普通高中教科书·物理必修 第一册.pdf

主编：廖伯琴核心编者：杨燕鸣梅家烨谢德胜冯庆李富强廖伯琴统稿：廖伯琴杨燕鸣定稿：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 1 章运动的描述 第 2 章匀变速直线运动 绪论撩开物理学的神秘面纱一、源自然之问 2二、探万物之秘 4三、采科学之益 6四、启智慧之迪 8导入走进运动的世界 12第 1 节空间和时间 13第 2 节质点和位移 19第 3 节速度24第 4 节加速度28导入探索运动规律 35第 1 节速度变化规律 36第 2 节位移变化规律 41第 3 节实验中的误差和有效数字 45第 4 节科学测量：做直线运动物体的瞬时速度 48第 5 节自由落体运动 552第 4 章力与平衡 第 5 章牛顿运动定律导入感悟平衡之美 89第 1 节科学探究：力的合成 90第 2 节力的分解95第 3 节共点力的平衡 99导入跨越时空的对话 109第 1 节牛顿第一运动定律 110第 2 节科学探究：加速度与力、质量的关系 113第 3 节牛顿第二运动定律 117第 4 节牛顿第三运动定律 126第 5 节超重与失重 129第 3 章相互作用 导入奇特的力现象 67第 1 节重力与重心 68第 2 节科学探究：弹力 72第 3 节摩擦力79撩开物理学的神秘面纱1绪 论撩开物理学的神秘面纱源自然之问探万物之秘采科学之益启智慧之迪hysicsP P绪 论2人们在不断探索中，对上述现象有了各种解释。物理学认为，在这些丰富多样的神奇背后隐藏着大自然的秘密万有引力定律。在这自然定律的制约下，天体运行有了周期，大海有了潮汐，人类有了不可逾越的跳高极限仰望夜空，群星闪烁，梦幻而神秘。仔细观察，发现它们有着和谐统一的运动规律：太阳、月亮和星星日复一日东升西落；彗星拖着长尾消失在茫茫星空，若干年后竟会如约再次进入我们的视野；时而出现的流星雨给深邃的天空增添了浪漫与传奇是什么力量使天体有着如此神奇的运动（图 1）？地球，我们的家园。从高山大漠到江河湖海，从植物、动物到人类自身，神奇无处不在：潮涨潮落，苹果坠地，石头下落；“飞”得再高，总是在空中“画出”弧线后落回地面（图2）是什么力量在“调控”这些运动？大自然充满了奥秘。天地之间，各种形态的物质展示着绝妙的多彩与协调。自古，人们便开始探索在如此绚烂和神奇的大自然背后，究竟隐藏着怎样的规律。一、源自然之问判天地之美，析万物之理。庄子图 1 为什么天体能周而复始地运动图 2为什么“飞”得再高也要落回地面撩开物理学的神秘面纱3图 4 为什么梳过头发的梳子能吸起纸屑图 3 为什么闪电会从天而降人类对以上“惊天动地”或“悄然无声”的神奇现象有诸多解释。物理学认为，在这些看似不相干的现象中隐含了大自然的又一个秘密静电。大自然是神秘的，也是可以探索的。人们从不同视角探索自然，由此便形成了不同的学科，如天文学、物理学、化学、生物学、地理学等。那么，什么是物理学呢？物理学是研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门学科。例如，一块石头、一个苹果下落，物理学研究的不是石头或苹果本身，而是这些物体下落的共同规律。人们在不断从物理学视角认识自然、解释自然的过程中，逐渐形成了基于物理学体系的物理自然观。生活中的神奇也无处不在：装物体的薄塑料袋会“自动”贴手；梳过头发的塑料梳子能“悄然”吸起轻物（图 4），靠近水流时，能改变其流动方向。似乎在我们周围有一种神秘力量，看不见、摸不着，时常魔幻般出现。人们不禁要问：这神秘力量是什么？它来自哪里？暴风雨来临，天空乌云密布，雷电交加。那撕裂长空的闪电似长龙、像凤爪（图 3），转瞬即逝；那震耳欲聋的雷声震撼山川、摄人心魄，大自然不时展示其神威！面对从天而降的狂风暴雨、电闪雷鸣，人们不禁会问：它们来自何处？为何这般惊天动地？hysicsP P绪 论4经典力学和实验物理学的先驱伽利略（G.Galilei，15641642）以系统的观察和实验，向亚里士多德（Aristotle，公元前 384前 322）的传统自然观提出了质疑。他率先用望远镜观察天体运动（图 5），用观察证据支持了哥白尼（N.Kopernik，14731543）的“日心说”。从此，用实验方法探究世界成为人们探究自然规律的一种重要手段。伟大的物理学家牛顿（I.Newton，16431727）以及同时代众多科学家，通过实验方法探索万物之秘。例如，牛顿通过三棱镜进行色散实验，发现白光是由各种不同颜色的光组成的（图 6）。在大量实验基础上，牛顿等物理学家建立了经典物理学体系，奠定了物理学“大厦”的基石。19 世纪与 20 世纪之交，当人们在庆贺物理学“大厦”基本落成时，晴朗天空飘浮着的“两朵乌云”引发了物理学的革命。后来创立的现代物理学，进一步揭示了在高速或微观层面的大自然奥秘。二、探万物之秘一切推理都源于观察与实验。伽利略面对神奇自然，自古人们就有想要了解它的无法遏制的渴望。大自然的奥秘是可以探索的。人们“仰观吐曜，俯察含章”，逐渐从思辨、观察走向实验，孜孜不倦地探索着万物之秘。图 5伽利略用自制的天文望远镜观察星空图 6牛顿利用三棱镜发现了白光的秘密撩开物理学的神秘面纱5图 7爱因斯坦与玻尔从通过肉眼直接观察，到利用仪器进一步实验，人们持续不断地探索着大自然的秘密。在大量实践探索的基础上，人们的物理自然观逐渐形成并不断发展，同时提炼出一系列科学研究方法及科学思维模式。无疑，人们已具有相当程度的探究大自然的能力。20 世纪杰出的物理学家爱因斯坦（A.Einstein，18791955）提出了相对论，从根本上冲击了经典力学体系，改变了人们所熟悉的时间与空间等概念。普朗克（M.Planck，18581947）、玻尔（N.Bohr，18851962）等量子论主要奠基人发现微观与宏观世界的物理规律有很大差异。爱因斯坦与玻尔关于量子论的争论与交流也极大地推动了量子论的发展（图 7）。图 8深入探索宇宙的激光干涉引力波天文台人类对大自然的探索从未停止。2016 年，科学家宣布，他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO，图 8）首次探测到引力波。这一发现为人类开启了探索宇宙的新旅程。而对微观世界的深入研究，使人类在揭开自然之谜的探索中又向前跨了一大步。hysicsP P绪 论6图 9“天舟一号”与“天宫二号”对接示意图18 19 世纪蒸汽机的发明，直接推动了第一次工业革命，作坊式的手工业被机器大工业代替（图 10），极大地改变了人们的生产生活方式，提高了效率，加快了社会发展进程。三、采科学之益我们在享受他人发明带来的巨大益处，也应乐于用自己的发明服务于他人。富兰克林物理学拓展了人们的思维，提升了人们的探究水平。物理学的技术应用，改变了人们的生产生活方式，推动了社会的发展。17 世纪牛顿力学体系的建立，使得人类不仅能解释周围的宏观世界，还能利用航天技术“上九天揽月”，探索宇宙。2011 年我国成功发射“天宫一号”，成为继俄罗斯和美国后第三个能独立发射空间站的国家。2017 年“天舟一号”与“天宫二号”的成功对接（图 9），正式宣告中国航天迈进了“空间站时代”。图 10蒸汽机的发明带来机器大工业撩开物理学的神秘面纱7物理学技术在给人类带来巨大益处的同时，也给人类生活与社会发展带来一些需要关注的问题。例如，当我们赞叹阿尔法狗（AlphaGo）战胜人类顶尖围棋选手的同时，也对电脑与人脑的未来有了更加理性的认识。当今，人们已特别关注如何更加有效、理性地应用物理学技术，采科学技术之益，节约能源，保护环境，珍爱我们的地球家园。电磁技术的应用，引发了第二次工业革命，使人类社会进入电气时代。如今，电的应用已深入人们生产生活的方方面面（图 11），无论上天入地，还是衣食住行，人们都已离不开电了。随着微电子等技术的发展，人类跨入信息时代，实现了足不出户也能工作和学习的梦想。以大规模集成电路为核心的信息技术应用越来越广，作为半导体集成电路关键的芯片，已走向纳米级，不断朝“更小、更快、更冷”的方向进步，这加速推动了人工智能（图 12）、物联网等相关技术的发展，引发了人类生产生活方式的巨大变化。图 11电磁技术的应用带来万家灯火图 12电脑在很多方面已超越人脑hysicsP P绪 论8图 14向热水吹气使其降温一生活中的物理问题四、启智慧之迪追求客观真理和知识是人的最高和永恒的目标。爱因斯坦查阅诺贝尔物理学奖获奖项目，浏览一篇篇学术论文，你可能会对物理学产生敬畏，认为物理学是一堆“天书”似的公式、符号和深奥的概念、定律，是只有物理学家才能弄懂的高深理论。其实，物理学是非常有趣的，物理学研究的很多问题就在我们身边。用物理学的知识解释自然现象、解决物理问题，不仅是物理学家，也是大家能做的事情。喝热水时，你会不自觉地向杯中滚烫的水吹气（图 14），或用其他物品隔离杯子以免烫手。照镜子时，你会擦去镜子表面的灰尘或水雾，以使自己在镜子里的像更清晰。仔细想想，人们为何有这样的习惯动作？当你能有意识地将物理学应用于日常生活并解决一些实际问题时，你已开始科学探索，进行科学思维，逐渐形成物理自然观，并会因此倍感兴奋与满足。火焰为什么能直立？彩虹为何如此绚丽（图 13）？水黾为什么能在水面爬行？这些问题看似简单，如果不断追问，你会发现自己对大自然有了新的认识，会感受到解开自然之谜是多么令人愉悦。看看周围的世界，你会发现物理问题就在身边。无论是穿衣、洗脸、刷牙、照镜子，还是吃饭、走路、睡觉等，你都会遇到许多物理问题。图 13空中的彩虹一一自然中的物理现象撩开物理学的神秘面纱9图 17放电现象必修第三册中与静电有关的内容图 16过山车必修第二册中与曲线运动有关的内容学习物理是激动人心的智力探险活动！初中阶段，你已初步领略了物理世界的美妙风景。今天，当你翻开这套物理教科书，如同撩开高中物理的面纱，你将进一步感受到来自大自然的神奇令你神往，来自生活中的神奇让你叫绝！在这藏有无数瑰宝的物理迷宫中，神奇无处不在。在“运动”世界中（图 15），你将发现空间与时间的奥秘，领悟速度与加速度的奇妙，聆听亚里士多德与伽利略的故事，揭晓苹果下落的秘密；在“相互作用”世界中，你将欣赏奇特的力现象，探索“伸臂桥”的平衡窍门，破解悬空走钢丝的秘诀；在“力与运动”世界中，物理学巨人牛顿将给你开启经典力学的核心宫殿之门，其中的瑰宝美不胜收！到了“功与能”的世界，你将打开大自然“守恒”的秘窟，领略动能与势能转换的神奇；在“曲线运动”的世界，你可发现获得各类体育竞技好成绩的诀窍，知晓过山车（图 16）、旋转飞椅惊险离奇背后的道理；学了万有引力定律，你会知道人类为何能将“嫦娥飞天”的神话变成现实，也许你还梦想着某天能亲自探索火星呢“高速世界”的神奇更是超乎你的想象，长度缩短、时间延缓、质量随速度变化而变化、光会拐弯在精彩无比的“电世界”，你可捕捉魔幻之“电”（图 17），解释电闪雷鸣的秘密，感受神秘的电“魔力”，了解“装电的容器”，揭开节日霓虹的奥秘，探索弥漫周围的电磁波，知晓节约能源、珍爱大自然的道理图 15鸽子飞翔必修第一册中与运动有关的内容hysicsP P绪 论10出的问题解决方法；“拓展一步”是在基本要求上的拓展，你可多学一点；“物理聊吧”为大家提供畅所欲言、相互辩论的论题与空间；“科学书屋”为你提供拓展视野的科技信息；当然，还有帮你复习巩固的“节练习”“章末练习”“单元自我检测”以及帮你反思评估的与节有关的“请提问”、与章有关的“我的学习总结”、与单元有关的“单元自我评价”等。相信你会珍惜学习物理的机会！它能让你形成物理自然观，从物理视角认识自然、理解自然；能让你具有科学思维品质，敏于推理、善于论证、勇于创新；能让你成为科技探索达人，技巧过人、能图 19“嫦娥”飞天相信你会喜欢这套逻辑严谨、妙趣横生的物理教科书。每章都有引人入胜的导入，有的浅显易懂，幽默风趣；有的高度概括，启发思维；有的来自生活，趣味