高中物理人教版 (2019)必修 第一册1 质点 参考系学案设计

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物体和质点
1．质点的定义：忽略物体的大小和形状，把它简化为一个具有质量的点，这样的点称为质点。
2．把物体看作质点的条件：物体的大小和形状对研究问题的影响可以忽略。
3．理想化模型：在物理学中，突出问题的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，是经常采用的一种科学研究方法。
运动员踢足球的不同部位，会使球产生不同的运动。足球运动中常说的“香蕉球”是球在空中旋转、整体运动径迹为类似香蕉形弧线的一种运动。
问题1 在研究如何才能踢出“香蕉球”时，能把足球看作质点吗？
提示：不能。
问题2 研究什么样的问题可以把足球看作质点？
提示：研究足球从离脚到射进球门运动的轨迹时，可以忽略其大小和形状，把足球看作质点。
问题3 为什么要引入“质点”这一概念？
提示：为了便于描述运动。
问题4 什么样的物体可以看成质点？
提示：一个物体能否看成质点是相对的，是由所研究的问题决定的，要视具体情况而定，研究物体的运动时，若可以不考虑物体的大小和形状，就可以将物体看成质点。
1．对质点的理解
(1)质点是用来代替物体的有质量的点，只占有位置而不占有空间，具有被代替物体的全部质量。
(2)质点是一种“理想化模型”，它是对实际物体的一种科学抽象。
2．物体能看成质点的条件
(1)物体的大小和形状对所研究的问题无影响，或者有影响但可以忽略不计，则可将物体看成质点。
(2)当物体上各部分的运动情况完全相同时，物体上任何一点的运动情况都能反映该物体的运动，一般可看成质点。
(3)物体有转动，但相对于平动而言可以忽略其转动时，可把物体看成质点。
【典例1】 观察下列四幅图，对图中各运动物体的描述正确的是( )
A．图①中研究投出的篮球运动路径时不能将篮球看成质点
B．图②中观众欣赏体操表演时不能将运动员看成质点
C．图③中研究地球绕太阳公转时不能将地球看成质点
D．图④中研究子弹头射穿苹果的时间时可将子弹看成质点
B [研究投出的篮球运动路径的时候，可以将篮球看成质点，故A错误；观众欣赏体操表演时，不可以把运动员看成质点，否则无法欣赏其动作，故B正确；研究地球绕太阳公转时，可以忽略地球的大小，可以看作质点，故C错误；研究子弹穿过苹果的时间时，不能把子弹看成质点，故D错误。]
[跟进训练]
1．下列关于质点的说法中，正确的是( )
A．体积很小的物体都可看成质点
B．质量很小的物体都可看成质点
C．能否看成质点，取决于我们所研究的问题
D．只有低速运动的物体才可看成质点，高速运动的物体不可看作质点
C [当物体的形状、大小对所研究的问题没有影响或影响可忽略不计时，我们就可以把它看成质点，与物体的体积大小无关，质量小、体积小的物体有时也不能看成质点，如研究原子核内部结构时，不能把原子核看成质点，故A、B错误，C正确；当物体的形状、大小对所研究的问题没有影响或影响可忽略不计时，我们就可以把它看成质点，与物体的速度无关，高速运动的物体在一定的条件下也可以看作质点，故D错误。]
参考系
1．运动与静止
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，即运动是绝对的。
2．参考系
(1)定义：要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他物体作为参考，观察物体的位置相对于这个“其他物体”是否随时间变化，以及怎样变化。这种用来作为参考的物体叫作参考系。
(2)参考系对观察结果的影响：参考系可以任意选择，但选择不同的参考系来观察同一个物体的运动，观察结果可能不同。
中国的动车组列车分为三大级别：高速动车组(标号G，速度250 km/h及其以上，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，速度160 km/h至200 km/h，主要对应快速铁路)、低速动车组(速度140 km/h，以适应城市轻轨)。如图是正高速行驶的动车中站立的“动姐”。
问题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”能感觉对方在高速运动吗？
提示：不能。
问题2 她们若观察窗外的景色，能感觉自己在高速运动吗？
提示：能。
问题3 她们为什么会有上述两种不同的感觉呢？
提示：选择的参考系不同。
问题4 由以上几个小题，你可以得到什么结论？
提示：对于同一个物体，选择不同的参考系，描述其运动情况的结果就不一定相同。
1．参考系的四个特性
2．参考系的选取原则
(1)参考系的选取是任意的。在实际问题中，参考系的选择应从观测方便和使运动的描述尽可能简单为基本原则。
(2)研究地面上物体的运动时，一般情况下选择地面或地面上静止不动的物体为参考系，此时参考系可以省略不写。
(3)研究某一系统中物体的运动时，常选该系统为参考系。
(4)要比较不同物体的运动情况时，必须选择同一个参考系。
【典例2】 (2022·河南焦作市高一期中)云台山是全球首批世界地质公园，青龙峡景点有“中原第一峡谷”美誉，这里气候独特，水源丰富，植被原始完整，是生态旅游的好去处，除乘坐索道缆车观赏怡人的风景以外，还能感受悬挂在高空的刺激感。对于正在乘坐索道缆车观光的某游客来说，以下说法正确的是( )
A．以对面的山为参考系，自己静止不动
B．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
C．以自己为参考系，看到对面的山迎面走来
D．以所乘坐的缆车为参考系，看到两边的青山绿树向身前走去
C [对该游客来说，以对面的山为参考系，自己是运动的，选项A错误；以自己为参考系，看到同一缆车里的人是静止不动的，选项B错误；以自己为参考系，看到对面的山迎面走来，选项C正确；以所乘坐的缆车为参考系，看到两边的青山绿树向身后走去，选项D错误。]
处理参考系问题的三点技巧
(1)物体一旦被选为参考系，就认为它是静止的，意味着你站在这个物体上去观察其他物体。
(2)由于运动的相对性，凡是提到物体的运动，都应该明确它是相对于哪个参考系而言的。
(3)不做特别说明的情况下，一般选取地面为参考系。
[跟进训练]
2．“空手把锄头，步行骑水牛，人从桥上过，桥流水不流。”是《中国诗词大会》某期节目里选用的古诗，从物理学的角度看，其中“桥流水不流”所选择的参考系是( )
A．水 B．牛 C．桥 D．人
A [“桥流水不流”可以理解为“桥动水不动”，意思就是说桥在运动，水静止。以水为参考系，桥和水的位置发生了变化，则桥是运动的，与题意相符，A符合题意。]
3．(多选)在第十一届中国国际航空航天博览会上，九架飞机编队进行低空拉烟通场表演，飞机以非常一致的飞行姿态通过观礼台，并始终保持队形不变。下列说法正确的是( )
A．地面上的人看到飞机飞过，是以地面为参考系
B．飞行员看到观礼台向后掠过，是以飞机为参考系
C．以编队中某一飞机为参考系，其他飞机是静止的
D．以编队中某一飞机为参考系，其他飞机是运动的
ABC [地面上的人看到飞机飞过，是以地面为参考系，故A正确；飞行员看到观礼台向后掠过，是以飞机为参考系，故B正确；飞机编队保持队形不变，所以以编队中某一飞机为参考系，其他飞机是静止的，故C正确，D错误。]
1．如图为正在航拍的旋翼无人机，下列过程能将无人机看成质点的是( )
A．调节无人机旋翼转速
B．调节摄像机镜头方向
C．研究无人机空中停留时间
D．研究风力、风向对无人机的影响
C [调节飞机旋翼的转速时，飞机旋翼的大小和形状不能忽略不计，不能看作质点，A错误；调整飞机上摄像机镜头的方向时，摄像头的大小不能忽略，B错误；研究无人机空中停留时间，飞机的大小可忽略，C正确；研究风力、风向对无人机的影响，飞机的大小和形状不能忽略不计，不能看作质点，D错误。]
2．(多选)自然界一切物体都处于永恒的运动中，要描述一个物体的运动，首先要选定参考系，下列关于参考系的选取正确的是( )
A．“一江春水向东流”说的是水相对于河岸(或地面)的运动
B．“月亮在云中穿行”说的是月亮相对于云的运动
C．“太阳东升西落”说的是太阳相对于地球的运动
D．“坐地日行八万里”说的是人相对于地面的运动
ABC [“一江春水向东流”参考系是河岸，说的是水相对于河岸(或地面)的运动，选项A正确；“月亮在云中穿行”参考系是云，说的是月亮相对于云的运动，选项B正确；“太阳东升西落”说的是太阳相对于地球的运动，选项C正确；“坐地日行八万里”说的是人相对于地心的运动，选项D错误。]
3．如图所示，某影星为某卡车做广告，在两辆高速并行的卡车之间气定神闲地摆出“一字马”姿势，下列说法正确的是( )
A．以地面作为参考系，影星是静止的
B．以卡车作为参考系，影星是运动的
C．以影星作为参考系，卡车是运动的
D．两辆卡车同时加速，影星仍可能保持该姿势
D [影星随卡车运动，相对于地面是运动的，故A错误；影星随卡车运动，相对于卡车是静止的，故B、C错误；若两辆卡车同时加速，两车之间的距离不变，影星仍可能保持该姿势，故D正确。]
4．国产新一代隐身战斗机歼-20从研发、试训到列装作战部队形成战斗力，再到实战实训、展翅海空，见证了中国航空工业和空军战斗力的飞速发展。
(1)在歼-20战机超强度训练飞行使用寿命成功突破10 000小时的过程中，举例说明歼-20看作质点与不能看作质点的情况。
(2)在多架歼-20战机组成编队，保持队形进行飞行训练的过程中，其运动状态如何？
[解析] (1)如果研究歼-20的飞行路径和最大作战半径，其大小和形状可以忽略，此时可以看作质点；如果研究其飞行姿态，则不能看作质点。
(2)以地面为参考系，歼-20编队是运动的；以编队中任意一架歼-20战机为参考系，其他战机是静止的。
[答案] 见解析
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．物体可看成质点的条件是什么？
提示：物体的大小和形状对研究问题的影响可以忽略。
2．实际物体可以视为质点的情况有哪几种？
提示：(1)物体的大小、形状可以忽略时。
(2)物体的转动在所研究的问题中不起主要作用时。
(3)研究平动物体的运动情况时。
(4)题目中有特殊说明的物体。
3．参考系的选取有哪些基本要求？
提示：①在实际问题中，以对研究对象的观测、描述及运算方便为原则选取参考系。
②研究地面上物体的运动时，一般情况下选取地面或地面上静止不动的物体为参考系。
③比较不同物体的运动情况时，必须选取同一参考系。
课时分层作业(一) 质点 参考系
◎题组一 物体和质点
1．在不需要考虑物体本身的大小和形状时，可以把物体简化为一个有质量的点，即质点。物理学中，把这种在原型的基础上，突出问题的主要方面，忽略次要因素，经过科学抽象而建立起来的客体称为( )
A．控制变量 B．理想模型 C．等效代替 D．科学假说
B [当问题受多个因素(变量)影响时，“只改变其中的某一个因素”，从而研究这个因素对问题的影响；分别(单独)研究各个因素对问题的影响，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。把复杂的问题简单化，抓住主要因素，摒弃次要因素，对实际问题进行理想化处理，通过建立模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法称为理想模型法。等效替代法是在保证某种效果(特性和关系)相同的前提下，将实际的、陌生的、复杂的物理问题和物理过程用等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程代替来研究和处理的方法。科学假说是指“根据已有的科学知识和新的科学事实对所研究的问题作出的一种猜测性陈述。”它是将认识从已知推向未知，进而变未知为已知的必不可少的思维方法，是科学发展的一种重要形式，可见B正确。]
2．野蜂身形很小，很难直接追踪，寻蜂爱好者根据蜂的习性，发现用白色羽毛套住蜂腰，就可以追踪野蜂，找到蜂巢。下列关于野蜂的说法正确的是( )
A．野蜂身形体积很小，可以把它看作质点
B．观察野蜂采花时，可以把它看作质点
C．追踪野蜂回巢踪迹时可以把它看作质点
D．飞得很快的野蜂不能看作质点，飞得慢的野蜂可以看成质点
C [能否看作质点，取决于物体的大小和形状对所研究的问题是否有影响，不能只看体积或者运动状态，A、D错误；观察野蜂采花时，要看到采花的动作，不能看作质点，B错误；追踪野蜂回巢踪迹时，野蜂自身的大小和形状可以忽略，可以看成质点，C正确。]
3．北京已成功举办2022年冬奥会。如图所示为部分冬奥会项目。下列关于这些冬奥会项目的研究中，可以将运动员看作质点的是( )
A．研究速度滑冰运动员滑冰的快慢
B．研究自由滑雪运动员的空中姿态
C．研究单板滑雪运动员的空中转体
D．研究花样滑冰运动员的花样动作
A [研究速度滑冰运动员滑冰的快慢时，人的形状对研究的过程来说可以忽略不计，所以能将运动员看成质点，故A正确。研究自由滑雪运动员的空中姿态时，人的形状不能忽略，不可以将运动员看作质点，故B错误。研究单板滑雪运动员的空中转体时，要研究运动员的动作，不可以将运动员看作质点，故C错误。研究花样滑冰运动员的花样动作时，要观看运动员的动作，不可以将运动员看作质点，故D错误。]
4．小明骑自行车由静止开始沿直线向前运动，下面说法正确的是( )
A．研究自行车轮胎的转动时可以把轮胎看成质点
B．研究小明骑自行车的姿态时可以把小明看成质点
C．研究自行车会不会发生侧翻时可以把自行车看成质点
D．研究小明骑自行车从家里到学校的运动快慢时可以把小明和自行车看成质点
D [研究自行车轮胎的转动时，不可以把轮胎看成质点，看成质点则忽略物体的形状和大小就无法研究转动了，A错误；研究小明骑自行车的姿态时，不可以把小明看成质点，看成质点则忽略物体的形状和大小就没姿态可言了，B错误；研究自行车会不会发生侧翻时，不可以把自行车看成质点，看成质点则忽略物体的形状和大小就不能判断会不会翻转了，C错误；研究小明骑自行车的运动快慢时，小明和自行车的大小可以忽略，可以把小明和自行车看成质点，D正确。]
◎题组二 参考系的理解及应用
5．两列火车平行地停在一站台上，过了一会儿，甲车内的乘客发现窗外树木在向西移动，乙车内的乘客发现甲车仍没有动，若以地面为参考系，上述事实说明( )
A．甲车向东运动，乙车不动
B．乙车向东运动，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向东运动
D [甲车内的乘客发现窗外树木在向西移动，说明甲车在向东运动，乙车内的乘客发现甲车仍没有动，说明乙车相对甲车静止，由于甲车相对地面向东运动，所以乙车相对地面也向东运动，且与甲车速度相同，故D正确。]
6．将近1000年前，宋代诗人陈与义乘着小船在风和日丽的春日出游时写下诗句：“飞花两岸照船红，百里榆堤半日风，卧看满天云不动，不知云与我俱东”。在诗句中以“我”为参考系时静止的是( )
A．两岸 B．花 C．榆堤 D．船
D [因为“我”是坐在船上的，相对于船的位置没有动，故在诗句中以“我”为参考系时静止的是船，D正确，A、B、C错误。]
7．(多选)随着城市现代化的发展，电梯越来越多地出现在人们生活中，为大家带来了快捷和便利。而观光电梯是适应人们的进一步需求而产生的，乘坐人员可以观看电梯外面的景色，享受现代设施带来的视觉快感。正在乘坐电梯下楼的一位同学看到身旁的大楼拔地而起，大声惊叫：“楼不是静止的吗？怎么动起来了？”对于大楼的“运动”情况，下列说法正确的是( )
A．楼只能是静止的，不可能运动
B．楼实际在运动，不可能真的静止
C．看到楼在运动是以乘坐的电梯为参考系
D．看到楼静止是以地面(或地面上不动的物体)为参考系
CD [电梯向下运动过程中，距离地面越来越近，以电梯为参考系，感觉大楼是上升的，我们平时所说大楼是静止的，通常是以地面为参考系，A、B错误，C、D正确。]
8．如图所示，有两架歼-20隐形战斗机正在演习驱逐侵犯我国领空的敌机。我方飞机甲先是发出无线电警告，后近距离同步(与敌机速度相同)威慑驱赶敌机，我方飞机乙全程变距监控，预防意外。下列说法正确的是( )
A．以云为参照物，三架飞机都静止
B．以飞机甲为参照物，敌机静止
C．以飞机乙为参照物，敌机静止
D．以敌机为参照物，我方飞机均静止
B [以云为参照物，三架飞机都是运动的，故A错误；飞机甲与敌机速度相同，以飞机甲为参照物，敌机静止，故B正确；飞机乙全程变距监控，所以以飞机乙为参照物，敌机是运动的，同理，以敌机为参照物，飞机乙是运动的，故C、D错误。]
9．关于质点和参考系的下列说法正确的是( )
A．研究地球绕太阳的公转时可以把地球看作质点
B．教练员在研究运动员跨栏动作时可以把运动员看作质点
C．坐在行驶的列车中的乘客看到窗外的树木在后退，他是以地面为参考系来观察的
D．无论选取什么物体为参考系，对同一物体的运动描述都是一样的
A [物体能否看成质点，不是看物体的大小，而是看物体的大小和形状在所研究的问题中能否忽略。比如，地球很大，在研究地球公转时，地球可以看成质点，A正确；教练员在研究运动员跨栏动作时不可以把运动员看作质点，否则就没法研究了，B错误；坐在行驶的列车中的乘客看到窗外的树木在后退，他是以车为参考系来观察的，C错误；选取不同的参考系，物体的运动可能是不同的，D错误。]
10．如图所示为A、B、C三列火车在一个车站的情景，A车上的乘客看到B车向东运动，B车上的乘客看到C车和站台都向东运动，C车上的乘客看到A车向西运动。站台上的人看A、B、C三列火车的运动情况正确的是( )
A．A车向西运动 B．B车向东运动
C．C车一定是静止的 D．C车一定向西运动
A [B车上的乘客看到C车和站台都向东运动，说明B车一定是向西运动的；A车上的乘客看到B车向东运动，说明A车也是向西运动的，并且车速比B车的快；C车上的乘客看到A车向西运动，说明C车的运动状态可能是：①静止；②向东行驶；③向西行驶，但速度比B车的小，A符合题意。]
11．如图所示，由于风的缘故，河岸上的旗帜向右飘，在河面上的两条船上的旗帜分别向右和向左飘，两条船运动状态是( )
A．A船肯定是向左运动的
B．A船肯定是静止的
C．B船可能是静止的
D．B船肯定是向右运动的
D [因为河岸上旗杆是固定在地面上的，那么根据旗帜的飘动方向判断，风是从左向右刮的。A船上旗帜向右，有三种可能：一是A船不动，风把旗帜刮向右；二是A船向左运动，风相对于旗帜向右，把旗帜刮向右；三是A船向右运动但运动的速度小于风速，此时风仍能把旗帜刮向右，故A、B错误；如果B船静止不动，那么旗帜的方向应该和河岸上的旗相同，而现在的旗帜的方向明显和河岸上旗子方向相反，如果B船向左运动，旗帜只会更加向右展，所以B船一定向右运动，而且运动的速度比风速快，这样才会出现图中旗帜向左飘动的情况，C错误，D正确。]
12．一块较大的玻璃板水平固定，一位同学拿来两个相同的不锈钢小球。他使甲小球在玻璃板上某一点快速旋转，使乙小球在玻璃板上匀速运动。分析甲小球在玻璃板上的位置时________(选填“能”或“不能”)将其看成质点；分析乙小球在玻璃板上的运动轨迹时________(填“能”或“不能”)将其看成质点；分析乙小球在玻璃板上运动快慢时________(填“能”或“不能”)选玻璃板为参考系。
[解析] 甲小球在玻璃板上位置的变化与小球本身的大小比较而言，小球的形状可忽略，故此时能把小球看成质点。乙小球分析运动轨迹是，球的大小占次要因素，则小球能看成质点。分析运动可以选静止的或运动的物体作为参考系，故研究球的运动能选玻璃板为参考系；选参考系的原则是描述运动简单、解题方便。
[答案] 能 能 能学习任务
1．了解质点的含义，能将特定实际情景中的物体抽象成质点。
2．了解参考系的概念及其对描述物体运动的意义，体会运动的相对性和绝对性。
3．经历质点模型的建构过程，初步体会建构物理模型的思维方式，树立具体问题具体分析的科学态度。
相对性
用来做参考系的物体都是假定不动的，被研究的物体是运动的还是静止的，都是相对于参考系而言的。
任意性
参考系的选择具有任意性，但应以观测方便和使运动的描述尽可能简单为原则。
同一性
比较不同物体的运动时，应该选择同一参考系。
差异性
同一运动选择不同的参考系，观察结果可能不同。