作者：徐萍,冷江
出版社：中国财政经济出版社
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物理（第一册）试读：
编写说明
物理（第一册）
本套《物理》教材是根据教育部2009年颁布的《中等职业物理教学大纲》对物理教学性质与任务的要求，结合五年制大专的具体实际编写而成。供三年制中专和五年制大专（2＋3）学生前两年使用。
全套教材分为四册，供两学年四学期使用，每学期一册。教材教学总时数为144学时，其中理论课118学时，实验课16学时，习题课、复习考试课10学时。
本教材从教学需要出发，编写中充分考虑到职业技术教育培养人才的要求，同时也兼顾到学生终生学习的需要，按物体运动形态组织材料，以降低起点而不减少基本内容为要求，尽可能使学生易学易懂；章节展开采用问题引入—原理（定律）剖析—应用、实践三步走的形式完成一次知识的循环，达到螺旋式上升的目的。
课文中的“实验”可由教师演示，也可在教师的指导下由学生完成，使学生在学习物理知识的过程中受到实验方法和技能的训练，增加实践机会。章后的“学生实验”应由学生独立完成，可在完成一段学习之后进行，着重全面地培养和检查实验的能力。每节后的练习题和每章后的习题，教师可根据情况选用，并可适当补充一些题目，使学生学到的知识更巩固，应用知识的能力更强一些。
本书由徐萍、冷江任主编，秦芸、陈励生、罗平西、曹英萍任副主编，参加编写的老师还有徐国泉、雷年金。由于编写时间仓促，编者水平有限，书中难免有不当之处。衷心希望各位老师和同学在使用这套教材时，有什么意见和建议，及时向我们反馈，提出宝贵意见，以便再次修订时有所改进。编者2012年5月第一章力力学
现在我们开始学习力学知识。力学所要解决的中心课题是力和运动的关系。第一章学习有关力的知识，第二章学习怎样描述物体的运动。有了这两章的知识准备，第三章开始研究力和运动的关系，学习力学的基本规律——牛顿运动定律。
力学知识是物理学的基础。我们要学好力学知识，为学习物理课打好基础。一、力1．力和力的图示
我们在初中学过，力是物体对物体的作用，如用手提重物，用手压弹簧，手对重物和弹簧施加了力，同时重物、弹簧也对手施加了力的作用（图1-1）。可见一物体受到力的作用时，一定有另一个物对它施加这种作用，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。力是物体对物体的作用，力不能离开物体而独立存在。图1-1
力的大小可以用测力计（弹簧秤）来测量。
力的单位在国际单位制中是牛顿，简称牛，符号是N。力不仅有大小而且有方向，力的方向根据它产生的效果来判断，人拉车的力向前，人提东西的力向上。力的作用效果还与作用点有关，我们把力的大小、方向和作用点称为力的三要素，要描述一个力必须把力的三要素表现出来。
研究力的问题时，力的大小、方向和作用点可以用一条带有箭头的线段来表示，线段的长按一定比例（标度）来画，表示力的大小，箭头表示力的方向，箭头或箭尾画在力的作用点上，这种表示力的方法叫做力的图示。图1-2中表示作用在小车上的力，力的方向水平向右，大小是100N。图1-2 力的图示2．力的种类
从力的性质来看，力学中经常遇到的力有重力、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。二、重力
我们知道在地面上向空中抛出的任何物体最终都要落到地上来，这是因为地球上的一切物体都受到地球的吸引。由于地球的吸引而使物体受到的力叫重力。地球上的一切物体都有重力。
重力的大小可用弹簧秤测出。物体静止时对弹簧秤的拉力或压力（图1-3的甲、乙），大小等于物体的重力。重力G的大小也可以用公式计算，物体受到重力G的大小跟物体的质量m成正比，用公式表示就是：图1-3 用弹簧秤可以测出物体所受重力的大小
G＝mg
式中，g＝9.8N/kg，表示质量是1kg的物体受到的重力是9.8N。
重力的方向总是竖直向下的。
重力的作用点，可以看做是集中于一点，这一点叫做物体的重心。对于形状规则、质量分布均匀的物体，它的重心就在它的几何中心。例如，圆球的重心就在球心，均匀直棒的重心就在它的中点（图1-4）。图1-4 均匀物体重心的位置练习一（1）用力的图示法画出下面的力，并指出受力物体和施力物体。
A．用300N的力提起水桶。
B．用100N的力推桌子。（2）画出以下几个力的图示，并指出受力物体和施力物体。
A．人对车水平向右的推力250N。
B．铁锤对钉子竖直向下的打击力400N。
C．水对船竖直向上的浮力3500N。（3）画出下面几个物体受到的重力的图示。
A．静止在桌面上的重量是6N的书。
B．沿滑梯下滑的质量是20kg的小孩。（4）重30N的物体静止放置在斜面上，图1-5中哪个正确地画出了它所受重力的方向？图1-5三、弹力
物体受到力的作用时会改变形状，例如竹竿受力会变弯，弹簧受力会伸长或缩短，跳板在运动员的作用下发生弯曲（图1-6）。物体形状的改变叫形变。发生了形变的物体，在一定限度内，当外力撤销后仍能恢复原来的形状，这种能恢复原状的形变叫弹性形变。这个限度叫做弹性限度，超过了这个限度形变就不能恢复。图1-6 发生形变的跳板把运动员弹起来
用手拉弹簧时弹簧伸长，手会感到弹簧对手也有拉力，发生弹性形变的物体由于要恢复原状而对阻碍它的物体产生力的作用，这种力叫做弹力。
任何物体受力后都会发生形变。只是有的物体形变显著、有的物体形变微小。用网球拍拍球时，拍网和球都发生弹性形变，拍网发生形变，对球产生弹力，同时球产生形变，对网拍产生弹力。放在桌面上的书，压在桌面上，使桌面发生微小的形变，发生形变的桌面对书2产生向上的弹力，这就是桌面对书的支持力F，书也同时发生微小形1变、对桌子产生向下的弹力、这就是书对桌子的压力F（图1-7）。图1-7
我们知道弹力的大小跟物体的材料和形变的大小有关，在弹性限度内，形变越大，弹力越大，例如射箭时，弓拉得越满，弹力越大，箭就射得越远。
实验表明，在弹性限度内，弹力的大小跟物体形变的大小成正比。这个规律是英国物理学家胡克在1660年发现的，叫胡克定律。用公式表示为：
F＝－kx
式中，k是比例常数，是弹簧的劲度系数，x是弹簧的形变量（弹簧伸长或缩短的量）、负号表示弹力的方向与形变的方向相反。
弹簧秤就是根据胡克定律制成的。练习二（1）说明下列物体形变时产生的弹力的方向：
①落地变扁时的皮球。
②被悬挂的物体拉长时的弹簧。
③被重物拉弯时的直竹竿。（2）以下说法正确的是：
A．只要物体的形状发生变化，就一定产生弹力。
B．只要物体互相接触，就一定产生弹力。
C．弹力的大小一定跟物体的弹性形变成正比。（3）停放在地面上的篮球，受到几个力的作用？施力物体各是什么物体？各是哪种性质的力？各力的方向是怎样的？画出物体受力的示意图。（4）某弹簧原长10cm，挂上100g的重物后，长度变为12.5cm。该弹簧的劲度系数是多大（弹簧的质量忽略不计）？（5）一根弹簧，如果用2N的力压它，它的长度缩短2cm，用10N的力拉它，可以拉长为20cm。求该弹簧的原长。四、摩擦力
摩擦是常见现象，例如，关闭发动机的汽车，在马路上行驶一段距离后总要停下来，原因之一就是车子轮胎和地面之间有摩擦的缘故。摩擦的种类有三种：滑动摩擦、静摩擦和滚动摩擦。
下面我们来研究滑动摩擦和静摩擦。1．滑动摩擦力
当一个物体在另一个物体表面上滑动时，要受到另一个物体阻碍它滑动的力，这种力叫做滑动摩擦力。
滑动摩擦力的大小，跟两物体表面的粗糙程度有关，也跟两物体间的正压力有关。大量的实验表表明：两个物体间的滑动摩擦力的大f小跟这两个物体表面间压力的大小成正比。如果用F表示滑动摩擦力n的大小，用F表示压力的大小，二者之间的关系可以用下面的公式来表示：fn
F＝μF
式中，μ是比例常数，叫动摩擦因数，它的大小跟相互接触的材料有关，还跟接触面的光滑程度有关。表1-1是几种材料间的动摩擦因数。
物体所受滑动摩擦力的方向总是跟它发生相对滑动的方向相反。图1-8显示出了在地面上滑动的箱子受到的滑动摩擦力的方向。表1-1 几种材料间的动摩擦因数图1-8 物体所受滑动摩擦力的方向跟它相对滑动的方向相反【例题】 冬季伐木时，北方的林场常用马拉的雪橇在水平冰面上运木材。雪橇的两个钢制滑板与冰面接触且与冰面间的动摩擦因数是0.027。雪橇的质量为1.0t，木材的质量是4.0t，求这个雪橇所受到的滑动摩擦力。312
解：已知雪橇的质量m＝1.0t ＝1×10kg，木材的质量m＝4.0t3＝4×10kg。因为雪橇在水平面上，对冰面压力等于雪橇和木材的重n12力之和，即F＝（m＋m）g，所以，333fn
F＝μF＝0.027×（1×10＋4×10）×9.8＝1.3×10N3
即雪橇在水平冰面受到的滑动摩擦力的大小为1.3×10N，方向与它滑行的方向相反。2．静摩擦力
在日常生活中，有时会遇到这种情况：用力推箱子，箱子没有被推动，在推力F的作用下，箱子与地面之间有相对运动的趋势，而又保持相对静止，这时在箱子和地面之间产生的摩擦力叫做静摩擦力f（图1-9）。静摩擦力也用F来表示。图1-9f
逐渐增大对箱子的推力F，如果箱子仍旧保持不动，静摩擦力F跟推力的大小相等，方向相反（图1-10）。当推力大到一定值时，静摩擦力不再随着增大，箱子可以被推动。这时存在于两个物体间的摩擦力就不是静摩擦力而是滑动摩擦力了。可见，在一定限度内，静摩擦力随外力增大而增大，达到最大限度时的静摩擦力，叫做最大静摩擦力。
静摩擦力的方向总是跟物体间相对运动趋势的方向相反。图1-10
需要指出的是，滑动摩擦力和静摩擦力都作用在互相接触的物体表面上。在把物体当做质点处理时可以把摩擦力的作用点画在物体的f重心上，图1-11中的F是图1-8中箱子受到的静摩擦力的一种简化画法。图1-11练习三（1）手压着桌面向前移动，会明显地感觉到有阻力阻碍手的移动。手对桌面的压力越大，会感到阻力越大。试一试，并说明道理。（2）标出图1-12中物体所受摩擦力的方向。图1-12（3）重量为100N的木箱放在水平地面上，至少要用40N的水平max推力，才能使它从原地开始运动。木箱与地板间的最大静摩擦力F＝____________。
木箱从原地移动后，用38N的水平推力，就可以使木箱继续做匀速运动。这时木箱所受到的滑动摩擦力F＝____________，动摩擦因数μ＝____________。（4）上题中，如果用20N的水平推力推木箱，木箱是否会从原地移动？有没有相对运动的趋势？所受静摩擦力F＝______。
用80N的水平推力推着木箱运动，木箱所受的滑动摩擦力F＝____________。（5）用20N的水平拉力拉一块质量为5kg的砖在水平地面上匀速运动。求砖块与地面间的动摩擦因数。（6）有人说，既然摩擦力阻碍物体之间的相对运动，那么摩擦力一定是阻力。这种说法正确吗？试举例说明你的观点。五、力的合成
一桶水可由两个人共同提起，也可由一个人提起，如图1-13所示，12显然拉力F的作用效果与F和F的共同作用效果相同。如果一个力的作用效果跟另外几个力的作用效果相同，那么，我们就把这个力叫另外那几个力的合力，而那几个力就叫做这个力的分力。求几个已知力的合力的过程，叫做力的合成。求一个已知力的分力，叫做力的分解。图1-13 人提水桶
如果几个力都作用于物体的同一点，或它们的作用线相交于一点，这几个力就叫共点力。下面用实验来研究两个共点力的合成。1．一条直线上的力的合成
当两个共点力沿一条直线作用时，求它们的合力比较简单。
从实验知道，如果两个力方向相同，合力的大小等于两个分力大小之和，合力的方向跟两个分力的方向相同（图1-14甲）。
如果两个力方向相反，合力的大小等于两个分力大小之差，合力的方向跟分力中数值大的那个分力的方向相同（图1-14乙）。2．互成角度的力的合成
如果两个共点力互成一定角度，它们合力的大小和方向怎样确定呢？让我们做实验研究两个共点力的合力。图1-14【实验】 研究互成角度的力的合成。
取一根橡皮条，把它的一端固定在木板上，另一端拴两条细绳，把细绳的末端结成套环，以便挂钩码。
分别给两个套环挂上钩码，并使两细绳间成一定角度，使橡皮条12GE在力F和F的作用下沿着直线GC伸长到GO（图1-15甲），再给一个套环挂上钩码，使橡皮条GE在力F的作用下沿着直线GC同样伸长12到GO（图1-15乙），力F对橡皮条产生的效果跟力F和F共同产生的12效果相同，所以力F等于力F、F的合力。图1-15
合力F跟分力有什么关系呢？12
在力F、F的方向上各作线段OA、OB，根据选定的标度，使它12们的长度分别表示力F、F的大小（图1-15丙），以OA，OB为邻边作平行四边形OACB，量出这个平行四边形的对角线OC的长度，可以看出，根据同样的标度，合力的大小和方向可以用对角线OC表示12出来。改变力F和F的大小和方向，重做上述实验，可以得到同样的结论。3．力的平行四边形定则
实验表明，互成角度的两个共点力的合力，能够用表示这两个分力的有向线段为邻边的平行四边形的对角线来表示，对角线的长度表示合力的大小，对角线的方向表示合力的方向。这种求合力的规则，叫做平行四边形定则。
平行四边形定则不仅是力的合成法则，也是一切矢量的合成法则，对位移、速度等矢量合成都适用。【例题】如图1-16所示，两个人同拉一辆车，一个人用力450N，另一个人用力600N。如果这两个力的夹角是90°，求它们的合力。图1-16
分析：这是一个已知分力求合力的问题。合力可以用做图法求出。12先选一个标度，用一个点代表车，按题意分别作出两个拉力F、F的图示，再根据平行四边形定则，以表示这两个拉力的有向线段为邻边12作平行四边形，合力的大小可以由F，F之间的对角线的长度和选定的标度求出。合力的方向可以用合力与某一个分力的夹角表示，其大小可以用量角器量出。1
解：选6mm长的线段表示150N的力。根据已知条件，作F＝2450N、F＝600N的图示。根据平行四边形定则，作图求出表示合力F的对角线，如图1-17所示。图1-17
量得表示合力F的对角线长30mm，所以合力为：1
用量角器量得合力F与F的夹角θ为53°。12
上题中的力F、F的夹角是90°，OACB是矩形，△OAC是直角三12角形，OC＝F，OA＝F，OB＝F，根据几何知识我们知道，合力F是直角三角形的弦。在这种特殊的情况下，合力F可以根据直角三角形的知识算出，即：
查表得θ＝53°4．共点力的平衡
从初中学过的二力平衡的知识我们可以知道：如果作用在一个物体上的两个力在同一直线并且大小相等方向相反，这两个力就互相平衡，作用物体上的互相平衡的两个力的合力等于零。把二力平衡的知识推广到一般的情况：如果作用在物体上的几个力的合力等于零，这几个力就叫做互相平衡的力。练习四（1）作用在同一个物体上的两个力，一个是60N，另一个是80N，它们的夹角是90°。用作图法求这两个力的合力。（2）用做图法求出夹角分别为30°、60°、90°、120°、150°的相等的两个力的合力，再求它们的夹角是0°和180°时的力。比较求得的结果，能不能得出下面的结论：
A．合力总是大于分力。
B．夹角在0°～180°之间变化时，夹角越大，合力越小。
C．夹角在0°～90°之间变化时，夹角越小，合力越大。
D．夹角在90°～180°之间变化时，夹角越小，合力越大。（3）两个人共同提一桶水（图1-18），要想省力，两人手拉力间的夹角应大些还是小些？为什么？你能用橡皮筋做个简单实验来证明你的结论吗？（4）一条船由两部拖拉机拉着通过一段河道，如图1-19中，已知两部拖拉机的拉力大小相等，都是2000N，夹角是60°，求这条船所受到的总拉力。图1-18图1-19六、力的分解
在许多实际问题中，有时一个力能在不同的方向上产生几种作用。例如，当我们在水平路面上向斜上方拉车时，拉力不仅使车前进，而且减小了车对路面的压力。拉力的这种作用可以从下面的实验中看出来。【实验】 观察力的作用。
把一铁块放在台秤的台板上，秤的指针显示出了它对台板的压力。用斜向上方的力拉铁块时，可以看到秤的示数变小（图1-20）。图1-20图1-21
在这个实际问题中，一个力在两个方向上起作用。在研究力的作用时，可以把一个力按它所起作用的方向分解成两个分力，这就是力的分解。
我们已经知道，合力跟分力的关系遵循平行四边形定则。力的分解是力的合成的逆运算。因此，进行力的分解，也要利用平行四边形定则。在进行力的分解时，把已知力作为平行四边形的对角线，与已知力共点的平行四边形的两个邻边就是它的两个分力。所以，从几何学的角度来看，力的分解就是根据平行四边形的对角线来求邻边。
我们从数学知识知道，有相同对角线的平行四边形可以有无数个（图1-21）。也就是说，同一个力可以分解为无数对大小、方向不同的分力。要想得到所需要的两个分力的大小或方向，必须根据实际问题来决定。例如，前面的例子中，向斜上方的拉力就要沿水平向前和竖直向上两个方向分解（图1-22）。图1-22
下面我们来分析几个实际例子。
放在水平面上的物体在一个与水平方向成a角的拉力F的作用下，向前运动，如图1-22所示。拉力F一方面拉着物体沿水平面向前运动，另一方面向上提物体使物体有向上的趋势，减少了物体对地面的压力。根据实际作用效果，拉力可以分解为沿水平方向使物体向前12运动的分力F和在竖直方向使物体向上的分力F。1
F＝Fcosa2
F＝Fsina1．悬挂物拉力的分解
如图1-23所示，把一个物体挂在成角度的两根绳MO和NO上，物t体的悬挂点为O，拉力F等于物体所受的重力G，方向竖直向下，由t于拉力F的作用，绳MO和NO也受到拉力作用，绳MO和NO受到的拉t力是拉力F的两个分力，这两个分力的方向就是绳MO和NO被拉长的t方向，因此，拉力F应沿这两个方向分解（图1-24）。图1-23图1-242．重力在斜面上的分解
在光滑斜面上的物体受到竖直向下的重力，这个重力一方面使物体沿着斜面下滑，另一方面使物体紧压斜面。根据实际作用效果，重1力G可以分解为平行于斜面使物体沿斜面下滑的分力F和垂直于斜面2使物体紧压斜面的分力F，如图1-25所示。图1-2512
若已知斜面的倾角θ，就可以求出分力F和F的大小。由于直角三角形ABC和OQN相似，所以∠QON＝∠BAC＝θ，12
F＝Gsinθ，F＝Gcosθ
由此可见，分解一个力时，先要分析这个力对物体产生的实际作用效果，然后根据这些效果判定出分力的方向（或大小），再用力的平行四边形定则对它进行分解。思考与讨论
两个力的合力的大小是否一定比分力大？已知一个力，要求出唯一的一对分力，需要什么条件？练习五（1）有两个力，一个是30N，另一个是40N，当它们的方向相同时，合力的大小是__________N，当它们的方向相反时，合力的大小是__________N，方向是__________。当这两个力的夹角是90°时，其合力的大小是__________N。1212（2）F，F为作用在同一物体上的两个力，F＝20N，F＝4N，它们合力的大小可能是下列数值中的________________（这些数值是3N、4N、5N、22N、23N、24N、25N）。2（3）一个气球除受到重力G＝3N外，还受到风的水平推力F＝112N和空气浮力F＝8N，如图1-26所示，求气球受到的合外力。图1-261（4）在图1-27甲中，已知合力F及一个分力F。在图1-27乙中知道合力及两个分力的方向，用做图法求出未知的分力。
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