普通高中教科书·物理选择性必修 第一册.pdf

物理?普 通 高 中 教 科 书第一册选择性必修陈熙谋 吴祖仁周昌鲜卢 山 李勇强 陈泽勇 罗清红 俞献林 彭世坤主 编本册主编本册编者（按姓氏笔画排序）第三章机械波1.机械波的形成和传播 6 22.波速与波长、频率的关系 6 63.波的图像 6 94.波的反射与折射 7 35.波的干涉与衍射 7 76.多普勒效应 8 2反思小结交流8 5本章复习题8 6第四章光及其应用1.光的折射定律 8 82.实验：测定玻璃的折射率 9 43.光的全反射 9 74.光的干涉 1 0 45.实验：用双缝干涉测量光的波长 1 0 86.光的衍射与偏振 1 1 27.激 光 1 1 7反思小结交流 1 2 2本章复习题 1 2 2第二章机械振动1.简谐运动及其图像 3 62.简谐运动的回复力及能量 4 23.单摆 4 64.实验：用单摆测量重力加速度 5 05.阻尼振动受迫振动 5 2反思小结交流5 8本章复习题5 9第一章动量与动量 守恒定律1.动量 22.动量定理 73.动量守恒定律 1 14.实验：验证动量守恒定律 1 75.碰 撞 2 16.反 冲 2 7反思小结交流3 2本章复习题3 3附录中英文索引 125后记 126碰撞是物质世界常见的一种相互作用的过程。子弹击中飞靶给人愉悦，汽车发生追尾可能会给人们带来灾难，粒子散射使人类认识了原子内部结构。在这些碰撞现象的背后蕴藏着什么规律呢？这就是本章我们要学习的内容。第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章第 一 章动量与动量守恒定律是故有往来而无死生。往者屈也，来者伸也。则有屈伸而无增减，屈者固有其屈以求伸，岂消灭而必无之谓哉。王夫之周易外传 动量 动量定理 动量守恒定律 实验：验证动量守恒定律 碰撞 反冲主题一动量与动量定理主题二动量守恒定律及其应用2物理 选择性必修 第一册 常见的碰撞现象观察身边许多运动的物体，你会发现它们终究要停下来，如飘落的树叶、踢出的足球、运转的机器等等。整个宇宙会不会也像它们那样，总有一天会停下来？千百年来，人们从对天体运动（图 1-1-1）的观测中并没有发现宇宙运动有减弱的迹象。16、17 世纪，许多哲学家都认为，只要我们能够找到一个合适的物理量来量度，宇宙中运动的总量是不会变化的。这个物理量到底是什么？物理学家在对碰撞的研究中找到了它。在很短的时间内，它们的运动状态会发生显著变化，这一过程叫作碰撞（collision）。大到宇宙天体（图 1-1-3），小到微观粒子（图 1-1-4），都时常发生碰撞。这些碰撞现象的背后蕴藏着什么样的规律呢？图1-1-2常见的碰撞现象 图1-1-1天体的运动动量1（a）棒击球的一刹那（b）子弹击穿苹果（c）高铁挂接 图1-1-3小行星撞击地球留下 的巨坑 图1-1-4 粒子轰击氮原子核碰撞是自然界中常见的现象。从图 1-1-2 中可以看出：做相对运动的两个（或几个）物体相遇并发生相互作用，第一章 动量与动量守恒定律3 历史上对碰撞现象的研究17 世纪，物理学家对碰撞的研究取得了丰硕的成果，在此基础上提出了运动量守恒的基本思想。最早发表有关碰撞研究成果的是布拉格大学校长、物理学教授马尔西（M.Marci，15951667）。他在 1639 年发表的著作运动的比例中介绍了这样一个实验（图1-1-5）：一颗大理石球撞击一排大小相等且用相同材料做成的石球时，运动将传递到最后一个球，其余各球毫无影响。该实验其实已经蕴含了运动量守恒的思想。英国皇家学会曾为碰撞的研究征赏论文，荷兰物理学家惠更斯是三位获奖者之一，他用弹性摆球做过如图 1-1-6（a）所示的碰撞实验。实验发现，两个质量相同的弹性球A、B，以大小相等、方向相反的速度 相碰后，各自以同样大小的速度 反弹回去。如果球 A 以速度 去碰静止的球 B图 1-1-6（b），球 A 会静止下来，球 B 获得与球 A 碰前相同的速度。图1-1-5马尔西的碰撞实验（a）惠更斯碰撞实验一 （b）惠更斯碰撞实验二?图1-1-6惠更斯进一步指出：每个物体所具有的“运动量”在碰撞时可以增多或减4物理 选择性必修 第一册实验探究|探究碰撞前后运动量的变化 探究碰撞过程的守恒量1惠更斯用两个相同的弹性球所做的实验，其结论具有普遍意义吗？2请你设计实验进一步探究碰撞前后物体运动量变化遵循的规律。实验装置气垫导轨（图 1-1-7）、数字计时器（图 1-1-8）。导轨上附有滑块和光电门，滑块上装有挡光条和弹簧片（图 1-1-9）。图1-1-7气垫导轨少，但是它们的量值在同一个方向的总和却保持不变。在这里，惠更斯所说的“运动量”是指物体的质量 m和速度 的乘积。由于碰撞前后瞬间物体速度在同一直线上，我们选定A球初速度方向为正方向，用mA、mB表示A、B两球的质量，用A、B表示碰撞前瞬间A、B两球的速度，A、B表示碰撞后瞬间A、B两球的速度。在实验一中，碰撞前运动量mAA+mBB=m-m=0，碰撞后的运动量mAA+mBB=-m+m=0，即两个小球所具有的运动量在水平方向的总和保持不变。在实验二中，碰撞前运动量mA A+mB B=m +0=m，碰撞后的运动量mAA+mBB=0+m=m，两个小球所具有的运动量在水平方向的总和仍保持不变。讨论交流第一章 动量与动量守恒定律5探究过程1先用天平分别测出带弹簧片的滑块 1、滑块 2 的质量 m1、m2，然后用手推动滑块 1，使其获得初速度1，与静止的滑块 2 相碰（相碰时，两弹簧片要正对）。测定碰撞前后两滑块的速度大小，算出相关数据，填入表 1-1-1 中。2再换用不带弹簧片的两滑块按照上面的步骤进行实验，并读取实验数据，填入表 1-1-1 中。3将两滑块上的弹簧片换成橡皮泥，用天平分别测出滑块 1、滑块 2 的质量。使有橡皮泥的两端正对，让滑块 1 与滑块 2 相碰，测算出相关数据，并填入表 1-1-1 中。表1-1-1碰撞前后运动量的计算次数滑块质量碰前碰后运动量的改变量速度运动量运动量之和速度运动量运动量之和m1m212m11m22m11+m2212m11m22m11+m22(m11+m22)-(m11+m22)123注：表格中质量的单位用kg，速度的单位用m/s，“运动量”的单位用kgm/s。通过对实验结果的分析，你能得到什么结果？图1-1-8数字计时器 图1-1-9带有挡光条和弹簧片的滑块弹簧片挡光条大量实验表明，两个物体相互碰撞时，碰前运动量的总和（mA A+mB B）与碰后运动量的总和（mA A+mB B）总是相等的，即质量m与速度 乘积的矢量和在碰撞过程中保持不变，或者说守恒。由此可见，质量m与速度 的乘积（即运动的量）具有重要的意义，物理学中称为动量（momentum）。动量常用符号 p 表示，即法国生物学家莫诺说：“在具有无限差别的个个现象中，科学只能去寻找其中不变的东西。”6物理 选择性必修 第一册自我评价1查阅资料，简述动量概念的建立过程。2关于动量的概念，以下说法中正确的是（）A速度大的物体动量大 B质量大的物体动量大 C两个物体的速度相等，那么质量大的物体动量一定大 D两个物体的质量相等，速度大小也相等，则它们的动量一定相同3你在“探究碰撞前后运动量的变化”的实验中，遇到了哪些问题？是如何解决的？你对此实验有什么好的建议？4动量与动能有什么联系？又有什么区别？动量概念的建立最先提出动量概念的是法国科学家笛卡尔（R.Descartes，15961650）。他继承了伽利略的说法，把物体的大小（质量）与速率的乘积叫作动量，并认为它是量度运动的唯一正确的物理量。不过笛卡尔忽略了动量的方向性，尽管如此，他的工作还是给后人的继续探索打下了很好的基础。1668 年，惠更斯发表了一篇题为关于碰撞对物体运动的影响的论文，总结了他对碰撞问题在实验和理论上的研究成果。结论是：“每个物体所具有的动量在碰撞时可以增多或减少，但是它们的量值在同一个方向的总和却保持不变。”他在这里明确指出了动量的方向性和守恒性。后来，牛顿把笛卡尔的定义略做修改，不用质量和速率的乘积，而用质量和速度的乘积，这样就得到量度运动的一个合适的物理量。牛顿把这个量叫作运动量，现在叫作动量。科学先驱们就是在追寻不变量的努力中，逐渐建立起动量的概念。发展空间 p=m速度是矢量，动量也是矢量，动量的方向与速度的方向相同。在国际单位制中，动量的单位是千克米每秒，符号是 kg m/s。由于速度反映物体的运动状态，所以动量是状态量。课外阅览除了速度、动量外，我们还学习过哪些状态量?第一章 动量与动量守恒定律7活动 图1-2-1鸡蛋落地动量定理2 冲量 动量定理如图 1-2-1（a）所示，在水平桌面上放两个有机玻璃容器 A、B，容器 B 为硬底，容器 A 底部平铺一层厚海绵，B 的底部与 A 中海绵上表面处在同一水平高度。将两枚形状、大小接近的生鸡蛋分别从 A、B 正上方同一高度释放图 1-2-1（b）（c）。鸡蛋落下后会发生什么现象？（a）（b）（c）在我们的现实世界中，物体的动量会发生变化。它变化的原因是什么？具有一定动量的物体，在外力的作用下，动量会发生变化，其动量的变化除了跟所受合力有关系以外，还跟什么因素有关呢？理论探究我们用牛顿运动定律进行分析。设一个质量为m的物体，初速度为，初动A BA BA B两个鸡蛋在接触底面前的动量相等吗？与底面的碰撞过程中的动量变化相等吗？碰撞过程中经历的时间相等吗？两个鸡蛋碰撞过程中受到的力大小相等吗？8物理 选择性必修 第一册在上述推导中，我们假定力是恒定的。实际上，物体所受的力通常不是恒定的。例如用铁锤钉钉子、用球棒击打垒球，钉子和垒球受的力就不是恒力。动量定理适用于这类变力作用吗？上式说明，如果我们考察一个物体运动过程的始末，那么在这一过程中物体所受合力与作用时间的乘积等于物体动量的变化，这个结论叫作动量定理（theorem of momentum）。物理学中把力与力的作用时间的乘积叫作力的冲量（impulse）。冲量的单位是牛顿秒，符号是 N s。如果用 I 表示冲量，用 p 表示运动过程始末动量的改变量，那么动量定理也可以写为I=p动量定理的表达式是矢量式，运用它分析问题要遵循矢量运算法则。如果物体受的力不是恒力，物体做非匀变速运动，可以把整个过程分为很多足够短暂的过程，每个短暂过程中物体受的力就可以视为恒力，物体的运动可视为匀变速运动。把应用于每个短暂过程的动量定理关系式相加，就得到了应用于整个过程的动量定理，可见 I=p-p 依然成立。需要注意的是此时式中的 I=F1t1 +F2t2+=t，应该理解为变力的平均值。量为p=m，在合力F（恒力）的作用下，经过一段时间 t 后，速度变为，末动量为p=m （图1-2-2）。在这一过程中，物体的加速度，由牛顿第二定律可得或 Ft=m-m即 Ft=p-p 图1-2-2物体动量的变化讨论交流第一章 动量与动量守恒定律9 动量定理的应用（a）苹果防震网套（b）防护头盔（c）鸡蛋防震包装（d）轮胎防撞保护1运动员在跳远时（图 1-2-3），为什么要在跳跃的前方设置沙坑，而不是使其直接落到坚硬的地面上？如图 1-2-4 所示，类似的减小作用力的例子还有很多，它们的共同点是什么？图1-2-3运动员跳远，落 入沙坑2如图 1-2-5 所示，用铁锤钉钉子时，铁锤是如何在极短时间内产生较大的力将钉子钉进去的呢？你还能举出一些生活中类似的例子吗？这些例子的共性是什么？图1-2-5铁锤钉钉子从上面的例子我们得到这样的启示：在物体的动量变化一定的条件下，作用时间较短则相互作用力较大；作用时间较长则相互作用力较小。质量是60 kg的蹦极运动跳跃者，从高台上跳下，下落一段时间后，由于弹性安全绳的保护作用而减速，最后悬挂在空中。已知弹性安全绳从绷直到第一次拉伸至最长的缓冲时间为1.2 s，安全绳原长5 m，求跳跃者在下落过程中所受的平均弹力。（