鲁教版物理必修第一册【高清教材】.pdf

主编：廖伯琴核心编者：杨燕鸣梅家烨谢德胜冯庆李富强廖伯琴统稿：廖伯琴杨燕鸣定稿：廖伯琴编务联系：李富强李洪俊责任编辑：郑淑娟杨文静李宝艳封面设计：孙佳版权所有请勿擅自用本书制作各类出版物违者必究如对教材内容有意见、建议或发现印装质量问题，请与山东科学技术出版社联系电话：0531-82098030电子邮箱：1目 录CONTENTS第 1 章运动的描述 第 2 章匀变速直线运动 绪论撩开物理学的神秘面纱一、源自然之问 2二、探万物之秘 4三、采科学之益 6四、启智慧之迪 8导入走进运动的世界 12第 1 节空间和时间 13第 2 节质点和位移 19第 3 节速度24第 4 节加速度28导入探索运动规律 35第 1 节速度变化规律 36第 2 节位移变化规律 41第 3 节实验中的误差和有效数字 45第 4 节科学测量：做直线运动物体的瞬时速度 48第 5 节自由落体运动 552第 4 章力与平衡 第 5 章牛顿运动定律导入感悟平衡之美 89第 1 节科学探究：力的合成 90第 2 节力的分解95第 3 节共点力的平衡 99导入跨越时空的对话 109第 1 节牛顿第一运动定律 110第 2 节科学探究：加速度与力、质量的关系 113第 3 节牛顿第二运动定律 117第 4 节牛顿第三运动定律 126第 5 节超重与失重 129第 3 章相互作用 导入奇特的力现象 67第 1 节重力与重心 68第 2 节科学探究：弹力 72第 3 节摩擦力79撩开物理学的神秘面纱1绪 论撩开物理学的神秘面纱源自然之问探万物之秘采科学之益启智慧之迪hysicsP P绪 论2人们在不断探索中，对上述现象有了各种解释。物理学认为，在这些丰富多样的神奇背后隐藏着大自然的秘密万有引力定律。在这自然定律的制约下，天体运行有了周期，大海有了潮汐，人类有了不可逾越的跳高极限仰望夜空，群星闪烁，梦幻而神秘。仔细观察，发现它们有着和谐统一的运动规律：太阳、月亮和星星日复一日东升西落；彗星拖着长尾消失在茫茫星空，若干年后竟会如约再次进入我们的视野；时而出现的流星雨给深邃的天空增添了浪漫与传奇是什么力量使天体有着如此神奇的运动（图 1）？地球，我们的家园。从高山大漠到江河湖海，从植物、动物到人类自身，神奇无处不在：潮涨潮落，苹果坠地，石头下落；“飞”得再高，总是在空中“画出”弧线后落回地面（图2）是什么力量在“调控”这些运动？大自然充满了奥秘。天地之间，各种形态的物质展示着绝妙的多彩与协调。自古，人们便开始探索在如此绚烂和神奇的大自然背后，究竟隐藏着怎样的规律。一、源自然之问判天地之美，析万物之理。庄子图 1 为什么天体能周而复始地运动图 2为什么“飞”得再高也要落回地面撩开物理学的神秘面纱3图 4 为什么梳过头发的梳子能吸起纸屑图 3 为什么闪电会从天而降人类对以上“惊天动地”或“悄然无声”的神奇现象有诸多解释。物理学认为，在这些看似不相干的现象中隐含了大自然的又一个秘密静电。大自然是神秘的，也是可以探索的。人们从不同视角探索自然，由此便形成了不同的学科，如天文学、物理学、化学、生物学、地理学等。那么，什么是物理学呢？物理学是研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门学科。例如，一块石头、一个苹果下落，物理学研究的不是石头或苹果本身，而是这些物体下落的共同规律。人们在不断从物理学视角认识自然、解释自然的过程中，逐渐形成了基于物理学体系的物理自然观。生活中的神奇也无处不在：装物体的薄塑料袋会“自动”贴手；梳过头发的塑料梳子能“悄然”吸起轻物（图 4），靠近水流时，能改变其流动方向。似乎在我们周围有一种神秘力量，看不见、摸不着，时常魔幻般出现。人们不禁要问：这神秘力量是什么？它来自哪里？暴风雨来临，天空乌云密布，雷电交加。那撕裂长空的闪电似长龙、像凤爪（图 3），转瞬即逝；那震耳欲聋的雷声震撼山川、摄人心魄，大自然不时展示其神威！面对从天而降的狂风暴雨、电闪雷鸣，人们不禁会问：它们来自何处？为何这般惊天动地？hysicsP P绪 论4经典力学和实验物理学的先驱伽利略（G.Galilei，15641642）以系统的观察和实验，向亚里士多德（Aristotle，公元前 384前 322）的传统自然观提出了质疑。他率先用望远镜观察天体运动（图 5），用观察证据支持了哥白尼（N.Kopernik，14731543）的“日心说”。从此，用实验方法探究世界成为人们探究自然规律的一种重要手段。伟大的物理学家牛顿（I.Newton，16431727）以及同时代众多科学家，通过实验方法探索万物之秘。例如，牛顿通过三棱镜进行色散实验，发现白光是由各种不同颜色的光组成的（图 6）。在大量实验基础上，牛顿等物理学家建立了经典物理学体系，奠定了物理学“大厦”的基石。19 世纪与 20 世纪之交，当人们在庆贺物理学“大厦”基本落成时，晴朗天空飘浮着的“两朵乌云”引发了物理学的革命。后来创立的现代物理学，进一步揭示了在高速或微观层面的大自然奥秘。二、探万物之秘一切推理都源于观察与实验。伽利略面对神奇自然，自古人们就有想要了解它的无法遏制的渴望。大自然的奥秘是可以探索的。人们“仰观吐曜，俯察含章”，逐渐从思辨、观察走向实验，孜孜不倦地探索着万物之秘。图 5伽利略用自制的天文望远镜观察星空图 6牛顿利用三棱镜发现了白光的秘密撩开物理学的神秘面纱5图 7爱因斯坦与玻尔从通过肉眼直接观察，到利用仪器进一步实验，人们持续不断地探索着大自然的秘密。在大量实践探索的基础上，人们的物理自然观逐渐形成并不断发展，同时提炼出一系列科学研究方法及科学思维模式。无疑，人们已具有相当程度的探究大自然的能力。20 世纪杰出的物理学家爱因斯坦（A.Einstein，18791955）提出了相对论，从根本上冲击了经典力学体系，改变了人们所熟悉的时间与空间等概念。普朗克（M.Planck，18581947）、玻尔（N.Bohr，18851962）等量子论主要奠基人发现微观与宏观世界的物理规律有很大差异。爱因斯坦与玻尔关于量子论的争论与交流也极大地推动了量子论的发展（图 7）。图 8深入探索宇宙的激光干涉引力波天文台人类对大自然的探索从未停止。2016 年，科学家宣布，他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO，图 8）首次探测到引力波。这一发现为人类开启了探索宇宙的新旅程。而对微观世界的深入研究，使人类在揭开自然之谜的探索中又向前跨了一大步。hysicsP P绪 论6图 9“天舟一号”与“天宫二号”对接示意图18 19 世纪蒸汽机的发明，直接推动了第一次工业革命，作坊式的手工业被机器大工业代替（图 10），极大地改变了人们的生产生活方式，提高了效率，加快了社会发展进程。三、采科学之益我们在享受他人发明带来的巨大益处，也应乐于用自己的发明服务于他人。富兰克林物理学拓展了人们的思维，提升了人们的探究水平。物理学的技术应用，改变了人们的生产生活方式，推动了社会的发展。17 世纪牛顿力学体系的建立，使得人类不仅能解释周围的宏观世界，还能利用航天技术“上九天揽月”，探索宇宙。2011 年我国成功发射“天宫一号”，成为继俄罗斯和美国后第三个能独立发射空间站的国家。2017 年“天舟一号”与“天宫二号”的成功对接（图 9），正式宣告中国航天迈进了“空间站时代”。图 10蒸汽机的发明带来机器大工业撩开物理学的神秘面纱7物理学技术在给人类带来巨大益处的同时，也给人类生活与社会发展带来一些需要关注的问题。例如，当我们赞叹阿尔法狗（AlphaGo）战胜人类顶尖围棋选手的同时，也对电脑与人脑的未来有了更加理性的认识。当今，人们已特别关注如何更加有效、理性地应用物理学技术，采科学技术之益，节约能源，保护环境，珍爱我们的地球家园。电磁技术的应用，引发了第二次工业革命，使人类社会进入电气时代。如今，电的应用已深入人们生产生活的方方面面（图 11），无论上天入地，还是衣食住行，人们都已离不开电了。随着微电子等技术的发展，人类跨入信息时代，实现了足不出户也能工作和学习的梦想。以大规模集成电路为核心的信息技术应用越来越广，作为半导体集成电路关键的芯片，已走向纳米级，不断朝“更小、更快、更冷”的方向进步，这加速推动了人工智能（图 12）、物联网等相关技术的发展，引发了人类生产生活方式的巨大变化。图 11电磁技术的应用带来万家灯火图 12电脑在很多方面已超越人脑hysicsP P绪 论8图 14向热水吹气使其降温一生活中的物理问题四、启智慧之迪追求客观真理和知识是人的最高和永恒的目标。爱因斯坦查阅诺贝尔物理学奖获奖项目，浏览一篇篇学术论文，你可能会对物理学产生敬畏，认为物理学是一堆“天书”似的公式、符号和深奥的概念、定律，是只有物理学家才能弄懂的高深理论。其实，物理学是非常有趣的，物理学研究的很多问题就在我们身边。用物理学的知识解释自然现象、解决物理问题，不仅是物理学家，也是大家能做的事情。喝热水时，你会不自觉地向杯中滚烫的水吹气（图 14），或用其他物品隔离杯子以免烫手。照镜子时，你会擦去镜子表面的灰尘或水雾，以使自己在镜子里的像更清晰。仔细想想，人们为何有这样的习惯动作？当你能有意识地将物理学应用于日常生活并解决一些实际问题时，你已开始科学探索，进行科学思维，逐渐形成物理自然观，并会因此倍感兴奋与满足。火焰为什么能直立？彩虹为何如此绚丽（图 13）？水黾为什么能在水面爬行？这些问题看似简单，如果不断追问，你会发现自己对大自然有了新的认识，会感受到解开自然之谜是多么令人愉悦。看看周围的世界，你会发现物理问题就在身边。无论是穿衣、洗脸、刷牙、照镜子，还是吃饭、走路、睡觉等，你都会遇到许多物理问题。图 13空中的彩虹一一自然中的物理现象撩开物理学的神秘面纱9图 17放电现象必修第三册中与静电有关的内容图 16过山车必修第二册中与曲线运动有关的内容学习物理是激动人心的智力探险活动！初中阶段，你已初步领略了物理世界的美妙风景。今天，当你翻开这套物理教科书，如同撩开高中物理的面纱，你将进一步感受到来自大自然的神奇令你神往，来自生活中的神奇让你叫绝！在这藏有无数瑰宝的物理迷宫中，神奇无处不在。在“运动”世界中（图 15），你将发现空间与时间的奥秘，领悟速度与加速度的奇妙，聆听亚里士多德与伽利略的故事，揭晓苹果下落的秘密；在“相互作用”世界中，你将欣赏奇特的力现象，探索“伸臂桥”的平衡窍门，破解悬空走钢丝的秘诀；在“力与运动”世界中，物理学巨人牛顿将给你开启经典力学的核心宫殿之门，其中的瑰宝美不胜收！到了“功与能”的世界，你将打开大自然“守恒”的秘窟，领略动能与势能转换的神奇；在“曲线运动”的世界，你可发现获得各类体育竞技好成绩的诀窍，知晓过山车（图 16）、旋转飞椅惊险离奇背后的道理；学了万有引力定律，你会知道人类为何能将“嫦娥飞天”的神话变成现实，也许你还梦想着某天能亲自探索火星呢“高速世界”的神奇更是超乎你的想象，长度缩短、时间延缓、质量随速度变化而变化、光会拐弯在精彩无比的“电世界”，你可捕捉魔幻之“电”（图 17），解释电闪雷鸣的秘密，感受神秘的电“魔力”，了解“装电的容器”，揭开节日霓虹的奥秘，探索弥漫周围的电磁波，知晓节约能源、珍爱大自然的道理图 15鸽子飞翔必修第一册中与运动有关的内容hysicsP P绪 论10出的问题解决方法；“拓展一步”是在基本要求上的拓展，你可多学一点；“物理聊吧”为大家提供畅所欲言、相互辩论的论题与空间；“科学书屋”为你提供拓展视野的科技信息；当然，还有帮你复习巩固的“节练习”“章末练习”“单元自我检测”以及帮你反思评估的与节有关的“请提问”、与章有关的“我的学习总结”、与单元有关的“单元自我评价”等。相信你会珍惜学习物理的机会！它能让你形成物理自然观，从物理视角认识自然、理解自然；能让你具有科学思维品质，敏于推理、善于论证、勇于创新；能让你成为科技探索达人，技巧过人、能图 19“嫦娥”飞天相信你会喜欢这套逻辑严谨、妙趣横生的物理教科书。每章都有引人入胜的导入，有的浅显易懂，幽默风趣；有的高度概括，启发思维；有的来自生活，趣味无穷；有的源于自然，神奇无比这套教科书不但结构合理，逻辑严密，而且设置了丰富多彩的栏目（图 18）：“本章学业要求”以画龙点睛的方式告诉你学习目的，后续还以“素养提升”栏目进一步提示为什么学习相关内容；“实验与探究”含有规范的验证实验和探究实验；“迷你实验室”有取材容易、精彩纷呈的趣味小实验；“方法点拨”是由具体事例提炼的科学研究方法和科学思想；“策略提炼”则是特别由例题提炼图 18丰富多彩、功能各具的栏目拓展一步实验与探究迷你实验室物理聊吧策略提炼方法点拨科学书屋本章学业要求素养提升航天器中的超重和失重航天器加速升空和减速返回地面时，其上的一切物体都会处于超重状态。如果航天员站立或坐着，在超重情况下，会出现足部血压升高、头部供血不足等现象，轻则引起视觉障碍，重则发生晕厥。因此，航天员应平躺于座椅上（图 5-28），这样可减轻超重对人体的影响。航天器进入轨道后，所有物体都近似处于完全失重状态。观看我国航天员王亚平进行太空授课的视频，你会发现若干失重现象：悬浮于空中的圆形水球（图 5-29）、不断转圈的单摆、飘来飘去的航天员等。这些都是我们在地面上无法体验到的完全失重现象。图 5-28航天员杨利伟平躺在航天器中图 20“蛟龙”入海力超群；能让你享受发现与成功的喜悦，实事求是、追求真理，有更好地为社会发展和人类进步作贡献的境界与责任感。物理学使我们能让“嫦娥”飞天（图 19）、“蛟龙”入海（图 20）相信你一定会为学习物理、服务人类而骄傲！图 5-29航天员王亚平太空授课时展示圆形水球第 1 章本章学业要求a 导入走进运动的世界第 1 节空间和时间第 2 节质点和位移第 3 节速度第 4 节加速度 a本套教科书每章皆有“本章学业要求”，是根据普通高中物理课程标准（2017 年版）（以下简称课标）中的物理学科核心素养、课程内容、学业质量水平，并综合考虑每章教科书内容后提出的。这是学习每章内容后应达成的学习目标，是对物理学科核心素养相关表现的描述。在每章教科书内容中，若有强调某学业要求的，将结合课标中的内容要求，用“素养提升”栏目特别列出；若综合体现学业要求的，则不再特别列出。能了解时间、位移、速度和加速度的内涵，初步了解标量和矢量；能将时间、位移、速度和加速度等概念与生活中的相关现象联系起来。能从物理学的视角观察身边的运动现象。物理观念能在特定情境中将物体抽象为质点，知道建立质点模型的条件与方法；能结合瞬时速度、加速度概念的建构，体会研究物理问题的极限方法和抽象思维的方法；知道物理研究需要证据；有质疑的意识。科学思维具有一定的问题意识；通过平均速度与瞬时速度的比较，对瞬时速度的测量方法有所了解；能说明获得瞬时速度数据的理由；能与他人交流。科学探究知道物理学研究的很多问题就在身边，对自然界有好奇心，具有探索的兴趣；知道物理学能解决人们生产生活中的一些问题。科学态度与责任12hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述我们生活在运动的世界中。从浩瀚宇宙到微小粒子，自然界的一切都在不停地运动。旋转的星系，飘浮的白云，飞翔的鸽子，飘落的秋叶，潺潺的流水这是一个绚丽多彩、变化万千的运动世界。如何描述物体的运动？物体的运动与时间、空间有怎样的关联？本章我们将从简单的运动入手，通过学习建构质点模型等研究方法，逐渐建立描述物体运动的位移、速度和加速度等概念。自古，人们便不断探索自然界运动的奥秘。经过长期探索，人们逐步建立了描述运动的概念，总结出探究运动的方法，并一步步将问题引向深入，揭示出自然界运动的一个个奥秘。鸽子飞翔导入走进运动的世界星系旋转13第 1 节空间和时间运动无处不在，我们也处于运动中。走路、跑步、坐车这些运动有何共同特点？如何描述这些运动？本节我们将学习机械运动及其空间位置和时间的描述。1.机械运动通常，人们根据运动的特点，将运动分为机械运动、热运动、电磁运动等多种形式。其中，机械运动（mechanical motion）是指一个物体相对于其他物体的位置随时间的变化，是自然界最基本、最普遍的运动形式，简称运动。运动的描述是相对的。如图 1-1 所示，在运行的电梯中，站在电梯里的人相对于电梯，其位置没有变化，是静止的；但相对于楼房或地面，其位置则在不断变化，是运动的。可见，动与静是相对的，人们必须确定一个参照物来描述物体的运动，这种参照物称为参考系（reference frame）。例如，在上述情境中，若以楼房或地面为参考系，站在运行电梯中的人是运动的；若以电梯为参考系，站在运行电梯中的人则是静止的。显然，对于同一个运动，选择的参考系不同，描述运动的结果就不一定相同。若参考系选择恰当，则可使研究的问题简化。2.空间位置的描述既然物体运动时位置会不断变化，那么研究运动就需要描述物体的空间位置。我们应怎样描述物体的位置呢？假设汽车在笔直的公路上由西向东行驶，若问汽车开到哪里了，通常我们会选择地面图 1-1运行的电梯第1节空间和时间14hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述假如汽车在市中心正西 500 m 处，在上述坐标系中，汽车的位置可记为x=-500 m假如汽车从市中心出发，先向正北方向行驶 100 m，再向正东方向行驶 150 m，到达如图 1-3 所示的位置。若仍以市中心为参考点，应怎样描述汽车的位置呢？为参考系，并以大家熟悉的地面标志物为参考点，说明汽车距该标志物有多远，在该标志物的哪一侧等。我们可说“汽车在市中心正东 500 m 处”，但只说“汽车在距市中心500 m 处”就不能准确描述汽车的具体位置。在物理学中，通常需要借助数学方法，通过建立坐标系来描述物体的位置。例如，为了描述上述汽车的位置，我们可建立一维坐标系。如图 1-2 所示，假定坐标系的原点 O 选在市中心，以正东方向为正方向，以米为单位，则汽车的位置可记为x=500 m 图 1-3汽车在市中心附近行驶示意图北市中心行驶的汽车图 1-2用一维坐标系描述汽车的位置-600西东-400-200200400600 x/mO市中心15第 1 节空间和时间科学书屋aa 本套教科书所有栏目内容可按照课标要求，根据具体情况，选择性学习。图 1-4用二维直角坐标系描述汽车的位置对于这种情况，我们可用二维直角坐标系来描述。如图 1-4 所示，取市中心为原点O，以正东方向为 x 轴正方向、正北方向为 y 轴正方向，以米为单位，则该汽车在此二维直角坐标系中的位置可记为R（150，100），或x=150 m，y=100 m 西O南东y/mx/m北150150300-150-150-300-300300R（150，100）图 1-5导航卫星工作示意图卫星定位导航系统过去，人们通常借助太阳、星星或熟悉的地理位置等来确定自己的位置。这些定位方法误差大且易受天气等影响。随着科学技术的发展，目前在国防、交通、勘探等领域，人们已普遍使用卫星定位导航系统来准确迅捷地确定物体的位置并进行导航。卫星定位导航系统由围绕地球运行的若干导航卫星（图 1-5）和地面接收装置（图 1-6）等组成。导航卫星不断发射有关自身所在位置及对应时刻的无线电信号，地面接收装置接收到多颗卫星的信号并对其进行分析比较后，便能确定使用者所在位置的经度、纬度及海拔。这样，该系统不仅可获得使用者的准确位置，还可为其导航。目前，有影响力的卫星定位导航系统有中国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GSNS）等。图 1-6手机导航16hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述这里的“15 日 09 时 0 分”“15 日 18 时 40 分”和“16 日 06 时 23 分”，分别指运载火箭点火、展示旗帜和飞船返回舱着陆的时刻；从点火到展示旗帜所经历的时间则是这两个时刻之差 9 小时 40 分。同理，可计算出从展示旗帜到飞船返回舱着陆所经历的时间为 11 小时 43 分。时刻是指某一瞬时，时间是指两个时刻的间隔，通常都用 t 表示。时刻和时间的主要单位有秒、分、时，它们的符号分别为 s、min、h。在表示时间的数轴上，时刻用点表示，时间用线段表示。在图 1-7 中的时间数轴上标出了运载火箭点火、展示旗帜和飞船返回舱着陆三个重要时刻及其间隔的时间。人们在日常生活中所说的“时间”，有时表示时刻，有时表示两个时刻的间隔，我们可根据具体情况确定其准确含义。在一些精细研究中，需要测量和记录很短的时间，为此人们采用了飞秒（f s）和阿秒（as）技术。飞秒和阿秒都是极小的时间单位，1 f s=10-15 s，1 as=10-18 s。利用飞秒技术能够拍摄到一次原子振荡中不同时刻的图像，可深入研究单个原子的运动过程。寻找在更短的时间中隐藏的秘密，已经成为科学家的探索目标之一。3.时间的描述在描述物体的运动时，需要用到时刻和时间两个概念。下面以航天飞行的情境为例来进行讨论。我国航天事业取得了举世瞩目的成就，若干相关的重要时刻和时间已载入史册。例如，在 2003 年 10 月我国首次载人航天飞行中，便有一系列扣人心弦的时刻和时间（图 1-7）。“神舟五号”飞船的运载火箭点火航天员杨利伟在太空中展示中华人民共和国国旗和联合国旗飞船返回舱成功着陆图 1-7 “神舟五号”飞船飞行中的部分重要时刻和时间9 小时 40 分15 日 09 时 0 分15 日 18 时 40 分16 日 06 时 23 分11 小时 43 分17第 1 节空间和时间科学书屋1.在“小小竹排江中游，巍巍青山两岸走”这两句歌词中，所选取的参考系分别是什么？请说明理由。2.在涉及时刻与时间的讨论中，常有以下说法：前 2 s、第 2 s 内、第 2 s 末、第 3 s 初。它们分别指的是时刻还是时间？请在时间轴上把它们标示出来。3.在摩托艇比赛中，两艘摩托艇都向南行驶，前面的摩托艇比后面的摩托艇快。下列说法正确的是 A.以前面的摩托艇为参考系，后面的摩托艇向南行驶 B.以前面的摩托艇为参考系，后面的摩托艇向北行驶 C.以后面的摩托艇为参考系，前面的摩托艇向南行驶 D.以后面的摩托艇为参考系，前面的摩托艇向北行驶节 练 习a空间和时间的尺度科学技术的发展极大地拓展了人们对空间和时间的认识范围。目前，人类观测到的空间，最远可至 1026 m 的宇宙深处，最小约为 10-15 m 的微观世界；认识到的时间，最久可至 1017 s 以前的宇宙大爆炸（根据宇宙大爆炸理论测算的宇宙年龄），最短约为 10-25 s（一种微观粒子的寿命）。一些事件的时间数量级如下：a本套必修教科书“节练习”和“章末练习”中，黑色题号的习题大致对应学业质量 1、2 水平，红色题号的习题大致对应 3、4 水平。标有“*”的习题有一定难度，可根据具体情况选做。时间 t/s 有关事件时间 t/s 有关事件1017宇宙大爆炸至今102光从太阳到达地球所需的时间1015地球上出现恐龙至今101普通成人百米跑所用的时间1014地球上出现人类至今10-3蜜蜂拍打一次翅膀所需的时间107地球围绕太阳公转一周的时间10-25一种微观粒子的寿命18hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述4.一高速动车组列车从成都开往重庆，其时刻表（部分）如下。站名到站时间出发时间停留时间成都东站11：20内江北站12：1012：122 分重庆北站13：04下列叙述中，表示时间的是 A.列车从成都东站出发的时间是 11 时 20 分 B.列车一共运行了 1 小时 44 分 C.列车在 12 时 10 分到达内江北站 D.列车在内江北站停留了 2 分5.某同学以天安门东公交车站为起点、中国国家博物馆西 3 门为终点设置的手机导航图如图所示。该同学按导航图先沿长安街向正西方向走 160 m，再沿广场东侧路向正南方向走280 m，最后向正东方向走 80 m 到达终点。若以起点为坐标原点，正东方向为 x 轴正方向，正北方向为 y 轴正方向，请画出坐标系并确定该同学行走到第一个转弯处以及终点的位置坐标。6.请以秒为单位，估算自己从出生到现在已度过了多长时间。对比本节“科学书屋”中某个事件的时间数量级，说说珍惜时间的意义。请提问第 5 题天安门东长安街中国国家博物馆广场东侧路北东19第 2 节质点和位移上节我们用坐标系描述汽车的位置时，实际上是把汽车视为一个点。运动的物体是否都可视为一个点？如果不是，什么情况下才能视为一个点？汽车在运动过程中，其位置在不断改变，如何描述汽车位置的改变？本节将通过质点模型的建构，学习利用理想模型研究物理问题的方法，以及如何用位移描述物体位置的改变。1.质点在自然界中，物体的运动通常十分复杂，同时考虑物体运动涉及的所有方面往往很困难。为此，物理学中常用建构理想模型的方法，突出问题的主要因素，忽略次要因素，将问题简化，以便得到解决。例如，在投篮过程中，球上各点的运动情况不尽相同（图 1-8）。显然，要想描述清楚这些点的运动情况是非常困难的。但是，如果只研究篮球整体飞行的轨迹，就可以忽略篮球上各点运动的差异，将篮球抽象为一个只有质量、没有大小的点。用这个点的运动代替篮球整体的运动，其运动轨迹则可近似视为一条较为简单的曲线（图 1-9）。这样，就可使问题简化，便于研究。像上面研究篮球的运动一样，如果物体的大小和形状对所研究问题的影响可忽略不计，我们就可把该物体简化为一个具有质量的点，或者说用一个具有质量的点来代替整个第2节质点和位移图 1-9投篮时篮球的运动轨迹图 1-8学生投篮的情景20hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述物理聊吧物体。物理学中，把这种用来代替物体的具有质量的点称为质点（mass point）。显然，质点不是真实的物体，它是一种理想化的物理模型。能否将一个物体视为质点，需根据研究的具体问题而定。对于同一物体，在研究某问题时可视为质点，而在研究另一问题时则不一定能视为质点。例如，研究地球绕太阳的公转时，尽管地球直径约为 1.3104 km，且其本身在自转，但由于地球和太阳之间的距离约为 1.5108 km，远大于地球直径，地球上各点相对于太阳的运动可视为相同。这时，就可忽略地球的大小和形状，把地球视为一个质点（图 1-10）。如果研究地球自转，地球的大小和形状则是影响问题研究的重要因素，这时就不能将地球视为质点。沿某方向推动桌面上的教科书（图 1-11），若要测量书移动的距离，能否将它视为质点？为什么？书围绕自身某点转动。若要讨论书边缘某点的运动情况，能否将书视为质点？为什么？说一说还有哪些可将一个物体视为质点（或不能视为质点）的问题情境。方法点拨在科学研究中，可根据研究的需要将复杂的实际问题进行合理抽象，突出主要因素，忽略次要因素，建构理想化模型。建构和运用理想模型来解决问题，是一种重要的思维方法。图 1-11沿某方向推动书图 1-10地球绕太阳公转示意图 1.5108 km能在特定情境中将物体抽象为质点，知道建立质点模型的条件与方法，能体会建构物理模型的思维方式，能认识物理模型在探索自然规律中的作用。科学思维素养提升21第 2 节质点和位移在一维坐标系中，位移的正负表示位移的方向。例如，在图 1-14 中，从 t1时刻到 t2时刻，汽车 A 的位移 s=x2-x1=4 m-1 m=3 m，方向沿 x 轴正方向；汽车 B 的位移s=x2-x1=（-4 m）-（-1 m）=-3 m，方向沿 x 轴负方向。a位移的符号也可用 x 表示，考虑到中学采用符号的习惯，本套教科书多数情况下选用 s 作为位移的符号。2.位移物体的位置发生变化时，如何描述物体位置的改变呢？如图 1-12 所示，某同学沿不同路径从A 位置走到 B 位置，所走路程不同，但其位置的变化却是相同的。有两位同学从 A 位置出发，走了相同的路程，其中一位同学走到 B 位置，另一位同学走到 C 位置，其位置的变化不相同。可见，采用路程不足以描述物体的位置变化。为此，物理学中，用位移（displacement）来描述物体的位置变化。位移是一个既有大小又有方向的物理量，通常用字母 sa表示。位移可直观地用一条从初位置指向末位置的有向线段表示，该线段的长度表示位移的大小，箭头的方向表示位移的方向。对于沿直线运动的物体，我们可借助一维坐标系确定物体发生的位移。例如，一辆汽车从位置 x1运动到位置 x2，用汽车末位置坐标减去初位置坐标，得到汽车发生的位移（图 1-13），即s=x2-x1图 1-12位置的变化图书馆BC教学楼操场A图 1-13汽车的位移x1sx2x/mO图 1-14汽车位移的方向O12345x/m-1-2-3-4-5t2时刻t1时刻t1时刻t2时刻BBAAssx1x1x2x222hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述在物理学中，有一类物理量只用大小就能描述，如物体的质量等；另有一类物理量，不仅要用大小还要指明方向才能描述，如位移等。为了区别这两类物理量，人们把像质量这样只用大小就能描述的物理量称为标量（scalar），把像位移这样既有大小又有方向的物理量称为矢量（vector）。在很多情况下，矢量的方向很重要。例如，仅知道从起点到目的地的位移大小而不知道位移的方向，那还不能完全确定目的地的位置（图 1-15）。在后面，我们还会进一步学习与矢量相关的知识。在直线运动中，我们还可用图像来直观地描述物体位置随时间变化的情况。例如，汽车做匀速直线运动（图 1-16），表 1-1 是汽车的位置随时间变化的数据，根据这些数据我们可做如下探讨。首先，建立平面直角坐标系，横坐标表示时间 t，若将初始位置作为坐标原点，纵坐标表示汽车相对于其起始位置的位移 s。然后，根据数据在平面直角坐标系中描点，并用平滑曲线将数据点连接起来，所得图像（图 1-17）称为汽车运动的位移时间图像（s-t 图像），它是一条直线。图中每一点可表示汽车某时刻所处的位置，也可从图中得到一段时间内的位移。例如，在 3.5 s 时，汽车运动到 17.5 m 的位置，或者说经3.5 s汽车相对于起始位置的位移为 17.5 m。表1-1汽车做匀速直线运动的位置随时间变化的数据t/s012345s/m0510152025图 1-16汽车做匀速直线运动0510152025t=01 s2 s3 s4 s5 ss/m图 1-15位移的方向很重要图 1-17汽车做匀速直线运动的位移时间图像1 2 3 4 52520151053.517.5t/sOs/m23第 2 节质点和位移请提问1.某地出租车公司标明收费标准为“2 元/公里”，其中的“公里”指的是位移还是路程？2.一名海轮领航员在早晨 7：00 定位时报告，该海轮已航行至前一天晚上停靠位置正东 100 km 处。该领航员报告的是海轮的位移还是其行驶的路程？3.2016 年 10 月 19 日，景海鹏和陈冬两名航天员乘坐“神舟十一号”飞船与“天宫二号”顺利完成对接，为中国航天史写下了辉煌的一页。下列几个过程中，可把“神舟十一号”飞船看成质点的是 A.飞船发射升空后，跟踪飞船运动轨迹时 B.分析飞船飞行速度时 C.与“天宫二号”对接前，调整飞船姿势时 D.控制飞船完成对接过程时4.体育场标准跑道的周长是 400 m。某运动员在跑道的直道部分进行 100 m 短跑比赛，他跑完全程通过的路程和位移大小各是多少？如果该运动员沿跑道跑了两圈，他通过的路程和位移大小又各是多少？5.一小球沿斜面向上运动了 5 m，接着沿斜面向下运动了 8 m。若以沿斜面向上为正方向建立一维坐标系，请分别画出小球向上运动和运动全过程发生的位移，并求出位移的大小和方向。6.如图所示，一辆汽车在桥上由北向南直线行驶。假如你和小明均用一维坐标系来描述汽车的运动：你以北桥头为原点，汽车运动方向为正方向；小明把坐标系的原点设在南桥头，选定的正方向与汽车运动方向相反。你们通过各自建立的坐标系对汽车位置的描述一致吗？对汽车运动的位移、路程和时间的描述呢？请予以解释。节 练 习第 6 题南北24hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述物体的运动有快有慢，如飞机起飞（图 1-18）、汽车行驶、运动员奔跑、蜗牛爬行（图 1-19）等。如何描述物体运动的快慢？本节将学习描述物体运动快慢的两个物理量：平均速度和瞬时速度。v=st1.平均速度通常，物体运动的快慢不断变化，为了大致描述一段时间内物体运动的快慢和方向，人们建立了平均速度的概念。物体运动的位移与所用时间之比，称为这段位移（这段时间）内的平均速度（average velocity）。平均速度通常用 v 来表示，即平均速度是矢量，其方向与位移方向相同。若位移的单位是米，时间的单位是秒，则平均速度的单位是米/秒，符号为 m/s 或 ms-1。第3节速度图 1-18飞机快速起飞图 1-19蜗牛缓慢爬行25第 3 节速度为了比较小球在各段运动的快慢，我们可计算出小球在各段的平均速度大小，见表1-2。表1-2小球沿斜槽滚下实验的部分数据OAOBOCs/m0.070.160.27t/s0.10.20.3v/（ms-1）0.700.800.90计算结果表明，小球在 OC 段运动得最快。由以上结果可知，物体在变速直线运动过程中，不同位移（不同时间）内的平均速度一般不相等。因此，描述平均速度时，需要指明是哪一段位移（哪一段时间）内的平均速度。2.瞬时速度在图 1-20 中，小球从 O 点到 C 点经过了若干位置，那么小球在哪个位置运动得最快呢？这涉及如何描述物体在某位置（时刻）运动的快慢问题。要准确描述物体在某位置（时刻）运动的快慢，需要知道物体在某位置（时刻）的速度。物体在某位置（时刻）的速度，称为瞬时速度（instantaneous velocity）。如何理解瞬时速度呢？我们继续以图 1-20 为例，讨论小球经过 O 点时运动的快慢。OA、OB、OC 各段的平均速度都不能用来准确描述小球经过 O 点时运动的快慢，但相对而言，A 点离 O 点更近，OA 段的平均速度更接近小球经过 O 点时的瞬时速度。如果从 O 点起所取的位移更小，比如取 OA1、OA2、OA3等（图 1-21），相对而言，OA3段的平均速度会更加接近小球例如，让小球沿斜槽滚下（图 1-20），依次通过 O、A、B、C 四点。在 OA、OB、OC 三段中，小球在哪一段运动得最快？图 1-20小球沿斜槽滚下时在不同时刻的位置ABC0.6 s0.5 s0.4 s0.3 sO0.07 m0.27 m0.16 mAA1A2A3O0.4 s0.3 s图 1-21小球在 OA 段运动的不同位置26hysicsP P第 1 章 运 动 的 描 述经过 O 点时的瞬时速度。当位移足够小（时间足够短）时，小球的速度变化很小，可近似认为小球在这段位移（时间）内的运动是匀速的，对应的平均速度可用来描述小球经过O 点时运动的快慢，即可近似视为经过 O 点时的瞬时速度。瞬时速度是矢量，其方向与物体的运动方向相同，它的大小称为瞬时速率，简称速率。如果瞬时速度始终保持不变，则物体做匀速直线运动。通常，平均速度的大小不能叫平均速率。物理学中，平均速率指物体运动的路程与所经历时间之比。日常生活中说到“速度”，有时指平均速度或瞬时速度，有时指平均速率或瞬时速率，其具体含义需根据具体情境判断。我们可通过测量很短时间内的平均速度大小来近似作为瞬时速率。图 1-22 展示了一种测量瞬时速率的装置。其中，光电门 A 端安装发光装置，B 端安装接收装置并与光电计时器连接。一旦光线被遮光板 C 遮挡，遮挡的时间便能被光电计时器测出。由于遮光板宽度较小，遮光的时间极短，根据遮光板宽度和测得的遮光时间，求出遮光板经过光电门这一极短时间内的平均速度大小，可近似认为这就是遮光板运动到光电门时的瞬时速率。在生活中，人们通过一些仪器可直接读出瞬时速率。比如，驾驶员通过安装在汽车中的速度计能够直接读出汽车在某位置（时刻）的瞬时速率，交警可通过测速仪等装置直接读出过往车辆的瞬时速率。图 1-22瞬时速率测量装置遮光板C光电门滑块BA接光电计时器科学书屋激光测速仪激光测速仪能够测量运动物体的瞬时速率。其测量精度较高，广泛应用于交通管理等