高中物理开学第一课

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第一章 第1节质点参考系

1 . 教学目标

(1)了解质点的含义。知道将物体抽象为质点的条件，能将特定实际情境中的物体抽象成质点。

(2)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，认识物理模型在探索自然规律中的作用。

(3)了解参考系的概念及其对描述物体运动的意义。结合实例，了解不同参考系中对同一运动的描述可能不同，体会运动的相对性和绝对性。

2 . 教材分析与教学建议

教科书启发学生思考“如何准确地描述物体的运动”,从而引出本节研究运动所需的两个基本概念——质点和参考系。建立质点模型和选定参考系是描述“问题”中这些物体运动的前提，不建立质点模型和选定参考系就无法描述这些物体的运动。其中，质点概念的建立是本节的难点。质点是一个理想模型，模型建构是科学思维的重要组成部分，需结合教学中的内容逐步培养 学生建构模型的能力。质点概念的建立就是学生在高中第一次经历针对实际问题抓住主要因素， 忽略次要因素的科学思维方式，抽象概括出的理想化模型。教科书通过对各种实际运动例子的分析，使学生体会到有些物体的运动可以合理简化成用一个点来描述，进而逐步建构质点的科学概念。教科书还通过“思考与讨论”栏目中的问题让学生理解一个物体是否能简化成质点要视研究的问题而定，不能一概而论，要辩证地理解，进而应用质点模型处理物体运动的问题。

参考系是准确描述物体运动的基础，教科书由不同的观察者对同一运动的描述不同的实例，提出建立参考系的必要性，进而让学生体会运动的相对性及参考系的选择对描述物体运动的意义。我决定将WorkingModel软件引入参考系的教学过程中，通过使物体做竖直上抛和自由落体运动，本节内容的教学建议如下。

(1)问题引入

学生在学习前对物体的运动司空见惯，但对如何准确地描述物体的运动并未深入地思考过。 教科书一开始，就提出如何描述“玩耍的孩童”“行驶的汽车”“翱翔的雄鹰”等物体运动的问 题，以引发学生的思考。教师可以播放这些运动的视频，也可以放一些体育比赛的视频，比如跳 高、跳水、跨栏等项目。学生在思考、讨论中会逐渐发现描述物体的运动存在两类问题：一是运 动对象怎样确定?上述例子中的物体都有一定的大小、形状，各个组成部分的运动可能并不相 同，如何描述整个物体的运动?二是用哪些物理量描述物体的运动?初中学过的路程、时间、速

度等概念，能否将运动描述清楚?

这部分教学的作用很重要，教师首先要鼓励学生大胆发表自己的看法，充分肯定学生的思考，同时又要适时地指出他们的不足，引导学生为解决问题深入思考。“不愤不启、不俳不发”, 问题引入环节的教学，要达到对下面质点概念等教学内容“呼之欲出”的作用。

(2)质点

质点指的是将物体视为一个有质量的点，与数学中指空间位置的点不尽相同。质点来源于实际的物体运动，根据物体的运动情况可以将某些物体视为质点，这是对实际运动合理的抽象概括。这个抽象概括的过程是培养学生科学思维的重要教学环节，教师的教学设计要尽量启发学生经历思维的探究过程，体会建立新的概念的方法。

质点概念比较抽象，所以教科书通过较多的实例分析，引导学生在感性认识的基础上，通过实例分析，归纳结论，辨析应用，逐步理解质点的概念并掌握判断物体是否可视为质点的条件。

由教科书开始的问题引入教学，学生体会到描述实际物体运动的复杂性和困难。教师可以通过以下问题启发、引导学生思考如何合理简化物体运动的模型，建立质点的概念。

教学片段：质点概念的建立

雄鹰飞翔时各部分运动情况不完全相同，因此描述它的运动十分复杂，但如果我们只关注它的整体移动情况，比如研究一段时间内雄鹰从哪里移动到了哪里，是否可以把它看成一个点来研究呢?这样简化对解决问题的影响大吗?类似的例子还有：

①地球绕太阳公转时，地球上各点的运动情况相同吗?差异大吗?能把地球简化成一个点来 研究它公转时的运动吗?研究地球自转时呢?

② 一列火车在平直轨道上行驶时，它各部分的运动情况相同吗?如果只研究它的整体运动情 况，例如某时刻火车到达哪里，是否可以用一个点的运动代替整列火车的运动?

③如图1-1所示，一个木块在斜面上向下滑动，它各部分的运动情况相同吗?可以用一个点的运动代表整个木块的运动吗?

这些物体的运动都可以简化为一个“点”的运动吗?通过以上例子分析，运动的物体可以简化成一个“点”的条件是什么?

教师组织学生思考、讨论这些问题，引导学生建立质点的概念，归纳出把运动物体看成质点的条件。

这里包括几种不同的情况：可以是物体的大小和形状与物体运动的空间相比微不足道，对研究问题的精度影响很小；也可以是研究的问题中只关注物体整体的运动情况；还可以是物体上各点运动情况完全相同，物体上任意一个点的运动都可以代表整个物体的运动。

质点模型虽然简便，但不是什么物体的运动都能当成质点来处理的。教师可以让学生讨论教材上“思考与讨论”栏目中的“香蕉球”是否可以视为质点的问题，也可以指定一个物体(例如赛车),让学生创设两个不同的运动情境，分别表示物体可视为质点的运动和不可视为质点的运动。通过讨论让学生明确该物体的运动是否可以看作质点的方法，树立具体问题具体分析的科学态度。

(3)参考系

学生在初中阶段学过参照物，所以在学习参考系的时候可以先以具体的例子让学生体会：对同一运动，选取的参考物不同，对运动的描述很可能是不同的。随后可以指出，高中物理中所说的参考系可以简单地看作就是初中物理中的参照物。参考系则更为广泛，它不仅包括选定的参照物，还包括建立在此参照物上的坐标系。坐标系用于测量和记录位置、定向以及其他物体的属性。在高中物理中，参考系的概念更加完善，它涉及到与观测者的运动状态相关的观测参考系，也可以是一个与参照物相关的框架，这个框架确定了特定的空间。

简单地说，参照物是参考系中的一个部分。当我们说一个物体在参考系中运动时，这意味着我们选取了一个或多个参照物，建立了一个坐标系，来描述这个物体的运动状态。关于参考系的教学我决定从以下问题展开讨论。

教学片段

参考系一个人在匀速行驶的火车上，请回答如下问题：

①若人坐在座位上，分别以火车和地面作为参考系，人在做什么运动?

② 若人沿车行反方向匀速行走，分别以火车和地面作为参考系，人在做什么运动?

③若人竖直向上跳起，分别以火车和地面作为参考系，人在做什么运动?

④若人手里拿着一个物体，当人松手后，分别以火车和地面作为参考系，物体做什么运动?

⑤若人手里拿着两个上下摞在一起的木块，当人松手同时释放两个木块后，上面那个木块做什么运动?分别以下面那个木块、火车和地面为参考系分析。

注意学生此时并未学习过自由落体、竖直上抛、平抛和斜抛等运动，因此，在此处的教学只要求引导学生定性分析出物体大致的运动情况即可。主要是通过这样一个具体的问题情境，让学生体会到，同一物体的运动用不同参考系来描述存在差异。要描述物体的运动，首先就要确定参考系。另外，不同参考系分析物体的运动难易不同，要让学生体会到，参考系选取得当，可以使描述的运动变得 简洁，易于研究。教师可以通过实例分析指出，研究地面上物体的运动时，一般以地面作为参考系。在教学中还可以做一些小实验或启发学生举一些例子，使学生进一步体会到运动的相对性及参考系选取对描述物体运动的重要性。

为了使学生更加生动地理解参考系转换带来的方便之处，我使用WorkingModel进行仿真模拟，首先将一个物体向上做上抛运动，另一个物体做自由落体运动，两者相碰，并且速度改变。如果以地面为参考系，物体的运动和相应的碰撞时间的计算会比较繁琐，如果以其中一个物理为参考系，计算的过程会大大减少。在平抛运动中，跳伞运动员从加速飞行的飞机上跳下的过程，也是用转化参考系的方式进行思考，进而使复杂问题进行简化。对于板块类问题也可以用仿真软件进行相应的仿真模拟，上方滑动的物块可以简化为减速到零的匀减速直线运动。这样做，也能为将来惯性力的引入创设必要的条件。

3. “练习与应用”参考答案与提示

本节3道习题分别以生活中常见的现象和古诗词为素材，通过对问题的分析，帮助学生更好地理解质点、参考系的概念及运动的相对性。第1题设问具有一定的开放性，不仅让学生体会到物理与生活的密切关系，而且还渗透了爱国主义教育。第2、3题都涉及古诗词描述的自然图景， 要求学生从物理的视角分析解决问题，把中华优秀传统文化融入物理教育，以增强中华优秀传统 文化的生命力和影响力，感受人文素养的熏陶。

1.若研究乒乓球被球拍击出的点到落到球台上的点之间的距离，可以把乒乓球看作质点； 若研究乒乓球的旋转，就不能把它看作质点。

若研究战斗机的飞行，可以把它看作质点；若研究战斗机的翻转，就不能把它看作质点。

2.“一江春水向东流”是说水相对岸(或者地面)的运动；“地球的公转”是说地球相对太阳的运动；“钟表的时针在转动”是说时针相对钟表表盘的运动；“太阳东升西落”是说太阳相对地面的运动。

3.诗中描写船的运动，前两句写景，后两句诗人在船上卧看云不动是以船为参考系，“云与我俱东”是说以榆堤为参考系，云与船均向东运动。