教學(xué)設(shè)計6：11質(zhì)點(diǎn)參考系和坐標(biāo)系

1、第一章 運(yùn)動的描述在我們周圍，到處可以看到物體在運(yùn)動：汽車在公路上飛馳，江水在咆哮地奔向遠(yuǎn)方，鳥兒在飛翔，樹葉在搖動連我們腳下的地球，也在不停地自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)。物體的空間位置隨時間的變化，是自然界中最簡單、最基本的運(yùn)動形態(tài)，稱為機(jī)械運(yùn)動（mechanical motion）.在物理學(xué)中，研究物體做機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的分支叫做力學(xué)（mechanics）.人們在力學(xué)的研究中，不僅了解物體做機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，而且還創(chuàng)造了科學(xué)研究的基本方法。所以霍爾頓（GHolton）說：“無論從邏輯上還是從歷史上講，力學(xué)都是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是物理學(xué)及其他學(xué)科研究的典范力學(xué)之于物理學(xué)如同骨骼之于人體。”在這一章，我們研究怎樣描述

2、物體的運(yùn)動。 1.1 質(zhì)點(diǎn) 參考系和坐標(biāo)系一、知識目標(biāo)1、知道參考系的概念。知道對同一物體選擇不同的參考系時，觀察的結(jié)果可能不同。2、理解質(zhì)點(diǎn)的概念，知道它是一種科學(xué)的抽象，知道科學(xué)抽象是一種普遍的研究方法。二、教學(xué)重點(diǎn)1、在研究問題時，如何選取參考系。2、質(zhì)點(diǎn)概念的理解。三、教學(xué)難點(diǎn) 在什么情況下可把物體看出質(zhì)點(diǎn)四、教材分析本節(jié)教科書的第一段道出了全章教科書的目標(biāo)，就是研究“怎樣描述物體的機(jī)械運(yùn)動”。教科書一開始就從參考系中明確地抽象出了坐標(biāo)系的概念，指導(dǎo)思想是強(qiáng)調(diào)一般性的科學(xué)方法，即為這樣的思想作準(zhǔn)備：解決問題時首先把實(shí)際問題抽象成物理模型，然后用數(shù)學(xué)方法描述這個模型，并尋求解決的方法。要

3、研究物體位置的變化問題，首先必須解決位置確定問題，教科書把“物體和質(zhì)點(diǎn)”當(dāng)作一個知識點(diǎn)，說明質(zhì)點(diǎn)是針對物體而言的，實(shí)際的“物體”都“占有一定的空間”，在通常的運(yùn)動過程中，“不同部位的運(yùn)動情況是不相同的”，從而“給描述運(yùn)動帶來了困難”，解決問題的關(guān)鍵是“能否用一個點(diǎn)來代替物體”。教科書通過學(xué)生熟知的實(shí)例分析，讓學(xué)生很自然地領(lǐng)會到“在某些情況下，真的可以不考慮物體的大小和形狀”，“突出物體具有質(zhì)量這一要素，把它簡化為一個有質(zhì)量的點(diǎn)”。這充分說明了將物體簡化成質(zhì)點(diǎn)的條件性，質(zhì)點(diǎn)的兩大基本屬性。為了強(qiáng)調(diào)坐標(biāo)的概念，教科書用數(shù)學(xué)和物理學(xué)中通用的符號，即在直線運(yùn)動中用x表示質(zhì)點(diǎn)的位置，極坐標(biāo)，用x=x1x

4、2表示質(zhì)點(diǎn)的位移。在表示物理量的變化時，“”實(shí)際上是我們以前都在使用的符號，學(xué)生不會感到困難。相反，由于有了明確表示物理量的變化量的符號，學(xué)生更易區(qū)分某物理量與這個物理量的變化量。明確地把某個物理量與這個物理量的變化區(qū)分開，這是本書的特點(diǎn)。物理學(xué)中經(jīng)常要區(qū)分這兩種物理量，有意識地強(qiáng)調(diào)它們的區(qū)別，對于以后的學(xué)習(xí)會有好處。下一節(jié)中，時刻與時間間隔的關(guān)系也是這樣?！翱茖W(xué)漫步”欄目中的“全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)”是擴(kuò)展性內(nèi)容，其后附有進(jìn)一步研究的問題，例如“這個定位器處于我國哪個城市的什么部位？從顯示屏中你還能獲得哪些信息？”。這樣做的目的也是使學(xué)生養(yǎng)成勤于觀察、勤于思考的習(xí)慣，提高學(xué)生自主獲得知識的能力。這

5、類問題不作為針對所有學(xué)生的強(qiáng)制性要求。五、教學(xué)步驟1、物體和質(zhì)點(diǎn) 在研究某一問題時，對影響結(jié)果非常小的因素常忽略。常建立一些物理模型，這是一種科學(xué)抽象。那以前接觸過這樣的物理模型嗎？ 如：光滑的水平面、輕質(zhì)彈簧。 這些都是把摩擦、彈簧質(zhì)量對研究問題影響極小的因素忽略掉了。今天我們又要建立一種新的物理模型質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)，并完成下列問題： 填寫： （1）質(zhì)點(diǎn)就是沒有 ，沒有 ，只具有物體 的點(diǎn)。 （2）能否把物體看作質(zhì)點(diǎn)，與物體的大小、形狀有關(guān)嗎？ （3）研究一輛汽車在平直公路上的運(yùn)動，能否把汽車看作質(zhì)點(diǎn)？要研究這輛汽車車輪的轉(zhuǎn)動情況，能否把汽車看作質(zhì)點(diǎn)？ （4）原子核很小，可以把原子核看作質(zhì)點(diǎn)嗎？

6、（5）運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)通過的路線，叫質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動 ； 是直線，叫直線運(yùn)動； 是曲線，叫 。共評：質(zhì)點(diǎn)是沒有形狀、大小、具有物體全部質(zhì)量的點(diǎn)。這是一種科學(xué)抽象，就是要抓住主要特征，忽略次要因素，這就必須是具體問題具體分析。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(yùn)動的差異是次要的或不起作用的，就可以把它看作質(zhì)點(diǎn)。比如在平直公路上運(yùn)動的汽車，研究它運(yùn)動的特點(diǎn)，汽車的大小、形狀及車上各部分運(yùn)動的差異是次要的，可把汽車看作質(zhì)點(diǎn)。而研究車輪的轉(zhuǎn)動，是研究汽車上部分的運(yùn)動，就不能把汽車看作質(zhì)點(diǎn)，再比如原子核很小，要是研究質(zhì)子與質(zhì)子的作用時，就不能把它看作質(zhì)點(diǎn)。2、（1）參考系：為了描述一個物體的運(yùn)

7、動，選來作為標(biāo)準(zhǔn)的物體，叫參考系。（2）選擇不同的參考系觀察同一個運(yùn)動，觀察的結(jié)果會有不同。 舉例：描述同一個運(yùn)動，選擇不同參考系，觀察結(jié)果也不一樣。 舉例：運(yùn)動的汽車，是選擇地面為參考系，如選司機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，汽車是靜止的。 （3）總結(jié)：參考系是可任意選取，但選擇的原則要使運(yùn)動和描述盡可能簡單。比如，研究地面上物體的運(yùn)動，選擇地面或相對地面動的物體作參考系要比選太陽作參考系簡單。3、坐標(biāo)系 如果物體沿直線運(yùn)動，為了定量描述物體的位置變化，可以以這條直線為軸，在直線上規(guī)定原點(diǎn)、正方向和單位長度，建立直線坐標(biāo)系。 一般來說，為了定量地描述物體的位置的變化，需要在參考系上建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系（coordin

8、ate system）.教學(xué)中注意以下幾點(diǎn)：（1）坐標(biāo)系相對參考系是靜止的。（2）坐標(biāo)的三要素：原點(diǎn)、正方向、標(biāo)度單位。（3）用坐標(biāo)表示質(zhì)點(diǎn)的位置。 （4）用坐標(biāo)的變化描述質(zhì)點(diǎn)的位置改變。4.“科學(xué)漫步”本欄目中的“全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)”是擴(kuò)展性內(nèi)容，可以由學(xué)生自己閱讀，如果學(xué)生對此有興趣，通過自己查找資料寫出一篇科技報告放到墻報上或在班會上做個科技報告，都是很有意義的。這樣的活動不必要求所有學(xué)生都做，但在一學(xué)期中，每個學(xué)生都應(yīng)參加一兩個。本書“科學(xué)漫步”、“科學(xué)足跡”等欄目與過去的“閱讀材料”不同點(diǎn)之一是，其后往往附有進(jìn)一步研究的問題。例如，本節(jié)結(jié)合圖1.1-6提問，這個定位器處于呢個成是的哪個

9、部位，等等。這樣做的目的也是使學(xué)生養(yǎng)成勤于觀察、勤于思考的習(xí)慣，提高學(xué)生自主獲得知識的能力。這類問題不作為針對所有學(xué)生的強(qiáng)制性要求。五、教學(xué)資源1.天球坐標(biāo)系為確定天球上某一點(diǎn)的位置，在天球上建立的球面坐標(biāo)系。有兩個基本要素：基本平面。由天球上某一選定的大圓所確定。大圓稱為基圈，基圈的兩個幾何極之一作為球面坐標(biāo)系的極。主點(diǎn)，又稱原點(diǎn)。由天球上某一選定的過坐標(biāo)系極點(diǎn)的大圓與基圈的交點(diǎn)所確定。 天球上一點(diǎn)在此天球坐標(biāo)系中的位置由兩個球面坐標(biāo)標(biāo)定：第一坐標(biāo)或稱經(jīng)向坐標(biāo)。作過該點(diǎn)和坐標(biāo)系極點(diǎn)的大圓，稱副圈，從主點(diǎn)到副圈與基圈交點(diǎn)的弧長為經(jīng)向坐標(biāo)。第二坐標(biāo)或稱緯向坐標(biāo)。從基圈上起沿副圈到該點(diǎn)的大圓弧長為緯向坐標(biāo)。天球上任何一點(diǎn)的位置都可以由這兩個坐標(biāo)唯一地確定。這樣的球面坐標(biāo)系是正交坐標(biāo)系。對于不同的基圈和主點(diǎn)，以及經(jīng)向坐標(biāo)所采用的不同量度方式，可以引出不同的天球坐標(biāo)系，常用的有地平坐標(biāo)系、赤道坐標(biāo)系、黃道坐標(biāo)系和銀道坐標(biāo)系等。2.地心地固空間直角坐標(biāo)系 原點(diǎn)O于地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平均子午面與赤道的