普通高中教科书·物理选择性必修 第一册.pdf

主编：廖伯琴核心编者：杜明荣陈松田序海杨学切青春黄国雄李富强廖伯琴统稿：廖伯琴杜明荣杨燕鸣定稿：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 2 章机械振动 第 3 章机械波第 1 章动量及其守恒定律导入从古代“鱼洗”说起 32第 1 节简谐运动33第 2 节振动的描述 37第 3 节单摆43第 4 节科学测量：用单摆测量重力加速度 46第 5 节生活中的振动 50导入身边的波58第 1 节波的形成和描述 59第 2 节波的反射和折射 69第 3 节波的干涉和衍射 73第 4 节多普勒效应及其应用 78导入从天体到微粒的碰撞 2第 1 节动量和动量定理 3第 2 节动量守恒定律及其应用 10第 3 节科学验证：动量守恒定律 18第 4 节弹性碰撞与非弹性碰撞 212第 5 章光的干涉、衍射和偏振导入神奇的光 111第 1 节光的干涉 112第 2 节科学测量：用双缝干涉测光的波长 119第 3 节光的衍射122第 4 节光的偏振127第 5 节激光与全息照相 131第 4 章光的折射和全反射导入美妙的彩虹 87第 1 节光的折射88第 2 节科学测量：玻璃的折射率 94第 3 节光的全反射 97第 4 节光导纤维及其应用 104 1第 1 章本章学业要求导入从天体到微粒的碰撞第 1 节动量和动量定理第 2 节动量守恒定律及其应用第 3 节科学验证：动量守恒定律第 4 节弹性碰撞与非弹性碰撞能理解冲量、动量、动量定理和动量守恒定律的内涵，知道动量守恒定律的普适性，了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点，能定量分析一维碰撞问题；能用动量定理和动量守恒定律等解释生产生活中的碰撞现象，提出一些参考建议。具有与动量及其守恒定律等相关的比较清晰的相互作用观念和能量观念。物理观念能在熟悉的问题情境中根据实际情况选择弹性碰撞或非弹性碰撞模型解决物理问题；会用系统和守恒的思想分析物理问题，能对综合性物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释；能用证据分析解释弹性碰撞与非弹性碰撞等问题；能从运动定律、动量守恒、能量守恒等不同角度思考物理问题。科学思维能完成“验证动量守恒定律”等物理实验。能分析物理现象，提出并准确表述在实验中可能出现的物理问题；能在他人帮助下制订实验方案，能说明实验设计的理由，会使用常规实验器材获取数据；能分析数据，验证动量守恒定律，分析实验误差；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现设计的实验表格、数据分析过程及实验结论，能交流实验过程和结果并能进行反思。科学探究通过对动量守恒定律的理论推导与实验探究，能认识科学探索中的理论与实验研究的重要性，科学定律具有一定的适用条件；有较强的学习物理的兴趣，能做到实事求是；有将所学知识应用于生活实际的愿望，有主动进行科学普及的意识。科学态度与责任动量及其守恒定律hysicsP P第 1 章 动 量 及 其 守 恒 定 律2自然界的碰撞随处可见。大至宇宙天体，小至微观粒子，都可发生碰撞。那么，碰撞有什么规律呢？本章我们将探讨相关问题。宇宙中运动的天体不时会发生碰撞。人们曾观察到彗星的碎片与木星发生猛烈碰撞。碰撞产生的爆炸，相当于上亿颗原子弹爆炸的威力，在木星上留下的“伤痕”尺度几乎达到地球直径大小。导入从天体到微粒的碰撞天体的碰撞微观粒子的碰撞相比之下，微观粒子间的碰撞多数情况下则显得悄无声息。通过对微观粒子碰撞的研究，人们发现了质子、中子和中微子等基本粒子，对微观世界的认识不断深入。第 1 节动量和动量定理31.动量在游乐场开碰碰车（图 1-2），当运动的车去碰静止的车，若运动的车的总质量越大、车速越大，那么静止的那辆车会被撞得越远。可见，碰撞产生的效果与碰撞物体的质量和速度都有关。碰撞现象在生活中司空见惯。通常，鸡蛋从高处落到坚硬的盘子里会破，但若落在较厚的软垫上还会破吗（图 1-1）？本节我们学习了动量、冲量和动量定理后，便能解释这类现象。第1节动量和动量定理图 1-1鸡蛋会破吗迷你实验室观察小球的碰撞如图 1-3 所示，将质量相等的两个钢球 A、B 并排悬挂起来。把球 A 分别拉到不同高度释放，去碰撞静止的球 B，观察球 B每次上升的最大高度。将球 A 换成质量不同的钢球，分别拉到同一高度释放，再观察球 B 每次上升的最大高度。AB图 1-3球 A 撞向球 B由实验可知，从不同高度释放同一钢球，高度越高，被碰球上升越高；从同样高度释放质量不同的钢球，质量越大，被碰球上升越高。由此可见，对同一被碰球，其上升的高度与碰撞球的质量和碰前速度都有关。图 1-2游乐场的碰碰车hysicsP P第 1 章 动 量 及 其 守 恒 定 律4如图 1-4 所示，一质量为 58 g 的网球以 30 m/s的速率水平向右飞行，被球拍击打后，又以 30 m/s的速率水平返回。被球拍击打前后，球的动量分别是多少？球的动量的变化量是多少？分析根据动量定义可求被击打前后网球的动量。由于球在被击打前后的动量在同一直线上，可利用同一直线上的矢量运算法则计算动量的变化量。解选定水平向右为正方向。由题意可知，m=58 g=0.058 kg，v1=30 m/s，v2=-30 m/s。击打前，球的动量p1=mv1=0.05830 kgm/s=1.74 kgm/s球被击打前的动量大小为 1.74 kgm/s，方向水平向右。击打后，球的动量p2=mv2=0.058（-30）kgm/s =-1.74 kgm/s球被击打后的动量大小为 1.74 kgm/s，方向水平向左。球被击打前后动量的变化量p=p2-p1=（-1.74-1.74）kgm/s=-3.48 kgm/s球被击打前后动量的变化量大小为 3.48 kgm/s，方向水平向左。策略提炼动量与动量的变 化 量 都 是 矢 量。如果动量的方向都在同一直线上，在选定一个正方向后，已知矢量的方向用正、负号表示，动量及动量的变化量的运算就变为代数运算。例 题人们在研究碰撞这类问题时，为了更好地说明问题，引入了一个与质量和速度都有关的物理量动量。物理学中，把物体质量与速度的乘积称为物体的动量（momentum），通常用字母 p 表示。p=mv动量的单位由质量的单位和速度的单位共同决定。在国际单位制中，动量的单位是千克米每秒，符号为 kgm/s。动量是矢量，它的方向与物体速度的方向相同。物体在运动过程中，当速度的大小或方向变化时，动量会发生变化。物体动量的变化量 p 等于物体的末动量 p2与初动量 p1的矢量差，即 p=p2-p1。动量的变化量也是矢量。图 1-4 击打网球第 1 节动量和动量定理52.动量定理由以上例题可知，网球运动员击球时，球拍的作用力使球的动量发生了变化。在生产生活中，物体动量发生变化的现象随处可见。物体动量的变化与哪些因素有关呢？对于一个质量不变的物体，速度的变化导致动量的变化，而物体速度的变化除了与物体受力情况有关外，还与力作用于物体的时间有关。例如，火车启动时，若牵引力小，则需要较长的时间才能达到正常的行驶速度；若牵引力大，则只需较短的时间便可达到正常的行驶速度。下面我们来推导，在恒力作用的情况下，物体动量的变化量与作用力和时间的定量关系。设一质量为 m 的物体，初速度为 v1，初动量 p1=mv1。在合外力 F 的作用下，经过一段时间 t，速度变为 v2，末动量 p2=mv2（图 1-5）。物体的加速度 a=v2-v1t代入牛顿第二定律得 F=ma=m v2-v1t变形得Ft=mv2-mv1 物体动量的变化量既与受到的合外力有关，又与该力的作用时间有关。合外力越大、作用时间越长，物体动量的变化量就越大。可见，Ft 这个量反映了力对时间的积累效应。物理学中，把力和力的作用时间的乘积称为这个力的冲量（impulse），通常用符号 I 表示。I=Ft冲量也是矢量，它的方向与力的方向相同。在国际单位制中，冲量的单位是牛秒，符号为 Ns。由此，Ft=mv2-mv1 还可表示为 I=mv2-mv1 讨论球被击打前后，虽然动量的大小没有变化，但动量的方向发生了改变，因此动量发生了变化。求得动量的变化量为负值，表示其方向与选定的正方向相反。对同一条直线上的矢量运算，正方向的选定是任意的。例题中，若选定水平向左为正方向，结果又如何？请计算并与例题的结果进行比较。迁 移图 1-5 物体动量发生变化示意图Fv1v2hysicsP P第 1 章 动 量 及 其 守 恒 定 律6一个质量为 60 kg 的男孩从高处跳下，以 5 m/s 的速度竖直落地。取重力加速度 g=10 m/s2。（1）若男孩落地时屈膝（图 1-6），用了 1 s 停下来，则落地时地面对他的平均作用力是多大？（2）若男孩落地时没有屈膝，只用了 0.1 s 就停下来，则落地时地面对他的平均作用力又是多大？分析男孩刚触地时动量方向竖直向下，一段时间内减小到 0，这一过程中地面对脚的作用力是变力。根据动量定理可求出落地时地面对他的平均作用力。解男孩落地时的受力分析如图 1-7 所示，选定竖直向上为正方向。设地面对他的平均作用力为 F，由题意可知，m=60 kg，v1=-5 m/s，v2=0。（1）男孩从触地到速度减为 0，经历的时间 t1=1 s。由动量定理得（F1-mg）t1=mv2-mv1F1=-mv1t1+mg =（6051+6010）N=9.0102 N方向竖直向上。（2）男孩从触地到速度减为 0，经历的时间 t2=0.1 s。同理可得，地面对他的平均作用力例 题图 1-7 落地时的受力分析图 1-6 落地时屈膝GFv1策略提炼在碰撞这类问题中，相互作用力会发生变化，可根据动量定理计算变力的平均值。运用动量定理分析问题时，要注意明确研究对象和过程，正确分析受力和运动的初、末状态；注意动量定理是矢量式，需根据矢量运算法则建立方程。由上式可知，物体在一过程中所受合外力的冲量等于该物体在此过程中动量的变化量。这称为动量定理（theorem of momentum）。由动量定理可得F=mv2-mv1t该式表明，作用在物体上的合外力等于物体动量的变化率，这实际上是牛顿第二定律的另一种表述。可进一步证明，在变力作用下，动量定理仍然成立。第 1 节动量和动量定理7在碰撞这类问题中，由于相互作用时间极短，相互作用力会很大，通常可忽略其他较小的力而使问题简化。例如，在前面击打网球的例题中，若球与球拍的接触时间为 0.01 s，球受到球拍击打的平均作用力是多大？3.碰撞与缓冲的实例分析由动量定理可见，物体间的相互作用力与物体动量的变化和作用时间有关。既可通过增大物体动量变化量、缩短相互作用时间来增大相互作用力，也可通过减小物体动量变化量、延长相互作用时间来减小相互作用力。例如，冲床冲压工件时，由于冲头动量变化大且冲头与工件的碰撞时间短，在冲头与工件间会产生很大的作用力。冲压工件就是利用了迁 移科学书屋关于“运动的量度”的争论关于“运动的量度”，历史上有两种不同的观点。1644 年，笛卡儿提出“运动不灭原理”：物质的运动有一个固定的量，这个量从来不增加也不减少，并把物体的质量和速度的乘积（mv）作为物体的“运动量”的量度。而莱布尼茨（G.Leibniz，16461716）认为，活力（mv2）才是物体的“运动量”的量度。这场著名的争论延续了半个世纪之久。1743 年，法国力学家达朗贝尔（J.le R.D Alembert，17171783）对这场争论给出了“判决”：两种量度是同样有效的。达朗贝尔的“判决”模糊谈到了：动量的变化和力的作用时间有关，活力的变化和力的作用距离有关。直到一百多年后，人们建立了能量转化与守恒定律，才进一步认识到这两种量度的区别。对某一问题的认识有时会存在不同的观点，科学争论往往可帮助人们从多维的思想方法中得到启迪，从而更深刻、更全面地理解和认识问题。F2=-mv1t2+mg=（6050.1+6010）