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1、全国优秀教材一等奖物理物理普通高中教科书绿 色 印 刷 产 品 绿 色 印 刷 产 品 必 修第一册第一册必 修普 通 高 中 教 科 书WULIPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU高中 物理必修1(16 V6)20190718.indd 1高中 物理必修1(16 V6)20190718.indd 12022/5/7 15:172022/5/7 15:17普通高中教科书物理第一册必 修北京人民教育出版社 课程教材研究所物 理 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著02高中物理必修第一册总 主 编：彭前程 黄恕伯本册主编：彭前程 秦建云编写人员：（以姓氏笔画为序）秦建云 黄恕伯
2、 彭前程责任编辑：孙 新 彭 征美术编辑：王 艾普通高中教科书 物理 必修 第一册人民教育出版社 课程教材研究所物 理 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著出版（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）网址 http:/版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与联系调换。电话：-走进物理课堂之前1序言 物理学：研究物质及其运动规律的科学第一章 运动的描述1.质点 参考系2.时间 位移3.位置变化快慢的描述速度4.速度变化快慢的描述加速度第二章 匀变速直线运动
3、的研究1.实验：探究小车速度随时间变化的规律2.匀变速直线运动的速度与时间的关系3.匀变速直线运动的位移与时间的关系4.自由落体运动第三章 相互作用力1.重力与弹力2.摩擦力3.牛顿第三定律4.力的合成和分解5.共点力的平衡第四章 运动和力的关系1.牛顿第一定律2.实验：探究加速度与力、质量的关系3.牛顿第二定律4.力学单位制5.牛顿运动定律的应用6.超重和失重课题研究学生实验索引21011152127353639424756576368727682838894991041091161211251目 录致同学们2高中物理必修第一册走进物理课堂之前3致同学们同学们好！从这学期开始，本套书将陪伴大
4、家一起学习高中物理。中学物理是科学课程中非常重要的一门课，它对我们了解客观世界、学习探索世界的方法、培养科学的思维、形成科学的态度与责任等都有非常重要的作用。在今后的学习中，同学们既要注意概念、规律的确切含义，同时也要注意体会、思考在建立概念和探索规律时，所涉及的一些科学思维和方法，培养自己理性思考、敢于质疑、不断创新的科学素养。为了使大家能更好地学习、探索浩瀚的物理世界，本书设计了以下栏目。问题 每节开始创设的一个情境问题，以引发同学们对所要学习的内容主动思考，培养大家的问题意识及提出问题的能力。实验 同学们自己动脑、动手操作的实践活动。演示 主要是老师展示、供大家观察的实践活动。思考与讨论
5、 用于引发思考、展开交流等而设计的问题。做一做 小型的动手操作类活动，目的是引发思考、体验和感悟。科学方法 物理学中常用和重要的科学思想、方法。应注意的是，更多的科学思想及方法在相应的正文和旁批中体现。拓展学习 体现弹性，属于选学、选做的内容。主要内容是知识的拓展、延伸，或者是用传感器、计算机等设备自动记录和处理数据的实验，供有条件的学校选用。STSE 主要介绍和探讨科学技术社会环境间相互关联的一些问题，属于选学内容。科学漫步 介绍物理学的重要史实或前沿进展，为开阔视野的内容，以引发同学们自己主动学习，属于选学内容。练习与应用 针对每节内容所设计的练习题，用于巩固所学的概念、规律和方法。复习与
6、提高 针对全章内容所设计的练习题，分A、B两组，用于巩固及提高。A组相对容易一些，属于共同要求；B组相对难一些，属于选学内容。14高中物理必修第一册序言 物理学：研究物质及其运动规律的科学人类自古以来就对自然界充满好奇。日出日落、辰宿列张、春华秋实、寒来暑往，大自然的各种神奇现象让人们惊叹不已，强烈渴望弄清其背后的规律和联系。这种好奇心和人类提高生产力水平的需求，构成了自然科学发展最主要的两个动力。在它们的驱使下，人类对自然规律进行着不懈的探索。物理学是这些探索过程中结出的最重要的果实之一。图0-1 浑仪在初中，大家已经学习了一些有趣的物理知识和思考物理问题的方法。进入高中，我们将认识更丰富多
7、彩的物理现象，学到更为深刻的物理知识。在学习过程中，大家还要进一步领悟科学研究的方法，受到科学精神的陶冶。这里，让我们先概览一下物理这门学科。洞天察地，万物之理物理学概述早在2 000多年前的古希腊时期，亚里士多德、阿基米德等一批科学家就开始了对物理现象和规律的探索，并发现了杠杆原理、浮力定律等规律。这是物理学的萌芽时期。16 17世纪，伽利略和牛顿等人在前人工作的基础上创立了系统性的力学理论，建立了实验观测和理论分析计算相结合的现代研究方式。1687年，牛顿出版了他的名著自然哲学的数学原理。这标志着现代意义的物理学正式诞生。经过四个世纪的发展，物理学已经成为一门分支众多、深刻影响当代科学技术
8、发展乃至人类社会文明进步的基础学科。_ 中国是天文学发展最早的国家之一。中国古代天象观测记录，是世界公认最悠久、最系统的。中国不仅留下了世界最早的日食、月食、太阳黑子以及哈雷彗星的记录，而且编出了世界上最早的星表。浑仪（图0-1）是望远镜发明前世界上最先进的天文观测工具。中国儒家典籍，六经之一。书中有些观点蕴含较深的寓意和辩证的思想。序言3天行健，君子以自强不息。周易 图0-2 物质世界的空间尺度4高中物理必修第一册远到宇宙深处，近至咫尺之间，面对广袤苍穹之浩瀚、基本粒子之精微（图0-2），物理学定量地研究物质的存在形式、基本性质以及运动和转化规律。物理学不仅要探索物质的深层次结构，还要在不同
9、层次上认识物质的组成部分及其相互作用。因此，说物理学是关于“万物之理”的学问并不为过。物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、遵循逻辑推理的理论科学。由于物质世界纷繁复杂，有限的实验和观察难以完全揭示其背后的本质规律和内在联系。因此，在依赖先进的科学装置的同时，物理学的发展也必须借助于强有力的数学工具和大型计算技术，以及深刻的洞察力和丰富的想象力。今天，物理学中的基本概念和理论、实验方法和手段，已经越来越广泛地应用于其他学科，极大地丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了生产力的发展和人类文明的进步。观察现象，揭示本质物理学研究的特点物理学通过定量的实验和严谨的逻辑分析，
10、不断地揭示出自然界的客观规律和各种现序言5象的内在联系。其中有的和直觉吻合，也有很多与直觉不尽相同，需要通过严密的实验和思考，才能透过表象看到本质。这些成果极大地丰富了人类对物质世界的认识，也展现了人类理性思维的巨大威力。这可以从物理学发展中的几个典型例子看出。古人曾凭直觉认为，地球是宇宙的中心。16 17世纪，哥白尼、第谷和开普勒等人通过详尽的观测和分析，逐渐认识到地球和其他行星都在绕着太阳运动，并找到了这些运动的规律。最终，依据这些观测和分析，牛顿发现了万有引力定律，揭示了这些运动规律的根源。伽利略和牛顿还认识到物体即便在不受力的情况下也会一直运动下去，这也与通常的直觉相反。这种对内在规律
11、深刻的认识，靠的是精确的实验和严密的逻辑分析，二者缺一不可。19世纪初，人们已经知道电流能产生磁场，于是很自然地问：电能生磁，那么磁应该也能生电吧？英国科学家法拉第对此进行了大量实验。一开始，他从直觉出发，认为既然稳定的电流能产生磁场，那么稳定的磁场也应该能产生电场，但是实验都失败了。后来他偶然发现，变化的磁场才能产生电场，这就是著名的电磁感应定律。总的来说，磁能生电的规律是符合直觉的，但其产生方式却和最初的直觉很不相同。可见，客观规律是否与直觉一致，是不能一概而论的，需要针对具体情况通过认真的研究才能搞清楚。一代代物理学家在探究客观世界的过程中发展了很多行之有效的研究方法。在物理学习中，我们
12、不但要掌握具体的知识，而且要学习和体会这些科学方法，并努力运用它们解决各种实际问题。学以致知，客观理性物理学背后的科学精神物理学的发展和成就与它所蕴含的科学精神密不可分。首先是学以致知的探索精神。前面说过，人类对自然界的好奇心是科学发展最重要的动力之一。人们在它的驱使下研究很多问题，其中，有的能直接转化成技术，服务于实际应用，但是也有很多是当时看不到直接用途的，比如伽利略研究的力和运动的问题、牛顿发现的万有引力定律，当时都属于无用之学。正是这些看似没有用的、以求知为目的的探索，使人们获得了对自然规律完整深入的认识。其次是实事求是的客观精神。物理学的目的是求真，客观事实是判断对错的标准，对就是对
13、，错就是错。猜想和论断必须能经受得住实验的检验和逻辑的推敲。19世纪末20世纪初，当人们发现权威的牛顿学说不适用于微观和高速情况时，便认真地对其进行修正；1936年，大名鼎鼎的爱因斯坦向杂志投出一篇论文，审稿人和编辑发现论文有错，便毫不犹豫地指出并拒稿。这些都是物理学史上实事求是、务实求真的佳话。还有就是理性分析的精神。物理学强调数学计算和逻辑分析，环环相扣，有原因才有结果。不合乎逻辑的地方必然意味着有问题，必须搞清楚。物理学的殿堂中，没有诡辩者的位置。需要指出的是，科学精神不仅对科学研究很重要，而且在社会生产、日常生活的各方面都是有价值的。现代社会分工精细、节奏紧凑，很多时候“失之毫厘，差之
14、千里”。这就要求我们在工作和生活中要做到实事求是、严谨认真并且讲求逻辑，敬畏和尊重客观规律，从而提高效率、减少失误。另外，秉承实事求是和讲求逻辑的精神，还会使我们在碰到问题的时候，面对现实、认真分析，根据实际作出判断与选择，不盲从、不走极端。6高中物理必修第一册F 0 J 序言7 揭示自然，造福人类物理学的应用物理学的发展，推动了工业、农业和信息技术等方面的进步，引发了一次次的产业革命，改变了人类的生产和生活方式。技术的进步又为物理学的研究提供了更为强大的手段，并引发人们对物理问题进行更深入的思考，从而反过来促进物理学的发展。创立于17世纪的牛顿力学，被广泛地应用于工程技术，大大推动了社会发展
15、。18 19世纪，工程上对蒸汽机等热机的改进需求，又迫使人们对热的问题进行深入研究，引发了热力学的巨大进步（图0-3）。1920世纪初，电磁学的发展，直接导致发电机和无线电通信的诞生，使电能被广泛利用。电走进了千家万户，世界被电灯点亮，电话和电报把各地的人们连接起来，人类从此进入了电气时代。进入20世纪以后，物理学的研究范围更加广阔。人们掌握了微观世界的规律，这更为有力地推动了技术的进步和社会的变革。对原子核的认识，使人们掌握了核能，建造了核电站并发展了治疗肿瘤的放疗等技术；对固体中电子运动的研究，引发了半导体工业的诞生，导致了晶体管、集成电路和大容量电子存储技术的发明，从而使人们可以制造半导
16、体芯片（图0-4）；对原子、分子物理和光学的深入研究，引发了原子钟、激光和光纤通信等技术的诞生。原子钟是卫星定位系统的核心，激光被广泛用于工业、通信、医疗和国防，而遍布全球的光纤网是互联网的物理载体，它把全世界连在一起。毫不夸张地说，20世纪是物理学的世纪，人们每时每刻都在享受物理学发展带来的果实。今天世界的整个面貌，都和物理学的巨大进步密不可分。20世纪技术的迅猛发展也大大推动了物理学研究。利用现代工业手段，人们制造了射电望远镜和粒子加速器（图0-5）等设备，从而把研究的目光投向更深邃的宇宙和图0-4 半导体芯片图0-3 第一辆蒸汽机车（模型）图0-5 粒子加速器8高中物理必修第一册更微小的
17、粒子；利用大型计算机，人们可以完成更为复杂和准确的计算并处理海量的实验数据；在现代交通工具和信息技术的帮助下，学术交流变得更加便捷、高效。前景广阔，充满挑战物理学的未来19世纪下半叶，以力学、热学和电磁学为主要内容的经典物理学，几乎能解释当时已知的所有物理现象。因此，当20世纪第一个春天来临之际，英国物理学家开尔文在“新春献词”的演说中踌躇满志地宣告：“科学大厦已经基本建成后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就行了。”但话音刚落，他的预言就被一个接一个的重大发现所打破。从下表中可以看出，在20世纪，物理学捷报频传，重大发现此伏彼起，从来没有停止过。那么，21世纪还会有重要的发现吗？著名法国物理
18、学家、诺贝尔奖得主德布罗意在物理学的未来一文中说：“我们的知识越是发展，自然就越是以其多种表现证明它拥有无尽的财富，甚至在很先进的科学领域，如物理学，我们也没有理由认为我们已经耗尽了自然财富，或者认为我们已经接近完整地掌握了自然界的全部财富。”事实正是这样的，当前，还有许多困扰物理学的难题。例如，目前的物质结构理论认为“夸克”构成了质子、中表 20 世纪以来物理学重大发现和与物理学相关的重大技术进步爱因斯坦居里夫人普朗克1900190919101919193019391940194920世纪前晶体的 X 射线衍射理论及实验，超导现象，广义相对论量子力学，固体能带理论黑体辐射理论，狭义相对论，光
19、电效应中子、正电子和宇宙线，产生人工放射性元素，电子显微镜，核磁共振理论半导体晶体管，核反应堆，宇宙大爆炸理论19201929序言9子等强子，但是，夸克为什么不能单独存在？如何将描述微观世界运动的量子力学和描述引力的广义相对论结合起来，以解释宇宙的起源和演化？能否像用麦克斯韦理论统一描述电和磁一样，用某一理论统一描述自然界的四种基本相互作用（弱力、强力、电磁力和引力）？这些问题都有待人们去探索。此外，技术发展的需求，也提出了许多有价值的问题。如何制造可以方便使用的超导材料？如何开发更为清洁的能源？如何进一步提升计算机的性能？这些问题都与物理学直接相关。物理学如同一座大厦，已经被建设得很壮观了，
20、但尚未完工，也许永远也不会完工，更壮观的还在后面，还在等待着我们去建设和探索。“江山代有才人出，各领风骚数百年。”综观世界科技史，许多重要的科学发现都产生于科学家风华正茂的青年时期，在这个阶段他们思维敏捷、敢于创新。年轻的同学们，你们当中一定会有人沿着前辈的足迹，为物理学的发展作出自己的贡献。千里之行，始于足下，学好高中物理，你就在通向成功的道路上迈出了坚实的一步。当然，多数同学今后未必进行基础科学的研究，但是，不论从事什么职业，高中物理积累的科学知识，学到的科学方法和实事求是、讲求逻辑的理性科学精神，都将会使你终身受益。杨振宁丁肇中李政道195019591960196919701979198
21、019891990199921世纪至今激光，弱电统一理论，远距离光纤通信原理，宇宙微波背景辐射蓝 光 LED，巨 磁 阻现象，扫描隧道显微镜，高温超导材料希格斯玻色子观测，引力波观测弱相互作用下宇称不守恒，超导BCS理论，非阿贝尔规范场理论发现J/介子和子，粒子物理标准模型中性原子的玻色爱因斯坦凝聚，纳米材料与纳米结构，全球卫星导航系统10高中物理必修第一册第一章运动的描述1在我们周围，到处可以看到物体在运动：汽车在公路上行驶，巨轮在海上航行，飞机在天空中飞行，树叶在摇动，鸟儿在飞翔就连我们脚下的地球，也在不停地自转、公转。物体的空间位置随时间的变化，是自然界中最简单、最基本的运动形态，叫作机
22、械运动（mechanical motion）。在物理学中，研究物体做机械运动规律的分支叫作力学（mechanics）。人们在力学的研究中，不仅认识了物体做机械运动的规律，而且还创立了科学研究的基本方法。这一章，我们学习机械运动的描述。第一章 运动的描述11_ 亚里士多德（Aristotle，前384 前322），古希腊杰出的哲学家、科学家，形式逻辑学的创始人。在物理学方面，亚里士多德认为自然中一切对象都在不断地运动和变化。他首先给出了时间的定义，并认为既然运动是永恒的，那么时间也同样是永恒的。质点 参考系1不了解运动，就不了解自然。亚里士多德生活中随处可见运动的物体，例如玩耍的孩童、行驶的汽车
23、、翱翔的雄鹰对于这些运动的物体，我们如何准确地描述它们的运动呢？问题 物体和质点雄鹰拍打着翅膀在空中翱翔时，身体在向前运动，但它的翅膀在向前运动的同时还在上下运动；足球在绿茵场上滚动时，它在向前运动的同时还在转动可见，要准确地描述物体的运动，并不是一件容易的事。困难和麻烦出在哪里？稍加分析就可以知道，这是因为任何物体都有一定的大小和形状，物体各部分的运动情况一般说来并不一样。不过，我们有时关注物体各部分的运动，有时关注物体整体的运动。所以，如何描述物体的运动要看我们关注的问题是什么。例如，要研究雄鹰是如何飞行的，它的翅膀的运动方式很重要；但是，如果我们只关注雄鹰从哪里移动到了哪里，就不必太在意
24、它的形状，把它看成一个点来描述它的运动就容易了。下面我们来分析一些具体的实例，看看什么样的问题 我们生活的客观世界是物质的，物质由分子、原子等组成，我们所看到的物体是物质的聚集状态。研究机械运动，需要描述物体位置随时间变化的规律。？12高中物理必修第一册_ 在高中物理课中，我们主要研究那些能够简化为质点的物体的运动，所以常常不区分“物体”和“质点”两个词。可以把物体看成一个点，什么样的问题不能把物体看成一个点。人类居住的地球在绕太阳公转，同时又在自转。因此，地球各部分离太阳的距离不断变化。但是，如果考虑到地球的直径（约1.3104 km）还不到地日距离（约1.5108 km）的万分之一，在研究
25、地球公转引起的位置变化问题时，由地球的大小引起的运动差异很小，因此，可以忽略地球的大小和形状而把它视为点。有些物体上各点的运动差异虽然不小，但如果我们不研究各点的运动差异，而只关注物体整体的运动时，同样可以把物体看作一个点。例如，列车在平直轨道上行驶（图1.1-1），尽管它的传动机构及车轮的运动很复杂，但是，当我们只关心列车整体的运动情况时，就可以不考虑上述各部分的运动差异，而用一个点的运动代替整列列车的运动。图1.1-1 什么情况下列车可以视为一个点？在物理学中，突出问题的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，并将其作为研究对象，是经常采用的一种科学研究方法。质点这一理想化模型就是这
26、种方法的具体应用。看来，在某些情况下，确实可以忽略物体的大小和形状，把它简化为一个具有质量的点，这样的点叫作质点（mass point）。还有一种情况，虽然不能忽略物体的大小和形状，但是，物体上各点的运动情况完全相同。从描述运动的角度看，物体上任意一点的运动完全能反映整个物体的运动，于是，整个物体的运动也可以简化为一个点的运动，把物体的质量赋予这个点，它也就成了一个质点。第一章 运动的描述13图1.1-2“香蕉球”示意图运动员踢足球的不同部位，会使球产生不同的运动。足球运动中常说的“香蕉球”是球在空中旋转、整体运动径迹为类似香蕉形弧线的一种运动（图1.1-2）。在研究如何才能踢出“香蕉球”时，
27、能把足球看作质点吗？研究什么样的问题可以把足球看作质点？思考与讨论从前面的讨论可以看出，一个物体能否看成质点是由所要研究的问题决定的。同一个物体，由于所要研究的问题不同，有时可以看成质点，有时不能看成质点。参考系要描述物体的运动，通常要先判断它是运动的还是静止的；如果物体是运动的，再根据需要来说明它是怎样运动的。我们说房屋、树木是静止的，这大概是不会错的。但是，房屋、树木在随着地球一起运动，这也是事实。再比如，行驶的列车中的乘务员与旅客在交流，列车外的人认为他们随列车一起运动，但他们彼此看对方却是静止的。为什么人们的看法会不一样呢？自然界的一切物体都处于永恒的运动中，绝对静止的物体是不存在的。
28、就此意义而言，我们说运动是绝对的。但是，描述某个物体的位置随时间的变化，却又总是相对于其他物体而言的。这便是运动的相对性。14高中物理必修第一册图1.1-31.两个运动的物体：一个是被球拍击出的乒乓球，另一个是正在飞行的歼-20隐形战斗机。请你为乒乓球和战斗机各创设两个问题，一个问题中可以把它（乒乓球或战斗机）看成质点；另一个问题中不能把它看成质点。2.平常说的“一江春水向东流”“地球的公转”“钟表的时针在转动”“太阳东升西落”等，分别是说什么物体相对什么参考系在运动？3.将近1 000 年前，宋代诗人陈与义乘着小船在风和日丽的春日出游时曾经作了一首诗：飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。卧看满天
29、云不动，不知云与我俱东（图1.1-3）。诗人艺术性地表达了他对运动相对性的理解。诗中描述了什么物体的运动？它们分别是以什么物体为参考系的？你对诗人关于“榆堤”“云”“我”的运动与静止的说法有没有不同的认识？练习与应用可见，要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他物体作为参考，观察物体的位置相对于这个“其他物体”是否随时间变化，以及怎样变化。这种用来作为参考的物体叫作参考系（reference frame）。在描述一个物体的运动时，参考系可以任意选择。但是，选择不同的参考系来观察同一物体的运动，其结果会有所不同。参考系选取得当，会使问题的研究变得简洁、方便。当然，凡是提到运动，都应该弄清楚是相对
30、于哪个参考系而言的。通常情况下，在讨论地面上物体的运动时，都以地面为参考系。第一章 运动的描述15时间 位移2要讨论物体位置随时间的变化，就要涉及位置、时间等概念。如果要准确地描述一辆行驶在北京长安街上的汽车所处的位置，你认为应该采用什么方法？你对时间是怎样认识的？问题 时刻和时间间隔 要描述物体位置随时间的变化，首先要清楚“时间”一词的含义。说到时间，不能不说时刻和时间间隔。时刻和时间间隔既有联系又有区别。上午8时上课、8时45分下课，这里的“8 时”“8 时 45 分”是指这节课开始和结束的时刻，而这两个时刻之间的45 min，则是这两个时刻之间的时间间隔（图1.2-1）。在表示时间的数轴
31、上，时刻用点表示，时间间隔用线段表示。我们平时说的“时间”，有时指的是时刻，有时指的是时间间隔，要根据上下文认清它的含义。位置和位移 为了定量地描述物体的位置，需要在参考系上建立适当的坐标系（coordinate system）。例如，若想说明地面上某人所处的位置，可以采用平面直角坐标系来描述；如果物体做直线运动，可以用一维坐标系来描述。物体做直线运动时，通常选取这条直线为x轴，在x轴上任选一点作为原点，规定好坐标轴的正方向和单位长度，物体的位置就可以用它的位置坐标来描述。例如，我？?t/h45 min45 min10 min98图1.2-1 时刻和时间间隔16高中物理必修第一册们要确定一辆行
32、驶在北京长安街上汽车的位置，可以沿东西方向建立一维坐标系，x轴的正方向指东，选取路上的某交通岗亭作为坐标原点O，汽车的位置就可以用它的坐标准确地描述出来。如果汽车的坐标是30 m，表示它在岗亭以东30 m处；如果汽车的坐标是20 m，表示它在岗亭以西 20 m处（图1.2-2）。物体位置的描述我们清楚了，那么，物体位置的变化该怎样描述呢？如图1.2-3，某人从北京去重庆，可以选择不同的交通方式。既可以乘火车，也可以乘飞机，还可以先乘火车到武汉，然后乘轮船沿长江而上。图中的几种情况表明，旅行者所经过的线路不同。我们在初中已经知道，路程（path）是物体运动轨迹的长度。因此，这个人旅行的路程也不同
33、。但是，就位置的变动来说，无论使用什么交通工具、走过了怎样不同的路径，他总是从北京到达了西南方向、直线距离约1 300 km 的重庆，即位置的变化是相同的。从图中可以看出，由初位置指向末位置的有向线段能准确地描述旅行者位置的变化。只要物体的初、末位置确定，这个有向线段就是确定的，它不因路径的不同而改变。物理学中用位移（displacement）来描述物体位置的变化，并用l表示（图1.2-4）。在物理学中，像位移这样的物理量叫作矢量，它既有大小又有方向；像温度、路程这样的物理量叫作标量，它们只有大小，没有方向。直线运动的位移 前面学习了用一维坐标系描述物体的位置，那么，在一维坐标系中位移应该如何
34、表示呢？西东O03020 x/m图1.2-2 物体位置的表示图1.2-3 北京至重庆的不同路线及其位置变化 图1.2-4 从初位置到末位置的有向线段表示位移BClA第一章 运动的描述17如图1.2-5，做直线运动的物体，它的初位置为x1，末位置为x2，则物体的位移应该是由x1指向x2的红色有向线段，其大小等于末位置与初位置坐标之差x2 x1。由于常用x表示坐标之差，所以在研究直线运动时，常用x表示位移，记为xx2 x1若两坐标之差为正，则位移的方向指向x轴的正方向；若两坐标之差为负，则位移的方向指向x轴的负方向。某物体从A点运动到B点，坐标xA为5 m，xB为2 m，物体的位移大小等于多少？方
35、向如何？思考与讨论图1.2-5 位置坐标的变化量表示位移Ox1x2x/mx 位移时间图像 物体在每一时刻的位置或每一时间间隔的位移可以用图像直观地表示。如图1.2-6，在直角坐标系中选时刻 t为横轴，选位置x为纵轴，其上的图线就是位置时间图像，通过它能直观地看出物体在任意时刻的位置。如果将物体运动的初始位置选作位置坐标原点O，则位置与位移大小相等（xx），位置时间图像就成为位移时间图像，又称x-t图像。从x-t图像可以直观地看出物体在不同时间内的位移。图1.2-6 x-t图像Otx18高中物理必修第一册图1.2-7 电磁打点计时器线圈接电源振片振针复写纸限位孔纸带永久磁体练习使用打点计时器1.
36、了解打点计时器的构造，然后把它固定好。2.安装纸带。3.启动电源，用手水平拉动纸带（图1.2-8），纸带上就打出一行小点。随后关闭电源。4.取下纸带，从能够看清的某个点开始（起始点），往后数出若干个点。例如数出n个点，算出纸带从起始点到第n 个点的运动时间t。5.用刻度尺测量出从起始点到第n个点的位移x。测量之前，自己先设计一个表格，用来记录时间及位移。图1.2-8 使用电火花计时器 通过测量仪器直接读取的数据是原始数据。它是宝贵的实验资料，要如实记录、妥善保存。实 验 位移和时间的测量 生活中，人们可以用多种方法记录某一时刻物体运动的位置，从而推断出它在一段时间内的位移。例如，可以用照相的方
37、法记录物体的位置，用钟表记录物体运动的时刻，也可以用频闪照相的方法同时记录物体运动的时刻和位置。学校实验室中常用打点计时器来记录时间和位移。电磁打点计时器是一种使用交变电源的计时仪器（图1.2-7），工作电压约为8 V，能够按照相同的时间间隔，在纸带上连续打点。当电源频率是50 Hz时，每隔0.02 s打一次点。如果把纸带和运动的物体连在一起，纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移大小。由这些点的位置，我们可以了解物体运动的情况。还有一种打点计时器叫作电火花计时器，它的计时原理与电磁打点计时器相同，不过，在纸带上打点的不是振针和复写纸，而是电火花和墨粉。第一章 运动的描述191.以
38、下各种说法中，哪些指时间间隔？哪些指时刻？（1）列车员说：“火车8时42分到站，停车8分。”（2）“您这么早就来啦，抱歉！让您等了这么久。”（3）“前3 s”“最后3 s”“第3 s末”“第3 s内”。2.某市出租汽车的收费标准有1.20元/km、1.60元/km、2.00元/km，其中的千米说的是路程还是位移？3.田径运动场跑道周长是400 m。（1）百米赛跑选用跑道的直道部分，运动员跑完全程的路程是多少？位移大小是多少？（2）800 m跑比赛中，不同跑道的运动员跑完全程的路程相同吗？跑完全程的位移相同吗？请结合田径比赛的规则想一想。练习与应用全球卫星导航系统全球卫星导航系统是目前广泛应用的
39、新一代导航定位系统，利用近地空间的卫星为各类用户提供可靠和高精度的定位、导航和授时服务（图1.2-9）。全球卫星导航系统一般分为空间段、地面段和用户段三大部分。空间段即卫星导航系统，一般由数十颗卫星组成，每颗卫星可以发送卫星导航信号，编织成细密的网络，使得地球上任意地点任意时刻都能观测到4颗以上的导航卫星。地面段则负责操控系统和向卫星注入导航电文等。用户段通过接收机能够接收导航卫星发送的信号，并精准地进行定位、授时和测速。全球卫星导航系统能够在全球范围内实时、全天候和全天时地提供服务，也就是说不受地域和天气影响，全球任何时刻都能得到持续可靠的定位服务。因此，从身边的车载导航、手机定位，到机场调
40、度、海事救援和地质测绘等，都有广泛的应用。感兴趣的同学可以上网查一查全球卫星导航系统在有关方面的具体应用。常用的全球卫星导航系统有我国的北斗卫星导航系统、美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统和欧盟的伽利略系统。2012年我国的北斗卫星导航系统开始为亚太地区提供定位、导航和授时服务，2020年该系统已实现在全球范围内提供服务。科学漫步图1.2-9 全球卫星导航系统（示意图）20高中物理必修第一册OBAx/m图1.2-10图1.2-123 m5 mx/m表 竖直向上抛出小球的坐标和位移坐标原点抛出点的坐标最高点的坐标落地点的坐标从抛出点到最高点的位移从最高点到落地点的位移从抛出点到落地点的位移
41、地面抛出点图1.2-11010102020303040t/sx/m4.如图1.2-10，一个物体从P点运动到Q点，坐标xP为3 m，xQ为 2 m，它的位移大小是多少？方向如何？请你画出它的位置坐标和位移矢量。5.一辆汽车在教练场上沿平直道路行驶，以x表示它相对于出发点的位移。图1.2-11近似描写了汽车在 0时刻到40 s这段时间的x-t图像。通过分析回答以下问题。（1）汽车最远位置距离出发点约为多少米？（2）汽车在哪段时间没有行驶？（3）汽车在哪段时间驶离出发点，在哪段时间驶向出发点？6.从高出地面3 m的位置竖直向上抛出一个小球，它上升5 m后回落，最后到达地面（图1.2-12）。分别以
42、地面和抛出点为原点建立一维坐标系，方向均以向上为正，填写以下表格。第一章 运动的描述21位置变化快慢的描述速度3生活和科学研究中经常需要知道物体运动的快慢和方向，你还记得初中是怎样描述物体运动快慢的吗？运动员在比赛中的不同时段，运动的快慢一样吗？问题 速度不同的运动，位置变化的快慢往往不同，也就是说，运动的快慢不同。我们已经用位移来表示位置的变化，那么，怎样比较物体运动的快慢呢？物理学中用位移与发生这段位移所用时间之比表示物体运动的快慢，这就是 速度（velocity）。速度通常用字母v表示，如果在时间t内物体的位移是x，它的速度就可以表示为vtx在国际单位制中，速度的单位是米每秒，符号是m/
43、s或ms-1。常用的单位还有千米每时（km/h或kmh-1）、厘米每秒（cm/s或cms-1）等。速度是矢量，它既有大小，又有方向。速度v的方向与时间t内的位移x的方向相同。平均速度和瞬时速度一般来说，物体在某一段时间内，运动的快慢通常是变化的。所以，由tx求得的速度v，表示的只是物体在 这里的速度和初中所学的速度含义不完全相同。？22高中物理必修第一册时间t内运动的平均快慢程度，叫作平均速度（average velocity）。图1.3-1 汽车速度计平均速度描述物体在一段时间内运动的平均快慢程度及方向。那么，怎样描述物体在某一时刻运动的快慢和方向呢？思考与讨论测量纸带的平均速度和瞬时速度测
44、量平均速度 我们知道，用手拉通过打点计时器的纸带时，确定时间内纸带运动的位移信息就被记录下来，据此可以计算纸带的运动速度。图1.3-2是打点计时器打出的一条纸带示意图。若想计算实验时运动的纸带在D、G两点间的平均速度v，只需测出D、G间的位移x和所用的时间t，就可以算出平均速度vtx请根据上述方法，计算上节实验中运动的纸带某些点间的平均速度。实 验可以设想，用由时刻t 到t t 一小段时间内的平均速度来代替时刻t 物体的速度，如果t取得小一些，物体在t这样一个较小的时间内，运动快慢的差异就不会太大。t越小，运动快慢的差异就越小。当t非常非常小时，运动快慢的差异可以忽略不计，此时，我们就把tx叫
45、作物体在时刻t 的瞬时速度（instantaneous velocity）。匀速直线运动是瞬时速度保持不变的运动。在匀速直线运动中，平均速度与瞬时速度相等。瞬时速度的大小通常叫作速率（speed）。汽车速度计不能显示车辆运动的方向，它的示数实际是汽车的速率（图1.3-1）。日常生活中说到的“速度”，有时是指速率，要根据上下文判断。第一章 运动的描述230.1 s0DGE123x图1.3-2 计算每隔0.1 s的平均速度纸带示意图表1 手拉纸带的位移和平均速度位置01234x/mx/m t/s v/（ms-1）测量瞬时速度 如何测量运动物体在某一时刻或某一位置（例如图1.3-2中E点）的瞬时速度
46、？我们可以这样考虑：E点在D、G两点之间，D、G两点间的平均速度我们可以求出。如果不要求很精确，用这个平均速度粗略地代表E点的瞬时速度，也未尝不可。不过，如果把包含E点在内的间隔取得小一些，例如取图1.3-3中的DF线段，那么经过D、F两点所用的时间t就会变短，用两点间的位移x和时间t算出的平均速度代表纸带在E点的瞬时速度，就会精确一些。D、F 两点离E点越近，算出的平均速度越接近E点的瞬时速度。图1.3-3 计算每隔0.06 s的平均速度纸带示意图010.06 sDGEFx2345每隔0.1 s（或更短）计算一次平均速度。1.在图1.3-2中选取纸带上一点为起始点0，后面每5个点取一个计数点
47、，分别用数字1，2，3，标出这些计数点；2.测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表1中；3.计算两相邻计数点间的位移x，同时记录对应的时间t；4.根据x和t计算纸带在相邻计数点间的平均速度v。D、F两点间距离过小，测量误差会增大。所以，实际测量中要根据需要及所用仪器的情况，在要测量的点附近选取合适的位移和时间。请考虑此实验中产生误差的原因。24高中物理必修第一册图1.3-4 某同学手拉纸带运动的v-t图像 速度时间图像 物体运动的速度随时间变化的情况可以用图像来直观表示。以时间t 为横轴，速度v为纵轴，坐标系中的图像即为速度时间图像或v-t 图像。在方格纸上建立直角坐标系，根据自己算出的手拉
48、纸带的v、t数据，在坐标系中描点，练习画v-t 图像。图1.3-4甲是根据某同学的实测数据所描的点，从这些点的走向能够大致看出纸带运动速度的变化规律。如果用一条平滑的曲线来描出这些点，曲线所反映的情况就会与实际比较接近（图1.3-4乙）。表2 手拉纸带的瞬时速度位置0123456x/mx/m t/s v/（ms-1）请根据上述测量瞬时速度的方法，计算上节实验中纸带上各计数点的瞬时速度。每隔0.06 s计算一次速度。1.从纸带起始点0算起，后面每3个点取一个计数点。2.测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表2中。3.计算两相邻计数点间的位移x，同时记录对应的时间t。4.根据x和t算出的速度值就
49、可以代表在x这一区间内任意一点的瞬时速度。将算出的各计数点的速度值记录在表2中。甲v/(m.s?1)v/(m.s?1)0.05 0.15 0.20 0.10 0.05 0.15 0.20 0.10 t/s1 2 3 4 t/s1 002 3 4 乙v/(m.s?1)v/(m.s?1)0.05 0.15 0.20 0.10 t/s1 002 3 4 第一章 运动的描述25借助传感器与计算机测速度随着信息技术的发展，中学物理的实验手段也在不断进步。用“位移传感器”把物体运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机的处理，可以立刻在屏幕上显示物体运动的速度，自动绘制出物体运动的v-t图像（图1.3-5）
50、。这样，同学们就可以用更多的时间和精力对物理过程进行分析。图1.3-6是利用位移传感器测量速度的示意图。这个系统由发射器A与接收器B组成，发射器A能够发射红外线和超声波信号，接收器B可以接收红外线和超声波信号。发射器A固定在被测的运动物体上，接收器B固定在桌面上或滑轨上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲（即持续时间很短的一束红外线和一束超声波）。B接收到红外线脉冲开始计时，接收到超声波脉冲时停止计时。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动算出A与B的距离（红外线的传播时间可以忽略）。经过短暂的时间t后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，