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4.1 机械运动
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本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 知道机械运动的概念，能判断物体是否做机械运动 · 理解参照物的概念，会根据参照物判断物体的运动状态 · 理解运动和静止的相对性，能运用其解释生活现象 · 知道速度的概念、公式及单位，会进行单位换算 · 理解匀速直线运动，能读懂s-t图像和v-t图像 · 了解运动与能的关系，知道常见的能量形式 · 判断机械运动→看空间位置是否随时间变化 · 判断运动状态→选定参照物→比较位置是否变化 · 比较快慢→相同时间比路程或相同路程比时间 · 计算速度→确定s和t→代入公式→注意单位统一
教材精研·内容全解
考点01 机械运动与参照物
1. 机械运动的概念
在自然界中，老鹰俯冲抓鱼、月亮升起、汽车行驶、蜗牛爬行等，这些运动物体都有一个共同特点，就是它们的空间位置不断地发生变化。我们把物体空间位置随时间变化的运动叫作机械运动。机械运动是自然界中最直观、最常见的一种运动形式，如浩瀚太空中的天体运动、风驰电掣的列车运行、街道上车来人往、导致地表变迁的地壳板块运动、大气和江河水的流动等，都属于机械运动。判断一个物体是否做机械运动，关键是看物体的空间位置是否随时间发生了变化。
2. 参照物
人们判断物体是运动的还是静止的，总是先选取某一物体作为参照物。相对于这个参照物，如果物体的位置发生了变化，就说它是运动的；如果没有变化，就说它是静止的。判断物体是否运动，首先要选定参照物。参照物可以根据需要来选择，既可以是运动的物体，也可以是静止的物体，但应注意：不能选择研究对象自身作为参照物，因为物体以自身为参照物永远是静止的；参照物的选择应有利于问题的研究。
3. 运动和静止的相对性
选取的参照物不同，对同一个物体运动情况的描述也会不同。如果以地面为参照物，教学楼、树木等物体都是静止的；如果以太阳为参照物，这些物体又是运动的。可见，运动和静止是相对的。运动和静止的相对性具有十分重要的实际意义，在生活和科技活动中有很多应用。例如，高铁上的学生，车上的人认为他是静止的，车外的人认为他是运动的，正是因为选择的参照物不同。
4. 参照物选择的应用
运动和静止的相对性在生活和科技中有着广泛应用：（1）空中加油：飞机在空中加油时，要求受油机和加油机保持相对静止，即两架飞机以相同的速度同向飞行，以加油机为参照物，受油机是静止的。（2）风洞实验：在风洞中，高速气流掠过静止的飞行器，与飞行器在空气中高速运动的效果相近。以气流为参照物，静止的飞行器是运动的。（3）空间交会对接：两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体。对接后，以核心舱为参照物，飞船是静止的；以地球为参照物，飞船是运动的。（4）接力赛跑：4×100米接力赛中，传接棒时两运动员应保持相对静止，即以相同速度同向奔跑，便于顺利完成传接棒。
风洞实验——以气流为参照物，飞行器是运动的 空间交会对接——两个航天器保持相对静止 皮划艇比赛——以队友为参照物，运动员是静止的 接力赛传接棒——两运动员保持相对静止
考点02 运动的描述
1. 直线运动与曲线运动
物体从一个位置运动到另一个位置，总要经过一定的路线。根据物体运动路线的形状，可以将物体的运动分为直线运动和曲线运动。曲线运动是自然界中物体普遍存在的运动形式，一般来说，直线运动比曲线运动要简单。研究物体的机械运动，我们可以从相对简单的直线运动开始。例如，汽车在平直公路上行驶是直线运动，过山车沿弯曲轨道运动是曲线运动。
2. 分类方法
分类是基于研究对象的某种特征将它们区分为不同类别的方法。例如，我们可以按植物是否有种子，把植物分为有种子植物和无种子植物；按物体运动路线的形状，把运动分为直线运动和曲线运动。分类必须先提出分类标准，再将对象按标准区分归类。分类应突出事物的特征，使事物之间的关系变得更加清晰。
考点03 比较运动快慢的方法与速度
1. 比较运动快慢的两种方法
运动的物体，有的运动得快，有的运动得慢。比较物体运动的快慢有两种方法：一种是在相同时间内，比较物体通过的路程，通过路程长的物体运动快；另一种是比较物体通过相同路程所用的时间，所用时间短的物体运动快。例如，观看运动员100 m赛跑，在运动员都还没有跑到终点前的某一瞬间，他们所用时间相同，跑在最前面的人跑过的路程长，跑得更快；当运动员都跑到终点时，他们跑过的路程相同，所用时间越短的运动员跑得越快。可见，表示物体运动快慢必须同时考虑路程与时间两个因素。
比较物体运动的快慢——相同时间比路程或相同路程比时间
2. 速度的定义及公式
科学上，比较物体运动的快慢，常采用“时间相同，比较路程”的方法，也就是用物体运动的路程除以所用的时间。物体的运动路程与所用时间的比叫作速度。速度可以定量描述物体运动的快慢，在数值上等于物体在单位时间内通过的路程。用s表示路程，t表示时间，v表示速度，则速度公式为：
3. 速度的单位及换算
速度单位由长度单位和时间单位组合而成。在国际单位制中，速度的基本单位是米每秒，符号是m/s。常用的速度单位还有千米每小时，符号为km/h。这两个单位的关系是：1 m/s = 3.6 km/h。例如，非洲羚羊奔跑的速度为20 m/s，城市道路上汽车的速度为30 km/h，将汽车速度换算为m/s：30 km/h ≈ 8.33 m/s，因为20 m/s > 8.33 m/s，所以非洲羚羊比汽车运动得快。人走路的速度约为5 km/h，自行车骑行约为15 km/h，汽车在高速公路上行驶约为100至120 km/h，高速铁路列车约为250至350 km/h。
考点04 匀速直线运动与变速直线运动
1. 匀速直线运动
一个物体沿直线运动，如果在相等的时间内，通过的路程相等，它的速度是不变的。我们把物体沿直线且速度不变的运动叫作匀速直线运动。匀速直线运动是最简单的运动，是快慢不变的运动。在日常生活中，如果物体在运动过程中速度几乎不变，轨迹近似为直线，通常看作匀速直线运动。例如，人随电动扶梯的运动可看作匀速直线运动。
2. 变速直线运动
物体在一条直线上运动，如果在相等的时间内通过的路程不相等，这种运动就叫作变速直线运动。在许多情况下，我们不需要精确地考察每一时刻的运动，可以测量某物体通过的某段路程与所用的时间，根据速度公式求得比值，得知物体这段时间的运动快慢，这个速度叫作平均速度。例如，苹果下落过程中速度越来越快，属于变速直线运动；某同学百米赛跑过程中，起跑阶段较慢、冲刺阶段较快，整个过程也是变速运动，可以用总路程除以总时间求得平均速度。
测量物体运动的平均速度——用总路程除以总时间
【知识扩展】 3. s-t图像与v-t图像
在科学中，常用路程-时间图像（s-t图像）和速度-时间图像（v-t图像）来描述物体的运动。（1）s-t图像：纵轴表示路程s，横轴表示时间t。在匀速直线运动中，路程与时间成正比，s-t图像是一条过原点的倾斜直线，直线的倾斜程度（斜率）表示速度的大小，倾斜程度越大，速度越大。若s-t图像为水平线，说明路程不随时间变化，物体处于静止状态。（2）v-t图像：纵轴表示速度v，横轴表示时间t。在匀速直线运动中，速度不变，v-t图像是一条水平线。若v-t图像为倾斜上升的直线，说明速度随时间增大，物体做加速运动。
考点05 速度的应用
1. 速度公式及其变形
根据速度公式v=s/t，如果我们测得速度、路程、时间三个量中的任意两个量，就可以利用这个公式及其变形公式计算出第三个量，帮助我们解决遇到的一些问题。变形公式为：已知速度和时间求路程，s=vt；已知路程和速度求时间，t=s/v。例如，某人过斑马线前看到绿灯亮的时间还剩6 s，斑马线区域道路宽度为15 m，如果他步行的速度为2 m/s，则在6 s内通过的路程为s=vt=2 m/s×6 s=12 m，因为12 m小于15 m，所以在绿灯熄灭前他不能穿过斑马线区域。
2. 交通中的速度——限速与测速
在生活中，速度是人们比较关注的一个量。为了保障交通安全，必须对交通工具的速度进行限制。道路上的限速标志牌表示该路段允许车辆行驶的最大速度，单位通常为km/h。汽车上的速度仪可以直接读出汽车行驶的瞬时速度。街头的电子测速仪能自动测量并记录过往车辆的速度，用于判断车辆是否超速。在高速公路上，还常采用区间测速的方法，即测量车辆通过某一路段的总路程和总时间，计算出平均速度，判断是否超速。
道路限速标志——限制车辆行驶的最大速度
考点06 运动与能
1. 机械能
运动是自然界最普遍的现象。万物都在运动，形式多种多样。天体的运行、河水的流淌、鸟的飞翔、人的行走、蒲公英种子的飘散等，都属于机械运动。这些做机械运动的物体都具有机械能。运动的物体具有能量，物体运动的速度越大、质量越大，具有的机械能通常也越大。
2. 其他形式的能
物体的运动有多种多样的形式，能也有多种形式。人和动物的运动要消耗能，消耗的能可以从食物中得到补充，储存在食物中的能属于化学能。汽油、木材、天然气、沼气、煤炭等燃料储存的能也属于化学能。电力机车通电后才能行驶，家用电器通电后才能工作，表明电具有电能。用遥控器遥控机器时，遥控器发出电磁辐射，具有的能属于电磁能，光也是一种电磁能。不但物体的机械运动需要能，植物、动物、人进行生命活动也需要能，每时每刻都离不开能。
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 判断物体是否做机械运动，关键是看物体的空间位置是否随时间发生变化。“花香满园”“雪花飘飘”等现象没有物体位置变化，不属于机械运动；而“飞机飞行”“河水流动”“月球公转”等均有位置变化，属于机械运动。 2. 参照物一旦选定，就被认为是不动的。不能选择研究对象自身作为参照物，因为物体以自身为参照物永远是静止的，这样就失去了判断的意义。 3. 运动和静止是相对的。同一个物体，选择不同的参照物，其运动状态的描述可能不同。如空中加油时，以地面为参照物两架飞机都是运动的，以加油机为参照物受油机是静止的。 4. 速度公式v=s/t中，匀速直线运动的速度v是一个定值，由路程与时间的比值决定，但不随s或t的变化而变化。不能说“速度与路程成正比，与时间成反比”。 5. 单位换算时注意方向：1 m/s = 3.6 km/h，即m/s是更大的单位。如30 m/s = 108 km/h，而30 km/h ≈ 8.33 m/s。换算时容易弄反，导致速度大小判断错误。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 下列各种现象中，不属于机械运动的是（ ）
A. 飞机在天空中飞行
B. 月球绕地球公转
C. 花香满园
D. 河水在河中流
答：__________
2. 关于参照物的选取，下列说法正确的是（ ）
A. 只有静止不动的物体才能选作参照物
B. 只有运动的物体才能选作参照物
C. 参照物的选取是任意的，但应有利于问题的研究
D. 研究地面上物体的运动时，必须选择地面作为参照物
答：__________
3. 关于速度公式v=s/t，下列说法正确的是（ ）
A. 运动的路程越长，速度越大
B. 速度是表示物体运动快慢的物理量
C. 运动的时间越短，速度越大
D. 速度与路程成正比，与时间成反比
答：__________
4. 某物体做匀速直线运动，其路程-时间（s-t）图像的特点是（ ）
A. 一条水平直线，表示路程不随时间变化
B. 一条过原点的倾斜直线，表示路程与时间成正比
C. 一条曲线，表示路程随时间加速增大
D. 一条先上升后下降的曲线
答：__________
5. 一辆汽车在高速公路上以108 km/h的速度匀速行驶，该速度合多少m/s？（ ）
A. 10 m/s
B. 30 m/s
C. 108 m/s
D. 3.6 m/s
答：__________
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. “坐地日行八万里，巡天遥看一千河”这句话说明了什么物理道理？请加以解释。
答：________________________________________________
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2. 某人步行的速度为1.2 m/s，他通过一条宽度为15 m的斑马线需要多长时间？请通过计算说明。
答：________________________________________________
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3. 请举例说明运动的物体具有能量，并列举两种不同形式的能。
答：________________________________________________
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参考答案
1. C 解析：“花香满园”是分子扩散现象，没有物体空间位置的变化，不属于机械运动。飞机飞行、月球公转、河水流动均有物体空间位置随时间变化，属于机械运动。
2. C 解析：参照物可任意选择，既可以是运动的物体，也可以是静止的物体，以方便研究问题而定。研究地面上的物体时不是必须选地面为参照物。
3. B 解析：速度是表示物体运动快慢的物理量，B正确。路程越长但不知道时间，无法判断速度大小，A错误；时间越短但不知道路程，无法判断速度大小，C错误；匀速直线运动的速度是定值，不随s或t变化，D错误。
4. B 解析：匀速直线运动中，路程与时间成正比，s-t图像是一条过原点的倾斜直线。水平直线表示静止，曲线表示变速运动。
5. B 解析：108 km/h = 108 ÷ 3.6 m/s = 30 m/s，故选B。
简答题参考答案：
1. “坐地日行八万里”说明了运动和静止的相对性。人坐在地面上，以地面为参照物，人是静止的；但地球在自转，以太阳为参照物，人随地球一起运动，一日已行了八万里路。这表明同一个物体，选择的参照物不同，其运动状态的描述也不同，运动和静止是相对的。
2. 根据速度公式v=s/t的变形公式t=s/v，已知s=15 m，v=1.2 m/s，则t=15÷1.2=12.5 s。他通过斑马线需要12.5秒。
3. 运动的物体具有能量，如奔跑的猎豹具有机械能，流动的水具有机械能。不同形式的能包括：食物和燃料中储存的化学能、电具有的电能、光和电磁辐射具有的电磁能等。

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