高中物理教材必修1（2010年3月第一版）：领略物理学与人类文明

高中物理教材必修1，2010年3月第一版。

前言

在初中阶段，同学们已接触了一些物理知识和科学探究的方法。步入高中，你们将有机会目睹更加绚丽多彩的物理现象，掌握更为丰富的物理知识，深入理解科学研究的过程，提升对科学的感悟，并受到科学精神的熏陶。让我们站在新的起点上，简要梳理物理学探讨的核心议题，它同其他科学及技术的相互联系，以及它在人类文明进程中所扮演的角色。物理学，作为一门自然科学，其起源可追溯至伽利略与牛顿的时代，历经三个多世纪的演进，现已发展成为拥有众多分支的备受尊敬和喜爱的基础学科。

在遥远的宇宙边缘，禁止探索那浩瀚无垠的苍穹，从微观粒子到宏观宇宙，物理学致力于探究物质的基本形态，揭示其性质与运动法则。此外，它还深入物质内部，多层次地解析物质组成和相互作用，以及它们运动与转化的规律。因此，称物理学为研究万物之理的学问，实不为过。

物理学既是一门以实验为基础的科学，又是一门推崇理性、强调逻辑推理的学科。然而，自然界并不总是直接揭示其深层的规律和内在联系，因此，物理学也几乎可以说是对动产力和想象力的一种挑战。在物理学研究中，所形成的基本概念和理论，以及实验方法和精密测试技术，已日益被广泛应用于其他领域，这不仅丰富了人类对物质世界的理解，也推动了科学技术的创新与变革，极大地促进了物质生产的兴盛和人类文明的进步。

物理学研究的不断深入推动了技术领域的革新，催生了接连不断的产业变革，而当代物理学更是构成了高新技术发展的基石，通过观察图1至图8所呈现的内容，我们便能一窥其貌。

物理学进步催生了技术变革，这一变革又推动了物质生产的兴盛，进而影响了人类的生产与生活方式，加速了社会的发展步伐，图9至图11展示了这一发展历程中的若干关键事件。

物理学不仅丰富了我们对物质世界的理解，同时也对人类的思维模式产生了影响和拓宽，每一次物理学领域的重大突破，都标志着人类思维观念的巨大飞跃，这一系列进步的里程碑，在图12至图14中得到了具体的展现。19世纪后半叶，物理学领域以经典力学、热力学、统计物理学和经典电动力学为核心，几乎涵盖了当时所有已知的物理现象。然而，随着20世纪春天的到来，英国物理学家，享有盛誉的威廉·汤姆逊，在英王胜利的开尔文勋爵的演讲中，满怀信心地宣称科学的大厦已基本完工，未来的物理学家只需进行一些细节上的完善。然而，他的话语刚落，一连串的重大发现便将他的预言击得粉碎。

那么，21世纪将呈现何种景象？是否会有新的重大发现诞生？在法国著名物理学家、诺贝尔奖得主德布罗意的《物理学的未来》一文中提到，随着我们知识的不断拓展，自然界以其丰富的多样性不断展现其无尽的宝藏。即便是在科学高度发达的领域，如物理学，我们也没有理由断言我们已经触及了自然财富的极限，或者认为自己已经全面掌握了自然界所有的财富。

确实如此，物理学领域内至今仍存在诸多未解之谜。比如，物质结构理论中，夸克被认为是构成质子和中子的基本粒子，然而，为何夸克无法独立存在？对于寻找传递强相互作用的胶子的实验，其结果是否能够达到预期？此外，量子力学与广义相对论如何有效融合，以阐释宇宙的诞生与演变过程，也是一个难题。再者，自然界中最为普遍的运动状态，并非绝对确定，亦非完全随机，而是介于这两者之间。然而，对这类现象的混沌理论尚未完善，所有这些问题都引导着人们不断探索。

在世界科学技术的发展历程中，众多科学家的关键发现与创造往往是在他们风华正茂、思维敏捷的青年时代诞生的，这一现象已成为一种普遍存在的规律。哥白尼在38岁时提出了日心说，而牛顿和莱布尼茨分别于22岁和28岁发明了微积分。爱迪生在29岁时发明了留声机，31岁时又发明了电灯，贝尔在同岁29岁时发明了电话。居里夫人在31岁时发现了三种元素的放射性。2014版狭义相对论是在26岁时提出的，广义相对论则是在37岁时提出的。李政道和杨振宁在30岁和34岁时指出，在相互作用下宇称不守恒。沃森和克里克在25岁和37岁时提出了DNA分子结构的双螺旋模型。

尽管年轻人的学识可能不及老年人丰厚，但他们却鲜少抱有守旧观念，充满创新活力。纵然大多数同学将来可能不会从事基础科学研究，然而，在高中物理学习中培养的创新精神，掌握的科学方法和积累的科学知识，都将伴随你一生，受益无穷。江山代有才人出，各领风骚数百年，同学们，加油吧！

第1章运动的描述。

四周遍布着运动的物体，汽车沿着公路疾驰，江水怒吼着流向远方，鸟儿在空中翱翔，树叶随风轻轻摇曳。我们脚下的地球无时无刻不在自转，公转，而公转物体的空间位置随时间的推移发生改变，这种运动形态在自然界中是最为简单和基础的，被称为机械运动。在物理学领域，专门研究物体机械运动规律的部分被称为力学。通过力学的研究，人们不仅揭示了物体进行机械运动的规律，还创立了科学研究的基本方法。因此，霍尔顿认为，无论是在逻辑层面还是在历史维度上，力学都构成了物理学的基石，并成为物理以及众多科学研究的典范。力学对于物理学的重要性，就如同谷歌对于人体研究一般显著。在本章中，我们将探讨如何对物体的运动进行描述。

第1节质点、参考系和坐标系。

机械运动这一概念您一定已经非常熟悉了，那么，我们该如何对其进行描述呢？不同的人会从各自的视角出发，例如，诗人会用“气势磅礴”来形容河流中的水流，用“矫健如燕”来描绘滑冰运动员那轻盈的舞步；画家则可能用汽车尾部的几个线条来象征风，以此来展现车辆疾驰的景象。那么，对于科学家来说，他们又是如何来描述物体的机械运动的呢？

物体与质点，如同雄鹰振翅于天际，足球在绿茵上疾驰，这些日常景象中，雄鹰与足球均在进行机械运动。然而，又有谁能精确地描绘出它们各个部分的位置及其随时间的推移所发生的改变呢？雄鹰在向前飞行的同时，其翅膀亦在上下摆动，足球在前进的过程中亦在滚动。由此可见，要精确地描述物体的运动轨迹并非易事。

困难与挑战的根源在于，经过一番剖析便能明了，任何实体均具备特定的尺寸与形态，且其各部分的运动状态通常各异。假若所有物体均简化为无尺寸、无形态的点，那么这些难题或许会迎刃而解。然而，若自然界中的万物，包括我们自身，都仅是些无尺寸、无形态的点，那么这个世界岂不是过于单调与无趣？即便这种观念与自然界的事实不尽相同，我们也不应因此束缚住思维的翅膀。换个角度思考，在自然界中，针对特定研究目标，是否有可能忽略某些物体的尺寸与形态，将其视为点来处理呢？地球在围绕太阳旋转的同时，也在自转，导致地球上不同区域与太阳的距离持续变动。然而，地球与太阳之间的距离达到1.5亿公里，而地球本身的直径仅为1.3万公里，这还不到与太阳距离的万分之一。因此，在探讨地球公转的课题时，由于地球尺寸带来的运动差异极小，我们可以将其忽略不计。换言之，在研究地球公转时，我们可将地球视为一个点，无需考虑其大小与形状。同理，在研究航天器的运行轨道时，也不必关注其形状和姿态，只需将其简化为一个点即可。

火车沿着铁轨前行，其发动机传动机构和车轮的运作相当复杂，然而，若我们仅关注列车整体的运动，便可以假定列车上各点的运动状态一致，因此，选取列车上的任一点的运动即可代表整个列车的运动。在某些特定情境下，我们甚至可以忽略物体的尺寸和形状，只关注其质量属性，将物体简化为一个有质量的点，这样的点被称作质点。而在其他情境中，即便不能忽视物体的尺寸和形状，我们仍能利用物体上的任意一点的运动来代表整个物体的运动，从而将物体的运动简化为单一点的运动，并将质量属性赋予该点，使其成为一个质点。从上述讨论中可以得出，一个物体是否可以被视作质点，取决于其特定的性质。例如，在研究地球的自转、调整飞船的飞行姿态，或是探讨火车车轮的运动时，若将地球、飞船或火车视为质点，那将显得荒谬可笑。以我们的视角来看，房屋与树木似乎处于静止状态，这通常不会有误，然而，对于地球之外的人来说，他们观察到房屋和树木正随地球一同移动；站在铁路旁的人则会看到火车上的乘客迅速远去，而那些乘客却觉得自己并未移动，甚至可以舒适地靠在座椅上小憩，这究竟为何会导致人们的观察结果产生差异呢？自然界中，所有物体都在持续不断地运动，不存在绝对静止的实体。从这个角度来讲，我们认定运动是普遍存在的。然而，当我们试图描述某个物体的位置及其随时间的变化时，这种描述总是基于与另一个物体的比较。这就是运动的相对性。因此，为了准确描述一个物体的运动，我们必须选择一个参照物，观察该物体相对于这个参照物的位置是否以及如何随时间变化。这样的参照物被称为参考系。

在描述物体运动时，我们可以自由地选取参考系，但若采用不同的参考系来观测同一物体的运动，观察到的结果会有所差异。比如，当飞机沿直线匀速飞行时，以飞机为参考系，人们会观察到从飞机上掉下的重物几乎垂直直线落下；然而，若以地面为参考系，地面上的人则会看到该物体沿着曲线轨迹下降。运动描述具有相对性，因此，在提及运动时，必须明确其参照的是哪个参考系。参考系的选择至关重要，正确的选择能够使研究过程变得更加简明和便捷。

在描述物体运动和位置变动时，为了实现量化的表达，我们必须在参照框架内构建一个恰当的坐标系统。

第2节时间和位移。

为了详细阐述质点的动态，我们必须对诸如时刻与时间等习以为常的概念拥有更为精确的理解。时刻与时间间隔，二者既相互关联，又存在差异。例如，当我们说上午8点开始上课，8点45分结束课程时，这里的8点、8点15分分别代表了课程的起始与结束时刻；而这两个时刻之间的45分钟，则构成了它们之间的时间间隔。在表示时间时，时刻通常以点来表示，而时间间隔则以线段来表示。在日常用语中，我们提到的时间有时指的是具体的时刻，有时则指两个时刻之间的持续时间。因此，我们必须根据具体的语境来判断其确切含义。

从北京至重庆的行程，个人可挑选多样化的交通手段，诸如乘坐火车或飞机，亦或是先乘火车抵达武汉，继之乘轮船沿长江逆流而上。显而易见，在这几种选择中，其行进路径，亦即运动轨迹，各有差异。回顾初中所学，路程即为物体运动轨迹的总长度，因此，所经历的路程亦不尽相同。然而，就地理位置的变化而言，不论采用何种交通工具，无论行程如何不同，最终都从北京抵达了位于西南方向、直线距离约1300公里的重庆。几个位置的变化是共同的，即物体从一点a移动至另一点b时，尽管可能沿着不同的路径行进，所经历的路线各异。位置的调整保持一致，在物理学领域，我们使用“位移”这一概念来描述物体在空间中的位置变动。

在物理学领域，存在两类物理量，一类是矢量，它不仅具有大小，还拥有方向，例如速度和力；另一类是标量，它仅有大小，如温度和质量。矢量与标量的加法遵循不同的规则。比如，一个袋子里原本有20千克的大米，若再添加10千克，那么现在的大米总质量将是30千克，这表明标量的加法遵循算术加法规则。而矢量加法的规则则与此不同，接下来，我们将探讨这一问题。

在本章及后续三章中，我们将重点探讨直线运动的相关内容。具体而言，我们将以直线运动为例，如图所示，在物体运动的轨迹上设定x轴。在时刻t1，物体的位置为x1；在时刻t2，物体的位置变为x2。因此，物体的位移，即位置坐标的变化，可以通过计算这两个位置坐标的差值来得出。

第三节运动快慢的描述——速度

第4节：用打点计时器测速度