高一上学期物理讲义(学生版)

高一物理

知识点分析与分类题库

必修一

（学生版）

编辑：孙振兴

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致学生

首先祝贺你们进入高中进一步学习科学知识，高中物理是培养中学阶段的学生科学素质的核心课程。同学们一定要重视物理课的学习，因为大学理工类各专业都与物理有着紧密的联系。

你即将开始学习的高中物理课程，自然比你已经学习了的初中物理课程要深得多。你必须学会解很多问题，其中有些是很困难的问题。掌握物理学的理论和方法有时可能是一个缓慢艰苦的过程。在你进入那些你所向往的物理学领域之前，你必须掌握另外一些虽不是那么吸引人、但却非常基本的领域，否则你就不能正确地理解和利用物理学。

在你学习这门课程时，心中必须保持两个主要目标：

第一， 十分熟习构成物理学核心的为数不多的物理学基本定律和原理；

第二， 第二，养成运用这些概念并把它们运用于具体情况的能力。换句话说，就是养成像物理学家那样思考和工作的能力。

物理学是一门定量的科学，需要用数学来表达它的概念。本书所用到的数学，都可以在中学数学教科书中找到。每当你不理解一个数学推导时，就要查阅那些数学书籍。但是，你绝不应该由于数学上的困难而感到沮丧，当数学上遇到困难时你可以请教你的的老师或高年级的同学。因为对于一个自然科学家或工程师来说，数学是一个工具，其重要性次于对物理概念的理解。

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引论

学习物理学是一种令人兴奋的，有趣的探索活动。了解我们生活于其中的世界和试图探索自然界的奥秘，属于人类智慧的最引人入胜的活动之列。这些正是自然科学的宗旨。在本章，我们将分析和回顾物理学的目的和方法，然后对它进行系统的，有组织的学习。

1.1什么是物理学

物理学这个词源自希腊文，其本意是自然。因此，物理学应该是研究所有自然现象的科学。事实上正是如此，一直到十九世纪初期，物理学一直被称为自然哲学。然而，从十九世纪到最近，物理学只限于研究自然界中那些最基础的，最本质的一类比较有限的现象，并称之为物理现象。历史上曾大致规定为这样一些过程：在这些过程中，参与物质的性质并不改变。这个不大确切的定义已逐渐被摒弃，而回到先前的，较宽广的，较基础的概念。因此，我们可以说，物理学是一门科学，它的目的是研究物质的结构和相互作用，科学家根据这些相互作用来说明宏观物质的性质，以及我们观察到的其它自然现象。

在学习这门课程时，你们将会亲眼看到怎样根据基本的一般原理展开这门课程，以及怎样应用它来说明各种各样看来无关、但却遵从相同基本定律的现象。

1.2物理学的经典分支

好钻研的人们，对于自然界是怎样工作的，总是抱有很大的好奇心。起初，人们知识的仅有源泉是他们的感觉，因而人们按照他们感觉这些现象的方式加以分类。光与视觉动作有关，因而光学作为一门与这种动作相联系的、在某种程度上独立的学科而发展起来。声音与听觉动作相联系，因而声学作为一门相关的科学而发展起来。热和人体的另外一种感觉相联系，因而在许多年里，热的研究是物理学的另外的一个分支。运动是所有观察到的现象中最常见的，因而运动科学（力学）的发展，比物理学的其他分支都要早。电磁学并不直接和任何感觉经验相联系（尽管大多数感觉经验都起源于电磁学），所以直到十九世纪，电磁学才形成物理学中一个有组织的分支。

这样十九世纪的物理学看起来被分为几个（叫做经典的）分支——力学、热学、声学、光学和电磁学，他们之间没有或者只有很少的联系，不过力学是所有这些分支的指导原则。直到最近，有些教科书还是这样对物理学进行这样的板块划分。在“经典的”分支之外，不久前增加了一个新的分支，叫做现代物理学，它包括二十世纪物理学的发展。

1.3我们的宇宙观

现在我们认为少数种类的基本粒子组成的，并认为所有的物体，有生命的和无生命的，都是由基本粒子的不同组合或排列构成的。这些基本粒子当中，有三种特别重要（因为它们存在于许多常见的现象之中）：电子、质子和中子。

有另外几种基本粒子，但它们的寿命短暂，是不断地产生和毁灭（因而叫做不稳定粒子）的；看来，它们并不直接参与我们在周围所观察到的大多数现象。只有用颇为复杂的观测方法，才能表明他们的存在。它们在总方案中的作用尚不完全了解。其中一些，例如介子，由于它们在质子和中子之间的相互作用中所起的作用，是十分重要的。今天，在探索宇宙结构的某些线索方面，基本粒子的研究是非常重要的。

利用一种过分简化的语言，我们可以说，三种粒子（电子、质子和中子）以明确的集团（叫做原子）的形式存在，质子和中子集结在一非常小的、叫做原子核的中心区域。已经辨认出109种不同“种类”的原子，但是存在着大约1300种不同的同位素。原子又形成另外的集体，叫做分子。现在每天在化学实验室中都在合成越来越多的新的分子。有些分子只包含几个原子，例如氯化氢分子是由一个氢原子和一个氯原子构成的；其他分子，例如蛋白质、酶和核酸，或者一些有机聚合物，例如聚乙烯或聚氯乙烯的分子，可以有成千上百个原子。最后，分子聚集起来形成物体（即宏观物质），即我们所看到的固体、液体或气体。不过这种分类方法并不严格。另一种物态是等离子体，它是由正负离子的气态混合物组成的。宇宙中大部分物质处于等离子体的形式。

特别重要的一类物体是有生命的物体；或有生命的物质，叫做细胞质。细胞质中的分子呈现出高度组织起来的结构，表现出和无生命物质明显不同的性质和功能，人体是所有有生命物体当中最发达的，是由大约2810个原子组成的，其中大多数是碳、氢、氧和氮原子。

太阳系是若干个叫做行星的巨大物体的集合，这些行星围绕着一个叫太阳的恒星而运动。地球是行星之一，它包含约5110个原子。太阳大约由5710个原子组成的。太阳系又是一个大的星球集合的一小部分，这个大的星球

3 集合形成一个星系，叫做银河，银河由大约1110个星球或7010个原子组成，银河呈圆盘形，其直径约为2110米，即约510光年，其最大厚度约为2010米。已观察到和我们这个星系类似的许多星系，最近的一个星系离我们约6210光年。宇宙可能包含大约2010个星体，这些星体在半径约为1010光年的区域里组成大约1010个星系，总共包含大约8010个原子。

1.4相互作用

电子、质子和中子为何并如何结合起来而形成原子？原子为何并如何结合起来而形成分子？分子为何并如何结合起来而形成物体？物质聚集起来，其大小从小的尘粒到巨大的行星，从细菌到人这个奇特的动物，这些是怎样发生的？这是人们自然会想到的一系列问题。我们说，一个原子中的粒子彼此之间这样相互作用，以便星辰一个稳定的组态。原子又相互作用而形成分子，分子相互作用而形成物体。宏观物体也显示出某些明显的相互作用，例如万有引力。

相互作用这个概念并非是新的。经过人类对自然界几千年的研究，物理学家只不过改进了描述宇宙结构的措词。例如，亚里士多德在他的著作《论天与地》（公元前300年）中说到：“它们（原子）在虚空中运动，互相追逐而拥挤在一起，其中一些沿着偶然出现的任一方向反冲，另一些则按照他们的形状、大小、位置和顺序的对称性，不同程度地相互纠缠，因而它们仍然在一起，这样就引起复合事物的出现。”我们可以把亚里士多德的话与诺贝尔奖金获得者李政道的话加以比较。李政道在1965年说过：“科学的目的是寻求如此简单的一组基本原理，用这组基本原理能够说明所有已知的事实，并预言新的结果。由于一切物质都是由相同的基本单元组成的，所以一切自然科学的最终基础必然建立在支配这些基本粒子的行为的定律之上。”

物理学家的主要目的就是要揭示物质的各种相互作用。大概地讲，这些相互作用有四类——引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。于是，物理学家试图把这些相互作用定量地表示出来，为此，需要使用数学。最后，我们试图表述关于宏观物质行为（这种行为起因于这些基本相互作用）的普遍规律。宏观物质行为的描述，在性质上必然是统计的，因为它涉及极大数目的分子。这些分子各自的运动是无法详细描述的。例如，一个雨滴中就含有多大2010个水分子。

物理学所研究的量值范围是极其巨大的。从长度约1510米，质量约8110千克的物体（相当于诸如一个电子那样的粒子）直到（而且远远超过）长度约910米，质量约3010千克的物体（相当于我们太阳系中的天体）。虽然基本定律都相同，但是表示这些定律的方式，和所采用的近似的类型，则取决于所研究的特定量值的范围。

1.5物理学与其他科学的关系

物理学的目的是使我们能够了解物质的基本成分和它们的相互作用，从而能够说明自然现象，其中包括宏观物质的性质。由这种说法我们可以知道，物理学是一切自然科学中最基本的。化学论述这个巨大计划的一个特定方面：把物理学定律应用于分子的形成，和把某些分子转变为另外一些分子的各种实用方法。生物学必须大量地依赖物理学和化学来说明有生命体内发生的过程。在研究和发展方面，以及在专业时间方面，把物理学应用于实际问题，就产生了不同的工程学分支。如果对于自然科学的基本概念没有正确的理解，现代的工程实践和研究将是不可能的。

物理学的重要性，不仅在于它提供了基本的、概念性的和理论性的框架，在这个框架上建立了其他自然科学。从实用的观点来看，物理学也是重要的，因为它对几乎所有领域都提供了能够用于理论和应用研究的方法。地质学家在他们的研究中使用重力的、声学的、核的和力学的方法。类似的方法也为海洋学家、气象学家和地震学家所采用。现代化医院都设有各种实验室，在这些实验室中使用着非常复杂的物理学方法。总之，几乎所有研究活动，其中包括考古学、古生物学、历史和艺术，都要采用现代物理学的方法。

1.6实验方法

物理学为了达到它的目的，必须依靠观察和实验。观察在于注意和分析似乎影响一种现象的各种因素和情况，以便对这种现象进行仔细的和中肯的研究。遗憾的是，当现象自然地发生时，它们所处的条件很少能够呈

4 现足够的变化和灵活性。在某些情况下，某些现象只是偶尔发生，所以分析它们的过程是困难的、缓慢的。因此，必须进行实验。实验就是在预先安排的、仔细控制的条件下观察一个现象。这样，科学家就能够任意改变这些条件，从而易于查明这些条件对这种过程的影响。如果没有实验，现代科学永远也不会达到它目前所获得的进步。因此，实验室对于科学家来说是必不可少的。

当然，实验并不是物理学家所拥有的唯一工具。科学家可以根据已知的事实，用理论的方法推出新的知识。所谓理论方法，是指物理学家对他所研究的物理情况提出一个模型，利用已经确立的关系，物理学家把逻辑的和演绎的推理应用于这个模型上，利用数学方法进行推理。最后的结果可以是预言某种尚未发现的现象，或者证明几个过程之间的关系。一位物理学家用理论方法获得的知识，又被其他科学家用来进行新的实验，以检验这个模型本身，或者确定这个模型的局限性和误差。然后，理论工作者又来修正和改进这个模型，使它符合新的数据。实验和理论之间的这种互相交织的关系，使科学家能够在坚实的基础上稳步前进。

虽然古代科学家能够或多或少孤立地进行工作（例如伽利略、牛顿、惠更斯等人），但是现代科学，由于其复杂性，则主要是集体工作的成果，在这个集体工作中，理论工作者和实验工作者一起工作和思考，所谓一起，并不意味着人在一个地方。现代的联络工具促进的思想的迅速交流。