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第一章
运动和力
目录
运动的描述
匀变速直线运动
重力　弹力　摩擦力
第三节　
力的合成与分解
第二节　
第一节　
第四节　
牛顿运动定律及其应用
第五节　
测量运动物体的速度和加速度
学生实验　
学习目标
◎了解质点的概念，体会物理模型在探索自然规律中的作用。
◎了解时间与时刻、路程与位移、速度与速率、矢量与标量的概念。
◎ 了解匀变速直线运动、自由落体运动的概念及特点。
◎了解重力、弹力、静摩擦力和滑动摩擦力的概念及特点。
◎了解力的合成与分解。
◎了解运动与力的关系，能分析常见物体的受力情况，并能进行简单计算。
学习目标
力学是一门古老的学科，它是研究运动与力及其相互关系和规律的一门学科。
这门学科虽然古老，但仍然是物理学的基础，也是科学和工程技术的基础。 在本章中，我们要学习运动和力及其规律，了解描述运动的基本概念，重点研究物体做匀变速直线运动的规律以及运动状态变化和力的重要关系，掌握牛顿运动定律在生产和生活中的应用。
第一节
运动的描述
第一节　运动的描述
2008 年 9 月 27 日 16 时 41 分 00 秒，是一个令全国人民万分激动的时刻。我国航天员打开神舟七号载人飞船轨道舱舱门，首度实施空间出舱活动，茫茫太空第一次留下中国人的足迹 ( 图 1-1)。宇航员在随飞船运动的同时，又做出了许多动作，你能用一句话表达出这些动 作的共同特点吗？
一、质点
由于运动物体各部分的位置变化十分复杂，要想详尽地描述物体的位置及其变化是十分困难的。 首先，为了找到物体运动的基本规律，我们需要对物体进行合理的简化。例如，一辆汽车在公路上行驶，尽管它的发动机、传动结构及车轮的运动是很复杂的，但是，当我们研究汽车运动到什么地方、运动的快还是慢等情况时，可以用一个“点”代替汽车（图 1-2）。
一、质点
也就是说，如果在所研究的问题中物体的大小和形状不起作用，或者所起的作用很小，就可以把物体看作一个只有质量而没有大小和形状的点。用来代替物体的有质量的点叫作质点。
一、质点
想一想
当我们研究汽车在狭窄车道上转弯（图 1-3）的情况时，汽车的长度和宽度是否可作为
重要数据？是否可以忽略其数值？是否可以将汽车作为“一个点”来代替？
一、质点
小提示
质点是一种理想化模型。在物理学研究中，为突出物体的质量属性，忽略物体的大小和形状等次要因素，而建立的“代表物体质量的点”称为质点。将理想化模型作为研究对象，可使物理问题的研究大大简化，这是我们在学习中经常用到的一种物理科学方法。
二、时间与时刻
物体的运动总是伴随着时间和空间而进行的。在表示时间的数轴上，一个点表示一个时刻，而两个点之间对应的线段表示时间。比如上午 8 点开始上课，8 点 45 分下课，这里，8 点就是指这一节课的开始时刻，称为初时刻，同时 8 点 45 分称为末时刻。这两个时刻之间相隔 45 min，这就是一节课所经历的时间。今后我们要注意科学地表 达它们，如 3 s 内、前 3 s、第 3 s、3 s 末、第 3 s 初、第 3 s 末等，如 图 1-4 所示。
三、位置与坐标
研究运动，离不开描述物体在空间中的位置在生活中，怎样描述一个物体的位置呢？如果某一乘客在车站下 车后沿着一条东西方向的道路行走，当他告诉你他到了车站东面 2 km 处时，你能够很清楚他的位置。但如果他只说自己距离车站 2 km，你就无法确定他的位置，因为你不知道他在车站的哪一侧。在物理学中，通常借助数学的方法建立坐标系来描述物体的位置。
三、位置与坐标
质点做直线运动时，我们可以取这条直线为坐标轴（x 轴），以轴上的某个参考点为原点 O ，规定好坐标轴的正方向和单位，质点的位置由它的位置坐标，即一个带有正负号的数值来确定。比如，我们要确定上述乘客的位置，可以取 x 轴的正方向为东，并且取车站为坐标原点x （图 1-5），那么乘客所说位置的坐标应记为 =+2 km。
同样，如果质点不在一条直线上运动，而在平面内运动，我们也可以用直角坐标系中的坐标来描述它的位置。
四、位移与路程
一个人想要从天津到上海去开会，可以选择火车、飞机和轮船三种不同的交通工具，即三种不同的出行方式。三种出行方式所经过的路径不同，轨迹的长度也不同。但是就位置的改变来说，效果是相同的，都是从初位置—天津到达了末位置—上海（图 1-6）。显然，用路程这个物理量不能表达这种相同的运动效果。
四、位移与路程
为了表达这种相同的运动效果，在物理学中，引入了位移这个概念。物体运动的轨迹长度叫作路程，从物体的初始位置指向末位置的有向线段，叫作位移。在国际单位制中，位移的单位是米，符号为 m，常用单位还有千米（km）等。位移不但有大小，而且有方向，通常用字母 s 表示。图 1-6 中人的位移的大小是指物体从初始位置 A 指向末位置 B的有向线段的长度， 位移的方向是由初始位置 A 指向末位置 B ，如图 1-7 所示。
五、速度与速率
物体沿一直线运动，如果在任何相等时间内的位移都相等，这种运动称为匀速直线运动，简称匀速运动。在匀速运动中，蜗牛、汽车和火箭等的运动情况明显不同，有的运动得快，有的运动得慢。为了表达它们的这种差别，我们引入速度的概念。速度的大小等于位移 s 与发生这段位移所用时间 t 的比值，即
v=
在国际单位制中，速度的单位是米每秒，符号为 m/s，常用单位还有千米 / 时（km/h）等。速度是既有大小，又有方向的物理量。速度的方向就是物体的运动方向。
五、速度与速率
在自然界中，做匀速直线运动的物体是比较少的，一般来说，物体的速度总是经常在改变的。例如，火车进站时越来越慢，出站时越来越快。这种速度随时间而改变的运动叫作变速运动。 在变速运动中，物体运动的位移 s 与发生这段位移所用的时间 t 的比值，叫作这段时间内的平均速度，用 v 表示，即
v=
五、速度与速率
平均速度并不能告诉我们列车在每一时刻运动快慢的真实情况，只是粗略地描述物体在一段运动中总体的快慢程度。要精确地描述变速直线运动，就要知道物体在每一时刻（或每一位置）运动的快慢。我们把运动物体在某一时刻（或某一位置）的速度，叫作瞬时速度， 简称速度。瞬时速度的方向与物体经过某一位置时的运动方向相同，它的大 小叫作瞬时速率，简称速率。
五、速度与速率
技术上通常用速度表来测定瞬时速率。乘汽车时注意一下仪表盘上的速度表（图 1-8），就会发现速度计指针所指的数值随着行驶快慢的改变而改变。如果某一时刻指针指着“80”，就说明汽车在这一时刻的速率是 80 km/h，意思是假如汽车从这一时刻开始匀速行驶 1 h，那 么它将驶出 80 km。
六、矢量和标量
我们在初中学过长度、质量和时间等物理量。这些物理量只有大小没有方向。而前面学习的位移、速度等物理量，它们既有大小，又有方向。 我们把既有大小又有方向，且它的合成遵守平行四边形定则的物理量叫作矢量。除位移以外，在物理学中还有很多矢量，如速度、力就是这类物理量。而长度、时间、质量和温度等只有大小没有方向的物理量叫作标量。
七、单位制
由基本单位和导出单位组成的一个单位系统叫作单位制。目前，绝大多数国家和我国都在积极推广国际单位制，它是 1960 年第 11 届国际计量大会通过的。国际单位制的基本单位有 7 个，如表 1-1 所示。
七、单位制
有了上述 7 个基本单位，其他物理量的单位都可以应用公式推导 s出来，叫作导出单位。例如，由公式 v = 可推知速度的单位是米 / 秒。t 上述 7 个基本单位和以此推出的导出单位组成了一个完整的单位系 统—国际单位制。掌握单位制的知识对于物理计算十分重要。在今后的计算中，只要各物理量统一使用国际单位制中的单位，就不必将单位代入公式运算，只需写出待求物理量的单位即可。
课后思考
1. 下述物体中，可以看作质点的是（　　）。
A. 正常运行中的手表的秒针 B. 通过大桥的火车
C. 自转的地球　　　　 D. 公路上行驶的公交车
2. 下列各组物理量中，全部是矢量的是（　　）。
A. 长度、质量、位移　　　 B. 力、位移、速度
C. 位移、温度、面积　　　 D. 体积、速率、时间

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