第一章 走进物理世界

1.1 希望你喜爱物理

本节是学习物理入门篇的序幕，目的就是让同学们了解物理学是研究什么的科学，知道它不仅有趣，而且有用，认识观察实验和理性思维的作用是什么，进而知道怎样才能把初中物理这门课程学好。

本节学习要点

● 认识物理学，了解它是研究什么的科学。

● 认识物理学，知道研究它的用途在哪里。

● 认识在物理学中具有里程碑式的三位科学巨人伽利略、牛顿和爱因斯坦。知道他们曾经想了些什么、说了些什么、做了些什么，进而知道怎样才能把初中物理这门课程学好。

本节学习支架

1．物理学是研究什么的科学？

宇宙到底有多大？宇宙的深处到底有些什么？我们的地球在宇宙的哪里？是中心，还是边缘？

地球是一个“大水球”，其表面有70%的水，为什么这些水总是随着地球一道运转，而不洒落到浩瀚的宇宙中？

地球是一个“大磁球”，地磁是怎么一回事？它跟我们人类又有怎样的关系？

地球也是一个“大电球”，地电与天电是一回事吗？它跟我们人类有怎样的关系？

太阳是一个“大火球”，那么，到底是什么东西在生生不息地燃烧？太阳的“燃烧”跟我们地球又有怎样的关系？

啊！多么神奇而又妙趣的宇宙，它到底隐藏了多少奥秘？怎样才能揭开宇宙中一个又一个的奥秘呢？

物理学就是一种最锐利的武器！

可见，物理学是用来探究力、热、电、光、声等自然现象，以及这些现象变化所遵循规律的一门科学。

2．物理学的用途在哪里？

蒸汽机的发明，使人类从繁重的手工劳作中解脱出来，促进社会步入大规模机器生产的时代。

各种热机的产生，促进了空间技术的发展，人类开始登上月球，尝试闯进火星，展开深空探究，寻找宇宙中人类还有95%以上未知的物质。

发明机和电动机的出现，大大改变了人类的生活和生产方式，提高了人类的生产效率和生活质量，促进社会步入电气化的时代。

电磁波的发现、微电子和信息技术的发展、电脑的普及、互联网的开通各种机器人的研制和使用等，表明人类今天已经步入高科技、信息化、只能型的时代。

上面的图示与说明，为我们呈现出了物理学一次又一次的重大发现与发明，给人类带来一个又一个福音！

可见，物理学不仅是一门十分有趣的科学，而且是一门非常有用的科学。

3．课外阅读资料。

● 物理这门科学从哪里来，为什么说它是辩证唯物思想教育的最佳载体和最好的启蒙老师？

● 我们要向伽利略、牛顿和爱因斯坦这三位科学巨人学些什么？

伽利略善于独立思考，常用自己的观察和实验来验证教授们所讲的教条。他虽然用观察实验方法否定了堪称“古希腊百科全书”的亚里士多德某些错误观点，但他仍然说：“我并不是说我们不应倾听亚里士多德的话，相反的，我称赞那些虚心阅读和仔细研究他的人。我所反对的是那些屈服于亚里士多德的权威之下，盲目赞成他的每一个字，不想去寻求其根据，而只是把他的每一个字看成颠扑不破的真理。”

是伽利略第一个把实验引进物理学的研究中，并利用实验和数学相结合的方法，在运动和力两个方面发现了许多重要的规律。

还是伽利略第一个建立“速度”概念，并在这个科学概念的基础上，对物体的机械运动做出了正确的分类，从而使运动学步入了科学研究的轨道……

可见，伽利略坚持唯物，尊重事实，重视用观察实验的结果说话，从不盲从权威的思想、精神和意志品质，是非常值得我们后人学习的。

牛顿是大量应用数学方法来系统地整理物理理论的第一人。

他提出用简单性、统一性以及在观察实验的基础上通过归纳得出结论的一些科学思想与方法来研究各种物理现象。

例如，他说：“自然不做无用之事，只要少做一点就成，做多了却是无用，因为自然喜欢简单，而不爱用什么多余的原因来夸耀自己。”

这就是他对“自然法则”中的“简单性”最风趣的表述。

他又说：“对于自然中同一类的结果，必须尽可能归之于同一种原因。”“物体的属性，凡既不能增强，又不能减弱者，并为我们实验所能及的范围内一切物体所具有的，就应视为所有物体的普遍属性。”

这就是他对“自然法则”中“多样性与统一性”的具体描述。

他还说：“物体的属性只有通过实验才能为我们所了解……在实验中，我们必须把从各种现象中通过一般归纳的方法而得出的结论，看作是完全正确的，或者是非常接近正确的。”

可见，牛顿是一位具有朴素的唯物辩证思想，并善于将观察实验和理性思维相结合的科学家。

这些，就是我们后人非常值得学习的地方。

后人将爱因斯坦在科学探究中所坚持的科学思想与方法总结如下：

（1）坚持自然科学中唯物的思想。他在1921年谈到“相对论”时说：“……理论并不起源思辨，它的创建，完全是由于要想使理论尽可能地适应于观察到的事实。”

（2）坚持物质世界“统一性”的原则。他把物质世界的统一性，作为自己科学研究的最高目标，并贯穿于他的整个探索过程之中。

例如，他对牛顿假设的“绝对时空”产生怀疑，就是从“物质世界的统一性”这一思想出发而引起的，他认为“绝对时空”破坏了物质世界的统一性，即时间与空间并非跟外界事物无关。

（3）坚持独立与批判的精神。他从不迷信权威，并敢于突破，坚持怀疑的态度和独立性的原则。

（4）善于应用理性思维的洞察力，深入揭示事物的本质。

可见，爱因斯坦是一位既善于应用辩证唯物的思想，又善于应用理性思维方法揭示事物本质的科学家。

这些，恰恰是我们后人可敬，可学的地方。

4．观察实验和理性思维的作用是什么？

观察实验和理性思维是大自然赋予我们人类的两大认知功能，同时也是构建一切科学的两条最基本的途径。

因此，同学们要把大自然为人类公平造化的两大认知功能充分用好。不仅要像科学家那样把两大认知功能有机地结合起来，还要具备像科学家那样的思想、精神、情感、毅力、态度和意志品质。

如果同学们能在上述的两个“像”上下功夫，那么，你们就一定会把初中物理这门课程学好，并为今后学习高中物理，甚至是学习所有的学科奠定坚实的基础。这就是学习物理的最重要的“入门之道”！

1.2 测量长度和时间

进入本节学习，同学们要明白学习物理，为什么首先要学习测量，而学习测量，为什么又要从学习长度和时间的测量开始。

本节学习要点

● 认识测量的三个基本要素：

测量单位。

测量工具。

测量方法（直接测量与间接测量）。

● 认识国际单位制。

● 认识测量误差，知道减小测量误差的基本方法。

● 学会正确使用带刻度的测量工具（直尺与表）。

本节学习支架

1．学习物理，为什么首先要学习测量？

科学家开尔文曾说过：“……当你能够量度你所说的东西，并且能用‘数’来表示，那你就对它有所了解了，如果你不能量度而且不能用‘数’来表示它，那你的知识便是贫乏的和不能令人满意的。”

可见，测量和测量中的数据是何等重要。

2．课外阅读资料。

测量和测量中的数据为什么重要？

请阅读下面资料，同学们就一定会认识到测量和测量中的数据为什么重要，同时还能从科学家瑞利和拉姆塞在想什么、说什么和做什么中认识到科学探究是怎么一回事，并且学习他们之间的合作精神。

3．怎样从白沙鲸有趣的进食中认识测量？

测量就是比较，比较并非人类的独创。

自然中有些物种早就知道比较和怎样比较了。

例如，中央电视台播放的动物世界系列节目“野性非洲”中，通过视频解说一群白沙鲸在大西洋中遇到其他鲸类的尸体时，并非采用争抢打斗的方式来进食。十分有趣的是它们通过相向而行地互相比较自己的形体尺寸，并按照各自形体尺寸的大小先后排序，体型大的先进食。这说明白沙鲸在它祖先的遗传基因中，早就有了比较和怎样比较了。

4．怎样认识测量单位？

用来作比较的标准量，就是测量单位。

那么，这个标准量是从哪里来的？又是怎样规定的呢？

测量的基本单位，通常源于自然中的一些不变的量值。

例如，长度单位米，就是先人当时认为“地球子午线长度的四千万分之一”是一个不变的量值，进而用来作为标准量，并用铂制作成“米原器”存放在法国巴黎国际计量局内，以方便人们复制与操作。

随着科学技术的进步，后人发现地球子午线的长度并非一成不变，于是，后人在先人规定的长度单位的基础上，改用“光在1/299792458秒内通过的，且是一个稳定不变的距离”为长度单位，并在1960年第11届国际计量大会上通过，因此，这个长度单位既具有不变性，又具有公认性。

可见，用来作比较的测量单位的规定，遵循不变性、公认性、可复制性和便操作性四个原则。

5．“国际单位制”建立的意义在哪里？

1795年4月7日，法国国民议会颁布由法国科学院制定的“米制条例”。

1882年，在巴黎举行的第一次国际计量大会上，通过了以法国科学院制定的“米制条例”为基础的“国际单位制”。

“国际单位制”的建立，是物理学史上一件意义非常重大的事情。

下面我们将通过方框图和举例说明的方式，让同学们认识“国际单位制”的建立为什么是物理学史上一件意义非常重大的事情。

在物理教材中，我们常能看到编者在呈现的物理公式前面，往往注明“在国际单位制中”这句话。编者为什么要这样做呢？

让我们用沪粤版初中物理教材中首先要认识的密度公式“ρ=m/V”来说明其中的原因（公式中ρ表示密度，m表示质量，V 表示体积）。

因为“ρ=m/V”这个公式，只有在国际单位制中其前面的比例系数才为“1”，或者说“ρ=m/V”这个公式，只有在国际单位制中才能成立。

例如，当我们在使用“ρ=m/V”这个公式时，若将公式中涉及的物理量的单位任意取用，把质量单位取用为“千克”，而把体积单位取用为“立方厘米”，那么，该公式前面的比例系数就不再是“1”了，那么，公式“ρ=m/V”也就不能成立。

“国际单位制”跟“国际货币汇率制”有些相似。

各国货币单位虽然不统一，但有了“国际货币汇率制”，各国货币就能直接兑换流通了。同样，各国测量单位也不统一，但有了“国际单位制”，那么，各国在物质与能量等资源的交换上，不仅有了一个公正、合理的平台，同时也有了计算物理量的一套科学秩序。

这不仅方便了各国科学技术之间的交流，同时也促进了各国科学技术的研究与发展。可见，“国际单位制”的建立意义非凡！

6．怎样认识测量误差和用多次测量的平均值来减小误差的方法？

由于测量仪器的精度有限、测量环境和条件等客观因素的影响以及在测量读数中总是有偏大或偏小的主观因素的出现。因此，任何物理量的真实值都是无法测量到的。于是，人们采用多次测量的平均值来替代真实值。

本节所说的测量误差，实质上是测量值与多次测量的平均值之间的差异。为什么可以用多次测量的平均值来替代真实值呢？

让我们用“投掷硬币”的试验结果，来说明多次测量的平均值可以替代真实值的原因。投掷的硬币落地后，不是正面，就是反面，投掷的次数越多，硬币正、反两面出现的次数就愈趋近于“均等”，而这个趋近于“均等”就是趋近于真实值。建议同学们课下尝试一下，投掷的次数越多越好。

这也是对“投掷的硬币，其正、反两面出现次数均等规律”的探究。

同样，在多次测量同一个物理量时，测量者在估读中也总是有偏大和偏小两种现象出现，因此，取多次测量的平均值就趋近于真实值。

这就是多次测量的平均值可以替代真实值的原因，也是用多次测量取平均值的方法可以减小误差的原因。

1.3 长度和时间测量的应用

本节主要介绍长度和时间测量的一些方法。

本节学习要点

● 认识间接测量。

● 知道什么是估测，训练并培养自己的估测能力。

本节学习支架

1．何谓直接测量？何谓间接测量？

直接测量，指使用测量工具直接就能获得测量结果的测量。

间接测量，指先采用巧妙的方法过渡，然后再使用测量工具获得测量结果的测量。

2．测量中的精密度和准确度有区别吗？

测量中的精密度和准确度是两个不同的概念。

精密度是针对测量工具而言的，准确度则是针对测量结果来说的。

让我们采用类比的方法，用打靶的结果来区分这两个概念，同学们很快就能明白这两个概念不同处在哪里。

例如，某战士用步枪打靶，弹着点相对集中在图1-1左下角靶环边沿的区域内，偏离靶心较远。这说明步枪的精密度较高，而战士打靶的准确度偏低。可见，精密度简称精度，是针对步枪而言的，准确度简称准度，是针对打靶结果来说的。

若将这一知识迁移到测量中，那么，精密度描述的是测量工具的精密程度，而准确度则描述的是测量结果的准确程度。

3．为什么学习测量，首先要从学习测量空间（长度）和时间开始？

因为“自然中一切物质的运动与变化，都是以时间和空间的形式进行的”，或者说“物质的运动与变化，总是离不开时间和空间的”。

科学家伽利略早就提出，必须要对自古以来就有的时间和空间作出规定。因此，对时间和空间作出规定，便成了研究物质运动的首要和必要条件。首先对时间和空间作出规定的科学家是牛顿。他假设：

（1）时间是与外界事物无关而均匀地流逝着。

（2）空间也是与外界事物无关而永恒不变的。

上述两点假设非常重要，我们在初中所学习的物理知识，都是在这两点假设的时空框架中产生的。若没有这两点假设，即：时间不是与外界事物无关而均匀流逝，空间也不是与外界事物无关而永恒不变，也就是说时间和空间均跟外界事物有关而时刻在变化，那么，我们今天就无法找到任何测量工具对时间和空间进行测量了。

4．测量长度和时间谁不会，还有什么可学的呢？

在初中物理中，用到的带刻度的测量工具很多，如直尺、秒表、量筒、托盘天平、弹簧测力计、温度计、气压表、电流表、电压表等。

当同学们掌握了刻度尺的正确使用方法后，自然了解刻度尺的校零、量程（测量范围）和分度值（最小刻度）的意义；必然知道在测量读数的过程中，必须要读到准确值下一位估读值；肯定晓得测量记录包括准确值、估读值和单位；同时也一定会明白测量误差是怎么一回事以及怎样减小误差等测量知识与技能。

只要将上述的一些测量的基本知识和技能，迁移到其他带刻度的测量工具上，那么，同学们很快就能学会其他一些带刻度的测量工具的使用方法和技能。

5．什么是估测？估测的诀窍在哪里？

所谓估测，指通过我们的感知器官收集被估测对象的一些信息，进而在心里进行的一种比较。

因此，对测量单位的感性化就显得十分重要，也就是对某个测量单位要能做到心里有数，即，心里要有某个测量单位的具体参照对象。

例如，科学家费米曾在远离原子弹爆炸的地点，估测原子弹爆炸的能量跟实际爆炸的能量相差无几。

其中的诀窍就是他对能量单位十分熟悉，并能将其具体化。因此，他在原子弹爆炸时，用备好的纸屑撒向空中，利用原子弹爆炸时所产生的冲击波对纸屑冲击的能量作参照，进而在心里估算出原子弹爆炸时的能量。

1.4 尝试科学探究

本节让同学们经历简单的科学探究过程，进而了解科学探究中的七个基本要素，知道科学探究是怎么一回事。

本节学习要点

认识科学探究中的七个基本要素：

● 提出问题。

● 猜想与假设。

● 设计实验与制订计划。

● 进行实验与收集证据。

● 分析与论证。

● 评估。

● 交流与合作。

本节学习支架

1．沪粤版初中物理教材为什么一开始就选择探究摆的奥秘？

科学家伽利略在比萨大学执教时经常到教堂做礼拜，偶然看到教堂顶部悬挂的吊灯在摆动，通过反复观察，觉得吊灯每次摆动的时间似乎相等，进而产生疑问并提出问题：“吊灯是否每次摆动的时间都是相等的呢？”于是，伽利略回到学校用各种东西代替吊灯，并用绳子将它们悬挂起来，分别进行实验探究，终于发现了“摆的等时性”的规律。后来，荷兰科学家惠更斯在此基础上发明了世界上第一台摆钟。课本之所以首先选择探究摆的奥秘，其意图有两个：一是让同学们重返科学家走过的探究之路，进而认识科学探究到底是怎么一回事；二是让同学们知道是伽利略首先把实验探究方法引进物理学的。

2．什么是科学探究？

科学家卡耳·波普曾说：“科学始于问题，是问题激发我们去观察、去思考，去探究，为了解决问题，寻求答案，便试探性地提出某些猜想与假设。”

因此，他断言：“任何科学理论的实质都是猜想与假设，是人们在有限事实材料的基础上，大胆地跳跃到某个结论上，再用这个结论对问题进行解释，然后接受实践的检验。”可见，科学探究的实质就是“从提出问题开始，到采用科学方法解决问题的全过程”。上面介绍的科学家伽利略从反复观察中发现问题并提出问题，到进行实验探究，直到解决问题的全过程，就是科学探究。我们在初中物理中学习的科学探究，主要就是像科学家伽利略采用的观察与实验方法那样，探究摆的奥秘的实验探究。

3．在进行实验与收集证据的环节中，其中证据指哪些？

证据指在科学探究中，凭感官和测量能收集到的以下四个方面的信息：

（1）现象产生的条件。

（2）现象的主要特征。

（3）影响现象的主要因素。

（4）反映现象变化的量值。

4．交流与合作和评估两个要素，是科学探究中哪个环节中的？

在现实的科学探究中，交流与合作和评估这两个要素是贯穿在科学探究的全过程之中的。

例如，问题虽然被提出来了，但仍需要交流讨论问题是否有探究的意义和价值；又例如，探究结论虽然出来了，但仍有必要交流讨论探究结论是否正确，其应用价值有哪些；再例如，探究的中间环节，同样需要交流与合作和评估，看看中间环节是否有疏漏、不完善之处，以及可以进一步改进的地方等。

可见，交流与合作和评估贯穿在科学探究的始终。

本章值得思考与探究的问题

1．你认为在科学家的身上最值得我们学习的东西是什么？为什么？

2．你认为怎样才能把初中物理这门课程学好？为什么？

3．请在生活和学习中，提出一个值得探究的物理问题，同时说明所提出的问题的价值在哪里？

4．请到裁缝师傅那里调查一下，缝制一套衣服需要测量哪些部位的尺寸，测量自己身上这些部位的尺寸，并做好记录。

再上网了解一下，这样尺寸的衣服被列为什么样的型号。

5．选用什么样精密度（最小分度值）的刻度尺，可以将下面图1-2中三个等边三角形的一条边的边长和对应的高测量出来？分别计算它们边长与对应的高之比，看看能发现什么规律？这个发现可推广应用吗？试试看！

6．列出人体中哪些器官可以用来当表使用。并用其中一种器官当表，估测自己步行50米所用的时间。再想一想，具有怎样运动规律的物体，可以用来作为测量时间的工具。

7．应用上面第5题的规律，在有太阳的情况下，能否在地面上用直尺测量学校旗杆的高度？怎样测量，请写出测量方案。

8．我国民间传说“衣不大寸，鞋不大分”（寸和分是我国古代用的长度单位，1寸大约3.3厘米，1分大约3.3毫米）。从这个传说中，你能悟出裁缝师傅使用的刻度尺，其最小刻度达到多少就够了吗？为什么？

9．下面有一条曲线（见图1-3），请你说出测量该曲线长度的三种方法，并尝试用你认为比较好的方法进行测量，结果是__________毫米。