第一讲 中学物理教材分析-力学(2015)

中学物理教材与课例分析福建师范大学物能学院林钦[e-mail]什么是物理学？•为什么木块会浮在水上，而实心铁球就不会浮？•或者为什么把铁捶成铁片并用它来建造船身时船会浮起。•当把几个定律综合在同一个模式之中时，只要用少数几个主模式或主定律，就能解释几乎所有的物理现象。•这些普遍化的定律构成了科学知识概念性组织的更高一层，这叫做理论。理论主要贡献人年代所解释现象的范围经典力学牛顿1686人体尺度的物体运动及其相互作用电磁学麦克斯韦1865带电物体的运动与相互作用；描述磁现象狭义相对论爱因斯坦1905澄清时间空间概念量子力学薛定谔、海森伯、波恩、玻尔等1926-1928各种物体的运动与相互作用dstDIdlHdstBdlEdsBqdsD0麦克斯韦方程组tDJHtBEBD0赫兹这样评价麦克斯韦的电磁理论：•人们不禁要感到那些数学公式是独立存在的，并具有真实的内容。•它们所包含的东西多于我们所知道的，也多于发现它们的人；•它们将提供比所有放进它们里头的东西更多的信息。一、力学力学适用的领域有多大？•天体尺度•人体尺度•微观尺度经典力学建立的基础是：•物质的粒子模型！（质点、理想化模型）•必修一，第2章。•物体能否看成质点的判据是？？？经典力学建立的重要条件：•自然过程的数学描述和实验物理学和物理教学都是以需要为驱动的•要描述实验与解释实验，总是以对物理现象进行量度性的测量为基础的。•为了完整的描述空间位置，除了距离的概念，还需要方向的概念，引出矢量的概念！•为了清楚的描述物体，引出质量的概念质量•“物质的量是用它的密度和体积一起来量度的”。牛顿视质量为“物质的量”其大小由密度和体积决定。•“密度相同的物体……，是指那些惯性与其体积之比是相等的物体”。•这样，质量与密度的定义不幸陷入了逻辑循环，根据密度和体积去量度质量变成不可能，牛顿的质量定义不具备测量意义。我们应该怎么定义质量？《自然哲学的数学原理》•必须把“物质的含量”与其他物理知识联系起来，解决量度问题，质量的定义才更科学、更完整。•请尝试从牛顿第二定律和万有引力定律出发，分别对质量下定义。•根据牛顿第二定律，用一个确定的力，对两个不同物体施加作用，获得的加速度的比值作为质量的反比，且与外力无关，唯一决定于两物体的属性。•这一属性称为物体的惯性质量，它描述了物体运动状态改变的难易尺度，是物体惯性大小的量度。•根据万有引力定律，质量既体现了产生引力场的能力，又体现了受引力场作用的能力。•因此，质量可以定义为“物体产生引力场和受引力场作用能力的量度”——引力质量•爱因斯坦曾说：地球以重力吸引石头而对其惯性质量毫无所知，地球的“召唤力”与引力质量有关，而石头所“回答”的运动则与惯性质量有关。•惯性质量＝等价？＝引力质量一、力学力的概念力的作用是相互的力的作用效果力的分类力与运动牛顿三定律功和能冲量和动量物体的运动匀变速直线运动曲线运动简谐振动、机械波一、力•力是物体对物体的相互作用！•任何情况下都对吗？•惯性力！•惯性系与非惯性系力的基本概念力是物体对物体的相互作用。力的效应•产生加速度（外效应）•产生形变（内效应）•力的效应取决于力的三要素。力都会产生内效应（形变）吗？？力的基本概念力的分类：性质分效果分•重力压力•弹力拉力•摩擦力推力浮力？？力的合成与分解•同一个力可以分解为无数对不同的分力。那么，力的分解应遵守什么原则。•如图所示，C是水平地面，A、B是两块长方形物块，F是作用在物块B上沿水平方向的力，物体A和B以相同的速度作匀速直线运动.由此可知，A、B间的动摩擦因数μ1和B、C间的动摩擦因数μ2有可能是().•(A)μ1=0，μ2=0•(B)μ1=0，μ2≠0•(C)μ1≠0，μ2=0•(D)μ1≠0，μ2≠0•如图所示，质量均为m的三块木块A、B、C，其中除A的左侧面光滑外，其余各侧面均粗糙.当受到水平外力F时，三木块均处于静止状态.画出各木块的受力图。•如图所示，重力大小都是G的A、B条形磁铁，叠放在水平木板C上，静止时B对A的弹力为F1，C对B的弹力为F2，则().•(A)F1=G,F2=2G•(B)F1G,F22G•(C)F1G,F22G•(D)F1G,F2=2G•如图所示，A、B两物体用细绳相连跨过光滑轻小滑轮悬挂起来，B物体放在水平地面上，A、B两物体均静止.现将B物体稍向左移一点，A、B两物体仍静止，则此时与原来相比().•(A)绳子拉力变大•(B)地面对物体B的支持力变大•(C)地面对物体B的摩擦力变大•(D)物体B受到的合力变大•某教师的教学设计二、重力、万有引力定律•重力的概念•失重和超重•质量和重力的关系•万有引力的规律及其特点•重力和万有引力的关系重力•重力的方向：竖直向下，指向地心？•物重是物体受到重力的简称•引力常量g只在地球表面附近时恒量，随高度和纬度会变化。超重与失重•物重视重：失重•物重视重：超重力的基本概念•由于物体加速度向下，所以失重；加速度向上，所以超重。这种说法对吗？•注意区别：超重与失重产生的原因、判断方法。力的基本概念•作为物理老师，你需要多久作出判断？你的判断对吗？天平的一边有一水杯，里面用细绳拉着一乒乓球，与另一边的砝码平衡。若细绳断开的瞬间，天平往那边倾斜？万有引力定律及其特点•万有引力定律公式•意义•牛顿认为：物体落地是由于地球对物体的吸引，而地球与物体间的引力可能与天体间的引力具有相同性质。他设计了著名的“月-地”检验。将天上的力和地上的力统一起来。•请根据当时的观察条件，设计所需的物理量，并进行验证。•应用公式计算的条件是：质点•重力是由于地球对物体的吸引作用而产生的。•什么地方的重力最大？什么地方最小？与地球对物体的万有引力最大误差多大？•以下推导与维度关系，与高度的关系请自行推导)cos0035.01()cos1(22FFfFGfFG2mlfcosRl2RmMGF弹力•胡克弹性力F=-kx•劲度系数k，是物质的固有属性吗？•产生原因的微观解释？？•普遍情形下的胡克定律：•在弹性限度内，物体的应力与应变成正比，Y为材料的杨氏模量•为什么弹力垂直支持面？Y弹性劲度系数kSFn的内力表示作用在单位面积上应力0ll变量表示单位长度的长度改应变00lYSkllYSFn劲度系数k不是材料固有的属性•将一弹簧分成等长的两段后，劲度系数k是否发生变化？•在弹性限度内，以力F拉弹簧，能使它伸长x，如果用四个这样的弹簧如图组成系统，要使这个弹簧系统也伸长x，需要多大的力？弹力实验如图甲所示，用轻质细绳把两个质量未知的小球悬挂起来，现对小球a持续施加一个向左偏下30。的恒力，并对小球b持续施加一个向右偏上30。的的同样大的恒力，最后达到平衡，表示平衡状态的图可能是图乙中的（）•阿特伍德机绳中的张力问题•如图，两木块质量分别是m1，m2，滑轮质量m，半径r。绳子不可升长且质量不计，摩擦不计。试讨论两段绳子的拉力大小。•对m1•对m2•对mamTgm111IRTRT21amgmT222•可见，一般情况下，弹力大小不等。•当则•若，滑轮匀速转动时，•若，滑轮质量不计时，mmm21mgTT2121mm21TT21mm21TT摩擦力•分析汽车行驶过程中，车轮的受力情况。自行车与地面的摩擦力摩擦力•已知滑块静止，质量为m。•判断以下各个接触面的摩擦力大小•“接触面越光滑，摩擦力越小，当接触面绝对光滑时，则摩擦力为零”对吗？•摩擦因数相同的平面，比较A行驶到B处的速度与B行驶到A处的速度大小（两个完全相同的弧）•自行车刹车是利用固定在车架上的橡皮对车轮施加摩擦而实现的，虽然自行车的前、后轮都可以实现刹车，但我们主要使用后轮的刹车，请解释原因。•有大小、有方向的量一定是矢量吗？•中学阶段学习的“+”“－”表述含义有那些？力概念的辨析质点的直线运动•位移与路程•速度与平均速度•加速度•质点匀变速运动的速度规律、位移规律，及重要推论•有人根据竖直上抛的初速度与最大高度之间的关系v0=(2gh)1/2判断，要把一物体竖直上抛到无穷远，初速度必须无穷大，这样判断对吗？•正确的速度应该多大？•如图所示，小球从竖直砖墙某位置静止释放做初速度为0的匀加速直线运动，用频闪照相机在同一底片上多次曝光，得到图中1、2、3、4、5.....(从上至下)所示小球运动过程中每次曝光的位置.连续两次曝光的时间间隔均为T,每块砖的厚度为d。根据图中的信息，下列判断正确的是•A.位置1是小球释放的初始位置•B.小球在位置3的速度大小为7d/2T•C.小球下落的加速度大小为d/T2•D.小球在位置5的速度大小为11d/2T•某同学对B“小球在位置3的速度大小为7d/2T有一个疑问：•根据△S=aT2，1-2为2d，2-3为3d，则从静止开始下落至1点应为d，时间为T。•如果用v2-v02=2ax来算v2=2·(d/T2)·(d+2d+3d),•v=2(3)1/2d/T•在初速度为零的匀加速直线运动中，相同时间的位移的比值是1:3:5:7:9，而相邻的两个位移的差就会是2，也就意味着相邻相等时间的位移差必须是第一个时间内位移的两倍•所以这个题目是以t/2为单位时间的匀加速直线运动•第一段位移去掉，再把2和3合并，4和5合并，6和7合并，得到比例为2:3:4:5曲线运动•研究的方法：极限细分法（分割）•运动合成与方法：独立性、等时性、矢量性•平抛的运动规律•斜抛的运动规律平抛运动22yxS02tanvgtxy222022tgvvvvyx0tanvgtvvxy2021gtytvx位移gtvvvyx0速度gaayx0加速度位移大小与水平方向夹角速度大小，夹角斜抛运动理论抛物线弹道曲线•根据题意，灵活使用运动合成与分解的方法。•讨论一个问题：动物管理员在森林里寻找到了一只丢失的猴子，立即用麻醉枪水平地射击，设子弹从枪口水平射出的瞬间，精明的猴子便从静止开始自由下落．猴子跑掉了吗？为什么？•如果猴子在比较高的树上，管理员是斜向上瞄准的，其他条件相同。猴子跑掉了吗？为什么？•爆炸的烟花为什么成“球形”？•平抛运动和斜抛运动可以用图像表示吗？4422202220tgtvstgvv圆周运动•向心力是等效力。•她有反作用力吗？•做圆周运动的物体失去向心力时，是沿切线方向飞出，还是沿矢径方向飞出？力与运动•牛顿运动定律：力是改变物体运动状态的原因。•根据牛顿第二定律：没有力（合外力为零）物体运动状态不改变，即保持静止或匀速直线运动。得到牛顿第一定律的结论！牛顿第一定律是第二定律的一个特例？•如何理解“惯性是力学的出发点”（恩格斯）力与运动•力学研究的是机械运动与相互作用规律及其应用的学科。机械运动时物体在空间位置的变化。•运动时绝对的，但是运动的描述是相对的。•要描述物体的运动，需要参考系，对不同的参考系，力学规律具有不同的表现形式。牛顿第二定律仅适用于惯性系。•如果是非惯性系，还需要增加一个非惯性力牛顿第三定律需要惯性系的前提吗？牛顿第二定律•使用条件和范围（宏观、低速）•质点•惯性系•运动速度•量子条件牛顿第三定律•有力必有源•作用力和反作用力等大，反向，共线•同一性质的力，同时产生、变化、消失•与参考系选取无关。•思考：力的传递需要时间，作用力与反作用力还能等时吗？•根据相对论观点，一个物体受到作用和另一个物体的反作用看成两个事件，这两个事件的同时性是与参考系的选择有关的。在一个惯性参考系中同时发生的事，在另一个惯性系中看来就不是同时的了。机械运动的量度•机械能守恒定律与动能定理•动能与动量•做功本领，机械运动状态•动能定理与动量定理•力的空间积累，力的时间积累•动量是以机械运动来量度的机械运动•动能是以运动转化为定量的其他形式的运动的能力来量度的机械运动。——恩格斯力与运动•