高中物理教材必修1，2010年3月第一版。

前言

物理学与人类文明，在初中大家已经学习了一些物理知识和科学方法，进入高中之后，你们将会见识更为丰富多彩的物理现象，学到更为深刻的物理知识，进一步领悟科学研究的方法，增进对科学的感受，受到科学精神的陶冶。现在让我们在新的高度上概要了解一下物理学研究哪些问题它与其他科学和技术的关系，以及它对人类文明所起的作用。物理学是一门自然科学，它起始于伽利略和牛顿牛顿的年代，经过三个多世纪的发展，它已经成为一名有众多分支的令人尊敬和热爱的基础科学。

在远道宇宙深处禁止支持之间道道广袤苍穹小到微观粒子的浩瀚而又精细的时空中，物理学研究物质存在的基本形式，以及他们的性质和运动规律，物理学还研究物质的内部结构，在不同层次上认识物质的各种组成部分及其相互作用，以及他们运动和相互转化的规律，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重视逻辑推理的科学，由于自然界并不自动的展现其背后的本质规律和内在联系，所以物理学又是几乎动产力和想象力的科学，在物理学研究中形成的基本概念和理论基本实验方法和精密测试技术已经越来越广泛的应用于其他学科，进而其他的丰富了人类对物质世界的认识，其他的推动了科学技术的创新和革命，极大的促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。

物理学的发展促进了技术的进步，引发了一次又一次产业革命，现代物理学更是成为高新技术的基础，通过对图1到图8展示的内容可以窥见一斑。

物理学的发展孕育了技术的革新，促进了物质生产的繁荣，改变了人类的生产生活方式，推动了社会的进步，图9到图11，代表这一进程的几个重大事件。

物理学与思维观念物理学其他的丰富了人类对物质世界的认识也改变和扩展着人类的思维方式，物理学的每一个重大进展都是人类思维观念进步的伟大阶梯，图12到图14反映了这一阶梯的几个台阶。19世纪下半夜与经典力学热力学统计物理学和经典电动力学为主要内容的物理学，几乎能解释当时已知的所有物理现象，因此当20世纪第1个春天来临之际，久负盛名的英国物理学家，被英王胜利开尔文勋爵的威廉汤姆逊在新春献词的演说中，踌躇满志的宣告科学大厦已经基本建成后备物理学家，只需做一些零售的修补工作就可以了，但话音刚落，他的一眼就被一个接一个的重大发现所粉碎。

那么21世纪又会怎样呢？还会有重大的发现吗？著名法国物理学家诺贝尔获得者德布罗意，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他拥有无尽的财富，甚至在很先进的科学领域与物理学，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的掌握了自然界的全部财富。

事实正是这样，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子的强子，但是夸克为什么不能单独存在，寻找传递强相互作用的胶子的实验，能否得出预期的结果，如何将量子力学和广义相对论结合起来，以解释宇宙的起源和演化，此外自然界中最常见的运动状态，往往既不是完全确定的，也不是完全随机的，而是介于二者之间但为理解这类现象的混沌理论还远未成熟，所有这些都有带人们去探索。

纵观世界科学技术发展史，许多科学家的重要发现和发明都产生于风华正茂思想敏捷的青年时期，这是一条普遍性的规律。哥白尼提出日日心说时是38岁牛顿和莱布尼茨发明微积分时，分别是22岁和28岁爱迪生发明留声机时是29岁，发明电灯时是31岁，贝尔发明电话时是29岁，居里夫人发现三种元素的放射性是是31岁，2014版提出狭义相对论是是26岁提出广义相对论是是37岁，李称道和杨振宁指出若相互作用下宇称不守恒时，分别为30和34岁沃森和克里克提出DNA分子结构的双螺旋模型时分别是25岁和37岁。

尽管年轻人的知识不如老年人丰富，但却很少保守思想，最具创新精神，虽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学习中树立了创新精神，学到了科学方法积累的科学知识将会使你终身受益，江山代有才人出，各领风骚数百年，同学们努力啊。

第1章运动的描述。

在我们周围到处可以看到物体在运动，汽车在公路上飞驰，江水在咆哮着奔向远方，鸟儿在飞翔，树叶在摇动。连我们脚下的地球也在不停的自转，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，称为机械运动，在物理学中研究物体机械运动规律的分支叫做力学，人们在力学的研究中不仅了解了物体，做机械运动的规律，而且还创造了科学研究的基本方法。所以霍尔顿说无论从逻辑上还是从历史上讲力学，都是物理学的基础，也是物理学及其他科学研究的典范，力学之于物理学如同谷歌之于人体，在这一章我们研究怎样描述物体的运动。

第1节质点、参考系和坐标系。

对于机械运动你一定十分熟悉了，怎样描述机械运动呢？不同的人有不同的视角，诗人可以用气势磅礴这样的词语描述大河中的水流，用矫健如燕描述滑冰运动员轻盈的舞姿，画家可以用汽车后面的几个线球表示风，用来描述车辆的飞驰，科学家应该怎样描述物体的机械运动。

物体和质点雄鹰拍打着翅膀在空中翱翔，足球在绿茵场上飞滚，在这些司空见惯的现象中，雄鹰足球都在做机械运动，但是谁又能准确的描述其上各点的位置及其随时间的变化呢，雄鹰的身体在向前运动，但它的翅膀在向前运动的同时还在上下运动，足球在向前运动的同时还在滚动，可见要准确的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来说并不一样，你可能会想要是物体，都是一个个没有大小和形状的点的话，这些困难和麻烦不就自然的消失了吗？然而如果自然界中的物体包括我们每一个人都是一些没有大小和形状的点，这样的世界岂不过于单调乏味了吗？尽管这种想法与真实的自然界并不相符，但也不要因此而折断想象的翅膀。我们可以换一个角度提出这样一个问题，在现实的自然界中，在某些情况下，根据所要研究物体的性质，是否可以忽略某些物体的大小和形状，而把他们看作点呢？人类居住的地球在绕太阳公转同时又在自转，因此地球上的各部分离太阳的远近在不断变化，但是如果考虑到地球到太阳的距离长达1.5亿公里，而地球的直径只有1.3万公里，还不到它与太阳距离的1/10000，那么在研究地球公转的时候，由地球的大小而引起的地球上各部分的运动差异就可以忽略不计了，也就是说研究地球公转时可以忽略地球的大小和形状而把它看作点，同样在研究航天器的运行轨道时，也不必考虑它的形状姿态，而把它看作一个点。

一列火车在铁轨上行驶，它的发动机传动机构及车轮的运动也是很复杂的，但是当我们只关心列车整体的运动时，可以认为列车上各点的运动情况完全相同，因而可以用它上面一个点的运动表示列车这个庞然大物的运动，看来在某些情况下，我们可以忽略物体的大小和形状，而突出物体具有质量这个要素，把它简化为一个有质量的字典，这样的点称为质点，在另外一些情况下，我们虽然不能忽略物体的大小和和形状，但是可以用其上任意一点的运动来代替整个物体的运动，于是整个物体的运动也可以简化为一个点的运动，把物体的质量赋予把物体的质量赋予这个点，它也就成为了一个字典，从前面的讨论可以看出一个物体能否看成质点，是有问题的性质决定的，在研究地球的自转和调整飞船的飞行姿态时，或是研究火车车轮的运动时，如果再把地球飞船和火车当成质点，那就荒唐可笑了。参考系我们说房屋树木是静止的，这大概是不会错的，但是地球以外的人看到房屋树木在随着地球一起运动，铁路边的人看到火车上的乘客在飞快离去，而乘客却认为自己是静止的，他甚至可以靠在座椅上睡觉，为什么人们的看法会不一样？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，在此意义而言，我们说运动是绝对的，但是描述一个物体的位置及其随时间的变化，却又总是相对于其他物体而言的，这便是运动的相对性，可见要描述一个物体的运动，首先要选定某个其他物体，做参考观察物体相对于这个其他物体的位置是否随时间变化以及怎样变化，这种用来做参考的物体叫做参考系 reference frame.。

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个物体的运动，其结果会有所不同，例如在沿直线匀速飞行的飞机上，人们与飞机做参考系，看到从飞机上落下了重物，几乎是沿直线竖直下落的，而地面上的人与地面做参考系看到物体是沿着曲线下落的。由于运动描述的相对性，凡是提到运动都应该弄清楚它是相对哪个参考系而言的，参考系的选择是一个重要的问题，选取得当会使问题的研究变得简洁方便。

坐标系。为了定量的描述，物体的运动及位置的变化，需要在参考系上建立适当的坐标系coordinate system。

第2节时间和位移。

为了描述质点的运动，我们还要对时刻和时间等重要一些耳熟能详的词语有更为确切的认识，时刻和时间间隔时刻和时间间隔，既有联系又有区别，我们说上午8:00上课，8:45下课，这里的8时、8时 15分是这节课开始和结束的时刻，而这两个时刻之间的45分钟，这是两个时刻之间的时间间隔，再表示时间的数则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。

路程和位移一个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，显然在这几种情况下它所通过的路线，也就是它运动的轨迹是不一样的，我们在初中已经知道，路程是物体运动轨迹的长度，可见他所经过的路程也不相同，但是就位置的变动来说，无论是用什么交通工具走过了怎样不同的路程，它总是从北京到达了西南方向，直线距离约1300公里的重庆，几个位置的变动是相同的，当物体从某一点a运动到另一点b时，尽管可以沿不同的轨迹走过不同的路。但位置的变动是相同的，在物理学中用一个词叫做位移的物理量来表示物体质点的位置变化。

矢量和标量在物理学中像位于这样的物理量叫做矢量，它既有大小又有方向，而温度质量这些物理量叫做标量，它们只有大小没有方向，矢量相加和标量相加遵从不同的法则，例如一个袋子中原来有20千克大米，又放入10千克大米，那么现在的大米质量是30千克，也就是说两个标量相加遵从算术加法的法则，矢量相加的法则，与此不同，我们考虑下面的问题。

直线运动的位置和位移在本章和后面三章中，我们主要研究直线运动如图所示，在物体运动的直线上建立x轴，物体在时刻谢谢！t1除以位置x1在10克t2运动大位置x2那么物体的位移，等于两个位置的坐标变化。

第三节运动快慢的描述——速度

第4节：用打点计时器测速度