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当我们存在好奇心并用物理的眼光去关注、去探究，不难发现一些自然现象自有它们的运动变化规律，自有它们的存在价值意义。古往今来，世间许多科学技术和发明创造，切切实实是自然现象运动变化规律的人为把握和实际应用。

本书用物理的眼光关注丰富多彩的生活现象，以生活现象的运动变化和彼此关联探究其规律，形成物理观念。阅读本书，将领悟自然现象所呈现的物理规律之美，物理思维之妙，物理运用之奇；将在解开埋藏于心中一个又一个的物理疑团的同时发现有更多的奥秘；将能真的地走进科学，形成物理观念，培养科学思维。

目  录

章生活中的测量/1

节长度的测量/4

第二节时间的测量/14

第三节质量的测量/25

第二章生活中的声现象/33

节声音的产生/36

第二节声音的传播/42

第三节声音的特征/51

第四节乐音与噪声/59

第三章生活中的光现象/69

节光的传播/72

第二节光的反射/81

第三节平面镜与球面镜/88

第四节光的折射/97

第五节透镜/107

第六节凸透镜成像与简单应用/113

第七节视力的矫正、望远镜与显微镜/121

第八节光的色散/129

第四章生活中的热现象/137

节温度/140

第二节分子运动理论/147

第三节热传递与热量/154

第四节物态变化/162

第五节水资源与水循环/172

第六节比热容/179

第七节内能/186

第八节内燃机/192

第五章生活中的运动和力现象/199

节机械运动与速度/202

第二节力/209

第三节重力/217

第四节二力平衡/223

第五节摩擦力/229

第六节牛顿定律/235

第六章生活中的简单机械/245

节杠杆/248

第二节滑轮与轮轴/257

第三节机械功/267

第四节机械能/274

第七章生活中的压强/283

节压力与压强/286

第二节液体的压强/295

第三节大气的压强/306

第四节浮力/315

第八章生活中的电磁现象/325

节电流与电压/328

第二节欧姆定律/339

第三节电功与电功率/348

第四节磁与电流磁场/359

第五节电磁感应与无线电通讯/369

参考资料/381

后记/383

王春燕，中学物理高级教师，奉贤区名师工作室主持人，上海市强校工程区级学科导师，民进会员，区人大代表。从事物理教学26年，主持学校教学管理工作多年。格物致知，知行合一。多篇学科文章发表核心期刊《物理教学》，论文曾获市一等奖。2013年出版教育教学专著《草根式研究，智慧型发展》。爱好文学，十余篇散文见诸报刊。

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编辑推荐

本书是依据初中物理教材的结构编写，融人文、工程、数学、技术、科学诸元素于一体的科学教育读本。本书将生活现象、物理观和HEMTS课程三者有机整合，通过日常生活现象，关注和理解物理内涵，旨在引领学生关注生活物理现象，开辟学习新途径；指导学生重视物理知识的理解与应用，丰厚学科知识层面，培植物理观念；激励学生适应跨学科创新学习，培养科学探究能力。

本书对于学生开展自主学习、教师拓宽教学思路，都具有一定参考价值。

书摘插图

第二节 时间的测量

【学习目标】

知道时间的单位。

会进行时间的测量。

【科学印迹】

“时间都去哪儿了”——时间计量的前世今生远古时的人们，从太阳每天东升西落的规律中，直观地感觉到了太阳与时间的关系,因此便以太阳的东升西落作为时间尺度，创造了“日出而作，日落而息”的人类生活。

图121

随着时间的推移，人们发现房屋、树木等物体在太阳光的照射下会投出影子，这些影子的变化也有一定的规律。据记载，三千年前，西周周公旦在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器，称为圭表。

图122

世界上早的日晷诞生于六千年前的巴比伦王国。如图121所示，日晷，英文名称：sundial，“日”指太阳，“晷”表示影子，因此“日晷”的字面意思为“太阳的影子”。日晷的出现，提高了时间的计量精度。

圭表和日晷都是利用太阳的影子来计算时间的，然而遇到阴雨天或黑夜它们便失去作用了，那么古代在没有太阳的情况下是如何计算时间的呢？

漏刻是无论白天或黑夜，无论晴天或阴雨天都能计时的一种计时器。在机械

钟表传入中国之前，漏刻是使用普遍的计时器。漏，是指漏壶；刻，是指刻箭；箭，则是标有时间刻度的标尺。如图122所示，漏刻是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，通过观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。作为计时器，漏刻的使用比日晷更为普遍。

我国古代诸多文人骚客留下了许多关于漏刻的富有诗情画意的诗句。唐代李贺诗曰：“似将海水添宫漏，共滴长门一夜长。”宋代苏轼吟诵：“缺月挂疏桐，漏断人初静。”

公元前117年，东汉的张衡制造出了大型天文计时仪器——水运浑天仪，它初步具备了机械性计时器的作用。至14世纪60年代，我国的机械计时器已脱离了天文仪器而独立存在，不但具有传动系统-齿轮系，而且还有擒纵器。如果再进一步，就可能出现完全现代意义上的钟表。遗憾的是，功亏一篑，中国没能做到这一步，终机械钟表还是从西方引进，当时被称为“西洋钟”，主要用于宗教活动。那时的机械钟主要靠看钟人每小时敲钟来进行报时，提醒修道士们准时参与各种宗教活动。闻名世界的法国小说《巴黎圣母院》当中的卡西莫多，扮演的就是教堂敲钟人的角色。

世界上早的机械钟叫“塔钟”，约诞生于13世纪。与手表不同，这种钟架在高塔上，利用重锤下坠的力量带动齿轮，齿轮再带动指针走动，并用擒纵器控制齿轮转动的速度，以得到比较正确的时间。但是，利用重锤驱动的钟，只能高高地架在塔上，很不实用。因此，德国人彼德·亨利在1500年发明了用弹簧驱动转动的钟。

17世纪，单摆被用于机械钟的设计，使其计时精度提高了近百倍。20世纪30年代，石英钟诞生，计时精度进一步被提高。

根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。所以精确测定时间的办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。人们依据铯原子的振动重新对“秒”作出了定义。如今的原子钟极其精确，其精度可达到每2000万年才误差1秒。现在用在原子钟里的元素有氢（Hydrogen）、铯（Cesium）、铷（rubidium）等。2016年，“天宫”二号携带世界首台太空运行的冷原子钟进入轨道，这台3000万年误差小于1秒的冷原子钟将目前人类在太空的时间计量精度提高了1~2个数量级。

从古到今，在历史进程中，我们的祖先在不同的时期发明和制造了各种适应当时社会经济发展和满足人们生活需求的计时器，运用科技解决了实际问题。

【学海拾贝】

一、时间（t）的单位及换算1. 国际单位（SI制）：秒（s）

常用单位（比秒大）：时（h）、分（min）

（比秒小）：毫秒（ms）、微秒（μs)

换算关系：

1时=60分=3600秒（1h=60min=3600s）

1秒=103毫秒=106微秒（1s=103ms=106μs）

二、时间的测量工具

日常生活中常用的计时工具有如图123(a)所示的时钟，实验室或体育赛事中常用的计时工具有机械停表或电子停表，如图123(b)、(c)所示。由于原子钟工作非常稳定，误差达到几千万年相差1秒的程度，因此目前是以铯原子钟的振动为基准来确定“秒”的长短。我国中央电视台播报的时间就是用铯原子钟来校准的。

(a)(b)(c)

图123

日常生活中常用的计时工具有时钟、手表、停表等，那么在物理实验室是否还有其他计时工具呢？实验室中另一种测量时间的工具为打点计时器。

打点计时器也是一种测量时间的工具。如果运动物体带动纸带通过打点计时器，在纸带上打下的点就记录了物体运动的时间，纸带上的点也相应地表示出了运动物体在不同时刻的位置。研究纸带上各点间的间隔，就可以分析出物体的运动情况。

电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，工作电压一般是4~6伏，电源的频率是50赫兹。其工作原理是：当给电磁打点计时器的线圈通电后，线圈产生磁场，线圈中的振片被磁化，振片在永久磁铁的作用下向上或向下运动，由于交流电的方向每个周期要变化两次，因此振片被磁化后的磁极发生变化，永久磁铁对它的作用力的方向也发生变化。在交流电的一个周期内打点一次，相邻两个点间的时间间隔等于交流电的周期，所以它每隔0.02秒打一次点，即1秒打50个点。

电火花打点器的计时原理与电磁打点器相同，不过在纸带上打点的不是振针和复写纸，而是电火花和墨粉。给电火花打点计时器接入220伏电源，按下脉冲输出开关，计时器发出的脉冲电流，通过接正极的放电针和墨粉纸盘流入接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在纸带上打出一系列的点。而且在交流电的每个周期内放电一次，因此电火花打点计时器的时间间隔等于交流电的周期，当电源频率为50赫兹时，它每隔0.02秒打一次点。

这两种计时器的共同点是能在纸带上记录运动物体的“时—空”分布信息，且计时基准都是家用电的周期，即0.02秒。因此，两者有相同的数据采集方法与整理分析方法，并皆可与斜面小车、轨道小车等配套使用，但在可靠性、准确性以及课时利用率等方面，两者则有很大的差别，可以根据不同的情况适度选择使用。

【头脑风暴】

你知道千分之一秒的意义吗？

我们已经习惯使用“秒”的计时单位，因此，对于我们来说，千分之一秒就等于零。在这样短促的时间里能够做些什么事情呢？

小贴士

能够做的事情多得很！是的，火车在这一点时间里只能跑3厘米，可是声音就能够走33厘米，超音速飞机大约能够飞出50厘米。至于地球，它可以在千分之一秒内绕太阳转30米，而光呢，则可以走300千米。它们不会把千分之一秒当作“无所谓”的一段时间。

对于一些小昆虫来说，这个时间是可以察觉出来的。一只蚊子，在1秒钟内

要上下振动它的翅膀500~600次之多。因此，在千分之一秒内，它能够把翅膀抬起或放下一次。

人类自然不可能用自己的器官做出像昆虫那样快的动作。我们快的一个动作是“眨眼”，就是所谓“转瞬”或“一瞬”的本来意思。这个动作进行得非常之快，使我们连眼前暂时被遮暗都不会觉察到。但是，很少人知道这个所谓“无比快”的动作，假如用千分之一秒作单位来测量的话，是进行得相当缓慢的。“转瞬”的全部时间，根据精确的测量，平均是0.4秒，也就是400个千分之一秒。它可以分做几步动作：上眼皮垂下（75~90个千分之一秒），上眼皮垂下以后静止不动（130~170个千分之一秒），然后上眼皮再抬起（约170个千分之一秒）。这样就可以知道，所谓“一瞬”其实是花了一个相当长的时间，其间眼皮甚至还来得及做一个小小的休息。所以，假如我们能够分别察觉在每千分之一秒里所发生的景象，那么我们便可以在眼睛的“一瞬”间看到眼皮的两次移动以及这两次移动之间的静止情形了。

手表能否精确到千分之一秒呢？即计时摆轮将动力传送至“千分一秒轮”（thousandths wheel），令“千分一秒轮”每秒钟转10圈，将原来的百分之一秒再细分10次，从而令千分之一秒得以被捕获。2012年11月29日，《华西都市报》报道：瑞士制表可以挑战千分之一秒，它拥有世界首款精确到百分之一秒和千分之一秒的计时腕表！

【生活巡礼】

手表不仅是计时器，还可以作为装饰品来使用，那么你知道手表的由来吗？

小贴士世界大战催生“手表”传说1806年，拿破仑为了讨皇后约瑟芬的欢心，命令工匠制造了一只可以像手镯那样戴在手腕上的小“钟”，这也许是人类历史上的块腕表，也是真正意义上的“手表”。因为此前人们戴在身上的都是怀表。19世纪后半叶,一些女性开始为手镯装上小巧的怀表，但那时人们只把它看成是一件首饰，还没有完全认识到它的实用价值。

一战爆发是“手表”诞生的转折点。战场上的士兵们得从口袋里取出怀表看时间，既不方便又危险。于是，腕表的生产成为大势所趋。1926年，劳力士防水表问世。次年，一位勇敢的英国女士戴着这款防水表游泳横渡英吉利海峡。从此，手表的实用功能越来越受到青睐，防磁、防震等新技术也不断提升着手表的实用性。二战期间，随着需求和产量的迅猛增加，手表完全颠覆了怀表的统治地位。

到了1887年，爱美、追求时髦的女士们开始佩戴手表。手表带取代了怀表的表链起到固定的作用。随着20世纪的来临，人们在生产力水平高速发展的同时，在服饰上，也开始追求一种不同于以往的、更加随意的风格。在服饰风格改变的同时，原来只有穿着正统的西装才能佩戴的怀表就不能满足需求了，人们需要一种便于佩戴、风格自然的表。正是在这股“流行风”的带动下，手表迅速地占领了市场。

手表的未来将会怎样？我们的生活又将因此发生怎样的改变？人类远比自身所能想到的，更加富有创造力。

【媒体搜索】

图124

2000年4月，大型景观雕塑《东方之光》落成于上海浦东世纪广场。该雕塑以日晷为原型，用一天的时间变化表现时间主题，可以说是对古老日晷的一种新诠释。

图124为公园里的日晷雕塑。你能说说关于日晷的历史及工作原理吗？

小贴士

一、日晷的历史

东汉许慎在《说文解字》中云：“晷，日景也。”此处“日景”即“日影”。

中国关于日晷早的文献记载于《隋书·天文志》，其中提到袁充于隋开皇十四年（594年）发明短影平仪，即地平日晷。

还有一种叫赤道日晷，明确的记载初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》，他在卷二中提到了晷影图。

东汉张衡在《西京赋》中描述了帝王在上林苑狩猎时有“白日未及移其晷，已狝其什七八”的情景。

二、日晷的工作原理

它通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心。由于光在均匀介质中沿直线传播，当太阳光照射到“晷针”时，形成影子，起着圭表中立竿的作用。

成语“一寸光阴一寸金”中的“一寸光阴”就是指晷盘上晷针影子移动一寸距离所耗费的时间，借指时间的金贵。

【各抒己见】

“时间与人类”——松江佘山天文台

2004年，在上海市科委的支持下，上海天文台佘山站以百年老台为基础，建成了国内家专业天文博物馆——上海天文博物馆。博物馆包括“时间与人类”和“中外天文交流”两大展馆。

博物馆展示了时间的基本概念，同时又传递了时间与人类社会生活、科技发展的关系，请你参观上海天文台，并交流所获得的感悟。可参考【信息链接1～4】。

【创意DIY】

自制一个摆钟。

小贴士

图125

一、创意来源

如图125所示，“长摆钟”又名“吊摆钟”，简称“摆钟”。摆钟有一个长杆的摆锤，利用“摆”的等时运动作为钟的基准频率，通过相应的擒纵机构来控制轮系匀速运转，进行正确的计时。

图126

二、实验器材

如图126所示，塑料长杆，直角杆，圆轮，滑轮，塑料片，大小螺丝帽，大小钢轴（50毫米与30毫米），大小螺丝钉（12毫米与6毫米），多孔小铁片，轴套，尼龙鱼线，摇杆，十字螺丝刀。

三、实验步骤

制作提手与摆钟框架。用直角杆分别制成提手与摆钟框架，并用大螺丝钉固定在一起，如图127（a）所示。

制作动力装置。如图127（b）所示，将大钢轴安装在圆轮上；将尼龙鱼线的一端穿过齿轮槽中的小孔并打结（防滑），另一端系上一个大螺丝帽；后，将滑轮通过轴套安装在大钢轴上。

制作摆动装置。如图127（c）所示,用小螺丝钉将第1个塑料片安装在塑料长杆一端的第1、第3个孔位并固定；在与第1个塑料片间隔6个孔位处，安装第2个塑料片;在此端第6个孔位处，把小钢轴用轴套固定在塑料长杆上；后，把小螺丝帽用大螺丝钉固定于塑料长杆另一端的第2个孔位处，作为摆锤。

如图127（d）所示,将摆动装置通过摇杆与圆轮连接起来。

如图127（e）所示,将尼龙鱼线绕过滑轮（一手捏住鱼线，防止散开），这样就完成了制作。

手提钟摆框架，稍微倾斜，大螺丝帽（重锤）开始缓慢下落，滑轮匀速转动，带动塑料长杆和摆锤等时摆动，从而实现了计时功能。

(a)(b)(c)(d)(e)

图127

【智慧乐园1】

除了利用钟表等工具来测量时间之外，你还能否利用其他测量工具？与同学们一起探讨一下吧。

小贴士

利用水漏、沙漏、人体的脉搏、心跳可以粗略地估计时间，或者也可利用烛光、香熏等来粗略地计时。除此之外，利用电子频闪灯拍摄频闪照片，通过计算影像的个数也可粗略地计时。

【智慧乐园2】

赤道日晷的晷盘与地球赤道平行。晷针垂直穿过晷盘中心，并指向正北、正南方向。晷针影子在晷盘上移动的角度与太阳在天空中移过的角度是一致的。某科技馆（北纬29°36′，东经106°00′）拟建造一座赤道日晷，请完成下列问题。

（1）此科技馆位于。（填写正确项的字母）

兰州市B. 重庆市C. 贵阳市D. 武汉市

（2）在安装日晷时，首先要选择一块平坦的地方安放日晷底座。晷盘与底座水平面的夹角应为。

（3）当晷针影子恰好在晷针的正下方时，当地时间为时。

小贴士

根据该地的经、纬度（北纬29°，东经106°）进行区域定位，可知此地应为重庆，故选项B正确。

据材料，赤道日晷的晷盘与地球赤道平行，那么在北纬29°处安装日晷，晷盘与底座水平面的夹角应为90°-29°＝61°。

当晷针影子恰好在晷针的正下方时，应为当地的正午，即当地时间中午12点。

前言

序一

日前，收到了奉贤区一所乡镇中学物理教师发我的书稿邮件《生活现象物理观》，邮件发送者是王春燕老师。对于王春燕老师，我还是有印象的。2018年下半年，奉贤区启动了“卓越教师”培养工程，我受聘为专家委员会成员。作为该工程重点项目之一，奉贤区建立了27个学科56个名师工作室。物理学科设有两个工作室，初中工作室的主持人就是本书的作者,尚同中学的王春燕老师。

作为学校骨干和区名师，王春燕老师承担了繁重的教学任务。但她依然潜心钻研，思考如何把物理学科教活，让每一个学生都能喜欢物理，爱上物理。她提出生活物理学习观念，努力把物理与日常生活联系起来，把物理与其他学科融合起来。本书的编写力图实践这一观念，这也体现了一位郊区一线教师对于教育教学的追求，这是非常可贵的。

阅读书稿，感觉内容丰富，材料充实，图文并茂，对于初中物理的学习具有一定的帮助作用。本书在引导学生自主学习、培育学科核心素养，以及促进跨学科学习等方面都有积极的尝试。综观全书，以下方面比较突出：

关注生活中的物理。丰富多彩的生活现象中蕴含很多物理的知识和原理。苹果离开枝头就会落地，热气球点燃后就能升空，彩虹常常会出现在雨后的天空中，磁铁能吸引铁钉却不能吸引铜片，闭合开关后电灯就会发亮……初中生可能对此类现象已经习以为常，问为什么的人可能就不多了。本书从这些司空见惯的现象入手，引导学生关注这些现象背后的物理知识，再把学到的物理知识去解释这些现象，这不仅有利于激发学生学习物理的兴趣，养成关注生活中物理的习惯，也能培养学生发现生活中的物理现象和解决生活中物理问题的能力。这也是与从生活到物理，再回到生活的物理课程理念相通的。

重视物理知识的理解与应用。本书不是简单地重复教科书中的知识，而把重点落在物理概念的理解和应用上。本书中用“科学印迹”“学海拾贝”“头脑风暴”“生活巡礼”“媒体搜索”“创意DIY”“智慧乐园”等栏目呈现内容，“科学印迹”通过回顾物理知识的发展过程，让学生体会人类的智慧和创造，体会人类对物理概念、原理的认知过程，同时促进学生对自己认知的反思，促进学生对知识的理解；“学海拾贝”和“头脑风暴”则与教科书中的内容相结合，并适当拓展，深入对相关概念进行解析，引导学生关注变化的情形，使学生知其然，更知其所以然；“生活巡礼”和“媒体搜索”则把知识应用到生活中，关注知识与个人生活和社会发展的联系，引导学生体验科学技术与个人生活和社会发展的影响；“创意DIY”和“智慧乐园”则引导学生把所学知识应用到具体情景中，通过动手实践去解决问题。这样的安排成系统，步步推进，促进了学生对知识的理解,并培养了学生应用知识解决实际问题的能力。

尝试跨学科整合。尝试跨学科的整合是本书的特色之一。本书的书名是“生活现象物理观”，关注生活，关注实践是基本定位，这决定了技术的应用是重要内容，这需要跨学科知识的综合应用。同时，王老师在写作过程中也有意识地把人文、工程、数学、技术、科学诸元素整合为一体。比如，在“温度计”的有关内容中，不仅关注温标的历史，不同温度计与不同科学技术领域的关系，还关注温度测量在各个领域的应用，以及与生产、生活，乃至人类生存的关系。特别值得一提的是，王老师把温度测量在新冠疫情防控中如何发挥作为内容的一部分，引导学生思考不同场合如何选择合适的温度测量工具，引导学生体会现代科学技术对社会活动和社会发展的影响。还有很多其他方面的例子，比如，“内燃机的发展”“无人驾驶汽车”“卫星遥

感监测”等内容都有跨学科的思考和设计。

本书有立意，有用心，把生活现象、物理学科与其他相关学科相互关联起来，有机整合，这对一线的物理教师来说，是非常有价值的实践和探索，也为“工作室”的学员提供了生动的示范。希望王春燕老师以此为新的起点，再接再厉，在中学物理教学改革中不断探索,不断创新。

2020年6月

                                               张民生

（序文作者系上海市教育学会原会长，物理学科专家）