2019版新教材-人教版 高中物理必修第一册（人教版）（电子教材课本）.pdf

q c o ) 魉易 普通高中教科书 物理 第一册 必 修 2 高中物理必修第一册 致同学们 同学们好！从这学期开始，本套书将陪伴大家一起学习高中物理。 中学物理是科学课程中非常重要的一门课，它对我们了解客观世界、学习探索世界的 方法、 培养科学的思维、 形成科学的态度与责任等都有非常重要的作用。在今后的学习中， 同学们既要注意概念、规律的确切含义，同时也要注意体会、思考在建立概念和探索规律 时，所涉及的一些科学思维和方法，培养自己理性思考、敢于质疑、不断创新的科学素养。 为了使大家能更好地学习、探索浩瀚的物理世界，本书设计了以下栏目。 问题 每节开始创设的一个情境问题。以引发同学们对所要学习的内容主动思考，培 养大家的问题意识及提出问题的能力。 实验 同学们自己动脑、动手操作的实践活动。 演示 主要是老师展示、供大家观察的实践活动。 思考与讨论 用于引发思考、展开交流等而设计的问题。 做一做 小型的动手操作类活动，目的是引发思考、体验感悟。 科学方法 物理学中常用和重要的科学思想、方法。应注意的是，更多的科学思想及 方法在相应的正文和旁批中体现。 拓展学习 体现弹性，属于选学、选做的内容。主要内容是知识的拓展、延伸，或者 是用传感器、计算机等设备自动记录和处理数据的实验，供有条件的学校选用。 STSE 主要介绍和探讨科学技术社会环境间相互关联的一些问题，属于选学 内容。 科学漫步 介绍物理学的重要史实或前沿进展，为开阔视野的内容，以引发同学们自 己主动学习，属于选学内容。 练习与应用 针对每节内容所设计的练习题，用于巩固所学的概念、规律和方法。 复习与提高 针对全章内容所设计的练习题，分 A、B 两组，用于巩固及提高。A 组 相对容易一些，属于共同要求； B 组相对难一些，属于选学内容。 走进物理课堂之前 3 序言物理学：物质及其运动规律的科学 第一章运动的描述 1. 质点 参考系 2. 时间 位移 3. 位置变化快慢的描述速度 4. 速度变化快慢的描述加速度 第二章匀变速直线运动的研究 1. 实验：探究小车速度随时间变化的规律 2. 匀变速直线运动的速度与时间的关系 3. 匀变速直线运动的位移与时间的关系 4. 自由落体运动 第三章相互作用力 1. 重力与弹力 2. 摩擦力 3. 牛顿第三定律 4. 力的合成和分解 5. 共点力的平衡 第四章运动和力的关系 1. 牛顿第一定律 2. 实验：探究加速度与力、质量的关系 3. 牛顿第二定律 4. 力学单位制 5. 牛顿运动定律的应用 6. 超重和失重 课题研究 学生实验 索引 6 14 15 18 23 29 37 38 41 44 49 58 59 64 68 72 76 82 83 87 92 97 101 105 112 116 120 1 目录 走进物理课堂之前 走进物理课堂之前 1 走进物理课堂之前 一群顽童，衣着五色斑斓，凑在一起，专爱找些新鲜游戏来玩。他们上树 掏鸟蛋、下河捞鱼虾；把蝌蚪养在玻璃罐里，要看它们怎样变青蛙；把鸟蛋放在 被窝里孵化，想看小鸟怎样从壳里往外爬，睡觉时把鸟蛋压碎了，弄得被窝一 塌糊涂，挨了妈妈的骂。 一天在树下玩耍，一只熟透了的苹果掉下来，他们就辩论起来。 苹果是不是越落越快？不过他们很快就达成一致：是的，苹果越落越快。 怎见得？苹果刚离开树枝时几乎是静止的，落地前已相当快，于是就摔 烂了。 文静的紫珠说： “只说苹果越落越快，没什么了不起，谁能说出苹果下落怎 么个越来越快法？ ” 赵 凯 华 _ 赵凯华（1930 ） ，北京大学教授，曾任中国物理学会副理事长兼教学委员会主任。 黑柱说： “苹果越落越 快，就是它的速度正比于落 下的距离呗！比如它落下2 m 时的速度是落下1 m时速度 的两倍。 ” 白胖说： “我看是苹果的 速度正比于落下的时间，它 下落2 s后的速度是下落1 s 后速度的两倍。 ” 红孩思考了一会儿说： “你们都说速度的变化，可是 速度很难测量，还不如说落 下的距离。我猜，要是苹果 在第1 s内下落的距离是1， 2 高中物理必修第一册 那么，在第2 s内下落的距离就是2，在第3 s内下落的距离就是3，等等。我这个 想法容易用实验来检验。 ”孩子们七嘴八舌，莫衷一是。 坐在一边的蓝仔插进来说： “实验是必须做的，不过垂直下落太快，也许得 利用斜面。我得回去好好想想，要讲清道理。 ”天色已晚，黄娃建议明天到游戏 场去做实验，于是大家就散伙回家了。 第二天大家来到游戏场，蓝仔宣布，他对红孩的猜测有修正，每秒落下的距离 不是 1 2 3 4 5 而是 1 3 5 7 9 白胖说：怪了！凭什么不是下面这样的？ 2 4 6 8 10 黄娃兴冲冲地跑到滑梯上把自己的书包放到斜 面上让它下滑，没想到摩擦力太大，书包滑到半路 不走了。 黑柱掏出一个皮球，说： “来，用这个！ ” 大家选红孩当指挥，他要其他人手里各拿一段 粉笔头，沿滑梯一字排开。红孩在滑梯顶上，看着 手表说： “我喊开始！ ，就把皮球放开； 喊1 s ， 站在滑梯旁的第一个人用粉笔在球经过的地方画一 道；喊2 s ，第二个人用粉笔再在球经过的地方 画一道；如此等等。 ”他发号施令，球沿滑梯滚下 来。没想到，第一个人画了粉笔道后，没等第二个 人画，球已经滚出了滑道。再试，还是那样。大家 有点儿懊恼了。 紫珠提议： “我们找物理老师去！ ” 老师听了他们的汇报后，笑眯眯地说，我带你 们到实验室看一样东西。在实验室里看到有盏灯一 闪一闪地照着一个下落的球，那球的影像断断续续 地，像一串断了线的珍珠，上密下疏。 老师解释说： “这架仪器叫作频闪仪 ，它每 隔一定时间间隔发出一次闪光，于是我们就看到了 从静止下落的球每隔一定时间间隔的位置。这个过 程用肉眼看还是太快，无法看清楚，更无法测量。 0 1 1 4 9 16 25 36 49 64 81 100 3 5 7 9 11 13 15 17 19 1 2 3 4 5 6 10 0 1 3 6 10 15 21 7 28 8 36 9 45 55 11 66 ? ? ? ? 落体的频闪照片 （示意图） 走进物理课堂之前 3 我们用照相机连续曝光，把整个过程拍下来。我这里正好有一张拍好的照片， 你们可以拿去研究。 ” 孩子们非常兴奋。 红孩说： “我们先找一张比照片还大些的白纸，以照片上头两个球的影像之 间的距离为间隔，精确地在纸上画许多水平线，然后把照片叠放上去，确定以 下各个影像的位置，并算出它们之间距离的比例。 ” 孩子们做得非常认真，水平线画得很平行，间隔也很准确。图画好了，白 胖建议先不把照片叠上去，让红孩和蓝仔分别按他们的预期，在落体的频闪照 片左右标出球各次将要到达的位置，最后比一比，看看谁对。 红孩在左边标的是 蓝仔在右边标的是 0 0 1 1 1 2 3 1 3 4 3 3 6 4 5 9 6 4 10 9 7 16 10 5 15 16 9 25 15 6 21 25 11 36 21 7 28 36 13 49 28 8 36 49 15 64 36 9 45 64 17 81 45 10 55 81 19 100 白胖惊讶地对蓝仔喊道： “没想到你这里都是整数的平方，妙极了！ ” 于是，大家郑重地把照片叠上去，将起始点对准纸上的零刻度线。 啊！答案出来了，红孩的估计比实际慢了很多，蓝仔的猜测非常符合照片 上显示的实际情况。大家为蓝仔欢呼。这时绿妹却质问蓝仔说： “你得给我们说 清楚，你是怎么想的。 ”蓝仔说： “说来话长，得找个有黑板的地方讲。 ” 孩子们来到教室，把老师也请来了，听蓝仔讲。 蓝仔说： “其实我是吸取了白胖的想法，速度正比于走过的时间。 ” 设第1 s末的速度为v，初速度为0，所以平均速度为 v 0 v v 22 ，走过的距离为 v 2 1 s。 第2 s末的速度为2v，初速度为v，所以平均速度为 4 高中物理必修第一册 v v 2v 2 3v 2 ，走过的距离为 3v 2 1 s。 第3 s末的速度为3v，初速度为2v，所以平均速度为 v 2v 3v 2 5v 2 ，走过的距离为 5v 2 1 s。 依此类推。为了取整数，可令v 2，于是球在相继各秒下落距离之比就是 1 3 5 7 9 如果从零刻度线起算各秒末的总路程，那就是整数的平方 1 4 9 16 25 蓝仔讲完后，白胖颇有感慨地说： “真没想到，蓝仔的说法听起来和我的猜 测是那样的不同，居然是一致的！可是他把我的想法发挥到了更精致的程度。 ” 孩子们兴奋之余，没忘了请老师讲话。 老师说： “同学们，你们干了伟大的事。虽然你们得到的结论早已写在物理教 科书里，但你们干的，是四个世纪前伟人们干的事。15 世纪欧洲文艺复兴时期， 有多位大师参与了落体定律的创立。艺术巨匠达芬奇提出的落体定律就是红孩 的1 : 2 3 4 5 律，物理学的创立人之一的伽利略提出的落体定律就 是蓝仔的1 3 5 7 9 律，最后是伽利略自己用精巧的斜面验证了它， 建立了不朽的落体定律，至今每个中学生都在学习它。你们还没有学习这个物理 规律就自己找到了它，多么了不起！ ” 绿妹插嘴道： “达芬奇的名画我见过一张，叫蒙娜丽莎 ，是在我哥哥 带回家来的一本世界名画集中看到的，我哥哥在美术学院学习。 ” 老师补充说： “挂在蒙娜丽莎嘴角上那一丝神秘的微笑令世人倾倒。应 当指出，达芬奇不仅是艺术家，他还是一位工程师和科学家哩。他设计了多种 机器、武器和建筑，搞过人体解剖。科学和艺术是相通的嘛。 ” “分析起来你们的研究还真有点儿符合物理学的科学方法哩。 ”老师继续说： “物理学是探索自然界最基本、最普遍规律的科学，物理学的一般探索过程是通 过观察和实验积累经验，在经验事实的基础上建立物理模型，提出（往往是猜测 出）简洁的物理规律（物理学要求这些规律是定量化的，也就是用公式或数字 表达的） ，用它们去预言未知现象，再用新的实验去检验这些物理模型和物理规 律，去否定或进一步修正它们。 ” 黄娃插问： “老师，什么是物理模型？ ” 老师解释道： “实际问题往往是复杂的，其中包含一些非本质的枝节，物理 模型就是把实际问题理想化，先略去一些次要因素，突出其主要因素。不这样做 我们就得不到简洁的物理规律。拿你们研究的落体规律来说，空气的阻力或斜面 的摩擦力就是次要因素，不排除和忽略它们，我们就得不到简洁的落体定律。你 走进物理课堂之前 5 黄娃的书包在滑梯上滑不下去，不是再好不过地说明了这个问题吗？ ” 白胖问： “老师，您说简洁的物理规律是什么意思？ ” 老师说： “对问题认识得越深刻，得到的规律就显得越简洁。你不觉得蓝仔 的整数的平方律1 22 32 42 52比奇数律1 3 5 7 9 更优美吗？其实还有更简洁的说法。物理学把每秒内速度的增加量叫作加速 度 ，这个概念是伽利略在研究落体定律时创建的。蓝仔的（其实也是你白胖 的）落体模型可以概括为落体运动是加速度不变的运动 ，这不是更简洁吗？ 物理学中把这种运动叫作匀加速运动 ，即落体运动是匀加速运动 。认识 一步一步地深入要靠逻辑推理，要靠数学，数学可以把表面上看起来不同的说 法联系在一起，在认识上把它们统一起来。 ” 黑柱忽然问： “落体就是越落越快呗，研究得那么细有什么用？ ” 大家面面相觑，都愣住了。 老师从皮包里掏出一张画，上面画的是一个航天员站在月球的表面，双手 各丢下一把榔头和一根鹰的羽毛，检验它们在月球上没有空气的条件下是否落 得一样快。这位航天员是阿波罗15 号的斯科特，他说，如果没有伽利略落体定 律的发现，他就不可能站在那个地方。于是，他情不自禁地在月球上重复他在 中学时就在抽空的玻璃管内看到的鸡毛铜钱实验。 老师说： “航天员深刻地知道，虽然仅靠伽利略的落体定律还不能登月，但 没有以伽利略落体定律为代表的科学基础，人类社会是不会有今天辉煌的科学 技术成就的。物理学是所有现代技术的基础，也是其他自然科学（如化学、生命 科学）的基础。同学们今天学习物理学，主要不是马上去用它，而是为将来掌握 高科技打好基础。学物理就得从根上学起，从伽利略的加速度概念和落体定律 开始。 ” 孩子们又活跃起来，热切希望跟老师学好物理课。 6 高中物理必修第一册 序言 物理学：物质及其运动规律的科学 孙昌璞 人类自古以来就对自然界充满好奇。日出日落、辰宿 列张、春华秋实、寒来暑往，大自然的各种神奇现象让人 们惊叹不已，强烈渴望弄清其背后的规律和联系。这种好 奇心和人类提高生产力水平的需求，构成了自然科学发展 最主要的两个动力。在它们的驱使下，人类对自然规律进 行着不懈的探索。物理学是这些探索过程中结出的最重要 的果实之一。 图 0-1 浑仪 在初中，大家已经学习了一些有趣的物理知识和思考 物理问题的方法。进入高中，我们将认识更丰富多彩的物 理现象，学到更为深刻的物理知识。在学习过程中，大家 还要进一步领悟科学研究的方法，受到科学精神的陶冶。 这里，让我们先概览一下物理这门学科。 洞天察地，万物之理物理学概述 早在 2 000 多年前的古希腊时期，亚里士多德、阿基 米德等一批科学家就开始了对物理现象和规律的探索，并 发现了杠杆原理、 浮力定律等规律。 这是物理学的萌芽时期。 16 17 世纪，伽利略和牛顿等人在前人工作的基础上创立 了系统性的力学理论，建立了实验观测和理论分析计算相 结合的现代研究方式。1687 年，牛顿出版了他的名著自 然哲学的数学原理 。 这标志着现代意义的物理学正式诞生。 经过四个世纪的发展，物理学已经成为一门分支众多、 深刻影响当代科学技术发展乃至人类社会文明进步的基础 学科。 _ 孙昌璞（1962 ） ，理论物理学家，中国科学院院士，中国工程物理研究 院研究生院院长。 中国是天文学发展最早的国家之一。中国古代天象观测纪录，是世界公认最 悠久最系统的。中国不仅留下了世界最早的日食、月食、太阳黑子以及哈雷彗 星的记录，而且编出了世界上最早的星表。浑仪（图 0-1）是望远镜发明前世 界上最先进的天文观测工具。 中国儒家典籍，六经之一。书中有些观点蕴含较深的寓意和辩证的思想。 序言 7 天行健，君子以自强不息。 周易 远到宇宙深处，近至咫尺之间，面对广袤苍穹之浩瀚、基本粒 子之精微（图0-2） ，物理学定量地研究物质的存在形式、基本性 质以及运动和转化规律。物理学不仅要探索物质的深层次结构， 还 要在不同层次上认识物质的组成部分及其相互作用。因此，说物理 学是关于“万物之理”的学问并不为过。 物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、遵循逻辑推理的 理论科学。由于物质世界纷繁复杂，有限的实验和观察难以完全揭 示其背后的本质规律和内在联系。因此，在依赖先进的科学装置的 同时，物理学的发展也必须借助于强有力的数学工具和大型计算技 术，以及深刻的洞察力和丰富的想象力。 今天，物理学中的基本概念和理论、实验方法和手段，已经越 来越广泛地应用于其他学科，极大地丰富了人类对物质世界的认 识，推动了科学技术的创新和革命，促进了生产力的发展和人类文 明的进步。 观察现象，揭示本质物理学研究的特点 物理学通过定量的实验和严谨的逻辑分析， 不断地揭示出自然界的客观规律和各种 现象的内在联系。其中有的和直觉 10-15 m 10-10 m 图 0-2 物质世界的空间尺度 8 高中物理必修第一册 吻合，也有很多与直觉不 尽相同，需要通过严密的实验 和思考，才能透过表象看到本质。这 些成果极大地丰富了人类对物质世界的认 识，也展现了人类理性思维的巨大威力。这可 以从物理学发展中的几个典型例子看出。 古人曾凭直觉认为，地球是宇宙的中心。16 17世 纪，哥白尼、第谷和开普勒等人通过详尽地观测和分析，逐 渐认识到地球和其他行星都在绕着太阳运动，并找到了这些运动 的规律。最终，依据这些观测和分析，牛顿发现了万有引力定律， 揭示了这些运动规律的根源。伽利略和牛顿还认识到物体即便在不 受力的情况下也会一直运动下去，这也与通常的直觉相反。这种对 内在规律深刻的认识，靠的是精确的实验和严密的逻辑分析，二者 缺一不可。 19世纪初，人们已经知道电流能产生磁场，于是很自然地问： 电能生磁，那么磁应该也能生电吧？英国科学家法拉第对此进行了 大量实验。一开始，他从直觉出发，认为既然稳定的电流能产生磁 场，那么稳定的磁场也应该能产生电场，但是实验都失败了。后来 他偶然发现，变化的磁场才能产生电场，这就是著名的电磁感应定 律。总的来说，磁能生电的规律是符合直觉的，但其产生方式却和 最初的直觉很不相同。可见，客观规律是否与直觉一致，是不能一 概而论的，需要针对具体情况通过认真地研究才能搞清楚。 一代代物理学家们在探究客观世界的过程中发展了很多行之有 效的研究方法。在物理学习中，我们不但要掌握具体的知识，而且 要学习和体会这些科学方法，并努力运用它们解决各种实际问题。 宇宙 1013 m 太阳系 序言 9 10-4 m 10-7 m 学以致知，客观理性物理学背后的科学精神 物理学的发展和成就与它所蕴含的科学精神密不可分。 首先是学以致知的探索精神。前面说过，人类对自然 界的好奇心是科学发展最重要的动力之一。人们在它的驱 使下研究很多问题，其中，有的能直接转化成技术，服务 于实际应用，但是也有很多是当时看不到直接用途的。比 如伽利略研究的力和运动的问题、牛顿发现的万有引力定 律，当时都属于无用之学。正是这些看似没有用的、以求知 为目的的探索，使人们获得了对自然规律完整深入的认识。 其次是实事求是的客观精神。物理学的目的是求真， 客观事实是判断对错的标准，对就是对，错就是错。猜 想和论断必须能经受得住实验的检验和逻辑的推敲。19 世纪末 20 世纪初，当人们发现权威的牛顿学说不适用于 微观和高速情况时，便认真地对其进行修正 ； 1936 年， 大名鼎鼎的爱因斯坦向杂志投出一篇论文，审稿人和编 辑发现论文有错，便毫不犹豫地指出并拒稿。这些都是 物理学史上实事求是、务实求真的佳话。 还有就是理性分析的精神。物理学强调数学计算和逻 辑分析，环环相扣，有原因才有结果。不合乎逻辑的地方 必然意味着有问题，必须搞清楚。物理学的殿堂中，没有 诡辩者的位置。 需要指出的是，科学精神不仅对科学研究很重要，而 且在社会生产、日常生活的各方面都是有价值的。现代社 会分工精细、节奏紧凑，很多时候“失之毫厘，差之千 里” 。这就要求我们在工作和生活中要做到实事求是、严 谨认真并且讲求逻辑，敬畏和尊重客观规律，从而提高效 率、减少失误。另外，秉承实事求是和讲求逻辑的精神， 还会使我们在碰到问题的时候，面对现实、认真分析，根 据实际作出判断与选择，不盲从、不走极端。 揭示自然，造福人类物理学的应用 物理学的发展，推动了工业、农业和信息技术等方面 10 高中物理必修第一册 F 0 J 序言 11 的进步，引发了一次次的产业革命，改变了人类的生产和 生活方式。技术的进步又为物理学的研究提供了更为强大 的手段，并引发人们对物理问题进行更深入地思考，从而 反过来促进物理学的发展。 创立于17世纪的牛顿力学，被广泛地应用于工 程技术，大大推动了社会发展。18 19世纪， 工程上对蒸汽机等热机的改进需求，又迫使 人们对热的问题进行深入研究，引发了热 力学的巨大进步（图0-3） 。 1920世纪初，电磁学的发展，直接导致发电机和无 线电通信的诞生，使电能被广泛利用。电走进了千家万户， 世界被电灯点亮，电话和电报把各地的人们连接起来，人 类从此进入了电气时代。 进入20世纪以后，物理学的研究范围更加广阔。人们 掌握了微观世界的规律，这更为有力地推动了技术的进步 和社会的变革。对原子核的认识，使人们掌握了核能，建 造了核电站并发展了治疗肿瘤的放疗等技术；对固体中电 子运动的研究，引发了半导体工业的诞生，导致了晶体管、 集成电路和大容量电子存储技术的发明，从而使人们可以 制造高性能电子计算机（图0-4）；对原子、分子物理和光 学的深入研究，引发了原子钟、激光和光纤通信等技术的 诞生。原子钟是卫星定位系统的核心，激光被广泛用于工 业、通信、医疗和国防，而遍布全球的光纤网是互联网的 物理载体，它把全世界连在一起。毫不夸张地说，20世纪 是物理学的世纪，人们每时每刻都在享受物理学发展带来 的果实，今天世界的整个面貌，都和物理学的巨大进步密 不可分。 20世纪技术的迅猛发展，也大大推动了物理学的研究。 利用现代工业手段，人们制造了巨大的望远镜和粒子加速 器（图0-5）等设备，从而把研究的目光投向更深邃的宇宙 图 0-4 半导体芯片 图 0-5 粒子加速器 图 0-3 第一辆蒸汽机车（模型） 12 高中物理必修第一册 和更微小的粒子；利用大型计算机，人们可以完成更为复 杂和准确的计算并处理海量的实验数据；在现代交通工具 和信息技术的帮助下，学术交流变得更加便捷、高效。 前景广阔，充满挑战物理学的未来 19世纪下半叶，以力学、热学和电磁学为主要内容的 经典物理学，几乎能解释当时已知的所有物理现象。因此， 当20世纪第一个春天来临之际，英国物理学家、被授予 “开尔文勋爵” 的J. J. 汤姆孙在“新春献词”的演说中，踌 躇满志地宣告： “科学大厦已经基本建成后辈物理学家 只需做一些零碎的修补工作就行了。 ” 但话音刚落，他的预 言就被一个接一个的重大发现所打破。从下表中可以看出， 在20世纪，物理学捷报频传，重大发现此伏彼起，从来没 有停止过。 那么，21世纪还会有重要的发现吗？著名法国物理学 家、诺贝尔奖得主德布罗意在物理学的未来一文中说: “我们的知识越是发展，自然就越是以其多种表现证明 它拥有无尽的财富，甚至在很先进的科学领域，如物理学， 我们也没有理由认为我们已经耗尽了自然财富，或者 认为我们已经接近完整地掌握了自然界的全部财富。 ” 事实正是这样的，当前，还有许多困扰物理学的难题。 例如，目前的物质结构理论认为“夸克”构成了质子、中 1900 19091910 19191930 19391940 194920 世纪前 晶体的 X 射线衍射理 论及实验，超导现象， 广义相对论 量子力学，固体能带 理论 黑体辐射理论，狭义 相对论，光电效应 中子、正电子和宇宙 线，产生人工放射性 元素，电子显微镜， 核磁共振理论 半导体晶体管，核 反应堆，宇宙大爆 炸理论 表 20 世纪以来物理学重大发现和与物理学相关的重大技术进步 爱因斯坦 居里夫人 普朗克 1920 1929 序言 13 子等强子，但是，夸克为什么不能单独存在？如何将描述 微观世界运动的量子力学和描述引力的广义相对论结合起 来，以解释宇宙的起源和演化？能否像用麦克斯韦理论统 一描述电和磁一样， 用某一理论统一描述自然界的四种基 本相互作用（弱力、强力、电磁力和引力） ？这些问题都有 待人们去探索。此外，技术发展的需求，也提出了许多有 价值的问题。如何制造可以方便使用的超导材料？如何开 发更为清洁的能源？如何进一步提升计算机的性能？这些 问题都与物理学直接相关。 物理学如同一座大厦，已经被建设得很壮观了，但尚 未完工，也许永远也不会完工，更壮观的还在后面，还在 等待着我们去建设和探索。 “江山代有才人出，各领风骚数百年。 ”综观世界科技 史，许多重要的科学发现都产生于科学家风华正茂的青年 时期，在这个阶段他们思维敏捷、敢于创新。年轻的同学 们，你们当中一定会有人沿着前辈的足迹，为物理学的发 展作出自己的贡献。千里之行，始于足下，学好高中物理， 你就在通向成功的道路上迈出了坚实的一步。 当然，多数同学今后未必进行基础科学的研究，但是， 不论从事什么职业，高中物理积累的科学知识，学到的科 学方法和实事求是、讲求逻辑的理性科学精神，都将会使 你终身受益。 1950 19591960 19691970 19791980 19891990 199921 世纪至今 激光，弱电统一理 论，远距离光纤通信 原理，宇宙微波背景 辐射 蓝 光 LED， 巨 磁 阻 现象，扫描隧道显微 镜，高温超导材料 Higgs 粒子观测、 引力波观测 弱相互作用下宇称不 守恒，超导BCS理论， 非阿贝尔规范场理论 发现J /粒子和子， 粒子物理的标准模型 中性原子的玻色爱 因斯坦凝聚，纳米材 料与纳米结构，全球 卫星定位系统 杨振宁 丁肇中 李政道 14 高中物理必修第一册 第一章 运动的描述 1 在我们周围，到处可以看到物体在运动：汽 车在公路上行驶，巨轮在海上航行，飞机在天空 中飞行，树叶在摇动，鸟儿在飞翔就连我们 脚下的地球，也在不停地自转、公转。 物体的空间位置随时间的变化，是自然界 中最简单、最基本的运动形态，叫作机械运动 （mechanical motion）。在物理学中，研究物体 做机械运动规律的分支叫作力学（mechanics）。 人们在力学的研究中，不仅认识了物体做机械运 动的规律，而且还创立了科学研究的基本方法。 这一章，我们学习机械运动的描述。 第一章 运动的描述 15 _ 亚里士多德（Aristotle，前 384 前 322） ，古希腊杰出的哲学家、科学家， 形式逻辑学的创始人。在物理学方面，亚里士多德认为自然中一切对象都在不 断地运动和变化。他首先给出了时间的定义，并认为既然运动是永恒的，那么 时间也同样是永恒的。 质点 参考系1 不了解运动，就不了解自然。 亚里士多德 生活中随处可见运动的物体，例如玩 耍的孩童、行驶的汽车、翱翔的雄鹰 对于这些运动的物体，我们如何准确地描 述它们的运动呢？ 问题？ 物体和质点 雄鹰拍打着翅膀在空中翱翔时，身体在向前运动，但 它的翅膀在向前运动的同时还在上下运动；足球在绿茵场 上滚动时，它在向前运动的同时还在转动可见，要准 确地描述物体的运动，并不是一件容易的事。 困难和麻烦出在哪里？稍加分析就可以知道，这是因 为任何物体都有一定的大小和形状，物体各部分的运动情 况一般说来并不一样。不过，我们有时关注物体各部分的 运动，有时关注物体整体的运动。所以，如何描述物体的 运动要看我们关注的问题是什么。例如，要研究雄鹰是如 何飞行的，它的翅膀的运动方式很重要；但是，如果我们 只关注雄鹰从哪里移动到了哪里，就不必太在意它的形 状，把它看成一个点来描述它的运动就容易了。 下面我们来分析一些具体的实例，看看什么样的问题可 以把物体看成一个点，什么样的问题不能把物体看成一个点。 我们生活的客观世界是 物质的，物质由分子、原 子等组成，我们所看到的 物体是物质的聚集状态。 机械运动描述的是物体位 置随时间变化的规律。 人类居住的地球在绕太阳公转，同时又在自转。因此， 地球各部分离太阳的距离不断变化。但是，如果考虑到地球 的直径（约1.3104 km）还不到地日距离（约1.5108 km） 的万分之一，在研究地球公转引起的位置变化问题时，由 地球的大小引起的运动差异很小，因此，可以忽略地球的 大小和形状而把它视为点。 有些物体上各点的运动差异虽然不小，但如果我们不 研究各点的运动差异，而只关注物体整体的运动时，同样 可以把物体看作一个点。例如，一列火车在平直轨道上行 驶（图1.1-1） ，尽管它的传动机构及车轮的运动很复杂， 但是，当我们只关心火车整体的运动情况时，就可以不考 虑上述各部分的运动差异，而用一个点的运动代替整列火 车的运动。 看来，在某些情况下，确实可以忽略物体的大小和形 状，把它简化为一个具有质量的点，这样的点叫作质点 （mass point） 。还有一种情况，虽然不能忽略物体的大小和 形状，但是，物体上各点的运动情况完全相同。从描述运动 的角度看，物体上任意一点的运动完全能反映整个物体的运 动，于是，整个物体的运动也可以简化为一个点的运动，把 物体的质量赋予这个点，它也就成了一个质点。 从前面的讨论可以看出，一个物体能否看成质点是由 所要研究的问题决定的。同一个物体，由于所要研究的问 题不同，有时可以看成质点，有时不能看成质点。 图 1.1-1 什么情况下列车可以视 为一个点？ 在物理学中，突出问题 的主要因素，忽略次要因 素，建立理想化的物理模 型，并将其作为研究对象， 是经常采用的一种科学研 究方法。质点这一理想化 模型就是这种方法的具体 应用。 _ 在高中物理课中，我们主要研究那些能够简化为质点的物体的运动，所以常 常不区分“物体”和“质点”两个词。 图 1.1-2 香蕉球示意图 运动员踢足球的不同部位，会使球产生不同的运动。足球运动中常说的“香蕉球”是 球在空中旋转、整体运动径迹为类似香蕉型弧线的一种运动（图 1.1-2）。在研究如何 才能踢出香蕉球时，能把足球看作质点吗？研究什么样的问题可以把足球看作质点？ 思考与讨论 第一章 运动的描述 17 参考系 要描述物体的运动，通常要先判断它是运动的还是静 止的；如果物体是运动的，再根据需要来说明它是怎样运 动的。我们说房屋、树木是静止的，这大概是不会错的。 但是，房屋、树木在随着地球一起运动，这是事实。再比 如，行驶的列车中的乘务员与旅客在交流，列车外的人认 为他们随列车一起运动，但他们彼此看对方却是静止的。 为什么人们的看法会不一样呢？ 自然界的一切物体都处于永恒的运动中，绝对静止的 物体是不存在的。就此意义而言，我们说运动是绝对的。 图 1.1-3 1. 两个运动的物体：一个是被球拍击出的乒 乓球，另一个是正在飞行的歼 - 20 隐形战斗机。 请你为乒乓球和战斗机各创设两个问题， 一个问题中可以把它（乒乓球或战斗机）看成 质点；另一个问题中不能把它看成质点。 2. 平常说的“一江春水向东流” “地球的公 转” “钟表的时针在转动” “太阳东升西落”等， 分别是说什么物体相对什么参考系在运动？ 3. 将近1 000 年前，宋代诗人陈与义乘着小 船在风和日丽的春日出游时曾经作了一首诗：飞 花两岸照船红，百里榆堤半日风。卧看满天云 但是，描述某个物体的位置随时间的变化，却又总是相对 于其他物体而言的。这便是运动的相对性。 可见，要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他 物体作为参考，观察物体的位置相对于这个“其他物体” 是否随时间变化，以及怎样变化。这种用来作为参考的物 体叫作参考系（reference frame） 。 在描述一个物体的运动时，参考系可以任意选择。但 是，选择不同的参考系来观察同一物体的运动，其结果会 有所不同。参考系选取得当，会使问题的研究变得简洁、 方便。当然，凡是提到运动，都应该弄清楚是相对于哪个 参考系而言的。通常情况下，在讨论地面上物体的运动时， 都以地面为参考系。 不动，不知云与我俱东 （ 图1.1-3） 。 诗 人 艺 术性地表达了他对运 动相对性的理解。诗 中描述了什么物体 的运动？它们分别是 以什么物体为参考系 的？你对诗人关于“榆 堤” “云” “我”的运动与静止 的说法有没有不同的认识？ 练习与应用 18 高中物理必修第一册 时间 位移2 要讨论物体位置随时间的变化，就要 涉及位置、时间等概念。如果要准确地描 述一辆行驶在北京长安街上的汽车所处的 位置，你认为应该采用什么方法？你对时 间是怎样认识的？ 问题？ 时刻和时间间隔 要描述物体位置随时间的变化，首先要清楚“时间” 一词的含义。说到时间，不能不说时刻和时间间隔。时刻 和时间间隔既有联系又有区别。 上午8时上课、8时45分下课，这里的“ 8 时” “8 时 45 分”是指这节课开始和结束的时刻，而这两个时刻之间 的45 min，则是这两个时刻之间的时间间隔（图1.2-1） 。 在表示时间的数轴上，时刻用点表示，时间间隔用线 段表示。我们平时说的“时间” ，有时指的是时刻，有时 指的是时间间隔，要根据上下文认清它的含义。 位置和位移 为了定量地描述物体的位置，需要在参考系上建立适 当的坐标系（coordinate system） 。例如，若想说明地面上 某人所处的位置，可以采用平面直角坐标系来描述；如果 物体做直线运动，可以用一维坐标系来描述。 物体做直线运动时，通常选取这条直线为x轴，在x 轴上任选一点作为原点，规定好坐标轴的正方向和单位长 度，物体的位置就可以用它的位置坐标来描述。例如，我 们要确定一辆行驶在北京长安街上汽车的位置，可以沿东 西方向建立一维坐标系，x轴的正方向指东，选取路上的某 ? ? ? ? ? ? ? t/h 45 min45 min 10 min 98 图 1.2-1 时刻和时间间隔 第一章 运动的描述 19 交通岗亭作为坐标原点O，汽车的位置就可以用它的坐标 准确地描述出来。如果汽车的坐标是30 m，表示它在岗亭 以东30 m处；如果汽车的坐标是20 m，表示它在岗亭以西 20 m处（图1.2-2） 。 物体位置的描述我们清楚了，那么，物体位置的变化 该怎样描述呢？ 如图1.2-3，某人从北京去重庆，可以选择不同的交通 方式。既可以乘火车，也可以乘飞机，还可以先乘火车到武 汉，然后乘轮船沿长江而上。图中的几种情况表明，旅行者 所经过的线路不同。我们在初中已经知道，路程（path）是 物体运动轨迹的长度，说明这个人旅行的路程也不同。但 是，就位置的变动来说，无论使用什么交通工具、走过了怎 样不同的路径，他总是从北京到达了西南方向、直线距离约 1 300 km 的重庆，即位置的变化是相同的。从图中可以看 出，由初位置指向末位置的有向线段能准确地描述旅行者 位置的变化。只要物体的初、末位置确定，这个有向线段 就是确定的，它不因路径的不同而改变。物理学中用位移 （displacement） 来描述物体位置的变化，并用l表示 （图1.2-4） 。 在物理学中，像位移这样的物理量叫作矢量，它既有 大小又有方向；像温度、路程这样的物理量叫作标量，它 们只有大小，没有方向。 直线运动的位移 前面学习了用一维坐标系描述物体的位置，那么，在 一维坐标系中位移应该如何表示呢？ 如图1.2-5，做直线运动的物体，它的初位置为x1，末 位置为x2，则物体的位移应该是由x1指向x2的红色有向线 图 1.2-3 北京至重庆的不同路线 及其位置变化 图 1.2-4 从初位置到末位置的有 向线段表示位移 B C l A 图 1.2-5 位置坐标的变化量表示位移 O x1x2 x/m x 西东 O 03020 x/m 图 1.2-2 物体位置的表示 20 高中物理必修第一册 段，其大小等于末位置与初位置坐标之差x2 x1。 由于常用x表示坐标之差，所以在研究直线运动时， 常用x表示位移，记为 x x2 x1 若两坐标之差为正，则位移的方向指向x轴的正方向； 若两坐标之差为负，则位移的方向指向x轴的负方向。 位移时间图像 物体在每一时刻的位置或每一时间间隔的位移可以用 图像直观地表示。 如图 1.2-6，在直角坐标系中选时刻 t 为横轴，选位置 x 为纵轴，其上的图线就是位置时间图像，通过它能直观 地看出物体在任意时刻的位置。如果将物体运动的初始位 置选作位置坐标原点 O，则位置与位移大小相等 （x x ） ， 位置时间图像就成为位移时间图像，又称 x-t 图像。 从 x-t 图像可以直观地看出物体在不同时间内的位移。 位移和时间的测量 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。 电磁打点计时器是一种使用交变电源的计时仪器 （图 1.2-7） ，工作电压为 46 V，能够按照相同的时间间 隔，在纸带上连续打点。当电源频率是 50 Hz 时，每隔 0.02 s 打一次点。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。图 1.2-7 电磁打点计时器 线圈 接电源 振片 振针 复写纸 限位孔 纸带 永久磁铁 某物体从A点运动到B点，坐标xA为5 m，xB为2 m，物体的位移大小等于多少？方 向如何？ 图 1.2-6 x-t 图像 思考与讨论 O t x 练习使用打点计时器 1. 了解打点计时器的构造，然后把它固定好。 2. 安