1.1 质点 参考系和坐标系教学设计（一）
质点模型是高中物理提出的第一个物理模型，也是最简单的模型，对质点概念的形成以及质点模型的建立过程，教学要求是初步的.由于运动的相对性，描述质点的运动时必须明确所选择的参考系，为了准确、定量地描述质点的运动，又要建立坐标系.质点、参考系和坐标系是描述物体运动的基础知识，所以本教学设计是逐步展开的.
本课程的教学设计要解决两个问题：一是通过在教学中创设多样的问题情景，引导学生讨论并总结质点的概念；二是合作探究引入参考系和坐标系的意义，以及如何建立合适的参考系和坐标系，然后介绍全球卫星定位系统，让学生了解信息，拓展视野.
教学重点
1.质点、概念的建立.
2.明确参考系的概念及运动的关系.
教学难点
1.质点模型的条件判断.
2.坐标系的建立.
时间安排
1课时
三维目标
知识与技能
1.知道质点的概念及条件.
2.知道参考系的概念及作用.
3.掌握坐标系的简单应用.
过程与方法
1.体验质点的条件及意义，初步掌握“科学抽象”这种研究方法.
2.体会用坐标方法描述物体位置的优越性，可用不同的方法设计实验并体会比较.增强学生发现问题并力求解决问题的意识和能力.
情感态度与价值观
1.认识运动是宇宙中的普遍现象，运动和静止的相对性,培养学生热爱自然,关心科技发展,勇于探索的精神.
2.通过分析不同参考系中的运动现象不同，帮助学生建立辩证唯物主义的世界观.
课前准备
1.自制课件、羽毛、竹蜻蜓.
2.课前观察各种物体的实际运动，并能粗略描述它们的运动特点.
教学过程
导入新课
情景导入
如图1-1-1所示，静坐在汽车里的乘客，司机说他静止没动，路旁的孩子赞叹他前进得真快.一个说他静止，一个说他运动，谁说的对呢？通过这节课的学习，我们就能解决这个问题了.
图1-1-1
故事导入
某天，上海市某出租车公司经理正在办公室忙碌着.突然，本公司司机小赵急匆匆赶来报告，说他驾驶的汽车在昨夜被盗.公司经理听完汇报后，及时报警.警方询问后得知该车装有GPS全球卫星定位系统，迅速采取了应急预案，由技术部启动全球定位追踪系统，马上发现该车位置在“N29°59.913′,E116°23.505′”附近.
警方根据该信息迅速布置警力，警察仿佛从天而降，使犯罪分子转眼间落入法网.这主要还是GPS全球定位系统的功劳.那什么是GPS全球卫星定位系统呢？通过本节课的学习，你就会对它的工作原理有个简单的认识.
影片导入
（课件展示）特技跳伞运动员在某次高空特技表演中的精彩片断，那惊心动魄的场面让同学们激动不已.让学生仔细观察，思考为什么其中的一名运动员看身边的队员，好像没有下落；可当他俯视大地时，看到大地迎面而来，这是为什么？学习了本节知识，你就会知道其中的道理了.
推进新课
一、物体和质点
教师演示1:教师将课前准备好的羽毛举高后释放，让同学们认真观察羽毛的运动情景.
提出问题
羽毛在下落的过程中有什么特点？
学生认真思考后回答出羽毛的下落情况：一方面有自转;一方面整体下落.
教师演示2：教师将漂亮的竹蜻蜓双手一搓，竹蜻蜓便飞到同学们中间.
提出问题
竹蜻蜓的运动跟羽毛的运动一样吗？它又有什么特点？
学生合作讨论得到结果：既有向前的飞行，又有自身的转动.
课件展示：通过大屏幕播放各种各样的物体的运动：雄鹰拍打着翅膀在空中翱翔，足球在绿茵场上飞滚，火车在田野里高速行驶，刘翔箭一般冲向终点线……
教师点评：自然界物体的运动是多种多样的，要想详细而准确地描述物体上各部分的运动，是一件十分困难的事.
根据刚才的演示实验思考，描述物体运动的困难和麻烦出在哪里？能不能克服这些麻烦呢？
结论归纳：详细描述的困难就在于物体有自己的大小和形状.
教师点评：物体的大小和形状在一些问题的描述过程中，起着重要的作用，不可忽略，如教练研究刘翔跨栏的动作要领；裁判根据田亮在空中翻滚的动作打分时，大小和形状就起了关键作用.
讨论交流：是不是我们研究的所有问题，大小和形状都起关键作用而不可忽略呢？
创设情景
（大屏幕播放）
情景一：地球绕太阳公转.（flash动画模拟）
情景二：远洋航行的轮船，指挥部要确定它在海洋中的位置.（视频）
情景三：从斜面上滑下的木块.
情景四：火车在从南京开往上海的途中.
合作讨论：在情景一中研究地球公转一周的时间；情景二中研究轮船的位置坐标；情景三中研究木块的运动；情景四研究火车全程所用的时间.
在以上四种情景中，物体的形状和大小对所研究的问题有没有影响？
学生合作讨论后得到结论：在以上所研究的问题中，物体的大小和形状对所研究的问题没有影响.
看来，在某些情况下，真的可以不考虑物体的大小和形状.但是能忽略掉物体的质量吗？显然是不行的.因此，我们突出“物体具有质量”这一要素，把它简化为一个有质量的点，称为质点.那么，对实际运动的描述，就转化为对质点的运动描述.
教师引导：引导学生对比以上所看到的物体的各种运动，并作对比，讨论在什么情况下物体的大小和形状可以忽略，即探究可看作质点的条件.
问题：沿一个方向推动桌面上的书（如图1-1-3），如果测量书本移动的距离，是否可以将书本视为质点，为什么？如果测量桌面上的书经过桌面上A点所需要的时间，是否可以将书本视为质点，为什么？
图1-1-3
结论：可见，将一个物体看作质点是有条件的.同样是一本书的运动，在研究不同的问题时，前者可以看作质点，后者就不能看作质点.
教师设疑：哪些物体可以看作质点呢？
学生在教师的引导下尝试总结：
如情景三中物块的下滑属于物体的平动，平动时物体上各点的运动特征都是相同的,故有：
1.平动的物体可以看作质点.
在研究地球的公转周期时，虽然地球是转动的，但不影响周期时间，故有：
2.物体有转动，但物体的转动不是我们所要研究的主要问题时，物体本身的形状和大小已变成次要因素，可以看作质点.
特别提醒：并不是很大的物体就不能当作质点，也不是很小的物体就一定能看作质点，关键看物体的形状和大小在研究物体的运动中是否为次要因素，或判断物体做怎样的运动，能否选一个点来代替.
视野拓展
(课件展示阅读材料)
课题：质点与理想化模型
内容：质点是一个理想化的物理模型，尽管不是实际存在的物体，但它是实际物体的一种近似，是为了研究问题的方便而进行的科学抽象，它突出了事物的主要特征，抓住了主要因素，忽略了次要因素，使所研究的复杂问题得到了简化.
在物理的研究中，“理想化模型”的建立，具有十分重要的意义.引入“理想化模型”可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差，在现实世界中，有许多实际的事物与这种“理想化模型”十分接近，在一定条件下，作为一种近似，可以把实际事物当作“理想化模型”来处理，即可以将研究“理想化模型”的结果直接应用于实际事物：例如在研究地球绕太阳公转的运动时，由于地球的直径（约1.3×104 km） 比地球和太阳之间的距离(约1.5×108 km)小得多，可以把地球上各点相对于太阳的运动看作是相同的，即地球的形状、大小可以忽略不计，在这种情况下，就可以直接把地球当作一个“质点”来处理.特别地，高中阶段我们主要研究能够简化为质点的物体的运动.
方法指导：在物理学中，突出问题的主要方面，忽略次要因素，建立理想化的“物理模型”，将其作为研究对象，是经常采用的一种科学研究方法.
课堂训练
有人说：“当一列客车从北京开往上海时，（如图1-1-4所示）就可以把这列车看成质点.”这种说法正确吗？
图1-1-4
解析：这个人的说法是错误的.第一，研究的问题没有明确.第二，在没有明确研究的是什么问题之前就把这列车的大小和形状当成起作用很小的次要因素而不考虑是错误的.如果研究这列车在整个路段的运行速度或运行时间，这个人的说法是正确的；如果研究这列车能运送多少旅客或研究通过某一站牌所用的时间，就不能把列车看成质点了.
二、参考系
公路上向左匀速行驶的汽车如图1-1-5甲，经过一棵果树附近时，恰有一颗果子从上面自由落下，图乙是其运动的轨迹.地面上的观察者看到的运动轨迹是C，车中人以车为参考系看到的果子的运动轨迹却是B.（不计阻力）
图1-1-5
同样的苹果落地，为什么会观察到不同的轨迹呢？
学生分组积极思考讨论：是因为观察者所处的位置，即观察角度不同.
师生活动：找一位同学站到讲台前面，站好不动.教师从讲台一侧走向另一侧，同时问该同学：“我是静止的还是运动的？”该同学回答：“老师是运动的.”第二次与该同学并排同速走动，再次询问：“我是运动的吗？”该生回答：“我没有看到老师运动.”但是坐在教室里的其他同学说老师运动了，为什么？
教师设疑：为什么对于同一物体的同一状态，关于运动和静止的说法不一样呢？
学生合作讨论后回答：是因为观察的角度即所选参考系不同.
总结：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；运动是绝对的.运动又具有相对性.因此，要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他物体作参考，观察物体相对于这个物体的位置是否随时间变化，以及怎样变化.
描述物体的运动时，另外选来作为标准的物体，称为参考系.
课堂交流：下述物理过程中选择什么为参考系较恰当？
课件展示问题：
1.2004年，所有的目光都集中在火星.继美国宇航局的两台火星探险漫游者“勇气”号和“机遇”号之后，欧洲的火星快车飞船已顺利地将“猎兔犬”2号火星登陆车投放至火星表面.从地球表面向火星发射火星探测器的过程中，若要研究探测器的运动情况，各应选择什么为参考系？
参考答案：前者为地球，后者为火箭.
2.在印度洋海啸救灾中，从水平匀速航行的飞机上向受灾的地区空投救灾物资.在不考虑空气阻力的情况下，飞机上的人以飞机作为参考系，他看到投下的物体是沿什么路线下落的？地面上的人以地面作为参考系，观察被投下的物体又是沿着什么路线下落的？
参考答案：前者为竖直直线，后者为曲线（抛物线）.
3.第一次世界大战期间的一次空战中，一个法国飞行员正在2 000米高的空中飞行，忽然，他发现脸旁好像有一个小东西在飞舞，他以为是一只小昆虫，于是就伸手轻松地把它抓了过来，仔细一看，把他吓出一身冷汗来.他抓住的不是别的，是德国飞机射向他的一颗子弹.请根据上述信息讨论回答以下问题，并注意体会参考系的选取与运动的相对性.
（1）子弹飞得那么快（一般为几百米每秒），为什么没有把他的手打穿？体会一下，同一物体相对于不同的参考系运动状态相同吗？
（2）受类似现象的启发，人们实现了飞机在飞行途中进行空中加油，在航天飞行中，宇宙飞船发射到太空和正在绕地球运动的空间站实行空中对接.实现“空中加油”和“空中对接”应满足的基本条件是什么？
参考答案：（1）因同一物体相对于不同的参考系有不同的运动状态，相对于发射子弹的枪而言，子弹的初速度虽然为几百米每秒，但相对于其他以不同方向和速度运动着的物体，其运动速度就会有明显不同.当子弹和飞机的速度大小方向相同，则子弹相对于飞机静止，即出现上述情况.
（2）除了飞行员具有高超的飞行技术外，相对于同一参考系时两个“物体”的速度要相同，即二者相对速度为零，处于相对静止状态即可完成.
拓展延伸：一跳伞运动员在下落过程中，看到身旁的直升机在向上运动，则直升机相对于地面的运动情况是怎样的？
参考答案：跳伞运动员在下落过程中，看到身旁的直升机在向上运动，是以自己作参考系，即以跳伞运动员为标准，它们间的距离在不断增大.如果以地面为参考系，这种情况的出现有以下几种可能性：（1）直升机静止在空中不动；（2）直升机向上升;（3）直升机下落，但速度比跳伞运动员慢.以上三种情况都能使跳伞运动员与直升机间的距离不断增大.因此，跳伞运动员无法根据自己看到的现象来判断直升机相对于地面的运动情况.
三、坐标系
学习了参考系后，我们就能定性粗略地描述物体的运动状态，但是在实际的生产、生活、军事中对物体的位置及位置变化有更详细的要求.
图1-1-6
问题：如图1-1-6所示，某人从学校门口A处开始散步，先向南走了50 m到达B处，再向东走了100 m到达C处，最后又向北走了150 m到达D处，则A、B、C、D各点的位置如何表示？
学生分组讨论，可能说法较多，如B点在A点南面50 m处、C在A的东南方向等.
教师点评：学生的描述在日常生活中是能够简单表明意思的.但严格地说是不准确的.对于上述问题有下面的解决方式：
可以A点为坐标原点，向东为x轴正向，向北为y轴正向，则各点坐标分别为：A（0，0）、B（0，-50 m）、C（100 m,-50 m）、D（100 m,100 m）.
总结归纳：一般说来，为了定量地描述物体的位置及位置的变化,需要在参考系上建立适当的坐标系.在坐标轴上，刻度应均匀分布.
课堂探究
创设一个实例让学生思考，可以结合本地实际选取相应的例子.
参考示例：如图1-1-7所示，一辆汽车从天安门沿长安街驶向西单、南菜园方向，思考汽车的位置随时间怎样变化.
问题：1.如何选择坐标轴和正方向？
2.如何选择坐标原点？
3.如何确定坐标轴上的刻度值?
图1-1-7
课堂小结
本节课主要学习了质点概念的建立，能够看作质点的条件判断；参考系及坐标系的建立.本节课不仅对运动的描述奠定了知识基础，而且确立了物理模型的思想.本节主要内容包括：
1.质点的概念；2.物体可以看作质点的条件判断；3.参考系；4.坐标系.
布置作业
1.教材第11页第1、2、3题.
2.了解并应用全球卫星定位系统（GPS），记录显示屏中关于你所在地的信息并与同学交流.
板书设计
1 质点 参考系和坐标系
活动与探究
课题：了解GPS全球卫星定位系统的应用.
内容：让学生课下通过查找资料或上网等方式，了解讨论GPS全球卫星定位系统的应用.
参考资料：
应用领域有交通管理、测量、海洋调查、海洋捕捞、辅助农业和林业的大面积作业（除虫、播种）、资源开发等，今后世界各国的飞机、船舶、火车、汽车、便携式个人电脑、手持电话、都将安装GPS接收机，将使GPS技术深入到社会生活的各个领域，它的巨大经济效益正日渐显现.南京大学善邻信息技术有限公司已开发出北京、江苏、上海、广州、深圳、香港等地的卫星车载导航系统，并走向应用.
车载GPS定位系统由两部分组成，一部分是由计算机、打印设备、电台组成的实时
监控中心，另一部分是由接收机、处理器、调制解调器、发射机组成的移动终端，两部分用无线电通信联系，监控中心通信电台既接收车辆的定位信息，并在数字化电子地图上显示，又将监控中心的命令发送给受监控的车辆实施管理和指挥.
“出车前，只要指定目的地和必经地点，车载定位系统就能帮助你选择一条最佳路线，既省钱、又省时、又能绕开交通堵塞的地方；不熟悉道路，它随时告诉你怎样走，在离交叉路口300 m处显示路口示意图，并用语言提示你往哪拐；你去某单位，不知道地点，用单位名称或电话号码即可确定电子地图上的位置；没有汽油了，它会告诉你最近的加油站在哪；沿途它可提示经过的商店，风景名胜……”显示了车载定位系统的先进功能.
军用领域可为飞机、舰船、坦克、导弹作实时导航和制导，为目标提供精确定位，提高中、远程武器的命中率.美国国防部认为，研制GPS系统虽耗资130多亿美元，历时20年，但在20世纪90年代初期海湾战争中的收益已超过全部投资.据有关资料报道，在海湾战争的沙漠风暴行动中，美国和联合国军队，大约使用了7 000台GPS接收机，帮助空军飞行员与前线指挥机构保持联系，在沙漠中寻找道路，并成为战场上精确指挥控制、中远程精确打击和精确兵力投送的关键设备.
习题详解
1.解答：“一江春水向东流”是水相对地面（岸）的运动，“地球的公转”是说地球相对太阳的运动，“钟表时、分、秒针都在运动”是说时、分、秒针相对钟表表面的运动，“太阳东升西落”是太阳相对地面的运动.
说明：要求学生联系一些常见的运动指认参考系，可加深学生对参考系的理解.这类问题有时也需要仔细、深入地思考才能得出正确的答案.如我们说通信卫星是静止卫星、说静止卫星相对地球静止是模糊的. 说静止卫星相对地面（某点）静止是正确的，静止卫星相对地球中心是运动的.
2.解答：诗中描写船的运动，前两句诗写景，诗人在船上，卧看云动是以船为参考系.云与我俱东是说以两岸为参考系，云与船均向东运动，可认为云相对船不动.
说明：古诗文和现代文学中，我们会发现一些内容与自然科学有关，表明人文科学与自然科学是相关的.教材选用本诗是为了凸现教材的人文因素.
3.解答：xa=-0.44 m,xb=0.36 m
设计点评
本节内容是运动描述的入门篇，而质点模型的建立又是一项非常重要的知识点.所以本设计通过实例说明要准确描述物体的运动是十分困难的，分析困难的原因，并逐步指出建立质点概念的必要性，继而分析条件判断，本设计充分展示了物理学研究的科学思维过程，让学生体验什么是科学思维的方法.本教学设计通过实例解决，突破了坐标系的建立这一教学重点.新课引入和教学过程中，提出了许多实际生活中的真实问题，把这些问题引入课堂，不仅能引起学生的兴趣、激发学生强烈的学习欲望，而且可以将所学和所用紧密联系在一起，使学习变得更有意义.
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