第1章　簡單的直線運動

第1節 如何科學評判龜兔賽跑的勝負？

生活物理

有一天，在森林裡兔子和烏龜在比賽跑步。

兔子嘲笑烏龜爬得慢，烏龜說：「總有一天我會贏的。」兔子輕蔑地說：「那我們現在就開始比賽吧！」烏龜答應了，雙方準備好後，猴子大聲喊道：「比賽開始！」

兔子飛快地跑著，烏龜拚命地爬著。沒過多久，兔子就領先了很大一段距離。此時，起點的小動物們都認為兔子肯定贏了。兔子覺得比賽太輕鬆了，它要先睡一下子，並且認為即使自己睡醒了再跑，烏龜也不一定能追上自己。而烏龜呢，牠一刻不停地爬行，爬呀爬呀，到兔子那裡的時候，牠已經累得不行了，但烏龜想：如果這時和兔子一樣去休息，那比賽就不會贏了，所以烏龜繼續爬呀爬。當兔子醒來的時候，烏龜已經到達終點了。最終，作為裁判的大象宣布：「此次賽跑，烏龜獲勝！」

小動物們不敢相信這個結果。起點處的猴子說：「剛出發時，烏龜爬了1m的時候，兔子已經跑出去5m了，兔子應該贏啊！」中間負責維持秩序的長頸鹿說：「兔子從我身邊飛過，掀起了一陣小風；烏龜從我身邊爬過的時候，牠的每個動作、每個表情，我都看得很清楚。顯然兔子的速度快啊！」

為什麼猴子和長頸鹿預測的結果與終點處大象的判斷不同呢？

科學實驗：

請找幾位同學一同跑800m賽跑，用鏡頭記錄賽跑的全過程。請你為全過程解說。在解說過程中強調你對結果的判斷。

原來如此

猴子、長頸鹿和大象發生分歧，我們該如何科學地比較出物體運動的快慢呢？不論在生活中還是在科學世界中，人們往往用「速度」一詞描述物體運動的快慢。其實在物理學中，如果只是單純地比較物體運動的快慢而忽略運動的方向，那麼應該稱之為比較「速率」。

應該如何理解速率的概念呢？正如故事中位於起點處猴子的觀點那樣，烏龜和兔子在相同的時間內所經過的路程不同，誰走的路程遠，則誰跑得快。但是生活中並不是所有物體都是同時出發的，我們還要更科學地定義。物理學中，把路程和時間的比值定義為速率，用公式表示為v＝s/t。當路程的單位是m，時間的單位是s時，速率的單位就是m/s，這也是國際單位制下的單位。如果一個物體的速率是5m/s，則表示這個物體1s走過的路程是5m。當然，生活中我們也經常用到另一種常用單位，即路程的單位是km，時間的單位是h，速率的單位是km/h。這樣我們可以藉由比較速率的大小來比較物體運動的快慢。

既然有統一標準，我們是不是可以直接用比較速率的方法來比較兔子和烏龜運動的快慢呢？其實，很多物體的運動速率不是一成不變的。比如說龜兔賽跑中的兔子，牠的運動就是變速運動。對於變速運動的物體，我們需要考慮瞬時速度和平均速率。瞬時速度是指運動的物體在某一時刻（或某一位置）的速率。平均速率是指總路程和總時間的比值。從物理含義上看，瞬時速度指某一時刻附近極短時間內的平均速率。龜兔賽跑時，猴子和長頸鹿感受到在其位置處兔子和烏龜的瞬時速度不同，而裁判大象是根據到達終點的順序判斷輸贏的，實際上比較的是平均速率。

第2節 如何追上等速前進的烏龜？

生活物理

在第1節中，我們一起回顧了龜兔賽跑的故事。有的同學提出了這樣的疑問：如果兔子在烏龜到達終點之前醒來，並沒有任何猶豫地快速追趕，是否有機會追上烏龜取得勝利呢？

科學實驗：

找一位男生和一位女生到400m的操場。讓女生在領先男生100m的位置起跑，即男生跑400m，女生跑300m。男生能夠追上女生嗎？請加以嘗試。如果追上了，請說明成功的祕訣；如果沒追上，請分析原因。

原來如此

其實，兔子要想取得勝利，就需要在烏龜爬到終點前的有限時間內到達終點，也就需要有更大的平均速率。兔子如何才能獲得更大的平均速率呢？兔子的奔跑速率並不是無限增大的，在兔子到達最大速率前，一直在做加速運動，達到最大速率後做等速運動。那我們就將物體的運動分成兩部分來分析吧。

首先，我們分析一下加速運動。既然是加速運動，我們更希望兔子的速率能夠快速地增加。最簡單的加速運動就是等加速直線運動了。在等加速直線運動中如何表示加速快慢呢？為了描述物體運動速度變化的快慢這一特徵，引入了加速度的概念：加速度是速度的變化量與發生這一變化所用時間的比值，通常用a表示。比如，一門迫擊砲射擊時，砲彈在砲筒中的速度在0.005s內就可以由0增加到250m/s，砲彈速度的變化與發生這個變化所用時間之比為5×104m/s，這就是迫擊砲的加速度。可見，加速度大的物體加速快，那麼在加速過程中的平均速度也較大。其次，我們看一下達到最大速率後做等速運動的過程。如果最大速率更大，那麼平均速度也更大。

總之，更大的加速度和更高的最大速率是兔子反敗為勝的法寶。

思維拓展

生物界神奇的加速度

生物界有很神奇的加速度，先來對比一下吧！

人類奔跑時，最快可以在4s內從0加速到40km/h，加速度為2.8m/s2。

性能優異的汽車，可以在4s內從0加速到100km/h，加速度為6.9m/s2。

太空梭起飛時，可以在4s內從0加速到400km/h，加速度為27.8m/s2。

跳蚤跳躍時的加速度是太空梭加速度的70倍，是重力加速度的200倍，約為2,000m/s2。

跳蚤跳躍的距離是自身體長的200倍，而且跳蚤能承受超過體重200倍的力量！那跳蚤是加速度最快的生物嗎？不是！

水玉黴屬真菌，其貌不揚，主要在糞便上生長。其附著在草上的孢子被草食性動物食用後，會經歷整個消化過程，然後隨糞便排出體外。

水玉黴的特色之一在於它「發射」孢子的能力。它可以讓孢子在幾微秒內從靜止狀態快速運動，加速度相當於2萬個標準重力加速度。而訓練有素的戰鬥機飛行員最多只能在短時間內忍受9到10個標準重力加速度，因此不難想像水玉黴的加速能力有多麼強大。

水玉黴有充分的理由使用這種方式發射孢子，因為對於它這個類型的生物而言，空氣已經過於「稠密」，所以孢子會遇到大量摩擦，需要大的加速度以在短時間內獲得較快的速度，運動得更遠。水玉黴可以把孢子發射到2m之外，距離糞便夠遠，以便被其他草食性動物進食，從而開始新的生命週期。

生活裡的科學

1.高速鐵路的加速度

高速鐵路的最高速度是250km/h到350km/h，其平均速度能達到300km/h。高速列車出站後加速到300km/h大約用時10min，加速度大約是0.14m/s2。加速度很小，這主要是從執行平穩的角度考慮的。同樣，高速鐵路在減速時的加速度也不能太大。如果一輛高速鐵路每站都停靠，那麼在執行中會有非常多的緩慢加速和緩慢減速過程，雖然最高時速很大，但是平均速度很小，整體運行效果不會很好。因此，高速鐵路在設計路線的時候，通常設計為同一條路線的不同列車停靠不同站，大家在購票時也要關注列車中途停靠的車站數。

2.加速度與航太

喜歡航太的同學可能會發現，太空人在起飛前是躺在飛船內的。火箭升空時太空人為何要保持躺著的姿勢呢？這是因為火箭升空時的加速度能達到50m/s2，太空人隨火箭加速升空時，

全身各器官、血液當然要共同加速。由於慣性，血液會更多地集中在身體靠近地面的部分，站姿、坐姿都會引起大腦供血不足。加速時，內臟也會受到拉扯。躺著的姿勢對身體的保護性更好。

是不是所有的太空飛行器都具有很大的加速度呢？結合我們課上所學，較小的加速度也會有很明顯的效果，只要加速時間足夠長。

長距離宇宙航行的太空飛行器，由於受到多種因素的限制，不能增加過多燃料以維持太空飛行器在宇宙空間的持續加速。那麼能否在不消耗燃料的情況下使飛船持續加速呢？答案是肯定的。進入太空後，太空飛行器會利用一種推力雖然很小，但是可以持續不斷提供推力的方式進行加速，這就是利用陽光提供推力，這種太空飛行器也就是我們所說的光帆飛船。

陽光產生的壓力（光壓）是非常小的。不僅人感受不到，就連用普通的儀器也測不出來。在地球附近，陽光照射到一個平整、光亮、能完全反射光的表面時，產生的壓力最大，大約是9×10-6 N/m2。也就是說，1km2平整、光亮的面積上才受到9N的壓力。

一塊面積為100m2的光帆，在陽光正射下可獲得大約0.1N的推力，用它推動100kg的物體，可產生1mm/s2的加速度。這個加速度極其微小，只有地面重力加速度的萬分之一。但即使太空飛行器的加速度只有1mm/s2，一天以後，速度也能達到86.4m/s（311km/h）。一個月後，達到約2,592m/s（約9,331km/h，約7.6倍音速）。130天後，達到11.23km/s（已超過脫離速度）。一年後，可達到31.54km/s，足以飛出太陽系。

第1章　簡單的直線運動

第1節 如何科學評判龜兔賽跑的勝負？

生活物理

有一天，在森林裡兔子和烏龜在比賽跑步。

兔子嘲笑烏龜爬得慢，烏龜說：「總有一天我會贏的。」兔子輕蔑地說：「那我們現在就開始比賽吧！」烏龜答應了，雙方準備好後，猴子大聲喊道：「比賽開始！」

兔子飛快地跑著，烏龜拚命地爬著。沒過多久，兔子就領先了很大一段距離。此時，起點的小動物們都認為兔子肯定贏了。兔子覺得比賽太輕鬆了，它要先睡一下子，並且認為即使自己睡醒了再跑，烏龜也不一定能追上自己。而烏龜呢，牠一刻不停地爬行，爬呀爬呀，到兔子那...

前言

物理真的很難嗎？其實物理可以很簡單！物理學家堅信「自然的法則儘管無所不包，條例卻很少」。物理學家堅信「物理世界是簡單的，是可以被理解的」。如果你也能像物理學家一樣思考，你會悟到：物理如此簡單！

身為物理教師，我們經常會遇到學生害怕學習物理的情況，甚至他們在還沒有接觸物理時就對這門學科的學習毫無信心。究其原因，很重要的一點是，當前的物理教學和學生的物理學習遠遠脫離了物理學科的本質。物理是自然科學領域的一門基礎學科，物理學研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，因此成為其他各自然科學學科研究的基礎。它是教人認識自然和理性思考的。莊子云：「判天地之美，析萬物之理。」這大概就是物理學和物理教育的真諦。

現在國、高中生對物理學科的學習大多沉浸於解題，知識的獲得局限於有限的教材和門類繁多的講義，使提高物理思維、形成物理觀念、提升物理學科素養有很大的困難。這也導致一些國、高中生對物理形成了刻板印象，認為物理很枯燥，難學，並沒有感受到物理是對自然的描述，物理是最具簡潔美的科學。生活中處處有物理，學習物理不僅僅是為了解題，更是為了解決實際問題；學習物理不僅僅是為了學習已知，更是為了探究和發現未知！

這本有關物理學的書是嚴肅的，其中的每一個概念、思想、方法都是很多科學家經過細緻且嚴謹的實踐研究獲得的。身為編寫者的我們並不是這些問題的發現者，我們能承諾的是書中的每一個觀念都有更為專業的物理學研究作為保障。在書寫過程中，為降低國、高中不同年齡層學生的閱讀門檻，我們減少大量數學公式，力求用有意思的語言、生動的例子甚至是比喻來更好地闡述。

為了讓處於國、高中階段的學生能夠從更多角度認識物理學，本書以國、高中物理知識為主線，以內化物理原理、學習物理方法、培養科學思維為目標，並充分考慮國、高中生的特點。將每個章節分成不同部分。

●「生活物理」從生活中的具體例項提出問題，激發思考。

●「科學實驗」利用生活中的實驗器材來實驗，用所學物理知識來解釋和分析，將物理與生活緊密連繫起來，讓學生體會生活中處處是物理。

●「科學探索」引領學生像科學家一樣思考，用科學的思維和方法探索未知。

●「原來如此」對「生活物理」中的問題給予解答並概括性地提煉和總結，從方法、能力等方面，提升學生的科學素養，讓學生豁然開朗，體會物理如此簡單和有趣。

●「思維拓展」對中學物理知識進行拓展補充，擴散性思考。主要從物理知識的深化以及量化、最新科技成果及應用、物理學史的發展等方面開闊學生視野，讓其站在高處看物理。

●「生活中的科學」將物理知識與生活中的物理學發展融合在一起，讓學生充分認識物理學成就，知道歷代科學家在物理學的道路上付出的努力。

●「牛刀小試」給出生活中另外一些具有相同原理的案例，預留空間，鼓勵學生進一步深入學習並應用上述原理大膽嘗試和實踐。

物理是一種想像力，你的想像力有多強，你的物理世界就有多大。

物理是一種思維方式，你的思維方式有多獨特，你就有多少種看待物理問題的視角。

　　物理如此簡單，開始閱讀吧！

前言

物理真的很難嗎？其實物理可以很簡單！物理學家堅信「自然的法則儘管無所不包，條例卻很少」。物理學家堅信「物理世界是簡單的，是可以被理解的」。如果你也能像物理學家一樣思考，你會悟到：物理如此簡單！

身為物理教師，我們經常會遇到學生害怕學習物理的情況，甚至他們在還沒有接觸物理時就對這門學科的學習毫無信心。究其原因，很重要的一點是，當前的物理教學和學生的物理學習遠遠脫離了物理學科的本質。物理是自然科學領域的一門基礎學科，物理學研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，因此成為其他...

前言
第1章　簡單的直線運動
　　第1節　如何科學評判龜兔賽跑的勝負？
　　第2節　如何追上等速前進的烏龜？
　　第3節　用石頭能測量比薩斜塔的高度嗎？
第2章　無處不在的力
　　第1節　嫦娥奔月後有什麼變化？
　　第2節　怕踩的乒乓球
　　第3節　為什麼降雨的危害不如墜落物？
　　第4節　捏不碎的雞蛋
　　第5節　難以置信的平衡
第3章　運動的物體真厲害
　　第1節　人不動也能走上萬公里
　　第2節　為什麼你載不動胖子？
　　第3節　擊打木人樁為什麼手會痛？
　　第4節　在電梯裡量體重
第4章　優美的曲線運動
　　第1節　物體為什麼會偏離原來的運動方向？
　　第2節　怎麼贏得鉛球和標槍比賽？
　　第3節　你會踢「香蕉球」嗎？
　　第4節　急轉彎的路面為什麼是傾斜的？
　　第5節　「焦慮」的巴黎大砲
第5章　萬有引力讓宇宙不致解體
　　第1節　宇宙的中心在哪裡？
　　第2節　地球的公轉軌道竟然不是圓
　　第3節　地球為什麼會吸引蘋果？
　　第4節　跑多快可以溜出太陽系？
　　第5節　我們為什麼要去火星？
第6章　探尋能量與動量的轉換關係
　　第1節　為什麼沒有永動機？
　　第2節　高空墜落物的危害
　　第3節　弓箭中的智慧
　　第4節　通羅馬的條條大路有區別嗎？
　　第5節　機械錶中的能量藝術
　　第6節　汽車與足球碰撞出的火花
　　第7節　撞球運動中如何擊打母球？
　　第8節　撞球碰撞的不變量
　　第9節　童年的你差點造出火箭
第7章　波動帶來的美麗世界
　　第1節　美麗的水波
　　第2節　地震帶來的災難為什麼這麼嚴重？
　　第3節　如何利用超音波測速？
　　第4節　深海潛艇如何看清物體？
參考文獻
「牛刀小試」參考答案
後記

前言
第1章　簡單的直線運動
　　第1節　如何科學評判龜兔賽跑的勝負？
　　第2節　如何追上等速前進的烏龜？
　　第3節　用石頭能測量比薩斜塔的高度嗎？
第2章　無處不在的力
　　第1節　嫦娥奔月後有什麼變化？
　　第2節　怕踩的乒乓球
　　第3節　為什麼降雨的危害不如墜落物？
　　第4節　捏不碎的雞蛋
　　第5節　難以置信的平衡
第3章　運動的物體真厲害
　　第1節　人不動也能走上萬公里
　　第2節　為什麼你載不動胖子？
　　第3節　擊打木人樁為什麼手會痛？
　　第4節　在電梯裡量體重
第4章　優美的曲線運動...