普通高中课程标准实验教科书
PHYSICS
主编 束炳如 何润伟
上海科技教育出版社
共同
物 理 必修 1
沪科教版
亲爱的同学：
从你打开物理课本起，你已经开始投身于一项激动人心的探索 活动。 让我们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 科学素养的愿望得以实现，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。
“开篇”将对物理学的方方面面进行全景扫描，并向你提供一些 学好物理的方法。
《物理 1》、《物理 2》是高中学生必须学习的内容。 在这里，我们 将走过从伽利略到牛顿为建立经典力学体系而开辟的道路，了解从 经典力学到现代物理的变革，学习物理学的基本原理，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 1》的过程中获得更大的成功，请浏览本 书的栏目介绍。
每 章 的 开 头 都 有 一 些情景， 提出一些问题，
让 你 明 确 本 章 研 究 的 主 要内容。
在祖国的东海之滨，有一条闻名遐迩的黄浦江。 她，曾经淌过 血，留下了因落后遭受挨打的创伤；她，也曾经落过泪……
如今，她欢笑着，奔腾着，那新建的一座座斜拉桥，仿佛 一 架 架巨大的竖琴，弹奏着新时代的赞歌。
第４章
怎样求合力与分力
图4-1上海黄浦江上的杨浦大桥
分析论证 推导自由落体的位移公式
利用自由落体运动的ｖ－ ｔ图像，可导出位移与时间关系的公 式。
为此，让我们先来看看匀速直线运动的情况。
匀速直线运动的速度是不随时间变化的，物体在时间ｔ内的 图２－9匀速直线运动的ｖ－ ｔ 图像 ｔ ｔ ｖ ｖ
O
ｔ ｔ ｖt
ｖ
位移
ｓ ＝ ｖ ｔ
在平面直角坐标系中， 它的ｖ－ ｔ图像是与横 轴 平 行 的 直 线 穴图２－9雪。
从图２－9中可以看出，直线下方矩形的面积（浅红色部分）正 好对应着物体在时间ｔ内的位移。
图２－１1用 一 系 列 匀 速 直 线 运 动 代 替 连 续变化的匀变速直线运动的ｖ－ ｔ 图像
ｔ ｔ ｖｔ
ｖ
Δ ｔ 图２－１0自由落体运动的ｖ－ ｔ 图像
O O
分析 论 证
在 这 里 ， 你 将 经 历 分 析 、 综 合 、 应 用 数 学 工 具 进 行 推 理 、 从 而 得 出 物 理 学 规 律 和 公 式 的 过 程 ， 体 会 到 高 中 物理 理 论 思 维 的 魅 力 。
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实验装置如图１－３6所示。
把附有滑轮的长木板放在实验桌上，把打点计时器固定在长 木板上，并连接好电路。
图１－３6 测 量 匀 变 速 直 线 运 动 加 速 度 的 实 验 装 置
多 学 一 点
这里有更多更深的奥秘，
将进一步开阔你 的 视 野 。 你 如果有兴趣， 可 以 作 进 一 步 的探索。
信息 浏 览 、ＳＴＳ 栏 目
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、社会的紧密联系。 你的视野将更开 阔，你会更加热爱科学。
家庭 作 业 与 活 动
这里为你提供了丰富多彩的 学习活动， 让你通过回顾进行自 我评价，加深对知识的理解，提高 解决问题的能力， 体验到成功的 喜悦。
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 。
多学一点 惯性系
我们知道，描述物体的运动，需要选择参考系。 实验表明，牛 顿运动定律对地面参考系是成立的。 我们把符合牛顿运动定律的 参考系称为惯性系，地面参考系就是一个惯性系。 除了地面参考 系外，是否还有其他的惯性系呢？
如图5-6 所示，一位 旅客 面 向车 行 方向 坐 在车 厢 里，面 前 的 水平桌面上放着一个静止的小球，当车突 然启 动 或加 速 时，他 看 到小球向他滚来。
“小球没有受到外力作用怎么会突然运动呢？ ” 原来，这个人选择了相对于地面做加速运动的车厢作为参考系，
加速运动的车厢是一个非惯性系。
图5-6车厢里的小球
家庭 作 业 与 活 动
图4-24大力士牵引汽车 １．对于图4-18a，有位同学说：“垂直斜面的分
力F2就是对斜面的压力。 ”你认为这种说法 对吗？ 为什么？
2．如图4-23，两根轻杆铰接后，悬挂着一个鸟 笼。 在图示的各种情况中，你认为哪一根轻 杆可以用绳子代替？ 为什么？
3．匈牙利的大力士曾创造过用牙齿拉动载重 汽车的纪录（图4-24）。 现设一辆载重汽车 的 质 量 为17 t， 大 力 士 牙 齿 的 拉 力 为1900 N，绳子与地面的夹角为30°，则牵引汽车向 前的力为________。
图4-23悬 挂 的 鸟 笼
课题研究
用DIS研究物体的加速度跟力和质量的关系
实验装置如图5-35 所示。 在倾斜的长导轨上，放有一个质量为 M 的滑块，把它作为研究对象。 滑 块的前端系有细线，细线绕过光滑的小滑轮，吊着一个砝码。 设砝码的质量为m。 调整导轨的倾斜程 度，用滑块重力沿导轨的分力平衡导轨的摩擦力，然后使滑块在砝码拉力作用下做匀加速直 线 运 动 。 通过运动传感器，可以在与数据采集器相连的计算机上直接读出小车运动的加速度。
图5-35 请利用DIS 验证 a∝F
m的关系。 要求根据实验中记录的数据，画出图像，得出结论。
ＳＴＳ
图１－28 现 代 大 型 风 洞 在制造汽车和飞机的过程中，常需要研究它们在高速运
动中所受空气阻力的情况。 为了方便，可以根据运动的相对 性作一次逆向转换———研究以同样速 度 运 动 的 空 气 流 对 静 止的汽车或飞机部件的作用。 风洞就是这样一种实验设备。
如图１－28，一个很大的管子，通过强大的风扇能产生一 股高速的空气流。 当气流进入狭颈吹向工作段时，速度会进 一步提高。 被测试的机翼或整部汽车悬挂在中间，受到这股 气流的狂吹，就仿佛它们正在高速行驶一样 。 通 过 风 洞 对 静 止 的 汽 车 或 飞 机 部 件 进 行 实 验 得 出 的 结 果 ，完 全 可 适 用 于 实 际 工 作 。
应用 运 动 相 对 性 原 理 的 杰 作 ———风 洞
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 。
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目 录
开篇 激动人心的万千体验 6
0．１ 物理学—— —理性的追求 6 0．2 物理学—— —人类文明的奇葩 11 0．3 学物理—— —探究求真 17
1．１ 走近运动 20
1．2 怎样描述运动的快慢 27
1．3 怎样描述运动的快慢（续） 32 1．4 怎样描述速度变化的快慢 37
2．1 伽利略对落体运动的研究 44
2．2 自由落体运动的规律 49
2．3 匀变速直线运动的规律 53 2．4 匀变速直线运动规律的应用 57
1
第 章 怎样描述物体的运动 20
第 2 章 研究匀变速直线运动的规律 44
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3．１ 牛顿第三定律 63
3．2 弹力 67
3．3 摩擦力 72
3．4 分析物体的受力 77
4．１ 怎样求合力 84
4．2 怎样分解力 89
4．3 共点力的平衡及其应用 93
5．１ 牛顿第一定律 102
5．2 探究加速度与力、质量的关系 107
5．3 牛顿第二定律 111
5．4 牛顿运动定律的案例分析 114
5．5 超重与失重 118
研究课题示例 124
评价表 125
3
第 章 力与相互作用 62
第 5 章 研究力和运动的关系 101
总结与评价 课题研究成果报告会 １24
第 4 章 怎样求合力与分力 83
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０．１
觹引 自１９９９年 第２３届 国 际 纯 粹 物 理 和 应 用 联 合 会 代 表 大 会 的 口 号 和 决 议 。
物理学—— —理性的追求
日出月落，斗转星移，它们是由什么控制的？ 大千世界，宇宙 万物，它们是由什么组成的？ 古代西方把所有对自然界的观察和 思辨，笼统地包含在一门学问里，即“自然哲学”。 “物理学”的希腊 文是渍自滓咨资浊，原义就是“自然哲学”。那时，物理学是自然哲学的一 部分。 直到１７ 世纪，物理学才作为一门独立的学科正式诞生。
一座 金 碧 辉 煌 的 大 厦
什么是物理学？ 一位物理学家十分幽默地说：“请拿起这本书 并撒手，这就是物理学！ 它研究下落和自然界的一切其他普遍特 征。”
物 理 学 是 一 门 基 础 自 然 科 学 ，它 所 研 究 的 是 物 质 的 基 本 结 构 ， 最 普 遍 的 相 互 作 用 ， 最 一 般 的 运 动 规 律 以 及 所 使 用 的 实 验 手 段 和思 维 方法 。
开 篇
激动人心的万千体验
——
—欢迎你学习高中物理课程
我从事科学研究完全是 出于一种不可遏制的想要探 索大自然奥秘的欲望。
——
—爱因斯坦
在初中阶段，你已初步领略了物理世界的美妙风光。 现在，你 站到了高中物理的大门口，物理世 界 中更 为丰 富、更为 奇 妙的景 象正在召唤着你。 希望你迈开自信的步伐，踏着物理学家留下的 足迹，在“探索自然，驱动技术 ，拯救生 命”精 神的激励下，继 续你
“激动人心的智力探险活动”觹。
图０－１ 什 么 是 物 理 学
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图０－２ 牛 顿 的 遐 想
图０－３ 一 种 “永 动 机 ”的 模 型 图０－４ 悬 浮 微 粒 的 运 动 记 录
近代 意 义上 的 物 理学是从伽 利略研究地面 上物 体 的 运 动 开 始的。 这位伟大的意大利物理学家善于观察，勤于思考，敢于挑战 权威，倡导将实验、数学和科学推理相结合的研究方法，打开了通 向近代物理学的大门。
继伽 利 略之后 ，牛顿“站在巨 人的肩膀上”，把地 面 上 物 体 的 运动和天体运动统一起来，用为数不多的几条定律揭示了天上地 下一切物体运动的 普遍规律 ，建立了 经典力学体系，实现了 物理 学史上第一次大综合。 他的巨著《自然哲学的数学原理》，为物理 学作出了划时代的贡献。 依据牛顿的理论，人们能诠释行星的绕 日运动，能预言彗星的回归，能通过计算发现新的行星……
１８ 世纪，人们对热现象和热机进行了研究，取得了很大的进 展，但也遇到了许多难题。
历 史 上 ， 一 些 人 费 尽 心 机 ， 试 图 制 造 出 一 旦 启 动 就 永 不 停 息的机器———“永动机”，但他们的一切努力都付诸东流,这是怎么 回事？
现代热机的效率不会超过４０％。 假如有一种完全没有摩擦的
“理想热机”，它的效率能达到１００％ 吗？
用显 微 镜观 察 水 中的一粒 花粉 ， 记录下 它 在 坐 标 纸 中 的 位 置。 你看，它踉踉跄跄，毫无定规，你知道其中的原因吗？
牛顿的经典力学虽能精确地预言天体的运行，却无法回答上 述问题。
１９ 世纪，经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究，经典热 力学和经典统 计 力 学 正式 确立，从而把 热与能、热运动的 宏观 表 现与微观机制统一起来，实现了物理学史上的第二次大综合。
我 们 知 道 ， 在 力 学 和 热 学 中 ， 几 乎 所 有 的 作 用 都 是 靠 实 物 传 递 的 。 那 么 ，现 代 通信中，是靠什么将远隔重洋的信息传递到 千家万户的呢？ 我们天天见到的光跟我们熟识的电和磁之间有联 系吗？
同在 １９ 世纪，麦克斯韦在库仑、安培、法 拉 第 等 物 理 学 家 研 究的基础上，经过深入研究，把电、磁、光统一起来，以精确的数学 语言表述了他建 立 的 经典电磁理 论 ，预言了 电磁波的存在，充 分 显示了电与磁的对称性和完美性，实现了物理学史上的第三次大 综合。
据传说，牛顿（I. Newton） 坐 在 花 园 里 的 苹 果 树 下 ， 见 到苹果落地， 于是联想到如 果 地 球 的 引 力 延 伸 到 月 球 ， 月球怎么不会落向地面？
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我 们 所 见 固 然 美 丽 ， 我 们所知愈加神奇， 而我们所 未 知 未 见 的 更 是 美 不 胜 收 ， 妙不可言。
——
—尼尔斯·斯坦森 在辉煌的物理学大厦面 前， 许多著名的物理学家满 怀喜悦， 他们自信地说：“在 已 经 建 成 的 科 学 大 厦 中 ， 后 辈物理学家只能做一些基本 的修补工作了。 ”“物理学将 无作为了。 ”“未来的物理学 真理将不得不在小数点后第 六位去寻找……”
图０－５ 如 果 我 以 光 速 追 随 光 波 ，将 会 看 到 什 么
至此，经典力 学、经典 统 计力学和经典 电磁 理论，在 “戴 上 能 量守恒定律的桂冠”后，融合为一个整体，形成了一个完整的经典 物理学体系，一座金碧辉煌的物理学大厦巍然耸立。
物理学的探索难道就此停止了吗？
两朵 乌 云 的 挑 战
1900 年的春天， 在人们欢呼经典物理学伟大成就的同时，也 有人看到，“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”。
这两朵乌云，其一跟屡见不鲜的热辐射现象有关。
你 可 知 道 ， 红 外 取 暖 器 辐 射 出 来 的 能 量 会 是 一 份 一 份 的 吗 ？
其二跟物体接近光速运动时的情况有关。
我们知道 ，两个运 动物体的速度 相同时，它 们 处 于 相 对 静 止 状态。 爱因斯坦在１６ 岁时向自己提出一个问题：
“如果 我 以 光 速 追 随 光 波 ，将 会 看 到 什 么 ？ ”
按照经典物理 的时空观 ，应该 看 到静止的光 波 ，但 这 是 不 可 能的。
正是这两朵小小的乌云， 引起了物理学的一场伟大的革命，
促使了现代物理学的诞生。
物理 学 的 探 索 无 止 境
在１９ 世纪末的十多年间，涌现出了一系列新的发现，一个奥 妙无穷的微观世界和一个不可思议的高速世界展现在人们面前。
一些高瞻远瞩的物理学家敏锐地感 觉 到 ， 这 是 新 理 论 诞生 的 前 兆。
１８９７ 年，英国物理学家 J. J. 汤姆生通过对阴极射线的研究，
发现了电子。３０ 年后，他的儿子和美国人戴维森分别用实验证明：
电子具有波动性。 汤姆生父子都因研究电子而获得了诺贝尔物理 学奖。 那么，电子到底是实物粒子还是波呢？
２０ 世纪初，爱因斯坦创立了相对论；在普朗克、爱因斯坦、玻 尔、德布罗意、海森伯、薛定谔等人的努力下，量子力学应运而生。
8
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现代物理学的基础由此奠定。
如今，现代物理学的研究遍及物质世界的各个层次。 其中两 大前沿领域是：粒子物理和天体物理。 粒子物理在极小的尺度上 探索物质更深层次的结构，人类的触角已深入到小至１０－１８ｍ 的微
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哈 勃 半 径
超 星 系 团 星 系 团 银 河 系
最 近 恒 星 距 离
太 阳 系
太 阳
山
人 类
ＤＮＡ长 度
最 小 的 细 胞
原 子
原 子 核 核 子 单 位 ：ｍ
图０－６ 人 类 目 前 所 认 识 的 世 界 的 时 空 尺 度
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宇 宙 年 龄 地 球 年 龄 恐 龙 灭 绝 后 人 类 历 史
人 类 文 明 史 人 的 寿 命
月 球 公 转 周 期 地 球 自 转 周 期 中 子 的 寿 命 １００ ｍ跑 世 界 纪 录
超 高 速 摄 影 的 曝 光 时 间 m子 的 寿 命
Ｚ０粒 子 的 寿 命 粒 子 共 振 态 的 寿 命 S0超 子 的 寿 命 p0介 子 的 寿 命 t子 的 寿 命 单 位押 ｓ
p+－介 子 的 寿 命
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夸 克今天我们必须根据我们 今 天 能 认 识 的 真 理 来 生 活 ， 还 得 准 备 好 明 天 称 它 为 谬 误。
——
—詹姆斯
观粒子内部；天体物理则在宏大的尺度上寻求宇宙的起源和演化 的规律，人类的视野已扩展到１０２６~１０２７ｍ 的总星系。
图０－6 所示是目前人类所认识的物质世界的时空尺度。 在时 间尺度上，从１０－２５ｓ 到 １０18ｓ，跨越了 ４３ 至 ４４ 个数量级；在空间尺 度上，从１０－18ｍ 到 １０２７ｍ，跨越了 ４５ 至 ４６ 个数量级。
如今，物理学已发展成包含着力学、热学、电磁学、光学、凝聚 态物理学、等离子体物理学、天体物理学等庞大的学科体系；物理 学与自然 科学的其他学科相结合 ， 不断 孕 育 出 许 多 新 的 交 叉 学 科， 如物理学与生物学等学科形成的交叉学科———生命科学，在 ２１ 世纪将凸显出举足轻重的地位。 物理学的探索永无止境。
“物理 学 ———研 究物 质 、能量 和 它 们 相 互 作 用 的 学 科 ———是 一项 国 际 事 业 ，它对人类未来的进步起着关键的作用。 ”觹 你从跨 进物理学大门起，就应该牢记这一崇高的使命。
觹引 自１９９９年 第２３届 国 际 纯 粹 物 理 和 应 用 联 合 会 代 表 大 会 的 口 号 和 决 议 。
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物 理 学 的 理 论 成 果 ， 为 技术创新打下了基础， 从而 催生了琳琅满目的高新技术 成果。 而技术的进步，也时时 为物理学提供着先进的设备 和手段， 促进了物理学的发 展。
物理学—— —人类文明的奇葩
在人类文明的进程中，物理学有力地推动着科学技术的发展 和社会的进步，深刻地影响着人们的思想观念和生活方式。
物理 与 技 术 ———交 相 辉 映
人类 迈 过刀耕 火种时代 ，发明了 简单机械，有效地提 高 了 劳 动效率。
经典 力 学 的 建 立 、蒸汽机 的发明促 进了 热力学的发 展 ，奠 定 了第一次工业 革 命 的 基础，人类进 入了蒸汽时代 ，实现了从 手工 业生产向大规模机器生产的转化。 电磁现象的深入探究，导致了 以电力应用为标志的第二次工业革命。２０ 世纪以来现代物理学的 惊人成果，更 以 雷 霆 万钧之势推 动着社会经济 向前发展，使 世界 发生着日新月异的变化。
古代中国四大发明中的“司南”，传入西方后演变成导航的罗 盘，意义深远的大航海时代就此开始。 物理世界中的磁现象，不但 写就了人类文明中如此重要的篇章，而且随着对磁学研究的持续 深入，不断地造福于人类的生活。 当我们将远古的司南跟当今的 磁共振仪、计算机磁 盘、信用卡、磁悬浮 列车等放在一 起时，怎 不 让人惊叹物理学与技术结合的伟大与神奇！
对任何人来说， 不关心 科学就是甘受奴役。
——
—布朗诺夫斯基
图０－７ 从 司 南 到 磁 悬 浮 列 车
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图０－８ 太 空 探 索
b 国 际 空 间 站
科 学 是 一 种 强 有 力 的 工 具,怎 样 用 它,究 竟 是 给 人 带 来 幸 福 还 是 灾 难,全 取 决 于 人 自 己, 而 不 取 决 于 工 具 。
——
—爱 因 斯 坦 a “长 征 ”号 火 箭 升 空
从１６０９ 年伽利略的第一台天文望远镜到如今的哈勃太空望 远镜， 从 １５９０ 年的第一台光学显微镜到现代的扫描隧穿显微镜
（STM）， 为人类探索广袤宇宙的奥秘和微观粒子的机理提供了强 有力的武器。
人类不但已经实现了在天空中像鸟儿一样自由翱翔的梦想，
而且令人惊奇地让一个个航天器冲天而起，按照事先计算好的轨 道在太空中遨游，人类登上火星等遥远行星已指日可待。 然而导 致这种 惊奇的 最基本原理却 同样 地 令 人 惊 奇———那 就 是 物 理 学 关于运动和力的研究。
现代社会中 ，从日 常 生 活 中 的 ＣＤ、ＶＣＤ、ＤＶＤ、ＭＰ３，到 生 产 、 科研中的核电站、粒子高能加速器、智能机器人等，哪一样不是物 理学带给人类的丰硕成果？
雷达为什么能 探测到千里之 遥的 目标 ？ 隐形 飞 机 真 的 能 隐
“形”吗？ 数百千米高空中的遥感卫星为什么能探知地球各处的隐 秘？ 人们在 地球上为什么 能指挥 1 亿多千米以外火星上的 机 器 人？ ……
所有这些，都可在物理学中找到答案。
你能不能列举现代社会生活中的一些事实，说明物理学与技 术、技术与社会的互动关系？
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图０－９ 哈 勃 太 空 望 远 镜
物理 学 ———人 类 文 明 的 思 想 宝 库
古往今来，物理学的贡献不仅加深了人类对物质世界规律性 的认识，激发了技术的创新，还极大地丰富了人类的思想宝库。 物 理学的每一个进步，往往会对人类的思想观念产生深远的影响。
物理 学 中 最 基 本 的观念是 “世界是 由 物 质 组 成 的 ，物 质 是 不 断运动变化着的, 物质运动变化是有规律的, 规律是可以被人们 认识的”。 这也正是自古以来许多哲学家所持有的朴素唯物主义 思想的渊源。
当伽 利 略等 人 抛 弃古希腊 哲 学 家 们 千 余 年 来 崇 尚 清 谈 的 遗 风， 开创了实验物理的先河之后，“实践是检验真理的唯一标准”
最先在物理学中成为共识。
物理学的牛顿时代带来了社会文化的深刻变革：人们越来越 相信，整个宇宙都遵循着统一的规律。 于是，一次物理学的革命也 同时带来了文化观念的革命，机械决定论的思想曾在很长的时间 里成为社会观念的主流。１７４８ 年，法国哲学家拉美特利大声宣称：
“人是 机 器 ！”这种 观 念，促使人 们不断探 索人 这架“机器”的 运 作 和结构，带来了医学和生理学的发展，同时，这种观念也影响了人 们对其他现象的正确认识。
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信 息 浏 览
物 理 学 中 模 型 理 论 的 思 想 ， 不 仅 在 自 然 科 学 领 域 获 得 了 广 泛 的 应 用 ，而且在社会科学领域也得到了 成功的应用。 １９９７ 年诺贝尔经济学奖获得者斯科尔斯 的主要贡献， 就是同另一位学者一起应用物理学模型 理 论 的 思 想 ，建 立 了 “股 市 期 权 定 价 模 型 ”，并 开 创 了
“量化经济学”。 如今，美国已有一批物理学博士在从事 量化经济学的工作， 而且深受华尔街各金融证券机构 的欢迎。 所以有人说，“如果今天爱因斯坦还年轻，他可 能就在华尔街工作”。
１９ 世纪英法战争时，曾在欧洲大陆上不可一世的 法国皇帝拿破仑，在海战中屡遭败绩。 据说，当时有一 位年轻的美国发明家富尔顿， 建议拿破仑将法国的战
船撤去风帆，装上蒸汽机，把木船换成钢船。 可是拿破 仑不以为然，摆摆手把富尔顿给轰了出去。 史学家后来 评论这一段历史时认为， 如果拿破仑能稍加慎重地考 虑这一建议，也许１９ 世纪的历史将会重写……
１９３９ 年发现铀的核裂变时，正值第二次世界大战 爆发。 世界上许多科学家意识到，核裂变所释放的巨大 能 量 可 能 被 德 国 纳 粹 政 府 用 来 制 造 大 规 模 杀 伤 性 武 器，因此建议爱因斯坦致信当时的美国总统罗斯福，提 醒他注意纳粹政府将核裂变用于军事目的的危险性……
你从这些事实中得到了什么启示？ 如果你今后并 不打算成为物理学家或从事物理学方面的工作， 你是 否就可不学物理？
随着物理学对分子运动规律研究的进展，机械决定论的思想 不再被认为是放诸四海而皆准的唯一真理。 “统计”、“概率”开始 在物理学领域中登堂入室。 时至今日，我们已经相当习惯于使用
“可能性”而非“必然性”对事物的进程进行描述，尤其在一些影响 因素十分复杂的情景下。 例如，面对汇总的市场信息，管理人员作 决策时，往往会用概率的估计来代替原先非此即彼的结论。
在现代社会中 ，物理 学 中关于模型理 论的 思想，已广 泛 地 渗 透到自然科学、社会科学和哲学的各个领域。 例如，在社会学、经 济学、市场管理学中，已运用物理学中的模型理论成功地对环境、
市场等社会和经济问题进行量化研究和测控。 物理学中“熵”的概 念，已不仅仅是用 来描述物理过 程的变化规律 ，而 且广 泛应用于 社会生活的多个领域，并激发了现代社会的共同呼声———追求人 类社会的可持续发展。
科 学 的 发 展 ，尤 其 是 物 理 学 的 发 展 ，使 人 们 悟 出 了 “人 和 自 然”必须“和谐共处”。 科学技术是一把“双刃剑”。 核能既为人类提 供了巨大的能源，也使人类受到毁灭性的核威胁。 全球变暖、环境 污染、物种灭绝……面对这些危害人类生存的全球性问题，物理 学比过去任何时候都更加急切地呼唤着全社会关注科学的价 值 观和责任感。 因为在科学的丰碑上，镌刻着两个闪光的大字———
“良知”！
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图０－１０ 美 丽 的 雪 花 ——— 从 天 而 降 的 对 称 的 艺 术 品
物理 与 艺 术 ———智 慧 与 情 感 的 结 晶
著名物理学家李政道说过押“科学和艺术源于人类活动最崇高 的部分，都追 求着深刻 性 、普遍性 、永恒 和 富有意 义 。”“对科学 的 理解和对艺术的美 学鉴 赏都需要 智慧 ，随后的 感受升华，与情感 又是分不开的。 ”
自然界的对称美，曾使无数人为之赞叹不已。 艺术常常以对 称作为它表现 美的形式；而在整 个物理 学领域中 ，同样 充 满着对 称的现象、对称的规律和对称的结构。
法拉 第受到奥斯特实验的启发后 提 出 ，既 然 “电能 产 生 磁 ”，
那么“磁能否产生电”呢？ 通过艰苦的实验，他终于发现了电磁感 应规律； 麦克斯韦用一组被誉为诗一般优美的对称方程组概括了 电磁场理论；电子是带负电的，狄拉克却预言了正电子的存在……
对称中也蕴藏着不对称，杨振宁、李政道提出的宇称不守恒，
使人们感受到另一种理性的美。 犹如我国古代的太极图“白中有 黑，黑中有白”，让人引发无穷的遐想。
每一座大型音乐厅和影剧院，都要经过物理学模型的仔细验 证，才能达到最佳的艺术与音响效果。 每一款最新的轿车，也必须 按照物理学的原理对它的外观与造型等进行设计。 可以这么说，
大至摩天大楼，小至微型电子产品，无一不是物理原理、工程技术 和艺术灵感的巧妙结合。
当物理学第一次揭开了物质与能量的秘密时，公式E=mc2就激 发了无数的艺术灵感，极大地拓展了文学作品对未来畅想的空间。
当物理学刚刚揭示激光的独特性质时，电影《星球大战》就已 经把它作为科学幻想中的武器。
当物理学开始讨论时间的本质时，艺术家们就迫不及待地写 下时间旅行的故事……
１９ 世纪法国的文学家福楼拜说过：“艺术越来越科学化，科学 越来越艺术化。 两者在山麓分开，有朝一日，将会在山顶重逢。 ”科 学 和 艺 术 都 为 着 同 样 的 目 标———使 人 类 更 好 地 实 现 自 身 的 价
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图０－１2 从 汽 车 到 高 楼 大 厦
图 ０ －１１ 无 尽 无 极 ——— 著 名 画 家 吴 作 人 先 生 为
“ 二 维 强 关 联 电 子 系 统 ” 国 际 学 术 会 议 所 作 的 主 题 画
著 名 物 理 学 家 玻 尔 被 封 爵 后 ， 他 选 太 极 图 为 盾 形 纹 章 图 案, 并 在 图 案 下 铭 文
“对 立 即 互 补 ”
值———而并肩前进！
请阅读下面的资料，并说说你的看法。
中 国 高 等 科 学 技 术 中 心 每 年 在 举 办 重 大 国 际 学 术 研 讨 会 时有 一 个 惯 例 ：邀请著名画家按照会议的主题作画。 每次作画都 由著名物理学家李政道根据科学主题提出一个初步的艺术构想，
并分别约请艺术大师与物理学家磋 商 ， 以沟 通 科 学 与 艺术 的 创 意，再邀请画家泼墨挥毫。 此举受到了国内外科学界的普遍赞扬。
科学家邀请画家作画，纯粹是出于个人的艺术爱好吗？ 你对 这项活动是怎样评价的？
如果你想了解这项活动的进一步情 况，可 参 考大 型 画册 《科 学与艺术》（上海科学技术出版社２０００ 年出版）。 该书汇集了近 ２０ 年来各次国际学术研讨会上所作的主题画。
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０．3
美 国 发 明 家 爱 迪 生 从 １１岁 开 始 在 家 中 的 地下室里做实验，直到他８４岁逝世，整 整做了７３年的实验，留下了２５００册实验记 录。 仅是“白炽灯”这一项发明，他就进行了 几千次实验，有关的实验记录达２００册。
信 息 浏 览
爱 迪 生（Ｔ． Ａ． Ｅｄｉｓｏｎ,1847— 1931），美 国 发 明 家 。 早 年发 明 二 重 发 报 机 。 １８７７—１８７９ 年发明留声机， 通过实验改 进了白炽灯和电话。 在电影 技术、建筑、化工等方面也有 不少发明。 一生共获发明专 利１０００多项。
学物理—— —探究求真
重视 实 验 勤 于 思 考
物理学是一门以实验为基础的科学。 学习高中物理必须重视 实验。 高中物理实验在设计思想、实验方法、数据处理、实验技能 等方面有着更高的要求。 实验时，要理解实验原理，选择实验器材, 调整实验装置，采集实验数据，对实验结果进行分析论证和评估。
在实验过程中，要勤于思考，多问几个“为什么”，多作一些联 想和引申。
由于 知 识 的 局 限 性 ，暂时无 法解决的问题，可 以 让 它 先 在 脑 海中挂个号，以后再逐步解决。 脑海中积累的问题越多，思维会变 得越宽广。
让我们来做几个实验，作些思考，看看你能发现哪些问题。
■ 转 动 的 水 杯
在一只盛有大半杯水的烧杯里滴入一些红墨水，使杯中水变 成透明的浅红色。 然后，用一根细绳牢牢系住杯口，手握细绳的另 一端，使杯子在竖直平面内做圆周运动。 你将看到，一团红色的水 在空中飞旋，纵然不时杯口朝下，仍滴水不漏。
这是什么道理呢？ 这个现象跟人造卫星绕地球运动有没有某 种联系？ 要保证杯中的水不流出来，转动的速度至少应多大？
没有实验的物理理论是 空洞的， 没有理论的实验是 盲目的。
——
—帕格尔斯
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结论几乎总是以完成的 形式出现在读者面前， 读者 体 会 不 到 探 索 和 发 现 的 喜 悦， 感觉不到思想形成的生 动过程， 也很难达到清楚地 理解全部情况。
——
—爱因斯坦
图０－１4 失 重 状 态 下 的 宇 航 员 图０－１3 皂 液 膜 上 的 彩 色 条 纹
■ 肥皂膜上的彩色条纹
用铁丝圈在肥皂液中浸一下后提出来，上面会蒙上一层皂液 膜。 在太阳光照射下，你会看到皂液膜上闪映着彩色条纹。 如果用 洒有食盐的酒精灯火焰去照射它，你还会看到皂液膜上闪映的是 黄色条纹。
请仔细观察皂液膜上条纹的分布，你知道产生这种现象的原 因吗？
对以上两个实 验中的有关问 题 ，在高中 物 理 中 ，你 们 都 要 进 行较为深入的研究。
经历 过 程 体 验 方 法
登山的乐趣在于攀登，探究的魅力在于过程。 只有经受了“众 里寻他千百度”、“为伊消得人憔悴”的磨难，才会有“蓦然回首，那 人却在, 灯火阑珊处”的惊喜。
学习物理亦是如此，只有经历了“提问”、“思考”、“实验”、“释 疑 ”等 过 程 ，你 才 能 体 验 到 科 学 探 究 的 无 穷 乐 趣 ，享 受 到 经 历 过 程、收获知识的无比喜悦。
■ 你 知 道 超 重 、失 重 吗
当你 用 体 重 秤 测 体 重 时 ，怎 样 才 能 称 得 准 ？
仔细 观察 ：当你快 速下蹲和迅速 起 立时 ，体 重 秤 的 示 数 有 无 变化？ 怎样变化？
当宇宙飞船遨游太空时，宇航员为什么处于失重状态？
你知道这些现象的物理原理吗？
在物理学习过程中，经历过程有着多种含义。 可以是自己动 手做实验，通过对测量数据的分析处理，得到结论；可以是依据书 上的方法思路，通过自己的演算，推出公式；可以是根据现成的概 念 ，对 照 生 活 中 的 实 例 ，重 新 体 验 ；可 以 是 参 加 对 某 个 问 题 的 讨 论，对知识进行整理等。 经历过程的内核是“主动学习”，而不是被 动的接受。
著名理论物理学家、 诺贝尔奖获得者理查德·费曼说过：“科 学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情 是已知的，现在了解到什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据 18
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服从什么法则，如何去思考事物，作出判断，如何区别真假和表面 的现象。”
在物 理 学 习 中 ，要经常 注意揣摩、体会研 究 问 题 的 思 路 和 方 法，这样你就会聪明、灵活，解决起问题来也就得心应手了。
格物 致 知 探 究 求 真
科学的精髓在于不断地探究。 自然界的规律往往隐藏在众多 表象的 茫 茫迷雾之中，而科学 探究就像穿透 这迷雾的明灯，引 导 着探索者到达真理的彼岸。 牛顿发现万有引力定律就是一个最好 的典型事例。
■ 从 第 谷 、开 普 勒 到 牛 顿
丹麦天文学者第谷在他长达２１ 年的观测中， 对天体运动积 累了丰富的资料。 他的观察准确性超过前人的几十倍到上百倍，
各个行星位置的误差仅为２′。 可是，他受到地心说的影响，结果就 像一个不会花钱的富翁，不知道怎样正确使用这笔财富。 第谷死 后， 他的助手德国天文学家开普勒应用第谷留给他的观测资料，
通过丰富的想象和深入的思考，坚持不懈地用几何图形和数学计 算进行分析论证，寻求隐藏在第谷的观测结果背后的行星运动规 律。 经过多年的努力，他终于发现了行星运动三定律。 英国物理学 家牛 顿 则 在 开 普 勒 定 律的基础上，根据 行 星运动的特征，并联系 地面上物体的运动，发现了万有引力定律。
有人问牛顿是如何发现万有引力定律的。 牛顿回答说：“靠持 续地思考”，“我持久地把这个课题放在面前， 一直等到又一个黎 明，一点点变得充满阳光。”
物理学习同样也离不开不懈的探究。 从书本上的知识介绍，
到身边的自然现象，探究的对象无所不在；从抽象的理论思考，到 具体的实验探究，探究的形式多种多样。 让我们追随那些伟大物 理学 家 的 足 迹 ，在物 理学习的 过 程中体 验探究的乐趣，汲取知识 的营养，提高个人的素质。
同学 们 ：物理 学 不单单是物理 学家的物理学 ，还 是 每 个 普 通 人的 物 理 学 ；物 理 学 不单单是实验室 的 物理学 ，还是现实生 活中 的物理 学 ；物 理 学 不单 单是理论 上的物理学，还是指导实践的物 理学。
今后，它将时时、处处伴随着你！
格 物 致 知 的 真 正 的 意 义……第一， 寻求真理的唯 一 途 径 是 对 事 物 客 观 的 探 索；第二，探索的过程不是消 极的袖手旁观， 而是有想象 力的有计划的探索。
———丁肇中
要 勤 奋 地 去 做 练 习 ， 只 有这样，你才会发现，哪些你 理解了，哪些你还没有理解。
——
—索末菲
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觹 作 者 欧 阳 中 石 ，原 诗 载 《光 明 日 报 》２００３年１０月１７日 第1版 。
２００３ 年 １０ 月 １５ 日 ，一个令人骄傲的日子，一个彪炳史册的 日子，我国第一艘载人飞船满载着全国人民的希望成功升空。
飞船在茫茫太空中遨游，如何描述它的运动呢？
文学家、艺术家采用形象的手法。 “凌云戏月游银汉，转瞬翔 天过太空”觹，短短的一两句话，就勾勒出了飞船航天时的雄姿。
科学家需要先建立一些基本概念。 20 世纪的著名物理学家、
量子力学的创立者之一海森伯（Ｗ. Ｋ. Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ）曾说过：“为了 理解现象，首要条件就是引入适当的概念。 只有借助于正确的概 念，我们才能真正知道观察到了些什么。”
在本章中，我们将 首 先引 入描 述 运动的一些基 本概 念 ，进 而 通过对直线运动的初步研究， 学会如何描述物体运动的快慢、运 动变化的快慢，为进一步研究更复杂的运动打下基础。
第 １ 章
怎样描述物体的运动
走近运动
怎样 判 断 动 与 静
为了描述物体的运动，必须知道怎样判断物体是运动的,还是 静止的。
图１－１ “神 舟 ”５号 从 发 射 到 返 回 舱 成 功 回 收 的 主 要 阶 段
１．1 沪科教版
一个物体相对于其他物 体的位置变化， 叫做机械运 动（简称运动）。 机械运动是 自然界最普遍、 最基本的运 动形式。
请设想一下，你和一位同伴正坐在太空站里一边喝咖啡一边 聊天。 在“地球人”看来，你们随太空站以很大的速度绕地球运动。
那么，你和同伴能感觉到自己在高速运动吗？ 虽然我们没有到过 太空站，但地 球上 的 生 活经验告诉我 们，你和同 伴都会认为自 己 是静静地坐着！
可见，物体的运动和静止是相对的。 所以，描述物体运动时，
需要选取另外一个物体作为标准，这个作为标准的物体叫做参考 系(reference frame)。
描述同一个运动，选择不同的参考系，观察的结果会有不同。
参考系选择得当，会使对运动的描述更为简单、方便。
讨论 与 思 考
1. 从一千多年前的唐代流传下来一首词 觹：
满 眼 风 波 多 闪 灼 ， 看山恰似走来迎，
仔细看山山不动，是船行。
作者为什么会有“山迎”、“船行”这样两种不同的感觉呢？
2. 在地 面 上 研 究 物 体 的 运 动 时 ， 一 般 情 况 下 ， 你 认 为 应 该 怎 样 选 取 参 考 系？ 如果以后有机会乘坐“神舟”号飞船去访问火 星，你认为应该怎样选取参考系？
图１－２ 《摊 破 浣 溪 沙 》
觹 这首 词 词 牌 叫 《摊 破 浣 溪 沙》，这 里 是 下 阙 ，其 上 阙 是 ：“五 两 竿 头 风 欲 平 ，张 帆 举 棹觉船轻。 柔橹不施停却棹，是船行。”
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图１－３ 荧 光 屏 上 的 “神 舟 ”５号 运 行 轨 迹
图 １ －４ 乒 乓 球 运 动 员 打 出 的 旋 转 球
怎样 对 物 体 进 行 简 化
在研究物体的运动时，常常需要对具体的物体进行简化。
据 报 道 ，“神 舟 ” ５ 号 飞 船 载 人 舱 长 ７．４ ｍ，直 径 ２．８ ｍ，用 长 ５８ ｍ、重达 ４８０ ｔ 的“长征”２ 号火箭发射。 飞船升空后，显示在指 挥部荧光屏上的仅是一个小小的光点（图 １－３）。 科学家研究飞船 在 空 中 的 位 置 、离 开 地 面 的 高 度 、飞 行 的 速 度 、运 动 轨 道 等 问 题 时，都不需要考虑飞船本 身的 大小和形状，可以把 飞船简化成 一 个有质量的点。
乒乓球小而轻，直径仅４ ｃｍ，质量约 ２．７ ｇ。 运动员研究各种旋 转球的打法时， 要关注 球的受力部位 和受 力方 向对 旋转的影响
（图１－４）。 这种情况下，由于乒乓球各处的运动情况不同，必须考 虑到球的大小和形状，不能把它简化为一个点。
即使是同一个 物体 ，能否简 化为一个点，也得依 据 问题 的 具 体情况而定。 一列沿京沪铁路运动的火车，若研究它从上海到北 京的运动，由于火车的长 度远小于上海 到北京的距 离 ，就可 以把 它简化为一个点；若研究 它经过南京长 江大 桥的 运动，由 于火 车 的长度可以跟大桥长度相比拟，这时不能把火车简化为一个点。
在 物 理 学 中 ， 用 来 代 替 物 体 的 有 质 量 的 点 叫 做 质 点 （mass point)。
在实际问题中，一个物体能不能看成质点是有条件的。 如果 在研究物体运动时，可以不 考虑 物体 的大 小和形 状 ，或者物 体 上 各点的运动情况完全相同，那么就可以把这个物体看成质点。
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秋 分 日 （9 月 23 日 前 后 ）：全 球 昼 夜 同 长
冬 至 日 （12 月 22 日 前 后 ）： 北 半 球 在 这 一 天 白 天 最 短 ， 黑
夜 最 长 春 分 日 （3 月 21 日 前
后 ）：全 球 昼 夜 同 长
夏 至 日 （6 月 22 日 前 后 ）： 北 半 球 在 这 一 天 白 天 最 长 ， 黑 夜 最 短
图１－５ 地 球 的 公 转 和 四 季 变 化
讨论 与 思 考
１. 地 球 是 一 个 庞 然 大 物 ， 直 径 约 为 １２８００ ｋｍ， 与 太 阳 相 距 １．５×１０8ｋｍ。 研究地球绕太阳的公转时，能不能把地球看成质点？
研究地面上各处季节变化时（图 1-5），能不能把地球看成质点？
２. 物理中的“质点”跟几何学中的点有什么相同和不同的地 方？
你 能 否 总 结 一 下 ：在 具 体 问 题 中 把 物 体 看 成 质 点 的 条 件 是 什 么 ？ 请 相 互交流。
位移 与 路 程 有 什 么 不 同
图１－６ 是上海航空港的航线分布情况，那一条条红线表示什 么意思呢？ 显然，它们不可能是飞机真正的飞行轨迹，而仅仅是连
图１－６ 上 海 航 空 港 的 航 线 图
在原型的基础上， 经过 科学抽象而建立起来的一种 理想化客体，叫做理想模型。
质点就是一个理想模型。
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图１－７ 上海到乌鲁木齐的位移和路程
接不同城市的直线。 这些连线表示飞机从其中一个城市飞行到另 一个城市时的位置变化。
在物 理学中 ，为了描述 物 体相 对位 置的变化，引入 一 个 叫 做 位移(displacement)的物理量。 它是从初位置指向末位置的一根有 向线段，这根有向线段 的 长度 表示 位移的大小 ，它 的方 向表示位 移的方向。 位移跟路程是两个不同的概念。 平常所说的路程（path）
是指物体运动轨迹的长度。 它只有大小，没有方向。
图１－７ 中的红色有向线段表示从上海到乌鲁木齐的位移，两 地的铁路线长度就是坐火车从上海到乌鲁木齐所经过的路程。
讨论 与 思 考
1. 在地图上查找上海到乌鲁木齐的铁路。 请根据地图上的比 例尺，估算一下 ，坐火车 从上海到乌鲁 木齐的位移和 经过的 路程 分别是多少？
2. 阅读下面的对话：
甲：请问到市图书馆怎么走？
乙：从你所在的市中心向南走４００ ｍ 到一个十字路口，再向东 走３００ ｍ 就到了。
甲：谢谢！
乙：不用客气。
请在图１－８ 上把甲要经过的路程和位移表示出来。
3. 请你归纳一下：位移和路程有什么不同？ 什么情况下位移 的大小与路程相等？
图１－８ 走 到 市 图 书 馆
图 书 馆 北
西 东
南 市中心
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用坐 标 表 示 位 置 和 位 移
用坐标可以表示物体运动的位置和位移。
物体做直线运动（一维运动）时，只需用一个坐标就可以确定 物体的位置。 例如，一辆汽车从车站出发沿平直公路行驶，我们只 要以车站为起点沿 公路作一坐标 轴 ，并 规定 其正方向，就可以 把 汽车在不同时刻的位置用相应的坐标表示出来。
汽车 在 某段时 间内的 位 移 ，可 以 用 末 位 置 的 坐 标 （ｘ）和 初 位 置的坐标（ｘ０）表示出来，即
ｓ ＝ ｘ － ｘ０
例如，在图1-9 中，汽车在 ｔ２到ｔ３时间内的位移可表示为 ｓ２３＝ ｘ３- ｘ２
当物 体 做平 面 运 动 ， 即二维 运 动 时 （如 轮 船 在 大 海 中 的 航 行），需采 用 两个 坐 标 来确定它的 位置 ；当物体做空间 运动 ，即三 维运动时（如飞机的飞行），需要用三个坐标来确定它的位置。 二 维运动和三维运动中物体的位移同样可以用位置坐标表示出来。
时间和时刻有什么不同
研究物体的运动时，必须分清时间和时刻的不同含义。 时光 流逝过程中的 每 一 瞬 间叫 做时刻 ，它没有 长短 ；两个时 刻之间的 间隔叫做时间。 如果用一条直线表示时间轴 t，开始计时的时刻记 为“O”，线上每一点代表着不同的时刻，两点之间的线段则表示物
O
Ｃ Ｄ Ｂ
Ａ
ｔ４
ｔ３
ｔ２
ｔ１
ｘ/ｍ ｘ４
ｘ３
ｘ２
ｘ１
O 车 站
图１－９ 汽 车 位 置 的 变 化
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1. 能 否 把 图 １ －１1 中 的 体 操 运 动 员 看 成 质 点 ？ 为 什 么 ？
2. 汽 车 、摩 托 车 的 里 程 表 上 ，记 录 的 是 路 程 还 是位移的大小？ 你出门乘坐出租车是按行驶 的路程付费，还是按位移的大小付费？
3. 用刻度尺量出1元硬币的直径，然后令它在 课桌上沿直线滚动10圈，试问：
（1） 硬币圆心的位移和路程各是多少？
（2） 硬币圆周上每一点的位移和路程的大小 是否相同？
4. 图１－１2表 示 垒 球 场 的 内 场 ，它 是 一 个 边 长
为１６．７７ ｍ的正方形，四角分别为本垒和一、
二、三垒。 一位球员击球后由本垒经一垒、二 垒跑到三垒，他的位移是多少？ 方向怎样？ 经 过的路程是多少？
5. 一个小球从4 m高处落下，被地面弹回后，某 人在1 m高处用手接住小球。 若以地面为坐
标 原 点 ，竖 直 向 上 为 正 方 向 作 坐 标 轴 ，将 小 球 下 落 处 和 手 接 球 时 的 位 置 在 坐 标 轴 上 表 示出来，并求出小球在这个过程中的位移。
6. 某校8时正开始上第一节课，上午共4节课，
每 节 课 45 min， 课 间 休 息 10 min， 请 在 时 间 轴上把它们表示出来。
家庭 项家庭 作 业 与 活 动
图１－１1 体 操 运 动 员 腾 空 翻 动 作 全 过 程 的 频 闪 照 片
图１－１2 垒 球 场
16.77 m 本 垒
三 垒
二 垒
一 垒
体运动经历的时间（图1-10）。
CCTV1 每晚的新闻联播从 19:00 开始，到 19:30 结束，播放时 间是30 min。 请说明“19:00”、“19:30”和“30 min”各指的是什么？
图１－10 时刻与时间 2 s 内
第2 s内
第2 s 末 第3 s 初
O 1 2 3 4 5 t/s
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怎样描述运动的快慢
物体的运动常常有快有慢，方向也会变化。 那么怎样描述物 体运动的快慢呢？ 由于物体的运动跟时间与空间有关，因此，为了 描述物体运动的快慢，物理学中就引入了一个跟时间和空间有关 的物理量，这个物理量就是速度。
什么 叫 速 度
为了定量地描述物体运动的快慢，我们从研究简单的直线运 动开始。
如图１－１3 所示，一辆汽车沿平直公路行驶，请仔细分析图中 秒表的示数和汽车的位移，判断汽车在做怎样的运动？
物体沿直线运动， 如果在相等的时间内通过的位移相等，这 种运动叫做匀速直线运动(uniform rectilinear motion)。
在 物 理 学 中 ， 把 物 体 通 过 的 位 移s 跟 发 生 这 段 位 移 所 用 时 间t 的 比 值 叫 做 速 度(velocity)。 用 v 表 示 速 度,则 有
ｖ ＝ ｓ ｔ
在国际单位制中，速度的单位是米每秒，符号为ｍ/ｓ（或 ｍ·ｓ-1）。
１．2
０ ３００ ６００ ９００ １２００ ｓ/ｍ
图１－１3 匀速直线运动
速度是经典力学中一个 重要的概念。 我国古代由于 一 直 没 有 建 立 速 度 概 念 ， 影 响了物理认识的发展。 亚里 士 多 德 也 没 有 抓 住 速 度 ， 而 从产生运动的原因去划分运 动， 导致得出一些不正确的 结论。 伽利略的高明之处，就 在于能抓住速度这一基本特 征对运动进行分类， 从而揭 示出运动的一些规律。
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汽 车
Ｌ ｌ
ｓ０
ｓ
高 速 列 车 道 口
栏 木 停 车 线
图１－１4 铁 路 与 公 路 的 交 叉 道 口
速度不仅有大小，还有方向。 速度的方向就是物体运动的方 向。
案例 分 析
■ 案 例 列车经过几次大提速后， 运行速度有了很大的提高，
设上海到南京的列车速度为v1=１８０ ｋｍ/ｈ。 为确保安全，在 铁路 与 公路 交 叉 的 道 口 处 需 装 有 自 动 信 号 灯 。 当列车还有一段距离才 到达公路道口时 ，道口应 亮出红灯，警告未 越过停车线的汽车迅 速制动，已越过停车线的汽车赶快通过。 如果汽车通过道口的速 度ｖ２＝３６ ｋｍ/ｈ， 停车线至道口栏木的距离 ｓ０＝ ５ ｍ， 道口宽度 ｓ ＝ ２６ ｍ，汽车长 l ＝ １５ ｍ（图 １－１4），并把火车和汽车的运动都看成匀 速直线运动。 问：列车离道口的距离L 为多少时亮红灯，才能确保 已越过停车线的汽车安全驶过道口？
■ 分析 为确保行车安全， 要求列车驶过距离
Ｌ
的时间内，已 越过停车线的汽车的车尾必须能通过道口。■ 解答 汽 车 越 过 停 车 线 至 车 尾 通 过 道 口 ， 汽 车 的 位 移 为 ｓ′＝ ｌ ＋ ｓ０＋ ｓ ＝ （１５ ＋ ５ ＋ ２６） ｍ ＝ ４６ ｍ
汽车速度ｖ２＝ ３６ ｋｍ/ｈ ＝ １０ ｍ/s，通过这段位移需要时间 ｔ ＝ ｓ′
ｖ２ ＝４６
１０s ＝ ４．６ ｓ
高速列车的速度ｖ１＝ １８０ ｋｍ/ｈ ＝ ５０ ｍ/ｓ，所以安全距离 Ｌ ＝ ｖ１ｔ ＝ ５０ × ４．６ ｍ ＝ ２３０ ｍ
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实际情况下，还应考虑到关闭栏木需要的时间以及预留的安 全时间等，所以在列车离道口更远时，道口就应该亮起红灯，发出 警告。
平均 速 度
匀速直线运动是一种理想化的运动。 实际物体的运动速度往 往是不断变化的，在每个相等时间内通过的位移也不相等。 图１－
１5中的汽车，在开始三个 ５ ｍｉｎ 内的位移逐渐增大，第 ４ 个 ５ ｍｉｎ 内的位移减小。 这表明，汽车的速度先增大，后减小。
物理学中，把运动物体在某段时间内的位移与发生这段位移 所需时间的比值，叫做平均速度（average velocity）。 平均速度常用 符号 ｖ 表示。 显然，公式 ｖ ＝ s
t 算出的 仅是某段时间（或某段 位 移）内的平均速度。
查一下最新的男子百米世界纪录， 并根据公式ｖ ＝ s
t 求速度 v=______，这是否表示运动员始终都以这么大的速度在运动呢？
如 果 物 体 做 匀 速 直 线 运 动 ， 任 意 选 取 几 段 时 间 （ 或 位 移 ），
算 出 的 这 些 平 均 速度之间有什么关系？
图１－１5 汽 车 的 变 速 运 动
0 10 20 30 40 50 60 s km
亚里士多德说过：“我们 不仅用时间计量运动， 也用 运动计量时间， 因为它们是 相互确定的。 ”
通过这个实例， 请你给 变速直线运动下一个定义。
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天 文 观 测 表 明 ， 几 乎 所 有 遥 远 的 恒 星 （或 星 系）都在以各自的速度背离我们而运动。 离我们越 远的恒星，背离我们运动的速度（称为退行速度）越 大，也就是说宇宙在膨胀。
美国天文学家哈勃（E. P. Hubble）根据观察总
结出一条规律：不同星体的退行速度ｖ跟它们离开 我们的距离ｒ成正比。 用公式表示为
ｖ ＝ Ｈｒ
式 中 Ｈ ＝ 3.17 × １０-18s-1，称 为 哈 勃 常 数 。
现在关于宇宙的起源较为认同的一种理论，认 为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的。 假设大 爆 炸 后 形 成 的 各 星 体 从 爆 炸 中 心 以 速 度 ｖ向 外 匀 速 运 动 ，并 设 想 我 们 恰 位 于 这 个 中 心 ，宇 宙 最 外 层 的星体离我们这个中心的距离为ｒ时， 它们从中心 运动到最外层所经历的时间为ｔ， 则由匀速运动公 式知
ｖ＝ ｒ ｔ
结 合 哈 勃 定 律 ， 我 们 就 可 以 得 到 形 成 如 今 尺 度 为ｒ的 宇 宙 所 经 历 的 时 间 ，即 宇 宙 的 年 龄 约 为
ｔ ＝ ｒ
v ＝ ｒHr = １
Ｈ = １
3.17 × １０-18
s ＝ 3.15 × １０17s 利 用 匀 速 运 动 公 式 和 哈 勃 定 律 估 算 宇 宙 年 龄
ＳＴＳ
图１－１6 宇 宙 大 爆 炸
请 换 算 一 下 ，这 段 时 间 约 等 于 多 少 年 ？
1． 平均速度跟速度的平均是不是一回事？
２． 平均速度等于零是否表示物体一定处于静止 状态？
3． 京沪铁 路 线长约１４６３ ｋｍ，特快列车从上海到 北京的运行时间是１４ ｈ。 生活中，我们把京沪 铁 路 线 长 度 除 以 列 车 运 行 的 时 间 得 到 的 速 度，跟物理学中的平均速度意义是否一样？
4． 关 于 平 均 速 度 的 下 列 说 法 中 ，含 义 正 确 的 是 Ａ． 汽车出发后１０ ｓ末的平均速度是５ ｍ/ ｓ Ｂ． 汽车在某段时间内的平均速度是５ ｍ/ｓ，
表示汽车在这段时间内每１ ｓ内的位移都 是５ ｍ
Ｃ． 汽车经过两路标间的平均速度是５ ｍ/ ｓ Ｄ． 汽车在某段时间内的平均速度，一定等于
它在 这 段 时 间 内 最 小 速 度 与 最 大 速 度 之 和的一半
5． 美国田径运动员刘易斯，在１９９１年的世界 田 径锦标赛 上创造了９．８６ ｓ的 百米跑当 时的 世 界纪录。 下表中给出了当时的实测记录。 请算 出每个１０ ｍ内的平均速度，并填入表中。
家庭 项家庭 作 业 与 活 动
位 移ｓ/ｍ 时间ｔ/ｓ
通过每１０ ｍ的时间Δｔ/ｓ
每１０ ｍ内的平均速度ｖ/（ｍ·ｓ-1）
０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００
０ １．８８ ２．９６ ３．８８ ４．７１ ５．６１ ６．４６ ７．３０ ８．１３ ９．００ ９．８６ １．８８ １．０８ ０．９２ ０．８３ ０．９０ ０．８５ ０．８４ ０．８３ ０．８７ ０．８６ 30
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课 题 研 究
在 初 中 ， 已 对 匀 速 直 线 运 动 作 过 初 步 的 研 究。 现在，可以运用DIS实验手段作进一步研究。
DIS是digital information system的 缩 写 ，意 思 是 数字信息系统。
DIS实验系统由物理量传感器、数据采集器、
计算机和数据处理软件组成， 它可实时采集、处 理 实 验 数 据 ，实 验 结 果 可 用 数 字 、图 形 等 形 式 显 示在屏幕上。
实验时，按图１－17所示安装器材，把运动传 感器的发射器固定在小车上，把接受器固定在木
板上，并使它们正对着放置。 在木板的一端垫上 木 块，仔细调节 垫 块 的 高 低 ，使小车能 做匀速 直 线运动。
接 通 发 射 器 电 源 ， 运 行 计 算 机 辅 助 系 统 软 件，在实验菜单上点击“研究匀速直线运动”。 推 动小车后，点击“数据记录”，屏幕上会显示位移- 时 间 图 像 （图１－18），再 点 击 “ｖ－ｔ图 像 ”，显 示 速 度-时间图像（图１－19）。 通过图像，可 以直观地 分析小车的运动规律。
图１－１7 用DIS研 究 匀 速 直 线 运 动
图１－19 匀速直线运动的v－ ｔ图像 图１－18 匀速直线运动的ｓ－ ｔ图像
用 DIS 研 究 匀 速 直 线 运 动
