高中物理第一册

高中物理第一册

一 力

力和力的图示

力是物体之间的相互作用，一个物体受到力的作用，一定有另外的物体施加这种作用。前者是受力物体，后者是施力物体。只要有力发生，就一定有受力物体和施力物体。有时为了方便，只说物体受到了力，而没有指明施力物体，但施力物体 一定是存在的。

力的大小可以用测力计（弹簧秤）来测量，在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称牛，符号是N。

力不但有大小，而且有方向。物体受到的重力是竖直向下的，物体在液体中受到的浮力是竖直向上的，力的方向不同，它的作用效果也不同，作用在运动物体上的力，如果方向与运动方向相同，将加快物体的运动；如果与运动方向相反，将阻碍物体的运动，可见，要把一个力完全表达出来，除了力的大小，还要指明力的方向。

力可以用一根带箭头的线段来表示。线段是按一定比例来画出的，它的长短表示力的大小，它的指向表示力的方向，箭头或箭尾表示力作用点，力的方向所沿的直线叫做力的作用线。这种表示力的方法，叫做力的图示。

图1－1中的力的图示表示作用在小车上的力为100N,方向水平向左。有时只需要画出力的示意图，即只在图中画出力的方向。表示物体在这个方向上受到了力。

力的种类

从力的性质上来看，力学中经常遇到的有重力、弹力、摩擦力、。我们还会见到拉力、压力、支持力、动力、阻力等，这是根据力的效果来命名的。效果不同的力，性质可以相同。例如压力和支持力都是弹力，只是效果不同。性质不同的力，效果可以相同。例如不论是什么性质的力，只要效果是加快物体运动的，就可以称它为 动力；效果是阻碍物体运动的，就可以称它为阻力，今后我们还会遇到根据效果来命名的力的名称。

二 重力

重力

地球上一切物体都受到地球的吸引，这种由于地球的吸引而使物体受到的力叫做重力。一个物体受到10N的重力，也可以说这个物体的重量是10N。

重力不但有大小，而且有方向。悬挂析绳子静止总是竖直下垂的，由静止开始落向地面的物体总是竖直下落的，可见重力的方向是竖直向下的。

重力的大小可以用弹簧秤测出。物体静止时对弹簧的拉力或压力，大小等于物体受到的重力。用悬绳挂着的静止物体，用静止的水平支持物支持的物体，对竖直绳的拉力或对水平支持物的压力，大小等于物体受到的重力。

在已知物体质量的情况下，重力的大小可以根据初中学过的重力G跟质量m成正比的关系式G＝mg计算出来，式中g＝9.8N/kg，表示质量是1kg的物体 是9.8N。

重心 一个物体的各部分都要受到重力的作用，从效果上看，我们可以认为各部分

受到的重力作用于一点，这点叫做物体的重心。

质量均匀分布的物体（均匀物体），重心的位置只跟物体的形状有关，有规则形状的均匀物体，它的重心就在几何中心上。例如，均匀细直棒的重心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱的重心在轴线的中点。

质量分布不均匀的物体，重心的位置除跟物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化。起重机的重心随着提升物的重量和高度而变化。

三 弹力

被拉长的或被压缩的弹簧对跟它接触的小车产生力的作用，可以使小车运动起来，被压弯的细木棍或细竹竿对跟它接触 的圆木产生力的作用，可以把圆木推开。发生弯曲的跳板对跟它接触的运动员产生力的作用，可以把运动员弹起来。物体的伸长、缩短、弯曲等等，总之物体的形状或体积的改变，叫做形变。上面的例子说明，归生形变的物体，由于要恢复原状，对跟它接触的物体会产生力的作用。这种力叫做弹力。如果形变 大，超过一定限度，物体的形状将不能恢复，这个限度叫做弹性限度。地球对物体 产生重力，并不需要地球和物体直接接触。弹力则不同，弹力 产生在直接接触并发生形变的物体之间。

不仅细木棍、弹簧等能发生形变，任何物体都能发生形变，晃能发生形变的物体 不存在的，不过有的形变比较明显，可以直接看出来，明的形变极其微小，要用仪器才能显示出来。把物体挂在弹簧上，弹簧伸长，对被挂物体产生向上的弹力，只是细线的伸长很微小，直接观察不到。

弹力的大小跟形变的大小有关系。在弹性限度内，形变越大，弹力也越大形变消失，弹力就随着消失。对于拉伸形变（或压缩形变）来说，伸长（或缩短）的长度越大，产生的弹力就越大。例如弹簧伸长或缩短的长度越大，弹力就越大。对于弯曲形变来说，弯曲的越厉害，产生的弹力就越大。把弓拉得越满，箭就射的越远。用力扭横杆，可以使金属丝发生扭转形变。扭转提越厉害，产生的弹力就越大。

可见，通常所说的压力和支持力都弹力。压力的方向垂直于支持面面指向被压的物体，支持力的方向垂直于支持面而指向被支持的物体。

可见，通常所说的拉力也是弹力，绳的拉力是绳对所拉物体的弹力，方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向。

四 摩擦力

滑动摩擦 摩擦力也是两个互相接触的之间产生的。一个物体在另一个物体表面上相对于另一个物体滑动的时候，要受到另一个物体阻碍它相对滑动的力，这种力叫做滑动摩擦力。滑动摩擦力的方向总跟接触面相切，并且跟物体的相对运动的方向相反，实验表明滑动摩擦力跟压力成正比，也就是跟一个物体另一具物体表面的垂直作用力成正比。如果用F表示滑动摩擦力的大小，用FN表示压力的大小，则有

F＝uFN

基中U是比例常数，叫做动摩擦因数，它的数值跟相互接触的两个物体的材料有关，材料不同，两个物体之间的动摩擦因数也不同，动摩擦因数还跟接触面的情况（如粗糙程度）有关，在相同的压力下，动摩擦因数越大，滑动摩擦力就越大。动摩擦因数是两个比

的数值，没有单位。

除了滑动摩擦，还有滚动摩擦。滚动摩擦是一个物体在另一个物体表面上滚动时间生的摩擦。滚动摩擦比滑动摩擦小得多，滚动轴承誻得用滚动摩擦小的事实制成的。

静摩擦

滑动摩擦是一个物体在另一个物体表面上相对滑动的时候发生的，互相接触的两个物体处于相对静止的时候，是不是也可以发生摩擦呢？我们用不大的水平力在水平地板上推箱子有相对于地板运动的趋势，但箱子并没有动，就是因为箱子跟地板之间发生了摩擦。这个摩擦力的推力都作用在箱子上，它们的大小相等，方向相反，彼此平衡，因此箱子保持不动。这时发生的摩擦叫做静摩擦。静摩擦力的方向总跟接触面相切，并且跟物体相对运动趋势的方向相反。

逐渐增大对箱子的推力，如果推力还不够大，箱子仍旧保持不动。静摩擦力跟推力仍旧彼此平衡。可见静摩擦力随着推力的增大而增大，但是静摩擦力的增大有一个限度，静摩擦力的最大值叫做最大静摩擦力。推力超过最大静摩擦力，就可以把箱子推动了。最大静摩擦力等于使箱子刚要运动时的推力。两物体间实际发生的静摩擦力在零和最大静摩擦力之间。

静摩擦力是很常见的。拿在手中的瓶子、千周笔不会滑落，就是静摩擦力作用的结果。能把线织成布，把布缝成衣服，也是靠静摩擦力的作用。静摩擦力在生产技术中的应用也很多。皮带运输机是靠货物和传送带之间的静摩擦力，把货物送到高处的。

五 力的合成

在大多数实际问题里，物体 不只受到一个力，而是同时受到几个力。一个物体受到几个力共同做用的时候，我们常常可以求出这样一个力，这个力产生的效果跟原来几个力共同产生的效果相同，这个力就叫做那几个力的合力，求几个力的合力叫做力的合成。几个力如果都作用在物体的同一点，或者它们的作用线相交于同一点，这几个力叫做共点力。下面用实验两个共点力的成。

实验表明，如果用两个共点力国F1和F2的线段做邻边作平行四边形，那么，合力F的的大小和方向就可以用这两个邻边之间的对角线表示出来，这叫做力的平行四边形定则。

如果有两个发上的共点力作用在物体上，我们也可以应用平行四边形定则求出它们的合力：先求出任意两个力的合力，再求出这个合力跟第三个力的合力，直到把所有的力都合成进去，最后得到的结果就是这些力的合力。

根据力的平行四边形定则作图，可以看出，力F1和力F2的合力F的大小和方向随着F1和F2之间的夹角变化而变化。当夹角等于0的时，力F1和F2在同一直线上且方向相同，F＝F1＋F2，合力的大小等于两个力的大小之和，合力的方向跟两个力的方向相同。当夹角等于180时，力F1和F2在同一直线上但方向相反，F＝F1－F2，合力的大小等于两个力的大小之差，合力的方向跟两个力中较大的那个力的方向相同。

力既有大小，又有方向，力的合成要遵守平行四边形定则，在物理学中，像这样的物理量叫做矢量，力是矢量，我们在初中学过的速度也是矢量。而长度，质量，时间，温度，能量等物理量，只有大小同，没有方向，在物理学中叫做标量。

六 力的分解

作用在物体上的一个力往往产生几个效果，拖拉机拉着耙来耙地，对耙的拉力F是斜向上的，这个力产生两个效果：使耙克服泥土的阻力前进，同时把耙上提。这两个效果相当于两个力分别产生的：一个水平的力F1使耙前进，一个竖直向上的力F2把耙上提。可见力F可用两个力F1和F2来代替，力F1和力F2就叫做力F的分力。求一个已知力的分力叫做力的分解。

因为分力的合力就是原来被分解的那个力，所以力的分解是力的合成的逆运算，同样遵守平行四边形定则。把一具已知力F作为平行四边形的对角线，那么，与力F共点的平行四边形的两个邻边，就表示力F的两个分力。在图中，F1和F2是F的两个分力。

我们知道，如果没有基他，对于同一条对角线，可以作出无数对大小、方向不同的分力。一个已知力究竟该怎样分解，这要根据实际情况来决定。下面举两个实例。

第二章 直线运动

一 几个基本概念

参考系 平时我们说树木、房屋是静止的，行驶的汽车是运动的，这是以地面作标准来说的，坐在行驶的火车里的乘客，认为自己是静止的，而在车厢里走动的乘务员在运动，他还认为路旁的树木在向后从倒退，这些都是以车厢作标准来说的，在描述一个物体的运动时，先来作为标准的另外的物体，叫做参考系。

选择不同的参考系来观察同一个运动，观察的结果会有不同。坐在行驶的火车中的乘客，如果以车厢作参考系，他是静止的；如果以地面作参考系，他是随车厢一起运动 的。从匀速飞行的飞机上向在面空投物资，飞机上的人以飞机作参考系，看到投下的物体是沿

直线竖直下落的，地而的人以地面作参考系，看到物体是沿着曲线下落的。

描述一个物体的运动时，参考系是可以任意先取的。例如，一个人在河里游泳，观察他的运动以选取河上航行的船只作参考系，也可以选取河岸作参考系，但是，在不同的参考系中描述物体的运动，繁简程度是并不一样。例如，研究地面物体的运动，如果以地面或相对于地面不动的房屋、树木为参考系就会十分方便，而在研究行星的运动时，如果选 取太阳为参考系，就比选取地球为参考系要好得多。

质点 物体都有一定的大小和形状，物体各部分的运动情况不一定相同。例如，汽车转弯时外侧一点划过的弧就比内侧一点划过的弧要长一些。看来，要详细描述物体的运动，并不是一件简单的事。但是，在某些情况下却可以不考虑物体的大小的形状，从而使问题简化。一列火车从北京开往天津，当我们讨论火车的运行时间这类问题时，由于列车的长度比北京到天津的距离小得多，就可以不考虑列车的长度；当我们讨论地球的公转时，由于地球的直径（约1.3＊ km）比地球和太阳的距离（约）小得多，也可以不考虑地球的大小。在这些情况下，我们可以摊贩物体看做一个有质量的点，或者说，用一个有质量的点来代替整个物体。用来代替物体的有质量的点叫做质点。

一个物体能不能看做质点，要看问题的具体情況而定。前面的例子中，研究整个列车通过某一标志所用的时间，显然要考虑列车的长度，这是就不能把列车看做质点了。研究地球公转时可以把地球视为质点，可是研究 地球的自转时，我们却不能忽略地球的大小，当然不能把地球当做质点了。

运动的质点通过的路线，叫做质点运动的轨迹。铅笔尖在线上划过以后，留下的痕迹誻铅笔尖运动的轨迹。如果质点运动的轨迹是直线，这样的运动叫做直线运动，如果是曲线，就叫做曲线运动，这一章研究直线运动。

时刻和时间间隔 我们说上午8时开始上课，到8时45分下课，这里的“8时”和“8时45分”是这节课开始和结束的时刻；而这两个时刻相隔45分，这个“45分”则是两个时刻之间的时间间隔。在表示时间的数轴上，时刻用点来表示，时间间隔用线段来表示。图所示的时间数轴上标出了上午第一节课和第二节课的上课、下课时刻及这两节课和课间休息的时间间隔。以后我们不经济学用时间时隔，面直接用时间这个词，例如说在5S的时间内，指的就是时间间隔。

时间的国际单位是秒、分、时、，它们的符号分别是s 、min、h 。在实验室中常用停表来测量时间。在比较精确的研究物体的运动情况时，需要测量和记录很短的时间，在学校的实验室中常用打点计时器来测量。

位移和路程 由北京去上海，你可以选择不同的交通路线，可以乘飞机，还可以坐汽车到天津去换乘轮船。使用不同的有工具，运动轨迹是不一样的，走过的路程也不相同，但是，位置的变动来说，你总是由初位置北京到达了东南方向直线距离约1080km的上海。

物理学中有一个叫做位移的物理量来表示质点的位置变动。设质点由初位置A运动到末位置B，从Q指向B的有向线段AB，就可以用来表示质点在这次运动中发生的位移。有向线段的长度表示位移的大小，有向线段的方向表示位移的方向。位移既有大小，又有方向，它和力一样，也是矢量。通常用字母s表示位移。

位移的路程不同。路程是质点运动轨迹的长度。在图中，质点的位移是有向线段AB，而另路程是曲线ACB、ADB或AEB的长度。只有大小没有方向，是标量。

二 位移和时间的关系

匀速直线运动 质点在运动过程中，它的位置随时间而不断变动，位移也随时间而不断改变。例如，我们研究一辆汽车在一段平直公路上运动的情况，可以在公路旁每隔100m丫一名拿着停表的观测者，记下汽车到达每个观测者的时刻，测量的结果下表所示。

从这些数据我们看出，在误差允许的范围内，在相等的时间里汽车的位移是相等的。在每5s的时间里位移都是100m，在每10s的时间里位移都是200m等等。

物体 在一条直线上运动，如果在任何相等的时间里位移都相等，这种运动就叫做匀速直线运动。

在匀速直线运动中，既然在相等的时间里位移都相等，那么，如果在时间t内的位移是s，在时间2t内的位移就是2s，在时间3t内的的位移就是3s等等，既位移s跟发生这段位移所用时间t成正比。

我们可以用图象来表示位移和时间的关系。在平面 坐标系中，用纵轴表示位移s，用横轴表示时间t，根据上述汽车运动的数据，在坐标平面上标出坐标为（4.9，100）、（10.0，200）（15.1，300）（19.9，400）的各个点，可以看出各个点几乎都在一条通过原点的直线。可见，匀速直线运动的位移和时间的关系的图象是一条直线。这正是我们在初中学过的一次函数图象。

这种图象叫做位移――时间图象（s-t图象），有时简称位移图象。

变速直线运动 我们日常看到的直线运动，往往不是匀速直线运动。飞机起飞的时候，运动越来越快，在相等增的时间里位移不相等。火车进站的时候，运动越来越慢，在相等的时间里位移也不相等。

物体 在一条直线上运动，如果在相等的时间里位移不相等，这种运动就叫做变速直线运动。变速直线运动的位移图象不是直线，而是曲线。这一章我们着重研究变速直线运动。

三 运动快慢的描述 速度

速度 不同的运动，快慢程度并不相同，有时相差很大。要描述物体运动的快慢，可以有两种办法。一种是在位移相同的情况下，比较所用时间的长短，时间短的，运动得快。比如在百米竞赛中，运动员甲用10s跑完全程，运动员乙用11s跑完全程，甲用的时间短，跑的快。另一种是在时间相同的情况下，比较位移的大小，位移大的，运动得快。汽车A在2h内行驶80km，汽车B在2h内行驶170km，汽车B运动得快。那么运动员甲和汽车A。哪个快呢？这就要找出统一的比较标准。如果我们算出它们各自在单位时间内（如每秒内）的位移，就便于比较了。运动员甲每秒内位移等于10m。汽车A每秒内位移等于11m。可见，汽车A运动得快。这样，为了比较运动的快慢，我们引入速度的概念。

速度是表示运动快慢的物理量，蛇等于位移s跟发生这段位移所用时间t的比值。用v表示速度，则有

在国际单位制中，速度的单位是米每秒，符号是m/s。常用的单位有千米每时、厘米每秒等等。

速度不但有大小，而且有方向，是矢量。速度的大小在数值上等于间作时间内位移的大小，速度的方向跟运动的方向相同。

平均速度和瞬时速度 在匀速直线运动中，位移s跟发生这段位移所用的时间t成

正比，比值s/t求出的是匀速直线运动的速度。在变速直线运动中，物体在相等时间里的位移不相等，比值s/t恒定的。，由公式v=s/t求出的速度，是做变速直线运动中，不同时间（或不同位移）内的平均速度一般是不同的，因此，必须指明求出的速度是对哪段时间（或哪段位移）来说的。通常说某物体运动的速度是多大，一般都指的是平均速度。

平均速度表示做变速直线运动的物体在某一段时间内的平均快慢程度，吸能粗略地描述物体的运动。要精确地描述变速直线运动，就要知道物体经过每一时刻（或每一位置）时运动的快慢程度。运动物体经过某一时刻（或某一位置）的速度，叫做瞬时速度。

在直线运动中，瞬时速度的方向与物体经过某一位置时的运动方向相同。它的大小叫做瞬时速度，有时简称速率。

技术上通常用速度计来测瞬时速率。图表示汽车的速度计，指针所指的数值，就是某时刻汽车的瞬时速率。乘汽车的时候，注意一下司机面前的速度计，就会看到，指针所指的数值随着行驶的快慢而改变。

四、速度和时间的关系

匀速直线运动的速度是恒定的，不随时间而改变。如果我们在平面直角坐标系中用纵轴表示速度，横轴表示时间，作出它的速度－时间图象（v-t图象，有时简称速度图象），可以看出匀速直线运动的速度图象是与横轴平行的直线。

从匀速直线运动的速度图象不仅可以看出速度的大小，而且可以求出位移。运动物体在时间t内的位移s=vt，在速度图象中，就对应着边长分别为v和t的一块矩形面积（图2－16画斜线的部分）。

变速直线运动的瞬时速度随着时间而改变。如果坐在汽车驾驶员旁边，在汽车做变速运动的时候，注视速度计，记下间隔相等的各时刻的速度值，根据记录的数据就可以作出汽车的速度图象。下面是一次观测的数据，以及由这些数据作出的速度图象。

从数据可以看出，在误差允许的围内，汽车每隔5s，速度增加10km/h，即在相等的时间内，速度的改变是相等的，汽车的速度图象是一条倾斜的直线。

在变速直线运动 中，如果在相等的时间内速度的改变相等，这种运动就叫做匀变速直线运动。

上述汽车的运动是匀变速直线运动，它的速度随着时间而均匀增加，通常叫做匀加速直线运动。图2－18所示的运动，也是匀变速直线运动，它的速度随时间而均匀减小，通常叫做匀减速直线运动。

常见的变速直线运动，速度不一定是均匀改变的，是非匀变速直线运动。可是，有些变速运动很接近于匀变速运动，可以当作匀变速运动来处理。例如，发射炮弹时炮弹在炮筒里的运动，火车、汽车等交通工具在开动后或停止撊的一段时间内的运动，石块从不太高的地方下落的运动，石块被竖直向上抛出后向上的运动等，都可以看作匀变速直线运动。

五 速度改变快慢的描述 加速度

不同的变速运动，速度改变的快慢是不同的。火车进站时速度减小得很慢，炮弹在炮筒里速度增加很快。怎样描述速度改变的快慢呢？运动员投出铅球时，铅球的速度可以在0.2s内由零增加到17m/s，它每秒速度的增加量等于85m/s。迫击炮射击时，炮弹在炮筒中的速度在0.005s内就可以由零增加到250m/s，每秒速度的增加量等于 。可见，

炮弹的速度改变比铅球的速度改变要快得多。为了描述速度改变的快慢，我们引入加速度的概念。

加速度是表示速度改变快慢的物体量，它等于速度的改变跟发生这一改变所用时间的比值。用V表示物体开始时刻的速度（初速度），用Vt 表示经过一段时间t末了时刻的速度（末速度），速度的改变为Vt—V0，用a表示加速度，那么

在国际单位制中，加速度的单位是米每二次方秒，符号是m/s2,常用的单位还有厘米每二次方秒。

加速度不但有大小，而且有方向，也是矢量。加速度的大小在数值上等于单位时间内速度的改变。在变速直线运动中，速度的方向始终在一条直线上。取初速度V0的方向为正方向，如果速度增大，末速度Vt大于初速度V0，加速度是正值，这时加速度的方向跟初速度V0的方向相同；如果速度减小，加速度是负值，这时加速度的方向跟初速度V0的方向相反。

在匀变速直线运动中，速度是均匀变化 的，比值(Vt-V0)/t是恒定的，加速度的大小不变，方向也不变，因此，匀变速直线运动是加速度不变的运动。