普通高中教科书·物理必修 第二册.pdf

总主编束炳如何润伟上海科技教育出版社物 理必 修第 二 册普通高中教科书2BAAB图 2-1-4 研究平抛运动的实验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：欢迎你学习物理（必修 2）！你已经投身于一项激动人心的探索活动。让我们继续携手，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到实现，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 2）中，我们将学习曲线运动，探索机械能及其守恒定律，领会万有引力定律的重要意义，了解从牛顿力学到现代物理的变革，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2）的过程中获得更大的成功，请浏览下面的本书栏目介绍。实验探究研究平抛运动实验的部分装置如图 2-1-4 所示。实验时，用小锤击打弹性钢片，小球 B 沿水平方向飞出，做平抛运动；同时小球 A 被放开，做自由落体运动。用小锤击打弹性钢片后，你观察到了什么现象？请你分析一下：这个实验的结果能验证伽利略关于平抛运动的研究结论吗？请说出你的理由。我们还可以用频闪照相的方法进一步验证伽利略的研究结论。分析与论证研究平抛运动的频闪照片我们用频闪照相的方法记录小球在平抛运动中的运动情况。图 2-1-5 是以间隔 130 s 拍摄的频闪照片，其中小球 A 做自由落体运动，小球 B 做平抛运动。请你用刻度尺分别测量小球 A 和B 在不同时刻所处的水平位置 x 和竖直位置 y，记录在下表中，并讨论表后所列问题。图 2-1-5 平抛运动的频闪照片BAABAB图 2-1-4 研究平抛运动的实验t130s012345Ax/m球y/mBx/m球y/m/1.频闪照片上小球的轨迹跟伽利略用几何方法得到的轨迹是否一致？第5章 经典力学的局限性与相对论初步经典力学（classical mechanics），通常叫牛顿力学。牛顿把地面上物体的运动与行星的运动综合起来进行深入研究，总结了经典力学的基本规律。他的不朽名著自然哲学的数学原理，为经典力学奠定了基础。步入 19 世纪末叶，在经典力学基础上发展起来的经典物理学，似乎到了尽善尽美的程度。著名物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）踌躇满志地宣告：“科学大厦已经基本建成。”但他也有所担忧：“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。”开尔文担忧的“两朵乌云”是什么呢？当物理学研究扩展到微观、高速领域时，人们发现经典力学不再适用。20 世纪初，物理学家创立了相对论和量子论，驱散了“两朵乌云”，奠定了现代物理学的基础。本章你将在了解经典力学巨大成就及其局限性的基础上，初步了解相对论时空观，关注宇宙起源和演化，体会人类对自然界的探索永无止境。3第 章 抛体运动2课题研究研究水柱的射程请用图 2-2-6 所示的装置研究水桶内水的深度与水柱射程的关系，并用适当的方式描述这种关系。图 2-2-6 研究水柱的射程信息浏览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。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。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。分析与论证分析产生离心现象的原因设质量为 m 的物体，沿半径为 R 的圆周做匀速圆周运动，线速度为 v，运动中受到指向圆心的外力的合力为 F，如图3-4-3所示。物体做匀速圆周运动所需要的向心力是 F向心=mv2R。试根据向心力公式，思考讨论下列几种情况时物体的运动状况：多学一点圆周运动的速度做圆周运动的物体在圆周上某一点的瞬时速度 v 可以用以下方法求得。如图 3-1-7 所示，假如物体在圆周上从 A 点运动到 B 点，位移是 AB，所用的时间为 t。根据速度的定义，速度是位移AB 跟所用时间 t 的比值，即 v=ABt，这是 t 时间内的平均速度。所取的时间 t 越短，B 点越接近 A 点，物体在 AB 间的运动就越接近于匀速直线运动，所求的平均速度也越接近于 A点的瞬时速度。假如所取的时间为无限短，B点将无限逼近A点，此时求得的平均速度，就是 A 点的瞬时速度了。速度是矢量。做圆周运动的物体在圆周上某一点的瞬时速度的方向，是圆周上这点的切线方向。我们知道，向心力的大小跟运动物体的质量、速度和圆周运动的半径有关。本实验根据向心力公式，进一步探究向心力大小与物体的质量、角速度、圆周半径之间的关系。如图 3-2-5 所示，向心力实验仪主要由调速轮、长滑槽、短滑槽、横臂、弹簧测力套筒、标尺、转动手柄、传动皮带、小球、基座等组成。学生必做实验学生必做实验探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系图 3-2-5 向心力实验仪时间延缓效应的实验验证通过观察高速运动的微观粒子，时间的相对性反复地得到了证实。例如，有一种粒子叫 子，它的寿命只有 2.2 s，就是说，如果你观察一个相对于你静止的 子，你只能观察 2.2 s，之后它就发生了衰变。在高能物理实验室中，子可以加速到0.9966 c，由公式计算出它的平均寿命为 26.7 s，实验值也为约 26.4 s。因此，实验完全证实了时间延缓公式。1971 年,哈夫勒（J.Hafele）和基廷（R.Keating）用喷气式飞机携带铯原子钟进行环球飞行实验，证实了时钟延缓效应（图 5-3-6）。信息浏览4第1章 功和机械能 61.1动能变化跟做功的关系 71.2功与功率 121.3动能定理的应用171.4势能的变化与机械功 211.5机械能守恒定律 25第2章 抛体运动 302.1飞机投弹与平抛运动 312.2平抛运动的规律 352.3斜抛运动 40第3章 圆周运动 463.1怎样描述圆周运动 473.2匀速圆周运动的规律 513.3圆周运动的案例分析 563.4离心现象及其应用 59目 录5第 章 抛体运动2第4章 万有引力与航天 654.1从托勒密到开普勒664.2万有引力定律是怎样发现的 704.3飞出地球去 76第5章 经典力学的局限性与 相对论初步 835.1经典力学的巨大成就和局限性845.2狭义相对论的基本原理885.3相对论的时空观与宇宙演化 93总结与评价 课题研究成果报告会 100研究课题示例 100评价表 1016你坐过游乐园里的过山车吗？如果坐过,你的感觉如何？过山车时而在低处蜿蜒穿行，时而在高处倒悬着掠过弧顶。当它从高处直冲而下，速度最高可达 200 km/h，当它沿扭转的轨道疾驰，你瞬时感觉天旋地转，定会惊叫连连。太惊悚了！太刺激了！你能从物理学的角度思考过山车的原理吗？这里涉及做功、物体的动能、势能及其相互转化等物理学原理呢！本章将以汽车的运动为背景，深化对功和功率的认识，通过实验探究物体的动能变化跟做功的关系。接着以打桩机的工作为背景，研究重力做功与重力势能变化的关系，通过实验验证机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。第1章 功和机械能7第 章 功和机械能11.1 动能变化跟做功的关系如图 1-1-1 所示，汽车启动后，在牵引力的作用下行驶一段距离，速度发生了变化。根据初中所学的知识，牵引力对汽车做了功，汽车的动能就发生了变化。那么，汽车动能的变化跟牵引力做的功有什么关系呢？从汽车的动能变化谈起分析与论证研究汽车动能的变化过程如图 1-1-2 所示，假设有一辆质量为 m 的汽车，不受阻力作用，在不变的牵引力 F 作用下沿平直公路行驶，速度由 v1增大到 v2，相应的行驶距离为 s。那么，在此过程中，汽车的加速度多大？汽车运动的速度 v1、v2，跟牵引力 F、行驶距离 s 的关系是怎样的？根据牛顿第二定律有 F=ma由运动学公式有 从汽车的动能变化谈起分析论证研究汽车动能的变化过程如图5-1-2所示，假设有一辆质量为m的汽车，在不变的牵引力F作用下行驶，速度由v1增加到v2，相应的行驶距离为s。那么，在此过程中，汽车的加速度多大？汽车运动的速度v1、v2跟牵引力F、距离s的关系是怎样的？根据牛顿第二定律有F=ma由运动学公式有a=v22-v212s由此可得Fs=mv22-mv12（1）请想一想，上式表示什么物理意义？由此可得从汽车的动能变化谈起分析论证研究汽车动能的变化过程如图5-1-2所示，假设有一辆质量为m的汽车，在不变的牵引力F作用下行驶，速度由v1增加到v2，相应的行驶距离为s。那么，在此过程中，汽车的加速度多大？汽车运动的速度v1、v2跟牵引力F、距离s的关系是怎样的？根据牛顿第二定律有F=ma由运动学公式有a=v22-v212s由此可得Fs=12mv22-12mv21请想一想，（1）式表示什么物理意义？图 1-1-1 汽车在牵引力作用下运动图 1-1-2 汽车在不变的牵引力作用下运动，速度增大 动能 动能定理我们来分析（1）式的物理意义。1.等式左边的 Fs 是我们在初中就已熟悉的功。汽车在行驶距离 s 的过程中牵引力 F 所做的功 W=Fs。牵引力v1Fv2sF（1）汽车牵引力是工程技术上为了计算方便而引入的一个等效力。在汽车行驶过程中，发动机动力做功，可以等效地看成是牵引力对汽车所做的功。82.等式右边的两项跟汽车的质量和速度有关。物理学中把12mv2叫做物体的动能（kinetic energy），用符号 Ek表示，即Ek=12 mv2动能是标量，在国际单位制中，动能的单位是焦耳，简称焦，符号是 J。请思考：大货车与小汽车以相同的速率行驶时，谁具有的动能大？同一辆小汽车，或以 60 km/h 的速率行驶，或以110 km/h 的速率行驶，它以哪个速率行驶时所具有的动能大？3.从汽车的动能变化谈起分析论证研究汽车动能的变化过程如图5-1-2所示，假设有一辆质量为m的汽车，在不变的牵引力F作用下行驶，速度由v1增加到v2，相应的行驶距离为s。那么，在此过程中，汽车的加速度多大？汽车运动的速度v1、v2跟牵引力F、距离s的关系是怎样的？根据牛顿第二定律有F=ma由运动学公式有a=v22-v212s由此可得Fs=12mv22-12mv21 反映了汽车从初状态到末状态的动能变化，我们称它为汽车动能的增量，即 Ek=Ek2-Ek1。于是（1）式可写成：W=Ek需要指出，上式虽然是以汽车的运动为例推导出来的，但具有普遍意义。理论和实验都表明，外力对物体所做的功等于物体动能的增量。物理学中把这个结论叫做动能定理（theorem of kinetic energy）。动能定理是一条重要的物理规律，（2）式是它的数学表达式。在下一节我们将运用（2）式对功的概念和功能关系作进一步的讨论。实验探究恒力做功与物体动能变化的关系下面再用实验来研究动能定理。提出问题 前面已通过理论分析，得出了恒力做功与物体动能变化的关系，即 W 从汽车的动能变化谈起分析论证研究汽车动能的变化过程如图5-1-2所示，假设有一辆质量为m的汽车，在不变的牵引力F作用下行驶，速度由v1增加到v2，相应的行驶距离为s。那么，在此过程中，汽车的加速度多大？汽车运动的速度v1、v2跟牵引力F、距离s的关系是怎样的？根据牛顿第二定律有F=ma由运动学公式有a=v22-v212s由此可得Fs=12mv22-12mv21。那么，能否用实验对此进行验证呢？制订计划与设计实验为了探究恒力做功与物体动能变化的关系，你应该怎样来设计