内容正文:
1.2 时间与位移
高中物理必修一 · 运动的描述
UNDERSTANDING MOTION IN PHYSICS
讲课人:乔齐明
1.7.2013
大家好,欢迎来到今天的物理课堂。我们每天都在和时间打交道,但你是否想过,我们常说的“时间”和“时刻”在物理学中到底有什么不同?今天,就让我们一起走进时间的世界,揭开“时间”与“时刻”的神秘面纱,掌握描述物质运动的基础维度。
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1.2时间-位移-知识框架
时刻和时间间隔
时刻对应于时间轴上的某一个点,表征某一瞬时;时间间隔对应于时间轴上的某一条线段,表征两个时刻之间的持续过程。
位置和位移
1.坐标系
1.建立目的:为精确量化物体的位置及位置变化,必须在选定的参考系上构建坐标系。
2.构成要素:坐标系的确立需包含三个基本要素,即原点、正方向与单位长度。
3.常见类型:根据维度不同,可分为一维直线坐标系、二维平面直角坐标系及三维空间直角坐标系。
2.路程与位移
3.标量与矢量
直线运动的位移
选定一条直线作为x轴,规定正方向和原点。设物体的初位置坐标为 x₁,末位置坐标为 x₂,坐标的差值即反映了位置的变化。位移 Δx(Delta x)定义为末位置与初位置的坐标差:Δx = x₂- x₁
路程是物体运动轨迹的实际长度,属于只有大小、没有方向的标量。位移则是描述物体位置变化的物理量,定义为从初位置指向末位置的有向线段;其大小等于初、末位置间的直线距离,方向由初位置指向末位置。
标量:只有大小,没有方向;矢量:有大小,有方向;
位移-时间图像
1. 物理意义:位移-时间图像是描述物体位置随时间变化规律的函数图像。它以时间为横轴(t)、位移为纵轴(x),直观地表征了物体的运动状态及空间位置变迁。
2. 核心特点:图像上的任意一点 (t, x) 表征物体在 t 时刻相对于坐标原点的位置坐标(位移大小)。
线:图像的整体走势(斜率)反映了物体的运动性质。
3.平行于 t 轴的直线:表示静止(位移不随时间变化)。倾斜的直线:表示匀速直线运动,直线的斜率定量描述了物体的瞬时速度。曲线:表示变速直线运动,曲线上某点的切线斜率表示该时刻的瞬时速度。截距:纵轴截距表示物体在 t=0 时刻的初始位置。交点:不同运动图线的交点表示在该时刻物体位置相同(即相遇)。
位移和时间的测量
1.打点原理:电磁作用于振针振动打点;电源:约8伏交流电源(与电火花计时器原理相同)2.注意事项使用前,将打点计时器固定好,并试拉纸带,应无晃动和明显阻滞现象;使用时应先接通电源,待打点计时器打点稳定后再放纸带:打点计时器不能连续工作太长时间,打完点后应立即关闭电源。3.电火花打点计时器比电磁打点计时器更精确。
1.7.2013
大家好,欢迎来到今天的物理课堂。在开始新课之前,我想请大家思考一个我们日常生活中经常遇到的问题:当我们使用手机导航时,地图上显示的“驾车路线”和“直线距离”,这两者之间有什么本质的区别?今天,我们将一起学习一个全新的物理概念——位移,来解答这个问题,并学会如何科学地描述物体位置的变化。
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课程目录
01
导入:开启时间之旅
1.从日常生活中的时间实例出发,生动引入课题
2.建立对时间与时刻的初步感性认知。
02
什么是时刻?
1.定义为时间长河中的一个个“坐标点”
2.物理意义
3.形象类比,如数轴坐标、快门瞬间。
03
什么是时间?
1.定义为两个时刻之间的“距离”
2.物理意义
3.形象类比:连续的“段”
04
时间与时刻的区别与联系
1.通过本质属性、物理内涵、识别特征方面区分时间与时刻
2.引出如何区分题目中的初、末、时、刻、内、间、历时、经过,掌握区分易混淆场景的技巧。
05
时间时刻:巩固练习
1.对时间与时刻的概念的练习
2.在题目中对初、末、时、刻、内、间、历时、经过等题目中字的理解与应用
06. 路程与位移
1.引导学生建立坐标系
2.建立坐标系:建立目的、构成要素、常见类型(一维、二维坐标举例)
3.明确路程与位移的基本定义,深入辨析位移与路程的核心区别
4.建立正确的运动学标、矢量概念基础
5.巩固练习
07. 直线运动的位移
1.掌握一维坐标系中位移的表示方法,学习利用坐标变化量计算位移的大小与方向。
2.掌握矢量运算在直线运动中的简化应用规则,理解符号的物理意义
08. 位移-时间图像
1.解读x-t图像的物理意义,学会从图像中获取质点的位置、位移、运动方向及速度变化等关键信息。
2.掌握图像法分析运动的技巧。
3.随堂练习
09. 位移和时间的测量
1.认识电磁打点计时器与电火花计时器
2.明确操作步骤
3.测量实验数据
10. 课堂练习
1.矢量标量定义区分
2.路程与位移计算
3.直线运动位移计算
4.位移时间图像
5.本节课后练习
1.7.2013
本次课程将分为五个部分。首先,我们会通过一些生活中的场景来感受时间和时刻的不同。接着,我们将分别深入学习“时刻”和“时间”这两个核心概念。然后,我们会详细对比它们的区别与联系,特别是那些容易混淆的地方。最后,我们将探讨这些概念在物理运动学中的具体应用。
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01 开启时间之旅:生活中的场景
清晨的第一缕阳光,不仅拉开了一天的序幕,也让我们重新审视“时间”这个熟悉又陌生的概念。在日常的对话中,我们频繁地使用着时间相关的词汇,但它们在物理学的严谨语境下,究竟代表着什么?
清晨唤醒
被闹钟叫醒,手机显示7:00,这是新一天开始的那个瞬间。
上学路程
背上书包出门,路上花费了20分钟,这是一段流逝的过程。
课堂起止
第一节课8:00 至 8:45,这是学习活动开始与结束的两个节点。
极限纪录
博尔特创造的9秒58,是人类挑战速度极限的过程长短。
💡 核心思考:请同学们思考在上述场景中,“7:00”、“8:00”与“20分钟”、“9秒58”所表达的物理含义完全相同吗?为什么我们有时说“时间”,有时又说“时刻”?
下面一起跟随老师的脚步来区分时间与时刻吧!
1.7.2013
让我们从一个熟悉的早晨开始。你在7点被叫醒,路上花了20分钟,8点上课,8点45分下课。这些数字背后,其实隐藏着两种不同的物理概念。7点、8点、8点45分,它们指的是一个瞬间,而20分钟,则是一个过程。这就是我们今天要探讨的“时刻”与“时间”。
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02 什么是时刻?—— 时间长河中的“坐标点”(物体何时动?)
01 核心定义
时刻是时间流逝中的某一瞬间,是时间维度里的一个点。它没有长短、不可度量,核心作用是标定事件发生的具体位置,回答“事情发生在何时”的问题。
02 物理意义
时刻是描述状态的状态量,对应物体在瞬间的属性:如t=3秒时的位置、上午10点的瞬时速度。它不涉及过程长短,只聚焦于“当下”的静态状态。
03 形象类比
用生活场景理解:
•数轴坐标:像x=5的点,只表位置无长度
0 1 2 3 4 5 t/s
如下图:物体位置在某一瞬间被记录
•快门瞬间:像相机定格的静态画面
这让抽象的时间“点”概念变得直观可感。
1.7.2013
首先我们来看“时刻”。想象一下时间是一条无限延伸的河流,那么时刻就是这条河上的一个精确坐标点。它没有长度,不能说一个时刻有多长。它的作用就是标记一个事件发生的瞬间。比如,你看到这张照片的瞬间,就是一个时刻。它记录了一个静态的状态。
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03 什么是时间?—— 两个时刻之间的“距离”(物体动了多久?)
01 核心定义:时间间隔
物理学中,时间更准确的说法是“时间间隔”。它是两个时刻之间的连续间隔,具有可度量的长短,专门用来回答“事情持续了多久?”这类关于过程的问题。
02 物理意义:过程量
它是描述物体状态变化全过程的过程量。比如汽车从9点出发到10点到达,这“1小时”的时间间隔,完整覆盖了车辆从起点到终点的位移过程,而非某个瞬间。
03 形象理解:连续的“段”
如果说“时刻”是数轴上的一个点,那么“时间间隔”就是两点之间的线段长度。它就像一段完整的录像,记录了从开始到结束的动态过程,而不仅仅是一张静止的照片。
💡 核心区分:时刻是时间轴上的“点”(如上午9:00),而时间间隔是两个点之间的“线段”(如9:00到10:00)。分清这两个概念,是我们后续学习运动学计算的基础。
0 1 2 3 4 5 t/s
1.7.2013
说完了时刻,我们再来看“时间”。在物理学中,我们更常称之为“时间间隔”。如果说时刻是时间轴上的一个点,那么时间间隔就是两个点之间的线段,它有长度,可以被测量。它描述的是一个过程,回答的是“持续了多久”的问题。就像一段录像,记录的是从开始到结束的整个过程。
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04 时间与时刻的区别与联系
01 时刻 (Moment)
本质属性:时间轴上的一个点,无长短,不可度量。
物理内涵:描述事件发生的瞬间,对应物体的状态量(如瞬时速度、位置坐标)。
识别特征:关键词:初、末、时、此刻;形象比喻为“一张照片”。
02 时间间隔 (Interval)
本质属性:时间轴上的一段线段,有长短,可度量。
物理内涵:描述事件持续的过程,对应物体的过程量(如位移、平均速度)。
识别特征:关键词:内、间、历时、经过;形象比喻为“一段录像”。
快速判断技巧:出现“初、末、时、刻”等字通常指时刻;出现“内、间、历时、经过”等字通常指时间间隔。
1.7.2013
这张表格清晰地总结了时刻和时间间隔的区别。大家可以重点关注关键词和物理意义这两列。看到“初”、“末”、“时”、“刻”,通常指时刻;看到“内”、“间”、“历时”,通常指时间间隔。同时,时刻对应状态量,比如瞬时速度;时间间隔对应过程量,比如位移。这个表格非常重要,建议大家截图保存。
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易错点深度辨析:“第n秒”的秘密,这是运动学入门最易混淆的核心概念,厘清“点”与“段”的区别是解题的关键。
01 时刻:时间的“点”
核心定义:指时间轴上的一个瞬间,没有持续长度。
02 间隔:整体的“段”
核心定义:从计时起点(t=0)到n秒末的总时长。
03 间隔:特定的“1秒”
核心定义:特指“第(n-1)秒末”到“第n秒末”的区间。
💡 记忆口诀:带“末/初”是时刻(点),带“内”是间隔(段);“第n秒内”是特指,永远只有1秒长。
0 1 2 3 n-1 n n+1 t/s
n秒末(n+1秒初)
2秒末(3秒初)
关键关系:n秒末 = (n+1)秒初。
关键关系:例如“2秒末”与“3秒初”完全等价,都对应t=2s这个坐标。
时长计算:持续时间为n秒。
时长计算:例如“前3秒内”,指的是从开始计时到第3秒结束,时长为3秒。
0 1 2 3 n-1 n n+1 t/s
持续n秒
前3秒内
0 1 2 3 n-1 n n+1 t/s
时长计算:恒为1秒。
时长计算:例如“第3秒内”,是从2秒末到3秒末,仅仅是这1秒钟的过程。
第(n-1秒末)到第n秒末
第3秒内(2秒末到3秒末)
04 时间与时刻的区别与联系
1.7.2013
接下来是本节课的难点和易错点:“第n秒”的辨析。大家一定要记住:“第n秒末”是一个时刻,是一个点。而“第n秒内”是一个时间间隔,是一个时长为1秒的过程。比如,“第3秒内”指的是从第2秒末到第3秒末这1秒钟的时间。这个概念在解题时至关重要。
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“第n秒”辨析
0时刻
(第1秒初)
1秒末
(第2秒初)
2秒末
(第3秒初)
3秒末
(第4秒初)
4秒末
(第5秒初)
识别“时刻”
锁定关键词:初、末、时、刻
它是时间轴上的一个“点”,代表瞬间状态。例如:“第3秒末”是3秒结束的那个瞬间,“上课时刻”是开始上课的那一瞬间。
识别“时间间隔”
锁定关键词:内、间、历时、经过
它是时间轴上的一段“距离”,代表持续过程。例如:“第2秒内”是1秒的持续时间,“前3秒”是从0到3秒结束的这一段时长。
04 时间与时刻的区别与联系
1.7.2013
这张时间轴图能帮助大家更好地理解。大家看,第1秒内,是从0时刻到1秒末,时长1秒。前2秒内,是从0时刻到2秒末,时长2秒。而第3秒内,则是从2秒末到3秒末,时长也是1秒。通过这个图,大家应该能清晰地分辨出不同表述所对应的时间范围。
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05 时间与时刻:巩固练习
(2020·全国Ⅰ卷 理综物理节选)
下列描述中,表示时刻的是()
A. 质点运动历时10s
B. 质点在第3s末速度达到最大值
C. 质点前4s位移为20m
D. 两物体相遇的时间为2s
答案:B
解析:A历时10s、C前4s、D2s均为一段过程,属于时间间隔;“第3s末”是瞬时点,时刻。
(2022·重庆新高考)
小球做自由落体,下列属于时刻描述的是()
A. 小球下落总时间0.8s
B. 小球落地时速度为8m/s(落地瞬间)
C. 小球第2s内下落位移15m
D. 小球在前3s路程45m
答案:B
解析:落地瞬间对应单一瞬时;A总时长、C第2s内、D前3s都是过程时间间隔。
(2024·浙江1月选考)
杭州亚运会百米决赛,运动员9秒86冲线,裁判员记录“10:05:32”为冲线瞬间,下列判断正确的是()
A. “9秒86”是时刻
B. “10:05:32”是时间间隔
C. “第5秒末运动员加速最快”中第5秒末为时刻
D. 运动员前3s的运动描述,3s指时刻
答案:C
解析:9秒86是全程耗时(时间);10:05:32是冲线那一瞬间(时刻);前3s为时间间隔。
(22-23高一上·重庆南岸 期中)
关于时间间隔和时刻,说法正确的是()
A. 第一节课8点上课,8点指时间
B. 一节课40分钟,40分钟指时间间隔
C. 第3s末至第4s初时间间隔为1s
D. 第3s内、第4s内时长不同
答案:B
解析:8点是上课瞬间(时刻);第3s末与第4s初是同一点,间隔0;第n秒内均为1s。
(2025春·四川阿坝州 期末 多选)
下列说法正确的是()
A. 第1s末与第2s初间隔1s
B. 两个不同时刻之差为一段时间间隔
C. 第1s内、第2s内时长相等
D. 长短区分时间与时刻,短的是时刻
答案:BC
解析:A两点重合,间隔0;D本质区别是点/线段,和长短无关。
(易混对比单选)
下列各组词汇全部表示时间间隔的是()
A. 8点、第2s末、落地瞬间
B. 前5s、第4s内、历时12s
C. 发车时刻、3s末、中午12点
D. 第6s初、冲线瞬间、9:40
答案:B
1.7.2013
现在,我们来做几道练习题检验一下学习成果。请大家快速判断这些说法指的是时刻还是时间间隔。再看这道选择题,考察的就是我们刚才讲的易错点。大家可以暂停思考一下,正确答案是A。这道题很好地考察了对“第n秒内”和“第n秒末”的理解。
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05 时间与时刻:巩固练习
01 概念辨析
1. 学校早上8点开始上课。
2. 小明每天睡8小时。
3. 刘翔110米栏纪录12秒88。
4. 现在是北京时间晚7点整。
5. 物体在第5秒内的平均速度。
6. 火车在10:30到达南京站。
02 经典考题
【2022高考模拟改编】关于时刻和时间间隔,下列说法正确的是( )
A. “第5s内”指物体在4s末到5s末这1s的时间间隔
B. “第5s末”指持续5s的一段时间,是时间间隔
C. “5s内”指第1s初到第5s末共5个时刻的总和
D. 手表显示12:00,指从0点到12点这12小时的时长
正确答案:A ✅ “第ns内”均指1s的时间间隔
➔ 时刻
➔ 时刻
➔ 时间间隔
➔ 时间间隔
➔ 时间间隔
➔ 时刻
1.7.2013
现在,我们来做几道练习题检验一下学习成果。请大家快速判断这些说法指的是时刻还是时间间隔。再看这道选择题,考察的就是我们刚才讲的易错点。大家可以暂停思考一下,正确答案是A。这道题很好地考察了对“第n秒内”和“第n秒末”的理解。
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如何描述位置?
建立坐标系
为了定量、带方向、全世界统一标准地描述物体的位置,需要在参考系上建立适当的坐标系。
建立坐标系目的:
1.定量描述物体的位置:单纯文字无法精准说明物体在哪,用坐标数字精准标定位置。
2.定量描述物体位置变化(位移):通过初、末坐标差值直接计算位移大小与方向。
3.统一参考标准:选定参考系后搭配坐标系,消除描述运动的模糊性,是研究直线、曲线运动基础。
质点:在物理学中,为了简化问题,我们忽略物体的大小和形状,只突出它的质量属性,将其抽象为一个有质量的点。(简化运动)
参考系:要准确描述物体的运动,必须先选定一个作为标准的物体。这种用来作为参考的物体叫作参考系(动没动?)
时刻:指时间流逝过程中的某一瞬时,本质上是时间维度里的一个点。(什么时候动?)
时间:描述事件持续的过程,对应物体在一段时间内的过程量。(动了多久?)
在运动学基本问题中,我们前面讲了:1.简化运动2.判断物体动没动?3.物体什么时候动?4.物体动了多久?那么我们简化物体运动后,在参考系中只能模糊定性说明物体在哪里,那么怎么样才能够定量、带方向、全世界统一标准描述位置,解决“说不清、找不到、算不出位置变化”的问题?
位置定义:物体在某个时刻所处的地点。需通过建立坐标(Coordinate System)进行定量描述,如同地图的经纬度。
06 路程与位移:建立坐标系
1.7.2013
让我们从一个熟悉的场景开始。大家看这张图,手机导航上清晰地显示了从A点到B点的路线。我们可以看到,除了那条弯曲的驾车路线,地图上还标注了A、B两点之间的直线距离。那么,这两种距离在物理学中分别叫什么呢?当我们关心的是“位置的变化”时,我们应该关注哪一个呢?这正是我们今天要探讨的核心问题,答案就隐藏在“位移”这个概念之中。
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06 路程与位移:建立坐标系
一维坐标系是描述直线运动的基础工具,它如同一条数轴,通过设定原点、正方向和单位长度,将抽象的空间位置转化为精确的数学坐标,使物体的运动状态变得可测量、可计算。
核心定义:量化位置的标尺
在物理学中,我们通过建立“坐标系”来定量描述物体的位置。它为运动描述提供了统一、客观的参考标准,是连接物理现象与数学语言的桥梁。
原点
位置的参考基准点,是坐标系的中心起点。
正方向
通常用箭头指示,是判断位置正负的依据。
单位长度
规定标准度量单位(如米m),衡量距离大小。
x = 5m
物体位于原点正方向5米处。正值表示在设定的正方向一侧,是空间位置的量化表达。
x = -3m
物体位于原点负方向3米处。负号表示在设定的正方向的反方向,体现了位置的方向性。
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 t/s
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 x/m
原点(参考点)
原点(参考点)
正方向(箭头)
正方向(箭头)
单位长度(如秒)
单位长度(如米)
X=5m(原点正方向5米处)
X=-3m(原点负方向3米处)
1.7.2013
这张图展示了一个典型的一维坐标系。我们可以把它想象成一条数轴。我们首先设定一个原点,也就是我们的参考点。然后规定一个正方向,通常是向右。再确定单位长度,比如每一格代表1米。这样,物体的任何位置都可以用一个坐标值来精确表示。比如,坐标是5,就代表它在原点右边5米;坐标是-3,就代表它在原点左边3米。
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06 路程与位移:坐标系举例
一维直线坐标系:
案例1:确定一辆行驶在北京长安街上汽车的位置:“汽车在岗亭附近50米”,那么这个50米东边或者西边完全是两个位置,无法精准定位。
-30 -10 0 10 30 60 x/m
原点(十字路口岗亭)
东
单位长度(10m一格)
X1=+30(汽车东30m)
X2=-20(汽车西20m)
1. 原点O:十字路口岗亭
2. 正方向:向东
3. 单位长度:10m一格
二维平面直角坐标系:
案例2:电影院找座位,无坐标模糊说法,“我在中间靠后”,无法精准找到。
建立二维平面直角坐标系后(标准量化)
1.原点:影院入场门口;
2.x轴:左右排;
3.y轴:前后座;
4.单位长度:2m一格
-6 -4 -2
2 4 6 8 x/排
4
8
12
-4
y/前
O
(12,8)
建立一维坐标系后(标准量化)
-例如:汽车东30m:坐标x1=+30m
- 例如:汽车西20m:坐标x2=-20m
- 例如:票上“左8排前12座”=坐标(12,8),一组数字唯一锁定位置
- 例如:票上“右4排前8座”=坐标(-4,8),一组数字唯一锁定位置
1.7.2013
让我们从一个熟悉的场景开始。大家看这张图,手机导航上清晰地显示了从A点到B点的路线。我们可以看到,除了那条弯曲的驾车路线,地图上还标注了A、B两点之间的直线距离。那么,这两种距离在物理学中分别叫什么呢?当我们关心的是“位置的变化”时,我们应该关注哪一个呢?这正是我们今天要探讨的核心问题,答案就隐藏在“位移”这个概念之中。
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06 路程与位移:举例
学生从家到学校有两条路线:
我们该如何去区分这两种距离呢?-----这就是我们将的路程与位移
300m
500m
家
学校
图书馆
3.实际走了500m,但是直线距离是300m,为什么两个数字不一样?
1.家到学校直线距离300m;
2.家到图书馆到学校500m;
家
学校
我从家到学校直线距离300m;
走到学校门口发现没带作业,原路走回家。
我实际上走了600m;
我最后还在原地,相当于位置上没有移动,应该是0m,两个数字为什么不一样呢?
300m
600m
我们发现从家走到图书馆在走到学校是距离500m,但从空间位置上看起点和终点的直线距离是300m。
我们发现从家走到学校是距离300m,但从空间位置上看起点和终点的直线距离是0m。
1.7.2013
这张图非常直观地展示了位移和路程的区别。从A点到B点,这位同学可以走绿色的路,也可以走红色的路。他走过的绿色路径或红色路径的总长度,就是他的路程。但无论他怎么走,他的位移都是从A指向B的这条蓝色直线。这再次证明了,位移只关心起点和终点,而路程关心的是具体走过的轨迹。
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06 路程与位移
位移与路程的区别是运动学的核心概念,厘清二者的定义、性质与决定因素,是掌握运动描述的关键。
位移 (Displacement)
定义:表示物体位置的变化,是从初位置指向末位置的一条有向线段,描述物体“从哪到哪”。
矢量 (Vector)
既有大小,又有方向,运算遵循矢量法则。
决定因素
仅由初、末位置决定,与运动的具体路径无关。
路程 (Distance)
定义:物体实际运动轨迹的总长度,描述物体“走了多远”,是运动轨迹的标量度量。
标量 (Scalar)
只有大小,没有方向,运算遵循代数法则。不涉及空间方位。
决定因素
由物体实际运动的路径决定,路径越长,路程越大。
核心联系:在单向直线运动中,位移的大小等于路程;其他情况下,路程一定大于位移的大小。
1.7.2013
现在我们来解决开头提出的问题:位移和路程到底有什么区别?这张表格清晰地总结了它们的不同。简单来说,位移是“从哪到哪”,是一条有方向的直线,只关心起点和终点;而路程是“走了多远”,是实际走过的路径的总长度,只关心大小。一个是矢量,一个是标量。最经典的例子就是绕操场跑一圈,你的位移是0,因为你回到了起点,但你的路程却是400米。
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06 路程与位移:标量的定义
在物理学中,有些物理量只需要用数值大小(包括单位)就可以完全描述,我们把这类物理量称为标量(Scalar)。
核心特点一:只有大小,没有方向
标量的本质是代数量,可正可负或为零。此处的正负通常表示大小的相对关系或某种性质(如温度的正负),而非空间方向。
核心特点二:运算遵循代数法则
对标量进行加减乘除运算时,无需考虑方向因素,完全遵循我们在数学中学习的基本代数运算法则,运算结果直观易懂。
总结:判断一个物理量是否为标量,关键看它是否仅需数值大小即可完整描述其物理意义。
1.7.2013
那么,什么是标量呢?定义很简单:只需要用数值大小就能完全描述的物理量。它的核心特点有两个:第一,只有大小,没有方向;第二,它的运算遵循我们熟悉的代数法则。
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06 路程与位移:矢量的定义
在物理学中,有些物理量不仅需要用数值大小(包括单位)来描述,还必须指明其方向,才能完整地表达其意义。我们把这类既有大小又有方向的物理量称为矢量(Vector)。用箭头表示,长度表示大小,箭头指向表示方向。
核心特点一:兼具大小与方向
这是矢量与标量最根本的区别。方向是矢量的固有属性,就像它的“灵魂”,缺少了方向,矢量就失去了其完整的物理意义,退化为一个普通的数值。
核心特点二:遵循几何运算法则
矢量的加减运算不能简单套用代数法则。由于方向的存在,我们需要遵循“三角形法则”或“平行四边形法则”等特殊的几何方法来进行计算。
方向赋予了矢量独特的物理内涵,也决定了其独特的数学运算方式。
1.7.2013
矢量的定义是:既有大小,又有方向的物理量。方向是矢量的灵魂,缺少了方向,它就不再是矢量了。同时,由于方向的存在,矢量的运算也变得特殊,需要遵循几何法则,而不是简单的代数加减。
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06 路程与位移:判断题
1.2024·福建合格考改编
物体位移大小不可能大于路程。
2.2023·海南高考改编
路程是矢量,位移是标量。
5. 2021·河北高考改编
从A到B走不同道路,路程不同,但位移相同。
3. 2025·四川学业考改编
物体回到初始位置,位移一定等于0。
4.2022·湖北高考改编
物体沿直线运动,路程一定等于位移大小。
6. 2024·江西高考改编
只有单向直线运动,位移大小才等于路程。
(✅️)
(×)
(✅️)
(×)
(✅️)
(✅️)
1.7.2013
我们来做几道判断题检验一下学习成果。第一题,路程大位移一定大吗?不对,比如绕圈跑。第二题,位移为零路程一定为零吗?也不对,还是绕圈跑的例子。第三题,直线运动路程就等于位移大小吗?不对,必须是单向的。第四题,位移是矢量,路程是标量,这个是对的。
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07 直线运动的位移
图:在笔直的高速公路上行驶的汽车是典型的直线运动场景。我们可以引入一维坐标系,将抽象的物理概念与直观的位置变化联系起来。
当物体做直线运动时,我们可以建立一维坐标系,用坐标的变化来精确描述和计算位移,这是将运动量化分析的基础。
01. 坐标系设定
选定一条直线作为x轴,规定正方向和原点。设物体的初位置坐标为 x₁,末位置坐标为 x₂,坐标的差值即反映了位置的变化。
02. 核心位移公式
位移 Δx(Delta x)定义为末位置与初位置的坐标差: Δx = x₂- x₁
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 x/m
原点(参考点)
正方向(箭头)
单位长度(如米)
X1
X2
Δx
1.7.2013
了解了基本概念后,我们来学习如何计算位移。对于直线运动,我们可以借助坐标系,用一个简单的公式来计算。位移Δx就等于末位置坐标x₂减去初位置坐标x₁。这个公式非常重要,它将我们对位移的理解从定性描述提升到了定量计算。
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07 直线运动的位移
位移的正负号代表了位移的方向,其取值完全取决于我们在直线上规定的正方向。理解符号的物理意义是分析直线运动的关键。
Δx > 0 (x₂> x₁)
表示物体的位移方向与我们规定的正方向完全相同,物体向正方向移动。
Δx < 0 (x₂< x₁)
表示物体的位移方向与我们规定的正方向相反,负号仅代表方向,不表示大小。
Δx = 0 (x₂= x₁)
表示物体的初、末位置相同,即物体运动后回到了初始位置,总位移为零。
实例一:向 x 轴正方向运动
汽车从 x₁ = 2m 行驶至 x₂ = 7m,位移 Δx = 7m - 2m =+5m。“+”号表示位移方向与x轴正方向一致,位移大小为5米。
实例二:向 x 轴负方向运动
汽车从 x₁ = 7m 返回至 x₂ = 2m,位移 Δx = 2m - 7m =-5m。“-”号表示位移方向与x轴正方向相反,位移大小依然为5米。
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 x/m
x1
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 x/m
x2
Δx=x2-x1=+5m
x1
x2
Δx=x2-x1=-5m
1.7.2013
在公式Δx = x₂ - x₁中,计算结果的正负号至关重要。它告诉我们位移的方向。如果结果为正,说明物体向我们规定的正方向移动;如果结果为负,则说明物体向相反方向移动。比如,一辆车从2米处开到7米处,位移是+5米,正号表示它向右移动了5米。如果它从7米处开回2米处,位移就是-5米,负号表示它向左移动了5米。
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08 位移-时间图像 (x-t 图像)
图示为小车P的位移-时间图像,横轴代表时间t,纵轴代表位移x,曲线直观呈现了小车位置随时间的变化轨迹。
图像的基本定义
位移-时间图像以时间 t 为横轴,位移(物体位置)x 为纵轴,是描述物体位置随时间变化规律的核心数学工具。
关键点的解读:坐标 (t, x)
图像上的任意一点 (t, x),精确对应物体在 t 时刻所处的位置为 x。例如 t=1s,t=2s,t=3s 时,物体的位置可直接从图像上读出。
线段的解读:过程的全貌
图像中的一段曲线或直线,表示物体在一段时间内的位移过程,反映了物体是静止、匀速还是变速运动的状态。例如t=1s~t=3s,这3s内物体位置随时间变化。
注意:只有做直线运动的物体可以用,因为物体位置用纵轴表示,纵轴是直线。
1.7.2013
接下来,我们学习一个非常重要的工具——位移-时间图像,简称x-t图像。这张图的横轴是时间,纵轴是位移。图像上的任何一个点,都对应着物体在某一时刻的位置。比如,图中t=3秒时,物体的位置大约是14米。通过观察整条曲线,我们就能清晰地看到物体位置随时间变化的全过程。
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位移-时间图像的斜率定义为k = Δx / Δt,这与速度的定义式v = Δx / Δt完全一致。由此可推导出核心结论:位移-时间图像的斜率表示物体的速度。
斜率的大小:速度的大小
斜率的绝对值代表速度的大小。图像越陡峭,斜率的绝对值越大,说明物体运动的速度越快;反之则速度越慢。
斜率的正负:运动方向
斜率为正,图像向上倾斜,物体向正方向运动;斜率为负,图像向下倾斜,物体向负方向运动。斜率符号直接反映速度方向。
斜率为零:静止状态
当图像为一条水平线时,斜率为零,意味着Δx = 0,物体的位移不随时间变化,此时物体处于静止状态。
08 位移-时间图像 (x-t 图像)
1.7.2013
x-t图像最核心的价值在于它的斜率。斜率的定义是纵坐标的变化量除以横坐标的变化量,也就是Δx除以Δt。这正好符合我们对速度的定义!因此,我们得到一个非常关键的结论:x-t图像的斜率就等于物体的速度。斜率的大小代表速度的大小,斜率的正负代表速度的方向。
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水平直线
物理意义:静止
图像的斜率 k = Δx/Δt = 0,代表物体的位置不随时间发生变化,处于静止状态。
倾斜直线
物理意义:匀速直线运动
斜率恒定,代表速度不变。向上倾斜表示向正方向运动,向下倾斜表示向负方向运动,斜率的绝对值表示速度大小。
曲线图像
物理意义:变速运动
斜率不断变化,代表速度在改变。切线斜率为瞬时速度;曲线向上弯曲是加速运动,向下弯曲是减速运动。
x/m
t/s
6
2
x/m
t/s
2
5
8
0
0
2
t/s
2
5
8
0
2
08 位移-时间图像 (x-t 图像)
x/m
1.7.2013
理解了斜率的意义后,我们就能解读各种x-t图像了。一条水平直线,斜率为零,代表物体静止不动。一条倾斜的直线,斜率不变,代表物体在做匀速直线运动。而如果图像是一条曲线,说明斜率在变化,也就是速度在变化,物体在做变速运动。曲线向上弯曲,说明斜率在增大,物体在加速;曲线向下弯曲,说明斜率在减小,物体在减速。
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08 位移-时间图像:基础练习
01 / 基础概念辨析
甲、乙两物体x-t图像如图,下列说法正确的是()
A. 甲t=0开始运动,乙t=t₁开始运动
B. t=t₂时刻,甲乙位移相等
C. t=t₃时刻,甲乙位置相同
D. 0~t₃内,甲的位移一定大于乙
解析:x-t图像纵坐标表示位置。t=t₃时两图线相交,位置相同(相遇);甲从t=0、乙从t=t₁开始运动。
正确答案:AC
02 / 位置与位移判断
某物体x-t图像如图,说法正确的是()
A. 0~2s,物体位置保持不变
B. 2~4s,物体从x=0移动到x=5m
C. 4~6s,物体位移为-5m
D. 0~6s,物体总位移为0
解析:水平线段代表静止;斜线段代表位置变化。位移由初末位置差决定,总位移看起点终点。
正确答案:ABCD
03 / 相遇问题分析
甲、乙x-t图像如图,说法正确的是()
A. 甲乙从同一位置出发
B. t=t₁时刻两物体相遇
C. t=t₁时刻甲乙位置相同
D. 0~t₁内,甲的位移更大
解析:t=0时位置不同;x-t图像交点表示相遇(位置相同);位移需计算初末位置的差值。
正确答案:BC
1.7.2013
大家好,今天我们来练习几道关于位移-时间图像的基础题目。这些题目都不涉及斜率和速度的计算,主要帮助大家理解图像中点、线的物理意义。我们来看第一题,这道题考察的是起点、位置和位移的基本概念。请大家仔细观察图像,判断每个选项的对错。接着是第二题,它通过一个分段函数图像,考察我们对不同时间段内物体位置变化和位移计算的理解。最后一题是相遇问题,这是位移-时间图像中非常典型的应用。记住,图像的交点就代表相遇。希望通过这几道题,大家能更牢固地掌握位移-时间图像的基础知识。
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08 位移-时间图像:选择题
x/m
t/s
0
2022·山东高一学业水平考试
一质点直线运动的x-t图像:则0~6s内质点的位移和路程分别为()
A. 位移0,路程8 m
B. 位移0,路程4 m
C. 位移4 m,路程8 m
D. 位移-4 m,路程8 m
答案:A
解析:初位置X0=0,末位置x=0,▲x=0;
前进4m,静止,后退4m,总路程4+4=8m。
2
4
4
6
2023·江苏苏州高一期末
物体的位移-时间图像:如右图所示,则下列正确的是()
A. 位移大小2 m,路程10 m
B. 位移大小2 m,路程6 m
C. 位移大小-2 m,路程8 m
D. 位移大小6 m,路程10 m
x/m
t/s
0
答案:A
解析:▲x=2-0=2m;
正向走6m,反向走6-2=4m,路程6+4=10m。
3
6
5
2
1.7.2013
我们来做几道判断题检验一下学习成果。第一题,路程大位移一定大吗?不对,比如绕圈跑。第二题,位移为零路程一定为零吗?也不对,还是绕圈跑的例子。第三题,直线运动路程就等于位移大小吗?不对,必须是单向的。第四题,位移是矢量,路程是标量,这个是对的。
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09 位移和时间的测量
认识电磁打点计时器结构
1. 接线柱:接入约为8v低压交流学生电源
2. 线圈:通入交流电产生交变磁场
3. 振片(振动片):被磁场反复磁化,带动振针上下振动
4. 永久磁铁:提供恒定磁场,配合交变磁场驱动振片
5. 振针(打点针):敲击复写纸,在纸带上打出墨点
6. 限位孔:约束纸带走向,防止跑偏
7. 复写纸片:把振针的敲击痕迹印在下方纸带
8. 纸带:连接运动小车,记录运动轨迹与时间点
9. 底座、定位轴、压纸框架:固定仪器、压紧纸带
电源频率:50Hz,每间隔0.02s打一次点
认识电火花打点计时器结构
A:纸带
B:墨粉纸盘:高压放电时将墨粉吸附到纸带形成黑点
C:放电针:释放高压脉冲电火花
D:纸盘轴(高压电极)
E:电源插头:直接接入220V家用交流电
F:接线柱
内部核心结构补充:
1. 高压升压变压器:将220V交流电转为上万伏脉冲高压
2. 电路板:控制50Hz周期性放电,打点间隔固定0.02s
3. 纸带压板:固定纸带,保证走纸平直
生活中,人们可以用多种方法记录某一时刻物体运动的位置,从而推断出它在一段时间内的位移。例如,可以用照相的方法记录物体的位置,用钟表记录物体运动的时刻,也可以用频闪照相的方法同时记录物体运动的时刻和位置。学校实验室中常用打点计时器来记录时间和位移。
如果把纸带和运动的物体连在一起,纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移大小。由这些点的位置,我们可以了解物体运动的情况。
1.7.2013
理论学习之后,我们来看看如何在实验室里测量位移和时间。测量位移很简单,用刻度尺就行。但测量很短的时间间隔,比如几秒内的运动,就需要用到专门的工具——打点计时器。它的原理是利用我国50赫兹的交流电,每隔0.02秒打一个点。这样,纸带上的点就记录了物体运动的时间信息,我们只需数点就能知道时间,用尺子量点间距离就能知道位移。
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09 位移和时间的测量
01 / 核心操作步骤
1. 仪器固定:将打点计时器平稳固定在实验台边缘,确保限位孔水平,避免因仪器晃动导致打出的点迹模糊、不规整。
2. 纸带安装:把纸带穿过限位孔,将复写纸(或墨粉纸盘)套在定位轴上并压平,保证纸带能在限位孔中顺畅移动,无明显摩擦。试拉纸带,应无晃动和明显阻滞现象;
关键口诀:“先通电,后拉动;先断电,后取纸带”
待打点稳定后再拉动纸带,确保起始点迹清晰;实验完毕先切断电源,防止线圈过热损坏仪器。打点计时器不能连续工作太长时间,打完点后应立即关闭电源。
1.7.2013
实验操作有几个关键步骤,大家一定要记住这个口诀:“先通电,后拉动;先断电,后取纸带”。这样做是为了保证纸带的起始部分能记录下完整的点迹。拿到纸带后,我们就可以进行数据处理了。计算平均速度很简单,用两点间的位移除以时间即可。而计算瞬时速度,我们采用一种近似方法,即用包含该点的一小段位移的平均速度来代替它的瞬时速度。
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09 位移和时间的测量
02 / 数据处理
4.取下纸带,从能够看清的某个点开始(起始点),往后数出若干个点。例如数出J个点,算出纸带从起始点到第J个点的运动时间t。
5.用刻度尺测量出从起始点到第J个点的位移△x。
测量之前,自己先设计一个表格,用来记录时间及位移。
计数点标注 A B C D E F G H I J
对应时刻t/s 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
相邻计数点间位移△x
起始点到该点总位移X/m
1.7.2013
实验操作有几个关键步骤,大家一定要记住这个口诀:“先通电,后拉动;先断电,后取纸带”。这样做是为了保证纸带的起始部分能记录下完整的点迹。拿到纸带后,我们就可以进行数据处理了。计算平均速度很简单,用两点间的位移除以时间即可。而计算瞬时速度,我们采用一种近似方法,即用包含该点的一小段位移的平均速度来代替它的瞬时速度。
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10 随堂练习:选择题
A. 时间 B. 路程 C. 位移 D. 热量
01.2024·浙江高考(单选)
下列物理量属于矢量的是()
答案:C 解析:位移有大小、方向,是矢量;路程、时间、热量只有大小,为标量。。
02.2025·黑吉辽蒙全国卷(单选)
笔尖沿曲线从a出发,绕一圈回到a点,下列说法正确的是()
A. 全过程位移为0 B. 全过程路程为0
C. 位移大小等于路程 D. 位移、路程都是矢量
答案:A 解析:初末位置相同,位移为0;轨迹有长度,路程不为0;路程是标量。
1.7.2013
接下来是选择题。第一题,绕圆形跑道跑半圈,位移是直径2R,路程是半周长πR,选B。第二题,向东、向南、再向西走x米,路程是3x,位移是向南x米,大小为x,选A。大家都做对了吗?
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10 随堂练习:选择题
A. 物体做曲线运动,位移大小一定小于路程
B. 物体沿不同路径从A到B,位移一定相同
C. 物体做直线运动,路程一定等于位移大小
D. 物体运动一段路程,位移不可能为零
03.2023·浙江6月卷(多选)
关于位移和路程,说法正确的是()
答案:AB
解析:往返直线运动路程>位移;绕圈回到起点路程不为零、位移为0,CD错误。
04.2022·全国乙卷(单选)
学生绕400m操场匀速跑完一整圈,该过程()
A. 路程400m,位移0
B. 路程0,位移400m
C. 路程、位移均为400m
D. 路程、位移均为0
答案:A
解析:轨迹总长400m为路程;起点终点重合,位移为0
1.7.2013
接下来是选择题。第一题,绕圆形跑道跑半圈,位移是直径2R,路程是半周长πR,选B。第二题,向东、向南、再向西走x米,路程是3x,位移是向南x米,大小为x,选A。大家都做对了吗?
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10 随堂练习:选择题
A. 585km是位移大小
B. 465km是路程
C. 585km是路程,465km是位移大小
D. 585km、465km都是位移
05. 2023·福建高考(单选)
火星探测器行驶轨迹总长585km,直线距离约465km,下列正确的是()
答案:C
解析:轨迹总长为路程,两点直线距离为位移大小。
06.2021·山东新高考(单选)
质点先向前走8m,再原路返回8m回到出发点,全过程()
A. 位移16m,路程0
B. 位移0,路程16m
C. 位移8m,路程8m
D. 位移0,路程0
答案:B
解析:总长16m为路程;起点终点重合,位移为0
1.7.2013
接下来是选择题。第一题,绕圆形跑道跑半圈,位移是直径2R,路程是半周长πR,选B。第二题,向东、向南、再向西走x米,路程是3x,位移是向南x米,大小为x,选A。大家都做对了吗?
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10 随堂练习:计算题
2025·福建高考基础计算题
一人沿平直马路行走:先向东走12m,再向西走8m。规定向东为正方向,求:
(1) 全过程路程;(2) 全过程位移大小与方向。
(1) 路程 = 两段轨迹长度相加:s=12+8=20m
(2) 位移 Δx=12-8=4m,正值代表方向向东。
2024·广东高考基础题
质点从坐标原点x=0出发,先运动到x=9m,再反向运动到x=3m。求路程、位移。
解:
路程:9 + (9-3) = 15m
位移:末位置−初位置 Δx=3-0=3m,沿x轴正方向。
1.7.2013
最后是一道稍微复杂的计算题。一个质点在x轴上运动,位置随时间变化。我们需要分段分析它的运动过程。从0到1秒,它一直向正方向运动,所以位移和路程都是3米。从0到3秒,它先向正方向运动到4米处,再返回1米,所以位移是3米,但路程是5米。这道题很好地考察了位移和路程在复杂运动中的区别。
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10 随堂练习:计算题
2023·江苏高考基础题(7分,折线平面运动)
同学从A点直行100m到B,再沿斜向直行100m到C,A、B、C构成顶角60°三角形。求:
(1) 总路程;(2) A到C的位移大小。
解:
(1) 路程 s=100+100=200m
(2) 三角形两边100m、夹角60°,为等边三角形,位移大小x=100m,方向由A指向C。
2022·湖南高考基础题(5分,往返闭合)
小球从地面向上走5m,再落回地面。求上升全过程、完整往返的路程与位移。
解:
① 上升阶段:路程5m,位移5m,方向竖直向上;
② 往返全过程:路程 5+5=10m,初末都在地面,位移=0。
1.7.2013
最后是一道稍微复杂的计算题。一个质点在x轴上运动,位置随时间变化。我们需要分段分析它的运动过程。从0到1秒,它一直向正方向运动,所以位移和路程都是3米。从0到3秒,它先向正方向运动到4米处,再返回1米,所以位移是3米,但路程是5米。这道题很好地考察了位移和路程在复杂运动中的区别。
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10 章节课后习题
1. 以下各种说法中,哪些指时间间隔?哪些指时刻?
(1)列车员说:“火车8时42分到站,停车8分。”
(2)“您这么早就来啦,抱歉!让您等了这么久。”
(3)“前3s”、“最后3s”、“第3s末”、“第3s内”。
2. 某市出租汽车的收费标准有1.20元/ km、
1.60元/ km、2.00元/ km,其中的千米说的是路
程还是位移?
3. 田径运动场跑道周长是400 m。
(1)百米赛跑选用跑道的直道部分,运动员跑完全程的路程是多少?位移大小是多少?
(2)800 m跑比赛中,不同跑道的运动员跑完全程的路程相同吗?跑完全程的位移相同吗?请结合田径比赛的规则想一想。
4.如图所示,一个物体从P点运动到Q点,坐标Xp为3m,Xq为-2m,它的位移大小是多少?方向如何?请你画出它的位置坐标和位移矢量。
答案解析:(1)火车8时42分是时刻,停车八分钟是时间间隔。
(2)您这么早就来了指的是时刻,让您等了那么久是时间间隔。
(3)前3s,最后3s,第3s内是时间间隔,第3秒末是时刻。
答案解析:其中的千米说的是路程
答案解析:(1)百米赛跑选用跑道的直道部分,运动员跑完全程是100m,位移大小也是100m
(2)800m跑比赛中,不同跑道的运动员跑完全程的路程不同,跑完全程的位移相同。
xp
xq
xpq=xq-xp=-5m
1.7.2013
课程的最后,留给大家一个拓展思考和课后作业。思考一下生活中哪些场景位移等于路程,哪些场景位移远小于路程。比如乘坐直达电梯上楼,位移就约等于路程。而在操场上跑步,位移可能很小,但路程可以很长。希望大家课后能多观察生活,用物理知识去解释身边的现象。
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10 章节课后习题
5.一辆汽车在教练场上沿平直道路行驶,以x表示它相对于出发点的位移。图1.2-11近似描写了汽车在0时刻到40 s这段时间的x-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约为多少米?(2)汽车在哪段时间没有行驶?(3)汽车在哪段时间驶离出发点,在哪段时间驶向出发点?
6.从高出地面3m的位置竖直向上抛出一个小球,它上升5m后回落,最后到达地面(图1.2-12)。分别以地面和抛出点为原点建立一维坐标系,方向均以向上为正,填写以下表格。
坐标原点 抛出点的坐标 最高点的坐标 落地点的坐标 从抛出点到最高点的位移 从最高点到落地点的位移 从抛出点到落地点的位移
地面
抛出点
答案解析:(1)汽车最远位置距离出发点约为30m(2)汽车在10s-20s没有行驶(3)汽车在0s-10s驶离出发点,在20s-40s驶向出发点
3m
8m
0m
8m-3m=5m
0m-8m=-8m
0m-3m=-3m
0m
5m
-3m
5m-0m=5m
-3m-5m=-8m
-3m-0m=-3m
1.7.2013
课程的最后,留给大家一个拓展思考和课后作业。思考一下生活中哪些场景位移等于路程,哪些场景位移远小于路程。比如乘坐直达电梯上楼,位移就约等于路程。而在操场上跑步,位移可能很小,但路程可以很长。希望大家课后能多观察生活,用物理知识去解释身边的现象。
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感谢观看
THANKS
课后请多加练习位移计算与图像分析,深入理解物理概念,探索运动的奥秘。
1.7.2013
今天的课程就到这里。我们学习了位移的概念,区分了位移和路程,掌握了直线运动位移的计算方法,学会了解读位移-时间图像,并了解了打点计时器的使用。希望大家课后能多加练习,真正掌握这些重要的物理知识。感谢大家的聆听!
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