浅析参考系

论文分类号：G40密级：无学士学位论文浅析参考系在中学物理教学中的运用系别专业：教育系物理专业姓名学号：李旭0940109年级班级：2009级1班指导教师及职称：张立伟教授2013年4月I目录目录...............................................错误!未定义书签。摘要...............................................错误!未定义书签。英文摘要............................................错误!未定义书签。引言...............................................错误!未定义书签。一、选择参考系的原则................................错误!未定义书签。（一）假定为静止.................................错误!未定义书签。（二）任意选取参考系，实际选取时以简单方便为原则..................2二、参考系的妙用....................................错误!未定义书签。（一）在热学中参考系的运用.......................错误!未定义书签。（二）在声学中参考系的运用........................................3（三）在光学中参考系的运用........................................4（四）在电学中参考系的运用........................................5（五）在力学中参考系的运用........................................6三、参考系在解决实际问题中的运用.....................................6四、参考系的选取对碰撞问题的解决.....................................8结论................................................................11参考文献............................................................12II摘要在中学物理教学中，许多疑难问题研究与解决的关键往往与参考系有关，恰当巧妙地选择参考系往往起着关键作用。那么，什么是参考系呢？参考系，也叫参照系，就是一切物体都在运动，在研究一个物体的运动时首先要确定物体的运动时相对哪一个物体来说的，这个被人们选来作参考标准的物体或物体系。在解决一些问题时选取合适的参考系可以起到意想不到的效果。关键字：参考系；参照物；静止；运动；加速度；速度；相对静止；相对运动IIIAbstractThereferencesystemisalltheobjectsareinmotion,inthestudyofthemotionofanobjectmustfirstdeterminetheobjectmovementrelativetowhichanobject,thishasbeenselectedtobeusedasareferencestandardbodyorsystem.Insolvingsomeproblemswhenselectingtheappropriatereferencesystemcanplaytobeatalleffect.Keyword：Frameofreference；reference；motion；static；speed；acceleration；relativemotion；relativerest1引言参考系，又称参照系，指研究物体运动时所选定的参照物体或彼此不作相对运动的物体系。可以根据牛顿力学定律在参考系中是否成立这一点，可以把参考系分为惯性系和非惯性系两类，在中学阶段我们主要是研究惯性参考系。而在中学阶段其有具体的概念：由于一切物体都在运动，在研究一个物体的运动时首先要确定物体的运动时相对哪一个物体来说的，这个被人们选来作参考标准的物体或物体系叫做参考物或参考系（或参照物.参照系）。在我们一开始学习参考系的概念的时候，首先学习什么是运动，所谓运动就是物体与物体之间的位置发生变化称为机械运动简称“运动”。如果物体相对于参考系的位置发生了改变，那么，就表明物体相对于参考系在运动；如果物体相对于参考系的位置没有发生改变，那么，就表明物体相对于参考系是静止的。同一个物体相对于不同物体的参考系，运动的状态是可以不同的。在运动学中，参考系的选择可以随着研究对象的不同而任意选择。研究和描述物体的运动，只有在选定参考系后才能进行。所以，如何选择参考系至关重要，必须从具体情况来具体分析。一、选择参考系的原则例如：在某次实验中，一个星际火箭在刚刚发射时，主要是研究星际火箭相对于地面的运动，所以可以把地球选作参考系。但是当火箭进入绕太阳运行的轨道时，为了研究方便，可以将太阳选作参考系。为研究地面上的物体运动，往往选地球或地面作为参考系，观察坐在飞机上的乘客，若以飞机为参考系来看，乘客是静止的，如以地面为参考系来看乘客是运动的，因此，选择参考系是研究问题的关键之处。在教学活动中参考系的活学活用既是重点也是难点。在面对相应的问题用好了作用很大，往往起到“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的效果。关于“参考系”，说起来很简单，主要有两个要点：（一）假定为静止选什么物体作为参考系，那么你在研究问题时，必须在心里认定假设物体是静止的，把你研究的问题的对象去与参考系对比，来描述对象的运动情况，注意这个对象所有的关于运动方面的物理量（包括:速度.位移.加速度等等）都由此参2考系来确定。（二）任意选取参考系，实际选取时以简单方便为原则参考系可以任意选取是因为世界上万事万物都在运动，其实地位上是平等的。以上两点说起来时是这样的，不过用起来还是有不少玄妙之处。在高中阶段默认的参考系时地面，通常选择的面是可以把要研究的问题研究清楚的。但是在有些问题中，如果参考系选得较为合适，问题就会变得很简单。不敢说“简单明了”，因为参考系选的不一样以后就不一定能够想得明白了，所以选择非地面为参考系，一定要事先说明，并给出一定的分析和对比。二、参考系的妙用物理主要分为力，热，声，光，电，五大部分，参考系在其中的运用十分广泛为我们对概念和物理现象有了更好的理解，大大提高了我们的教学和学习效率，下面我们来具体看看它们的运用。（一）在热学中参考系的运用热学中研究的是大量粒子组成的系统，如一定量的气体或晶体。它有两部分，一部分是粒子（如分子或离子）无规则运动动能的总和；另一部分是粒子间势能的总和。按势能概念，分子间的势能是和参考系无关的。由于动能直接依赖于参考系，所以内能中的动能必须是对质心系说的，它是粒子无规则运动的动能。换一个参考系，系统的动能就要加上相对于该参考系计算的整个系统作为整体的动能，即质心的动能。这部分是所有粒子按同一速度（即质心速度）运动的动能，也就是粒子有规则运动的动能。它不包括在热学中研究的系统的内能之内。物体的温度是其中分子无规则运动的平均动能的量度。这平均动能就是质心系中分子运动的平均动能。分子的有规则运动（它表现为系统整体的运动）的动能不包括在这个平均动能之内，因而温度概念和系统的整体运动无关。例如，我们不能根据飞鸟的飞行速度确定其身体的温度，因为飞行速度是飞鸟体内所有分子的共同速度。热学中有时也讨论系统内部有不均匀流速或有温度分布的非平衡态问题，这时对各局部考虑热运动时需要应用局域质心系。一个系统，如气缸中封闭的一定量的气体，它的内能是可以发生变化的。这是外界对系统做功的结果。在分子运动的层次上谈论对系统做的功，可能有两种情况。一种是系统发生了宏观位移。3在质心系中系统发生宏观位移，质心自然是不移动的，也就是系统整体并不发生移动。宏观位移只可能是系统的形状或体积发生变化时显示出来的，如活塞压缩气体使气体体积缩小而发生的宏观位移。和这一部分位移相对应，外界对系统要做宏观功。这宏观功就是通常所说的功。在这一过程中有分子的无规则运动和外界的有规则运动的相互转化。有一个运用最简单而且很实用，我们在中小学研究热学时用的最多的，是从宏观角度来看的温度，我们测量温度用的是温度计，温度计中的液柱是随着外界的环境温度或我们所测量的物体的温度的变化而可以不断发生变化，从而移动但是我们不知道它具体变化了多少，只知道温度是升高了还是降低了。无法用于具体的计算，这时温度计上的刻度就是参考系，将温度计里的液柱的运动情况具体描述出来了，反应出温度的具体数值。（二）在声学中参考系的运用在中学学习声学时主要是具体研究和讨论声速的测量方法与解决相关的问题.声音是看不见的而且速度约340m/s（空气中）。我们不能像测量宏观物体那样来计算.例如：利用回声来测量距离的长短，就是利用声音的反射来判断声音的发出和接受装置就是参考系声音的运动就是围绕它来研究的,距离=（声速*时间）/2。例题：海面的船只上站着一个人，在海面下150m处发出一次响声后，此人在海面上很快听到两次响声，两次响声间隔0.4s，若声音在海水中的传播速度是1500m/s，求海底的深度．分析:这道题的原理就是声音的反射，但是这道题的难点是两次响声的来源,其中一个响声是声源发生直接传入人耳中，另一个是向海底传播反射后进入人耳中。如图：4解：11t=0.4s0.41500s=s+t=m=450m2v声（）/2150+得解。（三）在光学中参考系的运用在中学阶段主要是研究光的反射和折射，并且利用光的反射和折射来计算反射角和折射角，光从一个介质反射或折射到另一个介质时光本身遵从反射和折射定律，而介质就是光学中的参考系。例题：—般认为激光器发出的是频率为v的“单色光”，实际上它的频率并不是真正单一的，激光频率v是它的中心频率，它所包含的频率范围是v（也称频率宽度）。让单色光照射到薄膜表面，一部分从前表面反射回来（这部分称为甲光），其余的进人薄膜内部，其中的一小部分从薄膜后表面反射回来，并从前表面射出150m5（这部分为乙光），甲、乙这两部分光叠加而发生干涉，称为薄膜干涉。乙光与甲光相比，要多在薄膜中传播一小段时间t。理论和实践都证明，能观察到明显的干涉现象的条件是：t的最大值mt与v的乘积近似等于l，即只有满足1mtv，才会观察到明显的稳定的干涉现象。已知某红宝石激光器发出的激光144.3210vHz，它的频率宽度98.010vHz，让这束单色光由空气斜射到折射率2n的液膜表面，射入时与液膜表面成45°角，如图所示。（1）求从O点射入薄膜中的光线的传播方向及传播速率。（2）估算如图所示的情景下，能观察到明显稳定干涉现象的液膜的最大厚度材md光的反射（1）设从O点射入薄膜中的光线的折射角为，根据折射定律有：sin45/cosnr。所以折射角为451arcsin()arcsin302rn。光在薄膜中的的传播速率：82.1210/cvmsn。（2）乙光在薄膜中经过的路程2cosdsr。乙光通过薄膜所用的时间2cossdtvvr。当t取最大值mt时，对应的薄膜厚度最大。又因为1mtv，所以21cosmdvrv，解出2cos1.15102mvrdmv。（四）在电学中参考系的运用参考系在电学中主要是在研究微观电子的运动和电场的运动规律有一定作用。例如：（上海物理—2A）如图5所示，把电量为－5×10－9C的电荷，从电场中的A点移到B点，其电势能______（选填“增大”、“减小”或“不变”）；若A6点的电势UA＝15V，B点的电势UB＝10V，则此过程中电场力做的功为________J。分析与求解：把电荷由A点移到B点，电场力做的功为W=QU=-2．510-8J，由于电场力做负功，故电荷的