高中物理概念教学课件

高中物理概念教学第一章力学基础概念导入1物理学定义物理学是研究物质运动最一般规律的基础自然科学2基本物理量长度、质量、时间等基本量及其单位系统3牛顿运动定律运动状态变化的基础理论框架4运动学描述物理学是什么？物理学是研究物质运动规律的自然科学，是所有自然科学的基础它通过观察、实验和理论分析，揭示自然界最基本的规律物理学的主要分支力学研究物体运动和相互作用电磁学研究电场、磁场及其相互关系热学研究热现象和热运动规律光学研究光的传播和光与物质相互作用现代物理量子力学、相对论等前沿领域物理量与单位基本物理量导出物理量量纲分析•长度米m•速度米/秒m/s量纲分析可用于•质量千克kg•加速度米/秒²m/s²•检验公式正确性•时间秒s•力牛顿N•推导物理关系•电流安培A•功/能焦耳J•简化复杂问题•温度开尔文K•压力帕斯卡Pa•确定无量纲参数⁻•物质的量摩尔mol•电压伏特V例F=ma，[F]=[m][a]=[M][L][T²]•发光强度坎德拉cd•频率赫兹Hz运动的描述位移与速度位移与路程的区别位移物体运动起点到终点的有向线段，是矢量只关注起点和终点，与具体路径无关路程物体实际运动轨迹的长度，是标量始终为正值，且路程≥位移大小速度的定义瞬时速度$v=\lim_{\Delta t\to0}\frac{\Delta x}{\Delta t}=\frac{dx}{dt}$平均速度$\bar{v}=\frac{\Delta x}{\Delta t}$加速度的概念加速度是描述速度变化快慢的物理量，定义为单位时间内速度的变化率作为矢量，加速度不仅可以改变速度大小，还可以改变速度方向加速度定义$a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}$单位米/秒²m/s²生活中的加速度感受•汽车起步身体向后倾•急刹车身体向前倾•转弯身体向弯道外侧倾匀加速直线运动$v=v_0+at$$x=x_0+v_0t+\frac{1}{2}at^2$$v^2=v_0^2+2ax-x_0$牛顿第一定律（惯性定律）如果一个物体没有受到外力作用，那么它将保持静止状态或匀速直线运动状态惯性的物理本质惯性是物体抵抗其运动状态变化的属性，与物体的质量成正比质量越大，惯性越大，越难改变其运动状态生活中的惯性现象汽车突然启动，乘客身体向后倾重要实验演示急刹车时，车内物品向前滑动惯性球实验将纸牌快速抽走，硬币会因惯性落入杯中跑步时突然停下，身体仍有前冲趋势筷子打鸡蛋快速击打水平放置的筷子中点，筷子断裂而鸡蛋甩干机脱水水通过筛网被甩出完好牛顿第二定律（加速度定律）牛顿第二定律表明物体的加速度与所受的合外力成正比，与物体的质量成反比，且加速度的方向与合外力的方向相同受力分析步骤典型例题斜面问题应用拓展

1.明确研究对象物体在斜面上受到重力G、支持力N和摩擦力向心力F=m$\frac{v^2}{r}$f

2.分析所有作用力电场中带电粒子F=qE=ma

3.建立坐标系沿斜面方向mgsină-f=ma火箭推进m$\frac{dv}{dt}$=-

4.分解各分力垂直斜面方向N-mgcosă=0u$\frac{dm}{dt}$

5.列出方程F=ma若存在摩擦f=μN=μmgcosă牛顿第三定律（作用与反作用）当两个物体相互作用时，它们之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上的一对力牛顿第三定律的特点作用力与反作用力必须作用在不同物体上这对力同时产生，同时消失它们属于同一种相互作用（如都是重力、弹力等）火箭推进原理不能相互抵消（因为作用在不同物体上）生活实例火箭向后喷射气体（作用力）人走路时，脚向后推地面（作用力），地面向前推人（反作用力）气体反推火箭向前（反作用力）实验演示游泳时，手臂向后推水（作用力），水向前推人（反作用力）气球反冲放开充气的气球，气体喷出，气球向相反方向飞行第二章运动学专题匀速直线运动抛体运动圆周运动运动学体系运动学是力学的一个分支，专注于描述物体运动的数学方法，而不关心引起运动的原因本章将系统介绍各类运动的特征和数学描述，包括直线运动、曲线运动和圆周运动，帮助学生建立完整的运动学知识体系直线运动的分类匀速直线运动匀加速直线运动物体沿直线运动，速度大小和方向保持不变物体沿直线运动，加速度大小和方向保持不变特点a=0，v=常数特点a=常数，v随时间线性变化₀规律x=x+vt，位移与时间成正比基本公式₀v=v+at₀₀x=x+v t+½at²₀₀v²=v²+2ax-x应用实例自由落体运动斜面滑动汽车起步/刹车曲线运动与抛体运动抛体运动是一种典型的二维运动，可视为水平方向的匀速直线运动与竖直方向的匀加速直线运动的合成水平方向ₓ无加速度a=0ₓ₀速度保持不变v=v cosă₀位移x=v cosă•t竖直方向ᵧ有重力加速度a=gᵧ₀速度变化v=v sină-gt₀位移y=v sină•t-½gt²轨迹方程消去时间t，得₀y=tană•x-[g/2v²cos²ă]•x²抛物线方程形式y=kx-bx²₀平抛运动是抛体运动的特例，初速度方向水平（ă=0），轨迹方程简化为y=-[g/2v²]•x²通过实验可以验证这一轨迹确实是抛物线圆周运动基础圆周运动的基本参量线速度v切线方向，大小v=ωr单位m/s角速度ω单位时间转过的角度ω=2π/T=2πf，单位rad/s向心加速度aₙ指向圆心，大小aₙ=v²/r=ω²r单位m/s²向心力来源周期T根据牛顿第二定律，物体做圆周运动需要向心力F=maₙ=mv²/r=mω²r完成一周运动所需时间向心力的来源可能是单位s•重力（行星绕太阳）•张力（甩绳）•电磁力（带电粒子在磁场中）•摩擦力（转弯的汽车）圆周运动是一种特殊的曲线运动，其速度大小可以保持不变，但方向不断变化，因此仍有加速度日常生活中，从旋转木马到洗衣机脱水，都是圆周运动的应用向心力与万有引力牛顿通过分析行星运动规律，提出了万有引力定律，解释了行星为何能绕太阳运动而不飞离太阳系万有引力定律行星运动分析开普勒定律向心力由万有引力提供第一定律行星轨道是椭圆₁₁₂mω²r=Gm m/r²第二定律面积速度恒定₁其中G为万有引力常量消去m，得第三定律T²∝r³⁻₂G=

6.67×10¹¹N•m²/kg²ω²r³=Gm万有引力是自然界四种基本相互作用之一，对宇宙大尺度结构形成至关重要地球表面的重力加速度g=GM/R²≈

9.8m/s²，是万有引力在地表的体现第三章能量与功功的概念动能力对物体位移做功，是能量传递的量度物体因运动而具有的能量能量守恒势能能量可以转换但总量不变物体因位置或形状而具有的能量能量是物理学中最基本也最重要的概念之一本章将探讨功与能的关系、能量的不同形式及其转换规律，以及贯穿整个物理学的能量守恒原理功的定义与计算功的定义功是力对物体位移的作用效果，定义为力在位移方向上的分量与位移的乘积其中θ是力方向与位移方向的夹角功的正负正功力的方向与位移方向同向0°≤θ＜90°零功力垂直于位移方向θ=90°负功力的方向与位移方向反向90°＜θ≤180°动能与势能动能重力势能弹性势能物体因位置高低而具有的能量物体因运动而具有的能量弹性形变物体储存的能量需要选取参考面（h=0处）与质量和速度平方成正比与弹性系数和形变量平方成正比参考面以下势能为负值只与速度大小有关，与方向无关应用弹簧、弓箭、橡皮筋地球与物体的共同属性是标量，单位焦耳J能量转化实例摆锤运动摆锤在最高点全部是重力势能摆锤在最低点全部是动能中间位置同时具有动能和势能若无摩擦，则E=Ek+Ep保持不变，是能量守恒的完美展示能量守恒定律在一个孤立系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总量保持不变机械能守恒条件如果系统中只有重力、弹力等保守力做功，没有摩擦、阻力等非保守力做功，则系统的机械能（动能与势能之和）守恒即$\frac{1}{2}mv_1^2+mgh_1=\frac{1}{2}mv_2^2+mgh_2$能量转化与损耗实际系统中，由于摩擦等耗散力的存在，机械能会逐渐转化为热能、声能等形式，但总能量仍然守恒典型实验滑块能量守恒从不同高度释放的滑块，在光滑斜面上滑下，可验证机械能守恒原理，最终速度只与高度差有关，与路径形状无关能量守恒定律是物理学中最基本的守恒定律之一，它不仅适用于经典力学，也适用于相对论和量子力学，是整个物理学的基石第四章动量与碰撞动量定义动量守恒物体质量与速度的乘积，是矢量系统内合外力为零时，总动量守恒碰撞类型应用实例弹性碰撞与非弹性碰撞的区别火箭推进、台球碰撞、枪弹反冲动量是描述物体运动状态的另一个重要物理量，与能量一样具有守恒性本章将介绍动量概念、动量守恒定律及其在碰撞问题中的应用动量的定义与守恒动量的定义动量是质量与速度的乘积，是描述物体运动状态的物理量单位kg•m/s动量是矢量，具有大小和方向冲量定理冲量等于动量的变化量同一个冲量，质量越小，速度变化越大动量守恒定律在没有外力或外力可忽略的系统中，总动量守恒应用条件•系统是封闭的（无外力或可忽略）•内力作用时间很短（如碰撞）•内力远大于外力生活实例汽车碰撞、桌球撞击、枪弹发射反冲碰撞类型弹性碰撞碰撞前后系统的机械能守恒，总动量也守恒特点1•无能量损失•分子间作用力为保守力•碰撞物体形变后完全恢复例理想的钢球碰撞、分子碰撞₁₂₁₂相对速度关系v-v=-v-v完全非弹性碰撞碰撞后两物体粘在一起以相同速度运动特点2•总动量守恒•机械能不守恒（有损失）•部分机械能转化为内能例泥球碰撞、子弹射入木块₁₁₂₂₁₂碰撞后速度v=m v+m v/m+m部分弹性碰撞介于弹性和完全非弹性碰撞之间特点3•总动量守恒•部分机械能损失•引入恢复系数e0e1例现实中的大多数碰撞₁₂₁₂恢复系数e=|v-v|/|v-v|碰撞实验是物理教学中验证动量守恒的重要手段通过观察不同物体碰撞前后的速度变化，可以深入理解动量守恒原理，以及能量在碰撞过程中的转化规律第五章转动与角动量转动力学是经典力学的重要组成部分，研究刚体绕轴的旋转运动本章将介绍角动量、转动惯量、力矩等概念，以及角动量守恒定律及其应用角动量刚体转动状态的度量，L=Iω力矩使物体产生转动的作用效果，M=r×F转动惯量物体抵抗转动状态改变的属性，I=∑mr²角动量守恒无外力矩时，系统总角动量保持不变角动量的概念角动量的定义角动量是描述旋转物体运动状态的物理量，类似于直线运动中的动量概念对于刚体转动$\vec{L}=I\vec{\omega}$其中I是转动惯量，ω是角速度转动惯量的物理意义转动惯量表示物体抵抗角速度变化的能力，类似于质量对直线加速度的影响转动惯量与质量分布有关，同质量物体可有不同转动惯量生活实例花样滑冰旋转加速滑冰运动员在旋转时，将手臂收拢会使旋转速度加快，这是角动量守恒的直接体现当运动员收臂时，转动惯量I减小，为保持L=Iω不变，角速度ω必须增大，使旋转速度加快常见物体的转动惯量•细棒轴在中点I=1/12ML²•细棒轴在端点I=1/3ML²•圆环轴在中心I=MR²•圆盘轴在中心I=1/2MR²•球体轴在中心I=2/5MR²角动量守恒定律角动量守恒定律是物理学中的基本守恒定律之一，与能量守恒、动量守恒并列为经典力学三大守恒定律当没有外力矩作用于系统时，系统的总角动量保持不变旋转椅实验演示自然界中的角动量守恒坐在旋转椅上的人手持哑铃•行星围绕恒星的运动•电子围绕原子核的运动•双臂展开，转速较慢•星云坍缩形成恒星时的加速旋转•双臂收拢，转速增加•自行车轮子的陀螺效应•再次展开，转速减慢₁₁₂₂验证了角动量守恒Iω=Iω进动与章动陀螺在重力作用下会出现进动现象地球自转轴也存在进动，周期约26000年章动是进动的微小变化力矩与转动平衡转动平衡条件

1.合外力为零∑F=0（平移平衡）

2.合外力矩为零∑M=0（转动平衡）杠杆原理及应用杠杆平衡时，动力与阻力的力矩相等生活中的力矩实例开关门距离门轴越远，所需的力越小扳手拧螺丝柄越长，所需的力越小跷跷板重量不同的人可通过调整距离实现平衡人体关节肌肉附着点距关节越远，力矩越大力矩的定义其中r是力臂（力的作用点到转轴的垂直距离）力矩单位N•m第六章热学基础热量温度物体间传递的能量形式物体冷热程度的度量热传递传导、对流、辐射热力学定律热膨胀能量守恒与热量传递规律物质受热体积增大热学是物理学的重要分支，研究热现象及其规律本章将介绍温度、热量、热传递、热膨胀等基本概念，以及热力学第一定律的内涵和应用温度与热量温度的定义与测量温度是表征物体冷热程度的物理量，反映分子平均动能大小温标•摄氏温标℃0℃为水的冰点，100℃为水的沸点•华氏温标°F T°F=

1.8T℃+32•热力学温标K TK=T℃+

273.15热量热量是物体间传递的一种能量形式单位焦耳Jc为比热容，单位J/kg•℃热量传递方式热传导热量在物质内部分子间的直接传递固体是主要传导方式金属导热性好，绝缘体导热性差热对流流体中热量随物质整体流动传递液体、气体中的主要传热方式如空气加热器、热水供暖系统热辐射热量以电磁波形式传递热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的表达，阐明了热量、内能和功之间的关系系统吸收的热量等于系统内能的增加和系统对外做功的总和内能概念内能是系统中所有分子热运动动能和分子间势能的总和1理想气体内能仅与温度有关U=nCvT内能是状态函数，只与系统当前状态有关，与到达该状态的过程无关气体过程等容过程V=常数W=0，Q=ΔU2等压过程p=常数W=pΔV，Q=ΔU+pΔV等温过程T=常数ΔU=0，Q=W绝热过程Q=0ΔU=-W实验演示3气体膨胀做功实验气体在圆筒中加热膨胀，推动活塞上升，举起重物，实现热能转化为机械能的过程这直观展示了热力学第一定律中的能量转换关系复习与总结力学基础1牛顿三大定律、基本物理量运动描述位移、速度、加速度2运动学直线运动、曲线运动能量与功3圆周运动、万有引力功的定义、动能与势能4动量与碰撞能量守恒定律及应用动量守恒、碰撞分析转动与角动量5弹性与非弹性碰撞角动量、转动惯量、力矩6热学基础角动量守恒及应用温度、热量、热传递热力学第一定律学习物理的方法与技巧

1.理解概念，而不是死记公式物理学习的核心是理解物理概念和规律，并能灵活应用于解决实际问题

2.注重实验观察与实际应用在解题过程中，注重分析物理模型，明确已知条件与求解目标，选择合适的物理规律，通过数学工具得出结论

3.建立知识体系，把握知识间联系

4.多做练习，培养物理思维致谢与互动环节欢迎提问与讨论现在是互动环节，欢迎大家就课程内容提出问题或分享学习心得物理学习是一个循序渐进的过程，提问和讨论有助于加深理解物理学习资源推荐经典教材•《费曼物理学讲义》探索物理的奥秘•《普通物理学》（程守洙）•《概念物理学》（休伊特）物理学是探索自然奥秘的钥匙，通过学习物理，我们能够理解从微观粒子到宏观宇宙的运行规律在线资源希望同学们保持好奇心，主动思考，不断探索，将物理知识应用到日常生活和未来的学习工作中•中国大学MOOC物理课程•Khan Academy物理视频记住物理不仅是一门学科，更是一种思维方式！•PhET互动模拟实验。