内容正文:
第二节 位置 位移
【素养目标】 1.能用坐标表示物体的位置。2.理解位移的概念,并能用位移来反映物体的位置变化。3.认识位移和路程的区别。认识标量和矢量的区别。4.理解位移—时间图像的意义,并能通过位移—时间图像描述物体的运动情况。
知识点一 位置
[情境导学] 某段平直公路沿线每隔1 km设置一块用以指示相对起点的里程碑。
(1)如果以某一里程碑为起点,司机能不能确定在某段时间内所走的距离?
(2)如果以某一里程碑为起点,以司机行驶的方向为正方向,建立坐标系,能否用来表示司机的位置?
提示:(1)能 (2)能
(阅读教材P8完成下列填空)
1.位置:运动质点某一时刻在空间所处的地方。
2.坐标系表示质点位置
(1)建系目的:为了表示运动质点的位置。
(2)表示方法:质点的位置,可由质点在坐标系中的坐标来确定。
(3)直线坐标系:表示物体做直线运动时的位置。
(4)平面直角坐标系:表示物体在某一平面上运动时的位置。
[问题探究] 建立一维坐标系可以确定某段平直高速公路上的汽车的位置。确定航行在浩瀚大海中的轮船和翱翔在蔚蓝天空中飞机的位置又应分别建立怎样的坐标系呢?
提示:二维坐标系和三维坐标系。
有一口井,水面距井口4 m,现用水桶从井中提水(如图所示),水桶出井后又将其提升了1 m。选井口处为坐标原点,以水桶竖直向上提升的路线为x轴,向上为正方向,则水桶在水面时的位置和最后的位置坐标分别为( )
A.4 m,1 m B.-4 m,1 m
C.5 m,0 D.-5 m,1 m
答案:B
解析:选井口处为原点,向上为正方向,则水桶在水面时在井口的下方,离井口的距离为4 m,故坐标为-4 m;出井后,最后位置在井口上方1 m处,故坐标为1 m,B正确。
根据报道,中国亚丁湾护航舰,由西向东航行时突然发现有一海盗船,据定位系统测量知,海盗船在其正前方1 000 m且偏南方向500 m处。若以军舰位置为坐标原点。
(1)请建立直角坐标系,并在坐标系中标出海盗船的位置;
(2)计算海盗船与军舰之间的距离。
答案:(1)见解析图 (2)5×102 m
解析:(1)以军舰位置为坐标原点,选取向东方向为y轴的正方向,向南方向为x轴的正方向建立直角坐标系
海盗船的x轴坐标为x=500 m
y轴坐标为y=1 000 m
其坐标位置如图所示。
(2)海盗船与军舰之间的距离为
s= m=5×102 m。
学生用书第7页
1.建立坐标系是为了定量描述物体的位置和运动。
2.三种坐标系的比较
分类
项目
直线
坐标系
平面直角
坐标系
空间直角
坐标系
建立
方法
在直线上规定原点、正方向和单位长度,就建立了直线坐标系
在平面内画相互垂直的x轴与y轴,即可组成平面直角坐标系,物体的位置由一对坐标值确定
在空间画三个相互垂直的x轴、y轴和z轴,即可组成空间直角坐标系。物体的位置由三个坐标值来确定
应用
实例
M点位置坐标:
x=2 m
N点位置坐标:
x=3 m,y=4 m
P点位置坐标:
x=2 m,
y=3 m,
z=4 m
知识点二 位移 矢量和标量
[情境导学] 从北京去重庆有三种方式:乘火车,乘飞机,乘火车到武汉然后乘轮船沿长江而上。
(1)三种方式运动轨迹的长短相同吗?
(2)轨迹最短的是哪一种方案?
(3)三种方式有什么共同之处吗?
提示:(1)轨迹长短不同 (2)乘飞机 (3)位置变化相同
(阅读教材P8—P11完成下列填空)
1.路程:物体运动轨迹的长度。
2.位移
(1)物理意义:表示质点的位置变化。
(2)定义:从物体运动的起始位置指向末位置的有向线段。一般用符号s表示。
(3)单位:位移和路程在国际单位制中的单位都是米,符号为m,常用单位还有千米(km)、厘米(cm)、毫米(mm)。
3.位置与位移的表示
(1)位置常用直线坐标系中的坐标x表示。
(2)位移Δx用末位置(x)和起始位置(x0)的坐标之差来表示,而Δx=x-x0。
(3)Δx>0时,表示位移方向与x轴正方向相同;Δx<0时,表示位移方向与x轴正方向相反。
4.矢量和标量
(1)矢量:既有大小又有方向的物理量。
(2)标量:像温度、质量、体积、长度、时间、路程这些只有大小没有方向的物理量,叫作标量。
学生用书第8页
[问题探究] 小明是一个象棋爱好者,在某次与棋友的对弈过程中,在三步棋里把自己的“車”从图中的A位置经过B位置、C位置最后移到了D位置。设象棋棋盘上相邻横线与纵线间的距离都等于a,则:
(1)这三步棋里棋子的总路程是多少?
(2)从A到D,棋子的位移大小是多少?
(3)路程和位移的大小相等吗?
提示:(1)5a+9a+2a=16a (2)=a
(3)不相等
角度一 路程和位移
(2023·广东湛江高一校考)如图所示,某人站在楼房顶层从O点竖直向上抛出一个小球,上升到A处最大高度为25 m,然后落回到抛出点O下方20 m的B点,则小球在这一运动过程中通过的路程和位移分别为(规定竖直向上为正方向)( )
A.25 m,20 m B.70 m,20 m
C.25 m,-20 m D.70 m,-20 m
答案:D
解析:小球在这一运动过程中通过的路程为25 m+25 m+20 m=70 m,小球的位移为-20 m,故选D。
针对练1.(2024·广东阳江期中)如图所示,物体沿半径均为R的半圆弧AB和圆弧BCDE从A运动到E,其中A、O1、B、O2、D在一条直线上,AB、BD和CE是直径,O1和O2是圆心,下列说法正确的是( )
A.当物体运动到B点时,位移大小和路程都为2R
B.物体从A点运动到C点和从A点运动到E点位移相同
C.当物体运动到D点时,位移大小和路程都为4R
D.当物体运动到E点时,位移大小为R,路程为2.5πR
答案:D
解析:路程是物体运动轨迹的总长度,位移是运动物体初位置指向末位置的有向线段,则当物体运动到B点时,路程为=πR,位移大小为2R,故A错误;根据上述可知,物体从A运动到C点和运动到E点位移大小均为=R,方向分别为A→C与A→E,即位移大小相等、方向不同,故B错误;根据上述可知,当物体运动到D点时,位移大小为4R,路程为+=2πR,故C错误;根据上述可知,当物体运动到E点时,位移大小为R,路程为+×2πR=2.5πR,故D正确。故选D。
针对练2.(2023·山西省吕梁期末)O点为x轴的原点,A、B、C、D各点坐标如图所示。一质点沿x轴做往复运动,且质点由A点出发沿x轴正方向运动至B点后返回,接着沿x轴负方向运动,下列说法错误的是( )
A.质点从A→B→C的位移为2 m,路程为4 m
B.质点从B→D的位移为-4 m,路程为4 m
C.当质点到达D点时其位置可用D点的坐标-2 m表示
D.当质点到达D点时相对于A点的位移为-3 m
答案:A
解析:质点从A→B→C的位移为-2 m,故A错误;质点从B→D的位移为-4 m,路程为4 m,故B正确;当质点到达D点时其位置可用D点的坐标-2 m 表示,故C正确;当质点到达D点时相对于A点的位移为-3 m,故D正确。
位移和路程的区别与联系
项目
比较
位移
路程
区
别
物理
意义
描述物体的位置变化,是由起始位置指向末位置的有向线段
描述物体运动轨迹的长度
标矢性
矢量
标量
相关
因素
由物体的起始位置和末位置决定,与物体运动路径无关
既与物体的起始位置和末位置有关,也与物体运动路径有关
联
系
(1)都是过程量
(2)位移的大小不大于相应的路程,只有物体做单向直线运动时,位移的大小才等于路程
角度二 矢量和标量
(多选)(2023·广东韶关高一期中)关于矢量和标量,下列说法中正确的是( )
A.矢量是既有大小又有方向的物理量
B.标量是既有大小又有方向的物理量
C.-100 ℃比50 ℃的温度低
D.-10 m的位移比5 m的位移小
答案:AC
解析:矢量是既有大小又有方向的物理量,A正确;标量是只有大小没有方向的物理量,B错误;温度是标量,故-100 ℃比50 ℃的温度低,C正确;位移的符号表示方向,则-10 m的位移比5 m的位移大,D错误。故选AC。
学生用书第9页
矢量和标量及其区别
1.矢量既有大小又有方向,标量只有大小没有方向。
2.矢量的表示方法:矢量可以用一根带箭头的线段(有向线段)表示,线段的长度表示矢量的大小,箭头的指向表示矢量的方向。
3.运算方法的比较
(1)标量运算遵从算术运算法则。
(2)矢量运算的方法第三章会学到,但同一直线上的矢量,用“+”“-”号表示方向后,可简化为算术加减法。
知识点三 位移—时间图像
[情境导学] 一辆汽车沿着直线运动,其位置随着时间变化,每隔1 s用照片记录了它的位置如图甲所示。
(1)请把汽车不同时刻相对应的位置坐标填入下表。
时刻t/s
0
1
2
3
4
5
位置s/m
0
(2)①在图乙所示坐标纸中用描点法画出汽车位置随着时间变化的图像。
②说明图像的意义。
提示:(1)如下表所示。
时刻t/s
0
1
2
3
4
5
位置s/m
0
5
10
15
20
25
(2)①如图所示。
②s-t图像可以描述运动物体在不同时刻所处的位置。
(阅读教材P10完成下列填空)
1.图像的建立:以时间t为横坐标,以物体相对于坐标原点的位移s为纵坐标,通过在坐标纸上描点作图的方法得到的图像为位移-时间图像或s-t图像。
2.图像的意义:描述物体的位移随时间变化的情况。
[问题探究] 有一天,兔子和乌龟赛跑。兔子认为赢乌龟太轻松了,决定途中先打个盹,再追上乌龟。乌龟一刻不停地努力向前爬,当兔子醒来的时候,乌龟已经远远超过了兔子。如图是“龟兔赛跑”的s-t图像。
(1)哪一条表示乌龟的运动图线?哪一条表示兔子的运动图线?
(2)兔子从什么时候在什么位置开始睡觉?在什么时候乌龟爬过兔子身旁?
(3)兔子睡了多长时间?兔子醒来时乌龟在什么地方?谁先到达终点?提前多少时间到达?
(4)s-t图线是否表示兔子和乌龟的运动轨迹?
提示:(1)由题意可知,图线OBCE表示乌龟的运动图线,图线OABDF表示兔子的运动图线。
(2)兔子从t1时刻、距出发点s1的位置开始睡觉。在t2时刻乌龟悄悄地爬过兔子身旁。
(3)兔子睡觉的时间是从t1到t3,时间为t3-t1。当兔子醒来时乌龟在离出发点s2的地方。乌龟先到达终点,兔子后到达终点,提前到达的时间为t5-t4。
(4)不是。s-t图线表示位置随时间的变化情况。
学生用书第10页
一辆汽车在教练场上沿着平直道路行驶,用s表示它相对于出发点的位移。如图近似描写了汽车在0时刻到50 s这段时间的s-t图像。通过分析回答以下问题。
(1)汽车最远位置距离出发点为____________ m;
(2)汽车在____________时间内没有行驶;
(3)汽车在____________________时间内驶离出发点,在____________时间内驶向出发点;
(4)汽车前50 s内的路程为____________ m,位移为__________ m。
答案:(1)30 (2)10~20 s (3)0~10 s、40~50 s 20~40 s (4)75 -15
1.从s-t图像能获得的信息
(1)判断质点是静止的还是运动的。
(2)判断质点运动过程中是离出发点越来越远,还是越来越近。
(3)任意时间内质点运动的位移。
(4)质点发生某段位移所用的时间。
(5)图像不过原点,说明开始计时时质点的位置不为零,或经过一段时间才开始运动。
(6)两图线相交,表示两质点在这一时刻位于同一位置(相遇)。
2.常见的几种s-t图像的比较
图像
物理意义
①、②都表示物体处于静止状态,但静止的位置不同
③表示物体从s1处沿正方向做直线运动
④表示物体从s=0处沿正方向做直线运动
⑤表示物体从s2处沿负方向做直线运动
针对练.甲、乙、丙三个物体同时同地出发,6 s末同时到达同一目的地,它们运动的位移—时间图像如图所示,则关于三者的路程s和位移大小x的关系,正确的是( )
A.s甲>s丙=s乙 B.s甲>s丙>s乙
C.x甲>x丙>x乙 D.x甲=x丙>x乙
答案:A
解析:甲、乙、丙三者均做直线运动,由于三者的初、末位置均相同,故位移相同,即x甲=x乙=x丙;由题图可知,甲物体有反向运动过程,而乙、丙均只有单向运动,即乙、丙的路程等于位移大小,而甲的路程大于位移大小,则s甲>s乙=s丙,故选A。
1.(人教版教材习题改编)在离地高2 m处将一个小球竖直向上抛出,球上升1 m后开始下落,以抛出点为坐标原点,向上为正方向,则小球在最高点和落地时的位置坐标为( )
A.1 m,-2 m B.1 m,2 m
C.3 m,-2 m D.3 m, 0
答案:A
解析:由题意,以抛出点为坐标原点,向上为坐标轴正方向,球上升1 m后开始下落,则小球最高点的坐标为1 m,坐标原点在地面以上2 m且向上为正方向,则落地时坐标为-2 m,故选A。
2.(2024·广东东莞期中)关于位移和路程,下列说法中正确的是( )
A.路程是标量,位移是矢量
B.物体运动的路程不大于位移的大小
C.质点路程为零时,位移不一定为零
D.质点运动的位移为零时,其运动的路程也为零
答案:A
解析:标量是只有大小没有方向的物理量,矢量是既有大小又有方向的物理量,路程是标量,位移是矢量,故A正确;路程是物体运动轨迹的长度,位移的大小是初、末位置间的直线距离,根据几何关系可知,物体运动的路程不小于位移的大小,故B错误;质点路程为零时,质点没有运动,其位移一定为零,故C错误;质点运动的位移为零时,其运动的路程不一定为零,例如,质点绕圆形轨道运动一圈,位移为零,路程不为零,故D错误。故选A。
3.一物体做直线运动,其位移—时间图像如图所示,设向右为正方向,则在前6 s内( )
A.物体先向左运动,2 s后开始向右运动
B.在t=2 s时物体距出发点最远
C.前2 s内物体位于出发点的左方,后4 s内位于出发点右方
D.在t=4 s时物体距出发点最远
答案:D
解析:由题意知向右为正方向。由位移—时间图像可知,物体从-5 m处向右运动至5 m处,然后返回至4 m处,前6 s内的位移为s=4 m-(-5) m=9 m,即物体前6 s内一直在出发点的右方,物体在前4 s内一直向右运动,后2 s内向左运动,故A、C错误;在t=4 s时物体距出发点最远,故B错误,D正确。
4.(鲁科版教材P33T4)如图所示,一摩天轮的半径为R,轮缘上的座舱随轮转动。若转动一周,求:
(1)座舱的位移和路程;
(2)转动过程中,座舱的最大位移和最大路程。
答案:(1)0 2πR (2)2R 2πR
解析:(1)座舱转动一周,其位移为0,路程为s=2πR。
(2)座舱转动一周,最大位移为2R,最大路程为2πR。
课时测评2 位置 位移
(时间:30分钟 满分:60分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(选择题1-5题,每题4分,6-13题,每题5分,共60分)
1.在数学中,坐标系有以下几种:数轴、平面直角坐标系、平面极坐标系、柱坐标系等,在高中物理学习中一般要用到以下三种坐标系,则下列说法正确的是( )
A.建立坐标系是为了定量描述物体的位置及位置变化
B.建立坐标系是为了定量描述物体的运动及运动快慢
C.研究物体沿斜面滑下时,必须建立平面直角坐标系
D.研究物体沿直线竖直落下时,必须建立空间直角坐标系
答案:A
解析:建立坐标系是为了定量描述物体的位置和位置的变化,描述物体的运动及运动快慢,要选取参考系,故A正确,B错误;研究物体沿斜面滑下、沿直线竖直落下等直线运动时可以建立直线坐标系,不一定非要建立平面直角坐标系和空间直角坐标系,故C、D错误。故选A。
2.(2024·广东深圳期中)如图所示,水平桌面离水平地面的高度为1 m,从桌面右侧边缘上方离水平地面1.5 m的高度处由静止释放橡皮擦(可视为质点),橡皮擦最终落到水平地面。以橡皮擦经过桌面边缘的位置为原点、竖直向下为正方向建立一维坐标系,橡皮擦在最高点的坐标和橡皮擦从释放位置到落地点的位移分别为( )
A.-0.5 m和-1.5 m B.0.5 m和1.5 m
C.1 m和1.5 m D.-0.5 m和1.5 m
答案:D
解析:以橡皮擦经过桌面边缘的位置为原点,建立一维坐标系, 以竖直向下为正,最高点的位置坐标为-0.5 m,落地点的位置坐标为 1.0 m,通过的位移为1.5 m,故选D。
3.如图所示,一遥控玩具小车在xOy平面内运动,它从坐标原点O出发,先以4 m/s的速度沿x轴正方向运动100 s,接着以3 m/s的速度沿y轴正方向运动100 s,则遥控玩具小车在整个运动过程中的位移的大小和路程分别为( )
A.500 m、500 m B.700 m、700 m
C.500 m、700 m D.700 m、500 m
答案:C
解析:小车以4 m/s的速度沿x轴正方向运动100 s的位移为x0=4×100 m=400 m,小车以3 m/s的速度沿y轴正方向运动100 s的位移为y0=3×100 m=300 m,则小车整个运动过程中的路程为300 m+400 m=700 m,小车整个运动过程中的位移大小为 m=500 m,故选C。
4.(多选)(2023·河南商丘期中)如图,运动员在400 m标准田径场的跑道上进行比赛,下列说法正确的是( )
A.400 m比赛,外跑道上的运动员的路程大
B.400 m比赛,不同跑道上的运动员的路程相同
C.400 m比赛,不同跑道上的运动员的位移相同
D.100 m比赛在直道上进行,运动员的位移大小与路程相等
答案:BD
解析:路程是物体运动轨迹的长度,400 m比赛,不同跑道上的运动员的路程相同,故A错误,B正确;400 m比赛,不同跑道上的运动员起点不同,终点相同,不同跑道上的运动员的位移不同,故C错误;100 m比赛在直道上进行,运动员的位移大小与路程相等,故D正确。故选BD。
5.关于标量和矢量,下列说法正确的是( )
A.时间不能倒流,所以时间具有方向性,是矢量
B.路程和位移都是标量
C.标量有大小无方向,运算满足算术运算法则;矢量既有大小又有方向,运算满足平行四边形定则
D.矢量只有正值没有负值
答案:C
解析:时间是标量,A错误;路程是标量,位移是矢量,B错误;标量有大小无方向,运算满足算术运算法则;矢量既有大小又有方向,运算满足平行四边形定则,C正确;矢量有大小有方向,可以取负值,D错误。
6.(多选)如图所示的坐标系中,已知t0=0时刻质点位于坐标原点处,t1=1 s时质点为5 m处,t2=2 s时质点为-1 m处,t3=3 s时质点为-4 m处。则下列说法正确的是( )
A.物体在第1 s内的位移大于第2 s内的位移
B.物体在前2 s的路程大于前2 s内位移大小
C.物体在第3 s的位移最大
D.物体在前3 s时间内的位移为-4 m
答案:BD
解析:由题意可知物体在第1 s的位移为5 m-0 m=5 m;第2 s的位移为-1 m-5 m=-6 m;又由于位移为矢量,正负号表示位移的方向,则物体在第1 s内的位移小于第2 s内的位移,故A错误;由以上分析可知,物体前2 s的路程为5 m+6 m=11 m,物体前2 s的位移为-1 m-0 m=-1 m,路程大于其位移大小,故B正确;物体在第3 s内的位移为-4 m-(-1 m)=-3 m,不是最大,故C错误;由于0时刻物体在0 m处,t3=3 s时质点为-4 m处,所以在前3 s的时间内,物体的位移为-4 m-0 m=-4 m,故D正确。故选BD。
7.如图是一物体的s-t图像,则该物体在6 s内的位移是( )
A.0 B.4 m
C.-6 m D.12 m
答案:A
解析:在t=0时刻,物体位置坐标为s0=0,在t=6 s时刻,物体的位置坐标为s6=0,该物体在6 s内的位移是s=s6-s0=0,故选A。
8.(多选)(2023·广东梅州开学考试)一遥控玩具汽车在平直路上运动的位移—时间图像如图所示,则下列说法正确的是( )
A.25 s内的位移的大小为30 m
B.10~15 s内汽车处于静止状态
C.前25 s内汽车在做单向直线运动
D.25 s内的路程是40 m
答案:BD
解析:根据题图可知,25 s内的位移的大小为20 m,故A错误;由题图可知,10~15 s内汽车的位置始终不变,故处于静止状态,故B正确;根据题图可知,15 s后汽车的位置在靠近坐标原点,故在往回运动,故C错误;25 s内的路程为30 m+(30-20) m=40 m,故D正确。故选BD。
9.(2023·广州四十七中高一期中)如图所示,车轮半径为0.6 m的自行车,在水平地面上不打滑并沿直线运动。气门芯从最高点第一次到达最低点,位移大小约为( )
A.1.2 m B.1.8 m
C.2.2 m D.3.6 m
答案:C
解析:气门芯从最高点第一次到达最低点过程中轮子向前运动半个周长,根据几何知识,位移大小为s=≈2.2 m,故选C。
10.(多选)(2024·广东深圳期中)在研究物体的直线运动时,可以用坐标轴上的坐标表示物体的位置,用坐标的变化表示物体的位移。如图所示,A、B、C三点的坐标分别为2 m、4 m、-3 m,某质点先从A点沿坐标轴运动到B点,该过程质点的位移s1=4 m-2 m=2 m;然后质点从B点沿坐标轴运动到C点,该过程质点的位移s2= m-4 m=-7 m。下列说法正确的是( )
A.s1与s2的方向相反
B.由于正数大于负数,故s1大于s2
C.整个过程中,质点的位移为-5 m
D.整个过程中,质点通过的路程为3 m
答案:AC
解析:位移的正负表示方向,则s1与s2的方向相反,故A正确;位移的绝对值表示位移的大小,由<,可知质点从A点运动到B点的位移大小小于质点从B点运动到C点的位移大小,故B错误;整个过程中,质点的位移为s=s1+s2=-5 m,故C正确;整个过程中,质点通过的路程为l=+=9 m,故D错误。故选AC。
11.(多选)如图为甲、乙在同一直线上运动时的s-t图像,以甲的出发点为原点,出发时间为计时的起点,则下列说法中正确的是( )
A.甲、乙同时出发
B.0~t3这段时间内,甲、乙位移相同
C.甲开始运动时,乙在甲的前面s0处
D.甲在途中停止了一段时间,而乙没有停止
答案:ACD
解析:由题图知,甲、乙计时起点都是t=0,同时出发,故A正确;0~t3这段时间内,甲、乙位移不相等,因为它们的初始位置不同,而末位置相同,故B错误;由题图可知,甲、乙的初始位置分别为s甲=0,s乙=s0,即甲开始运动时,乙在甲的前面s0处,故C正确;在t1~t2时间内甲位置坐标没发生变化,故甲在途中停止,乙没有停止,故D正确。
12.(2023·衢州高级中学高一期中)如图所示,“天舟二号”货运飞船与空间站在交会对接之前,分别沿半径为r、R的圆形轨道运动。某时刻“天舟二号”货运飞船和空间站分别从B点、A点开始运动,下列说法正确的是( )
A.空间站运行一周的位移大小为2πR
B.“天舟二号”运行周的路程为2r
C.“天舟二号”运行周的位移大小为r
D.二者各自运行一周,其路程相等
答案:C
解析:空间站运行一周的位移为0,A错误;“天舟二号”运行周的路程为πr,B错误;“天舟二号”运行周的位移大小为r,C正确;“天舟二号”和空间站各自运行一周,其路程分别为2πr和2πR,路程不相等,D错误。
13.(2023·广东江门期末)一实心的长方体,三边长分别是a、b、c如图所示。有一质点,从顶点A沿表面经点E运动到长方体的对角B,关于质点的位移大小,下列说法正确的是( )
A. B.
C. D.
答案:B
解析:根据几何知识,从A点到前表面的右侧顶点的距离s=,所以A点到B点的直线距离为sAB==,故选B。
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