“太空刹车”，被月球捕获，进入了近月点约100公里的环月轨道。2019年1月3日10时26分，“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。

(1)上述有关时间的数据，哪些表示时刻？哪些表示时间？

(2)在表示时间的数轴上，大致画出描述“嫦娥四号”的时间数据。

提示：(1)时刻：2018年12月8日2时23分、12月12日16时45分、2019年1月3日10时26分。

时间：110小时。

(2)如图所示

[要点归纳]

1．时刻与时间的比较

2．时刻、时间的时间轴表示

两点注意：

(1)第n s与n s的意义不同：前者指时间为1 s；后者指时间为n s。

(2)第n s末与第(n＋1)s初是同一时刻。

[例题3]　下列说法正确的是(　　)

A．时刻表示时间较短，时间表示时间较长

B．作息时间表上的数字表示时间

C．第n s内就是(n－1)s末到n s末这一秒时间(n为任意正整数)

D．1 min内有60个时刻

[解析]　时刻没有长短之分，表示某个瞬间，时间表示两个时刻的间隔，选项A错误；作息时间表上的数字表示的是时刻，选项B错误；第n s是指第n个1 s的时间，其大小等于1 s，确切含义是指(n－1)s末到n s末这一秒时间，故选项C正确；1 min内有无穷多个时刻，但有60个1 s的时间间隔，选项D错误。

[答案]　C

时间和时刻的两种判断方法

(1)根据上下文判断：分析所给的说法，根据题意去体会和判断。时刻对应的是某一事件或运动的状态；时间对应的是事件或运动的过程。

(2)利用时间轴判断：画出时间轴，把所给的时刻和时间表示出来，对应一个点的是时刻，对应一段线段的是时间。　　　　

[针对训练]

1．以下各种关于时间和时刻的说法正确的是(　　)

A．列车员说“火车8点42分到站”指的是时间

B．“前3秒”“最后3秒”“第3秒”指的都是时间

C．“第1秒末”“最后1秒”指的都是时刻

D．轮船船务员说本班轮船离港时间为17点25分指的是时间

解析：选B　“火车8点42分到站”指的是一个时间点，是时刻，故A错误；“前3秒”“最后3秒”“第3秒”指的是时间的长度，都是时间，故B正确；“第1秒末”指的是时刻，“最后1秒”指的是时间，故C错误；17点25分指的是一个时间点，是时刻，故D错误。

2.如图所示为时间轴，下列关于时刻和时间的说法正确的是(　　)

A．t2表示时刻，称为第2 s末或第3 s初，也可以称为2 s内

B．t2～t3表示时间，称为前3 s内

C．t0～t2表示时间，称为最初2 s内或前2 s内

D．tn－1表示时刻，称为第(n－1)s

解析：选C　时刻在时间轴上对应的是点，而时间表示两个时刻之间的间隔，在时间轴上对应的是线段，t2表示时刻，称为第2 s末或第3 s初，而2 s内指的是间隔为2 s的一段时间，选项A错误；t2～t3表示时间，指的是2～3 s这1 s，称为第3 s内，选项B错误；t0～t2表示时间，指的是0～2 s这2 s，称为最初2 s内或前2 s内，选项C正确；tn－1表示时刻，称为第(n－1)s末或第n s初，选项D错误。

3．在“五四”青年节，某校高一和高二学生组织了一场足球友谊比赛，下列关于比赛的计时数据表述中指时间的是(　　)

A．比赛于2019年5月4日下午2点30分开始

B．开场20 min时，红队率先进球

C．比赛第30 min，蓝队换人

D．整场比赛共进行了90 min

解析：选D　在时间轴上，时间对应一段线段，时刻对应一个点。2019年5月4日下午2点30分是比赛开始的时刻，开场20 min时是红队进球的时刻，比赛第30 min是蓝队换人的时刻，90 min是整场比赛的时间。故D正确。

1．下列现象中不是机械运动的是(　　)

A．“天宫二号”绕地球运动

B．西昌卫星发射中心发射的运载火箭在上升过程中

C．钟表各指针的运动

D．蜡烛燃烧的过程

解析：选D　选项A、B、C三种现象中都有物体位置的变化，所以是机械运动，选项D中蜡烛的位置没有变化，所以不是机械运动，故D正确。

2．(多选)下列有关参考系的说法正确的是(　　)

A．参考系就是相对地面不动的物体

B．任何情况下，只有地球才是最理想的参考系

C．不选择参考系，就无法研究某一物体是怎样运动的

D．同一物体的运动，选择不同的参考系可能有不同的观察结果

解析：选CD　参考系是用来选作标准、假定不动的物体，作为参考系的物体相对于地面可以是运动的，A错误；参考系的选取是任意的，一般选取原则是使所研究的运动描述起来尽可能简便，当研究火星公转时，以太阳为参考系比以地球为参考系要方便得多，B错误；不选择参考系，就无法描述物体的位置变化，就无法说明物体是怎样运动的，并且研究同一物体的运动，选择不同的参考系可能有不同的观察结果，C、D正确。

3.刻舟求剑的故事家喻户晓，如图所示，“舟已行矣，而剑不行”这句话所选用的参考系是(　　)

A．舟　　　　　　　　　 B．地面

C．舟上的人 D．流动的水

解析：选B　“舟已行矣，而剑不行”是说船相对于地面在运动，而剑落到水底后相对于地面不再移动，故此句选用的参考系是地面，选项B正确。

4．下列关于民间俗语中所说的时间，理解正确的是(　　)

A．用“做一天和尚，撞一天钟”表示做事得过且过，“一天”指时间

B．用“三分钟热度”形容做事没有持久性，“三分钟”指时刻

C．用“冰冻三尺非一日之寒”形容做事情不能一蹴而就，“一日”指时刻

D．用“宁停三分，不抢一秒”进行交通安全教育，“三分”和“一秒”均指时刻

解析：选A　时间是指时间的长度，在时间轴上对应一段距离，时刻是指时间点，在时间轴上对应的是一个点。“一天”表示一个过程，所以是时间，A正确；“三分钟”表示持续的时间，为时间，B错误；“一日”表示寒冷持续的过程，为时间，C错误；“三分”和“一秒”对应的是一个过程，均为时间，D错误。

5.如图所示，某人从学校门口A点开始散步，先向南走50米到达B点，再向东走100米到达C点，最后向北走150米到达D点，以校门口A点为坐标原点，建立合适的坐标系，表示A、B、C、D各点的位置。

解析：以A点为坐标原点，向东为x轴的正方向，向北为y轴的正方向建立平面直角坐标系，如图所示，则各点的位置坐标为A(0,0)，B(0，－50)，C(100，－50)，D(100，100)。

答案：见解析图