物理学与生活——日常现象的物理原理

本书适用于基础物理概念性课程。全书共分21章，内容包括力学、热力学、电学和磁学、光学、核物理学、近代物理学等，具体涉及运动的描述，落体运动和抛体运动，牛顿运动定律，圆周运动、行星和引力，能量和振动，动量和冲量，转动，流体的行为，温度和热量，热机和热力学第二定律，静电现象，电路，磁体和电磁学，波的形成，光波和颜色，光和成像，原子的结构，原子核和核能，相对论，现代物理简介等。本书的特点是在介绍物理学概念的同时，引入可用这些概念来解释的日常现象，强调物理学的实用性及其与日常生活的关联性，而不要求读者具备高深的数学知识。全书以叙述性文体撰写，并且用预先设定的问题将读者引入有关物理思想的对话。全书所涉知识领域广阔，呈现知识的方式别有新意，解释物理现象深刻透彻。

W. Thomas Griffith，美国俄勒冈州太平洋大学杰出大学荣誉教授，美国物理教师协会会员，美国西北地区大学物理协会会员；曾任太平洋大学物理系主任、自然科学部主席、临时招生办公室主任等；在太平洋大学从教36年后退休，退休后偶尔会带着吉他出现在学校的物理课；爱好广泛，包括徒步旅行、骑自行车、唱歌和参加音乐喜剧等。 罗一雄，1959年出生，退休中学教师。毕业于福建师范大学物理系和英语系。长期从事高中物理和英语教学工作，任中学副校长，兼任教师进修学校物理教研员，高级职称。有多篇教育教学论文、诗歌发表于省内刊物。

第1章 物理学：一门基础科学 1

1.1 能源是什么？ 2

1.1.1 能源和全球变暖的争论 3

1.1.2 物理学和能量 3

1.2 科学和科学方法 4

1.2.1 科学和彩虹 4

1.2.2 什么是科学方法？ 5

1.2.3 应该如何呈现科学？ 6

日常现象专栏1.1 咖啡壶故障 6

1.2.4 问题讨论 7

1.3 物理学的研究范畴 7

1.3.1 如何定义物理学？ 7

1.3.2 物理学的主要分支有哪些？ 8

1.4 测量和数学在物理学中的作用 9

1.4.1 为什么测量这么重要？ 9

1.4.2 数学能提供什么帮助？ 10

1.4.3 为什么使用公制单位？ 10

1.5 物理学和日常现象 11

1.5.1 为什么要研究日常现象？ 11

日常现象专栏1.2 按比例调整原料

用量 11

小结 13

关键术语 13

概念题 14

练习题 15

综合题 15

家庭实验与观察 16

第1单元 牛顿革命 17

第2章 运动的描述 18

2.1 平均速率和瞬时速率 19

2.1.1 平均速率的定义 20

2.1.2 速率的单位 20

2.1.3 瞬时速率 21

2.1.4 问题讨论 22

日常现象专栏2.1 交通流量的变化 22

2.2 速度 23

2.2.1 速率和速度的区别 23

2.2.2 矢量 23

2.2.3 怎样定义瞬时速度？ 24

2.3 加速度 24

2.3.1 怎样定义平均加速度？ 24

2.3.2 怎样定义瞬时加速度？ 25

2.3.3 加速度的方向 25

2.3.4 汽车速率不变时能做加速

运动吗？ 26

2.4 运动的图像表示 27

2.4.1 图像能告诉我们什么？ 27

2.4.2 速度图像和加速度图像 28

2.4.3 能根据速度图像求行驶距离吗？ 29

日常现象专栏2.2 百米赛跑 29

2.5 匀加速运动 30

2.5.1 匀加速运动中的速度怎样变化？ 30

2.5.2 行驶距离如何随时间变化？ 31

小结 32

关键术语 33

概念题 33

练习题 35

综合题 36

家庭实验与观察 36

第3章 落体运动和抛体运动 37

3.1 重力引起的加速度 39

3.1.1 如何测量重力加速度？ 39

3.1.2 伽利略和亚里士多德关于落体运动的观点有何不同？ 41

3.2 追踪自由落体 41

3.2.1 速度如何随时间变化？ 41

3.2.2 小球在不同时段下落多大的距离？ 42

3.2.3 下抛小球 43

日常现象专栏3.1 反应时间 44

3.3 再进一步：竖直上抛 45

3.3.1 小球的速度如何变化？ 45

3.3.2 小球能飞多高？ 46

3.4 平抛运动 47

3.4.1 抛体的轨迹是什么样的？ 47

3.4.2 飞行时间由什么决定？ 48

3.5 斜抛和打靶 49

3.5.1 步枪射出的子弹会下落吗？ 49

3.5.2 橄榄球的飞行 50

3.5.3 怎样才能达到最大的距离？ 50

日常现象专栏3.2 篮球投篮 51

小结 52

关键术语 53

概念题 53

练习题 55

综合题 55

家庭实验与观察 56

第4章 牛顿运动定律：运动的解释 57

4.1 历史一瞥 59

4.1.1 亚里士多德怎样看运动的成因？ 59

4.1.2 伽利略如何挑战亚里士多德的

观点？ 59

4.1.3 牛顿经典力学理论的成就 60

4.2 牛顿第一和第二运动定律 61

4.2.1 什么是牛顿第一运动定律？ 61

4.2.2 力和加速度有什么关系？ 62

日常现象专栏4.1 桌布戏法 62

4.2.3 力是怎样相加合成的？ 63

4.3 质量和重量 64

4.3.1 如何比较质量的大小？ 64

4.3.2 如何定义重量？ 65

4.3.3 为何重力加速度与质量无关？ 65

4.4 牛顿第三运动定律 66

4.4.1 第三运动定律怎样帮助我们

定义力？ 66

4.4.2 如何用第三运动定律分析所

受的力？ 66

日常现象专栏4.2 乘坐电梯 67

4.4.3 骡子能够加速马车吗？ 68

4.4.4 什么力使汽车加速？ 68

4.5 牛顿运动定律的应用 69

4.5.1 推沙发时涉及哪些力？ 69

4.5.2 跳伞运动员不开伞时会持续

加速吗？ 70

4.5.3 小球扔出后会发生什么？ 71

4.5.4 如何分析连接体的运动？ 71

小结 73

关键术语 73

概念题 74

练习题 75

综合题 76

家庭实验与观察 77

第5章 圆周运动、行星和引力 78

5.1 向心加速度 79

5.1.1 什么是向心加速度？ 79

5.1.2 怎样求速度的变化量Δv？ 80

5.1.3 如何计算向心加速度的大小？ 81

5.1.4 什么力产生向心加速度？ 81

5.2 向心力 82

5.2.1 什么力帮助汽车顺利通过弯道？ 82

日常现象专栏5.1 安全带，安全气囊，事故动力学 83

5.2.2 弯道路面倾斜时情况会怎样？ 84

5.2.3 坐摩天轮时会遇到哪些力？ 85

5.3 行星运动 85

5.3.1 早期的天空模型是怎样的？ 85

5.3.2 哥白尼与托勒密的模型有何区别？ 87

5.3.3 开普勒行星运动定律 88

5.4 牛顿万有引力定律 89

5.4.1 牛顿的突破是什么？ 90

5.4.2 什么是牛顿万有引力定律？ 90

5.4.3 重量与万有引力定律有什么

关系？ 91

5.5 月球和其他卫星 92

5.5.1 如何解释月相？ 92

5.5.2 月球围绕地球运动的轨道服从开普勒定律吗？ 93

日常现象专栏5.2 潮汐的解释 94

5.5.3 人造卫星的轨道 95

5.5.4 问题讨论 96

小结 96

关键术语 96

概念题 97

练习题 98

综合题 99

家庭实验与观察 99

第6章 能量和振动 101

6.1 简单机械、功和功率 102

6.1.1 什么是简单机械？ 103

6.1.2 怎样定义功？ 103

6.1.3 任何力都做功吗？ 104

6.1.4 功和功率有什么关系？ 104

6.2 动能 105

6.2.1 如何定义动能？ 105

6.2.2 什么是负功？ 106

6.2.3 汽车的停车距离 106

6.3 势能 107

6.3.1 什么是重力势能？ 107

6.3.2 势能的实质是什么？ 107

6.3.3 什么是弹性势能？ 108

6.3.4 什么是保守力？ 109

6.4 能量守恒 109

6.4.1 摆在摆动时的能量如何变化？ 109

6.4.2 能量守恒是什么意思？ 109

6.4.3 为什么使用能量的概念？ 110

6.4.4 能量分析为何像计账？ 111

6.4.5 问题讨论 112

6.5 弹簧和简谐运动 112

日常现象专栏6.1 节能 112

日常现象专栏6.2 能量和撑杆跳高 113

6.5.1 系在弹簧末端的物块的振动 114

6.5.2 什么是周期和频率？ 115

6.5.3 任何回复力都产生简谐

运动吗？ 115

小结 116

关键术语 117

概念题 117

练习题 119

综合题 120

家庭实验与观察 121

第7章 动量和冲量 122

7.1 动量和冲量 123

7.1.1 网球弹跳时会发生什么？ 123

7.1.2 怎样分析快速变化的运动？ 124

7.1.3 什么是冲量和动量？ 124

7.1.4 如何应用动量定理？ 125

日常现象专栏7.1 扔鸡蛋游戏 126

7.2 动量守恒定律 127

7.2.1 动量在什么条件下守恒？ 127

7.2.2 动量守恒和碰撞 128

7.3 反冲 129

7.3.1 什么是反冲？ 129

7.3.2 霰弹枪的反冲 130

7.3.3 火箭是如何工作的？ 130

7.4 弹性碰撞和非弹性碰撞 131

7.4.1 什么是完全非弹性碰撞？ 131

7.4.2 碰撞过程中能量守恒吗？ 132

7.4.3 台球碰撞时会发生什么？ 132

7.5 成角度碰撞 133

7.5.1 二维完全非弹性碰撞 133

日常现象专栏7.2 汽车事故调查 134

7.5.2 二维弹性碰撞 135

7.5.3 问题讨论 136

小结 136

关键术语 136

概念题 137

练习题 138

综合题 139

家庭实验与观察 140

第8章 转动 141

8.1 什么是转动？ 142

8.1.1 什么是角位移和角速度？ 143

8.1.2 什么是角加速度？ 144

8.1.3 什么是匀角加速转动？ 144

8.1.4 线速度和角速度有什么关系？ 145

8.2 力矩和平衡 145

8.2.1 天平什么时候平衡？ 145

8.2.2 什么是力矩？ 146

8.2.3 多个力矩如何相加？ 147

8.2.4 什么是重心？ 147

8.3 转动惯量和牛顿第二运动定律 148

8.3.1 什么是转动惯量？ 148

8.3.2 适用于转动的牛顿第二运动

定律 149

8.3.3 如何求旋转木马的转动惯量？ 150

8.4 角动量守恒 151

8.4.1 什么是角动量？ 151

8.4.2 角动量何时守恒？ 151

8.4.3 滑冰运动员角速度的变化 151

8.4.4 从角动量守恒看开普勒第二

定律 153

日常现象专栏8.1 溜溜球，溜起来！ 153

8.5 骑自行车和其他技艺 154

8.5.1 角动量是矢量吗？ 154

8.5.2 角动量和自行车 155

8.5.3 转椅和陀螺 156

日常现象专栏8.2 自行车变速装置 156

小结 157

关键术语 158

概念题 158

练习题 160

综合题 161

家庭实验与观察 161

第2单元 流体的行为和热学 163

第9章 流体的行为 164

9.1 压强和帕斯卡定律 165

9.1.1 如何定义压强？ 166

9.1.2 什么是帕斯卡定律？ 166

9.1.3 液压千斤顶是如何工作的？ 167

9.2 大气压和气体的行为 168

9.2.1 怎样测量气压？ 168

9.2.2 大气压如何变化？ 169

9.2.3 空气柱的重量 169

9.2.4 气体体积如何随压强变化？ 170

日常现象专栏9.1 测量血压 171

9.3 阿基米德定律 172

9.3.1 什么是阿基米德定律？ 172

9.3.2 浮力的来源是什么？ 173

9.3.3 决定物体浮沉的三种情况 174

9.3.4 为何钢船能浮在水面上？ 174

9.3.5 气球何时上浮？ 175

9.4 运动的流体 175

9.4.1 为什么流速会变