粤教版高中物理选修3-4.pdf
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1、_5L-L,刖后人类社会离不开信息,古人靠驿站传递信息,现代人靠光纤、卫星和互联网传递信 息.前者的信息是以马作为载体,而后者以光或电磁波作为栽体,两者传递的速度和容量 是无法相比的.这正好反映了物理科学的进步,从机械运动的研究发展到电磁波、光波的 研究,并且在100年间就应用到了人类生活的各个方面.我们把本书要学习的知识分成四个主题:机械振动与机械波 电磁振荡与电磁波 光相对论第一个主题属于机械运动,第二个主题属于电磁现象.在以往的学习中,这两个不同 领域,无论从内容和研究方法都很不相同,为什么在这里把它们放在一起来学习呢?从表 面上看,一个用弹簧悬挂着小球的运动和奇妙的激光似乎毫无相似之处
2、.至于机械运动,首先,我们会问:什么是振动?什么是波?它们之间有什么关系?最 容易理解的是地震现象和海啸现象,前者发生在陆地上,震源(中心)的运动可以看成一 种振动,而波及的范围则由一种称为地震波的波将震源的能量传播到一个范围;后者发生 在海底,在震源中有激烈的振动,海水将这些振动传播出去,可以经过远达1000千米.将 灾难传到海岸.在这些例子中,我们会看到波不仅只是传递信息,还可以传递能量.其次,我们会问:上述的机械振动和机械波在电磁领域中也完全一样吗?单从主题字 面上看,就有不同:在机械领域叫振动,而在电磁领域叫振荡,为什么?因为在电磁现象 中的确没有一个像机械运动中的“小球”在运动,代替
3、“小球运动的是电场或磁场在变 化,但“小球”运动的变化与电磁场变化规律都惊人地相似.是不是可以用机械运动来解释电磁现象呢?在19世纪,曾经有人做过许多努力,结果 都失败了,后来才知道电磁场是有别于机械运动的一种“物质”或者“运动”,直到法拉 第、麦克斯韦和爱因斯坦等人从发现电磁感应现象到电磁波、光波然后找到有关光传播信 息与物体运动的关系相对论,人们才将机械运动(高速的运动)和电磁现象在另一个 新的高度上统一起来,这就是本书将上述四个主题放在一起学习的原因.我们希望同学们能在学习的过程中更多地自主地获得知识、技能和方法,在教科书的 设计上,我们尝试在一些条件许可的知识点,让同学们通过自己观察、
4、设计、处理数据.猜想和设法验证、讨论与交流等环节,一步一步地去体会、理解一些新的概念.比如对于 简谐运动的运动特征,我们不是和一般教科书那样先讲解在回复力的作用下弹黄振子做的 运动,虽然这种由理性认识到感性认识是一种途径,但由于多是先由老师讲授,学生往往 很难从过程中学会自己思考、自己得出结论.所以.我们想探索不同的教学过程,但毕竟 只是一种尝试和愿望,希望能得到老师和同学们的支持.科学发展需要创新,教育呼唤创新,让我们共同努力,在获得知识的同时、在探索教 育创新的征途中迈出第一步!录第一章机械振动.第一节初识简谐运动.弹簧振子.描述简谐运动特征的物理量.第二节简谐运动的力和能量特征.简谐运动
5、的力的特征.简谐运动的能量的特征.第三节简谐运动的公式描述.第四节探究单摆的振动周期.单摆振动周期的实验探究.第五节用单摆测定重力加速度.第六节受迫振动共振.受迫振动.共振.共振的利用和防止.第二章机械波.第一节机械波的产生和传播.认识机械波.机械波的产生.机械波的传播.纵波与横波.第二节 机械波的图象描述.波的图象.描述波的特征的物理量.第三节惠更斯原理及其应用.惠更斯原理.波的反射.波的折射.第四节波的干涉与衍射.1波的干涉.37波的衍射.40第五节多普勒效应.43认识多普勒效应.43多普勒效应的成因.43多普勒效应的应用.44第三章电磁振荡与电磁波.49第一节电磁振荡.50电磁振荡电路的
6、演变与构成.50电磁振荡过程中电场能和磁场能的转化.51电磁振荡的周期和频率.52第二节电磁场与电磁波.54麦克斯韦电磁场理论的基本思想.54电磁波的产生及其特点.55电磁场的物质性.56麦克斯韦电磁场理论的意义.57第三节电磁波的发射、传播和接收.59模仿赫兹实验.59电磁波的发射.60电磁波的传播.61无线电波的接收.63第四节电磁波谱.65光是电磁波.65电磁波谱.65第五节电磁波的应用.70无线电广播与电视.70移动通信.71电磁波与科技、经济、社会发展的关系.71第四章光.75第一节 光的折射定律.76光的折射规律的实验探究.76折射角与光速的关系.77折射率.77第二节 测定介质的
7、折射率.80测量折射率.80第三节认识光的全反射现象.83光的全反射.83光导纤维的结构与应用.84第四节光的干涉.862双缝干涉现象.86光产生干涉的条件.87第五节用双缝干涉实验潮定光的波长.90第六节光的衍射和偏振.92光的衍射.92光的偏振.93第七节激光.96激光.96激光的特性.96激光的应用.97全息照相.98用激光观察全息照片.98第五章相对论.103第一节狭义相对论的基本原理.104狭义相对论的诞生.104狭义相对论的基本原理.105“同时”的相对性.105第二节时空相对性.107时间间隔的相对性.107空间距离的相对性.108相对论的时空观.109第三节 质能方程与相对论速
8、度合成定理.111相对论质量.111质能方程.112相对论的速度合成定理.112第四节广义相对论.115广义相对论基本原理.115广义相对论的主要结论.116第五节宇宙学简介.118人类对宇宙演化的认识.118宇宙学的新进展.1193第一章机械振动我们曾经学过:物体在恒力作用下做匀变速直线运动,在大小不变的向心力作用下做 匀速圆周运动.这些运动都是一种变速运动,不过前者是速度方向不变、大小改变的运 动;后者则是速度大小不变、方向改变的运动.在本章,我们还会学到在某种力的作用 下,物体的速度大小和方向都按一定规律变化的运动,比如,秋千的摆动、钟锤的摆动、一个被弹簧拉着的小球的振动这些运动是一种周
9、而复始的往复运动(称为周期性运 动).我们把物体在平衡位置附近做的往复运动,叫做机械振动,简称振动.以后大家会学到,自然界中存在多种复杂的振动,甚至还包括力学以外的振动.虽然 它们并不属于机械振动,但运动规律仍然是一样的.我们以力学的机械振动,特别是机械 运动中的一种最简单、最基本的振动一简谐运动一作为入门知识来学习.这些知识是 以后学习机械波和电磁波的基础.在本章中以两种简谐运动的典型例子作为代表:第一种是弹簧振子,通过它认识简谐 运动的运动、力和能量特征;第二种是单摆,通过它认识简谐运动的频率(周期)特征.2 第一章机械振动第一节初识简谐运动专业术语简谓运动simpl e har moni
10、c mot ion简谐运动是振动的基础,我们必须比较全面地理解这种运 动.让我们先通过实验观察来认识坡简单和最蝇型的简谐运 动一弹簧振子的运动.振动vibr at ion弹簧振子在理想化模型的 情况下,弹簧与连接 在弹簧一端的小球组 成的系统称为弹簧振 子.弹赍振子的运动通常有两种:一种是如图1-17所示,将,有孔的小球安装在弹簧的一嫡,弹簧的另端固定.小球 穿在光滑的水平杆上,将小球拉到离平衡位置附近的某一位置 后松手,小球在弹簧的弹力的作用下.做水平方向的往复运动;另一种是如图1-1-2所示.在弹簧F端挂一个小球,将小球竖 直拉到离平衡位置的某一位置后松手,小球在弹簧的弹力的作 用下,在此
11、平衡位置附近做竖直方向的往复运动.图1-1-1弗赞振子的运动图1-1-2悬挂在押费下的小球的上下运动注意理想化处理 需要的条件和理想化 模型的特点.实际弹簧振子的理想化处理:弹簧的质量比小球的质址 小得多,可以认为质量集中于振广(小球);当与弹簧相接的 小球体积较小时,可以认为小球是一个质点;当水平杆足够 光滑时,可以忽略弹箫以及小球与水平杆之间的摩擦力;当 小球从平衡位置拉开的位移在弹簧的弹性限度内时.我们所讲的 弹簧振子就是指这种理想化处理后的弹簧和小球组成的系统.Q实验与探究我们首先研究弹簧振子的运动特征,用实险的方法得出它 的运动曲线,即物体(指弹簧振子中的小球)的位移随时间变 化的曲
12、线.关于位移,必须注意它的情况和以前学过的直线运动有不 同的地方:在弹黄振子中的小球不是只在一个方向上运动,如第一节初识简谐运动 3果将位移的坐标原点定在起始点或固定的坐标原点,则不便看 清它的运动规律.因此,对于简谐运动,我们以小球的平衡位置 作为坐标原点,由此来测量小球的位移.对于水平的弹簧振子,我们可以设小球离开平衡位置的右方为正,左方为负;而对于 垂直的弹簧振子,可以设小球离开平衡位置的下方为正,上方 为负.1.观察图1-1-1和图17-2两种弹簧振子中其中一种的运 动规律,它有哪几个运动特征?2.设计一个简易的方法,画出你所观察到的弹簧振子的位 移一时间曲线(无T曲线).3.根据较精
13、确的仪器(图1-1-3)实测出来的弹簧振子位 移和时间的数据(表1-1-1),作出弹簧振子的位移一时间曲线.图1-1-3 用运动传 感器测量垂宜悬挂的 用黄振子的运动表1-1-1用图1-1-3的装置测得到的弹簧振子的位移一时间数据Us55.123755.163555.203355.243155.282955.322655.3623x/m0.21900.21640.21240.20670.20060.19370.1852i/s55.402155.441955.481755.521555.561355.601155.6409x/m0.17 940.17 540.17 300.17 270.17 4
14、20.17 820.1828t/s55.680855.7 20655.7 60555.800355.840155.87 99x/m0.19090.19800.20450.21040.21500.21834.尝试用三角函数的知识,判别绘出的位移一时间曲线较 接近哪一种三角函数的曲线.%河论与交流1.通过观察到的结果和作出的曲线,能说明弹簧振子的运 动有什么独特的运动规律吗?2.为什么能从位移一时间曲线中看出弹簧振子的运动特征?3.如果弹簧振子的运动表明物体偏离平衡位置的位移随时 间做正弦或余弦变化,你能从正弦或余弦函数的特征来说明简 谐运动的特征吗?简谐运动是物体偏离平衡位置的位移随时间做正弦或
15、余弦 规律而变化的运动.它是一种非匀变速运动,它的加速度在不同的 位移都不相同,表明物体在运动过程中总是受到一个变力的作用.描述简谐运动特征的物理量现在我们将上面的探究结果与弹簧振子的位置变化的对应 关系用图”1-4表示,以此来分析弹簧振子运动的特征物理量.4 第一章机械振动图1-1-4是弹簧振子运动 过程中,振子在振动相同的时 间间隔后的位置图.格各个位置 用平滑的曲线连起来,就成了 一条位移一时间曲线.当/=0 时,弹簧振子被拉到了点释 放,经过点。运动到点,再 经过点()回到点B,它就完成 了一次全振动.此后不停地重纪 这种往复运动.弹簧振子完成一次全振动.与之相对应的位移一时间曲线 即
16、变化了一个周期.要知道弹簧 振子的振动情况.只要分析其 位移一时间曲线即可.弹簧振F BB0 H图1-1-4弹肾振子位 移与时间的对应关系的位移时间曲线也叫做运动图象.(业术语周期 per iml 频率 f r eq uenc y 振幡 ampl it ude实验表明,用簧振子完成一次全振动所用的时间是相同的.做简谐运动的物体完成一次全振动所需要的时间,叫做振 动的周期,用丁表示,单位是秒(s).单位时间内完成振动的次数,叫做振动的频率,用/表示,单位是赫兹(Hz).周期与频率的关系为(1.1.1)振动物体离开平衡位置的城大距岗,叫做振动的振幅,用 A表示.如图1-1-4中。8或。的大小就是弹
17、簧振子的振幅.弹簧振子的频率只与弹簧的劲度系数和振子质量有关,与 振祐无关.号/实筏与拓展1.在利用表1-17的数据绘出的曲线来分析弹,振子时,通过哪个位置观察其振动周期能使误差较小?2.想一想,可否从位移一时间曲线得出速度一时间曲线,再从速度一时间曲线得出加速度一时间曲线?练习1.试举出几个日常生活和生产中常见的振动的实例.2.如果图1T-4中弹簧振子的振幅是3c m,完成一次全振 动通过的路程是多少?如果从点。直接运动到点用了 1s,弹 簧振子的运动周期是多少?3.做简谐运动的某物体,全振动50次用了 20s.求它的 振动周期和频率.第二节简谐运动的力和能特征 5第二节 简谐运动的力和能量
18、特征从弹簧振子的运动特征可以得到简谐运动有一个很重要的特 征.即物体能在一个平衡位置附近来网运动,为什么能实现这样 的运动?而且简谐运动是一种加速度大小和方向都在变化的变速 运动,这说明它受到一种变力的作用,这是一种怎样的力呢?观察如图1-2-1所示的弹簧振子,分析小球的受力情 况.弹簧振子在什么位置所受的力最大?在什么位置所受的 力最小?在什么位置的速度最大?在什么位置的速度最小?简谐运动的力的特征图1-2-1弹流振子的箭谐运动对于理想的弹簧振子,振子在运动过程中受到弹簧弹力的 作用.力的大小与偏离平衡位置的位移大小成正比,方向总是 指向平衡位置,用数学公式表示为F=-kx(1.2.1)式中
19、常数A-为比例系数.在弹簌振子中k叫做弹簧的劲度系数;负号表示力的方向总是与位移的方向相反,力的效果总是使振 子回到平衡位置.因此将这个力叫做回复力.弹簧振子在运动过程中受到网复力,其方向总是与位移的方 向相反,其效果总是使振子回到平衡位置,这一规律是简谐运动 的另一个特征.这也决定了简谐运动的运动图象具有正弦或余弦 函数的规律.所以,荷谐运动是运动图象具有正弦或余弦函数规 律、运动过程中受到大小与位移成正比、方向与位移相反的回复 力的作用的运动.j 简谐运动的能超的特征/,7、!工弹簧振子在简谐运动的过程中,其动能和 势能也不断地变化.当弹簧振子位于平衡位置 点。时,其速度最大,位移为零,动
20、能最大,势能为零;当弹,振子位于点鸟或点时(图 1-2-1),速度为零,位移最大,势能最大,动 能为零.弹簧振子是在弹力的作用下发生简谐 运动的,如果忽略摩擦力,只有弹力做功,那 么振动系统的动能与势能互相转换,如图1-2-2图1-2-2(a)振动过程中弹赞 振子的位移一时间曲线图1-2-2(b)振动过程中弹标 振子的动能和弹性势能的相互转化弹赞的弹性势能用电阻能b 第一章所示,在任意时刻动能和势能的总和即系统的机械能保持不变.机械能是开始时给定的(拉开弹簧时外力做功给弹簧输人能 林),被拉开的距离越大,即振幅越大,机械能就越大.也就是 说,如果开始时振子不动,输入的能量变为弹性势能储存在弹簧
21、 振子中,机械能由振幅决定.。讨论与交流1.分析图1-2-1中的弹簧振子在完成一次全振动的过程中 位移、回复力、加速度、速度的变化情况,完成下表.(大小填“增大”、“减小”、“最大”、“零”或“不变”,方向填或表 1-2-1简谐运动B8-*。0OfBBJO0。一*8位移大小方向回复力大小方向加速度大小方向速度大小方向动能弹性势能机械能所用的时间(以 周期才为单位)2.总结弹簧振子的三个特征:运动图象力;能量_.个实豉与元展一块均匀的木块竖直地浮在水中.用力按下使之上下振动,分析其振动是否为简谐振动.冬缘习1.简述物体做简谐运动时的受力特点.2.在如图1-2-1所示的弹簧振子中,设小球的质量为m
22、,试证明振子的加速度可用。=一2力表示.m第三节简谐运动的公式描述 7第三节谐运动的公式描述如何用数学公式来描述简谐运动的运动图象呢?表1-3-1是用频闪照相的办法得到的一组简谐运动的实验 数据.表 1-3-1时间/02。3M4t o51o&0位移x/mm20.017.810.1-0.1-10.3-17.7-20.0表中小0.11 s是相邻两次闪光的时间间隔.4表示振子偏离 平衡位置(x=0)的大小,起始时间(1=0)振子被拉伸到右侧距 平衡位置20 mm处.时间t7/o8,o9/010r0l l/o12/o位移.r/mm-17.7-10.3-0.110.117.820.0我们尝试用表1-3-
23、1的实验数据来学习如何用参考圆的方 法作出简谐运动的位移一时间曲线,并判断它与正弦、余弦函 数曲线是否比较接近.讨论与交流一个小球在参考圆上做匀速圆周运动,周期是IZos,如图 1-3-1所示,以振幅值为半径作一个参考圆,把圆周分成12等 份,测量圆周上每一个等分点在水平轴上的投影.描出过点小,)、3小/。的曲线.如图1-3-2所示.这条曲线是哪一种 函数的曲线?将表1-3-1中的数据与用参考圆投影得到的孙、孙、为、北知2加以比较,结果如何?图1-37匀速IMI周运动在x方向的投影参考圆 图1-3-2描出的XT函数曲线研究表明,匀速圆周运动在*轴上的投影和笳谐振动的运 动图象一样,是余弦曲线或
24、正弦曲线.8 第一卷机械振动简谐振动可以看成质点做匀速网周运动在X轴上的投影,它的数学公式可以借助匀速圆周运动的描述导出.物体做匀速圆周运动,假设其半径为4,质点从修开始运 动,则其在/时刻在“轴上的投影为X-A C 0S4dZ=.4 c os-yr t.式中3是匀速圆周运动的角速度,也可以说是每秒转/次,每 次角度为2TT、3=爷=词:r是匀速圆周运动的周期.当F)时,如果做圆周运动的质点不是从电开始,而是从劭 开始,我们会得到从负的最大偏离位移开始的运动图1-3-3(a).用上述同样的办法可以绘出4T曲线,如图1-3-3(I)的虚线 所示.这时时刻在轴的投影刚好与图1-3-2的曲线大小相
25、等,方向相反,我们称之为反相,或者称这两种振动的相位相 反,也称为相位差等于e数学公式为X=A C OS(t d/+1T)=-/4 C OS60/(a)(b)图1-3-3相位差为宣的XT函数曲线。本篇相位 phase如果/=0时,质点的运动不是由靠7开始,而是由任意一个角 度9开始图1-3-4(a),则写为x=Acos(a)t+(p,)(1.3.1)式(13.1)是简i皆运动的公式描述.其中A是简谐运动的振 幅,3是阀频率(或称角频率),M+3叫做简谐运动在/时刻的 相位.由于时间/是变让,所以相位也在变化,3是/=0(开始计 时)时的相位,叫做初相.相位和初相都是描述简谐运动的重要 物理量.
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