普通高中教科书·物理必修 第一册.pdf

物理必 修第一册普通高中教科书上海科学技术出版社WULI物理第一册上海科学技术出版社物理必 修第一册必修普通高中教科书定价：9.30 元物理普通高中教科书必 修第一册上海科学技术出版社主编：蒋最敏 高 景本册主编：高 景编写人员：（以姓氏笔画为序）周上游 於 丰 郑百易 高 景责任编辑：张 燕 陈 鹏 李林高美术设计：房惠平普通高中教科书 物理 必修 第一册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版上海世纪出版(集团)有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路71号邮政编码200235）发行上海新华书店印刷上海中华印刷有限公司版次2021 年 1 月第 1 版印次2021 年 7 月第 2 次开本890 毫米 1240 毫米1/16印张7.25字数153 千字书号ISBN978-7-5478-4306-2/G980定价9.30 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。致同学们我们生活在物理学的海洋里。无论日沉月升、星移斗转，还是寒暑交替、四季更迭，抑或是电闪雷鸣、海啸地震和彩霞满天、极光变幻，等等，无一不受物理学规律的支配；照明灯发光、太阳能发电、电影和电视、激光和磁共振成像全都基于物理学的原理。事实上，人类的发展就和物理学的发展紧密地联系在一起。历史上两次工业革命都奠基于物理学的发展。牛顿的三大运动定律与热力学、麦克斯韦电磁理论分别导致以采用蒸汽机为代表的第一次工业革命和以电力技术为代表的第二次工业革命。当今第三次工业革命方兴未艾，信息技术是其标志之一，而信息技术则植根于以量子力学和相对论为代表的近代物理学。可以说，当今世界高度发达的物质文明和精神文明在相当程度上就建立在物理学发展的基础之上。物理学的影响无处不在，我们每个人的学习、工作和生活都离不开物理学，都必须具备一定的物理学基础。因此，我们需要学习高中物理这一门非常重要的科学课程。本套物理教材包括必修和选择性必修两部分。必修部分是高中阶段每位同学都必须修读的，而选择性必修则根据将来升学、就业的不同需求由部分同学选择修读。学习高中物理课程不仅在于掌握必要的物理知识，更重要的是全面提升同学们物理学科的核心素养。这就是物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任。为了更好地帮助同学们形成和提高学科素养，教材除正文之外还设置了一些附加栏目。自主活动是希望大家自己完成的与课程相关的实践活动，是自主学习的过程。大家谈包括为了加深理解课程内容希望大家讨论的问题和带启发性的与后续学习相关的问题，有助于质疑、交流，鼓励同学们积极思考，踊跃参与。助一臂旨在提升物理观念和促进科学思维。STSE是科学 技术 社会 环境的英文缩写，主要简单介绍物理学的原理和规律在其他科技、社会和环境等领域的应用。拓展视野属于选学内容，在知识的深度和广度上比课程要求适度增加，为学有余力的学生开启进一步学习的窗口。问题与思考是针对每节内容设计的练习题，旨在应用所学知识解释简单现象、解决简单实际问题。复习与巩固是针对每章内容设计的习题，旨在使学生通过完成习题来培育、巩固、提升物理核心素养。学期活动是基于项目、案例的学习方式，是根据每册教材的重要内容设计的综合性活动。2致同学们目录1目录第一章运动的描述/1第一节 质点 物理模型/2第二节 位置的变化 位移/5第三节 位置变化的快慢 速度/11第四节 速度变化的快慢 加速度/17第二章匀变速直线运动/25第一节 伽利略对落体运动的研究/26第二节 自由落体运动的规律/31第三节 匀变速直线运动的规律/362目录第三章相互作用与力的平衡/46第一节 生活中常见的力/47第二节 力的合成/56第三节 力的分解/61第四节 共点力的平衡/66第四章牛顿运动定律/74第一节 牛顿第一定律/75第二节 牛顿第二定律/79第三节 力学单位制/86第四节 牛顿第三定律/90第五节 牛顿运动定律的应用/931 第一章运动的描述 在本章中我们将：1.认识和理解位移、速度、加速度等物理量。2.经历质点模型的建构过程，初步学会测量物体的瞬时速度。3.学习用文字、关系式、图像描述简单的实际运动。本章的学习将用到机械运动的概念和匀速直线运动的规律。本章的学习有助于运动观念的形成，并为研究变速直线运动的规律奠定基础。图示是上海外滩的夜景照片。图中的白线和红线是相机长时间曝光后摄得的车辆运动时车灯留下的光迹，这些光迹反映了车辆在这段时间内的运动情况，线条的多少反映了车辆的数量。红色线条是车尾灯的光迹，白色线条是车前灯的光迹。你可据此推测出哪些关于车辆运动的信息？2第一章 运动的描述图 1-1 从空中俯瞰行驶中的高速列车生活中，随时随地可见物体的运动：雄鹰在天空中翱翔；车辆在道路上飞驰；运动员在赛场上奔跑；一阵风吹过，树叶、飞花相继飘落即使是看起来静止的学校教学楼，也在随地球的自转和公转不停地运动。在物理学中，把物体空间位置随时间的变化称为机械运动（mechanical motion）。机械运动是自然界中最基本的运动形态。跑步时，我们奋力摆动双臂，大步向前的同时努力地调整着身体各部位的姿态；鸟儿飞翔时躯干向前，但翅膀随躯干向前的同时还需上下扇动。在人、鸟等具有一定大小和形状的研究对象上各部位的运动情况不尽相同。人从起点跑到了终点；鸟儿从这棵树飞到了那棵树。在这些描述中，我们不需要考虑运动物体的大小、形状和物体上各个部位的运动差异，可以把人或鸟简化为一个只有质量的“点”，即把对实际物体运动的描述转化为对“点”的运动的描述。在某些情况下，可以忽略物体的大小和形状，把实际的物体抽象为一个有质量的点，这样的点称为质点（point mass）。何种条件下可将物体抽象为质点？物体是否能抽象为质点是有条件的，取决于所研究的具体问题。第一节质点 物理模型3第一节 质点 物理模型当研究对象的尺寸与其运动范围相比小得多时，可以把研究对象抽象为质点。我们居住的地球虽然是一个庞然大物，但它的直径（约 1.27104 km）不及它与太阳平均距离（约1.50108 km）的万分之一。因此，在研究地球绕太阳公转时，就可以忽略地球的大小和形状，把地球抽象为质点。在某些情况下，需要关注的是研究对象整体的运动，无需考虑对象各组成部分的运动差异，也可以将其抽象为质点。研究鸟从一地飞行到另一地的运动时，并不会关心鸟的翅膀如何运动，可以把鸟抽象为质点。若要研究鸟的飞行动作，则必须考虑鸟身上各部位的运动差异，不能把鸟抽象为质点。物体能否抽象为质点，取决于在研究的问题中，物体的大小和形状能否忽略不计。所谓没有大小和形状、只有质量的点实际是不存在的。质点是我们在研究实际物体的运动时，为了突出影响物体运动的主要因素，从实际物体抽象出来的物理模型。把实际物体抽象为质点对研究物体的运动有什么意义？请举例说明。大家谈为何要构建物理模型？模型是人们为了某种特定目的而对研究对象做的简化。我国著名科学家钱学森（19112009）曾说，“建立模型是关键。模型就是通过我们对问题现象的了解，利用我们考究得来的机理，吸收一切主要因素、略去一切次要因素所制造出来的一幅图画”。因此，被保留下来的应是与研究目的相关性最高的因素。例如，要估算橡皮擦从桌面掉落到地面的时间，我们会略去橡皮擦的长短、橡皮擦的弹性、橡皮擦在三维空间的转动、空气阻力对橡皮擦下落的影响等因素，把橡皮擦简化为质点。在物理学中，通过突出事物的主要因素，忽略次要因素而建立起来的理想化“模型”，称为“物理模型”。除了物理模型，科学研究中还有很多模型，如化学键模型、DNA 分子双螺旋结构模型等。真实的现象往往纷繁庞杂，在研究问题时首先要在分析研究大量现象的基础上把实际的问题抽象为模型。通过把复杂问题简单化，再把简单问题模型化，可以更好地研究事物，抓住问题的本质，发现规律。模型建构是一种重要的思想方法。通过模型建构可以对生活中的现象做进一步分析，从而能够对现象发展情况作出预测，并根据预测作出决策控制。例如，天气预报是气象研究人员在建构气象模型的基础上对一段时间天气所做的预报；经济学家通过构建经济模型对经济现象作出分析，供政府部门决策参考；产品研发人员通过构建模型来进行新产品的研发。学会物理模型构建是学习物理的重要基础。4第一章 运动的描述1.图 1-1 中列车沿直线轨道通过隧道。两位同学对列车是否能视为质点持有不同观点，他们的观点在一定的条件下都是合理的。讨论什么情况下列车可以视为质点，什么情况下列车不能视为质点。2.当将扳手放在光滑水平面上推出后，会发现扳手边旋转边向前运动，如果不考虑扳手的旋转，可以认为扳手整体在做匀速直线运动。如图 1-2（a）所示，在扳手的三个位置标注 A、B、C三点。图 1-2（b）是扳手由左向右运动的部分频闪照片，图中画出了扳手上 A、B、C 三点在水平面上运动的轨迹，试问扳手上哪个点的运动可以反映扳手整体的运动。说明理由。3.在我们所处的太阳系中，八颗行星几乎在同一个平面内绕着太阳公转。表 1-1 中给出了太阳及其八颗行星的近似数据。若要根据表中数据绘制太阳系的示意图，应如何选择比例尺？按照选择的比例尺，图中地球的直径和轨道半径分别为多少？说一说什么情况下可以把这些行星视为质点。问题思考与表 1-1*AU 为天文单位的缩写，其数值取地球到太阳的平均距离，1 AU 1.5108 km。赤道半径 r/km轨道半径 R/AU*太阳696 000/水星2 4400.4金星6 0520.7地球6 3781.0火星3 3971.5木星71 4925.2土星60 26810天王星25 55920海王星24 76430图 1-2ABC（a）（b）4.有的同学有记录自己每日行走步数并与他人比较的习惯。在此研究中是否可以将人的行走抽象为质点运动？如果可以，这样的做法对运动的研究有何促进作用？5.写一篇 100 字左右的短文，说明在什么情况下可以将物体抽象为质点？5第二节 位置的变化 位移图 1-3 越野车和它在冰原上留下的车辙由图 1-3 中越野车的车辙可以看出其位置在一段时间内发生了变化，车辙的终点反映了车在拍摄时所处的位置。物体位置随时间的变化与时间和时刻有关。时间和时刻既有联系又有区别。高铁 14 时发车，17 时 30 分到达下一站。这里的“14 时”和“17 时 30 分”就是高铁开始运动和结束运动的时刻，3 时 30 分是这两个时刻之间的时间间隔，即高铁的行驶时间。用数轴来表示时刻和时间，将其称为“时间轴”。如图 1-4 所示，时间轴上的点表示时刻，如 t1、t2；时间轴上的一段线段表示时间间隔，如 t=t2-t1。如果将计时起点设为时间轴的原点，即 t1=t1-0=t1，t2=t2-0=t2。因此，通常用 t 来表示相对计时起点的时间间隔。第二节位置的变化 位移图 1-4 时间轴日常生活中通常所说的“时间”有时指的是时刻，有时指的是时间间隔。例如，“现在是北京时间 14 时”说的是时刻，“我用 30 s 的时间通过手机订了一张电影票”说的是时间间隔。6第一章 运动的描述如何描述物体位置的变化？为了描述物体的运动必须选定另一个物体作为参照，这个被选定的物体称为参考系（reference frame）。选择合适的参考系可以使问题的研究得到简化。如船舶在大海中航行时，我们通常以地球表面为参考系，在地球表面建立由经线和纬线构成的坐标系，用经度和纬度来确定其位置。若船舶的航行范围比较小，也可将该范围内的地球表面视为平面，在此平面内选定一个点作为坐标原点，建立相互垂直的 x 轴与 y 轴，在坐标轴上选取适当的长度单位表示空间尺度，用直角坐标系的坐标来确定船舶位置。图 1-5 中，在水平面内建立坐标系，船舶从 A（xA，yA）运动到 A（xA，yA），船舶的位置发生了变化。如图 1-6 所示，从甲地出发去乙地的