师:同学们,今天我们来学习第二节运动的描述。西方报载,第一次世界大战期间,一名法国飞行员在2千米高空飞行时,发现脸庞有个小东西。他以为是小虫子,便敏捷地抓了过来,可令他吃惊的是,抓到的竟是一颗德国子弹。这个徒手抓子弹的故事流传很广,很多人觉得是编造的,毕竟子弹速度那么快,怎么可能是真的呢?这名飞行员怎么会有这么大本领?什么情况下我们也能顺利抓住一颗飞行的子弹?通过本节课学习,之后将为大家揭晓答案。
同学们请看,猎豹在地面飞奔,蜗牛在树叶上爬行,列车高速行驶,哈雷彗星大约每隔76年就到地球附近造访一次。请同学们思考视频中这些运动及生活中类似的运动,想想人们根据什么说这些物体是运动的?我们发现,飞奔的猎豹、爬行的蜗牛、高速行驶的列车和夜空中运动的彗星,这些运动物体都有一个共同特点,就是它们的位置随时间不断发生变化。
在物理学中,我们把物体位置随时间的变化叫做机械运动,简称运动。刚刚提到的猎豹、蜗牛、列车和彗星都在做机械运动。同学们看,地板上有4只卡通蝴蝶。现在让红色蝴蝶向左侧黄色蝴蝶靠近或远离,二者之间距离发生变化,就可称为它的位置发生了变化。当粉色蝴蝶绕着下面绿色蝴蝶转动,粉色蝴蝶的方位发生变化,我们也称为粉色蝴蝶的位置发生了变化。
由此可以总结出,位置的变化包括两方面,一个是距离的变化,一个是方位的变化。当物体相对于另一个物体的距离或者方位其中之一发生变化时,就属于物体位置发生了变化,也就是说它在做机械运动。机械运动是一种常见运动,比如马路上行驶的汽车、大自然中江河的奔流、浩瀚太空中天体的运动,还有令人震撼的地壳运动等。机械运动是最简单的一种运动形式,是学习其他各种运动的基础。运动是宇宙中最普遍的现象,除了机械运动,运动还有多种形式,如微观世界里分子、原子的运动,电磁运动,还有生机盎然的生命运动。
要判断一个物体是否在运动,看似容易,比如老师站在这儿,桌面上的小车现在静止,当我给它一个推力后,它运动起来了,教室内的讲台、课桌也都是静止的。现在我们似乎很容易就能区分哪些物体运动,哪些物体静止。不过事情真的这么简单吗?我们一起来看一段视频,同学们乘坐火车时,有没有这样的体会:一开始感觉好像自己乘坐的火车在运动,可当对面火车开过后,看到站台时才知道原来自己乘坐的火车是静止的。
那么如何判断一个物体的运动和静止呢?请同学们看这幅图中的汽车,0.5秒后,请你来判断图中的汽车运动了吗?好像不确定对吧。我们再来看看下面这幅图中的汽车,0.5秒后,很明显我们确定汽车运动了,为什么呢?因为以旗杆作为标准,汽车的位置发生了变化,所以汽车运动了。在上面两幅图中,由于汽车旁边没有标准物体作为参考,我们无法判断汽车位置有没有改变,也就无法确定汽车是运动还是静止,也就是说我们要判断一个物体是否在运动,必须先选择另外一个物体作为标准,比如这里的旗杆。有了旗杆作为标准,才能判断汽车位置是否变化,进而确定汽车是运动还是静止。
在刚才判断火车是否运动的示例中,当以旁边火车为标准时,自己乘坐的火车是运动的;当以站台为标准时,自己乘坐的火车是静止的。当我们研究物体运动时,像旁边的火车和站台这样被选作标准的物体,我们把它叫做参照物。如何判断一个物体是运动还是静止呢?接下来我们通过实例说明。
我们一起来研究桌面上的足球,同学们可以看到足球现在是静止的,为什么呢?我们以足球为研究对象,选取课桌为参照物,足球相对于课桌的位置有没有发生变化呀?没有,所以足球是静止的。现在足球运动起来了,同样选取课桌为参照物,足球在滚动过程中,它的位置发生了变化,所以此时足球是运动的。
我们总结一下,要判断一个物体是运动还是静止,还以足球为例,足球作为研究对象,需要先选取另外一个物体作为参照物,比如刚才的课桌,观察足球相对于课桌的位置有没有发生变化。若位置变化了,就说研究对象足球是运动的,反之则静止。同学们,你们学会了吗?下面我们再来研究小车上这个银白色物体,进一步巩固刚才梳理出来的方法。
小车上的这个物体现在随小车一起运动起来了。如果以桌面为参照,物体的位置发生了变化,所以是运动的;当以小车为参照物时,物体的位置没有发生变化,所以此时物体是静止的。由此可以看出,当选择不同物体作为参照物时,我们所要研究物体的运动和静止情况可能会不一样。那么当我们选择参照物的时候,有没有需要注意的地方呢?接下来我们一起来看看。
当我们研究地面上物体的运动时,比如高铁、汽车或人在陆地上的运动问题,物理学中常以地面或地面上固定不动的物体作为参照物。那么运动的物体可以作为参照物吗?当然可以,请同学们观看视频。在庆祝新中国成立70周年阅兵仪式上,我国轰炸机梯队从天安门广场上空呼啸而过,3架轰6N,6架轰6K,分为三个三机队列。第一次亮相的轰6N为国产新型远程战略轰炸机,可以空中授油。这两型轰炸机能够实施远程奔袭、大区域巡航和防区外打击。现在以运动的轰炸机为参照物,机内驾驶员的位置没有改变,是静止的。同学们请注意,当我们选取运动的轰炸机作为参照物时,就假定了轰炸机是不动的。由此我们可以看出,参照物的选取是任意的。值得注意的是,参照物一旦选取就假定它不动了。
现在还以足球为例,我们可以以足球本身作为参照物来研究足球的运动情况吗?当然不可以,因为以足球为参照物,我们无法判断它的位置变化情况。也就是说我们不以研究对象本身作为参照物。当我们研究一个物体运动情况时,除了它本身之外,其他任何一个物体都可以根据实际情况被选择作为参照物。接下来请同学们看一个动画。
当我们研究车内的人是运动还是静止的时候,可以以高山、大树或者地面上任意一个静止的物体作为参照物,此时车内人的位置发生了变化,所以是运动的;也可以以正在运动的车厢为参照物,车内人的位置没有发生变化,所以人是静止的。由此可知,当我们选择不同物体作为参照物时,人的运动和静止情况是不同的,即物体的运动和静止是相对的。当选择的参照物不同时,物体的运动和静止情况可能不同。
我们再来研究路边的大树。左侧动画中,如果以地面为参照物,大树的位置没有变化,大树是静止的。在右侧动画中,我们之所以感觉到大树是向后退的,因为此时我们以车厢为参照物了,大树的位置发生了变化,所以是运动的。同学们现在可以看出,选择不同的参照物得出的结论可能会不一样,所以同一物体是运动还是静止取决于所选择的参照物。脱离参照物说物体是运动还是静止,是无意义的。同学们还记得刚上课时,我讲述的一战时期一名法国飞行员徒手抓子弹的故事吗?现在你能用今天所学的知识解释一下吗?是的,一战时期,技术比较落后,子弹和飞机的速度都不是很高。当子弹和飞机以相同速度向同一方向运动时,二者是相对静止的,所以飞行员就可以很容易地抓住子弹了。
