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01
运动的描述及规律
导入 走进运动的世界
我们生活在一个运动的世界。从浩瀚宇宙到微小粒子，自然 界的一切都在不停地运动。旋转的星系，飘浮的白云，奔驰的列 车，运转的车床……这是一个绚丽多彩、变化万千的运动世界。
人类自古以来便不断探索自然界运动的未知奥秘，渴望揭示 运动的规律。机械运动是最简单、最基本的运动形态。那么，如 何描述机械运动呢？本章我们从生活中常见的运动着手，学习与 机械运动相关的内容。
第一节 运动的描述
运动无处不在，我们处于运动的世界之中。人们用不同 的方式描述运动：音乐家用旋律和节奏表现运动；画家用形 态和色彩描绘运动；诗人用韵律和意境描写运动。那么物理 学怎样描述运动呢？通过本节的学习，我们将会得到答案。
第一节 运动的描述
02
运动具有相对性。因此，描述物体的运动就必须要选择 一个参照物，这个参照物称为参考系。选择的参考系不同， 描述运动的结果不一定相同。
例如，在行驶的列车中，座位 上坐着的人（图 1-1），若以列车为参考系，她相对于列车的 位置没有变化，是静止的；但以地面为参考系，她相对于地 面的位置则在不断变化，是运动的。
物理学中将一个物体相对于另一个物体的位置随时间的变化称为机械运动，简称运动。机械运动是自然界最基本、 最普遍的运动形式。
一、参考系 质点
例如，如图 1-2，若研究汽车从重庆到成都的运动时间，由于重庆与 成都间的距离远大于汽车的长度，汽车的大小和形状对所研 究问题的影响可忽略不计，则可将汽车抽象为一个只有质量、 没有大小的点，可用这个点的运动代替汽车的运动。
物理学中，把这种忽略物体的大小和形状而具有质量的点称为质点。 显然，质点不是真实的物体，它是一种理想化的物理模型。
一、参考系 质点
第一节 运动的描述
能否将一个物体视为质点，需根据研究的具体问题而定。 例如，研究地球绕太阳的公转时，由于地球和太阳之间的距离远大于地球直径，地球的大小和形状所引起的地球上各部分的运动差异可忽略不计，因此，可把地球视为一个质点。如果研究地球自转，地球的大小和形状则是影响问题研究的重要因素，这时就不能将地球视为质点。
一、参考系 质点
第一节 运动的描述
例如，2020年12月“嫦娥五号”实现了我国首次月球采样返回。图1-3中的时间数轴上，标出了嫦娥五号探测器从着陆月球到完成采样及封装所经历的时间是5时42分，始末时刻分别是“1日23时11分”“2日4时53分”。
二、时间与时刻
第一节 运动的描述
要描述物体的位置随时间的变化，就需要弄清时间和时刻两个物理量。时刻是指某一瞬时，时间是指两个时刻的间隔，通常都用t 表示。在表示时间的数轴上，时刻用点表示，时间用线段表示。时刻和时间的主要单位有秒、分、时，它们的符号分别为 s、min、h。
人们在日常生活中所说的“时间”，有时表示时刻，有时表示两个时刻之间的间隔，我们可根据具体情况确定其准确含义。如，上午 6 时开始早餐、7 时结束早餐，这里的“6 时”“7 时”是指早餐开始和结束的时刻，而早餐持续的时间1小时，则是这两个时刻之间的时间间隔。
二、时间与时刻
第一节 运动的描述
图 1-4 是北京故宫博物院的部分地图。 某同学按该地图分别沿不同路径（蓝色和绿色 虚线所示）从 A 位置走到 B 位置，尽管所走 路程不同，但其位置的变化是相同的；若该 同学从 A 位置出发，走了相等的路程（两条 蓝色虚线所示），分别到达 B 位置和 C 位置， 其位置的变化并不相同。
第一节 运动的描述
三、位移
可见，用路程这个物理量不足以描述物 体的位置变化。物理学中，用位移来描述物 体的位置变化。位移是一个既有大小又有方向的物理量，通常用字母 x 表示。位移可用一条从初位置指 向末位置的有向线段表示，该线段的长度表示位移的大小， 箭头方向表示位移的方向。
第一节 运动的描述
三、位移
位移既有大小又有方向，物理学中，像位移这样既有大 小又有方向的物理量称为矢量。路程是物体运动轨迹的长度， 只有大小，没有方向，像路程这样的物理量称为标量。
不同物体运动时，位置随时间的变化快慢通常不同，或者说物体运动有快有慢。如飞机飞行、磁悬浮列车行驶（图 1-5）、运动员奔跑、蜗牛爬行等。如何 描述物体运动的快慢呢？
第一节 运动的描述
四、速度
第一节 运动的描述
四、速度
物理学中，通常用平均速度和瞬时速度来描述物体运动的快慢。为了大致描述一段时间内物体运动的快慢和方向，人们建立了平均速度的概念。物体运动的位移与所用时间之比， 称为这段位移（这段时间）内的平均速度，通常用 表示，即
平均速度是矢量，其方向与位移方向相同。国际单位制中，平均速度的单位是米/秒，符号为m/s 或 。常用单位还有千米/时，符号为 。
第一节 运动的描述
四、速度
要准确描述物体在某位置（时刻）运动的快慢和方向，需要知道物体在某位置（时刻）的速度。物体在某位置（时刻）的速度，称为瞬时速度。瞬时速度是矢量，其方向与物 体的运动方向相同，它的大小称为瞬时速率，简称速率。
在生活中，人们通过一些仪器可直接读出速率。比如，驾驶员通过安装在汽车中的速度计（图1-6）能够直接读出汽车在某位置（时刻）的速率，交警可通过测速仪等装置直接读出过往车辆的速率。
通常，物体运动的速度会发生变化，而且变化的快慢不一定相同。例如，某高速列车起动（图 1-7），速度由0增加到300 km/h，约需500 s；某轿车起动（图1-8），速度由 0 增加到100 km / h，约需8 s。想想看，对于高速列车和轿车，在起动过程中，哪个的速度变化更快？
第一节 运动的描述
五、加速度
第一节 运动的描述
五、加速度
要比较速度变化的快慢程度，可比较在相同时间内速度 变化的大小。在上述问题中，我们可通过计算速度变化与所用时间之比进行比较。
在高速列车加速起动过程中，速度变化量与所用时间之比为= ，说明高速列车平均每秒速度的变化量为
0.167 m / s。
同理，在轿车加速起动过程中，速度变化量与所用时间之比为 ，说明轿车平均每秒速度的变化量为 3.47 m / s。
可见，虽然高速列车总体上速度变化较大，但轿车平均每秒速度变化比高速列车的要大，因此轿 车的速度变化更快。
第一节 运动的描述
五、加速度
如果用表示物体运动的初速度， 表示末速度，则在时间 t 内物体运动速度的变化量为，加速度 a 可用以下定义式表示：
在国际单位制中加速度的单位是/，符号为或，读作“米每二次方秒”。加速度是矢量，其方向与速度变化的方向相同。物体做加速直线运动时，加速度方向与速度方向相同；物体做减速直线运动时，加速度方向与速 度方向相反。
第一节 运动的描述
作业与活动
1. 某地出租车公司标明收费标准为“2 元 / 公里”，其中的“公里”指的是位移还是路程？
2. 2021 年 6 月 17 日，我国航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波乘坐神舟 十二号载人飞船与天和核心舱成功交会对接后，进入天和核心舱，标志着中国人首次进入自己的空间站。在研究下列问题时，能否把神舟十二号飞船看 成质点？请说明理由。
（1）地面控制人员在分析飞船在太空中的运动轨迹时；
（2）在与核心舱对接前调整飞船姿势时。
第一节 运动的描述
3. 某同学乘高速列车外出。11：08 时他观察到 车厢屏幕显示的速度大小为 79 km / h，过了一会儿，他再次观察屏幕，显示的信息如图所示。请据 此估算列车在这段时间内的加速度大小。
第一节 运动的描述
4.请通过图书馆或网络查阅资料，了解汽车导航系统的定位、测速功能，尝试用参考系、位置和速度等概念说明定位和测速的含义，与同学分享 你的调研结果。
项目任务与实践活动

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