最新人教版高中物理必修1第一章《时间和位移》教学设计.docx

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最新人教版高中物理必修1第一章《时间和位移》教学设计

教学设计

2　时间和位移

教材分析

本节结合第一节质点、参考系和坐标系，学习时间和位移，为下一步学习速度奠定知识基础．教材从学生的日常生活中常见的物理情景入手，让学生逐步认识描述质点运动的时刻、时间间隔、路程、位移、矢量等概念的含义和区别．本教学设计根据学生的实际认知规律，采取“基于问题学习”的模式，创设多样问题情景，引发学生主动探究、总结知识．

对时刻、时间间隔的教学，包括对路程、位移概念的理解，采取“情景贯穿”的教学方法，要比逐个解释名词效果好．尤其对位移这一矢量的教学，由于学生第一次接触矢量，感到不习惯是很自然的，所以要充分利用有向线段表示矢量的直观、形象的特点，联系实际例子，让学生初步了解矢量相加的法则．

在教学过程中积极实施“在探究中发现，在发现中探究”的方法，培养学生用多种手段处理问题的能力，积极体现新课程“教师为主导，学生为主体”的改革理念．

教学重点

时间和位移概念．

教学难点

1．帮助学生正确认识生活中的时间与时刻的区别．

2．理解位移．

时间安排

2课时

三维目标

1．知识与技能

（1）能够区分时刻和时间间隔．

（2）掌握位移的概念，知道位移是矢量，知道位移和路程的不同．

（3）知道矢量和标量的定义及二者的区别．

（4）知道直线运动的路程和位移的关系．

2．过程与方法

（1）围绕问题进行充分的讨论与交流，联系实际引出时间、时刻、位移、路程等，要使学生学会将抽象问题形象化的处理方法．

（2）培养学生对时间的认识由感性到理性的知识升华．

3．情感、态度与价值观

通过时间、位移的学习，让学生了解生活与物理的关系，学会用科学的思维看待事实．

1．多媒体课件．

2．观察作息时间表．

3．了解标准运动场的跑道规格．

导入新课

在某标准运动场上进行1500米赛跑，上午9时20分50秒发令枪响，某运动员从跑道上最内圈的起跑点出发，绕运动场跑了3圈多，9时25分28秒到达终点．如图所示．

教师设疑：

从起点跑到终点所花的时间是多少？

起跑和到达的时刻分别是多少？

学生讨论并交流：

该运动员从起点跑到终点所花时间为4分38秒，起跑和到达的时刻分别为9时20分50秒和9时25分28秒．

教师点评并追问：

运动员跑过的路程是多少？

他的位置变化如何？

今天我们就来正确认识时刻与时间的区别，以及描述位置变化的物理量——位移．

点评：

通过生活中常见的、贴近学生生活的例子导入，自然、生动，能有效激发学生学习的积极性．

如图所示为某一市区的部分交通图，某人由A地去E地，请问可以选择哪些路线，这些路线中哪一条最短，选择不同的路线后，此人最终的位置变动是否相同？

学生试着分析讨论，教师借此点评导入．

故事导入

（大屏幕投影风景优美的泰山影片）

一毛同学对泰山向往不已，打算今年暑假去泰山旅游．为了制定行程路线，他首先到泰山旅游网论坛发帖求助，并下载了旅游路线图来参考．第二天，一毛同学发现回复帖子很多，但意见不一．有的人说，应该在早上爬山，可以观看一路美景，或摘抄山岩上的石刻；有的人说，应该晚上登山，可以赶上第二天的日出．热心的朋友还列出日出的时间供大家参考．对于路线，意见也不一致，有部分朋友主张可以坐车沿盘山路到中天门，有的主张通过索道坐缆车上去，有的甚至主张沿山间小路爬上去．一毛发现，路程虽然不同，但位置的变化是相同的．

可以发现，物体运动的路径和位置变化并不是一回事．学习本节后你就可以有非常清楚的了解．

推进新课

一、时刻和时间间隔

生活中我们经常碰到“时间”一词，但在不同的语境当中，时间的含义又不尽相同，如何理解时间在不同场景下的含义呢？

案例一：

我们每节课用多长时间？

案例二：

同学们早晨什么时间到的教室？

案例三：

登泰山时，从红门到南天门共用了4个小时．

案例四：

满洲里开往天津的625次列车于13时35分从满洲里出发．

学生小组讨论交流后表述：

时间在以上四个实例中共表达了两个不同的含义：

实例一、实例三表达的是一个过程所用时间的长短；实例二、实例四表达的是某个动作的起或始，对应的应该是某一个瞬时．即我们平常所说的“时间”，有时指时刻，有时指时间间隔．

教师设疑：

时刻指的是某一瞬间，时间间隔指的是两个时刻的间隔，那采取什么样的描述可以更加直观形象？

可以参考数学的方法．

学生表述：

可以采用数形结合的方法，即用时间坐标轴来描述．如图．

总结：

时刻在时间轴上对应于一点，表示某一瞬间，时刻与质点的位置相对应，即某一时刻物体在某一位置上．

时间间隔在时间轴上对应于两点间的一段，表示一段过程．时间间隔与质点运动的位移或路程相对应，即在某段时间内，质点通过了一段路程或发生了一段位移．

难点辨析：

如图所示，时间轴上的A点为计时的起点，为0时刻，或称为第1s初；C点为2s末；AC段表示前2s时间，是开始计时到第2s末的时间间隔；第3s对应着CD段，表示第2s末到第3s末这1s的时间间隔，它与前3s是不同的．

1．关于时间与时刻，下列说法正确的是（　　）．

A．作息时间表上标出上午8：

00开始上课，这里的8：

00指的是时间

B．上午第一节课从8：

00到8：

45，这里的8：

00指的是时刻

C．电台报时时说：

“现在是北京时间8点整”，这里实际上指的是时刻

D．在有些情况下，时间就是时刻，时刻就是时间

解析：

时刻是变化中的某一瞬间，时间为两个时刻之间的长短，时刻是一个状态而时间是一个过程，所以正确选项应为B、C.

答案：

BC

2．以下的计时数据指时间的是（　　）．

A．天津开往德州的625次列车于13h35min从天津发车

B．某人用15s跑完100m

C．中央电视台新闻联播节目19h开播

D．1997年7月1日零时中国对香港恢复行使主权

E．某场足球赛开赛15min时甲队攻入一球

解析：

A、C、D、E中的数据都是指时刻，而B中的15s与跑完100m的这一过程相对应，是时间．

答案：

B

点评：

通过本环节的练习，可以及时地反馈学生对所学知识内容的掌握程度．教师可以通过该环节的信息反馈，及时地调控课堂节奏．

二、路程和位移

教师通过大屏幕重现新课导入的材料．（本课情景导入材料）

教师设疑：

我们对上课开始时所讲的运动员的位置变动是多少？

有的同学回答是300m，有的同学回答是100m．为什么？

学生甲：

300m是从起点沿环绕方向到终点的路径长度．

学生乙：

100m是从起点逆着环绕方向到终点的路径长度．

教师引导：

这路径长度就是位置变化吗？

位置变化究竟指的什么？

学生分组讨论后回答．

学生丙：

不是，位置变化是指终点相对于起点移动了多远．

学生丁：

位置变化是终点相对于起点移动的距离是多少．

教师点评：

两位同学的陈述都不错，位置变化是由“起点”向“终点”的位置变化，表明位置变化是有方向的．既然这样，运动员的位置变化就是由起跑点和终点决定．那这位运动员的位置变化到底是多少？

结论：

由于起跑的位置不确定，所以位置变化也就不确定．

教师点评：

所以，为了描述运动物体初末位置的变化情况，我们就引入了位移这一物理量．

位移：

从初位置指向末位置的一条有向线段．

要点点拨：

位移与路程的区别．

1．质点的实际运动路径的长度，叫路程，路程只有大小，单位是长度的单位．

2．位移是有向线段，线段的长度表示位移的大小，有向线段箭头的指向表示位移的方向，位移的单位是长度的单位．

3．路程是与质点的运动轨迹有关的，位移的大小则取决于物体初末时刻的位置变化．

教师设疑：

大家思考，位移的大小和路程在一般情况下是不相等的，那相等的条件是什么？

学生列举生活中的实例，并讨论交流．

结论：

只有在质点做单向直线运动时路程和位移的大小才相等．

学校正在举行春季运动会，运动场上，运动员有的参加长、短跑，有的跳高、跳远，还有的参加投掷项目的比赛．那么，请你根据学过的知识，分析哪些项目注重物体的位移大小，哪些项目注重物体的路程长短．

解答：

注重路程的：

长跑、短跑等．

注重位移的：

跳远、铅球、铁饼等．

三、矢量和标量

到目前为止，我们已经接触过很多的物理量了，如力、速度、位移、路程、质量、长度等等，这些物理量有什么共同点和区别吗？

学生讨论：

像力、速度、位移，既有大小、又有方向；

像质量、路程、长度，只有大小，没有方向．

教师总结：

在物理学中，像位移这样的物理量叫做矢量，它既有大小，又有方向；

像路程这样的物理量，只有大小，没有方向的叫做标量．如温度、质量等．

一质点由位置A向北运动了4m，右转弯向东运动了3m到达B.在上面过程中质点运动的路程是多少？

运动位移是多少？

方向如何？

解答：

本题运用位移和路程的区别与联系以及位移的矢量性．

质点运动的路程为（4＋3）m＝7m．起始位置到末了位置的位移为

m＝5m，sinθ＝

，θ＝37°，即位移的大小是5m，位移的方向是北偏东37°.

思维延伸：

如果一质点沿半径为r=20cm的圆周，自A点出发顺时针到达B点，如图所示，求质点的位移与路程．

解答：

质点的路程l等于质点通过的弧长，即l＝

×2πr＝

πr＝

×3.14×20cm＝94.2cm，质点位移x的大小等于A、B两点间的距离，即x＝AB＝

r＝1.414×20cm＝28.3cm，位移x的方向与半径OA成45°角沿A→B.

小结：

标量的相加遵从算术加法的法则．

矢量的相加遵从平行四边形定则．

点评：

这里不要求学生完整地得出平行四边形定则，但一定要让学生思考，认识到路程和位移的区别．对矢量的相加法则即平行四边形定则，教师在此可不必详谈，后面会有专门论述．

四、直线运动的位置和位移

直线运动是最简单的运动，其表示方式也最简单．

在北京长安街上，以天安门为起点，向西1000m，我们就很容易找到相应的位置．

教师点评：

如果物体做的是直线运动，运动中的某一时刻对应的是物体处在某一位置，如果是一段时间，对应的是这段时间内物体的位移．

1．位置：

用坐标轴上的一个点来表示，如图所示．

物体先后经过两个坐标为x1和x2的位置，坐标的变化量Δx表示物体的位移．

图中的x1、x2表示A、B两位置的坐标．

2．位移：

用坐标轴上的一段有向线段表示．如图中从A位置到B位置的位移可用有向线段Δx表示，且Δx＝x2－x1.

课堂小结

内容总结：

项目

概念

注意点

时刻

时间点

用时间轴上的点来表示

时间间隔

一段时间

用时间轴上两点间的线段来表示

位移

从初位置到末位置的有向线段

是矢量

路程

物体实际路径的长度

是标量

规律方法总结：

1．理解和计算一个物理量时，最根本的方法是紧扣其定义．

2．只有当物体做单向直线运动时，位移的大小才和路程相等．

布置作业

1．教材第14页第2、3题．

2．练习使用各种记录时间的仪器，如秒表．

2　时间和位移

时间

在时间坐标轴上对应于一线段

时刻

在时间坐标轴上对应于一点

位移

描述物体位置的改变，是矢量，与运动路径无关，只取决于初末位置

路程

是质点运动轨迹的长度，是标量，取决于物体运动路径

课题：

感受位移—时间图象

设计目的：

让同学们通过实践动手，感受物体的位置变化随时间变化的关系，为下一课速度的学习奠定知识基础．

设计思路：

物体的位移随时间变化的关系，可用图象表示，叫位移—时间图象，即x－t图象．如图是演示x－t图象的装置，当盛沙漏斗下面的薄木板N被匀速地拉出时，摆动着的漏斗中漏出的沙在板上形成的曲线显示出摆的位移随时间变化的关系，板上的直线OO1代表时间轴．同学们考虑一下，漏斗的轨迹如何？

漏出的沙子在板上形成曲线，反映出漏斗的位移随时间如何变化？

实际做一做，讨论上述问题．

时间的基本单位

时间是与人类生活有着密切关系的物理量，其基本单位的定义一直在发展．这反映了人们对时间概念的实际理解和科学技术的进步．

直线运动中用到时间的国际单位为秒，但到底多长时间为1秒，理想的单位时间必须要寻找一个不受外界条件干扰的事件所经历的过程来作为单位时间的定义．

1．生物时

昼夜的更迭、月亮的盈亏、寒暑的交替为定量测量时间提供了自然的单位——日、月、年．但这些单位都是很长的时间段．为测量更短暂的现象，需要更小的时间单位．比如，老中医以自己一次呼吸长短来感觉病人脉搏的快慢．在先进的测量工具出现之前，人们靠心脏搏动间隔、一次呼吸的长短，即凭感觉来定时，也就是靠生物钟来定时，这必然是不科学和不准确的．

2．恒星时

理想的孤立的刚体旋转的周期是恒定的．地球可非常近似地看做与外界没有任何力的联系的孤立体，其自转周期基本恒定．地球的自转是由星球划过天空的运动反映出来的．北极星是天空时钟的轴．一颗恒星绕北极星转一圈所用的时间为一个恒星日，这也是地球的自转周期．

3．通过牛顿运动定律和万有引力定律，科学家能计算出诸行星及其卫星的运动

在20世纪，天文学家指导计算出的位置和实际位置进行对照并发现了偏差．这些天体到达它们的计算位置比预期的到达时间早了几秒．这表明地球并不是孤立的刚体，它的自转周期在变慢，选择地球自转事件作为不变时间的基础是不太妥当的.1956年国际天文学会便以地球公转替代地球自转作为时间标准单位的基础，并定出历书时的基本时间单位“秒”定义为1900年回归年时长的1/31556925.9747.

4．原子时

由于地球、太阳等天体的能量E在外界其他天体的摄动作用下也会发生变化，故天体时钟的标准也要发生变化．

一个天然钟必须具备的条件可由原子得到很好的满足．原子中能级间的跃迁时间这一事件在现在看来是恒时的．因此，1967年国际计量大会又采纳了新的时间基本单位定义：

1秒钟等于铯—133原子在其F＝4→3，MF＝0→0的超精细能级跃迁中所对应辐射的9192631770个周期的持续时间．

原子时以其极高的稳定性、准确性在科学技术领域确定了自己的地位．或许我们的同学在以后还能找出更精确的恒定不变的事件来定义新的基本时间单位．

原子钟的发明史

到20世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动．取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒．即使如此精确，它还是不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要．根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲，因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒．所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟．

20世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果使基于上述原子计时器的计时钟研制取得了实质性进展．在拉比设想的时钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁．反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁．原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲．目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平.1949年，拉比的学生拉姆齐提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确.1989年，拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖．

二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准．世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，但这个钟需要一个房间的设备，所以实用性不强．另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器．扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟，这种原子钟非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用．研制过程中，扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室.1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟．两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在4年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代．

到了1967年，关于原子钟的研究如此富有成效，以至于人们依据铯原子的振动而对秒作出了重新定义．如今的原子钟极其精确，其误差为10万年内不大于1秒．历经数年的努力，三种原子钟——铯原子种、氢微波激射器和铷原子钟（它们的基本原理相同，区别在于元素的使用及能量变化的观测手段）都已成功地应用于太空、卫星以及地面控制．迄今为止，在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟，GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟．

今天，名为NIST≠F1的原子钟是世界上最精确的钟表，但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量．这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的时间和频率部内.1999年才建成的这座钟价值约为65万美元，可谓身价不菲．在2000万年内，它既不会少1秒也不会多1秒，其精度之高由此可见一斑．这架昂贵的时钟既没有指针也没有齿轮，只有激光束、镜子和铯原子气．

计时标准

时间标准的选取经历了漫长的演变过程．很久以前，人们根据日出日落、季节更替等自然现象确定了日、月、年等时间概念．后来又根据摆的等时性原理设计制造了各种机械时钟．

“秒”最初定义为一年的31556925.9747分之一．由于季节变化和潮汐等影响，地球自转并不完全均匀，这使得天文方法所得到的时间精度受到限制．

科学研究发现，原子振动的快慢由原子的内部结构决定．不受外界环境的影响，具有很高的稳定性．在1967年的国际计量大会上确定钯原子振动9192631770次所需的时间定义为1s．铯原子钟的精确度非常高，每3000年只有1s的误差．原子时钟的极高稳定性和准确性在科学技术领域确定了自己的地位．或许我们的同学在以后还能找出更精确的恒定不变的事件来定义新的基本时间单位．