上科版 普通高中教科书 物理必修1.pdf

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1、总主编束炳如何润伟上海科技教育出版社物 理必 修第 一 册普通高中教科书 实验探究 用悬挂法确定薄板的重心形状不规则的薄板，其重心可用悬挂法来确定。如图 3-1-7所示，先在 A 点把薄板悬挂起来，过 A 点画一条竖直线 AA ；再在另一点 B 把薄板悬挂起来，同样过 B 点画一条竖直线BB 。这两条线的交点就是薄板的重心。 说说用悬挂法找薄板重心的原理。每章的开头都有一些情境， 提出一些问题，让你明确本章研究的主要内容。实验探究这里将要求你提出问题，设计实验方案，动手做一些有意义的实验，进行科学探究。亲爱的同学：从你打开这本物理教科书起，你就开始投身于一项激动人心的探索活动。 让我们从现在开

2、始， 携手度过一段美好的时光。你周围世界发生的事情几乎都跟物理学有关，现代社会的许多技术进步都源于对物理规律的理解和应用。学习物理可以使你提高科学素养的愿望得以实现， 甚至可以使你成为 “专家” 。作为现代社会的公民，物理学将有助于我们解决生活、生产中的许多问题。在物理（必修 1）中，“开篇”将对物理学的方方面面进行全景扫描，并向你提供一些学好物理的方法。接下来，我们将重走从伽利略到牛顿为建立经典力学而开辟的道路，学习物理学的基本原理，体会物理学的思想观点和研究方法，认识物理学在科学技术上的广泛应用，及其对人类文明与社会发展的巨大影响。为了让你在学习 物理 （必修1） 的过程中获得更大的成功，

3、请浏览下面的本书栏目介绍。在我国的长江之口、东海之滨，屹立着一座闻名遐迩的国际大都市上海。上海的母亲河黄浦江，由西南而东北，在吴淞口与长江汇合，流入大海。她，经历了历史的沧桑；她，见证了时代的变革如今，在两岸的一片新天地中，她欢笑着，奔腾着，一路高歌，滚滚向前。你看见了吗？江上那新建的一座座斜拉桥，使上海的浦东、浦西紧密相连；你听见了吗？这一座座斜拉桥，仿佛一架架巨大的竖琴，正弹奏着一首首悦耳的乐曲。斜拉桥是近半个世纪以来才得到迅速发展的新型桥梁，其中涉及的力学知识十分丰富和复杂。本章我们先认识常见的力，再从研究斜拉桥入手，弄清力的合成与分解，学会分析一些生产生活中的平衡问题，体会物理模型在探

4、索自然规律中的作用，并理解科学、技术、社会、环境的关系。第3章 力与相互作用信息浏览速率计是怎样工作的图 1-3-11 是汽车速率计的基本结构示意图，其工作原理如下。速率计的转轴通过一系列传动装置与汽车驱动轮相连，速率计转轴的上端铆接了一个永久磁铁，磁铁上罩了一块铝片，铝片又固定在指针轴上。当磁铁随转轴旋转时，在铝片中会产生感应电流，这时铝片与永久磁铁会发生相互作用，使指针转动。由于弹簧游丝的弹力作用，最终指针会稳定地指在一个刻度上。汽车运动越快，转轴旋转越快，感应电流越大，指针偏转的角度就越大。从指针的示数就可以知道汽车的瞬时速率。请你思考：当汽车在冰面上打滑时，速率计能正确指示车速吗？图1

5、-3-11速率计的基本结构铝片永久磁铁弹簧游丝指针转轴指针轴分析与论证这里你将进行分析、综合，并运用数学工具进行推理，得出物理学规律和公式。通过这一过程，你将体会科学思维的魅力。学生必做实验这里为你提供了完整的实验活动，让你通过动手实验，探索物理规律，学习物理方法，形成物理观念，提高解决问题的能力，体验成功的喜悦。信息浏览、STSE这里为你提供了各种有趣、有用的资料，包括物理学史上的经典事例、科学家小故事等，它们反映了物理学与科学、技术、社会、环境的紧密联系。你的视野将更开阔，你会更加热爱科学。多学一点这里将介绍更多更深的奥秘，以开阔你的视野。你如果有兴趣， 可以作进一步的探索。课题研究这里提

6、供了一些课题供你选择研究，这种研究将使你的才智得到充分的展示。 分析与论证 共点力的平衡上述实验结果也可以通过推理得到。我们先讨论二力平衡的情况。图 3-7-4 中，放置于水平面上的物体只受到两个力的作用，平衡时它们的合力 F合 = 0。图 3-7-5 中，O 点受到三个力的作用，处于平衡状态。若把其中 F1、F2先合成为 F （图 3-7-6），即可简化为二力平衡的情况。可以发现，它们同样满足条件F合 = 0我们用打点计时器来测量瞬时速度。打点计时器分为电磁打点计时器和电火花打点计时器，它们都是以相同的时间间隔在纸带上连续打点的仪器。当使用的电源频率为 50 Hz 时，打点计时器每隔 0.0

7、2 s 打一个点。电磁打点计时器的构造如图 1-3-3 所示，它由底座、线圈、振动片、振针、永久磁铁和限位孔组成。由学生电源供电，使用交流电，工作电压为 68 V。使用时，把纸带穿过限位孔，再从振针下面的复写纸下穿出。线圈接通电源后，在线圈和永学生必做实验学生必做实验测量做直线运动物体的瞬时速度 多学一点 v-t 图像的应用v-t 图像不仅形象地反映了做匀变速直线运动物体的速度随时间的变化规律，还可以辅助运算。例如，在案例 2 中若画出汽车制动滑行的 v-t 图像（图2-4-5），立即就可以根据图像与 t 轴间的面积跟滑行位移的关系，由s=12v0t得出汽车的初速度v0=2st=291.5m/

8、s=12 m/s=43.2 km/h用欧拉方法测量动摩擦因数在第 3 章中，我们用使物体做匀速直线运动的方法来测定动摩擦因数。但实验中，由于物体是否做匀速直线运动不易判断，误差较大。18 世纪的瑞士著名科学家欧拉（L. Euler）首先采用使物体做加速运动的方法测定物体的动摩擦因数，实验更为方便。实验装置如图 4-5-8 所示。在一个倾角为的斜面上，使一块小木块从静止起加速下滑。 测出时间t内小木块的位移s，即可用 t、 s 和得出动摩擦因数的表达式。请推导这个表达式。s图 4-5-8 欧拉实验的原理课题研究开篇 激动人心的万千体验 60.1 物理学理性的追求 70.2 物理学人类文明的瑰宝

9、110.3 学物理探究求真 16第1章 物体运动的描述 191.1 运动与质点模型 201.2 怎样描述运动的快慢 261.3 怎样描述运动的快慢 (续) 291.4 怎样描述速度变化的快慢 36第2章 匀变速直线运动的 规律 422.1 伽利略对落体运动的研究 432.2 匀变速直线运动的规律 472.3 自由落体运动的规律 502.4 匀变速直线运动规律的应用 52目 录第3章 力与相互作用 573.1 重力 583.2 弹力 603.3 摩擦力 643.4 分析物体的受力情况 693.5 怎样求合力 723.6 怎样分解力 763.7 共点力的平衡及其应用 80第4章 牛顿运动定律 87

10、4.1 牛顿第一定律 884.2 探究加速度与力、 质量的关系 934.3 牛顿第二定律 964.4 牛顿第三定律 994.5 牛顿运动定律的案例分析 1034.6 超重与失重 107总结与评价 课题研究成果报告会 113研究课题示例 113评价表 1146* 引自 1999 年第 23 届国际纯粹与应用物理联合会代表大会的决议。欢迎学习高中物理课程在初中阶段，你已初步领略了物理世界的美妙风光。现在，你站到了高中物理的大门口，物理世界中更为丰富、更为奇妙的景象正在召唤着你。希望你迈开自信的步伐，踏着物理学家留下的足迹，在探索自然、推动技术、拯救生命精神的激励下，继续你“激动人心的智力探险活动”

11、*。激动人心的万千体验开篇7开篇激动人心的万千体验0.1 物理学理性的追求日出月落，斗转星移，它们是由什么控制的？大千世界，宇宙万物，它们是由什么组成的？古希腊把所有对自然界的观察和思辨， 笼统地包含在一门学问里， 即 “自然哲学” 。 “物理学”的希腊文是 ，原义就是“自然哲学” 。那时，物理学是自然哲学的一部分。直到 17 世纪，物理学才从自然哲学中分化出来，作为一门独立的学科正式诞生。 一座金碧辉煌的大厦什么是物理学？一位物理学家十分幽默地说： “请拿起这本书并撒手，这就是物理学！它研究下落和自然界的一切其他普遍特征。”物理学是一门基础自然科学，它所研究的是物质的基本结构、最普遍的相互作

12、用、最一般的运动规律。近代意义上的物理学是从伽利略（Galileo Galilei）研究落体运动开始的。 这位伟大的意大利物理学家善于观察， 勤于思考，敢于挑战权威， 倡导将实验、 数学和科学推理相结合的研究方法，打开了通向物理学的大门。继伽利略之后，牛顿（I. Newton）“站在巨人的肩膀上”，把地面上物体的运动和天体运动统一起来，用为数不多的几条定律揭示了天上、地上一切物体运动的普遍规律，建立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合。他写成巨著自然哲学的数学原理，为物理学做出了划时代的贡献。依据牛顿的理论，人们能诠释行星的绕日运动，能预言彗星的回归，能通过计算发现新的行星18 世纪，

13、人们对热现象和热机进行了研究，取得了很大的进展，但也遇到了许多难题。历史上，一些人费尽心机，试图制造出一旦启动就永不停息的机器“永动机” ，但他们的一切努力都付诸东流 , 这是怎么回事？现代热机的效率不会超过 40%。假如有一种完全没有摩擦的“理想热机” ，它的效率能达到 100% 吗？用显微镜观察水中的一粒花粉，记录下它在坐标纸中的位置。你看，它踉踉跄跄，毫无定规，你知道其中的原因吗？图 0-1-1 什么是物理学图 0-1-2 一种 “永动机” 的模型8牛顿的经典力学虽能精确地预言天体的运行，却无法回答上述问题。19 世纪，经过迈尔（J. Mayer）、焦耳（J. Joule）、卡诺（S.

14、Carnot）、克劳修斯（R. Clausius）等人的研究，经典热力学正式确立， 从而把热与能、 热运动的宏观表现与微观机制统一起来，实现了物理学史上的第二次大综合。我们知道，在力学和热学中，几乎所有的作用都是靠实物传递的。那么，现代通信中，是靠什么将远隔重洋的信息传递到千家万户的呢？我们天天见到的光跟我们熟识的电和磁之间有联系吗？同 在 19 世 纪， 麦 克 斯 韦（J. Maxwell） 在 库 仑（C. de Coulomb）、安培（A. Ampre）、法拉第（M. Faraday）等物理学家研究的基础上，经过深入研究，把电、磁、光统一起来，以精确的数学语言表述了他建立的经典电磁理论

15、，预言了电磁波的存在，充分显示了电与磁的对称性和完美性，实现了物理学史上的第三次大综合。至此，经典力学、经典热力学和经典电磁学，在“戴上能量守恒定律的桂冠”后，融合为一个整体，形成了一个完整的经典物理学体系，一座金碧辉煌的物理学大厦巍然耸立。物理学的探索难道就此停止了吗？ 两朵乌云的挑战1900 年的春天，在人们欢呼经典物理学伟大成就的同时，英国物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）指出，“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”。这两朵乌云，其一跟屡见不鲜的热辐射现象有关。你可知道，红外取暖器辐射出来的能量是一份一份的吗？其二跟物体接近光速运动时的情况有关。我们知道，两个

16、运动物体的速度相同时，它们处于相对静止状态。 爱因斯坦 （A. Einstein） 在16岁时向自己提出一个问题：“如果我以光速追随光波，将会看到什么？”按照经典力学的运动相对性原理，应该看到静止的光波，但这是不可能的。正是这两朵小小的乌云， 引起了物理学的一场伟大的革命，促使了现代物理学的诞生。19 世纪末，在辉煌的物理学大厦面前，许多著名的物理学家满怀喜悦，他们自信地说：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些基本的修补工作了。 ”“物理学将无作为了。 ”“未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找”事实证明，他们有点过于乐观了。图 0-1-3 悬浮微粒的运动记录9开篇激动人心

17、的万千体验 物理学的探索无止境 在 19 世纪末的十多年间，涌现出了一系列新的发现，一个奥妙无穷的微观世界和一个不可思议的高速世界展现在人们面前。一些高瞻远瞩的物理学家敏锐地感觉到，这是新理论诞生的前兆。1897 年，英国物理学家 J. J. 汤姆孙（J. J. Thomson）通过对阴极射线的研究，发现了电子。30 年后，他的儿子 G. P. 汤姆孙（G. P. Thomson）和美国物理学家戴维森（C. Davisson）分别用实验证明：电子具有波动性。汤姆孙父子都因研究电子而先后获得了诺贝尔物理学奖。那么，电子到底是实物粒子还是波呢？20 世纪初，爱因斯坦创立了相对论；在普朗克（M. P

18、lanck） 、 爱因斯坦、 玻尔 （N. Bohr） 、 德布罗意 （L. de Broglie）、海森堡 （W. Heisenberg） 、 薛定谔 （E. Schrodinger） 等人的努力下，量子力学应运而生。现代物理学的基础由此奠定。如今，现代物理学的研究遍及物质世界的各个层次。其中两大前沿领域是：粒子物理和天体物理。粒子物理在极小的尺度上探索物质更深层次的结构，人类的触角已深入到小至10-18 m 的微观粒子内部；天体物理则在宏大的尺度上寻求宇宙的起源和演化的规律，人类的视野已扩展到 10261027 m 的空间尺度。图 0-1-4 所示是目前人类所认识的物质世界的时空尺度。在时

19、间尺度上，从 10-25 s 到 1018 s，跨越了 44 个数量级；在空间尺度上，从 10-18 m 到 1027 m，跨越了 46 个数量级。物理学还与自然科学的其他学科相结合，不断孕育出许多新的交叉学科，在 21 世纪将凸显出举足轻重的地位。物理学的探索永无止境。“物理学研究物质、能量和它们相互作用的学科是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。 ”*你从跨进物理学大门起，就应该牢记这一崇高的使命。我们所见固然美丽，我们所知愈加神奇，而我们所未知未见的更是美不胜收，妙不可言。尼尔斯斯坦森今天我们必须根据我们今天能认识的真理来生活，还得准备好明天称它为谬误。威廉詹姆斯我从事科学研

20、究完全是出于一种不可遏制的想要探索大自然奥秘的欲望。爱因斯坦* 引自 1999 年第 23 届国际纯粹与应用物理联合会代表大会的决议。10图 0-1-4 人类目前所认识的自然界的时空尺度102510201015101010510010-510-1010-15102510201015101010510010-510-1010-15102510201015101010510010-510-1010-15哈勃半径超星系团星系团银河系最近恒星距离太阳系太阳山人类DNA长度最小的细胞原子原子核， 核子单位： 米 （m）1015101010510010-510-1010-1510-2010-25宇宙年龄地

21、球年龄恐龙灭绝距今时间人类历史人类文明史人的寿命月球公转周期地球自转周期中子的寿命100 m跑世界纪录超高速摄影的曝光时间m子的寿命Z0粒子的寿命粒子共振态的寿命S0超子的寿命p0介子的寿命t子的寿命单位:秒 （s）p+介子的寿命-夸克11开篇激动人心的万千体验0.2 物理学人类文明的瑰宝在人类文明的进程中，物理学有力地推动着科学技术的发展和社会的进步，深刻地影响着人们的思想观念和生活方式。 物理与技术交相辉映人类在长期生产实践中，发明了简单机械，有效地提高了劳动效率。经典力学的建立、蒸汽机的发明，促进了热力学的发展，奠定了第一次工业革命的基础，人类进入了蒸汽机时代，实现了从手工业生产向大规模

22、机器生产的转化。对电磁现象的深入探究，引发了以电力应用为标志的第二次工业革命。20 世纪以来现代物理学的惊人成果，更以雷霆万钧之势推动着技术和社会经济向前发展，使世界发生着日新月异的变化。中国古人发明了指南针，并首先用于航海，后传入西方，意义深远的大航海时代就此开始。物理世界中的磁现象，不但写就了人类文明中如此重要的篇章，而且随着对磁学研究的持续深入，不断地造福于人类的生活。当我们将古代的指南针跟当今的核磁共振仪（图 0-2-1）、磁浮列车（图 0-2-2）等联系在一起时，怎不让人惊叹物理学与技术结合的伟大与神奇！从1609年伽利略的第一台天文望远镜到被称为 “中国天眼”的 500 m 口径球

23、面射电望远镜（FAST），从 16 世纪末第一台光学显微镜到现代的扫描隧穿显微镜（STM），它们都为人类探索广袤宇宙的奥秘和微观粒子的机理提供了强有力的武器。物理学的理论成果，为技术创新打下了基础，从而催生了琳琅满目的高新技术成果。而技术的进步，也时时为物理学提供着先进的设备和手段，促进了物理学的发展。对任何人来说，不关心科学就是甘受奴役。雅各布布罗诺夫斯基图 0-2-1 用核磁共振仪检测病人图 0-2-2 磁浮列车12图 0-2-3 太空探索b 国际空间站a “长征”号火箭升空人类不但已经实现了在天空中像鸟儿一样自由翱翔的梦想，而且令人惊奇地让一个个航天器冲天而起，按照事先计算好的轨道在太空

24、中遨游。人类登上火星等遥远行星已指日可待。然而产生这些奇迹的最基本原理却同样地令人惊奇那就是物理学关于运动和力的研究。现代社会中，从日常生活中的计算机、智能手机，到生产、科研中的核电站、粒子高能加速器、智能机器人等，哪一样不是物理学带给人类的丰硕成果？雷达为什么能探测到千里之遥的目标？隐形飞机真的能隐“形”吗？数百千米高空中的遥感卫星为什么能探知地球深处的秘密？人们在地球上为什么能指挥遥远火星上的机器人？所有这些，都可在物理学中找到答案。你能不能列举现代社会生活中的一些事实，说明物理学与技术、社会、环境的互动关系？ 物理观念人类文明的思想宝库 古往今来，物理学的发展不仅加深了人类对物质世界规律

25、性的认识， 激发了技术的创新， 还极大地丰富了人类的思想宝库。物理学的每一个进步，往往会对人类的思想观念产生深远的科学是一种强有力的工具，怎样用它，究竟是给人带来幸福还是灾难，全取决于人自己，而不取决于工具。爱因斯坦13开篇激动人心的万千体验影响。物理学中最基本的观念是：“世界是由物质组成的，物质是不断运动变化着的 , 物质运动变化是有规律的 , 规律是可以被人们认识的。”这也正是自古以来许多哲学家所持有的朴素唯物主义思想的渊源。当伽利略等人抛弃千余年来崇尚清谈的古希腊哲学家遗风，开创了实验物理的先河之后，“实践是检验真理的唯一标准”最先在物理学中成为共识。物理学的牛顿时代带来了社会文化的深刻

26、变革：人们越来越相信，整个宇宙都遵循着统一的规律。于是，一次物理学的革命也同时带来了文化观念的革命，机械决定论的思想曾在很长的时间里成为社会观念的主流。1747 年，法国哲学家拉美特利（J. O. de La Mettrie）大声宣称： “人是机器！ ”这种观念促使人们不断探索人这架“机器”的运作和结构，带来了医学和生理学的发展，同时，也影响了人们对其他现象的认识。随着物理学对分子运动规律研究的进展，机械决定论不再被认为是放诸四海而皆准的真理。 “统计” “概率”开始进入物理学领域。时至今日，我们已经相当习惯于使用“可能性”而非“必然性”来对事物的进程进行描述，尤其在一些影响因素十分复杂的情景

27、下。例如，面对汇总的市场信息，管理人员作决策时，往往会用概率的估计来代替原先非此即彼的结论。在现代社会中，物理学中关于模型的方法，已广泛地渗透到自然科学、社会科学和哲学的各个领域。例如，在社会学、经济学、市场管理学中，已运用物理学中的模型方法成功地对环境、市场等社会和经济问题进行量化研究和测控。物理学中“熵” 的概念，已不仅仅是用来描述物理过程的变化规律，而且广泛应用于社会生活的多个领域，并激发了现代社会的共同呼声追求人类社会的可持续发展。科学的发展，尤其是物理学的发展，使人们悟出了人和自然必须和谐共处的道理。 科学技术是一把“双刃剑” 。 核能既为人类提供了巨大的能源， 也使人类受到毁灭性的

28、威胁。 全球变暖、环境污染、 物种灭绝面对这些危害人类生存的全球性问题，物理学比过去任何时候都更加急切地呼唤着全社会来关注科学本质观，呼唤人类的责任感，因为在科学的丰碑上，镌刻着两个闪光的大字“良知” ！ 物理与艺术科学思维与情感的结晶著名物理学家李政道说过：“科学和艺术源于人类活动最14崇高的部分， 都追求着深刻性、 普遍性、 永恒和富有意义。 ” “对科学的理解和对艺术的美学鉴赏都需要智慧，随后的感受升华，与情感又是分不开的。”自然界的对称美，曾使无数人为之赞叹不已。艺术常常以对称作为它表现美的形式；而在整个物理学领域中，同样充满着对称的现象、对称的规律和对称的结构。法拉第受到奥斯特 （H

29、. Oersted） 实验的启发后提出， 既然 “电能产生磁”，那么“磁能否产生电”呢？通过艰苦的实验探究，他终于发现了电磁感应规律；麦克斯韦用一组被誉为诗一般优美的对称方程组概括了电磁场理论；电子是带负电的，狄拉克（P. Dirac）却预言了正电子的存在对称中也蕴藏着不对称，杨振宁、李政道发现的宇称不守恒， 使人们感受到另一种理性的美。 犹如我国古代的太极图， “白中有黑，黑中有白” ，让人引发无穷的遐想。每一座大型的音乐厅和影剧院，都要经过物理学模型的仔细验证，才能达到最佳的艺术与音响效果。每一款最新的轿车，也必须按照物理学的原理对它的外观与造型等进行设计。可以这么说，大至摩天大楼，小至微

30、型电子产品，无一不是物理学原理、工程技术和艺术灵感的巧妙结合。图 0-2-4 美丽的雪花从天而降的对称的艺术品15开篇激动人心的万千体验当物理学第一次揭开了物质与能量的秘密时，公式 E = mc2就激发了无数的艺术灵感，极大地拓展了文学作品对未来畅想的空间。当物理学刚刚揭示激光的独特性质时，电影星球大战就已经把它作为科学幻想中的高效武器。当物理学开始讨论时间的本质时，文学家们就迫不及待地写下时间旅行的故事19 世纪法国的文学家福楼拜（G. Flaubert）说过： “艺术越来越科学化，科学越来越艺术化。两者在山麓分开，有朝一日，将会在山顶重逢。 ”科学和艺术都为着同样的目标使人类更好地实现自身

31、的价值，而并肩前进！请阅读下面的资料，说说你的看法。中国高等科学技术中心在举办重大国际学术研讨会时有一个惯例：邀请著名画家按照会议的主题作画。每次作画都由著名物理学家李政道根据会议主题提出一个初步的艺术构想，并约请艺术大师与物理学家磋商，以沟通科学与艺术的创意，再邀请画家泼墨挥毫。此举受到了国内外科学界的普遍赞扬。图0-2-5 为著名画家吴作人为“二维强关联电子系统”国际学术会议所作的主题画。图 0-2-5 无尽无极科学家邀请画家作画，纯粹是出于个人的艺术爱好吗？你对这项活动是怎样评价的？16图 0-3-1 水流星表演0.3 学物理探究求真 重视实验 勤于思考物理学是一门以实验为基础的科学，学

32、习高中物理必须重视实验。高中物理实验在设计思想、实验方法、数据处理、实验技能等方面比初中有着更高的要求。 实验时， 要理解实验原理，选择实验器材，调整实验装置，采集和处理实验数据，对实验结果进行分析论证和评估。在实验过程中，要勤于思考，多问几个“为什么” ，多作一些联想和引申。由于知识面的局限而暂时无法解决的问题，可以让它先在脑海中挂个号，以后再逐步解决。脑海中积累的问题越多，思维会变得越宽广。让我们来做几个实验， 作些思考， 看看你能发现哪些问题。 转动的水杯取一只矿泉水瓶，截去上半部做成杯子。在杯壁上部对称钻两个小洞，系上细绳。装上半杯水，并滴入红墨水，使杯中水变为浅红色。手握细绳的另一端

33、，使杯子在竖直平面内做圆周运动。你会看到，一团红色的水在空中飞旋，纵然不时杯口朝下，仍滴水不漏。如果取一根长绳，两端各系上杯子转动，就类似杂技表演中的“水流星”节目了。这是什么道理呢？这个现象跟人造卫星绕地球运动有没有某种联系？要保证杯中的水不流出来， 转动的速度至少应多大？ 没有实验的物理理论是空洞的，没有理论的实验是盲目的。海因茨帕格尔斯信息浏览美国发明家爱迪生从 11 岁开始在家中的地下室里做实验， 直到他84岁逝世，整整做了 73 年的实验，留下了 2 500 册实验记录本。仅是“白炽灯”这一项发明，他就进行了几千次实验，有关的实验记录达 200 册。爱迪生 （T. A. Edison

34、， 18471931），美国发明家。早年发明 发 报 机。18771879 年 发明留声机，通过实验改进了白炽灯和电话。在电影技术、建筑、 化工等方面也有不少发明。一生共获发明专利 1 000 多项。17开篇激动人心的万千体验 皂液膜上的彩色条纹把铁丝圈在肥皂液中浸一下后提出来，上面会蒙上一层皂液膜。在太阳光照射下，你会看到皂液膜上闪映着彩色条纹。如果用洒有食盐的酒精灯火焰去照射它，你还会看到皂液膜上闪映的是黄色条纹。请仔细观察皂液膜上条纹的分布，你知道产生这种现象的原因吗？对以上两个实验中的有关问题，在以后的物理学习中都要进行较为深入的研究。 经历过程 体会方法登山的乐趣在于攀登， 探究的魅

35、力在于过程。 只有经受了 “众里寻他千百度” 的艰辛， “为伊消得人憔悴” 的磨难， 才会有 “蓦然回首，那人却在， 灯火阑珊处”的惊喜。学习物理亦是如此，只有经历了提问、思考、实验、释疑等过程， 你才能体验到科学探究的无穷乐趣， 享受到经历过程、收获知识的无比喜悦。 你知道超重、失重吗？当你用体重秤测体重时，怎样才能称得准？仔细观察：当你快速下蹲和迅速起立时，体重秤的示数有无变化？怎样变化？当宇宙飞船遨游太空时，航天员为什么处于失重状态？你知道这些现象的物理原理吗？在物理学习过程中，经历过程有着多种含义：可以是自己动手做实验，通过对测量数据的分析处理，得到结论；可以是依据书上的方法思路，通过

36、自己的演算，推出公式；可以是根据现成的概念和规律，对照生活中的实例，重新体验；也可以是参加对某个问题的讨论，对知识进行整理等。经历过程的内核是“主动学习” ，而不是被动接受。著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费恩曼（R. Feynman）说过： “科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到什么程度，如何对待疑问和不确定性， 证据服从什么法则， 如何去思考事物、作出判断，如何区别真假和表面的现象。”在物理学习中，要经常注意揣摩、体会研究问题的思路和图 0-3-2 皂液膜上的彩色条纹图 0-3-3 失重状态下的航天员结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前，

37、读者体会不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况。爱因斯坦18方法，这样你就会聪明、灵活，解决起问题来也就得心应手了。 格物致知 探究求真科学的精髓在于不断的探究。自然界的规律往往隐藏在众多表象的茫茫迷雾之中，而科学探究就像穿透迷雾的明灯，引导着探索者到达真理的彼岸。牛顿发现万有引力定律就是一个最好的典型事例。 从第谷、开普勒到牛顿丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe）在他长达 21 年的观测中，对天体运动积累了丰富的资料。他的观察准确性超过前人的几十倍到上百倍，各个行星位置的误差仅为 2 。可是，他受到地心说的影响，结果就像一个不会花钱的富翁，不知道

38、怎样正确使用这笔财富。 第谷去世后， 他的助手、 德国天文学家开普勒 （J. Kepler）应用第谷的观测资料，通过丰富的想象和深入的思考，坚持不懈地用几何图形和数学计算进行分析论证，寻求隐藏在第谷的观测结果背后的行星运动规律。经过多年的努力，他终于发现了行星运动三定律。英国物理学家牛顿则在开普勒定律的基础上，根据行星运动的特征，并联系地面上物体的运动，发现了万有引力定律。有人问牛顿是如何发现万有引力定律的。牛顿回答说： “靠持续地思考。 ” “我持久地把这个课题放在面前，一直等到又一个黎明，一点点变得充满阳光。 ”物理学习同样也离不开不懈的探究。从书本上的知识介绍，到身边的自然现象，探究的对

39、象无所不在；从抽象的理论思考，到具体的实验探究，探究的形式多种多样。让我们追随那些伟大物理学家的足迹，在物理学习的过程中体验探究的乐趣，汲取知识的营养，提高个人的物理核心素养。物理学不单单是物理学家的物理学，还是每个普通人的物理学；物理学不单单是实验室中的物理学，还是现实生活中的物理学；物理学不单单是理论上的物理学，还是指导实践的物理学。今后，它将时时、处处伴随着你！格物致知的真正的意义第一，寻求真理的唯一途径是对事物客观的探索；第二，探索的过程不是消极的袖手旁观，而是有想象力的有计划的探索。丁肇中要勤奋地去做练习，只有这样，你才会发现，哪些你理解了，哪些你还没有理解。索末菲牛顿 （I. Ne

40、wton， 16421727），英国物理学家、数学家与天文学家。建立了经典力学的基本体系。19开篇激动人心的万千体验* 作者欧阳中石，原诗载光明日报2003 年 10 月 17 日第 1 版。第1章 物体运动的描述2003 年 10 月 15 日，一个令人骄傲的日子，一个彪炳史册的日子，我国第一艘载人飞船“神舟”五号满载着全国人民的希望成功升空。飞船在茫茫太空中遨游，如何描述它的运动呢？文学家、艺术家采用形象的手法。 “凌云戏月游银汉，转瞬翔天过太空”*，短短的诗句，让飞船航天时的雄姿跃然纸上。在研究中，科学家需要先建立一些基本概念。20 世纪著名物理学家海森堡曾说过： “为了理解现象，首要条

41、件就是引入适当的概念。只有借助于正确的概念，我们才能真正知道观察到了些什么。 ”在本章中，我们将首先描述运动，建构质点模型，进而通过对直线运动的初步研究，学会如何研究物体运动的快慢和运动快慢的变化，为进一步研究更复杂的运动打下基础。201.1 运动与质点模型 怎样判断动与静 一个物体相对于其他物体的位置变化，叫做机械运动（mechanical motion），简称运动。机械运动是自然界最普遍、最基本的运动形式。为了描述物体的运动，必须知道怎样判断物体是运动的还是静止的。请设想一下，你和一位同伴正站在“天宫”太空舱里交流。在 “地球人” 看来， 你们随太空舱以很大的速度绕地球运动。 那么，你和同

42、伴能感觉到自己在高速运动吗？虽然我们没有到过太空舱，但地球上的生活经验告诉我们，你和同伴都会认为自己是在原处站着！可见， 物体的运动和静止是相对的。 所以， 描述物体运动时，需要选取另外一个物体作为参照，这个作为参照的物体叫做参考系（reference frame） 。描述同一个运动，选择不同的参考系，观察的结果会有所不同。参考系选择得当，会使对运动的描述更为简单、方便。 思考与讨论1. 从一千多年前的唐代流传下来一首词*：图 1-1-1 看山恰似走来迎* 这首词作者佚名，其词牌叫摊破浣溪沙，这里是下阕，其上阕是： “五两竿头风欲平，长风举棹觉船轻。柔橹不施停却棹，是船行。”21第 章 物体运

43、动的描述1图 1-1-2 显示屏上 “神舟” 五号实时位置满眼风波多闪烁，看山恰似走来迎，仔细看山山不动，是船行。作者为什么会有“山迎” “船行”这样两种不同的感觉呢？2. 在地面上研究物体的运动时，一般情况下，你认为应该怎样选取参考系？如果以后有机会乘坐飞船去访问火星，你认为应该怎样选取参考系？ 怎样把物体简化为质点在研究物体的运动时，常常需要对具体的物体进行简化。据报道， “神舟”五号飞船载人舱长 7.4 m，直径 2.8 m，用长为 58 m、质量达 480 t 的“长征”二号火箭发射。飞船升空后，显示在指挥部显示屏上的仅是一个小小的光点（图 1-1-2） 。科学家研究飞船在空中的位置、

44、 离开地面的高度、 飞行的速度、运动轨道等问题时，都不需要考虑飞船本身的大小和形状，可以把飞船简化成一个有质量的点。乒乓球小而轻，直径仅 4 cm，质量约 2.7 g。运动员研究各种旋转球的打法时，要关注球的受力部位和受力方向对旋转的影响。这种情况下，由于乒乓球各处的运动情况不同，必须考虑到球的大小和形状，不能把它简化为一个点。即使是同一个物体，能否简化为一个点，也得依据问题的具体情况而定。一列沿京沪高速铁路运动的动车，若研究它从上海到北京的运动， 由于动车的长度远小于上海到北京的距离，22所以可把它简化为一个点；若研究它经过南京大胜关长江大桥的运动，由于动车的长度跟大桥长度相比较不能忽略，所

45、以不能把动车简化为一个点。在物理学中，用来代替物体的有质量的点叫做质点（mass point），质点是实际物体的一种理想模型。在实际问题中，一个物体能不能看成质点是有条件的。如果在研究物体运动时，可以不考虑物体的大小和形状，或者物体上各点的运动情况完全相同，那么就可以把这个物体看成质点。 思考与讨论1. 地球是一个庞然大物，直径约为 12 800 km，与太阳相距1.5 108 km。研究地球绕太阳的公转时，能不能把地球看成质点？研究地面上各处季节变化时（图 1-1-3），能不能把地球看成质点？理想模型是在原型的基础上，经过科学抽象而建立起来的一种研究客体。它忽略了原型中的次要因素，突出了原型

46、中起主导作用的因素，这便于探索自然规律。图 1-1-3 地球的公转和四季变化2. 物理学中的质点跟几何学中的点有什么相同和不同的地方？3. 你能否总结一下：在具体问题中把物体看成质点的条件是什么？请相互交流。 时间和时刻有什么不同研究物体的运动时，必须分清时间和时刻的不同含义。时光流逝过程中的每一瞬间叫做时刻，它没有长短；两个时刻之间的间隔叫做时间。如果用一条直线表示时间轴 t，开始计时的时刻记为 O，线上每一点代表着不同的时刻，两点之间的线段秋分日 （9 月 23 日前后） ： 全球昼夜同长冬至日 （12 月 22 日前后） ： 北半球在这一天白天最短， 黑夜最长春分日 （3 月 21 日前

47、后） ： 全球昼夜同长夏至日（6 月 22 日前后）： 北半球在这一天白天最长，黑夜最短23第 章 物体运动的描述1图 1-1-5 上海航空港的航线图图 1-1-6 上海至乌鲁木齐的位移和路程则表示物体运动经历的时间（图 1-1-4）。图 1-1-4 时刻与时间2 s内第2s内2 s末t/sO12345中央电视台每晚的新闻联播从 19:00 开始，到 19:30 结束，播放时间是 30 min。请说明“19:00” “19:30”和“30 min”各指的是什么。 位移与路程有什么不同 图 1-1-5 是上海航空港的航线分布情况，那一条条红线表示什么意思呢？显然，它们不可能是飞机真正的飞行轨迹，

48、而仅仅是连接不同城市的直线。这些连线表示飞机从其中一个城市飞行到另一个城市时的位置变化。在物理学中，为了描述物体相对位置的变化，引入一个叫做位移（displacement）的物理量。它是从初位置指向末位置的一根有向线段，这根有向线段的长度表示位移的大小，它的方向表示位移的方向。位移跟路程是两个不同的概念。平常所说的路程 （path） 是指物体运动轨迹的长度， 它只有大小， 没有方向。图 1-1-6 中的红色有向线段表示从上海到乌鲁木齐的位移，两地的铁路线长度就是坐列车从上海到乌鲁木齐所经过的路程。24图 1-1-7 走到市图书馆 思考与讨论1. 在地图上查找上海到乌鲁木齐的铁路线。请根据地图上

49、的比例尺，估算一下，从上海到乌鲁木齐的位移大小和坐列车经过的路程分别是多少？2. 阅读下面的对话：甲：请问到市图书馆怎么走？乙：从你所在的市中心向南走 400 m 到一个十字路口，再向东走 300 m 就到了。甲：谢谢！乙：不用客气。请在图 1-1-7 上把甲从市中心到市图书馆的位移和要经过的路程表示出来。3. 请你归纳一下：位移和路程有什么不同？什么情况下位移的大小与路程相等？ 用坐标表示位置和位移用坐标可以表示物体运动的位置和位移。物体做直线运动（一维运动）时，只需用一个坐标就可以确定物体的位置。 例如， 一辆汽车从车站出发沿平直公路行驶，我们只要以车站为起点沿公路作一坐标轴，并规定好正方

50、向，就可以把汽车在不同时刻的位置用相应的坐标表示出来。汽车在某段时间内的位移（s），可以用末位置的坐标（x）和初位置的坐标（x0）表示出来，即s = x - x0这时，s 的绝对值就表示了位移的大小，s 的正负就表示了位移的方向。在图 1-1-8 中，汽车在 t2 到 t3 时间内的位移可表示为s = x3 - x2当物体做平面运动，即二维运动时（如轮船在大海中的航行） ，需采用两个坐标来确定它的位置；当物体做空间运动，即三维运动时（如飞机的飞行），需要用三个坐标来确定它的位置。二维运动和三维运动中物体的位移同样可以用位置坐标表示出来。图书馆北西东南市中心25第 章 物体运动的描述1家庭作业与