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自然科学基础知识授课教师：姚佳楠初步了解自然科学自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。数学物理学化学生物学天文学让我们来看一下一些自然现象！龙卷风海啸火山爆发雪崩沙尘暴了解了这么多的自然科学方面的知识和现象，你是不是对它产生了兴趣？让我们一起来走近自然科学的第一章吧！第一单元运动和力一、运动的描述二、简单运动的规律三、牛顿第一定律四、力和重力五、弹力和摩擦力六、力的合成和分解七、牛顿第二定律八、牛顿第三定律1.参照物2.质点和质点的位移3.矢量和标量4.平均速度和瞬时速度一、运动的描述一、运动的描述同学们乘坐火车去旅行，会惊奇的发现近处的树木往后高速倒退，这是怎么回事？1.参照物定义：一个物体相对于别的物体的位置改变叫做机械运动，简称运动。在描述运动时，假定不动的物体叫做参照物。2相对静止汽车飞机以高楼为参照物是以空中加油机为参照物是以麦田为参照物是以收割机为参照物是运动的运动的静止的静止的满眼风波多闪烁，看山恰似走来迎，仔细看山是船行。山不动,1.位移是从初位置到末位置的一段有向线段，用来表示质点位置的变化；而路程是质点运动轨迹的长度。2.位移既有大小又有方向，而路程只有大小没有方向。位移和路程的区别1.位移和路程的单位都是长度单位。2.一般情况下，位移不等于路程，只有在质点做单方向的直线运动时，位移的大小才等于路程。位移和路程的联系2.质点和质点的位移如果在描述物体运动时，在某些情况下为使问题简化，可以不考虑物体的大小和形状，而把物体看作一个有质量的点，叫做质点。设质点原来在A点，经过一段时间沿轨迹ACB运动到B点，从初始位置A指向末位置B作有向线段，用它就可以描述质点的位置变化，我们把它叫做质点的位移（见图1-1）。图1-1质点的位移ACB3.矢量和标量像位移这样既有大小又有方向的物理量叫做矢量。像路程这样只有大小没有方向的物理量叫做标量。4.平均速度和瞬时速度做匀速运动的物体，如果在时间t内的位移是s，它的速度v公式：svt做变速直线运动的物体，如果在时间t内位移是s，它的平均速度公式：svt4.平均速度和瞬时速度运动物体在某一时刻或通过某一位置时的实际速度，就叫做运动物体在这一时刻或通过这一位置时的瞬时速度。图1-3汽车速度仪图1-2冲线1.我们所说的“旭日东升”是以什么为参照物的？2.在无云的夜晚，看到月亮好像停在天上不动；而在有浮云的晚上，却感到月亮好像很快地移动，为什么会有这种不同的感觉？3.位移和路程有什么区别？在什么情况下位移的大小跟路程相等？在什么情况下，位移的大小和路程不等？哪个大？一同学沿跑道跑了400m又回到原处，他跑的路程是多少？位移是多少？二、简单运动的规律知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考1.加速度2.自由落体运动1.加速度物体速度的改变量跟所经历时间的比值，叫做运动物体的加速度。如果物体在一条直线上运动，用v0表示初速度，用vt表示末速度，用a表示加速度，那么：0tvvat在国际单位制中，加速度的单位是m／s2，读作米每二次方秒。1.加速度由公式可推导出：0tvvat0tvvat如果位移用s表示，其位移公式是：2012svtat（1）（2）2.自由落体运动物体只在重力作用下在真空中从静止开始下落的运动叫做自由落体运动。重力加速度，用g表示。它的方向总是竖直向下的，它的大小可以用实验的方法来测定。g的大小一般取9.8m／s2。图1-4两个铁球同时落地小实验1.自由落体实验（见图1-5）。图1-5自由落体实验小实验2.测反应时间（见图1-6）。图1-6测反应时间三个同学讨论问题，甲同学说：物体的加速度大，说明物体的速度一定很大；乙同学说：物体的加速度大，说明物体的速度变化一定很大；丙同学说：物体的加速度大，说明物体的速度变化一定很快。哪个同学说得对？哪个同学说得不对？为什么？一个小学生在滑梯上端从静止开始下滑，滑梯长3m，用了2s滑到末端，求他在滑行中的加速度和到达末端时的速度。一物体在一高楼的顶端从静止开始自由下落，经历了3s落到地面。若空气阻力可忽略不计，求该楼的高度为多少米？（g取10）三、牛顿第一定律知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使他改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律，又叫做惯性定律。惯性对于世界的存在是不可缺少的。一般可以说，质量是物体惯性的量度，即质量越大，惯性越大；质量越小，惯性也越小。1.抽纸条（见图1-7）。图1-7抽纸条2.击火柴盒（见图1-8）。图1-8击火柴盒3.小车上木块的运动（见图1-9）。图1-9木块的不同运动你有这样的经验吧，赛跑冲到终点后，不是马上停住而是还要向前小跑一段距离。你知道这是什么原因吗？2.小鸭子从河里上岸以后，总要猛烈地抖动它的羽毛；猪、狗、小鸡在淋了雨水以后，也会使劲地抖动身上的毛；小朋友洗完手后习惯把手甩几下。这些都是为什么？有人认为，既然地球从西向东自转，那么当人跳起来落回地面时，地面一定转过了一段距离，不会落在原地，而是落在原地的西边。是这样吗？你不妨试试，使劲向上跳，结果如何？你能解释吗？你同意下面的说法吗？1.只有静止做匀速直线运动的物体才具有惯性；×2.一切物体在没有受到外力作用时，总保持匀速直线运动或静止状态，叫做惯性；×3.做变速运动的物体没有惯性×4.受到外力作用的物体没有惯性，不受外力作用的物体才有惯性；×5.物体的运动需要力来维持×6.运动和静止的物体都有惯性√四、力和重力知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考1.力2.重力1.力力是物体对物体的作用。力的三要素：大小、方向、作用点。为了直观地说明力的作用，常用一根带箭头的线段来表示力。线段是按一定比例画出的，它的长短表示力的大小，它的指向表示力的方向，箭头或箭尾表示力的作用点，箭头所沿的直线叫做力的作用线。这种表示力的方法，叫做力的图示。2.重力我们把物体由于地球引力，叫做重力。重力的方向总是竖直向下的。重力的大小可以用弹簧秤称出（见图1-10）。图1-10弹簧秤2.重力物体的各个部分都受到重力的作用，其总效果相当于地球对物体的重力作用集中于一点，这一点就是重力的作用点，叫做物体的重心。质量均匀、形状规则的物体，它的重心就在几何中心上。2.重力均匀球体的重心在球心，直尺的重心在尺的中心点，环的重心在环心（见图1-11）。图1-11均匀、形状规则的物体的重心2.重力用简单的实验方法，如悬挂法（见图1-12），可以求出形状不规则或者质量不均匀的薄板状物体的重心。图1-12悬挂法小实验图1-13“找”重心“找”重心（见图1-13）。小实验图1-14“打”出重心“打”出重心（见图1-14）。1.没有接触的两个物体，可以有相互作用力吗？请举例说明。2.一位同学在分析一些物体受力时说：“扔出的皮球还受到一个向前的冲力；自行车刹车后，还受到一个向前的惯性力，不然，车子为什么还会向前滑动？”他说得对吗？为什么？五、弹力和摩擦力知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考1.弹力2.胡克定律3.摩擦力1.弹力发生形变的物体因为要恢复其原来的形状，会对跟它接触的物体产生力的作用。这种力叫做弹力。弹力产生在直接接触而发生形变的物体之间。弹力的方向是和接触面垂直，指向受力物体。图1-15拨动木头2.胡克定律实验表明，弹簧发生形变时，弹力的大小跟弹簧伸长（或缩短）的长度成正比。这个规律是英国科学家胡克发现的，叫做胡克定律。图1-163.摩擦力人们把互相接触的物体在接触面上发生阻碍相对运动或相对运动趋势的力，叫做摩擦力。摩擦力可以分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。摩擦力的方向是在接触面上，与其相对运动和相对运动趋势的方向相反。3.摩擦力摩擦有时是有益的。图1-17鞋的底面凹凸花纹图1-18皮带运输机图1-19皮带传动3.摩擦力摩擦力有时是有害的。图1-21图1-20滚动轴承（a）气垫船（b）气垫火车小实验1.玻璃瓶的形变（见图1-22）。图1-22玻璃瓶的微小形变小实验2.纸片拽书夹在书的装订边一侧），用手拿着纸片，纸片依靠与书间的静摩擦力可以将厚厚的一本书提起来。此实验你如果做的不理想的话，不妨再做一次类似实验：在书中央夹一张表面粗糙的纸片，将书放在水平光滑的桌面上，用手慢慢地拉纸片，可以看到书沿着拉力方向由静止开始向前运动。做一下这个小实验，并说明两种情况下摩擦力的方向。小实验3.拿瓶子将两只空玻璃瓶里灌满砂粒，最好是铁砂。在其中一只瓶上涂上肥皂水，让另一只瓶子比较干燥。请几名同学分别拿这两只瓶子，结果会怎样？为什么？做时注意，将另一只手伸开，放在瓶子和桌面之间，避免拿起来的瓶子掉下来摔碎。小制作摩擦消除器（见图1-23）。图1-23摩擦消除器小游戏会溜冰的玻璃杯（见图1-24）。图1-24会溜冰的玻璃杯1.在水平桌面上的两个球，靠在一起但并不互相挤压，它们之间有相互作用的弹力吗？为什么？2.苹果从树上落到地面，是力的作用；箭能从拉弯的弓弦中射出去，是弓对它的力的作用；皮带运输机能运送货物，是靠皮带对货物的力来完成的。3.在人群拥挤的地方，穿滑雪衫的人比穿灯芯绒衣服的人容易走动，这是为什么？六、力的合成和分解知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考1.力的合成2.力的分解1.力的合成如果一个力作用在物体上，它产生的效果跟几个力共同作用的效果相同，这个力就叫做那几个力的合力，而那几个力就叫做这个力的分力。求几个已知力的合力叫做力的合成，求一个已知力的分力叫做力的分解。1.力的合成沿同一条直线作用在同一个物体上的两个力的合成。图1-25在一条直线上的两个力的合力1.力的合成图1-26互成角度的两个力的合力两个互成角度的力的合力遵循力的平行四边形法则。2.力的分解力的分解同样遵守平行四边形法则。图1-27小朋友在滑梯上下滑2.力的分解可是，有相同对角线的平行四边形可以有无数个（见图1-28），即同一个力可以分解为无数对大小、方向不同的分力。要想得到确定的答案，需要知道两个分力的方向或者一个分力的方向和大小。图1-28力的分解小实验1.研究分力大小与其夹角的关系（见图1-29、图1-30）。图1-29分力大小与夹角关系的小实验图1-30夹角越大线受力越大小实验3.一指断铁丝（见图1-32）。图1-32一指断铁丝1.两个力的合力在什么情况下最大？在什么情况下最小？设有两个力，一个是20N，一个是8N，它们的合力的最大值是多少？最小值是多少？2.把竖直向下的180N的力分解为两个分力，使其中一个分力在水平方向上并等于240N，求另一个分力？七、牛顿第二定律知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向和力的方向相同。这就是牛顿第二定律。用F、a和m分别表示力、加速度和质量，牛顿第二定律用数学公式可表示为：FamFma或在国际单位制中，质量是kg，加速度的单位是m／s2，确定力的单位为牛顿，简称为牛（N）。牛顿第二定律应用是很广泛的。图1-33轰炸机抛油箱1.如果摩擦阻力忽略不计，玻璃球沿斜槽向下滚动，是什么运动？它滚动到平面后又将做什么运动？为什么？2.一个运动的物体受到一个和运动方向相同的力的作用，如果这个力越来越小，它的加速度将怎样变化？速度又怎样变化？3.你同意下面的说法吗？为什么？（1）物体受到的合力越大，加速度越大；（2）物体受到的合力越大，速度越大；（3）物体的加速度越大，速度越大；（4）物体在外力作用下做匀加速直线运动，当合力逐渐减小时，物体的速度逐渐减小。八、牛顿第三定律知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考在自然界中，两个物体之间的作用总是相互的，甲物体受到乙物体作用力时，乙物体也必然受到甲物体的作用力。通常把其中任意一个力叫做作用力，另一个力叫做反作用力。图1-34水面上两小船反向运动图1-35滑冰场上两同学对推两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。这就是牛顿第三定律。思考：以卵击石，石头没被损伤而鸡蛋破碎了，是因为鸡蛋对石头的作用力小于石头对鸡蛋的作用力，对吗