普通高中教科书·物理必修 第二册.pdf

陈熙谋 吴祖仁蔡铁权周昌鲜尹强 李勇强 宋怀彬 张丹彤张生文 谭崇宇 薛义荣主 编本册主编本册编者（按姓氏笔画排序）第一章抛体运动1.认识曲线运动 22.运动的合成与分解 63.探究平抛运动的特点 1 04.研究平抛运动的规律 1 35.斜抛运动（选学）1 8反思小结交流2 2本章复习题2 3第四章机械能及其守恒定律1.功 7 42.功率 7 93.动能 动能定理 8 44.势能 9 05.机械能守恒定律 9 66.实验：验证机械能守恒定律 1 0 2反思小结交流 1 0 5本章复习题 1 0 6第二章匀速圆周运动1.圆周运动 2 62.匀速圆周运动的向心力和向心 加速度 3 13.圆周运动的实例分析 3 94.圆周运动与人类文明（选学）4 6反思小结交流5 1本章复习题5 2第三章万有引力定律1.天体运动 5 42.万有引力定律 5 73.预言未知星体 计算天体质量 6 24.人造卫星 宇宙速度 6 55.太空探索（选学）6 9反思小结交流7 1本章复习题7 2第五章经典力学的局限性与相对论初步1.经典力学的成就与局限性 1 0 82.相对论时空观简介 1 1 13.宇宙的起源和演化 1 1 7反思小结交流 1 2 0本章复习题 1 2 0附录 1 2 1后记 1 2 2喷泉射出的水柱在空中划出一道道美丽的弧线，令人赏心悦目。这种弧线具有什么特征？哪些运动的轨迹跟它具有相同的特征？这类运动遵循怎样的规律？这是一种常见的曲线运动抛体运动。本章我们将认识它的特点与规律。第 一 章第 一 章抛 体 运 动 认识曲线运动 运动的合成与分解 探究平抛运动的特点 研究平抛运动的规律 斜抛运动（选学）主题一 曲线运动主题二 抛体运动物理 必修 第二册2 随处可见的曲线运动本章首页图中，景观喷泉喷出的水柱在空中形成美丽的弧线。在公路上，有许多提示车辆转弯的交通标志（图1-1-1），它们引导车辆沿正确的方向行驶；在足球场上，你可能看到“香蕉球”在空中划出一道漂亮的弧线。物理学中，我们把物体运动轨迹是曲线的运动，叫作曲线运动（curvilinear motion）。曲线运动是一种十分常见的运动形式（图 1-1-2）。在物理 必修第一册中，我们学习了匀变速直线运动及其规律。但在现实生活中，我们接触的却是大量的曲线运动。曲线运动的速度方向 图1-1-1表示转弯的交通标志 图1-1-2形形色色的曲线运动物体做曲线运动时，怎样确定该物体在某一位置的速度方向呢？观察图 1-1-3，你能从中得到怎样的启示？（a）汽车在环形立交桥上的运动（b）里约奥运会开幕式上灯随杆的运动（c）飞行表演图1-1-3砂轮切割钢材时，火 花飞溅认识曲线运动1第一章 抛体运动3在物理 必修第一册的学习中，我们知道，瞬时速度是描述物体运动快慢的物理量。那么做曲线运动的物体的瞬时速度方向是怎样的？实验探究如图 1-1-4 所示，水平桌面上放一磁性画板，在画板上固定一塑料圆弧形挡板。让一个磁性小球以一定的初速度在圆弧形挡板的约束下运动。更换挡板，可以改变挡板的弯曲程度，重复几次实验。观察并思考：1.小球离开挡板后，运动轨迹是怎样的？2.根据运动轨迹，你能指出小球离开挡板时的速度方向吗？图1-1-4研究曲线运动的方向（a）实验装置（b）运动轨迹理论探究如图1-1-5所示，质点沿曲线运动，某段时间从A运动到B，过A、B两点作直线，这条直线叫作曲线的割线。从 A 到 B 就是质点位移的方向，也就是这段时间内的平均速度方向。设想研究的时间段逐渐缩短，则 B 点逐渐向 A 点靠近，这条割线的位置将不断变化。当时间段变得非常非常小的时候，B 点非常非常接近 A 点，这条割线就将与过 A 点的切线重合。因此，可以认为质点在 A 点的瞬时速度方向沿曲线在 A 点的切线方向。图1-1-5 所取的时间段逐渐变小，B点逐渐向A点靠近磁性画板的构造及原理画板的两层板之间夹着蜂窝状的孔，孔内装有铁粉，下底面装有一根磁条。当移动磁条时，铁粉被吸到孔的底部，上面板只显示白色；当磁性笔或磁性物体在上面板上滑动时，所经之处的铁粉被吸上，从而显示出运动轨迹。物理 必修 第二册4实验和理论分析表明，质点做曲线运动，经过某一位置时的速度方向就是曲线在这一点的切线方向（图 1-1-6）。因为曲线运动的速度方向时刻在变化，所以曲线运动是一种变速运动。在曲线运动中，当所取运动过程足够短时，质点在这一极短过程的运动就可视为直线运动。“化曲为直”是处理数学问题的一种重要方法，在处理某些物理问题时，通过“化曲为直”，转换思维，可使问题得以简化。实验表明，当运动物体所受合外力的方向跟它的速度方向不在同一直线上时，物体就做曲线运动。如果要改变速度方向，力的方向能否与速度方向相同？能否与速度方向相反？力的方向应当与速度方向成怎样的关系才能使速度方向发生变化？力的方向、速度方向与运动轨迹之间有怎样的 关系？图1-1-8曲线运动的实例 物体做曲线运动的条件实验探究曲线运动是一种变速运动。根据牛顿第一定律，要使物体的运动状态发生改变，必须对物体施加力的作用。如图 1-1-7 所示，钢珠在水平面上做直线运动，进行实验并观察：把磁铁置于什么区域，钢珠才会偏离原来的方向而做曲线运动？图1-1-7研究曲线运动的条件如图 1-1-8 所示，抛出去的篮球靠什么力来改变运动方向而做曲线运动？讨论交流图1-1-6曲线运动的速度方向第一章 抛体运动51学习驾驶汽车时需要进行多次转弯的训练，图1-1-9为一汽车训练时的运动轨迹，汽车在水平地面上先后经过A、B、C三点。试在图上标出汽车经过这三个位置时的速度方向。2一质点做曲线运动，下列说法正确的是（）A质点速度方向不可能始终不变 B质点速度大小不可能始终不变C质点速度方向一定与加速度方向相同 D质点速度方向一定沿曲线的切线方向3若已知物体运动初速度0的方向及它受到恒定合外力F的方向，图1-1-10中曲线a、b、c、d表示物体运动的轨迹，其中可能正确的是（）自我评价图1-1-9图1-1-10课外阅览“香蕉球”成因探秘你喜欢观看足球比赛吗？如图1-1-11所示，在球场上罚任意球时，运动员踢出的足球有时会在行进中绕过“人墙”转弯进入球门，图1-1-12是它的运动轨迹的俯视图，这就是所谓的“香蕉球”。那你知道“香蕉球”是怎样形成的吗？发展空间 图1-1-11 运动员踢出“香蕉球”图1-1-12从空中俯视，看到的“香蕉球”的轨迹物理 必修 第二册6原来，运动员踢出足球时，一方面使它向前运动，另一方面又使它绕轴旋转设旋转方向和前进方向如图 1-1-13（a）所示。若自上向下看，如图 1-1-13（b）所示，由于足球的自转，紧贴着足球表面的一薄层空气被球带动做同一旋向的转动。结果，造成足球 A、B 两侧附近空气相对于球的速度不相等，A 侧附近空气的流速大于 B 侧附近空气的流速。根据流体的速度与压强的关系可知，空气对足球 B 侧的压强大于对 A 侧的压强，从而使足球的 A、B 两侧形成一个压力差，其合力F 的方向由 B 指向 A。正是这个压力差，使足球偏离了原来的运动方向，在空中划出一条形如香蕉的轨迹。图1-1-13“香蕉球”的成因分析（a）（b）2运动的合成与分解 矢量的合成与分解通过物理 必修第一册模块的学习，大家已经知道力的合成与分解遵循平行四边形定则。描述物体运动的位移、速度和加速度也是矢量，其合成与分解的方法也遵循平行四边形定则。研究表明，平行四边形定则是矢量合成与分解遵循的普遍法则。这也是矢量与标量在运算方面的显著区别。力（运动）的合成与分解，既体现了矢量的运算法则，同时又反映了物理学研究问题的重要方法等效替代。合成与分解本身也是研究物理问题的基本方法。通过平行四边形定则将合矢量与分矢量的关系转化为平行四边形的对角线和邻边的关系，可以把矢量运算转化为几何运算。所以，在解决力（运动）的合成与分解的问题时，作图是非常关键的一步。等效替代等效替代是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来研究和处理的方法。等效替代既是科学家研究问题的方法，也是同学们在学习物理中常用的方法。第一章 抛体运动7 图1-2-1小车与履带同时运动 位移和速度的合成与分解观察思考如图 1-2-1 所示，小明将玩具电动车（以下简称“小车”）放在跑步机上做游戏。跑步机履带外侧的机身上有正对的 A、B 两点。他想让小车从 A 点出发，运动到对面的 B 点。跑步机启动后，释放小车时车头指向 B 点。但他发现，小车并未到达正对面的 B 点，而是到达了 D 点，行驶的路线也并不跟跑步机履带运动方向垂直。怎样来研究这种运动呢？若跑步机履带不动时，小车从 A 点启动，车头正对 B 点，经过一段时间，小车将到达 B 点，如图1-2-2 所示。若将小车静置于跑步机履带上，履带向右运动，小车将到达 A 点右方的 C 处，如图 1-2-3 所示。图1-2-2小车运动，履带静止 图1-2-3小车静止，履带运动实际上，图 1-2-1 中小车同时参与了以上两个运动。我们把这两个运动叫作分运动，实际的运动叫作合运动。那么合运动的位移与分运动的位移之间有什么样的关系呢？由上述实验可以得到：一个物体同时发生两个方向的位移（分位移），它的效果可以用合位移来替代；同样，这个物体运动的合位移也可以用两个分位移来替代。已知分位移求合位移叫作位移的合成；已知合位移求分位移叫作位移的分解，它们都遵循平行四边形定则。由于合运动与分运动对应的时间是相同的，而位移的合成与分解遵循平行四边形定则，那么，速度的合成2物理 必修 第二册8在图 1-2-1 中，为了使玩具电动车从 A 点出发到达正对的 B 点，小车的车头应该朝什么方向？讨论交流 图1-2-4位移和速度的合成与分解与分解也必然遵循平行四边形定则，如图1-2-4 所示。同样的，加速度的合成与分解也必然遵循平行四边形定则。位移、速度和加速度都是描述物体运动的物理量，运动的合成与分解包括这些物理量的合成与分解。已知分运动求合运动，叫作运动的合成；已知合运动求分运动，叫作运动的分解。运动合成与分解的应用研究比较复杂的运动时，常常可以把一个运动分解成两个或几个比较简单的运动，从而使问题变得容易解决。运动的合成与分解在生产、生活和科技中有广泛的应用。某条河宽度为x=700 m，河水均匀流动，流速为2=2 m/s。若小船在静水中的运动速度为1=4 m/s，则小船的船头指向哪个方向才能恰好到达河的正对岸？渡河时间为多少？如图1-2-5所示，为了使小船恰好到达河的正对岸，必须使船的合速度 的方向与河岸垂直。由图可知 =30即小船应朝偏上游30 的方向行驶。由图还可以得到合速度的大小为 渡河时间为分析分析问题问题解解例题示范 图1-2-5小船垂直河岸运动第一章 抛体运动9拓展拓展 在上述例题中，若小船在行驶的过程中始终保持船头的指向垂直于河岸（图1-2-6），则渡河时间是多少？小船到达对岸时向下游偏移的位移是多少？自我评价1.关于合运动与分运动的关系，下列说法中正确的是（）A合运动的速度一定大于分运动的速度 B合运动的速度可以小于分运动的速度 C合运动的位移就是两个分运动位移的代数和 D合运动的时间与分运动的时间不一样2.雨滴在下落一定时间后的运动是匀速的。设没有风时，雨滴着地的速度为 6 m/s。现在有风，雨滴随风水平向西的速度大小是 3 m/s。试求此时雨滴着地的速度。3.在长江三峡库区中，在江的同一侧有甲和乙两地，甲在上游，乙在下游，两地相距为x。三峡大坝建造前，甲、乙两地之间江水的流速为1。有一只快艇相对于静水行驶的速度为2，已知2大于1，则这只快艇在甲、乙两地之间往返一次需要多少时间？现由于建造了三峡大坝，甲、乙两地之间江水假定不再流动。则此时同一只快艇在甲、乙两地往返一次需要的时间有什么变化？4.某同学以 10 m/s 的初速度，与水平方向成 60 的倾角，将篮球斜向上投出，请作出初速度沿水平方向和竖直方向分解的示意图，并求出这两个分速度的大小。跑马射箭