質(zhì)點(diǎn)和位移高一上學(xué)期物理魯科版2019必修第一冊(cè)

魯科物理必修一第2節(jié)質(zhì)點(diǎn)和位移物理學(xué)中，通常要用特定的物理模型及概念來(lái)研究物體的運(yùn)動(dòng)，其中常用的物理模型及概念有:質(zhì)點(diǎn)、位移、速度、加速度等。我們首先討論質(zhì)點(diǎn)和位移1.質(zhì)點(diǎn)在自然界中，影響物體運(yùn)動(dòng)的因素通常都十分復(fù)雜，要同時(shí)研究一個(gè)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題所涉及的方方面面往往很困難，甚至是不可能的。為了尋找解決問(wèn)題的突破口，物理學(xué)常用建立理想化模型的方法，抓住影響問(wèn)題的主要因素，忽略次要因素，從而將問(wèn)題簡(jiǎn)化。以籃球運(yùn)動(dòng)中的投籃為例。如果需要探究投籃時(shí)籃球的運(yùn)動(dòng)路徑問(wèn)題，怎么著手呢?我們知道,籃球出手后會(huì)受到重力、空氣的浮力和阻力的作用。在這些力的作用下，籃球的質(zhì)量、大小、出手時(shí)是否旋轉(zhuǎn)等，都會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)的路徑。但考慮到籃球運(yùn)動(dòng)的速度不大，與重力的影響相比，其他的因素可以忽略。我們就可以將籃球抽象為一個(gè)具有一定質(zhì)量，但不考慮其大小、形狀的點(diǎn)由于將籃球簡(jiǎn)化為一個(gè)只具有質(zhì)量的點(diǎn),空氣的浮力、阻力以及籃球的大小形狀、旋轉(zhuǎn)等因素都可以排除掉了(圖2-13)。雖然采用這種方法研究籃球的運(yùn)動(dòng)，得到的結(jié)果并不是籃球的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，但是由于抓住了影響籃球運(yùn)動(dòng)的主要因素，忽略的是一些無(wú)關(guān)的或者次要的因素，所得到的結(jié)果還是能夠比較準(zhǔn)確地描述籃球的運(yùn)動(dòng)情況的。就像上面研究籃球的運(yùn)動(dòng)一樣，在探究物理問(wèn)題時(shí)，為了研究問(wèn)題的需要，有時(shí)可以忽略物體的大小、形狀等因素，把物體簡(jiǎn)化成為一個(gè)具有質(zhì)量的點(diǎn)，或者說(shuō)用一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)代替整個(gè)物體。物理學(xué)上把這種用來(lái)代替物體的有質(zhì)量的點(diǎn)叫做質(zhì)點(diǎn)。顯然，質(zhì)點(diǎn)不是真實(shí)的物體，它是一種理想化的物理模型。一個(gè)物體能不能視為質(zhì)點(diǎn)，需要根據(jù)具體的問(wèn)題來(lái)定。判斷的基本思路是物體的大小和形狀等因素對(duì)問(wèn)題的影響是否可以忽略。對(duì)同一個(gè)物體，在研究某個(gè)問(wèn)題時(shí)可以視為質(zhì)點(diǎn)，而在研究另外的問(wèn)題時(shí)卻不能視為質(zhì)點(diǎn)。例如，研究地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)時(shí)，盡管地球直徑約為1.3×104km，而且本身在自轉(zhuǎn)，但由于地球和太陽(yáng)之間的距離約為1.5×108km，比地球直徑大104倍，因而就地球相對(duì)太陽(yáng)公轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)，地球的大小和自轉(zhuǎn)可以忽略不計(jì)，這時(shí)我們就可以把地球視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)(圖2-14)。如果研究地球自轉(zhuǎn)，地球的大小和形狀是影響研究問(wèn)題的重要因素，因此不能將地球視為質(zhì)點(diǎn)。顯然，質(zhì)點(diǎn)不是真實(shí)的物體，它是一種理想化的物理模型。討論與交流桌面上書(shū)本的運(yùn)動(dòng)沿一個(gè)方向推動(dòng)桌面上的書(shū)本(圖2-15)如果測(cè)量書(shū)本移動(dòng)的距離,是否可以將書(shū)本視為質(zhì)點(diǎn)，為什么?如果測(cè)量書(shū)本經(jīng)過(guò)桌面上A點(diǎn)的時(shí)間，是否可以將書(shū)本視為質(zhì)點(diǎn)，為什么?還有什么情況書(shū)本可以被視為質(zhì)點(diǎn)?什么情況書(shū)本不能被視為質(zhì)點(diǎn)?2.位移我們?cè)诔踔幸呀?jīng)學(xué)習(xí)了用路程描述物體的運(yùn)動(dòng)。但仔細(xì)分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，有許多問(wèn)題如果僅用路程還不能很好地描述物體的運(yùn)動(dòng)情況。例如，某同學(xué)可以沿不同路徑從教學(xué)樓大門(mén)A到達(dá)圖書(shū)館大門(mén)B，所走路程不同，但其位置的變化卻是相同的。但是，如果有兩同學(xué)從教學(xué)樓大門(mén)出發(fā)，假定他們走了相同的路程，一位同學(xué)到達(dá)圖書(shū)館大門(mén)B,另一位同學(xué)到達(dá)操場(chǎng)C。兩人所走的路程相同，但他們的位置變化卻不相同(圖2-16)。顯然，采用路程很難描述運(yùn)動(dòng)物體空間位置的變化情況。為了解決這樣的問(wèn)題，在物理學(xué)中，采用位移來(lái)描述運(yùn)動(dòng)物體空間位置的變化。位移通常用符號(hào)、來(lái)表示。對(duì)于沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體，我們可以借助一維坐標(biāo)系，利用位置的變化來(lái)描述其位移。例如，一輛汽車(chē)從位置x運(yùn)動(dòng)到位置x2，用汽車(chē)運(yùn)動(dòng)后的位置坐標(biāo)減去運(yùn)動(dòng)前的位置坐標(biāo)(圖2-17)，即汽車(chē)的位移為s=x2-x2位移是一個(gè)有方向的物理量。在一維坐標(biāo)系中，用正、負(fù)表示運(yùn)動(dòng)物體位移的方向。例如，在圖2-18中，汽車(chē)A的位移為負(fù)值，B的位移則為正值。汽車(chē)B的位移方向?yàn)閤軸正向，汽車(chē)A的位移方向?yàn)閤軸負(fù)向。在物理學(xué)中,有一類(lèi)物理量只要用量值的大小就能夠描述如物體的質(zhì)量。另有一類(lèi)物理量,僅用量值的大小還不能全面描述。例如位置，如果僅有大小而不同時(shí)指明它的方向，人們就無(wú)法確定物體究竟在何處。為了區(qū)別這兩類(lèi)物理量，人們把像質(zhì)量這樣用量值就能夠描述的物理量叫做標(biāo)量。我們已經(jīng)學(xué)過(guò)的溫度、時(shí)間、長(zhǎng)度和能量等物理量都是標(biāo)量。把像位置、位移這樣既有大小，又有方向等規(guī)定的物理量叫做矢量。在接下來(lái)的一些章節(jié)中，我們還會(huì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)矢量。我們還可以用位移一時(shí)間圖象(s-圖象)來(lái)直觀地描述物體的運(yùn)動(dòng)。在s-t圖象中，通常以橫坐標(biāo)表示時(shí)間，以縱坐標(biāo)表示位移。表2-2是測(cè)得某物體的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。從圖2-19中可以形象地看出，在計(jì)時(shí)起點(diǎn)，物體的位移為3m，經(jīng)過(guò)10s物體的位移為4m。作業(yè)1.在下列情況中，哪些物體可以當(dāng)做質(zhì)點(diǎn)?(1)某同學(xué)從家中走1km到學(xué)校。該同學(xué)做課間操。某同學(xué)步行1km到學(xué)校，可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)(2)在車(chē)床上制造鐵餅。這個(gè)鐵餅被運(yùn)動(dòng)員拋出后，飛行的距離是55m。鐵餅被運(yùn)動(dòng)員拋出后，飛行的距離是55m，可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)(3)從地球上的控制中心觀察宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)。在太空中與該飛船對(duì)接的另一飛船中的宇航員觀察該飛船。從地球上的控制中心觀察宇宙飛船的運(yùn)動(dòng)，可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)。2.一質(zhì)點(diǎn)沿x軸運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始時(shí)位置為xo=-2m，第1s末位置為x1=3m，第2s末位置為x2=1m。請(qǐng)分別求出第1s內(nèi)和第2s內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移的大小和方向。第1s內(nèi)位移大小為5m，方向沿x軸的正方向，第2s內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移的大小為2m，方向x軸的負(fù)方向3.體育場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)跑道是400m，在進(jìn)行100m短跑比賽時(shí)，是用跑道的直道部分，運(yùn)動(dòng)員跑完全程通過(guò)的路程和位移各是多少?如果一名運(yùn)動(dòng)員沿跑道跑了兩周,他的路程和位移又是多少?路程是運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度，位移是由初位置指向末位置的有向線(xiàn)段。百米賽跑是單向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，位移大小等于路程，所以運(yùn)動(dòng)員跑完全程通過(guò)的路程為100m，位移大小為:100m;田徑場(chǎng)跑道周長(zhǎng)是400m運(yùn)動(dòng)員跑2圈，則路程為800m，又因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員跑完2圈后初始位置和末位置相同，則位移大小為0.