1、物理选 择 性 必 修第一册普通高中教科书上海科学技术出版社WULI第一册上海科学技术出版社物理第一册普通高中教科书选 择 性 必 修物理选择性必修定价：8.70元1 物理普通高中教科书必性择选修第一册上海科学技术出版社2主编：蒋最敏 高 景本册主编：高 景编写人员：（以姓氏笔画为序）周上游 於 丰 郑百易 高 景责任编辑：张 燕 金波艳 李林高美术设计：房惠平普通高中教科书 物理 选择性必修 第一册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版上海世纪出版(集团)有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路71号邮政编码200235）发行上海新华书店印刷当纳利（上海）信息技术有限公司版次20
2、21 年 3 月第 1 版印次2021 年 3 月第 1 次开本890 毫米 1240 毫米1/16印张6.75字数147 千字书号ISBN978-7-5478-5294-1/G1032定价8.70 元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印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十三条有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。目录第一章动量 1第一节 相互作用中的守恒量 动量 2第二节 物体动量变化的原因 动量
3、定理 6第三节 动量守恒定律 11第二章机械振动 22第一节 机械振动简谐运动 23第二节 简谐运动的回复力和能量 28第三节 单摆 32第四节 受迫振动 共振 381目录第三章机械波 44第一节 机械波的形成和传播 45第二节 机械波的描述 49第三节 机械波的反射和折射 54第四节 机械波的干涉和衍射 57第五节 多普勒效应 63第四章光 70第一节 光的折射 71第二节 全反射 78第三节 光的干涉 81第四节 光的衍射和偏振 87第五节 激光 922目录第一章动 量碰撞现象在自然界和生活中普遍存在，如陨石与星球的碰撞、打桩机打桩、台球的母球撞击彩球、空气分子间的碰撞等。碰撞现象是重要的
4、物理现象。无论是宏观还是微观领域，碰撞都是发现新现象、探索新规律的重要手段。在研究物体间相互作用的规律时人们逐步认识到，各种复杂现象的背后蕴藏着某些简单而深刻的原理。科学研究的目标之一就是发现复杂自然现象背后的简单法则。在必修课程中，我们已经学习了牛顿运动定律和机械能守恒定律。在本章中，将学习并理解冲量和动量的概念，理解动量定理和动量守恒定律，了解物体间碰撞的特点。在学习中，通过猜想、假设与实验，探寻碰撞过程中的守恒量；通过分析碰撞和反冲现象，体会用守恒定律分析问题的方法，加深对不同物理知识之间关系的理解，进一步发展“相互作用”“能量”“系统”和“守恒”的观念，感受物理学理论所描述的自然界的和
5、谐与统一。2第一章 动 量第一节相互作用中的守恒量 动量在物理学的发展历程中，物理学家逐渐形成了这样的观念：物理学的任务是发现普遍的自然规律；自然过程中包含着某种物理量的不变性，即存在守恒量，是物理规律最基本的表现形式之一。物理学家在探求自然规律的过程中，不断地探寻着不同的守 恒量。能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。历史上，“能量守恒”曾不止一次受到质疑。每当出现这样的情况，都伴有新能量形式的发现。例如，摩擦导致运动物体的机械能减小，能量似乎消失了；通电的导线会发热，导线的能量似乎增加了。进一步研究上述现象发现了内能和电能，拓展了能量的内涵，推动了物理学的发展。众多学者都曾卷入“什么是相互作
6、用中运动的守恒量”的争论。这一争论从 17 世纪末一直延续到了 18 世纪中期。一部分学者认为，守恒量是“以速度及物质之量联合度之”的，即 mv；另一部分学者认为，这一守恒量应为 mv2。这些学者关于何为“相互作用中运动的守恒量”的观点各不相同，但他们的描述均与质量 m 和速度 v 有关。寻找碰撞过程中的守恒量以水平气垫导轨上的两个滑块为研究对象，用频闪技术拍摄滑块的运动过程，测量它们的质量和碰撞前后的速度，探寻这个守恒量是质量与速度的乘积 mv，还是质量与速度平方的乘积 mv2。考虑到碰撞涉及两个物体的质量，以及它们碰撞前、后的速度，我们从最简单的情况开始实验探索。如图 1-1 所示，选择两
7、个质量均相等的滑块 A 和 B 置于水平导轨上，滑块 B 前端装有轻质弹簧。推动滑块 A，使其与静止的滑块 B 碰撞。分别测量两滑块碰撞前、后的速度。实验结果如表 1-1 所示。（a）（b）ABAB图 1-1 实验图（一）3第一节 相互作用中的守恒量 动量本次实验中，每个滑块的质量与速度的乘积 mv、质量与速度平方的乘积 mv2在碰撞前后均发生变化。对数据做进一步分析发现，两个滑块的 mv 之和与 mv2之和在碰撞前后几乎不变。这个实验结果提示我们两个滑块碰撞前后的 mv 之和、mv2之和均有可能是碰撞中的守恒量。改变实验中的碰撞方式，使碰撞后 A、B 两滑块一起运动。如图 1-2 所示，仍选
8、用质量均为 0.207 kg 的 A、B 两个滑块，在两滑块相对的面上固定尼龙搭扣，一旦搭扣互相接触，两滑块将粘在一起。碰撞前滑块 B 静止，滑块 A 向右运动与滑块 B 碰撞，实验结果如表 1-2 所示。表 1-1 实验数据记录表（一）滑块质量 mA=mB=0.207 kg物理量vA/（ms-1）vB/（ms-1）mAvA/（kgms-1）mBvB/（kgms-1）mAvA2/（kgm2s-2）mBvB2/（kgm2s-2）碰撞前0.36207.4910-202.7110-20碰撞后00.35807.4110-202.6510-2表 1-2 实验数据记录表（二）滑块质量 mA=mB=0.20
9、7 kg物理量vA/（ms-1）vB/（ms-1）（mAvA+mBvB）/（kgms-1）（mAvA2+mBvB2）/（kgm2s-2）碰撞前0.34207.0810-22.4210-2碰撞后0.1680.1686.9610-21.1710-2在本次实验中，A、B 两个滑块的质量与速度的乘积 mv 之和在碰撞前后几乎没有发生变化，但质量与速度平方的乘积 mv2之和明显减小。可见，mv2不可能是碰撞中的守 恒量。为了进一步研究 mv 之和是不是碰撞中的守恒量，应考虑更为一般的情况。如图 1-3 所示，选用两个质量不等的滑块 mA和 mC，mA=0.207 kg，mC=0.104 kg。碰撞前两滑
10、块相向运动，滑块 A 向右运动，速度 vA的大小为 0.544 m/s，滑块 C 向左运动，速度 vC的大小为 0.387 m/s；碰撞后两滑块弹开，滑块 A 向左运动，速度大小为0.069 m/s，滑块 C 向右运动，速度大小为 0.832 m/s。AABB（a）（b）图 1-2 实验图（二）4第一章 动 量分析表 1-3 中的数据可知，两滑块碰撞前后质量与速度乘积 mv 的矢量和基本保持 不变。综合上述实验结果可以猜想，在碰撞中的守恒量可能是 mv 的矢量和。在物理学中，把物体的质量与速度的乘积称为动量（momentum），用符号 p 表示。p=mv在国际单位制中，动量的单位是千克 米/秒
11、（kgm/s）。动量是一个矢量，它的方向与速度的方向相同。大量实验表明，在一定条件下，相互作用的两物体动量的矢量和是守恒量。问题 思考与1.列举学过的物理量中的守恒量，这些物理量的守恒是否有前提？2.某同学乘坐摩天轮随座舱在竖直平面内做匀速圆周运动。在摩天轮转动一周的过程中，该同学的动量是否变化？3.一名高中生骑自行车上学，估算他以正常速度骑行时的动量。将第三次实验的数据填入表 1-3，讨论 A、C 两滑块碰撞前后质量与速度的乘积mv 之和是否保持不变。自 主 活 动表 1-3 实验数据记录表（三）mA=_ kg，mC=_ kg物理量vA/（ms-1）vC/（ms-1）mAvA/（kgms-1
12、）mCvC/（kgms-1）（mAvA+mCvC）/（kgms-1）碰撞前碰撞后ACAC（a）（b）图 1-3 实验图（三）5第一节 相互作用中的守恒量 动量4.质量为 1.2 t 的家用轿车，其 0100 km/h 直线加速阶段的 v-t 图像如图 1-4 所示。该车在第2.5 s 至第 4.5 s 的时间间隔内动量变化了多少？5.如图 1-5 所示，一只质量为 0.18 kg 的垒球，以 25 m/s 的速度飞来，被运动员以 40 m/s 的速度反向击回。击球前后垒球动量的变化量为多大？6.如图 1-6 所示，两个形状相同的小球 A、B，质量分别为20 g 和 10 g，用等长的细线悬挂在
13、同一高度。第一次保持B 球竖直悬挂，将 A 球拉至某高度由静止释放；第二次保持 A 球竖直悬挂，将 B 球拉开，从相同高度由静止释放。两球两次碰撞前后的速度如表 1-4 所示。根据上述实验数据，能否得出“碰撞过程中守恒的物理量就是动量”的结论？图 1-4图 1-5图 1-6表 1-4碰撞情况碰撞前 A 的速度 vA碰撞前 B 的速度 vB碰撞后 A 的速度 vA碰撞后 B 的速度 vBA 碰 B1 m/s00.33 m/s1.33 m/sB 碰 A01 m/s0.66 m/s-0.33 m/s6第一章 动 量第二节物体动量变化的原因 动量定理通过碰撞实验寻找相互作用中的守恒量时发现，碰撞前后两
14、个物体动量的矢量和不变，但每个物体的动量都发生了变化。单个物体动量发生变化的原因是什么？冲量推动一辆质量为 m 的小车，使其由静止开始加速到速度 v，小车的动量由 0 增加为mv。由牛顿运动定律可知，若由一名儿童用较小的力推动该车，所需的时间较长；换由一位成人用较大的力推，则所需时间较短。可见，物体动量的变化不仅与作用力有关，还与力的作用时间有关。假设小车仅在水平恒力 F 的作用下，沿光滑的水平地面做匀加速直线运动，从 t0到 t（t=t-t0），速度由 v0增加到 v，则动量由 mv0增大到 mv。以小车为研究对象，设小车加速度为 a，由牛顿第二定律和运动学知识可知F=ma t-t0tv-v
15、0va=整理可得F(t-t0)=mv-mv0=p-p0即 Ft=p-p0p0和 p 分别表示加速过程始、末两个状态小车的动量。上式表明，小车动量的变化由作用力 F 和作用时间 t 共同决定，只要两者的乘积Ft 相同，小车动量的变化就相同。在物理学中，把作用力与其作用时间的乘积称为冲量（impulse），用符号 I 表示。I=Ft冲量是矢量，它的方向与力 F 的方向一致。在国际单位制中，冲量的单位是牛顿 秒，符号为 Ns。利用上式可直接计算恒力的冲量。以力 F 为纵轴，时间 t 为横轴作 F-t 图像，若 F0为恒力，图像为平行于横轴的直线，如图 1-7 所示，直线与横轴所围面积可表示 0t1时
16、间内力 F0的冲量大小。图 1-7 恒力的 F-t 图像7第二节 物体动量变化的原因 动量定理动量定理在实际情况中，物体往往在某一时间段 t 内受到多个力的作用，这些力在 t 时间内的共同作用效果与其合力在这段时间内的作用效果相同。因此，物体在 t 时间内动量的变化等于其所受合力 F合在这段时间内的冲量，即F合t=p-p0这一关系称为动量定理（theorem of momentum）。上述动量定理的推导是从物体在恒力作用下的特殊情形中得出的结论。变力作用下物体的动量变化是否也遵循动量定理？大家谈如果物体受到一个大小随时间变化的力的作用，力随时间变化的关系如图 1-8 所示，如何确定这个力的冲量？图 1-8 某个变力的 F-t 图像在上述活动中，小车虽然受到变力作用，但动量定理依然成立。进一步的研究表明，物体在变力作用下动量定理也成立。示例 高空抛物存在极大的安全隐患，即使从楼上落下一枚小小的鸡蛋，也可能把路上的行人砸伤。假设鸡蛋撞击地面的持续时间约为 0.01 s，估算一枚由 7 楼自由下落的鸡蛋对地面的平均冲击力有多大。分析：根据实际情况，估算鸡蛋的质量和下落高度。由自由落体运动的规
