沪科教物理必修第三册高清教材_4-教培资料-26年最新资料-同步更新_初中高中教资_03科三专项（进去保存报考的学科即可）_02科三专项（笔记真题思维导图教学设计版本二）

普通高中教科书 物 理 必 修 第 三 册 总主编 束炳如 何润伟 上海科技教育出版社亲爱的同学： 欢迎你学习《物理（必修 ）》！ 3 学习物理是一项激动人心的探索活动。让我们继续携手，度过 一段美好的时光。 你周围世界发生的事情几乎都跟物理学有关，现代社会的许多 技术进步都源于对物理规律的理解和应用。学习物理可以使你从事 科学事业的愿望得以实现，甚至可以使你成为“专家”。作为现代社 会的公民，我们要学会用物理学知识解决生活、生产中的许多问题。 你已经学习了《物理（必修 ）》和《物理（必修 ）》，初步领略了 1 2 物理学的魅力。在《物理（必修 ）》中，你将经历探索电场、电路、电 3 磁场、电磁波与能源的过程，体验物理学思想方法的威力，在科学探 究和理论思维的过程中充分施展你的才智；你将比较全面地学习电 磁学与能源的有关知识，了解电磁学的研究成果及其在现代科学技 术中的广泛应用，认识物理学与社会发展以及人类文化的相互作用。 为了让你在学习《物理（必修 ）》的过程中获得更大的成功，请 3 浏览下面的本书栏目介绍。 每章的开头都有一 些情境，提出一些问题， 让你明确本章研究的主 要内容。 18 携带电荷 的图像区 反射镜 1 成品 第 章 电荷的相互作用 镜头 原稿 被带电荷的图像区 闪电撕裂了天空,雷霆震撼着大地。在这惊心动魄的自 吸引的墨粉 硒鼓 然现象背后，蕴藏着许多物理原理，吸引了不少科学家进行 探究。美国的富兰克林（B. Franklin）、法国的达利巴尔（T. 要复印的原稿 复印纸 d’Alibard）等科学家冒着生命危险去捕捉闪电，证实了闪电 硒鼓 要复印的原稿 加热器 与实验室中的电是相同的。 复印纸 复印文稿 雷电是怎样形成的？ 扫描器 有文字的地方 送纸滚杆 复印出来的文稿 物体带电是怎么回事？ 实保验留正电探荷 究正电荷吸上墨粉 电荷有哪些特性？ 激光扫描原 电荷间的相互作用遵循什么规律？ 稿上的文字 人类应该怎样利用这些规律？ 这里将要求你提出问题，设 C 一 o 步 u lo 本 体 mb 会 章 ） 科 不 巧 学 仅 妙 思 要 设 想 探 计 与 究 的 方 并 扭 法 秤 解 的 实 答 价 验 这 值 和 些 。 点 问 电 题 荷 ， 模 还 型 要 的 从 抽 库 象 仑 过 （ 程 C ， . 进 de 先 带 使 上 硒 正 鼓 电荷 硒鼓 a 硒鼓计实 b 验方案硒鼓， c 动硒手鼓 硒做鼓从复一印纸上 d 些滚过 有意义 的实验，进行科学探究。 图1-3-6 静电复印机结构及工作过程图解 静电植绒 实验探究 模拟静电植绒 A 参照图 所示的装置准备器材，进行安装，然后进行 B 如下模拟静电 1- 植 3- 绒 7 的操作： （）用蘸上胶水的毛笔在硬纸片上写字、作画，再用夹子 1 将此硬纸片固定在金属圆板A下面（有字画的一面朝下）。 （）将各种颜色的细碎纸屑均匀撒在下方金属圆板B上， 2 调整两块金属板之间的距离为 。 4 ~ 5 cm 图1-3-7 静电植绒实验装置 （）用导线将两块金属板分别接到感应起电机的两个放电 3 球上，转动起电机，观察“静电植绒”的过程。 感应起电机利用静电感应，使两 个莱顿瓶（储存电荷的容器）不断集 近年来，静电已开始在海水淡化、人工降雨、低温冷冻等方 聚电荷，从而在两放电球之间形成极 面大显身手，甚至在宇宙飞船上也安装有静电加料装置。 高的电压。把两块金属圆板分别接在 请你在课后上网收集有关静电应用方面的资料并与同学开 两个放电球上，两块金属板就分别带 上异种的电荷。 展交流。54 电路中任意两点间的电势差（电压）又叫做电势降落。导线的 电阻很小，导线中的电势降落近乎为零，常忽略不计。 电阻是怎样形成的 在金属导体中，除了有大量的自由电子之外，还有晶体结 构点阵上的金属原子。我们把失去一些核外电子的金属原子叫 自由电子 做原子实（图 3-2-5 ）。 金属导体中的自由电子在电场力作用下做定向运动的过程 E 中，电场力将对自由电子做功，使电子的动能增大。同时，自 由电子又不断地与晶体点阵上的原子实碰撞，将它的一部分动 I 原子实 能传递给原子实，使原子实的热振动加剧，导体的温度就升高了。 由此可见，自由电子与晶体点阵上的原子实碰撞，形成对 图3-2-5 金属导体中的自由电子和 原子实 电子定向运动的阻碍作用，这是“电阻”产生的根本原因，也 是电阻元件在通电时发热的原因。 探究电阻的串联和并联 我们曾做过用多用电表测串联、并联电阻总阻值的实验。 下面我们将通过分析论证的方法来研究串联、并联电路中关于 电阻的定量规律。 分析与论证 串联、并联电路的总电阻 在图 3-2-6 所示的串联电路中，设通过电阻R1、R2的电流 为I，R1、R2两端的电压分别为U1、U2， R总为R1、R2串联后 分析与论证 的总电阻，它又叫做R1、R2串联的等效电阻。 图3-2-6 电阻串联电路图 R1、R2两端的电压跟总电压U有什么关系？请你利用欧姆 这里你将进行分析、综合， 定律，导出R总跟R1、R2的关系式 数学中常用符号 表示求和， R总 = R1 + R2 并 出物 运 理 用 学 数 规 学 律 工 和 具 公 进 式 行 。 推 通 理 过 ，得 这 即 R 总=∑i= n 1 Ri= R 1+ R ∑ 2+…+ Rn 即 串 假 联 如 电 将 路 的 n 个 总 电 电 阻 阻 串 等 联 于 R ， 各 总 则 个 = 电 ∑i= n 阻 1 之 Ri 和 。 一过程，你将体会科学思维的 R R 1 R总 为 在 R 图 1、 3 R - 2 2 并 -7 联 所 后 示 的 的 总 并 电 联 阻 电 。 路中，设R1和R2两端的电压为U， 2 请你利用欧姆定律，导出 R总 跟R1、R2的关系式 魅力。 S R1 总= R1 1 + R1 2 图3-2-7 电阻并联电路图 60 学生必做 （实）用验刻度尺测量金属丝的长度； 1 （）用螺旋测微器测量金属丝的直径，测算合金丝的横截 这里面积为2 ； 你提供了完整的实 将电源两极与电容器两极连接，电容器两块极板就分别带 （）用多用电表测量金属丝的电阻； 上等量的异种电荷。这个过程叫做充电（ ）。用电线将 验活动，让3 你通过动手实验，探 charging （）利用测量数据计算金属丝的电阻率。 充电后的电容器两极板相连接，两块极板上的电荷就相互中和， 4 电容器最终不再带电。这个过程叫做放电（ ）。 索物理规律，学习物理方法，形 discharging 收集证据 电容器的充电和放电过程有什么特点？某同学设计了如图 34 2-4-3 所示的电路，试图通过手电筒小灯泡H的发光情况来观 成物理 观 根念据实，验提方案高，请解设计决实验问数据题记录的表格能，并进行实验和 察电容器的充放电过程。 记录实验数据。 电势是标量，没有方向，但有高低及正负之分。可以证 力，体验成功的喜悦。 明，在任何电场中，某处电场线的指向就是该处电势降落 分析论证 的方向。 根据所记录的实验数据和测量原理，你求得的该金属丝的 电阻率是多少？在网上搜索一下，看一看该金属丝是由哪种材 案例分析 料制成的？ 案例 在图 所示的匀强电场中，带电量q = × -9 的 2-3-2 4 10 C 信息A浏览、STSE 点电荷由上极板上A点移至B点时，电场力做的功ST为SE 8 × 10 -3 J ； E B 由B点移至下极板上C点，电场力 1 做 4 的功为 1 × 10 -2 J 。A、B、 这里为你提供了C各各点的种电势有分别趣为多、大有？用的 超导现象 Schrieffer ）才建立了超导的 BCS 理论。为此，他 资料，包括物 C 理学史上 在下 的 极 分 板 析 经 上 图 ， 典 中 φC 的 = 事 下 0。 极 例 根 板 据 接 、 电 地 科 场 ， 力 学 表 做 示 功 取 与 下 电 极 势 板 差 电 （ 水 的 势 H 银 关. 为 的 1 K 9 a系 电 零1 m 1 阻 e， ，年 rl 率 in ， 求 C g 并 h 荷 - 点 出 不 O 兰 n 像 n 物 e 预 s ） 理 料 发 的 学 由 现 那 家 于 ， 样 卡 在 两 当 仍 末 很 然 金 两林 低 随 属 小- 温 温 球 球昂 度 度 内接 完 的 下 降 ， 斯触 全 后 相 ， 同 部 通 们 ， 荣 过 分 净 我 获 线 电 们 电 圈 19荷 知 的 7 荷 2 道 电 中年 均 ， 流 诺和 分 在 很 贝， 功 大 ， 尔剩 率 。 各 物余 较 为 理 带 大 净 了 学 的 避 - 奖电 1 电 免 。 . 荷 0 磁 产 × 为 铁 生1 或 过 - 0 电2 多-9 . 机 热C 0 × 。 中 量 此 ， ， 10 时 -9 C ， ， 家 技 将更 小 术 开 故 、 图 场 社 中 2- 阔 各 事3- 点 会 2 的 ， 等 探 电 你 、 究 势 ，电 环 会 它 境 更 们 的 加 反 紧 热 映 U 1 B × 密 C 、 爱 1 了 对 由 由 对 0 解 U - 联 于 于 A 2 U U B 答 科 J 物 B A 就 ， B A B C 系 、 = 、 = 可 C 由 学 φ φ 理 φ B C 点 确 A B 题 B 。 两 两 为 - - 定 = 。 知 学 点 φ φ 点 U 接 φ B C ， B B 你 得 ， 得 ， C 地 、 + q 与 U U 的 A B φ = φ A B 的 A B 点 C 点 C 下 的 4 = = 科 = 电 电 极 × 大 W W 2 视 q q 势 . 势 板 A 小 5 B B 1 学 C × 0 = 上 。 = - 野 9 1 4 的 8 4 1 、 C × 0 × × × ， 一 6 1 1 1 1 V 0 0 0 0 点 W - - - - + 2 9 F 3 9 ， A V 0 ′ B V 故 == = = = 2 k φ 8 2 2 . . C 5 . Q 0 × 5 = r ′ 时 某 （ 率 象 质 低 数 出 状 变 ×a × × Q 2 0 ， - （ 逐 会 态 以 超 温 1 叫 些 ′ b 。 2 1 0 1 s 1 渐 7 水 突 转 千 导 =度 做 金 0 - u 0 3 0 3 p 6 . 减 （ 然 变 计 性 银 超 、 6 9 属 1 6 e J 5 r V. V V 小 ， 。 或 减 为 的 c 的 导 0 、 o ℃ n ， × 例 小 超 临 合 体 电 合 W d ） u 1 当 如 到 导 金 界 （ 阻 B 金 c 附 0 C t 和 温 ， 、 测 状 温 s i 会 9 和 v = 近 u i × 度 p 钨 化 量 态 t 度 突 y 某 化 e ） 1 r 降 、 合 不 的 ） c 然 一 . 合 o ， 0 到 锌 物 n T 出 温 1 降 特 物 d C × 能 。. 和 ， u 。 度 4 。 小 此 0 定 到 c 1 在 . 够 1 2 t 大 铅 在 这 ， 0 o 温 5 零 球 时 r 温 发 - ） 多 的 不 种 称 K 9 度 。 度 带 × （ 两 生 。 数 转 同 现 为 之 后 F 1 降 - 超 超 金 变 条 象 这 同 小 下 2 . 来 ′ 0 6 到 导 导 属 温 件 叫 种 时 9 = 种 球 人 × 绝 现 体 元 度 下 做 物 ℃ ， k 们 1 电 分 对 象 由 素 分 超 都 质 ） 其 0 Q 发 - 荷 零 的 正 以 别 导 的 显 附 别 电 9 r ′ a 现 F Q 2 度 及 常 物 近 阻 现 转 为 示 ， N 受 ′ ′ b , = = = 两 到 9 9 k . 小 0 的 .0 Q 就 如 前 的 超 聚 大 所 化 目 × 球 r × ′ 库 a 进 的 物 要 用 变 必 导 果 前 1 Q 2 1 0 之 阻 超 展 用 的 ′ 求 超 中 须 线 用 这 b 仑 0 -9 = 碍 导 。 处 超 9 间 的 导 的 用 圈 超 类 N 力 × 9 。 超 导 现 低 体 等 较 制 导 材 的 1 . 的 0 转 导 象 温 制 离 粗 成 体 料 .0 库 × 变 现 在 。 方 造 子 的 的 做 1 的 × 1 . 仑 温 1 象 高 电 体 导 电 0 线 转 1 向 0 9 2 度 8 大 0 能 9机 约 线 磁 圈 力 变 6 × - 如 比 规 物 9 ， 方 束 绕 铁 年 温 为 1 × 常 图 模 理 面 和 就 制 能 起 . 度 0 1 斥 规 应 领 的 粒 可 线 产 1 ， . 已 × 0 1 . 理 力 用 域 研 子 以 圈 生 0 科 - 达 1 × 论 2 2 0 的 也 究 加 避 并 强 学 ， 1 到 - - 预 0 主 9 有 工 速 免 采 大 家 3 库 1 × - 言 9 b 要 重 作 等 6 这 用 的 发 4 1 的 仑 所 困 已 方 要 种 冷 磁 现 N . K 0 温 。 难 取 面 = 应 缺 有 却 场 力 示 × 度 9 我 是 得 都 ， 些 用 陷 措 1 . 的 更 。 0 0 们 。 较 有 。 超 在 铜 施 高 - × 大 9大 很 目 用 称 氧 导 核 。 1 ， 0 小 N - = 9 为 N 9.0×10 -9 N φA = U AB + φB = 2.0 × 10 6 V + 2.5 × 10 6 V = 40 ..50 1 ×2 经 K 1典0 0 物6 .7 理 5 V K 理论 7 对 .1 超 93 导 K 现 象 多产生学的一原点因无 法 解 电这类介超质导中现象的为库“高仑温定超导律” 。2008年以来，又 释。为了从微观上对这一现象进行解释，固体物 有一类新的铁基高温超导材料被发现。当前，我 多学一点 电场的等势面 理学家花费了近半个世纪的 心 血。 我 直 们 到 在初 年 中 ， 学过 国 ,空 在高 气 温 、 超导 煤 材 油 料 、 研究 玻 方 璃 面 、 走在 橡 世 胶 界前 、 列 瓷 。 器等都是 巴丁（ ）、库珀（绝缘多体） 学。和绝施 1 里 9一缘 5 弗 7 体 （ 点的. 导电性能很差，但也并不是一点也不能导电。 在地理学中，为了形象地表示地形的高低，常采J用. Ba在rde地en图 L. Cooper J 在物理学中，绝缘体又被称做电介质。如果把两个点电荷放在 上画等高线的方法。在电场中，我们也可以采用类似的方法表 这里将介绍更多更深的 电介质中，电荷间的静电力将比在真空中小，而且放在不同的 示电势的高低分布（图 ）。在物理学中，把电场中电势 2-3-3 电介奥质秘中，，力以的大开小也阔不同你。在的电视介质野中，。库仑你定律的表达 相等的点构成的线（面）叫做等势线（面）（ equipotential line/ 式为 ）。同一等势线（面）上任意两点间的电势差为零，所以， 如果有兴趣，可以作进一步 s 在 ur 同 fac 一 e 等势线（面）上移动电荷时，电场力不做功。因此，电 F = k q ε1r q 2 2 的探索。 场线一定跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的 式中ε叫作相对介电常数。同一种电介质的ε是固定的。下 等势面。 表是几种电介质的相对介电常数。 A q A q φAφA m A m A hAhA 电介质 空气 煤油 石蜡 陶瓷 玻璃 云母 水 E E 相对介电常数 1.005 2 2 6 4~11 6~8 81 B φ BBφB B h BBhB φφ h h =0=0 =0=0 课题研究 课题研究 图2-3-3 等势面与等高线 这里提供了一些课题供你 验证电荷的分配规律 个相同金属球之间等量分配的原理。 给你一只指针验电器、一台感应起电机（参 （ ）说明实验原理，写出实验步骤。 选择研究，这种研究将使你的才 1 见第 页旁批）和两个带有绝缘柄的大小相同的 （ ）按实验步骤操作，并写出实验报告。 18 2 智得到充分的展示。 金属球，请你设计一个实验，粗略验证电荷在两目 录 1 第 章 电荷的相互作用………………6 1.1 静电现象与电荷守恒 …………………………7 1.2 电荷相互作用的规律 ………………………11 1.3 静电的应用和防护 ……………………………16 2 第 章 电场的性质 ……………………22 2.1 电场强度………………………………………23 2.2 电场力做功的特点 电势能…………………29 2.3 电势 电荷在电场中的运动 …………………33 2.4 电容器 电容 …………………………………38 3 第 章 电路 …………………………………46 3.1 多用电表 ……………………………………47 3.2 电流、电压和电阻……………………………52 3.3 影响电阻的因素 …………………………… 564 第 章 闭合电路欧姆定律 ………63 4.1 闭合电路欧姆定律 …………………………64 4.2 闭合电路欧姆定律的应用 …………………69 4.3 电路中的能量转化与守恒 …………………74 4.4 现代家庭电路 ………………………………78 5 第 章 电磁场与电磁波 ……………86 5.1 磁与人类文明 ………………………………87 5.2 磁场的描述 …………………………………90 5.3 电磁感应 ……………………………………95 5.4 电磁波 ………………………………………101 6 第 章 能源与可持续发展 ………107 6.1 能量的转化与守恒 …………………………108 6.2 能源利用与环境污染 ………………………110 6.3 能源开发与环境保护 ………………………115 6.4 节约能源、保护资源与可持续发展 ………121 总结与评价 课题研究成果报告会…………… 126 研究课题示例 …………………………………… 126 评价表 …………………………………………… 1271 第 章 电荷的相互作用 闪电撕裂了天空 , 雷霆震撼着大地。在这惊心动魄的自 然现象背后，蕴藏着许多物理原理，吸引了不少科学家进行 探究。美国的富兰克林（B. Franklin）、法国的达利巴尔（T. d’Alibard）等科学家冒着生命危险去捕捉闪电，证实了闪电 与实验室中的电是相同的。 雷电是怎样形成的？ 物体带电是怎么回事？ 电荷有哪些特性？ 电荷间的相互作用遵循什么规律？ 人类应该怎样利用这些规律？ 本章不仅要探究并解答这些问题，还要从库仑（ C. de ）巧妙设计的扭秤实验和点电荷模型的抽象过程，进 Coulomb 一步体会科学思想与方法的价值。1 第 章 电荷的相互作用 7 1.1 静电现象与电荷守恒 实验表明，用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶 棒（图 ）都能吸引轻小物体，我们通常说它们带了电或 1-1-1 有了电荷（ ）。 electric charge a 用丝绸摩擦过的玻璃棒吸引轻小物体 b 用毛皮摩擦橡胶棒 图1-1-1 电荷的正负性是相对的，哪 物理学中规定，用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正 一种叫做“正”，哪一种叫做“负”， 电荷（ ）；用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫 都是可以的。现行的这种命名是 positive charge 做负电荷（ ）。自然界中只存在这两种电荷；同 富兰克林首先提出的，国际上一 negative charge 种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 直沿用至今。 物体起电的原因 分析与论证 摩擦起电的原因 用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒都带了电， 这是什么原因呢？ 原来，物体是由分子、原子组成的；原子是由带正电的原 子核和带负电的电子组成。在两个不同物体相互摩擦的过程中， 两个物体中都有一些电子脱离原子核的束缚而转移到对方。在 通常情况下，两种不同材料的物体彼此向对方转移的电子数不 相等。电子减少的物体就显示出带正电；电子增加的物体就显 示出带负电。这就是说，摩擦起电并不是摩擦创生电荷，而是 富兰克林 （ ， — 使两个物体中的电荷重新分配。 B. Franklin 1706 ），美国科学家和政治家。 1790 物体是否带电，可以用验电器来检验（图 ）。验电 年，他冒着生命危险在雨 1752 1-1-2 中进行“风筝实验”，证明闪 器顶端的金属球通过金属杆跟可转动的金属指针相连。当带电 电与摩擦起电的电是相同的。 的玻璃棒或橡胶棒接触金属球时，指针就会转过一定的角度。 他还用“正电”和“负电”区 分两种不同性质的电，为定量 你能用电荷间相互作用的知识，解释验电器带电后金属指 研究电现象打下了基础。上图 针为什么偏转吗？ 描绘富兰克林正在进行“风筝 实验”。8 图1-1-2 用验电器检验物体是否带电 物体所带电荷的多少叫做电荷量，简称电荷或电量。在国 际单位制中，电荷量的单位是库仑（ ），简称库，用 coulomb C 表示。正电荷的电荷量用正值表示，负电荷的电荷量用负值表示。 实验探究 感应起电 在用验电器检验玻璃棒或橡胶棒是否带电的实验中，你会 发现，只要带电棒靠近验电器的金属球，验电器的指针就会发 在金属导体中，金属原子最 生偏转（图 ）。再用手接触一下验电器的金属球，然后 外层的电子比较容易摆脱原子核 1-1-3 移走带电棒，验电器的指针仍然保持某一偏转角度。这是怎么 的束缚在原子间自由运动，这种 电子叫做自由电子。金属导体中 回事呢？ 存在着大量自由电子。 实验表明，一个带电的物体靠近一个导体时，导体的电荷 分布会发生变化，显示出带电现象。物理学中把这种现象叫做 静电感应（ ）。利用静电感应使物体带电叫 electrostatic induction 做感应起电。 在上述实验中，当带正电荷的物体靠近金属球时，金属杆 和指针中的自由电子就被吸引过来，球上出现多余的负电荷； 验电器金属杆和指针上则带有正电荷，使指针偏转。 当再用手接触一下验电器的金属球，大地中的负电荷会通 过人体转移到金属球、金属杆及指针上，使它们都带负电，因此， 移走带电棒后，验电器的指针因负电荷相互排斥而保持偏转 状态。 请思考一下，当带有负电荷的物体靠近金属球时，指针上 带什么电荷？为什么？ 图1-1-3 静电感应1 第 章 电荷的相互作用 9 电荷守恒 电荷守恒 摩擦起电和感应起电的过程，都是电荷从一个物体转移到 另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分的过程。 下面让我们做一个如图 所示的实验。 1-1-4 手持起电板的两根有机玻璃棒，用力将两块起电板快速摩 擦后分开，将其中一块板插入箔片验电器上端的空心金属球（不 箔片验电器通常是在金属杆 要接触金属球），接着抽出这块板，再将两块板同时插入空心 下挂两条金属箔片，其原理与指 针验电器相同。 金属球。你观察到怎样的现象？ 请你解释实验中所发生的现象。 起电板 有机玻璃板 塑料板 图1-1-4 电荷守恒实验 大量事实表明，电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能 从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一个部分转移到 另一个部分，在转移过程中，电荷的总量不变。这个结论叫做 电荷守恒定律（ ）。 thelaw of conservation of charge 近代科学研究表明，电荷守恒定律不仅在一切宏观过程中 成立，而且在微观过程中也成立。因此，电荷守恒定律是物理 学中普遍适用的规律。 元电荷 自然界中电荷的总量是守恒的。原子核中的每个质子和核 外每个电子所带的电荷量有多少？它们是不是自然界中最小的 密 立 根 （ ， — R. Millikan 1868 ），美国物理学家。第一 电荷单元呢？ 1953 位在美国本土出生的诺贝尔物 美国实验物理学家密立根设计了如图 所示的实验。 理学奖获得者。 1-1-510 雾化剂 带电平板 油滴 显微镜 电池 带电平板 图1-1-5 密立根油滴实验示意图 将两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接，两板便 带上异种电荷。用喷雾器喷入雾状带电油滴，当带电油滴进入 两平板间时，调节两板间的电压，使带电油滴受到的电力与重 电子的电荷量e跟电子的质 力平衡，由此就可以求出油滴所带的电荷量。密立根不断改 量m 之比，叫做电子的比荷。它 e 是一个重要的物理常量。电子的质 进实验方法，取得了上千组测量数据，发现这些油滴所带的 量m e = 9.1×10-31 kg，因此，电子的 电荷量总是某一元电荷（ ）的整数倍。进一 elementary charge 比荷为 步研究表明，这种“元电荷”就是电子所带的电荷，一般用e表示。 e m = 1.76×1011 C / kg 年国际计量大会推荐的元电荷值为 e = × - 19 ， e 1986 1.602 177 33 10 C 通常取e = × - 19 。 1.6 10 C 家庭作业与活动 1. 请你列举一些日常生活中摩擦起电和感应起电 带正电，则B球应带何种性质的电？ 的事例。 5. 有A、B、C三个用绝缘柱支撑的相同导体球， 2. 如果用验电器检验直接用手拿着经摩擦后的金 A球带正电，电荷量为q，B球和C球不带电。 属棒是否带电，那么金属棒带电吗？怎样才能 讨论用什么办法能使： 使摩擦后的金属棒带电？ （1） B球、C球都带等量的正电； 3. 算一算，多少个电子所带的电荷量之和是 ？ （2） B球、C球都带负电； 1 C 4. A、B、C、D四个球都带电，A球能排斥B球， （3） B球、C球各带等量的异种电荷； C球能吸引A球，D球又排斥C球。已知D球 （4） B球带 3 q 的正电荷。 81 第 章 电荷的相互作用 11 1.2 电荷相互作用的规律 人类很早就发现了电现象。但长期以来，由于受社会生产 力和科技发展水平的限制 , 对电的认识一直处于定性的水平。 直到18世纪中叶，人们才开始对电荷之间的相互作用规律进行 定量的研究。 影响电荷相互作用的因素 图1-1-5 密立根油滴实验示意图 实验探究 探究电荷相互作用规律 电荷间相互作用力的大小跟哪些因素有关？请你参照图 1-2-1所示装置，按以下步骤进行实验： B A （1） 分别让球形导体 A 和通草球 B 带上同种电荷，并使 球形导体A与通草球B处在同一水平面上。 （2） 不断改变球形导体 A 的电荷量， 观察悬线与竖直方 向偏角的变化。 图1-2-1 探究电荷相互作用规律 的实验装置 （3） 保持球形导体 A 和通草球 B 上的电荷量不变， 改变 球形导体 A 与通草球 B 之间的距离，观察悬线与竖直方向偏角 的变化。 （4） 让球形导体A和通草球B带异种电荷，重复步骤（2） （3），观察悬线与竖直方向偏角的变化。 请根据你观察的现象，通过分析得出结论。 电学中第一个定律——库仑定律 定量研究的困难 世纪中叶以前，研究电荷间的作用力存在三大困难： 18 一是这种作用力非常小，没有足够精密的测量器具；二是那 时还没有电量的单位，当然就无法比较电荷的多少了；三是 带电体上电荷的分布不清楚，难以确定相互作用的电荷之间 的距离。 请思考一下，看看你有没有好的方法来解决这些困难。 库仑的探究 法国物理学家库仑经过长期研究，较好地解决了这些困难。 为测量电荷间微小的作用力，库仑发明了一种扭秤，后人 将这种扭秤称为库仑扭秤。12 库仑扭秤的结构如图 所示。其主要部件是一根弹 1-2-2a 性扭丝（细金属或石英丝），上端由悬头 G 固定，下端悬挂一 根绝缘横杆。杆的一端装有用来带电的小球 A，另一端装一平 衡小球 B。另外还有一固定小球 C。当扭丝处于自然状态时， 调节悬头 G，使 A 球与 C 球接触。当 C 球带电时，A、C 球之间 的斥力使横杆转动。当A、C球间斥力产生的转动作用与扭丝弹 力的作用达到平衡时，横杆就静止在某一角度上（图 ）。 1-2-2b 根据这一角度，便可测出带电小球间的斥力。 为了使物体的电量按实验的需要而改变，库仑根据对称性原 理，用两个相同的金属球，让其中一个带上电荷q，另一个不带电， 把它们接触后分开。由于“对称”关系，这两个金属球的电量均应 q q 为 。若再用第三个相同的不带电金属球与带电荷 的金属球接 2 2 q 触，然后分开，这两个金属球的电荷均应为 ，依此类推。这样， 库 仑 （ ， — 4 就可以保证实验中不同金属球的电荷量从大到小成比例变化。 C. de Coulomb 1736 ），法国物理学家、军事工 1 程 80 师 6 。从事摩擦力和电磁力的 库仑根据电荷在金属球表面上均匀分布的特点，把金属球 研究，设计制作库仑扭秤并发 上的电荷想象成集中在球心的“点电荷”。这样就解决了测量带 现库仑定律。 电体之间距离的问题。 请归纳库仑设计的扭秤实验有哪些巧妙之处。 G 扭丝 库仑把球形带电体看作“点 电荷”是一种理想化做法。当两个 带电体之间的距离比它们本身的 尺寸大得多时，带电体可看作是一 个点，即“点电荷”。 C A B a 库仑扭秤结构示意图 b 库仑扭秤原理图 图1-2-2 库仑扭秤1 第 章 电荷的相互作用 13 库仑定律 年，库仑在前人研究的基础上，通过实验得出结论： 1785 真空中两个静止的点电荷之间相互作用力的大小，跟它们的电 荷量 q 与 q 的乘积成正比，跟它们距离 r 的平方成反比，作用 1 2 力的方向沿着它们的连线。这就是库仑定律（ ’ ）， Coulomb s law 它的数学表达式为 q q F k 1 2 = r 2 式 中 k 是 一 个 常 量， 叫 做 静 电 力 常 量（ electrostatic force ）。这种电荷间的相互作用力叫作库仑力或静电力。在 constant 国际单位制中，电荷量的单位是库［仑］（ ），力的单位是牛［顿］ C （ ），距离的单位是米（ ）。由实验可得出 N m k = × · / 9 2 2 9.0 10 N m C 库仑定律虽仅适用于计算点电荷间的作用力，但对任意带 电体来说，如果知道电荷的分布情况，利用库仑定律和力的合 成法则即可求出带电体之间的作用力。 英国物理学家普里斯特利（ ）和卡文迪许 J. Priestley （ ）也在实验的基础上推定，电荷的相互作用力跟 H. Cavendish 距离的平方成反比。 库仑定律是电磁学中的一个基本定律，它的建立使电磁学 进入了定量研究的阶段，使电磁学真正成为了一门科学。从 18 世纪末到 世纪初这一段时期，由于数学的应用，有关静电学 19 和静磁学的研究取得了很有意义的进展。 案例分析 案例 真空中有两个直径很小的完全相同的金属小球a、b， a球带电量为Q = + × -9 ，b球带电量为Q = - × -9 ， a 5.0 10 C b 7.0 10 C 两球相距 。问：它们之间的库仑力有多大？若把它们接触 1 m 后放回原处，它们之间的相互作用力为多大？ 解答 根据库仑定律，两小球未接触时，小球带异种电荷， 小球之间的库仑力为引力，库仑力的大小为 Q Q a 接触前 F k a b 9 -9 -9 = 9.0×10 ×5.0×10 ×7.0×10 -7 = r = N 3.15×10 N 2 2 1.0 Q Q F k a b 9 -9 -9 = 9.0×10 ×5.0×10 ×7.0×10 -7 b 接触后 = r = N 3.15×10 N 2 2 1.0 QQQQ 图1-2-3 FF kk aa bb 99 --99 --99 == 99..00××1100 ××55..00××1100 ××77..00××1100 --77 == rr == NN 33..1155××1100 NN 22 22 11..00 两小球分别受到的库仑力均指向对方（图 ），两球互相 1-2-3 a 吸引。14 当两小球接触后，部分电荷中和，剩余净电荷为- × ， -9 2.0 10 C 由于两金属球完全相同，净电荷均分，各带- × 。此时， -9 1.0 10 C 小球带同种电荷，两小球之间的库仑力为斥力，库仑力的大小为 Q′Q′ F′ k a b 9 -9 -9 = 9.0×10 ×1.0×10 ×1.0×10 -9 = r = N 9.0×10 N 2 2 1.0 Q′Q′ F′ k a b 9 -9 -9 = 9.0×10 ×1.0×10 ×1.0×10 -9 = r = N 9.0×10 N 2 2 1.0 QQ′′QQ′′ FF′′ kk aa bb 99 --99 --99 == 99..00××1100 ××11..00××1100 ××11..00××1100 --99 == rr == NN 99..00××1100 NN 22 22 11..00 此时两小球分别受到的库仑力的方向如图 所示。 1-2-3b 多学一点 电介质中的库仑定律 我们在初中学过 , 空气、煤油、玻璃、橡胶、瓷器等都是 绝缘体。绝缘体的导电性能很差，但也并不是一点也不能导电。 在物理学中，绝缘体又被称做电介质。如果把两个点电荷放在 电介质中，电荷间的静电力将比在真空中小，而且放在不同的 电介质中，力的大小也不同。在电介质中，库仑定律的表达 式为 qq F k 1 2 = εr2 式中 ε 叫作相对介电常数。同一种电介质的 ε 是固定的。下 表是几种电介质的相对介电常数。 电介质 空气 煤油 石蜡 陶瓷 玻璃 云母 水 相对介电常数 1.005 2 2 6 4~11 6~8 81 课题研究 验证电荷的分配规律 个相同金属球之间等量分配的原理。 给你一只指针验电器、一台感应起电机（参 （ ）说明实验原理，写出实验步骤。 1 见第 页旁批）和两个带有绝缘柄的大小相同的 （ ）按实验步骤操作，并写出实验报告。 18 2 金属球，请你设计一个实验，粗略验证电荷在两1 第 章 电荷的相互作用 15 家庭作业与活动 1. 有两个半径为r的金属球如图 放置，两 4. 相距 L 的点电荷A、B 的带电量分别为 +4Q 1-2-4 球表面间最小距离也为r。今使两球带上等量异 和-Q。 种电荷Q，两球间库仑力的大小为F，那么（ ）。 （1） 若A、B电荷固定不动，在它们连线的中 Q2 Q2 点放入带电量为 Q的电荷C，电荷C +2 A. F = k r 2 B. F > k r2 受到的静电力是多少？ (3 ) (3 ) Q2 （2） 若A、B电荷是可以自由移动的，要在通 C. F < k r 2 D. 无法判定F的大小 过它们的直线上引入第三个电荷D，使 (3 ) 三个点电荷都处于平衡状态，求电荷D r r r 的电量和放置的位置。 5. 两个质量都为 × -4 的金属小球，分别 3.0 10 kg 被两根长 的丝线吊在同一点上。让它 0.04 m 们带上等量同种电荷后，两球互相排斥，至图 图1-2-4 所示位置平衡。 1-2-5 2. 世 纪 年 代， 物 理 学 家 卢 瑟 福（E. （1） 试求两球间静电力的大小和金属小球所带 20 20 Rutherford）在α粒子（氦核）散射实验中发现， 的电量。 （2） 如果让其中一个小球的电荷量减少一半， 当两个原子核之间距离小到 时，它们之 -15 10 m 而另一个小球的电荷量加倍，小球还能在 间的斥力仍遵守库仑定律。具有足够高能量的 原位置平衡吗？ α粒子能够到达与金原子核相距 × -14 2.0 10 m 的地方。请你算一算，在这一距离时，α粒子 受到金原子核的斥力为多大？此力相当于质量 多大的物体受到的重力？ 60° 3. 现有两个相同的金属小球，分别带有+ × 2.0 和 × 的电荷。 -7 -7 10 C -3.2 10 C （1） 把它们放在相距 的地方，两小球之 0.5 m 间的库仑力多大？方向如何？ 图1-2-5 （2）使两小球接触后再放回相距 的原 0.5 m 位置，两小球之间的库仑力多大？方向 如何？16 铁杆 1.3 静电的应用和防护 华盖 宝珠 相轮火焰 自然界到处都有静电。生产中的挤压、切割、搅拌和过滤， 生活中的起立、行走、穿衣和脱衣等过程都会产生静电。 铁链 静电给我们的工作与生活带来了什么影响？我们应如何“趋 铜力士 其利，避其害”呢？ 雷电与避雷 自然界产生雷电的主要原因，是云层的相互摩擦导致了云 a 庆州白塔塔刹构件 层间异种电荷大量集聚。靠近地面的云层中电荷的大量集聚， 会使地面因静电感应而引起电荷集聚。云层之间、云层与地面 龙吻脊 之间会形成几百万伏以上的电压。这个电压足以击穿空气（使 铁叉 空气电离），产生几十万安培的瞬间电流。电流生热使空气迅 速升温而发光产生闪电，空气受热突然膨胀发出巨响形成雷声。 竖带 云层与地面之间的雷电会对我们的生命财产造成威胁，甚 至带来巨大的损失。那么，如何避免雷电的危害呢？ 吻座 我国大约从汉代起，人们就注意到长兵器尖端在大气中的 放电现象。古人利用这种现象，在许多建筑物上安装了既有避 b 殿脊吻兽 雷作用，又有装饰作用的塔刹构件和殿脊吻兽（图 ）， 1-3-1 图1-3-1 古建筑上的“避雷针” 这就是现代避雷针的雏形。现代建筑物上的避雷针如图 1-3-2 所示。 实验探究 避雷针为什么能避雷 用如图 所示的感应圈，可以观察“实验室中的雷电 1-3-3 现象”，帮助我们理解避雷针的避雷原理。将两枚放电针分别 安装在感应圈的接线柱上，再将低压电源的 直流电接 8 ~ 10 V 在感应圈上，闭合开关，适当调节感应圈上振动簧片的位置（有 些感应圈会自动完成这一操作），就可以观察到火花放电的现象。 请比较火花放电图景与雷电时看到的闪电图景。它们有哪 些相似之处？ 试用放电针放电的现象说明避雷针的原理。 静电与现代科技 随着科学技术的发展，人们对静电特性的认识越来越深入， 静电的应用范围也越来越广泛。 图1-3-2 现代建筑上的避雷针1 第 章 电荷的相互作用 17 用静电净化空气 图 是电子空气净化器工作原理示意图。电子空气净 1-3-4 化器利用风扇将空气送入机内。空气首先经过带正电的网格， 这时带负电的烟尘等微粒被吸附在其上。接着，空气又通过带 负电的网格，这时带正电的烟尘等微粒被吸附在其上。最后， 活性炭过滤器再将空气中的剩余尘粒过滤掉，把洁净的空气送 入室内。 图1-3-3 感应圈火花放电现象 用静电提高农药喷洒效果 喷洒农药的飞机上安装有静电喷嘴。静电喷嘴内装有一根 感应圈可以在两接线柱之间产 带正电的针，使得农药水珠离开喷嘴时会带有大量正电荷。由 生几万伏的电压。安装放电针之后， 两针尖端附近的空气就会被击穿， 于与大地相连的农作物的叶子一般都带负电，带正电的农药水 形成放电电流。 珠喷洒到农作物上时，就被吸附在叶子上，不会被风吹走（图 注意！感应圈通电后，切勿用 ）。 手触摸放电针。 1-3-5 针 针 喷嘴 喷嘴 带负电带的负网电格的网格 洁净的洁空净气的空气 活性炭活过性滤炭器过滤器 带正电带的正农电药的水农珠药水珠 未经处未理经处理 的空气的空气 带正电带尘正粒电尘粒 带正电带的正网电格的网格 带负电带尘负粒电尘粒 未经处未理经处理 网格 网格 的空气的空气 图1-3-4 电子空气净化器工作原理示意图 图1-3-5 利用静电喷洒农药示意图 静电复印 静电复印机的使用已经很普遍。它的基本工作原理是：激 光扫描原稿上的文字或图案，经反射，聚焦在携带静电的硒鼓 上 ；激光扫描到原稿上的空白处，硒鼓上相应部位的静电荷就 被消除，留在硒鼓上的静电荷就形成了原稿上的文字或图案； 墨粉被硒鼓上的静电吸引，再被转移到复印纸上并被加热固定， 复印纸上就出现了原稿上的文字或图案。图 用图解的方 1-3-6 式展示了这一过程。18 携带电荷 携带携电带荷电荷 的图像区 反射镜 的图的像图区像区 反射反镜射镜 成品 镜头 成品成品 原稿 镜头镜头 原稿原稿 被带电荷的图像区 被带被电带荷电的荷 吸 图的 引 像图 的 区像 墨粉 区 硒鼓 吸引吸的引墨的粉墨粉 硒鼓硒鼓 要复印的原稿 复印纸 要复要印复的印原的稿原稿复印复纸印纸 硒鼓 加热器 硒鼓硒鼓 要复印的原稿 加热加器热器 要复要印复的印原的稿原稿 复印纸 复印文稿 复印复纸印纸 送纸复滚印杆复文印稿文稿 扫描器 扫描扫器描器 有文字的送地纸送方滚纸杆滚杆 复印出来的文稿 有文有字文的字地的方地方 复印复出印来出的来文的稿文稿 保留正电荷 正电荷吸上墨粉 保留保正留电正荷电荷 正电正荷电吸荷上吸墨上粉墨粉 激光扫描原 激光激扫光描扫原描原 稿上的文字 稿上稿的上文的字文字 先使硒鼓 先使先硒使鼓硒鼓 带上正电荷 硒鼓 硒鼓 硒鼓 硒鼓 硒鼓从复印纸上滚过 带上带正上电正荷电荷 硒鼓硒鼓 硒鼓硒鼓 硒鼓硒鼓 硒鼓硒鼓 硒鼓硒从鼓复从印复纸印上纸滚上过滚过 a b c d a a b b c c d d 图1-3-6 静电复印机结构及工作过程图解 静电植绒 实验探究 模拟静电植绒 A 参照图 所示的装置准备器材，进行安装，然后进行 1-3-7 B 如下模拟静电植绒的操作： （ ）用蘸上胶水的毛笔在硬纸片上写字、作画，再用夹子 1 将此硬纸片固定在金属圆板A下面（有字画的一面朝下）。 （ ）将各种颜色的细碎纸屑均匀撒在下方金属圆板 B 上， 2 调整两块金属板之间的距离为 。 4 ~ 5 cm 图1-3-7 静电植绒实验装置 （ ）用导线将两块金属板分别接到感应起电机的两个放电 3 球上，转动起电机，观察“静电植绒”的过程。 感应起电机利用静电感应，使两 个莱顿瓶（储存电荷的容器）不断集 近年来，静电已开始在海水淡化、人工降雨、低温冷冻等方 聚电荷，从而在两放电球之间形成极 面大显身手，甚至在宇宙飞船上也安装有静电加料装置。 高的电压。把两块金属圆板分别接在 请你在课后上网收集有关静电应用方面的资料并与同学开 两个放电球上，两块金属板就分别带 展交流。 上异种的电荷。1 第 章 电荷的相互作用 19 静电的危害及防护 无论是在日常生活和工农业生产中，还是在科学实验中， 随时都可能出现因静电作用而引起的危害。下表列出了其中的 一些。 静电力作用的不良后果 静电火花引起的危害 电视机的荧屏表面容易吸 医院手术台上，静电火花会 • • 附灰尘，使图像的清晰度和亮度下 引起麻醉剂爆炸。 降。 煤矿里，静电火花会引起瓦 • 混纺衣服上常出现不易拍 斯爆炸。 • 掉的灰尘。 在航天领域，静电放电会干 • 印刷厂里，纸张之间因静电 扰航天器的运行，甚至会造成火箭 • 而黏合，给印刷带来不便。 和卫星发射的失败。 制药厂里，因静电吸引尘 在石化领域，因静电放电引 • • 埃，药品达不到标准纯度。 起的事故屡见不鲜。 当人们认识到静电危害的起因后，各种防止静电危害的措 图1-3-8 用抗静电材料包装电子产品 施便应运而生。例如在工业生产中，改造起电强烈的工艺环节， 采用起电较少的设备和抗静电材料；用导线将设备接地，把电 荷导入大地；适当增加工作环境的湿度以让静电随时释放等。 图 所示是用抗静电材料包装电子产品，图 所示是 1-3-8 1-3-9 飞机加油时，飞机与加油车之间安装的接地装置。 空气与飞机摩擦使飞机带上正电，如果电荷量积累到一定 程度就会向大地放电，在放电的过程中，会产生放电火花，引 起火灾或爆炸事故。为了避免事故，飞机在加油前，往往要用 接地的金属导线把加油车和飞机连接起来。 图1-3-9 飞机加油车的接地装置 家庭作业与活动 1. 观察你身边发生的静电现象，分析产生的原因。 积累而造成的危害。下列措施中，采取了上述 2. 分析保鲜膜在使用过程中，为什么常常会吸附 方法的是（ ）。 在手上。 油罐车后面装一条拖地铁链 A. 3. 静电的应用有多种，如静电除尘、静电喷涂、 电工钳柄上套有绝缘胶套 B. 静电植绒、静电复印，它们共同的物理原理是： 飞机上安装接地电缆 C. 让带电的物质微粒在________力作用下，“奔 印染车间里保持适当的湿度 D. 向”并吸附到_______电极上。 5. 请你上网或去图书馆收集关于防止雷电危害的 4. 把带电体上产生的静电荷移走可以防止静电荷 资料，写一篇科普报告。20 第 1 章家庭作业与活动 A组 所示。这时，只要测出以下两种情况下悬挂球 1. 打开自来水龙头，慢慢调节龙头，使水流变得 偏离竖直方向上的角度θ，就能算出库仑力， 很细，再用摩擦过的塑料棒靠近细水流，你发 进而验证库仑定律。①保持两球带电量q 、q 1 2 现了什么？解释你所观察到的现象。 不变，改变它们之间的水平距离r；②保持两 2. 用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近用绝缘细线悬挂的 球水平距离不变，改变两球的带电量q 、q 。 1 2 轻小软木球，请按照图 所示的装置做一 （ ） 请你利用测出的角度θ，根据共点力的平 1-A-1 1 做。除了观察到软木球被吸引以外，你还发现 衡条件，推导库仑力和θ之间的关系式。 了什么现象？用学过的知识解释这些现象。 （ ） 怎样让两个软木球带上等量同种电荷？又 2 怎样改变它们的电荷量？ （ ） 怎样测量两球之间的水平距离？为什么要 3 这样测量？ 5. 某同学设计了一个验证电荷守恒定律的实验， 实验装置如图 所示。实验步骤如下： 1-A-3 图1-A-1 3. 请你尽可能多地找一些不同材料制成的物体， 如塑料片、纸板、玻璃、毛线、腈纶丝、石蜡、 铅笔杆等，分别让它们相互摩擦，比较这些物 体得失电子的难易程度。 图1-A-3 4. 有同学设计了一个验证库仑定律的实验： 让两 个软木球带电，用绝缘丝线将其中一个球悬挂 （ ） 用一根金属杆连接两只相同的验电器， 让 1 起来，另一个球装在绝缘柄上，使它们处在同 带电的有机玻璃棒靠近金属杆的一端，两 一水平高度上，保持某一水平距离，如图 只验电器的箔片均张开，为什么？ 1-A-2 （ ） 在两只验电器的箔片均张开的情况下， 先 2 移走金属杆，再移走带电的有机玻璃棒， 这时验电器的箔片是否保持张开状态？为 什么？ θ （ ） 再用金属杆连接两只验电器，将会出现什 3 么现象？这个现象说明了什么？这个实验 A 能验证电荷守恒定律吗？为什么？ B 图1-A-21 第 章 电荷的相互作用 21 B组 （ ）人体不仅能产生数千伏静电压，而且能 3 1. 下面是几个有趣的静电实验，请你动手做一做， 承受数千伏到数万伏的静电压，下面请你 体验一下做实验的乐趣。 尝试一下人体静电实验。 （ ） 静电间歇喷泉 ① 晚上，取一根 日光灯管，用干净布将灯 1 8 W 取一根尖嘴内径 的玻璃 管上的灰揩去。左手握住灯管一端，右手捏 0.5 ~ 0.8 mm 管，管的另一端用橡皮管与自来水龙头相 住灯管管身并来回连续摩擦，灯管就会闪光。 连。玻璃管尖嘴口朝上，并固定在铁支架 不信，你就试一试，想一想为什么。 上，如图 所示。打开水龙头，使 ② 请你站在聚苯乙烯绝缘板上，手握 日光 1-B-1 8 W 尖嘴喷射出高 的喷泉。用带电 灯管的一个电极，让一位伙伴手握塑料薄膜 15 ~ 20 cm 的有机玻璃棒置于喷泉上方约 处， 或化纤布，反复在你身上拍打。请另一位伙 30 cm 你会观察到断续喷射的喷泉。想一想，出 伴握住 日光灯管的中间或另一个电极。 8 W 现这个现象的原因是什么？ 若在暗室里或晚上，你会发现日光灯管发光。 请你与你的伙伴们试一试，仔细观察现象并 加以解释。 2. 真空中，带电荷量分别为+Q和-Q的点电荷A、 B相距r，在距A、B电荷都为r的地方放置带 电荷量为+Q的点电荷C。求： （1） 点电荷C所受的静电力； （2） 点电荷A所受的静电力。 3. 把一个点电荷的电荷量Q分为两部分q 和q ， 1 2 图1-B-1 使点电荷q 和q 相距一定的距离。问：q 和q 1 2 1 2 （ ） 自动蓬松的腈纶线 满足什么关系时，它们之间的库仑斥力达到最 2 取一小团腈纶线，剪 根长为 cm 大值？ 40 80 的线段，并成一股，梳理整齐后，两端用粗 4. 两个小球各带电q = × -7 ，它们可以在图 2.1 10 C 铜丝扎紧。让腈纶线松松地悬于木架的两只 所示的绝缘棒上无摩擦地自由滑动。若 1-B-3 羊眼圈上，如图 所示。再用一支铅 两个小球的质量都是 × -4 ，试确定它们 1-B-2 a 1.0 10 kg 笔按在线上，用力快速来回摩擦几下。移开 的平衡位置及棒对它们的作用力。 铅笔后，你会观察到腈纶线向四周蓬松，呈 橄榄状，如图 所示。请你解释这 1-B-2 b 个现象。若用沾少量水的脱脂棉在腈纶线上 从左至右揩一下，再用铅笔重复摩擦，它们 再也不会呈现橄榄状了，这又是什么原因？ 30°30° 羊眼圈 羊眼圈腈纶线 腈纶线 图1-B-3 木架子 木架子 a a b b 图1-B-22 电场的性质 第 章 示波器（ ）在电子技术中有着广泛的应用。示 oscilloscope 波器的工作原理是，用变化的电场来控制电子束的运动，使电 子束打在荧光屏上不同的位置，从而显示出电场变化的图像。 那么： 什么是电场？ 电场具有什么性质？ 电场对场中电荷会产生什么作用？ 如何利用电场控制场中电荷的运动？ …… 本章首先从电荷的相互作用出发认识电场，理解电场是一 种物质；然后从力的性质和能的性质两方面研究电场，学习用 电场线物理模型定性分析电场，应用物理量定量研究电场；接 着分析带电粒子在电场中的运动；最后实验探究电容器的特性， 完整地经历科学探究过程。2 第 章 电场的性质 23 2.1 电场强度 库仑定律揭示了电荷间的相互作用规律，那么，电荷间的 相互作用是靠什么传递的呢？ 电场 在物理学中出现了一个新的 概念，这是牛顿时代以来最重要的 世纪 30 年代，法拉第在大量实验的基础上提出，电荷 19 发明：场。用来描写物理现象最重 周围存在着由它产生的电场（ ），处在电场中的其 要的不是带电体，也不是粒子，而 electric field 他电荷受到的作用力，就是这个电场给予的。电荷间的相互作 是带电体之间与粒子之间的空间中 用是靠电场来传递的。在法拉第研究的基础上，麦克斯韦建立 的场，这需要很大的科学想象力才 能理解。 了完整的电磁场理论。现在，场的概念已经成为现代物理学中 ——爱因斯坦 最重要的基本概念之一。 场是物质存在的一种形态。凡是有电荷的空间，就存在着 电场，电场的基本性质是能够对场中的电荷产生力的作用，这 种力叫做电场力（ ）。 electric field force 本章只讨论相对于观察者静止的电荷产生的电场，这种电 场叫做静电场（ ）。 electrostatic field 怎样描述电场 定量描述电场 为了研究电场的力的性质，我们需要在电场中引入试探电 荷（ ），然后考察试探电荷的受力情况。 test charge 试探电荷是一种理想化的物理模型。试探电荷的电荷量和 尺寸都必须充分小，以致可忽略它对原来电场的影响，同时又 能确切地反映它所在处电场的性质。 分析与论证 定量研究电场的力的性质 假设我们所研究的电场是由点电荷 +Q 所产生的，则定量 研究电场的力的性质可分为两步进行。 1. 如图 2-1-1 所示，把电量为 +q 的试探电荷分别放在电 场中的 A、B、C 各处（设 r = r ，r = r ），计算电场对 +q A 3 C B 2 C 的电场力F 、F 、F 。 A B C 可以发现，同一试探电荷 q 在电场中不同点处受到的电场 F 力不同，其比 也不同。 q24 F O F F F C Q q 2 q 3 q q F C A q r A A r C B 试探电荷 Q r B q F q q q B 2 3 图2-1-1 点电荷电场研究 图2-1-2 点电荷电场研究 如图 所示，把电量分别为 +q、+ q、+ q 的试探 2. 2-1-2 2 3 电荷依次放在电场中的同一点 O 处，计算电场对它们的电场力 F 、F 、F 。 q 2q 3q 可以发现，不同的试探电荷，在电场中同一点处受到的电 F 场力虽然不同，但比 却相同。 q 由此可见，在电场中确定的点处，试探电荷受到的电场力 F F 与试探电荷的电荷量 q 的比 是一个不变的量，它与试探电 q 用比来定义物理量是一种常用 荷的电荷量无关，仅与试探电荷在电场中的位置有关。因此， 的研究方法。用这种方法可以揭示 可以用这个比反映电场的强弱，即电场的力的性质。 物质的某种属性，如：物质的密度 物理学中把放入电场中某点处的电荷所受到的电场力 F 跟 m U ρ= ，电阻 R= 等。 它的电荷量 q 的比叫做电场在该点的电场强度（ V I electric field ），简称场强，用E表示，即 strength F E = q 电场强度是由电场本身决定的物理量，它跟电场中是否有 试探电荷、试探电荷的电量以及试探电荷受到的电场力均无关。 电场强度的单位是牛［顿］/ 库［仑］，符号是 ，其物 N/C 理意义是，如果 的电荷在电场中某点处受到的电场力是 ， 1 C 1 N 则该点的电场强度就是 。下表给出了一些典型电场的电场 1 N/C 强度的大小。 典型电场的一般强度值 电 场 电场强度 E （ ） -1 / N·C 带电硬橡胶棒的近处 3 1 × 10 示波器 5 1 × 10 能在真空中产生火花 6 3 × 10 氢原子的电子轨道上 11 5 × 102 第 章 电场的性质 25 电场强度是矢量。物理学中规定，电场中某点场强的方向 跟正电荷在该点所受到的电场力的方向相同。显然，负电荷在 电场中某点所受到的电场力的方向跟该点场强的方向相反。 如果已知电场中某一点的电场强度为 E，就可以求出放在 该点的电荷q受到的电场力，即 F = qE 根据库仑定律和电场强度的定义式，很容易得到真空中点 电荷电场强度的公式 Q E=k r 2 式中，r是该点离开场源电荷Q的距离。 思考与讨论 F Q . 公式 E = 和 E=k 中的 q 与 Q 分别表示什么意义？ 1 q r 2 两个公式的适用条件有何不同？ Q . 如何从点电荷电场强度公式 E=k 去理解库仑定律？ 2 r 2 形象描述电场 在初中物理中，我们用磁感线来形象地描述磁场。在研究电 场时，我们也可以用电场线来形象地描述电场。电场线（electric field line）就是在电场中画出的一些有方向的曲线，在这些曲线上， E A 每一点切线的方向表示该点的电场强度方向（图 ）。应该 E 2-1-3 B 注意，电场线不是电场中实际存在的线，而是形象地描述电场的 B A 假想的线。电场线是一种物理模型。 电场线的疏密程度可以表示场强的大小，在同一幅用电场线 图2-1-3 电场线与电场强度 描述电场的图中，电场线稠密的地方，场强大；电场线稀疏的地 方，场强小。 把奎宁的针状结晶或头发屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，针 状奎宁结晶或头发屑就会按照场强的方向排列起来，形象地显示 出电场线的大致分布情况（图 、图 和图 ）。 2-1-4a 2-1-5a 2-1-6a 图 显示的是两块靠近的、分别带有等量异种电荷的 2-1-7 平行金属板的电场线分布。除边缘附近外，两板之间电场的电场 线是疏密程度一致的平行直线。这表明，该区域中场强的大小和 方向都相同。26 a 奎宁结晶或头发屑在点 b正电荷的电场线 c负电荷的电场线 电荷电场中的分布情况 图2-1-4 点电荷的电场线分布情况：电场线从正电荷（或从无限远）出发到 无限远（或到负电荷） a 奎宁结晶或头发屑在等量异种 b 等量异种电荷的电场线分布情况 点电荷的电场中的分布情况 图2-1-5 两等量异种点电荷的电场线分布 a 奎宁结晶或头发屑在等量同种 b 等量同号电荷的电场线分布情况 点电荷的电场中的分布情况 图2-1-6 两等量同种点电荷的电场线分布 E 图2-1-7 匀强电场的电场线分布2 第 章 电场的性质 27 物理学中，把各处场强的大小和方向都相同的电场叫做匀强 电场（ ）。同一电荷在匀强电场中各处受到 uniform electric field 的电场力相同。 请归纳一下，电场线有哪些特点？想一想，电场中是否存在 两条相交的电场线？ E P 多学一点 电场的叠加原理 E E 我们知道，每个电荷都会在它的周围空间产生电场，那么当 2 1 q P 许多电荷同时存在时，空间各处的场强应该怎样计算呢？ r r 我们先研究两个点电荷的电场。如图 所示，在真空 2-1-8 中有两个相距为l的点电荷Q 、Q（ 设均为正电荷，且Q = Q = Q）。 1 2 1 2 Q Q 空间某处P离开两点电荷的距离均为r，用E 、E 分别表示点电 1 l 2 1 2 荷Q、Q 单独存在时在P点产生的电场强度。根据放置在P点 图2-1-8 电场的叠加 1 2 的正电荷q所受电场力可以知道，场强的合成跟力的合成一样， 所以P点的合场强 E 应该由 E、E 用平行四边形定则得到。 P 1 2 一个带电体或带电板（例如 一般情况下，许多点电荷在某点的合场强，等于各点电荷的 示波管偏转电极），可以看成是由 电场在该点场强的矢量和，这叫做电场的叠加原理。 若干点电荷组成的。因此，它产生 有人说，空间某处周围的正电荷越多，该处的电场强度一定 的电场实际上就是若干点电荷产 越大；有人说，在一个正电荷周围再放一个负电荷，空间各处的 生的电场的叠加。 电场强度一定变小。这两种说法对不对，为什么？ 信息浏览 场的物质性 场与实物一样，具有质量、能量和动量等， 现代物理学的研究表明，电荷间的相互作用 能够对处于其中的物体产生作用力、压强等。电 是通过场来传递的。场是物质存在的另一种形 磁场的质量密度很小，大约为 -23 3 。光是 10 kg/m 态。常见的场有电磁场、引力场（在地球附近称 电磁场，太阳光每秒照射在每平方米地球表面上 为重力场）、强相互作用场和弱相互作用场等。 的能量约为 × 3 ，对地球上物体产生的 1.35 10 J 物体间的电磁相互作用通过电磁场以光速 光压约为 -6 。 10 Pa × 传递。 8 3 10 m/s28 家庭作业与活动 1. 在电场中某点，当放入正电荷时受到的电场力 3. 地球的表面通常存在一竖直方向的电场，一带 方向水平向右。下列说法中正确的是（ ）。 负电的微粒在此电场中受到一个竖直向上的 A. 当在该点放正电荷时，该点场强方向向右 力，请判断此电场的方向。 B. 当在该点放负电荷时，该点场强方向向左 4. 真空中有一个点电荷A ，若在与 A 相距为r处 C. 该点的场强方向一定向右 放置电荷量为q的试探电荷，试探电荷受到的 D. 该点的场强方向可能向右，也可能向左 电场力为 F。现在移走试探电荷，则在与 A 相 2. 关于场强，下列说法中正确的是（ ）。 距为 r 处的电场强度为多大？ 2 ．由E＝F/q可知，某电场的场强E与q成反比, 5. 如图 所示，在真空中有两个点电荷q 1 A 2-1-9 与F成正比 和q ，分别位于A点和B点，q 的带电量为 2 1 . 正、负试探电荷在电场中同一点受到的电场 + × -8 ，q 2 的带电量为 × -8 。AB = B 4 10 C -8 10 C 力方向相反，因此某一点场强方向与放入试 AD = ，求： 20 cm 探电荷的正负有关 （ ）q 在D点产生的场强大小； 1 1 . 电场中某一点的场强与放入该点的试探电荷 （ ）q 在D点产生的场强大小； 2 C 2 正负无关 （ ）D点的场强大小和方向。 3 . 电场中某点不放试探电荷时，则该点场强等 D 于零 图2-1-92 第 章 电场的性质 29 2.2 电场力做功的特点 电势能 在上一节中，我们运用比的方法，引入了描述电场性质的 一个重要物理量——电场强度，初步认识了电场的力的性质。 现在，我们从电荷在电场中移动时电场力做功引起电荷能量变 化的关系上，进一步研究电场的能的性质。 研究电场力做功的特点 分析与论证 电场对电荷做功的特点 如图 所示，在场强为 E 的匀强电场中，有一个带电 A 2-2-1 q 量为 q 的正电荷，它在电场力作用下从 A 点沿着电场线移动到 α E L B点（AB = L），电场力对它做功 W = FL = qEL AB B l C 如果使它在电场力作用下从A点沿路径ACB移动到B 点，电场 力做功为 图2-2-1 探究电场力对 电荷做功的特点 W = W + W ACB AC CB = qE· α·AC + cos 0 = qEL 因此 W = W AB ACB q 如果 q 在电场力的作用下从 A 点沿任意曲线 ADB 移动到 B 点（图 ），我们可以将曲线分成非常多的小段，每段可 2-2-2 看成直线，以该直线为一直角三角形的斜边，两直角边分别平 行和垂直于电场线。 图2-2-2 电场力对电荷做 容易证明 功的特点 W = qEL ADB 因此 W = W AB ADB 也就是说，电场力做功跟移动电荷的路径无关。 上面从匀强电场中得到的结论具有普遍意义，可以证明， 在任意静电场中，电场力对电荷所做的功跟移动电荷的路径 无关。30 研究电荷在电场中的功能关系 分析与论证 电荷在电场中的电势能 我们知道，重力做功与路径无关。物体在重力场中具有重 用重力场与电场类比，可以帮 力势能。重力做功的结果引起物体重力势能的变化。既然电场 助我们通过熟悉的重力场去认识尚 力做功也与路径无关，可以推知，电荷在电场中也一定具有势能。 未了解的有相似规律的电场。 电场力做功，必然会引起电荷势能的变化。 A mg qE A L B h E 1 B h 2 W G = E p A -E p B W E = E p A -E p B a b 图2-2-3 重力做功和电场力做功 我们把电荷在电场中具有的势能叫做电势能（electric potential energy），用E 来表示。如图 所示，设电量为q p 2-2-3 的点电荷在 A、B 两点的电势能分别为E 和 E 。根据电场力 A B p p 做功与重力做功的类比，可以得出电荷从 A 点移到 B 点的过程 中，电场力做功与电势能变化的关系，即 W = E - E E A B p p 这个关系式也适用于非匀强电场。 所以，在电场中移动电荷，电场力做正功时，电荷的电势 能一定减少；电场力做负功时，电荷的电势能一定增加。 电势能跟重力势能一样，也是一个相对量。电势能的大小 跟零电势能位置的选择有关。如果规定 B 点的电势能为零，则 E = W ，也就是说，电荷在电场中某处的电势能，等于在电场 A E p 力作用下把它从该处移动到零电势能位置时电场力所做的功。 在物理学中，通常把离开场源电荷无限远处规定为零电势 能位置，或者把地球表面规定为零电势能位置。 电势差 分析与论证 电场中两点之间的电势差 根据电场力做功的特点，在匀强电场中，电荷 q 由 A 点移 动到 B 点（图 ），无论沿怎样的路径，电场力所做的功 2-2-42 第 章 电场的性质 31 都是 W = E - E = qEL AB A B p p q 由此可得 A L E W E E q AB = p A- q p B = EL C B 可见在匀强电场中，电场力对电荷做的功 W 与电荷 q 的 AB W 图2-2-4 研究匀强电场 比值 q AB，只跟电场中A、B两点的位置和电场强度有关，它反 中的电势差 W 映了电场的能的性质。物理学中，把 AB 叫做电场中 A、B 两 q 点间的电势差（ ）。 electric potential difference 上面的结论虽然是从匀强电场中得出的，但它对非匀强电 场也都是适用的。 因此，一般情况下（图 ），如果电荷 q 在电场中由 2-2-5 A 点移动到 B 点，电场力做的功为 W ，则 A、B 两点间的电势 AB B 差U 为 AB W A U = AB q AB q 或 图2-2-5 研究电势差 W = qU AB AB 电场力所做的功可以是正功也可以是负功。两点间的电势 差可以是正值，也可以是负值。 电势差也叫电压。在国际单位制中，电势差的单位是伏特 （ ），简称伏，符号是 。如果 的正电荷在电场中由一 volt V 1 C 点移动到另一点，电场力所做的功为 ，这两点间的电势差就 1 J 是 ，即 1 V 1 V = 1 J/C 案例分析 案例 在图 所示的非匀强电场中，如果已知带电量 B 2-2-6 q A q = × -5 的点电荷由 A 点移动到 B 点，电场力所做的功 -1 10 C = × -3 ，则电荷的电势能如何变化？ A、B 两点的电势 WAB 8 10 J 差U AB 等于多少？ 图2-2-6 非匀强电 分析 在任意电场中，移动电荷时电场力做功跟电荷电势 场中各点间的电势差 能的变化、两点间的电势差之间有关系式 W = E - E = qU AB A B AB p p 因此可以直接利用该式求解。 解答 由题意知，电荷从A点移到B点时电场力做正功（W AB > 0），因此电荷的电势能减少。电势能的减少量为32 E - E = W = 8×10-3 J A B AB p p 由于移动的是负电荷（q < 0），因此 A、B 两点间的电势 差为 W U AB = q AB = 8×10 -3 -5 V = -800 V -1×10 在研究微观粒子时，常用电子伏特（简称电子伏，符号是 ）作为能量的单位。如果两点间的电压为 ，电场力把一 eV 1 V 个电子由一点移动到另一点，电场力所做的功等于 ，而已 1 eV 知电子的电荷量e = × -19 ，则 1.6 10 C = × J -19 1 eV 1.6 10 家庭作业与活动 1. 下列说法中正确的是（ ）。 A. 无论是正电荷还是负电荷，从电场中某点移 q B 到无限远处时，电场力做的正功越多，电荷 Q A 在该点的电势能越大 图2-2-7 B. 无论是正电荷还是负电荷，从电场中某点移 对电荷q做什么功？电势能怎样变化？在正电 到无限远时，电场力做的正功越少，电荷在 荷Q的电场中，负电荷q在A、B间移动时电 该点的电势能越大 势能如何变化？你能得出什么结论？ C. 无论是正电荷还是负电荷，从无限远移到电 4. 如图 所示，在场强为E的匀强电场中有 场中某点时，克服电场力做功越多，电荷在 2-2-8 相距为L的A、B两点，连线AB与电场线的夹 该点的电势能越大 角为θ。现将一电荷量为q的正电荷从A点移 D. 无论是正电荷还是负电荷，从无穷远移到电 到B点。现若沿直线AB移动该电荷，电场力 场中某点时，电场力做功越多，电荷在该点 做的功W = ；若沿路径 ACB移动该电 的电势能越大 1 荷，电场力做的功W = ；若沿曲线ADB 2. 在某电场中，把带电量q = × -9 的点电 2 -5 10 C 移动该电荷，电场力做功W = 。由此可 荷由A点移动到B点，电场力所做的功为 1 × 3 知，电荷在电场中移动时，电场力做功的特 10-7 J。A、B两点间的电势差U 是多大？B、 AB 点是 。 A两点间的电势差U 是多大？ BA 3. 电荷的电势能发生变化时，其减少量总是等于 E D B 电场力对电荷所做的正功。在正电荷Q的电场 中（图 ），把正电荷q从A点移到B点， L 2-2-7 电场力的方向与电荷移动的方向相同，电场力 θ A C 图2-2-82 第 章 电场的性质 33 2.3 电势 电荷在电场中的运动 电势 分析与论证 电场中各点的电势 电荷在电场中的这个特性同 我们从电场力做功与电势能变化的关系，可以推知同一电 样可跟重力场类比：同一物体在重 荷在电场中不同位置上的电势能一般不同，不同电荷在电场中 力场中不同位置上的重力势能一般 不同，不同物体在重力场中同一位 同一位置上的电势能一般也不同。进一步的研究指出，在一个 置上的重力势能一般也不同。 确定的电场中，不同电荷（q ，q ，q ，…，q ）在电场中同一 n 1 2 3 位置的电势能（E ，E ，E ，…，E ）与其电荷量之比是一定的， p1 p2 p3 pn 即 EE EE EE EE pp11 pp22 pp33 pp nn q = q = q =…= q n 1 2 3 这个比值仅由电场所决定，而跟放在该处的电荷无关。可见， 这个比值可以客观地反映电场的能的特性。在物理学上，把电 荷在电场中某一点的电势能与其电荷量的比，叫做这一点的电 势（ ）。如果用 φ 表示电场中任意一点 M的电 M electric potential 势，用E 表示电荷q在该处的电势能，则 M p EE φ M = q pp Mn 在国际单位制中，电势的单位也是伏［特］。 令 φ = 0，q = ，可以看出， B 1 C 电势也具有相对的意义，电场中某点电势的大小跟零电势 电场中某点A的电势φ A ，数值上等 于把单位正电荷从该点移到零电势 位置（称为零电势点）的选择有关。在理论研究中，常取离场 点时电场力所做的功。 源电荷无限远处的电势为零；在实际应用中，常取大地的电势 为零。 如果我们选定了零电势点，电场中 A、B 两点的电势分别 对点电荷的电场，我们通常 为φ 、φ ，则A、B两点间的电势差就可表示为 选无限远处为零电势点。 A B U = φ - φ AB A B 在A、B 两点间移动电荷时电场力做的功为 W = qU = q（φ - φ ） AB AB A B 思考与讨论 A B 请根据电场力做功与电势差的关系，比较图 所示点 2-3-1 电荷电场中A、B 两点与 C、D 两点电势的高低。由此你能否找 C D 出比较点电荷场中各点电势高低的简单方法？ 图2-3-1 比较电势高低34 电势是标量，没有方向，但有高低及正负之分。可以证 明，在任何电场中，某处电场线的指向就是该处电势降落 的方向。 案例分析 案例 在图 所示的匀强电场中，带电量q = × -9 的 2-3-2 4 10 C A 点电荷由上极板上A点移至B点时，电场力做的功为 × -3 ； 8 10 J B 由B点移至下极板上C点，电场力做的功为 × -2 。A、B、 E 1 10 J C各点的电势分别为多大？ C 分析 图中的下极板接地，表示取下极板电势为零，C 点 在下极板上，φ = 0。根据电场力做功与电势差的关系，求出 C 图2-3-2 探究电场中 U BC 、U AB 就可确定 φ B 、φ A 的大小。 各点的电势 解答 由题知，q = × -9 ， W = × -3 ，W = 4 10 C AB 8 10 J BC 1 × -2 ，C点为接地的下极板上的一点，故φ C = 。 10 J 0 W 对于B、C两点，U BC = q BC = 1×10 - - 2 9 V = 2.5 × 10 6 V 4×10 由U = φ - φ 得B点电势 BC B C φ B = U BC + φ C = 2.5 × 10 6 V + 0 = 2.5 × 10 6 V W 对于A、B两点，U AB = q AB = 8×10 - - 3 9 V = 2.0 × 10 6 V 4×10 由U = φ - φ 得A点电势 AB A B φ A = U AB + φ B = 2.0 × 10 6 V + 2.5 × 10 6 V = 4.5 × 10 6 V 多学一点 电场的等势面 在地理学中，为了形象地表示地形的高低，常采用在地图 上画等高线的方法。在电场中，我们也可以采用类似的方法表 示电势的高低分布（图 ）。在物理学中，把电场中电势 2-3-3 相等的点构成的线（面）叫做等势线（面）（ equipotential line/ ）。同一等势线（面）上任意两点间的电势差为零，所以， surface 在同一等势线（面）上移动电荷时，电场力不做功。因此，电 场线一定跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的 等势面。 q q m m A A φ A φ A A A h A h A E E B φ B B φ B B h B B h B φ φ h h =0=0 =0=0 图2-3-3 等势面与等高线2 第 章 电场的性质 35 在定量研究电场时，由于测量电势比测量电场强度容易， 所以常常先测绘出电场的等势面的形状和分布，再根据电场线 跟等势面垂直的关系，绘出电场线的分布，就可以知道电场的 总体情况了。 常见的几种电场的等势面如图 所示。 2-3-4 a 点电荷电场的等势面 b 等量异种点电荷电场 的等势面 a 点电荷电场的等势面 b 等量异种点电荷电场 c 带电导体周围的等势面， 的等势面 电场线垂直于导体表面 图2-3-4 各种电场的等势面 c 带电导体周围的等势面， 电场线垂直于导体表面 电势差与电场强度的关系 电场强度和电势差都是描述电场性质的物理量，两者必然 有内在的联系。 为了研究电势差与电场强度之间的关系，我们以匀强电场 为例进行分析。图 表示某一匀强电场的电场线分布情况。 2-3-5 设 A、B 两点间的距离为 d，电势差为 U，场强为 E。把正电荷 A q 由 A 点移动到 B 点，电场力所做的功 W = Fd = qEd，而 W = E F=qE qU，可见 d U = Ed B 这表明，在匀强电场中，沿场强方向的两点间的电势差等 于场强与这两点间距离的乘积。上式可变换为 图2-3-5 探究电势差与 E = U 电场强度的关系 d 这表明，在匀强电场中，电场强度在数值上等于沿场强方 向每单位距离上的电势差。因此，电场强度的另一个单位是 。 V/m 请证明： 。 1 N/C = 1 V/m 探究电子束在偏转电极中的偏移 示波管是示波器的核心部件，它由电子枪、偏转电极和荧 光屏等组成，管内抽成真空。 在示波管工作过程中，通电灯丝发射的电子在电子枪阴极 和阳极间受电场力的作用被加速，形成电子束，进入偏转电极36 YY′、XX′（图 ）。电子束在YY′、 XX′中受到电场力的作用， 2-3-6 发生偏转，打到荧光屏上形成亮斑。亮斑的偏转情况跟电子束 在YY′、XX′的电场中受到的力有关。 荧光屏 偏转电极 阴极 阳极 X Y 灯丝 枪 子 电 X′ Y′ 偏转电极 图2-3-6 示波管示意图 示波管偏转电极 YY′实际上是两块靠近的、大小相等、互 Y 相正对的平行金属板。偏转电极XX′的情况也是这样。 F E 由于偏转电极的两块金属板靠得很近，可以认为，除了两 F 板边缘外，电荷在板面中部均匀分布，电场线垂直于板面且均 q 匀分布。 v 偏转电极两极板间的电场是匀强电场，电子在两极板间受 Y′ 到一个大小和方向都不变的电场力（图 ）。电子束进入 2-3-7 图2-3-7 电子在电场中 偏转电极后是怎样运动的呢？下面用图 所示的模拟实验 的偏转 2-3-8 进行探究。 实验探究 观察带电油滴在匀强电场中的偏移 在图 所示的实验中，将两块金属板分别与起电机的 2-3-8 图2-3-8 观察带电油滴在匀强电场中的偏移2 第 章 电场的性质 37 正负极连接。在注射器中注入缝纫机油，用导线把注射器针头 与负极金属板连接起来。摇动起电机后，推动注射器活塞，将 机油水平射入两金属板之间的匀强电场中，观察带电油滴的 运动情况。 根据上述实验，描画出匀强电场中电子运动轨迹的图形。 利用《物理（必修 ）》的知识进行分析。 2 家庭作业与活动 1. 在图 所示的匀强电场中，如果A板接地， 的电场强度要 于B点的电场强度，A点的 2-3-9 M、N两点中，哪一点的电势高？电势是正值 电势要 于B点的电势。一个带负电的点电 还是负值？如果B板接地，哪一点的电势高？ 荷Q在A点所受的电场力要比它在B点所受的 电势是正值还是负值？取大地的电势为零。 电场力 ，该负电荷在A点的电势能要比它 在B点的电势能 。 A M E N B 图2-3-9 2. 如图 所示，M、N为电场中两个等势面， 图2-3-11 2-3-10 直线GH是其中的一条电场线，则下列说法中 5. 在以点电荷为球心、r为半径的球面上各点相 正确的是（ ）。 同的物理量是（ ）。 M 电场强度 同一电荷所受的电场力 A. B. N 电势 同一电荷具有的电势能 G C. D. H 6. 将一个带电量为 -2 × 10 -9 C 的点电荷从电场中 的 N 点移到 M 点，需克服电场力做功 × -8 。 1.4 10 J N、M两点间的电势差U 为多少？若将该点 NM 图2-3-10 电荷从M点移到N点，电场力做什么功？U MN A. E < E 为多少？ G H p p B. 正电荷置于G点时电势能大于置于H点时的 7. 如图 所示，A、B、C、D是匀强电场中 2-3-12 电势能 一正方形的四个顶点，已知A、B、C三点的电 C. φ G < φ H 势分别为 φ A = ，φ B = 3 V，φ C = ，问 15 V -3 V D. 负电荷由H点移动到G点时电场力做正功 D点的电势 φ 为多大？ D 3. 将电荷量为 × -8 的正电荷，从无限远处移 1 10 C 到电场中的A点，要克服电场力做功 × -6 。 2 10 J （1）电荷在A点的电势能是多少？ （2）A点的电势是多少？ 4. 如图 所示，A、B是电场中两点，A点 2-3-11 图2-3-1238 2.4 电容器 电容 电容器 电容器是一种重要的电路元件，在电子技术和电工技术中 C 有着很重要的应用。什么是电容器呢？物理学中，把能储存电 荷和电能的元件叫做电容器（ ）。两块正对的平行金属 a 固定电容器 capacitor C 板中间夹有一层绝缘物质（例如空气、聚苯乙烯、云母等），就 构成一个最简单的电容器，叫做平行板电容器。这两块金属板叫 b 可变电容器 做电容器的极板。实际上，任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体， 图2-4-1 电容器的符号 都可以看成是一个电容器。电容器的符号如图 所示。电 2-4-1 容器的种类很多，如图 所示。 2-4-2 图2-4-2 各种电容器 学生必学做生实必验做实观验察电容器的充、放电现象 将电源两极与电容器两极连接，电容器两块极板就分别带 上等量的异种电荷。这个过程叫做充电（ ）。用电线将 charging 充电后的电容器两极板相连接，两块极板上的电荷就相互中和， 电容器最终不再带电。这个过程叫做放电（ ）。 discharging 电容器的充电和放电过程有什么特点？某同学设计了如图 所示的电路，试图通过手电筒小灯泡 H 的发光情况来观 2-4-3 图2-4-3 电容器充放电电路图 察电容器的充放电过程。2 第 章 电场的性质 39 思考讨论 请结合图 所示电路，思考和讨论下列问题： 2-4-3 为什么要在电路中接入滑动变阻器？ 1. 适当调节滑动变阻器后，将单刀双掷开关S置于“ ”位 2. 1 置，是给电容器充电还是让它放电？ 当将单刀双掷开关S置于“2”位置时，是给电容器充电 3. 还是让它放电？ 该同学根据什么来分析电容器充放电过程的特点？有什 4. 么特点？ 设计实验 根据思考与讨论的结果，你能参考该同学的电路制订出你 观察和研究电容器充放电的实验方案吗？ 收集证据 根据你所制订的实验方案进行实验，将实验中观察到的现 象记录在下表中。 电容器的充放电过程现象记录 电容器 充电电压 电容器状态 小灯泡闪光亮度与发光持续时间 充电 U 1 放电 电容器A 充电 U 2 放电 充电 电容器B U 2 放电 分析论证 请分析讨论如下问题： 当给电容器充电时，为什么小灯泡开始较亮，然后逐渐 1. 变暗，最后熄灭？ 当电容器放电时，为什么小灯泡亮了一下又熄灭了？此 2. 时电容器在电路中起什么作用？ 同一电容器在不同充电电压下，其充放电过程中小灯泡 3. 闪光亮度与发光持续时间的差异说明什么？40 相同充电电压下，不同电容器充放电过程中小灯泡闪光 4. 亮度与发光持续时间的差异又说明了什么？ 电容 电容器到底储存了多少电荷？在以上实验中，充电电压越 高，电容器放电时小灯泡发光越亮，持续时间越长，这说明电 容器储存的电荷越多。实验表明，对于同一个电容器，每个极 板所带的绝对电荷量 Q 跟电容器两极板间的电势差 U 成正比， Q 也就是说它们的比 是一个确定的值，用 C表示这个比。对于 U 一个电容器来说，有 Q Q Q n C 1 2 U = U =…= U = n 或 1 2 Q = C U 实验还表明，对于不同的电容器，即使两极板间的电势差 相同，电容器储存的电荷也不一定相同。因此，对于不同的电 Q 容器，这个比 一般是不同的。可见，这个比反映了电容器储 U 存电荷的本领。 物理学中把电容器所带的电荷量 Q 与电容器两极板间的电 势差U的比，叫做电容器的电容（ ）,用C表示。 capacitance Q C = U 电容器的电容在数值上等于两极板间的电势差为 时， 1 V 电容器上所储存的电荷量。 在国际单位制中，电容的单位是法拉（ ），简称法， farad 符号是 。如果一个电容器带 的电荷量，两极板间的电势差 F 1 C 是 ，这个电容器的电容就是 。法这个单位太大，实际科 1 V 1 F 研和生产中常用较小的单位：微法（μ ）和皮法（ ）。它们 F pF 的换算关系为 μ 6 12 1 F = 10 F = 10 pF 探究影响平行板电容器电容的因素 实验探究 平行板电容器的电容 前面指出，电容是反映电容器储电特性的物理量。那么， 电容器的电容大小究竟由什么因素决定呢？下面，我们对最简2 第 章 电场的性质 41 单的平行板电容器进行研究。 参照图 所示的实验装置和实验操作进行探究。用摩 2-4-4 擦过的玻璃棒或橡胶棒使与静电计相连的极板带电。在保持极 板上的电荷量Q不变的条件下，分别改变两极板的正对面积S、 两极板间的距离 d、两极板间的电介质，用静电计测量已充电 的平行板电容器两极板间的电势差 U。通过不同情况下 U 的大 静电计是测量电势差的仪器。 小来探究电容 C 的大小跟相对介电常数 ε、正对面积 S 及两极 其指针的偏转角度越大，表示被测 的两个导体间的电势差越大。 板间距离d的关系。 理论研究指出，平行板电容器的两极板间为真空时，其电 容跟极板的正对面积成正比，跟两极板间的距离成反比，即 S C = kd 4π 式中，k为静电力常量。 当两极板间充满相对介电常数为 ε 的电介质时，电容量增 大到ε倍，即 S C ε = kd 4π a 保持Q和d不变，研究C b 保持Q和S不变，研究C c 保持Q、S和d都不变，插入介 与S的关系 与d的关系 质板，研究C与电介质的关系 ——发现S 越小，U越 ——发现d越大，U越大， ——发现插入介质后，U减小， 大，说明C越小 说明C越小 说明C变大 图2-4-4 探究影响平行板电容器电容的因素 常用电容器 铝箔 聚苯乙烯 从构造来看，常用的电容器可以分为固定电容器和可变电 容器。 电介质 固定电容器的电容是固定不变的，常用的有聚苯乙烯电 容器和电解电容器。聚苯乙烯电容器是在两层锡箔或铝箔中 铝箔 外壳 间夹以聚苯乙烯薄膜，卷成圆柱体制成的（图 ）。改 2-4-5 变锡箔或铝箔的面积，就可以制成不同电容的聚苯乙烯电 容器。 图2-4-5 聚苯乙烯电容器 电解电容器（图 ）是用铝箔作为一个极板，用铝 内部结构示意图 2-4-642 铝箔 聚苯乙烯 箔上很薄的一层氧化膜作为电介质，用浸渍过电解液的纸 + - 作为另一个极板制成的。由于氧化膜很薄，电解电容器的 + 电介质 电容就较大。电解电容器的极性是固定的，使用时不能接错。 - 可变电容器由两组铝片组成（图 ），它的电容是可 铝箔 2-4-7 外壳 以改变的。固定的一组铝片叫做定片，可以转动的一组铝片叫 做动片。转动动片，就可以使两组铝片的正对面积发生变化， 电容就随着改变。 图2-4-6 电解电容器 铝箔 当加在电容器两极板上的电压超过某一限度时，电容器两 聚苯乙烯 极板间的电介质将被击穿，成为导体，两极板上的电荷就会中和， 电介质 电容器就损坏了。这个极限电压叫做击穿电压。因此，电容器 工作时的电压应低于击穿电压。电容器上一般都标明其电容和 铝箔 额定电压的数值。额定电压是电容器正常工作时所能承受的电 外壳 压，它比击穿电压要低一些。 图2-4-7 可变电容器 家庭作业与活动 家庭作业与活动 Q 1. 对电容 C ，下列说法中正确的是（ ）。 在电压为U的电源正、负极上，这时质量为m、 = U A. 一个电容器充的电荷量越多，电容就越大 带电量为-q的油滴恰好静止在两极之间，如 图 所示。在其他条件不变的情况下，如 B. 对于固定的电容器，它所充电荷量跟它两极 2-4-9 果将两极非常缓慢地错开一些，那么在错开的 板间所加电压的比值保持不变 过程中（ ）。 C. 可变电容器充的电荷量跟加在两极板间的电 压成正比 Q D. 由 C 知，如果一个电容器没有电压，就 = U 没有充电的电荷量，也就没有电容 2. 一个电容器的电容是1.5×10-2 μF，把它的两 极接在90 V的电源上，电容器每个极板所带的 图2-4-9 电荷量是多少？ A. 油滴将向上加速运动，电流计中电流从b流 3. 如图2-4-8所示，四个图像描述了对给定的电 向a 容器充电时，电容器电量Q、电压U 和电容C B. 油滴将向下加速运动，电流计中的电流从a 三者的关系，正确的图像有（ ）。 流向b C. 油滴静止不动，电流计中的电流从b流向a D. 油滴静止不动，电流计中的电流从a流向b 5. 图 所示为某一电容器中所带电量和两 2-4-10 端电压之间的关系图像。若将该电容器两端的 A. B. C. D. 电压从 降低到 ，对电容器来说正确 图2-4-8 40 V 36 V 的是（ ）。 4. 两个较大的平行金属板A、B相距为d，分别接 A. 电容器处于充电过程家庭作业与活动 2 第 章 电场的性质 43 B. 电容器处于放电过程 C. 断开S后，使B板向右平移，拉开一些 C. 该电容器的电容为 × -2 D. 断开S后，使A、B错开一些 5.0 10 F D. 电容器的电量变化量为 0.20 C 图2-4-10 图2-4-11 6. 图 所示电路中，A、B为两块竖直放置 7. 某平行板电容器的电容为C，所带电荷量为Q， 2-4-11 的金属板， 是一只静电计，开关S闭合后， 极板相距为d。现在板间中点放一个电荷量为 G 静电计指针张开一个角度。下述做法中可使指 q 的点电荷，则该点电荷受到的电场力的大小 针张角增大的是（ ）。 为（ ）。 A. 使A、B两板靠近一些 kQq kQq Qq Qq A. 2 B. 4 C. D. 2 B. 使A、B两板错开一些 d 2 d 2 Cd Cd44 第 2 章家庭作业与活动 A组 所示的是一种测定压力的电容式传感器。当待 1. 在图 所示电场中的P点放置一正电荷， 测压力F作用于可动膜片电极上时 2-A-1 使其从静止开始运动，加速度逐渐增大的是图 ① 若F向上压膜片电极，电路中有从a到b的 中的（ ）。 电流 ② 若F向上压膜片电极，电路中有从b到a的 电流 ③ 若F向上压膜片电极，电路中不会出现电流 A. B. C. D. ④ 若电流表有示数，则说明压力F发生变化 图2-A-1 ⑤ 若电流表有示数，则说明压力F不发生变化 2. 如图 所示是电场中某点的电场强度E与 以上说法中正确说法的组合是（ ）。 2-A-2 放在该点处的检验电荷q及所受电场力F之间 ②④ ①④ A. B. 的函数关系图像，其中正确的是（ ）。 ③⑤ ①⑤ C. D. A. B. C. D. 图2-A-4 图2-A-2 3. 图 所示为某静电场的一部分电场线分布 6. 年 月 日，日本原子能公司下属敦贺 2-A-3 1999 7 12 情况，下列说法中正确的是（ ）。 湾核电站由于水管破裂导致高辐射冷却剂外 泄。在检测此次重大事故中应用了非电量变化 （冷却剂外泄使管中液面变化）转换为电信号 的自动化测量技术。图 是一种通过检测 2-A-5 电容器电容的变化来检测液面高低的仪器的原 理图。容器中装有导电液体，是电容器的一个 电极，中间的芯柱是电容器的另一个电极，芯 图2-A-3 柱外面套有绝缘管（塑料或橡皮）作为电介质， A. 这个电场可能是负点电荷的电场 电容器的两个电极分别用导线接在指示器上， B. A点的电场强度大于B点的电场强度 指示器上显示的虽然是电容的大小，但从电容 C. A、B两点的电场强度方向不相同 的大小就可知容器中液面位置的高低。对此， D.负电荷在B点处受到的电场力的方向沿B点 下列说法中正确的是（ ）。 切线方向 如果指示器显示出电容增大了，则两电极正 A. 4. 真空中，A、B两点与点电荷Q的距离分别为r 对面积增大，必为液面升高 和3r，则A、B两点的电场强度大小之比为（ ）。 如果指示器显示出电容减小了，则两电极正 B. ∶ ∶ ∶ ∶ 对面积增大，必为液面升高 A. 3 1 B. 1 3 C. 9 1 D. 1 9 5. 传感器是一种采集信息的重要器件，图 C. 如果指示器显示出电容增大了，则两电极正 2-A-42 第 章 电场的性质 45 对面积减小，必为液面降低 A. 颗粒一定带负电 D. 如果指示器显示出电容减小了，则两电极正 B. 颗粒可能带正电 对面积增大，必为液面降低 C. 颗粒的机械能减少， 芯柱 电势能增加 绝缘管 D. 颗粒的机械能减少， 容器 图2-B-3 动能增加 导电液 4. 如图2-B-4所示，虚线a、b、c代表静电场中 的三个等势面，它们的电势分别为 φ、φ 和 a b 图2-A-5 φ，φ >φ >φ。一带正电的粒子射入电场中， c a b c B组 其运动轨迹如图中实线KLMN所示，由图可知 1. 密立根油滴实验进一步证实了电子的存在， 揭 （ ）。 示了电荷的非连续性。图 是密立根油滴 A. 粒子从K到L的过程中，电场力做负功 2-B-1 实验的原理示意图。设小油滴的质量为m，调 B. 粒子从L到M的过程中，电场力做负功 节两板间电势差为U。当小油滴悬浮不动时，测 C. 粒子从K到L的过程中，电势能增加 出两板间距离为d，可求出小油滴的带电量q = D. 粒子从L到M的过程中，动能减少 。 c b 喷雾器嘴 a M N L 显微镜 U q - K 图2-B-1 2. 如图 所示，水平放置的两平行金属板相 图2-B-4 2-B-2 距为d，充电后其间形成匀强电场。一带电量 5. 在实验室完成下述实验（图 ）：将一只 2-B-5 为+q、质量为m的液滴从下板边缘射入电场， 开口的空心金属球放在验电器A的导杆上，用 并沿直线运动恰好从上板边缘射出。 与丝绸摩擦过的玻璃棒接触空心金属球，观察 （1）该液滴在电场中做什么运动？ 验电器A指针的情况。用绝缘小金属球分别与 （2）求电场强度的大小； 空心金属球外表和内壁接触，再分别与验电器 （3）求电场力所做的功。 B的金属球接触（即把电荷转移到验电器B上）。 分别反复操作几次，观察两种情况下验电器B 指针的位置变化。你发现了什么？请完成实验 报告。 图2-B-2 A 3. 一匀强电场方向水平向右，一带电颗粒沿图 B 中所示虚线，在电场中沿斜向做直线运 2-B-3 动。带电颗粒在从A点运动到B点的过程中， 下列关于其能量变化及带电情况的说法中，正 确的是（ ）。 图2-B-5 研究带电空心金属球的电荷分布3 第 章 电路 电路（ ）跟我们的生活密切相关，从电视 electric circuit 机、影碟机、数码相机、计算机到人造卫星和宇宙飞船， 都离不开电路。 研究电路就必须进行测量。多用电表（ ）是最 multimeter 常用的电学测量仪表。多用电表既能测量电流又能测量电 压，还能测量电阻。 本章先学习使用多用电表测量部分电路中的物理量， 识别常见的电路元器件；接着研究电路中的电流、电压和 电阻的有关规律，了解串、并联电路电阻的特点；最后通 过两个自主制订实验方案的科学探究活动，探究影响电阻的 因素，并测算金属丝的电阻率，激发探究的欲望，培养实验 设计、分析论证、反思评估的能力。3 第 章 电路 47 3.1 多用电表 在初中，我们分别用电流表和电压表来测量电路中的电流 和电压。人们经过研究和实践，设计制作了一种既能测量电流、 电压，又能测量电阻等多个电学量的多功能、多量程仪表—— 多用电表（曾叫万用电表）。 认识多用电表 仔细观察如图 所示的多用电表的面板，对照说明书， 3-1-1b 了解它能测量哪些电学量。 多用电表主要由表头、电路板和旋钮组成。电表表头由一个 小量程的电流表和电路元件组成。面板的上半部为表盘，分别标 有电压、电流和电阻的刻度线，用于读取这些电学量的测量值。 面板中央的定位螺丝用于调节指针的“ ”位。面板下半部中间 0 的旋钮是功能选择开关，周围标有各种测量功能及量程：“ ”表 V 示直流电压挡“， ”表示交流电压挡，“ ”表示直流电流挡“，Ω” V mA 表示电阻挡。面板上有一个电阻挡的调零旋钮，还有两个标有“+” “-”的插孔，分别用于插红、黑测试表笔。 表头 红表笔 调整定位螺丝 黑表笔 电阻调零旋钮 功能选择开关 b 多用电表的表盘示意图 a 实物图 图3-1-1 多用电表 使用多用电表 学生必学做生实必验做实用验多用电表测量电学中的物理量 使用多用电表前，应检查指针是否停在刻度线左端的“ ” 0 位置。如果没有停在“ ”位置，要用螺丝刀轻轻调整定位螺丝， 0 使指针指“ ”。再将红、黑测试表笔分别插入“+”“-”插孔。 0 测量时，要根据所需测量的电学量，将功能选择开关旋转 到相应的测量挡位和量程上。读数时，要读取跟功能选择开关48 挡位相应的刻度值。测量结束后，要将功能选择开关旋转到交 流电压挡的最大量程处或“ ”处，以保护多用电表。 off 测量直流电压 如图 所示，用多用电表分别测量 节干电池以及 节、 3-1-2 1 2 节干电池串联后灯泡两端的电压。 3 实验前想一想： （ ）应选择哪个挡位和量程？依据是什么？ 1 （ ）如果预先无法估计待测电压是多大，该怎么办？ 2 （ ） 如果用“ ”以上的大量程进行测量，会有什么问题？ 3 50 V 为什么？试一试。 根据挡位所指的量程以及指针所指的刻度值，读出电压表 的示数，填入下表。 干电池 1节 2节 3节 灯泡两端的电压/V a b 图3-1-2 测量直流电压 测量直流电流 用多用电表测量直流电流时， 我们已经有了用多用电表测量直流电压的经验，如何用它 应将多用电表串联在待测电路中， 来测量电路中的直流电流呢？ 使电流从“+”插孔流入，从“-” 请参照图 所示的电路，拟定实验步骤，进行测量并 插孔流出。多用电表直流电流挡是 3-1-3 毫安挡，不能测量比较大的电流。 做好记录。 a b 图3-1-3 测量直流电流3 第 章 电路 49 测量导体的电阻 1. 图 中是一些待测电阻。 3-1-4a 选择好量程。测量前，将红、黑表笔直接接触，此时刻度 盘上电阻挡的阻值应为“0”。如果不为“0”，则用调零旋钮 把指针调到电阻刻度线的“0”位置上。然后，参照图 3-1-4b 所示的方法，分别测出几个电阻的阻值。 a 各种电阻 b 用多用电表测电阻的阻值 图3-1-4 测量导体的电阻 改变电阻挡的量程时，需要重新调整电阻挡调零旋钮。电 阻挡有若干个量程挡位，分别标注× 、× 、× …… 意思 1 10 100 是倍率。测电阻时指针示数乘以相应的倍率，就是所测电阻的 阻值。 2. 参照图 和图 进行实验，测出图中所示的串 3-1-5 3-1-6 联和并联电阻的总阻值并做好记录。串（并）联电阻的总阻值 跟每个电阻的阻值间有何关系？ R R 1 2 R a b 图3-1-5 用多用电表测串联电阻的总阻值 R 1 R 2 R a b 图3-1-6 用多用电表测并联电阻的总阻值50 用多用电表测量电阻时，电 通过本节的学习和实践，请总结一下，使用多用电表测量 表内部提供电源。黑表笔与表内电 电压、电流和电阻时，需要注意哪些问题？ 源的正极相连，红表笔与负极相连。 判断晶体二极管的正负极 晶体二极管（ ）是用半导体材料制成的电路元件， crystal diode 简称二极管。二极管有两根引线，一根叫正极，一根叫负极（图 ）。 3-1-7 晶体二极管具有单向导电性， 当电流从正极流入时电阻比较小， 当电流从正极流出时则电阻就比 正极 负极 较大。 晶体二极管符号 图3-1-7 晶体二极管和它的符号 将二极管和小灯泡 H 按图 所示的电路连接起来。 3-1-8a 闭合开关，给二极管加上正向电压，可以看到，小灯泡正常发光。 将二极管的两极接线对调一下（图 ），闭合开关，给二 3-1-8b 极管加上反向电压，可以看到，小灯泡不发光。 上述实验现象说明，二极管具有单向导电性。当给二极管 加上一定的正向电压时，它的电阻值很小；当给二极管加上反 向电压时，它的电阻值变得很大。根据二极管的这种特性，可 以用多用电表来判断它的正负极。 请思考一下，使用多用电表怎样判断二极管的正负极？请 实际测量一下二极管的正、反向电阻，并判别二极管的正、负极。 图3-1-8 探究二极管特性的实验3 第 章 电路 51 信息浏览 数字式多用电表 智能多用电表 图 所示的是一种用数字显示测量结果 图 所示的是一种智能多用电表。这种 3-1-9 3-1-10 的新型电学测量仪表，通常叫做数字式多用电表。 多用电表具有自动选择测量挡位、自动调节量程、 数字式多用电表（ ）在测量 自动开启和关闭电源等功能。 digital multimeter 有关电学量时，不仅能显示数值的大小，而且能 使用智能多用电表测量有关电学量时，不需 显示单位和极性，有的还能将测量结果打印出来。 要进行任何调节，测量会自动进行，测量结果以 还有的可以与计算机连接，通过计算机来帮助我 数字形式显示。这种多用电表使用十分方便，人 们处理有关数据。 们戏称它为“傻瓜多用电表”。 图3-1-9 数字式多用电表 图3-1-10 智能多用电表 家庭作业与活动 1. 图 所示为多用电表测量某一电阻、某一 2. 用多用电表按正确步骤测量一电路元件P的电 3-1-11 电压或某一电流时指针在刻度盘上停留的位置， 阻，P的两端分别为a、b，多用电表选择开关置 若选择旋钮在： 于× 倍率挡位上，表指针指示位置如图 10 3-1-12 （ ）“×1kΩ”位置，则所测量电阻的阻值为 所示。 1 kΩ； （1）若 P 是电阻，则通过 P 的电流方向是 。 （ ）“ ”位置，则所测量电压的值为 V； 为使测量比较准确，应将选择开关旋到 2 10V （ ）“ ”位置，则所测量电流的值为 倍率挡位上，并要 ，再进行测量。 3 50mA 。 （2）若P是二极管，用多用电表再次测量P的两 mA 端a、b，观察到指针偏转很小，则 端 是二极管的正极。 3. 测量一支铅笔芯的阻 值。先估计一下铅笔 芯的阻值,然后再测 量，看你估计得是否 准确？ 图3-1-12 图3-1-1152 3.2 电流、电压和电阻 电流是怎样形成的 我们在初中已经知道，导体中的自由电荷朝一个方向移动 就会形成“电荷流”，我们称它为电流。 为了反映电流的强弱，物理学中把流过导体某一横截面的 电荷量 Q 跟所用时间 t 的比叫做电流（ ），用 I electric current 表示电流，即 Q I = t 在国际单位制中，电流的单位是安培（ ），简称安， ampere 符号是 。 A 导体中的自由电荷为什么会定向移动形成电流呢？为了简 单起见，我们讨论金属导体中的电流。 分析与论证 电流形成的微观机理 电子 一般情况下，金属导体中的自由电子以大约 的速率 5 10 m/s 做永不停息的无规则热运动（图 ）。做热运动的自由电 3-2-1 子向各个方向运动的机会相等，从宏观上看，不会形成电流。 图3-2-1 自由电子的无规则热运动 如图 所示，当金属导体与电源连接，构成闭合回路时， 3-2-2 导体中就会产生电场，导体中的自由电子就在电场力的作用下， 发生定向移动，形成电流。 电子 在不同的导体中，形成电流的自由电荷是不相同的。金属 S 导体中的自由电荷是自由电子，电解质溶液（酸、碱、盐的水 E 溶液）中的自由电荷是正、负离子，电离气体中的自由电荷是正、 I 负离子和电子。 电流是有方向的，物理学规定正电荷定向移动的方向为电 E 流的方向。 下面再从金属导体的微观结构分析电流的形成机理。如图 所示，假设金属导体的横截面积为 S，导体中每单位体 3-2-2 积的自由电子数为 n，每个自由电子的电荷量为 q，自由电子定 电源 向移动的平均速率为v，那么，在时间t 内通过该横截面的电荷 图3-2-2 自由电子在电场力作 Q 用下的定向移动，实际上是在自 量的表达式 Q = nqvtS。将这个表达式代入 I = ，就能得到通 由电子的速率巨大的无规则热运 t 动上附加的一个速率很小的定向 过该导体的电流的表达式I = nqvS。 移动3 第 章 电路 53 案例分析 案例 现有一铜导线，横截面积为 。若通过该铜导线 2 1 mm 的电流为 ,单位体积内的自由电子数为 × 。求 28 -3 2.4 A 8.4 10 m 自由电子定向移动的平均速率。 I 分析 根据I = nqvS，我们可以得到 v = ，式中q是电子 nqS 的电荷量，为 × -19 。将数据代入 v 的表达式，便可以 1.6 10 C 算出自由电子定向移动的平均速率。 上述铜导线中的自由电子定向移动的平均速率只有 1.8 × 10-4 m/s，但为什么一旦接通电路，整个电路中几乎立刻形成电 流？“电”的传播速度到底有多大？ 电路中的电压与电势降落 我们已经知道，电场中任意两点间的电势差就是电压。那 么电路中的电压是怎么回事呢？ 由于电流是电荷在电场力的作用下发生定向移动而形成的， 我们又知道，正电荷在电场力的作用下总是从电势高处向电势 低处运动，并且我们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向， 因此，沿着电流的方向电势是逐渐降低的，也就是沿电流方向 上的任意两点间都有电势差，这就是电路中的电压（ ）。 voltage 实验探究 电路中电势变化的规律 参照图 选择器材，连接电路，先在断开电路的情况 3-2-3 下，用多用电表测出R 、R 、R 、R 的阻值。然后接通电路， ea ab bc cd 先用多用电表测出路端电压 U （e 点电势高于 d 点电势），再 ed 沿着电流方向，用多用电表测量电势差 ( 电压 ) U 、U 、U 、 ea ab bc U 。最后把测量结果标在图 中，并分析电势变化的趋势。 cd 3-2-4 实验表明，电路中沿着电流方向的电势是逐渐降低的。所以， 图3-2-3 研究电势变化的电路图 U /V U = ea U = ab U = U bc U = cd O e a b c d 被测位置 R R 1 2 e a b c d 图3-2-4 外电路中电势变化图像54 电路中任意两点间的电势差（电压）又叫做电势降落。导线的 电阻很小，导线中的电势降落近乎为零，常忽略不计。 电阻是怎样形成的 在金属导体中，除了有大量的自由电子之外，还有晶体结 构点阵上的金属原子。我们把失去一些核外电子的金属原子叫 做原子实（图 ）。 自由电子 3-2-5 金属导体中的自由电子在电场力作用下做定向运动的过程 E 中，电场力将对自由电子做功，使电子的动能增大。同时，自 由电子又不断地与晶体点阵上的原子实碰撞，将它的一部分动 I 原子实 能传递给原子实，使原子实的热振动加剧，导体的温度就升高了。 由此可见，自由电子与晶体点阵上的原子实碰撞，形成对 图3-2-5 金属导体中的自由电子和 电子定向运动的阻碍作用，这是“电阻”产生的根本原因，也 原子实 是电阻在通电时发热的原因。 探究电阻的串联和并联 我们曾做过用多用电表测串联、并联电阻总阻值的实验。 下面我们将通过分析论证的方法来研究串联、并联电路中关于 电阻的定量规律。 分析与论证 串联、并联电路的总电阻 在图 所示的串联电路中，设通过电阻R 、R 的电流 1 2 3-2-6 为 I，R 、R 两端的电压分别为 U 、U ， R 为 R 、R 串联后 1 2 1 2 总 1 2 的总电阻，它又叫做R 、R 串联的等效电阻。 1 2 图3-2-6 电阻串联电路图 R 1 、R 2 两端的电压跟总电压 U 有什么关系？请你利用欧姆 定律，导出R 跟R 、R 的关系式 总 1 2 R = R + R 总 1 2 数学中常用符号 表示求和， ∑ 假如将n个电阻串联，则 即 n R 总 = ∑i n R i = R 1+ R 2+ … + R n R 总 = ∑i R i =1 =1 即串联电路的总电阻等于各个电阻之和。 R 在图 所示的并联电路中，设R 和R 两端的电压为U， 1 2 1 3-2-7 R 为R 、R 并联后的总电阻。 R 总 1 2 2 请你利用欧姆定律，导出 R 跟R 、R 的关系式 总 1 2 S 1 1 1 R = R + R 总 1 2 图3-2-7 电阻并联电路图3 第 章 电路 55 将上式推广到n个电阻并联的情况，则可得 n 1 1 R 总 = ∑i R i =1 即并联电路总电阻的倒数等于并联的各电阻倒数之和。 请你将分析论证的结果，与用多用电表测串联和并联电阻 的总阻值的结果相比较，它们相吻合吗？ 图3-2-8 电阻混联电路图 案例分析 案例 怎样计算如图 所示的混联电路的总电阻？ 3-2-8 分析 对于这个电路可以用等效电路的方法来处理。先将 R 、R 按照并联关系计算出它们并联后的等效阻值 R′，再把原 1 2 图3-2-9 等效电路图 电路转换为图 所示的等效电路，这是一个 R′、R 的串联 3-2-9 3 电路。这样就可以计算混联电路的总电阻了。 解答 1 1 1 R = R + R ′ 1 2 图3-2-10 测算总电阻 由图 可得 3-2-9 R R R = R′+ R = 1 2 + R 总 R R 3 3 1+ 2 请自行计算如图 所示电路的总电阻。 3-2-10 家庭作业与活动 1. 导线中的电流是 × -8 ，导线的横截面积为 设某电源两极的电压为 ，若选择电源的正极 1 10 A 3 V 。那么 为零电势点，那么，它的负极电势是多少？ 2 1 mm （1） 在 内，有多少个电子通过导线的横截 5. 电路中的电势降落与电阻的关系是什么？为什 1 s 面（电子电量e = × - 19 ）？ 么是这种关系？ 1.6 10 C （2）自由电子的平均移动速率是多大（设导体 6. 有一金属丝，长 ，电阻为 Ω。现将金属 1 m 15 每立方米内有 × 个自由电子）？ 丝两端连接,成一闭合圆环（图 ），在 28 8.5 10 3-2-11 2. 在一次闪电形成过程中，流动的电荷量大约是 圆环上取P、Q两点。已知P、Q间的短圆弧 ，持续的时间大约是 ，那么所形成 长 20 cm，求P、Q间的电阻值。若在P、Q两 300 C 0.005 s 的平均电流为多大？这些电荷如果以 的 点间加 的电压，请计算通过P、Q长圆弧 0.5 A 10 V 电流流过灯泡,则可供灯泡照明多长时间？ 和短圆弧的电流。 3. 导体中形成电流的原因是什么？假设用多用电表 测出电路中通过一个小灯泡的电流为 ，那 0.3 A 么，每秒通过灯丝横截面上的电荷量是多少？ 4. 请你说说电场、电势和电压三者之间的关系。在 电路中，电流从电源的正极出发，经过用电器后 P Q 回到负极，请你比较电源正负极电势的高低。假 图3-2-1156 3.3 影响电阻的因素 在初中物理中我们知道，电阻（ ）是导体的一种 resistance 属性，它的大小跟导体的长度、横截面积和导体的材料有关， 那么，它们之间到底是怎样的关系呢？ 探究影响电阻的因素 要探究导体电阻跟其长度、横截面积等因素的关系，关键 是选择恰当的测量工具。以长度为例，我们在初中已经学过用 刻度尺来测量长度，并且知道，在进行较为精密的测量时，可 以选择螺旋测微器、游标卡尺（见第 125 页附录）等测量长度 的工具。 学生必学做生实必验做实长验度的测量及其测量工具的选用 以测量金属丝为例，金属丝的长度可以用常用的刻度尺测 量，而金属丝的直径只有几毫米甚至不到1 mm，为了保证测量 的精确度，我们选择螺旋测微器测量金属丝的直径。 认识螺旋测微器 螺旋测微器又称千分尺，是比较精密的长度测量工具。用螺 旋测微器测量长度，测量范围为几个厘米，可以准确到 。 0.01 mm 螺旋测微器的结构如图 所示。螺旋测微器的活动套管和 3-3-1 测微螺杆连成一体，活动套管周边等分成 个分格，螺杆的螺 50 纹螺距为 。当利用旋钮和微调旋钮使活动套管旋转一圈 0.5 mm 时，测微螺杆将前进或后退 0.5 mm。因此，活动套管旋转一小 分格，测微螺杆就前进或后退 ÷ = 。 0.5 50 0.01 mm 小砧 测微螺杆 固定刻度 可动刻度 活动套管 粗调旋钮 微调旋钮 框架 锁紧装置 图3-3-1 螺旋测微器 用螺旋测微器进行测量时，先读固定套管上刻度的整毫米3 第 章 电路 57 数和半毫米数。若半刻度线已露出，则读数加上 ；若半 0.5 mm 刻度线未露出，则读数加上 。再读可动刻度数（包括估 0.0 mm 读值），并将可动刻度数乘以 计入最终读数。 0.01 mm 使用螺旋测微器前应先检查零点：缓缓转动微调旋钮，使 测微螺杆和小砧接触，直到棘轮发出咔咔的响声为止。此时活 动套管上的零刻度线应当和固定套管上的基准线（长横线）对 准，否则会有零误差。 使用螺旋测微器测量时，左手持框架，右手转动粗调旋钮 使测微螺杆与小砧间距稍大于被测物；放入被测物，转动微调 旋钮使夹住被测物，直到棘轮发出咔咔的响声为止；拨动锁紧 装置扳钮，使测微螺杆固定，然后读数。 请读出图 所示螺旋测微器的示数。 3-3-1 测量金属丝的直径 测量不同粗细金属丝的直径，并将测量结果填入下表。 测量结果 镍铬导线 三次直径测量结果 直径的平均值 /mm /mm 1 镍铬导线A 2 3 1 镍铬导线B 2 3 思考讨论 1. 在测量金属丝直径的过程中，为什么要进行多次测量？ 2. 金属丝的横截面可能不是绝对的圆，那么应该怎样对其 研究一个物理量跟几个因素的 直径进行多次测量？ 关系时，我们常采用控制变量的方 法。初中物理中研究欧姆定律和物 实验探究 电阻与材料、长度和横截面积的关系 质的比热容时，都用过这种方法。 请利用图 所示的器材，设计实验方案，拟定实验步 3-3-2 骤，研究金属丝的电阻跟它的长度、横截面积和材料之间的定 量关系。58 图3-3-2 探究影响电阻的因素的实验器材 请将实验中测得的数据填入下表。 实验序号 材料 长度/m 横截面积/m2 电阻/ Ω 锰铜导线 L = S= R= 1 1 1 1 锰铜导线 L = S= R= 2 1 2 2 镍铬导线 L = S= R= 1 1 3 3 镍铬导线 L = S= R= 1 2 4 4 分析表中的数据，看电阻 R 跟金属丝长度 L、横截面积 S 是什么关系？ 金属丝是实验室常见的导体。大量实验表明，对同种材料 的导体而言，导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积 S成反比，即 L R ∝ S 引入比例系数 ρ ，可将上式写成 L R = ρ S 对于不同的材料，上式中的 ρ 是不同的。因此， ρ 反映了 材料的导电性能，我们把它叫做材料的电阻率（ ）。 resistivity 电阻率的单位是Ω· 。在一定的温度时，对同一种材料而言， m 电阻率是一个不变的物理量。 请利用你的实验数据，分别计算出锰铜、镍铬金属丝的电 阻率 ρ 。 多学一点 金属的电阻率与温度的关系 在下页的导体材料电阻率表中，为什么要标明是 ℃时的 20 电阻率呢？3 第 章 电路 59 实验表明，纯金属的电阻率随温度的变化与纯金属电阻随 几种导体材料在 温度的变化一样，也比较有规则。当温度的变化范围不大时， 温度20℃时的电阻率 电阻率与温度之间近似地存在着如下的线性关系： 材料 ρ /Ω·m ρ = ρ （1 + αt） 0 银 -8 式中， ρ 表示温度为t℃时的电阻率，ρ 表示0 ℃时的电阻率。 1.6×10 0 不同材料的温度系数 α 是不同的，大多数纯金属的 α 值近似为 铜 -8 1.7×10 ℃-1。 铝 0.004 -8 2.9×10 在室温时，金属导体的电阻率约为 Ω· ，绝缘 -8 -6 10 ~10 m 钨 体的电阻率一般为 8 18 Ω· ，半导体材料的电阻率介于两 5.3×10 -8 10 ~10 m 者之间，为 Ω· 。绝缘体和半导体的电阻率除了大小 铁 -5 7 -7 10 ~10 m 1.0×10 与金属导体的差别很大外，它们随温度变化的规律也与金属导 锰铜合金 -7 4.4×10 体大不相同，一般都随温度的升高而急剧减小，而且变化也不 镍铜合金 是线性的。 -7 5.0×10 镍铬合金 -6 1.0×10 学生必学做生实必验做实测验量金属丝的电阻率 RS 由于 ρ = ，我们可以用它来测量某种金属丝的电阻率了。 L 图 是测量某种金属丝导体电阻率所用到的实验器材。 3-3-3 螺旋测微器 合金金丝属丝 多用电表 刻度尺 刻度尺 图3-3-3 测量金属丝的电阻率 思考讨论 请结合前面所学内容思考和讨论下列问题： 1. 如何测量金属丝的横截面积？ 2. 如何减小金属丝横截面积和长度的测量误差？ 设计实验 RS 根据 ρ = ，可以设计以下实验方案： L60 （ ）用刻度尺测量金属丝的长度； 1 （ ）用螺旋测微器测量金属丝的直径，测算合金丝的横截 2 面积； （ ）用多用电表测量金属丝的电阻； 3 （ ）利用测量数据计算金属丝的电阻率。 4 收集证据 根据实验方案，请设计实验数据记录表格，并进行实验和 记录实验数据。 分析论证 根据所记录的实验数据和测量原理，你求得的该金属丝的 电阻率是多少？在网上搜索一下，看一看该金属丝是由哪种材 料制成的？ STSE 超导现象 ）才建立了超导的 理论。为此，他 Schrieffer BCS 年，荷兰物理学家卡末林 - 昂内斯 们荣获 年诺贝尔物理学奖。 1911 1972 （ ）发现，在很低温度下， 我们知道，在功率较大的电磁铁或电机中， H. Kamerlingh-Onnes 水银的电阻率并不像预料的那样仍然随温度的降 通过线圈的电流很大。为了避免产生过多热量， 低逐渐减小，当温度降到 （ ℃）附近 就必须用较粗的导线绕制线圈并采用冷却措施。 4.15 K -269 时，水银的电阻会突然降到零。后来人们发现, 如果用超导体做线圈，就可以避免这种缺陷。目 某些金属、合金和化合物在温度降到绝对零度 前用超导体制造电机方面的研究工作已取得较大 （ ℃）附近某一特定温度之下时，其电阻 的进展。 -273.15 率会突然减小到测量不出。这种现象叫做超导现 超导现象在高能物理领域也有重要应用。用 象（ ），能够发生超导现象的物 超导线圈制成的电磁铁能产生强大的磁场，在核 superconductivity 质叫做超导体（ ）。超导体由正常 聚变中的等离子体约束和粒子加速等方面都有很 superconductor 状态转变为超导状态的温度，称为这种物质的转 大的用处。 变温度（或临界温度）T 。大多数金属元素以及 阻碍超导现象大规模应用的主要困难是超导 C 数以千计的合金、化合物，在不同条件下都显示 所要求的低温。1986年起，科学家发现有些铜氧 出超导性。例如，钨、锌和铅的转变温度分别为 化物的超导转变温度比常规理论预言的温度更高， 、 和 。 目前这类材料的转变温度已达到164 K。我们称 0.012 K 0.75 K 7.193 K 经典物理理论对超导现象产生的原因无法解 这类超导现象为“高温超导”。2008年以来，又 释。为了从微观上对这一现象进行解释，固体物 有一类新的铁基高温超导材料被发现。当前，我 理学家花费了近半个世纪的心血。直到 年， 国在高温超导材料研究方面走在世界前列。 1957 巴丁（ ）、库珀（ ）和施里弗 （ . J. Bardeen L. Cooper J3 第 章 电路 61 家庭作业与活动 1. 一根粗细均匀的金属丝，当其两端电压为U时， 2 。在它两端加 电压时，通过它的 0.10 mm 0.6 V 通过的电流是I。若将此金属丝均匀拉长到原来 电流正好是 。这根金属丝可能是由哪种材 0.1 A 的 倍时，电流仍为I，金属丝两端所加的电压 料制成的？ 2 变为（ ）。 5. 神经系统中，把神经纤维分为有髓鞘与无髓鞘 . U . U . U . U 两大类。现代生物学认为，髓鞘是由多层(几 A /2 B C 2 D 4 2. 请读出下列螺旋测微器的示数。 千到几百层不等)类脂物质——髓质累积而成 的，髓质具有很大的电阻率。已知蛙有髓鞘神 经，髓鞘的厚度只有 μm左右，而它在 2 2 1 cm 的面积上产生的电阻却高达 × Ω。 5 1.6 10 （ ）若不计髓质各层间的接触电阻，计算髓质 mm mm 1 a b 的电阻率。 图3-3-4 （ ）若有一圆柱体是由髓质制成的，该圆柱体 2 3. 用横截面积为 2 、长 的铜丝绕制 的体积为 π ，当在其两底面加上 0.63 mm 200 m 3 32 cm 一个线圈。如果这个线圈允许通过的最大电流 的电压时，通过该圆柱体的电流为 1000 V 是 ，那么它两端最多能加多大的电压？ π μ 。求该圆柱体的底面半径和高。 8.0 A 10 A 4. 有一根长为 的金属丝，横截面积为 1.22 m 第 3 章家庭作业与活动 A组 零位置上；然后用两表笔分别与R 的两端相连， x 1. 用多用电表测电压和电阻时，若红表笔插入多 发现指针偏转角度很小。随后他进行了一系列 用电表的正插孔，黑表笔插入多用电表的负插 的操作，正确地测出了R 的阻值。下面提供的 x 孔，则（ ）。 操作步骤有： 测量电压时，电流从红表笔流入多用电表 A. 将两表笔短接 A. 测量电压时，电流从黑表笔流入多用电表 B. 根据表的指针读数 B. 测量电阻时，电流从红表笔流入多用电表 C. 将选择开关旋到“×1”挡 C. 测量电阻时，电流从黑表笔流入多用电表 D. 将选择开关旋到“×1 k”挡 D. 2. 电路中有一段金属丝长为L，电阻为R，要使电 E. 调节欧姆挡调零旋钮 阻变为 R，下列方法中可行的是（ ）。 F. 将选择开关旋到“ ”挡 4 OFF 将金属丝拉长至2L G. 将两表笔与R 的两端相接 A. x 将金属丝拉长至4L H. 将两表笔从电表插孔中拔出 B. 将金属丝对折后拧成一股 请帮该同学选择合适的操作步骤并按顺序 C. 将金属丝两端的电压提高到原来的 倍 排列_______________。 D. 4 3. 用一个有“× ”“× ”“× ”三个欧姆挡的多 4. 如图 所示，厚薄均匀的矩形金属薄片边 1 10 1k 3-A-1 用电表，粗测一个未知电阻R 的阻值。测量前经 长ab∶bc= ∶。当仅将A与B接入电路时，导 x 2 1 检查，表的指针指在左端“ ”位置上。某同学 体电阻为R ；当仅将C与D接入电路时，导 0 AB 先将选择开关旋到“× ”挡上，并将两表笔 体电阻为R 。那么R ∶ R 为（ ）。 10 CD AB CD 短接，调整调零旋钮，使指针指在电阻刻度的 ． ∶ ． ∶ ． ∶ ． ∶ A 2 1 B 1 2 C 4 1 D 1 462 ② 在测试a、b间直流电压时，红表笔应接触 ______(选填“a”或“b”)。 ③ 该同学的测试结果如下表所示，根据测试结 果，假设故障只是下列情况之一，可以判定 图3-A-1 故障是（ ）。 5. 当电路中的电流超过熔丝的熔断电流时，熔丝 灯A断路 灯B短路 A. B. 就会熔断。由于种种原因，一根熔丝各处的横 c、d段断路 d、f段断路 C. D. 截面积略有差别。那么熔丝熔断的可能性较大 （2）用欧姆挡进行检查： 的是（ ）。 ① 测试前，应将开关S________(选填“断开” 横截面积大的地方 或“闭合”)。 A. 横截面积小的地方 ② 测量结果如下表所示，由此可以断定故障 B. 同时熔断 是（ ）。 C. 横截面积大和小的地方均有可能 灯A断路 D. A. 6. 如图 所示，P是一根表面镶有很薄电热 灯B断路 3-A-2 B. 膜的长陶瓷管，其长度为L，直径为D，镀膜的 灯A、B都断路 C. 厚度为d。陶瓷管两端有导电金属箍M、N。现 d、e间导线断路 D. 把它接入电路中，测得它两端电压为U，通过 测试点 电压示数 它的电流为I，则金属膜的电阻为多少？镀膜材 料的电阻率为多少？ a、b 有示数 c、b 有示数 c、d 无示数 d、f 有示数 图3-A-2 测量点 表头指针 B组 c、d 1. 图 所示是某同学连接的实验电路实物图。 3-B-1 闭合开关S后，发现A、B灯都不亮，他采用下 d、e 列两种方法检查故障。 e、f 2. 用电流表、电压表和滑动变阻器等器材设计一 个实验，测定同长度的“ ”和“ ”型号铅 2B H 笔芯的电阻。把多次测量的电流表和电压表的 图3-B-1 读数记录在表格中，并在同一张坐标纸上画出 （1）用多用电表的直流电压挡进行检查： 两种铅笔芯的U-I图像，比较两种型号铅笔芯 ① 选择开关应置于下列量程的_____挡(用字 的U-I图像，测算它们的电阻。 母序号表示)。 . . . . A 2.5 V B 10 V C 50 V D 250 V4 第 章 闭合电路欧姆定律 在第 3 章中，我们研究了多用电表测量电压、电流和电 阻的原理，这些测量均未涉及电源内部。通常，把不涉及电 源的电路叫做部分电路（partial circuit），把含有电源的电路 叫做闭合电路（closed circuit），也叫做全电路。 电源在闭合电路中起什么作用呢 ？闭合电路中的电流、 电压和电阻等物理量有怎样的关系呢？ 本章将通过实验探究和分析论证，研究电源的性质与作 用，探究闭合电路欧姆定律，进一步激发探究的欲望，学习 图像法处理实验数据与获得结论，培养实验设计和分析论证 的能力；再用这一定律分析多用电表的欧姆挡电路，解决有 关的实际问题，分析闭合电路中能量的转化与守恒问题；最 后通过分析家庭电路中的实际问题，进一步学习生活实际中 安全用电与节约用电的知识。64 4.1 闭合电路欧姆定律 用导线把电源、用电器连成一个如图 所示的闭合电 4-1-1 路。其中用电器和导线组成了外电路，电源内部是内电路。 我们将外电路两端（即电源两极）的电压称为路端电压 （ ），电源内部的电压称为内电压。 terminal voltage 在闭合电路中，内、外电压间有什么关系呢？下面通过实 验来进行研究。 图4-1-1 测量路端电压电路图 测量闭合电路的路端电压和内电压 实验探究 1 用多用电表测量路端电压 请参照图 所示的电路选择器材，连接电路，并按下 4-1-1 面的实验步骤进行操作。 （1） 闭合S，断开S ，用多用电表测量b、c两端的电压U（图 1 bc 4-1-2 a）。 （2） 闭合S和S ， 用多用电表测量b、c两端的电压U ′（ 图 1 bc 4-1-2 b）。 （3） 断开S和S ，用多用电表测量a、c两端的电压U（图 1 ac 4-1-2 c）。 a b c 图4-1-2 实测路端电压 实验表明，U 和U ′均 比 U 小，且U ′更 小，这是什么原 bc bc ac bc 因呢？ B C DA 实验探究 2 测电源内部的电压 接打气装置 图 是实验室的一种可调内阻的化学电池。A、B为电 4-1-3 池的正、负极，C、D为靠近正、负极的两个探极，用于测量电 池内部的电压。向电池内打气，可以改变电解质溶液液面的高低， 从而改变电池的内阻。可调内阻电池的内阻一般较大。图 a 可调内阻电池结构示意图 4-1-4 图4-1-3 可调内阻电池结构示意图 是实验电路图。下面向你提供某小组同学利用这个装置进行实4 第 章 闭合电路欧姆定律 65 验所收集到的数据记录，供你参考。同时，请你参照图 在实验探究2中，最好用内阻 4-1-4 很大的数字式电压表或多用电表的 进行实验，并仿照下面的表格填写你所收集到的实验数据。你 电压挡测量内电压。 得出的结论是什么？ 实验数据记录 电阻箱（ ～ ） 0 9999Ω 实验序号 1 2 3 4 5 6 R S 虚线框内 P 1 为可调内 U 外 /V 1.92 1.80 1.72 1.59 1.49 阻电池 B D C U A 内 /V 0.12 0.22 0.32 0.42 0.51 S 2 实验表明，电源内部确有电势降落。请算一算同一个电源 b 测电源内电压的电路图 图4-1-4 测电源内电压的电路图 的闭合电路的内电压与外电压之和，你能得出什么结论？ 电源的作用——电动势 分析与论证 电源内部的能量转化与守恒 我们从上面的实验中发现，对同一电源，闭合电路的 U + 外 U 是一个恒量。若用符号E表示这个恒量，则E = U + U 。 内 外 内 E 是表示电源特性的一个重要物理量，那么它的物理意义 是什么呢？ 如图 所示，由于电源两端有电压，在外电路中，正 4-1-4 电荷在电场力的作用下，由电源的正极向电源的负极做定向移 动，从而形成了电流（在金属导体中是电子由负极向正极移动）。 要使电路中有持续恒定的电流，就必须保持电源的正、负 极间有持续电压。电源的作用就是使正电荷不断地由电源的负 极移动到正极，以保持电源两极之间的电压。这好比小朋友在 玩游戏时，将小球从地面搬至滑梯上面，再让小球从滑梯上滑 至地面（图 ）。为了保持总有小球从滑梯上滑下，小朋 4-1-5 友必须不断地将小球从地面搬至滑梯上。小朋友对小球做功， 图4-1-5 小朋友不断地把小球从地面搬至滑梯上66 使小球重力势能增加。 在电源内部，要使正电荷从负极移至正极，靠静电力不可能， 非静电力是指除静电力外， 其他能对电荷起作用的力。例如， 因此只有依靠非静电力 F 对电荷做功以增加电荷的电势能。 非 在干电池、蓄电池等化学电池中， 可见，电源是把其他形式的能转化为电能的装置。化学电池把 溶液里的离子对电荷的化学亲和 化学能转化成电能，发电机把机械能转化成电能。 力，发电机中的电磁力等，都是非 依据能量转化与守恒的观点，电源内部非静电力所做的功 静电力。 应当等于电场力在外电路与内电路所做的功之和，即 qU + qU = W 外 内 非 从前面的实验中已经知道 E = U + U ，由此，我们可以 外 内 得出 W E = 非 q 这个式子表明， E 就是电源内部非静电力移送单位电荷 所做的功，物理学中把它叫做电源的电动势（electromotive force）。在国际单位制中， E的单位是伏［特］。 电源的电动势是电源的重要参数，它跟电源的容量和外电 路无关。 闭合电路欧姆定律 上述实验探究和分析论证均表明，电源的电动势等于闭合 电路中内、外电压之和，即 E = U + U 外 内 若用 R 表示外电路的电阻，r 表示电源的内电阻（ internal ，简称内阻），由部分电路欧姆定律可知， resistance U = IR，U = Ir 外 内 代入上式得 E = IR + Ir E 整理后得到 I = R r + 上式表明 ：闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟 内、外电路的电阻之和成反比。这个结论叫做闭合电路欧姆定 律（ ’ ）。 Ohm s law for closed circuit 请思考：1. 当外电路断开时，电源的路端电压 U 跟电源 外 的电动势 E 之间有什么关系？利用这个关系，你能用多用电表 粗测电源（如干电池）的电动势吗？ 2. 当外电路短路时，为什么会烧坏电源，甚至引起火灾？4 第 章 闭合电路欧姆定律 67 案例分析 案例 在图 所示的电路中，R 、R 、R 和 R 都是定 1 2 3 4 4-1-6 值电阻，R 是可变电阻，电源的电动势为 E，内阻为 r。设电 p 路中的总电流为 I，电流表的示数为 I′，电压表的示数为 U。 闭合开关S，当R 的滑片P向a端移动时（ ）。 p A. I′变大，U变小 B. I′变大，U变大 图4-1-6 研究电路中电流、电压 变化的电路 C. I′变小，U变大 D. I′变小，U变小 分析 一般认为，内电阻可以忽略不计的电流表和内电阻 可以视为无穷大的电压表为理想电表。当滑片P向a端移动时， E R 减小，外电路总电阻也随着减小。由 I 知，电路中 p = R r + 的总电流I增大。由U = E - Ir知，路端电压U减小，即电压表 的示数减小。同时，I的增大使 R 与R 两端的电压U 和U 增大， 1 3 1 2 而U = U + U + U ，故U 必减小，通过电流表的电流I′也减小， 1 ab 3 ab 选项 正确。 D 这一案例是一个动态电路问题。从分析可知，外电路的部 分变化会引起整个闭合电路的变化。通常，外电路中只要有一 个电阻增大（或减小），外电路的总电阻就增大（或减小），总 电流减小（或增大），路端电压增大（或减小）。由此可再进一 步分析电路其他部分的变化。 请思考：当P 向 a 移动时，R 减小，R 两端电压也减小， p p 通过R 的电流如何变化？ p 信息浏览 电池与电动势 船中； 世纪 年代前半期，美、法、日等国 20 70 常见的化学电池、太阳能电池、温差电池、 家研制出高能量锂电池。 核电池等都是电源。最早的电池是伏打发明的“伏 “电动势”是电池的一个重要参数，它取决 打电堆”。近代电子工业和航天工业的发展，促 于电极、电解液材料的性质，与电池的大小无 进了新型电池的研制。 年法国人安德烈（H. 关。电池的另一个重要参数是内阻，它取决于电 1941 Andre）研制出实用性银锌电池； 年英国人 极板面积和电解质的性质。电池还有一个重要参 1958 培根（F. Bacon）研制出高功率氢燃料电池，这种 数“容量”，它表示电池能输出的总电荷量，通 电池后来被成功地用于美国“阿波罗”号登月飞 常用 （安［培］小时）做单位。 Ah家庭作业与活动 68 家庭作业与活动 1. 图 所示的是甲、乙两种型号电池的外壳 电池平均工作电流为 ，则最多可使用 4-1-7 0.03 A 上的说明文字。甲电池的电动势是 ； h。图中还提供了哪些信息？你能说明 V 乙电池最多可放出 的电量，若该 这些信息的物理意义吗？ mAh 甲型号电池 乙型号电池 RECHARGEABLE GNY0.6（KR——AA） 1.2 V 600 mAh 1.2 V 600 mAh STANDARD RECHARGEABLE CHARGE STANDARD CHARGE 15 h ac 50 mA 15 h ac 60 mA 图4-1-7 R S 2. 某同学在图 所示的研究闭合电路欧姆定 P 可调内阻电池 4-1-8 律的实验中，保持电池内阻不变，改变R 的阻 P 值，记录了8次实验数据，如下表。请利用这 些数据算出此电源的电动势E = ， V 内阻 r = Ω。 图4-1-8 R P / Ω 2 3 10 20 25 30 40 50 U 外 /V 0.14 0.32 0.57 0.89 1.03 1.10 1.24 1.37 U 内 /V 1.94 1.75 1.50 1.18 1.04 0.97 0.83 0.71 3. 电源的电动势为 ，内电阻为 Ω，外电 为0.9 A；开关 S 闭合时，电流表的示数为 。 4.5 V 0.5 0.8 A 路接一个 Ω的电阻。这时电源两端的电压 求电源电动势和内阻。 4.0 为多少？ 6. “神舟”七号发射成功，实现了中国人太空行 4. 用电动势E = 、内阻r = Ω的直流电源对 走的梦想。“神舟”七号在太空中可以利用 6 V 4 “ ， ”的电珠 太阳能电池板供电。已测得一太阳能电池板 6 V 9 W 供电。这时流过电源 的开路电压(电动势)为 ，短路电流为 800 mV 的电流为多少？ 。若将该电池板与一阻值为 Ω的电阻 40mA 60 5. 图 所示的电路 器连成一闭合电路，则它的路端电压是（ ）。 4-1-9 中，电阻 R = Ω， 1 6 A. 0.1 V B. 0.2 V C. 0.4 V D. 0.6 V R = Ω。开关 S 断 2 3 开时，电流表的示数 图4-1-94 第 章 闭合电路欧姆定律 69 4.2 闭合电路欧姆定律的应用 测量电源的电动势和内电阻 电源的电动势 E 和内阻 r 是反映电源特征的两个重要的物 理量。在电源的设计、生产、使用和维护中，常常需要对它们 进行测量。若采用上节介绍的测电源内电压的方法，在许多情 况下是不可行的。因此需要设计合适的实验电路，选择实验器 材进行实验，还需要科学地处理数据，才能得到满意的结果。 学生必做实验 测量电源的电动势和内阻 设计实验 P R 图 是一个用伏安法测电源的电动势和内阻的电路。 P 4-2-1 这个电路的设计思想是：实验时，不需要测 U ，只需改 内 变 R 的阻值测两次 U 和通过电源的电流 I，由闭合电路欧姆 P 外 S 定律建立方程组 E，r E = U + I r 1 1 图4-2-1 测量电源电动势 E = U + I r 和内阻的电路 2 2 解此方程组式便可求出电源的电动势E和内阻r。 你能选用不同的器材，设计出其他的电路吗？ 收集证据 测量电源的电动势和内阻 请参照图 所示的电路，拟定实验步骤，进行实验， 4-2-1 将测得的数据填入下表。 实验序号 1 2 3 4 5 6 7 8 U /V I /A 请分别测量不同大小的 型干电池，如 号、 号、 号、 AA 1 2 5 号电池，比较它们的电动势的大小。 7 分析论证 为了求出电源的电动势 E 和内阻 r 的值，原则上只要用实 验测得的两组I、U数据，代入上面的方程组求解便可。这样做70 U 虽简单，但误差可能很大。怎样科学地处理实验测得的数据以 减小误差呢？ 方法一 充分运用实验测得的I、U数据。通过上述方程组， 多求出几组 E、r 值，再求其平均值。这比只用一组数据求得结 果的误差要小。 方法二 在坐标纸上，以 I为横坐标，U 为纵坐标，选取适 当比例，用测得的电流 I 和外电压 U 的值，画出 U-I 图像。由 于U = E - Ir中的E、r是确定值，U与I是一次函数关系，故U-I 应是一条直线。但因实验误差，实测数据的点不会严格地分布 I 在同一条直线上。我们可以根据坐标纸上点的分布情况，用直 图4-2-2 U-I图像 尺画出一条最接近各个点的直线。 请将你测得的数据，在图 4-2-2 中的坐标纸上画出 U-I 图 像，并讨论：应怎样画这条直线？怎样利用这条直线，获得 E 和r的值？这样做有什么好处？ 案例分析 案例 用电阻箱和一只高阻值的电压表，可以测出电源的电 动势和内阻。按图 所示连接电路，先闭合 S ，从电压表 1 4-2-3 中读得U = ；再闭合S ，改变电阻箱的电阻，当R = Ω时， 1 2 2 V 24 U = 。请根据上述数据计算电源的电动势E和内阻r。 2 1 V 分析 开关 S 闭合时，电压表测得的是电源没有接入电路 1 时两极上的电压，即为电动势 R S E = U = 2 V 1 P 2 开关 S 闭合时，干路中电流为 2 U I 2 1 = R = A 24 S 而电动势为 1 E = I（R + r） 可调内阻电池 代入有关数据，解得内阻 r = 24 Ω。 图4-2-3 用电阻箱测电源电 动势和内阻电路图 多用电表测量电阻的原理 用多用电表测量电阻的阻值时，先要将红、黑表笔相接触， 进行电阻挡调零，再在红、黑表笔间接入被测电阻，就可以通 过刻度盘的示数直接读出电阻值。为什么通过刻度盘能直接读 出电阻值呢？ 图 是多用电表电阻挡的电路图。设表头的满偏电流 4-2-4 为I ，内阻为R ；电池的电动势为E，内阻为r ；可变电阻为R（调 g g p 零电阻）。因此欧姆表的内阻R = r + R + R 。 0 g p4 第 章 闭合电路欧姆定律 71 当红、黑表笔相接触时（图 ），被测电阻 R = 。 4-2-4a x 0 调节调零电阻 R 的阻值，使表头的指针指到满刻度。在刻度盘 p 上，把指针所指的电流满偏的位置，定为电阻刻度的“ ”点。 0 当红、黑表笔不接触时（图 ），被测电阻R →∞， 4-2-4b x 电表中没有电流，表头的指针不偏转，把此时指针所指的位置 定为电阻刻度的“∞”点。 ∞ ∞ 0 ∞0 ∞ 0 ∞0 ∞ 0 0 E E E E E E r r R R r rR R r r R R P P P P P P R R x x 红表笔 黑红表表笔笔 黑表红笔表笔 红表笔 黑表笔 黑表红笔表笔 红表笔黑表笔 黑表笔 a a b b c c 图4-2-4 多用电表电阻挡的电路图 当红、黑表笔间接入被测电阻 R 时 ( 图 )，通过表 x 4-2-4c 头的电流 E I = r R R R + g+ P+ x 式中 , 表头内阻 R 、电池内阻 r 都是确定值，调零电阻 R 在测 g p 量前已调整好。用R 表示r + R + R ， 则可得 g p 0 E I = R R 0+ x 由此可见，电流 I 随着被测电阻 R 的改变而变化。每个 R x x 值都对应着一个I值。在刻度盘上直接标出与I值对应的R 值（图 x 4-2-5），就可以直接读出被测电阻的阻值了。 20 15 109876 2 k 1 k 0 504030 5 4 3 5 0 0 0 2 1 0 1 0 2 ∞ 0 图4-2-5 欧姆挡的刻度盘 欧姆挡刻度盘上的刻度为什么是不均匀的？ 是否每次测量电阻时，都要先调节调零电阻R ？ P72 案例分析 H 1 案例 如图 所示，电源的电动势为 ，内阻为1 Ω； 4-2-6 3 V S 两个相同的小灯泡 H 和 H 的额定电压均为 ，额定电流均 1 2 2 2.5 V 为 。 H 2 0.3 A S （ 1） 当开关S 闭合，S 断开时，试计算H 中的电流和加 1 1 2 1 E，r 在H 上的电压。 1 图4-2-6 案例分析电路 （ 2） 当开关 S 1 、S 2 都闭合时，试计算 H 2 中的电流和加在 H 上的电压。 2 有同学做了如下解答： （ ） 小灯泡H 和H 的电阻均为 1 2 1 R = 2.5 Ω = 8.33 Ω 0.3 E 干路中电流 I 3 = R r = A = 0.32 A + 8.33+1 小灯泡 H 上的电压即为路端电压 1 U = E - Ir = ( × ) = 3 - 0.32 1 V 2.68 V （ ） 因小灯泡 H 与小灯泡 H 并联，小灯泡 H 上的电压 2 1 2 2 U U = 2.68 V ，小灯泡H 2 中的电流 I 2 = R = 2.68 A = 0.32 A 2 8.33 你认为这位同学的解答正确吗？为什么？ 请把你的想法说出来，并与同学进行交流。再把你的解答 过程写出来。 家庭作业与活动 1. 图 为一太阳能电池板示意图，现测得它 3. 图 所示是某电源的U-I图像。关于此图 4-2-7 4-2-8 的电动势为 ，内阻为 Ω。若将此电池 像，下列说法中正确的是（ ）。 0.80 V 10 板与一阻值为 Ω的电阻连成一闭合电路， 30 则此太阳能电池板的路端电压是多少？ 图4-2-8 纵轴的截距表示电源的电动势，即E＝ A. 3.0 V 图4-2-7 横轴的截距表示电源的短路电流，即I 短 ＝ B. 2. 在闭合电路中，下列叙述中正确的是（ ）。 0.6 A 闭合电路中的电流跟电源电动势成正比，跟 电源的内阻r＝ Ω A. C. 5 整个电路的电阻成反比 电源的内阻r＝ Ω D. 1.0 当外电路断开时，路端电压等于零 4. 关于欧姆表及其使用中的问题，下列说法中正 B. 当外电路短路时，电路中的电流趋近于无穷 确的是（ ）。 C. 大 接表内电源负极的应是黑表笔 A. 当外电阻增大时，路端电压也增大 换挡后，都要重新调节调零电阻，使指针指 D. B.家庭作业与活动 4 第 章 闭合电路欧姆定律 73 到满刻度 7. 在用电压表、电流表测量由两节干电池串联组 表盘上标明的电阻阻值刻度是均匀的 成的电源电动势和内阻时，除备有被测电池、 C. 表盘刻度最左边表示的电阻阻值为零 开关和足量导线外，还有下列仪器可供选择： D. 5. 图 所示的是把量程为 的电流表改 电流表 （ ～ ） 4-2-9 3 mA A. A1 0 0.6 A 装成欧姆表的结构示意图，其中电池电动势 电流表 （ ～ ） B. A2 0 3 A E 。经改装后，若将原电流表 刻度 电压表 （ ～ ） = 1.5 V 3 mA C. V1 0 3 V 处的刻度值定为“ ”位置，则 刻度处应 电压表 （ ～ ） 0 2 mA D. V2 0 15 V 标 Ω， 处应标 Ω。 滑动变阻器R （ Ω， ） 1 mA E. P1 20 2 A 滑动变阻器R （ Ω， ） P2 F. 1750 3 A R E，r 应该选用的仪器是（写出仪器前面的字母） g 。 R 一个学生用以上仪器测得如下表中的数据， p 在图 所示的坐标系上画出U-I图像。 4-2-11 从图中可得出电源的电动势为 ，内阻 V 为 Ω。 图4-2-9 U/ V 6. 如图 所示，如果滑动变阻器的滑片P 4-2-10 向上端移动，则（ ）。 表的示数增大， 表的示数变小 A. V A 表的示数都增大 B. V A 表的示数都减小 C. V A 表的示数减小， 表的示数增大 D. V A O I/ A 图4-2-10 图4-2-11 实验序号 1 2 3 4 5 6 U/ V 2.70 2.50 2.30 2.00 1.80 1.62 I/ A 0.08 0.16 0.25 0.36 0.45 0.5074 4.3 电路中的能量转化与守恒 在初中物理中我们知道，能量转化与守恒定律是自然界的 普遍规律。那么，闭合电路中能量是怎样转化的呢？ 电功与电热关系的分析 电功和电功率的普遍表达式 我们知道,在导体两端加上电压,导体中就会产生电场，导 体中的自由电荷在电场力的作用下就会发生定向移动从而形成 电流。在这一过程中电场力对电荷做功，这个功叫做电功（electric work）。 由前面学过的知识知道，电场力对电荷 q 所做的功为 W = qU，而q = It，所以 W = U I t 上述电功公式表示，一段电路上的电功就等于这段电路两端的 电压、电路中的电流和通电时间的乘积。 根据上式，可得出电功率（ ）的计算公式： electric power P = U I 我们已经知道，功是能量转化的量度，电场力做功的过程 就是电能转化为其他形式能的过程，电场力做了多少功，就有 多少电能转化为其他形式的能。 电功和电热 电场力做功时，究竟电能会转化为哪些形式的能呢？这要看 电路中有哪些用电器或元器件。只含白炽灯、电炉等电热元件的 电路叫纯电阻电路。在纯电阻电路中，电场力做功时，电能几乎 全部转化为内能（热能）。那么，电功跟电热间有什么关系呢？ 在初中物理中我们知道，电流通过导体时产生的热量跟电 流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。 它的数学表达式是 Q = I 2R t 这个规律叫做焦耳定律（ ’ ），是英国物理学家 Joule s law 焦耳（ ）于 年在大量实验的基础上总结出来的。通 J. Joule 1840 常把电流流过导体时产生的热量称为电热，有时也叫做焦 耳热。 单位时间内电流通过导体发出的热叫做热功率，其表 达式为4 第 章 闭合电路欧姆定律 75 Q P = = I 2R t P = UI 式中的 UI是指输入某段电路的全部电功率，它取决 于这段电路两端的电压和通过这段电路的电流。上式中 I 2R 是 指在这段电路上发热的热功率，它取决于通过这段电路的电流 和电阻。 在纯电阻电路中，电能全部转化为内能。对于非纯电阻电 路，电能除转化为内能以外，还将转化为其他形式的能。例如， 当电路中有电动机时，电能转化为内能和机械能；当电路中有 电解槽时，电能转化为内能和化学能。 请思考并讨论： U 1. 通过 I = 进行变换，计算电功的公式有 W= UIt，W= R U I2Rt和W = 2 t。试说明它们的区别、联系及适用范围。 R U W 2. 通过 I = 进行变换，计算电功率的公式有 P = ，P = R t U U I和P = I2R，P = 2。试说明它们的区别、联系及适用范围。 R 案例分析 案例 电动机的额定电压为 ，其线圈的电阻为 Ω。 220 V 0.8 设正常工作时，每秒产生的热量为 ，则正常工作时的电 1280 J 流为多大？每秒有多少焦［耳］的电能转化为机械能？ 分析 本案例涉及电路中能的转化问题：电路中的电动 机通电后具有机械能，同时电动机在运转过程中，其线圈会 发热，也要消耗能量。电动机的机械能和热能都是由电源的 电能转化而来的。应注意的是，电路中有电动机，故这是非 纯电阻电路问题。应先根据电动机产生的热能算出通过线圈 的电流； 再根据电功率的有关公式，可算出电动机的输入功 率，将输入功率减去转化为热能的功率，就是电能转化为机 械能的功率了。 请按上述分析，完成有关计算。 闭合电路中的能量转化与守恒 根据闭合电路欧姆定律， E = U + U 。如果在等式两边同 外 内 时乘以电流I，则变为 E I = U I + U I 外 内 上式中，E I表示电源产生的电功率，U I 表示外电路上消耗的 外 电功率，U I 表示内电路上消耗的电功率。这说明电源产生的 内76 电能，一部分消耗在外电路上，转化为其他形式的能；另一部 分消耗在内电路上，转化为内能，而总的能量是守恒的。它完 全符合能量转化与守恒定律。 从上式还可以看出，电动势 E 越大，电源提供的电功率也 越大，这表示电源把其他形式的能转化为电能的本领就越大。 电源的总功率为 P = E I 总 电源的输出功率为 P = U I 出 外 电源的效率为 U I U η = 外 = 外 EI × 100% E × 100% 案例分析 案例 如图 所示，已知发电机的内阻 r = Ω，输 4-3-1 0.1 电导线的电阻r′= Ω，负载电阻R = Ω,电路中电流I = 。 0.2 22 10 A 求：（ ）负载两端的电压；（ ）外电路上的电压；（ ）发电 1 2 3 机的电动势；（ ）整个外电路上消耗的功率；（5）负载上消 4 耗的功率；（ ）导线上消耗的功率；（ ）发电机内部消耗的功 6 7 率；（ ）发电机的功率。 8 分析 负载两端的电压可由电流I和负载电阻R求得，即 U = I R = × = R 10 22 V 220 V 请自行完成其余部分的分析和计算。 通过上述案例分析和计算，你得到了哪些启发？譬如，外 电路上的功率、负载上的功率和导线上的功率三者之间有什么 关系？发电机功率、外电路功率和内电路功率三者之间有什么 关系？这些关系说明了什么？ 图4-3-1 含发电机电路 家庭作业与活动 1. 试证明： （1）在纯电阻电路中，串联电路上消耗的总功 是 Ω，小电动机M的线圈电阻为 Ω， 0.5 0.5 率P = U I等于各个电阻上消耗的热功率之 限流电阻R 0 为 Ω。若闭合开关S后，电压表 3 和。 的示数为 ，试求： 3 V （2）在纯电阻电路中，并联电路上消耗的总功 （ ）电源的功率和输出功率。 1 率P = U I等于各个电阻上消耗的热功率之 （ ）电动机消耗的功率和电动机输出的机械功 2 和。 率。电动机在工作时，每分钟消耗多少电 2. 如图 所示，电源的电动势是 ，内阻 能？产生多少电热？ 4-3-2 6 V家庭作业与活动 4 第 章 闭合电路欧姆定律 77 6. 图 中虚线框内是一个未知电路，测得 4-3-5 它的两端点a、b之间的电阻是R。在a、b之 间加上电压U，测得流过此电路的电流为I， 则未知电路的电功率一定是（ ）。 . I2R . U2/R . UI . I2R + UI A B C D , 图4-3-2 3. 一直流电动机所加电压为U，电流为I，线圈内 阻为R。当它工作时，下列说法中错误的是（ ）。 . 电动机的输出功率为 U2 A R . 电动机的发热功率为 I2R B C . 电动机的输出功率为IU-I2R 图4-3-5 . 电动机的功率为 U2 7. R 和R 分别标有“2 Ω，1.0 A ”和“4 Ω，0.5 A”， D R 1 2 4. 如图 所示，用电动势为 、内阻为 Ω 将它们串联后接入电路中，如图4-3-6所示， 4-3-3 8 V 2 的电池组连接两根阻值各为 Ω的电阻线，向 则此电路中允许消耗的最大功率为（ ）。 1 某用电器(纯电阻)供电，该用电器可获得3 W A. 1.5 W B. 3.0 W C. 5.0 W D. 6.0 W 的电功率。求通过该用电器的电流和它两端的 电压。 图4-3-6 8. 图4-3-7所示是额定电压为220 V的理发用 电吹风的典型电路，其中电热丝通电后可以 发热，电动机通电后可以送风，且电动机的 图4-3-3 额定功率为120 W。 5. 把两个相同的电灯分别接成如图 所示的 4-3-4 两种电路，调节变阻器，使电灯都正常发光。 若两电路消耗的总功率分别为P 、P ，两个变 1 2 阻器R 、R 消耗的电功率分别为P ′、P ′，则可 1 2 1 2 图4-3-7 以判定 （ ）。 （1）要送冷风，选择开关应放在 位置；要 送热风，选择开关应放在 位置（选填 “A”“B”或“C”）。 （2）若电吹风在额定电压下工作，送冷风时， a b 通电1 min，则电流所做的功是多少？ 图4-3-4 （3）若电吹风在额定电压下工作，送热风时 P ＝P P ′＝ P ′ 电路消耗的总功率为560 W，则电热丝 1 2 1 2 A. B. P ′＝ 2 P ′ P ′＞ 2 P ′ R的阻值应为多大？ 1 2 1 2 C. D.78 4.4 现代家庭电路 家庭电路 我们在初中学习过简单家庭电路。图 是常见的家庭 4-4-1 电路实物图，图 是家庭电路的示意图。 4-4-2 图4-4-1 家庭电路实物图（图中白线是电线的套管） 图4-4-2 家庭电路示意图 家庭电路由两根进户线、电能表、总开关、保险装置、用电器、 插座和导线等组成。前面我们做电路实验时，通常用干电池或 学生电源等来提供电能，而家庭照明和家用电器所用的电能是 从发电厂通过输电线输送来的。我国家庭电路的电压是 ， 220 V 属于交流电。 家用电器主要包括家用电冰箱、空调器、电扇、洗衣机、电熨斗、 吸尘器、微波炉、电磁灶、电烤箱、电饭锅、电热水器、电热毯、 电视机、录像机、摄像机、组合音响等。在我国，各种家用电器 的额定电压都是220 V，但它们的额定功率往往不同。因此，各种 家用电器在正常工作状态下，工作电流是有很大差异的。4 第 章 闭合电路欧姆定律 79 思考与讨论 . 家庭电路中各个用电器之间是如何连接的？每户的用电 1 器之间又是如何连接的？为什么？ .插座与开关是如何连接到电路中去的？ 2 . 现代家庭电路中已经广泛用空气开关来代替熔丝。为什 3 么各用电器支路中空气开关的工作电流不相同（ 、 、 5 A 15 A 、 ）？这样设计的原因是什么？ 20 A 30 A . 家庭电路中所消耗的电功率与各用电器消耗的电功率之 4 间有怎样的关系？ 安全用电 电能的应用推动着人类社会的进步，给人们的生活带来便 利。但若不注意安全用电，将会造成生命危险及财产损失。安 全用电包括人身安全和设备安全。造成用电不安全的主要因素 是过载、短路和触电。 过载是指电路中同时工作的用电器过多，导致线路总电流 超过额定值的现象。过载容易引起导线、开关、插座等发热， 会加速绝缘材料老化，甚至引发事故。 现代厨房中，有电饭煲、微波炉、电烤箱、电热水壶等。 若这些大功率用电器同时工作，有时会“跳闸”。请分析一下， 这是什么原因？ 短路是指火线未经用电器直接与零线相接触的现象。短路 往往导致家庭电路中的电流过大，产生危害。 思考与讨论 最近几年，我国城乡许多地区在进行家庭供电线路的改造， 改造的主要内容是把输电线换成更粗的，电能表换成标定电流 更大的。请利用学过的知识分析其中的原因。 我国家庭电路的电压是 ，高出安全电压（ ）很多。 220 V 36 V 家庭用电引起的触电事故，都是跟地面不绝缘的人体直接或间 接地碰触到火线引起的。 研究表明，电对人体造成的伤害程度与通过人体电流 的大小及持续时间有关。人体是导体，通常情况下人体的 电阻为 Ω；在皮肤潮湿时，人体的电阻可降低到约 4 5 10 ~10 Ω。加在人体两端的电压越高，流过人体的电流就越大， 3 10 达到一定程度就会有危险。我国工厂用的动力电路的电压是80 ，高压输电线路的电压高达 ，这些都远远超 380 V 10~500 kV 出了安全电压。 当发生触电时，人体成为闭合电路的一部分，于是会有电 流通过人体，发生触电事故。如果电流较大，就会造成生命危险。 防范触电事故最重要的是要有安全用电的意识，遵守安全 用电的原则。为了确保用电安全，日常生活中要做到：（ ）不 1 接触低压带电体，不靠近高压带电体；（ ）更换灯泡、搬动电 2 器前应断开电源开关；（ ）不弄湿用电器，不损坏绝缘层；（ ） 3 4 保险装置、插座、导线、家用电器等达到使用寿命应及时更换。 案例分析 案例 在用电高峰，我们会发现家庭电路中的白炽灯比正 常发光时暗一些。某物理兴趣小组对这一现象进行了调查研究。 如图 所示，供电电源的电压始终是 ，当用户的总 4-4-3 220 V 功率是 时，该小组测得用户端实际得到的电压是 。 8.6 kW 215 V 请对上述调查结果进行分析。 图4-4-3 案例分析电路示意图 分析 在实际的家庭电路中，当用电器接入家庭电路后， 用电器（全部是并联）、输电线（火线和零线）以及供电电源 构成一个闭合电路。我们可以将它转换为一个等效的直流电路。 图 中r是输电线的等效电阻，设电源内阻为 。 4-4-4 0 图4-4-4 等效电路图 根据前面学过的知识，当电流流过输电线时，输电线电阻 r 上也会产生电压降。用电高峰时，随着接入电路中用电器数量 的增加，干路中的总电流会明显增加，输电线的电阻虽然较小， 但是它上面的电压降还是较明显的，因此，灯泡和其他用电器 两端的电压都会比正常发光或正常工作时的电压（ ）小一 220 V 些。根据电功率公式可知，灯泡消耗的实际电功率要比额定功4 第 章 闭合电路欧姆定律 81 率小，所以它会比正常发光时要暗一些。 由于输电线存在电阻，电流流过输电线时，输电线会发热， 过大的干路电流会使输电线温度过高，导致发生火灾，造成安 全隐患。 请思考： . 上述电路中，标有“220 V 100 W”的白炽灯的实际电 1 功率是多少？忽略温度对灯丝电阻的影响。 . 当用户的总功率为 8.6 kW 时，通过输电线的电流是多 2 少？输电线上的电阻是多少？在 3 h 内输电线上消耗的电能是 多少？ . 根据上述分析，结合你所学过的知识，你认为家庭电路 3 中用户的总功率（所有用电器）确定后，干路和各用电器支路 的输电线应该如何选择？ 节约用电 随着我国经济建设的发展，对电能的需求量日益增加。一 方面，国家正大力发展水力发电和火力发电，积极开发利用新 能源，以适应国民经济和社会发展的需要；另一方面，合理、 节约利用电能有着重要的意义。 在利用电能过程中，由于输电线存在电阻、用电器会发热 等因素，电能损耗不可避免。我们把用户可利用的有效电能总 量与消耗电能总量之比称为电能利用率，两者的差值为损耗的 电能。 在用电的过程中，我们要自觉养成节约用电的意识。例如， 对于照明电器，用节能灯、LED 灯来代替白炽灯，可大大降低 耗电量；对于电视机，把音量和亮度调至最合适状态，不要过 响过亮，而且不要让电视机长时间处于待机状态；对于电冰箱， 把它放置在阴凉通风处，绝不能靠近热源，以保证散热片很好 地散热，同时尽量减少开门次数和时间；对于空调，温度设置 在 ℃为宜，开启空调时，要关闭门窗，定期清洗隔尘网， 27~28 不要频繁启动，停机后必须过 后再开机。 2~3 min 我们的生活中，无处不在用电，节约用电，从我做起！ 案例分析 案例 为了测出电视机机顶盒在待机时的电功率，某同学 在外出旅游期间，关闭家里其他用电器的电源，用电能表测出 待机时机顶盒所消耗的电能，数据见下页表中。请解答： （ ）机顶盒待机时的电功率是多少？ 1 （ ）若某市有 万户家庭，按每户家庭一台机顶盒，每 2 10082 天机顶盒待机 ，每度电按 元计算，该市所有家庭一天 20 h 0.6 总共额外支付电费多少？ 时间 电能表示数 2016年6月2日上午9点 2 6 0 3 5 2016年6月7日上午9点 2 6 0 4 7 分析 电视机机顶盒在 （ ）时间内消耗的电能为 5 d 120 h · ，由此可求出机顶盒待机时的电功率为 。全 1.2 kW h 0.01 kW 市家庭一天总共额外支付电费 万元。 12 现代家庭里，有许多类似电视机机顶盒的附属用电器，比 如无线路由器、手机充电器等。但是，许多人都没有用完之后 及时切断这类用电器电源的习惯。由上述计算可知，随着时间 的积累，全国所有家庭因此而浪费的电能是巨大的。因此，节 约电能应从我们每一个人做起。 下面是从网络上摘录下来的一些数据： ·某品牌网络机顶盒——用遥控器打开电源，显示当前功 率为“2.4 W”；用遥控器关闭电源后显示“0.0 W”。 ·数字电视机顶盒——打开机顶盒，显示功率为“7.2 W”； 用遥控器关闭机顶盒后显示“7.0 W”。 ·48 寸液晶电视——打开电视机，显示功率为 72.8 W；用 遥控器关闭电源后显示“0.9 W”。 ·燃气热水器——接上电源但不开机，显示功率“4.1 W”； 按“开/关”键后不点燃热水器，显示“6.0 W”。 ·网络路由器——使用中的路由器功率为“4.7 W”；关闭 电源开关后，显示屏上数值迅速归零。 ·笔记本电脑——开机使用中显示功率为“36 W”；将电 池充电至100%后，将电脑关机，显示为“0.7 W”。 ·1.5匹冷暖空调挂机——接上电源但不启动，显示“0.9 W”。 假设你家里有这些用电器，请根据上述案例和数据，设计 一个方案来估算你家一年可能支付的额外电费，并将计算结果 告诉你的家人和周围的人，广泛宣传节约用电知识。 家庭作业与活动 请对自己家中的家庭电路进行调查研究。 等的名称与规格。 （ ）观察自己家中的用电线路，画出电路图并标 （ ）请设计一个方案来估测一下各用电器的实 1 2 明各个用电器以及电能表、供电箱中的开关 际功率。4 第 章 闭合电路欧姆定律 83 第 4 章家庭作业与活动 A组 4. 有两根用同种材料制成的电阻丝甲和乙：甲电 1. 若有一电池，外电路断开时的路端电压为 ， 阻丝的长度和直径分别为l和d；乙电阻丝的长 3.0 V 外电路接上阻值为 Ω的负载电阻后路端电 度和直径分别为 l和 d。将甲、乙两根电阻丝 8.0 2 2 压降为 ，则可以确定电池的电动势E和内 分别接入电路时，如果两电阻丝消耗的电功率相 2.4 V 电阻r为（ ）。 等，则加在两根电阻丝上的电压比值U ∶U 应 甲 乙 A. E = 2.4 V，r = 1.0 Ω 满足（ ）。 B. E = 3.0 V，r = 2.0 Ω A. 1∶1 ∶2 ∶1 2∶1 B. 2 C. 2 D. C. E = 2.4 V，r = 2.0 Ω 5. 在图 所示的电路中，当滑动变阻器的滑 4-A-3 D. E = 3.0 V，r = 1.0 Ω 动片向上移动时，关于灯泡A的亮度及电容器C 2. 图 为两个不同闭合电路中两个不同电源 所带电量Q的变化，下列判断中正确的是（ ）。 4-A-1 的U-I图像，下列判断中正确的是（ ）。 图4-A-3 A. 灯泡A变亮，Q增大 B. 灯泡A变亮，Q减小 图4-A-1 C. 灯泡A变暗，Q增大 A. 电动势E ＝E，发生短路时的电流I ＞ I D. 灯泡A变暗，Q减小 1 2 1 2 B. 电动势E ＝E，内阻r ＞r 6. 有一个长方体金属电阻，材料密度均匀，边长分 1 2 1 2 C. 电动势E ＞E，内阻 r ＜ r 别为a、b、c， 且a＞b＞c。电流沿图 1 2 1 2 4-A-4 D. 当两电源的工作电流变化量相同时，电源 所示各方向流过该金属电阻，其中电阻阻值最 2 的路端电压变化大 小的是（ ）。 3. 在图 所示的电路中，电源的内阻不能忽 4-A-2 略。已知定值电阻R ＝ Ω，R ＝ Ω。如 1 2 10 8 果当单刀双掷开关S置于位置1时，电压表的 A. B. 示数为 ，那么当S置于位置 时，电压表 2 V 2 的示数的可能值为（ ）。 C. D. 图4-A-4 图4-A-2 A. 2.2 V B. 1.9 V 7.如图 所示的电路中，电阻R = 9 Ω，R 1 2 4-A-5 C. 1.6 V D. 1.3 V = Ω，电源的电动势E = ，内阻r = Ω， 15 12 V 184 电流表的示数I = 。求电阻R 的阻值和它 断中正确的是（ ）。 3 0.4 A 消耗的电功率。 图4-A-8 图4-A-5 A. U /I不变，ΔU /ΔI不变 1 1 8. 如图 4-A-6 所示，电阻R 3 ＝ 4 Ω，电表为理想表。 B. U 2 /I变大，ΔU 2 /ΔI变大 开始时R 1 、R 2 、R 3 中都有电流通过，电压表的 C. U 2 /I变大，ΔU 2 /ΔI不变 示数为 2 V ，电流表的示数为 0.75 A 。后来R 1 D. U 3 /I变大，ΔU 3 /ΔI不变 发生断路，使电压表的示数变为 ，电流表 11. 在图 所示的U-I图像中，直线a表示 3.2 V 4-A-9 的示数变为 。问： 了某电源的路端电压U与干路电流I的关系， 0.8 A （1）电阻R 1 、R 2 的阻值各为多少？ 直线b为某电阻R的伏安特性曲线。用该电源 （2）电源电动势和内阻各为多少？ 和电阻R连接成闭合电路，由图像可知（ ）。 图4-A-6 图4-A-9 R的阻值 Ω A. 1.5 9. 在图 所示电路中，A、B两灯均正常发光， 电源的电动势为 ，内阻为 Ω 4-A-7 B. 3 V 0.5 R 为一滑动变阻器，P为滑动片。若将滑动片 电源的输出功率为 P C. 3.0 W 向下滑动，则（ ）。 电阻R的电功率为 D. 1.5 W 12. 如图 所示，设电表为理想电表，外电 4-A-10 阻R ≠R ≠R 。若把电流表和电压表位置对 1 2 3 换，则（ ）。 电流表的示数为零 图4-A-7 A. 电压表的示数为零 B. A. A灯变亮 B. B灯变亮 电流表的示数增大 C. C. R上消耗功率变大 D. 总电流变小 电压表的示数增大 D. 10. 在图 所示电路中，闭合开关S。当滑动 4-A-8 变阻器的滑动片P向下滑动时，四个理想电 表的示数都发生变化。电表的示数分别用I、 U 、U 和U 表示，电表示数变化量的大小分 1 2 3 图4-A-10 别用ΔI、ΔU 、ΔU 和ΔU 表示。下列判 1 2 34 第 章 闭合电路欧姆定律 85 敏电阻，它的电阻随温度变化的图像如图b所 B组 1. 如图 所示，在相距 的A、B两地 示。当a、b端电压U ab < 0时，电压鉴别器会令 4-B-1 40 km 架两条输电线，电阻共为 Ω。如果在A、B 开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内 800 间的某处发生短路，那么接在A处的电压表的 温度升高；当U ab > 0时，电压鉴别器使S断开， 停止加热，恒温箱内的温度恒定在 ℃。 示数为 ，电流表的示数为 。发生短 10 V 40 mA 路处距A地有多远？ 3. 图4-B-3是用电学方法测水流对小球作用力F 的示意图。质量为m的小铅球P系在细金属丝 下面，悬挂在O点。BC为在水平方向上固定的 一根粗细均匀的电阻丝，C端在O点正下方， 且OC长为h，BC长为l，BC与金属丝接触良好， 接触点为D，不计接触点D处的摩擦和金属丝 图4-B-1 电阻。将小铅球P放入水平流动的水中时，球 2. 如图 所示，图 为在温度为10 ℃左右的 向左摆起一定的角度θ，水流速度越大，θ越大。 4-B-2 a 环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电 现取一电动势为E、内阻不计的电源和一只电 压表，用这些器材连成测量电路，使水不流动时， 阻R = 20 kΩ，R = 10 kΩ，R = 40 kΩ，R 为热 1 2 3 t 电压表的示数为零，水流速度增大时，电压表 的示数也增大。请画出电路图（B、C、O均可 接线）。若小球平衡时，电压表的示数为U，请 用m、l、h、E、U表示F。 a O θ B D C 水流方向 P 图4-B-3 b 图4-B-2位于贵州南部的500米口径球面射 电望远镜（FAST），由中国科学家 独创设计，是目前世界最大的高灵 敏度巨型单口径球面射电望远镜， 能捕捉到远在百亿光年外的电磁波。 5 第 章 电磁场与电磁波 自从人类发现天然磁石吸铁的特征，就开始了对磁现 象的研究。奥斯特发现通电导线周围的磁场，法拉第发现 电磁感应规律，揭示了电与磁的联系；麦克斯韦建立了电 磁场理论，预言了电磁波的存在。现在，人类广泛地使用 着收音机、电视机、计算机、手机和互联网，已经越来越 离不开电磁技术及电磁波。 那么，应该怎样描述磁场？电与磁之间有什么联系？ 电磁波产生的条件是什么？电磁波有哪些应用？…… 本章首先了解人类对磁现象研究的成果特别是我国古 代在磁现象方面对人类文明的影响，认识磁性材料在现代 社会生活中的广泛应用；然后学习用磁感线模型定性描述 磁场和用物理量定量研究磁场的方法；接着探究电流周围的 磁场及电磁感应现象，了解电磁感应现象的应用；最后回顾 电磁波的发现过程，进一步理解电磁场的物质性，认识电磁 技术对社会的推动作用。5 第 章 电磁场与电磁波 87 5.1 磁与人类文明 改变人类活动的发明 指南针（compass）是著称于世的我国四大发明之一。远在 英国哲学家弗兰西斯·培根（ F. 春秋战国时期，我国古人对天然磁石（古称“慈石”，就是磁铁矿， ， — ），在称颂我 Bacon 1561 1626 国四大发明中的印刷术、火药和指 主要成分是 Fe O ）就有了一些认识，并开始用于寻找铁矿。公 3 4 南针时说：“这三种东西，曾改变 元前 4 世纪的《鬼谷子·谋篇》中的记述表明，我国古人已发 了整个世界的面貌和事物的状况。 现了磁石指向南北的特性，并发明了指示方向的指南针。 第一种在文学上，第二种在战争中， 指南针一经发明，很快就被应用于航海业。明代伟大的航 第三种在航海上，从那里接着产生 无数的变化，变化如此之大，以至 海家郑和曾用罗盘（把指南针装配在方位盘上构成的仪器）导 没有一个帝国，没有一个学派…… 航，率领庞大的船队7次大规模远航，访问了亚非30多个国家， 能比这三种发明，对人类事业产生 最远到达红海和非洲东岸。中国的指南针约在公元12 世纪末到 更大的力量和影响。” 13 世纪初，由海路传入阿拉伯，再传到欧洲。指南针的传播， 正如英国哲学家培根所说的那样，在促进人类航海事业发展和 改变整个世界面貌上产生了巨大的影响。 查阅有关资料，讨论我国古代对磁现象的研究还有哪些主 要成就。 通过上网查阅资料，了解现代轮船上是否还利用罗盘导航。 地理北极 极 S 我们生活在天然磁场———地磁场中 指南针为什么会指南？这在古代曾是一个不解之谜，直到 1600 年英国宫廷医生吉尔伯特（W. Gilbert）认识到地球本身是 一个巨大的磁体，才对此作出了比较正确的解释。 极 现在我们知道，地球周围存在着磁场，这个磁场叫做地 N 地理南极 磁场（geomagnetic field），指南针在地磁场的作用下发生偏 图5-1-1 地磁场示意图 转而指示方向。地磁场的磁南极（S 极）在地球的北端（西经 100.5°，北纬75.5°的北美洲帕里群岛附近），磁北极（N极） 我国宋代的沈括在《梦溪笔 谈》中最早指出磁针所指的方向“常 在地球的南端（东经139.9°，南纬66.6°的南极洲威尔斯附近）， 微偏东，不全南”的现象，即地 如图5-1-1所示。 球磁体的磁子午线与地理子午线 地磁的两极跟地理的两极并不重合，地磁轴和地球自 之间有一个很小的偏角——磁偏 转轴两者的夹角约为 11°，因而水平放置的磁针的指向跟地 角。据考证， 世纪沈括居住在 11 理子午线之间有一个交角，这个交角叫做磁偏角（magnetic 长江下游地区，那里磁偏角一般 不超过 ° °。这样小的角度差 declination）。 3 ~4 别是很难被发现的。西方国家直 查阅资料，了解地磁场与天文、地质、气象、采矿、航行 到 年哥伦布在横渡大西洋 1492 和通信技术等方面的密切关系。 时才观测到磁偏角现象。88 形形色色的磁性材料 随着科学的发展，人们又认识了除天然磁石以外的许多磁 性材料。如今，磁性材料琳琅满目，它们同生产和生活的关系 越来越紧密。 请讨论：生活中有哪些家电设备用到磁性材料？请举例说 明它们的作用。 a 软磁性材料的应用 在大多数情况下，技术上是通过人工方法使磁性材料获得 a 软磁性材料的应用 磁性的，这个过程叫做磁化（magnetization）。磁性材料被磁化后， 在一定条件下会失去磁性，这个过程叫做退磁（demagnetization） a 软磁性材料的应用 或去磁。 软磁性材料和硬磁性材料 磁性材料按磁化后退磁的难易程度分为软磁性材料和硬磁 性材料。磁化后容易退掉磁性的物质叫做软磁性材料，不容易 b 硬磁性材料的应用 退掉磁性的物质叫做硬磁性材料。 b 硬b磁硬性磁材性材料料的的应应用用 软磁性材料适用于需要反复磁化的场合，例如可以用来制 图5-1-2 造天线磁棒、磁头、计算机的记忆元器件，以及变压器、交流 电机、电磁铁和各种高频元器件的铁芯等。常见的金属软磁性 材料有软铁、硅钢、镍铁合金等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁 氧体、镍锌铁氧体等。 硬磁性材料适合制造永磁铁，应用在扬声器、话筒等电器 设备中。常见的金属硬磁性材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等， 常见的硬磁铁氧体有钡铁氧体和锶铁氧体等。天然磁石也是硬 磁性材料。 计算机磁盘及磁盘驱动器 图5-1-3 是计算机磁盘及磁盘驱动器的结构示意图。 计算机磁盘是在盘片上均匀地涂上一层极薄的磁性材料构 成的。其中，盘片是软塑料薄膜的叫软盘，盘片是硬的铝片或 计算机把信息都储存在内外 陶瓷片的叫硬盘。磁盘在使用前先要进行格式化（将磁盘划分 存储器中。外存主要是磁盘、 盘 U 为若干磁道和扇区），以帮助找到记录的位置。 和光盘。在存储器中，信息是以“ ”、 0 “ ”形式存放的。一个数据或一 计算机磁盘之所以能够把图像、声音和数字等信息保存在 1 条指令放在一个存储单元。存储器 上面，是因为我们把它们转换成磁头电流信号，磁头电流产生 中存储单元的个数就是存储容量， 的磁场使磁盘上的软磁性材料磁化，把磁头的磁作用保存在磁 以 或 为单位。 是 。 10 20 K M 1 K 2 2 性材料中。这就是说，将信息保存到了计算机的磁盘上。在需 称为 ，约等于 个存储单 1 M 1000 K 要这些信息时，我们又用磁头与这些被磁化的软磁性材料相互 位。 和 是更大的单位， G T 1 G = ， 。 作用，把信息“读”出来。 1024 M 1 T=1024 G5 第 章 电磁场与电磁波 89 磁盘 磁盘局部 磁头 磁头 图5-1-3 计算机磁盘工作原理示意图 信息浏览 信用卡 现在广泛使用的信用卡为 卡。 卡又称 IC IC 信用卡是银行发放给单位和个人的一种特制 “智能卡”，卡内装有一小块集成电路芯片， 的“信用凭证”。信用卡可以代替现金，购买东西时， 芯片里既有微处理器，又有存储器和相应的接口 只要“刷刷卡”就行了。使用信用卡，不仅消费 电路，因而它具有数据存储和运算处理的能力， 结账十分方便，更重要的是不用再为随身携带大 而且存储量大。相比之下，磁卡的存储容量一般 量现金而提心吊胆了。有一种信用卡的背面有一 只有几十至几百个字节，远不如 卡。磁卡的 IC 条黑色的磁条，上面记录着持卡人的资料和个人 最大缺点是防伪和安全性较差，而 卡则较为 IC 密码，供自动柜员机或销售点终端阅读和鉴别使 安全。 用。这种信用卡俗称磁条卡（磁卡）。 家庭作业与活动 1. 用磁铁、水、酒精和烧杯等器材，设计一个实验， 他把硬纸板分别盖在两纸杯上，然后用同一条 探究水、酒精和空气等物质对磁铁磁性的影响。 形磁铁分别在硬纸板上吸铁屑和铁锈，比较收 将结果与其他同学的结果进行比较。 集到的铁屑和铁锈的质量。请分析，他会得到 2. 为了研究铁和铁锈的磁性，有人做了一个实验。 什么结果？你自己也可以做一做，看看你的分 他在两个相同的纸杯中分别放入等量的（几小 析对不对。 勺）铁屑，并向一个纸杯中注入水。一个多小 3. 查阅资料，了解明代伟大的航海家郑和利用罗 时后，将杯中的水倒掉，让其干燥。第二天， 盘导航，访问了亚非哪些国家。90 5.2 磁场的描述 磁场的形象描述 磁感线是人们描述磁场分布、 我们在初中学过，可以用磁感线来形象地描述空间磁场的 强弱等引入的假想的曲线，它是一 分布情况。磁感线是在磁场中人为地画出的一些有方向的曲线， 种物理模型。物理学家用电场线和 在这些曲线上，每一点的切线方向都在该点磁场的方向上（图 磁感线来分析电磁场的问题，既形 象又方便，甚至可以借鉴流体力学 5-2-1）。 的方法（通量或流量）来研究电磁 场的问题。 实验观察磁感线的分布 把条形磁铁置于一块水平玻璃板下方，在玻璃板上均匀地 撒一层细铁屑。铁屑在磁场中被磁化为一个个小磁针，轻轻敲 击玻璃板，细铁屑就在磁场作用下转动，并按一定规律排列起 c b 来（图5-2-3）。 a 图5-2-1 磁感线 图5-2-2 磁感线的空间分布 图5-2-3 铁屑显示条形磁铁磁场的分布 情况 图5-2-4 条形磁铁磁感线的分布 图5-2-5 异名磁极间磁感线的分布5 第 章 电磁场与电磁波 91 细铁屑显示的并不是磁感线，它只是形象地表示了磁感线 或磁场的分布情况。图 5-2-4 和图 5-2-5 是条形磁铁和两根条 形磁铁异名磁极间磁场的磁感线分布情况。 请讨论磁感线分布与磁场强弱的关系。 两根近距离的条形磁铁异名磁极间的磁场分布有什么特点？ 用磁感线描述磁场强弱 跟用电场线表示电场强度一样，用磁感线的疏密程度可以 描述磁场的强弱。磁感线密的地方，表示磁场强，磁感线稀疏 的地方，表示磁场弱。如图 5-2-4 所示，条形磁铁两极附近的 磁感线比较密，磁场比较强 ；条形磁铁中部磁感线比较稀疏， 磁场比较弱。 在图 5-2-5 中，两根条形磁铁异名磁极间中间区域里的磁 感线，从 N 极指向 S 极，并均匀分布。物理学中，把磁感线的 间距相等、相互平行且指向相同的磁场叫做匀强磁场（uniform magnetic field）。匀强磁场是最简单但又很重要的磁场，在电磁 仪器和科学实验中有着很重要的应用。 磁场的定量描述 为了定量地描述磁场的强弱，我们引入一个新的物理量—— 磁通量（magnetic flux），用 Ф 表示。如图5-2-6所示，设想在 匀强磁场中有一块与磁感线方向垂直的平面，若穿过该平面的 磁感线有 Ф 条，我们就称穿过这个平面的磁通量为 Ф。 磁场越强，磁感线越密，穿过单位面积的磁感线的条数就 S B 越多。在图 5-2-6 中，设垂直于磁感线的平面的面积为 S，穿 Ф B 过的磁通量为 Ф ，则磁场的强弱可以用 = S 来表示。 物理学中，把垂直穿过某平面的磁通量跟该平面的面积之 比叫做磁感应强度（magnetic induction），用 B表示。磁场中某 图5-2-6 处磁感应强度的大小表示该处磁场的强弱，即 Ф B = S 在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯（weber），符号是 Wb；面积单位是平方米，符号是m2；磁感应强度的单位是特斯 S S ⊥ 拉（tesla），简称特，符号是 T，则 B 1Wb 1 T = 2 1m 如果平面跟磁场方向不垂直（如图 5-2-7），我们可以作 出它在垂直于磁场方向上的投影平面，从而计算出磁感应强度。 磁感应强度是有方向的，磁场空间各点磁感应强度的方向 图5-2-7 磁通量的确定 与该点处磁感线的切线方向一致。92 信息浏览 人体、天体和空间的磁场 磁场名称 磁感应强度 磁场名称 磁感应强度 /T /T 正常人的心磁场 约 脉冲星磁场 -10 8 9 10 10 ~10 正常人的脑磁场 约 星际空间磁场 -13 -9 -13 5×10 10 ~10 地球磁场 约 一般永磁体磁场 -5 5×10 0.4~0.7 太阳普遍磁场 约 电机、变压器铁芯中的磁场 -4 10 0.8~1.4 太阳黑子磁场 原子核表面磁场 约 -2 12 10 ~10 10 月球磁场 约 -9 10 探究电流周围的磁场 长期以来，人们认为电与磁是两类截然不同的现象，电学 与磁学的研究一直彼此独立地发展着。 1820 年，丹麦物理学家奥斯特（H. Oersted）发现通电导线 也能使小磁针偏转，终于揭示了电与磁的联系，开辟了科学研 究的一个新领域——电磁学。 现在我们知道，磁铁能产生磁场，电流也能够产生磁场。 电流的磁场有什么特征呢？下面我们通过实验作进一步的研究。 观察直线电流磁场的分布 I 让一直导线垂直穿过一块水平硬纸板（图 5-2-8）。将小 磁针放置在水平硬纸板各处，接通电源。观察小磁针在各处的 指向，并把指向画在纸板上相应的位置。由此，你可以对直线 电流磁场的磁感线的分布和方向作出初步判断。 大量实验表明，直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各 图5-2-8 直线电流磁感线分布 点为圆心的同心圆，这些同心圆都在跟导线垂直的平面上（图 5-2-8）。改变电流的方向，各点的磁场方向都反向，即磁感 电流方向 线的方向随之改变。 直线电流的方向跟它产生的磁场的磁感线方向之间的关系， 可以用安培定则（ ’s rule，也叫右手螺旋定则）来判断。 Ampè re 如图5-2-9所示，用右手握住导线，让大拇指指向电流的方向， 则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。 探究通电线圈的磁场 环形电流磁场的磁感线分布如图 5-2-10 所示。环形电流 磁感应强度方向 磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的 图5-2-9 直线电流磁感线分布 中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直（图5-2-11）。5 第 章 电磁场与电磁波 93 图5-2-10 铁屑在环形电流磁场中的分布 图5-2-11 环形电流的磁场 请讨论，环形电流的方向跟中心轴上的磁感线方向之间有 什么关系？怎样判断环形电流的磁感线方向？ 通电螺线管的磁场分布如图5-2-12所示。螺线管（solenoid） 通电以后，就像一根条形磁铁，一端相当于北极，另一端相当 于南极。改变电流的方向，它的南北极就对调。通电螺线管外 部磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从北极出来，进 入南极。 通电螺线管内部也有磁场。如果通电螺线管很长，螺线管 内中间部分的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由南极指向北 极，并和外部的磁感线连接，形成闭合曲线。因此，长直通电 螺线管内中间部分的磁场近似为匀强磁场。在科学研究和生产 中，我们常常利用较长的通电螺线管来提供匀强磁场。 通电螺线管的电流方向跟它产生的磁场的磁感线方向之间 的关系，也可用安培定则来判断。请你参见图 5-2-13，把判断 通电螺线管外部和内部的磁感线方向的方法总结出来。 N S I I 图5-2-12 铁屑在通电螺线管的磁场中的分布 图5-2-13 确定通电螺线管磁场的安培定则94 家庭作业与活动 1. 通电直导线附近的小磁针如图 所示，请 4. 如图 所示，A为橡胶圆盘，其盘面竖直。 5-2-14 5-2-17 标出导线中的电流方向。 B为紧贴A的毛皮。在靠近盘的中轴上有一个 小磁针静止于图示位置。当沿图中箭头的方向 转动把手C时，小磁针将发生什么现象？ 图5-2-14 2. 在“探究通电螺线管周围 的磁场方向”的实验中， 图5-2-17 在螺线管附近放置了一枚 小磁针，通电后小磁针静 5. 历史上对地磁场的形成有这样一种看法：我们 止时的指向如图 所 居住的地球是一个带电星球，它带的电荷量约 5-2-15 示。图中通电螺线管的左 为 × ，由于地球自西向东旋转，会形成 6 图5-2-15 4 10 C 端为 极，小磁针的 许多环形电流，如图 所示。由此猜想: 5-2-18 A端为 极。 地球带的是 (选填“正”或“负”)电。 3. 如图 所示，在x轴和y轴构成的平面直 5-2-16 角坐标系中，过原点再做一个z轴，就构成了 空间直角坐标系。匀强磁场的磁感应强度 B = ，方向沿 x 轴正方向，且 ab = dc = 0.2 T ，bc = ef = ad = ，通过面积S (abcd )、 0.4 m 0.3 m 1 S (befc)、S (aefd)的磁通量Ф 、Ф 、Ф 各是 2 3 1 2 3 多少？ 图5-2-18 图5-2-165 第 章 电磁场与电磁波 95 5.3 电磁感应 法拉第发现电磁感应的艰难历程 新课题的提出 既然电能转化为磁，那么磁也应该能转化为电。奥斯特、 亨利 （J. Henry）、科拉顿（T. Colladen）等当时著名的科学家， 都曾对“将磁转变为电”进行过研究，但均未能取得实质性进展。 时任英国皇家研究所实验室主任的法拉第从 1822 年起即致力于 “把磁转变为电”的研究。他在一篇日记中写道：“从普通的 法拉第（ ， — M. Faraday 1791 磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流的感应 ）， 世纪伟大的物理学家、 1867 19 化学家、发明家，电磁理论的 效应。” 奠基人。他发现了电磁感应现 象，提出了场的概念和用力线 描述场的方法。麦克斯韦曾说： 思维定势路漫长 “我们把法拉第首先看作是科 法拉第开始进行“把磁转变为电”的实验研究时，想法比 学家中最有成效、最崇高的典 型……他高尚简单而无戏剧性 较简单。他的基本思路是： 紧张情节的生活，将同他那使 既然恒定的电流能产生磁场，那么放在磁体旁边的导体也 他名字不朽的发现一起永远铭 应能感应出电流；既然电荷可以感应出电荷，那么电流也应能 刻在人们的记忆中。” 感应出电流。 法拉第基于上述思路，在很长一段时间内，基本上做了如 下两种类型的实验：一是将两根导线并列放置，将其中的一根 导线通以电流，希望在另一根导线中感应出电流；二是在强磁 体旁边放置导线或线圈，希望在导线或线圈中感应出电流。这 两类实验都没有成功。他在一个铁环上绕了两个线圈（图 5-3- 1），将其中一个线圈（原线圈）接在电池上，另一个线圈接电 流计，也没有感应出电流；他不断增加电池的数量，将原线圈 几乎烧坏了，还是感应不出电流。 探索之路如此漫长，时间已过去十年。法拉第在实验日记 上记下了一次次的失败，也一次次地表达了他“把磁转变为电” 图5-3-1 法拉第做实验用的线圈 的坚定信念。 深入探究得真谛 时至 1831 年 8 月 29 日，法拉第再次用图 5-3-2 所示的线 圈做实验。图 5-3-3 是实验装置示意图，A 线圈两端与开关和 电池组连接，B线圈两端用导线连接，在导线下放一枚小磁针。 法拉第发现，每当开关闭合或断开时，小磁针都突然跳动一下； 将A线圈维持接通状态，小磁针则不动。96 A B N S N S 图5-3-2 法拉第实验示意图之一 图5-3-3 法拉第实验示意图之二 我不能不认为……关于磁电 1831 年 9 月 24 日，法拉第做了如图 5-3-3 所示的实验。 的这个发现是迄今为止所获得的最 将两根条形磁铁成V形放置，在张开的两端（分别为N、S极） 伟大的实验成果。这是法拉第成就 之间，放一根绕有线圈的圆铁棒，线圈与电流计连接。他发现 的勃朗峰。 当圆铁棒脱离或接触磁极的瞬间，电流计的指针发生偏转。 ——丁铎尔 1831 年 10 月 17 日，法拉第在一个纸做的空心圆筒上，用 220 英尺铜线绕了 8 个线圈，再将这 8 个线圈串联或并联后与 电流计连接，然后将一根条形磁铁以不同的速度插进空心圆筒 内，观察电流计指针的偏转情况。 十年磨一剑。法拉第终于找到了开启电能宝库的“金钥匙”：“把 磁转变为电”不是一种稳态效应，而是一种在变化、运动过程中才 会出现的效应。他把“变化”“运动”概括为：变化的电流、变化 的磁场、运动的磁铁、在磁场中运动的导体等。 法拉第把这种由磁得到电的现象称作为电磁感应 （electromagnetic induction）现象。在电磁感应现象中产生的电 据说，法拉第在英国皇家学 流叫做感应电流（induction current）。 会上演示他的圆盘发电机时，一位 为了获得持续的感应电流，1831 年 10 月 28 日，法拉第将 贵妇人问：“先生，你发明这种玩 意儿，又有什么用呢？”法拉第沉 一个铜圆盘放在永久磁铁的两极之间，再从铜盘的轴心和边上 思片刻，答道：“夫人，新生的婴 引出两根导线，转动圆盘，导线中就有了持续的电流。这就是 儿又有什么用呢！” 世界上第一台“直流发电机”。 请思考：从法拉第发现电磁感应的艰难历程，你有什么体会 和感想？ 探究感应电流产生的条件 通过法拉第发现电磁感应的过程，你能归纳出产生感应电流 的条件吗？ 实验探究 产生感应电流的条件 请完成以下两个实验。实验中，要注意观察感应电流是在怎 样的条件下产生的。5 第 章 电磁场与电磁波 97 实验1 用图5-3-4所示的装置进行实验。观察当条形磁铁 插入或拔出线圈时，线圈中产生感应电流的情况。 S 请讨论：如图5-3-5所示，在条形磁铁插入线圈的过程中， 线圈中的磁通量怎样变化？在拔出过程中，线圈中的磁通量又是 N 怎样变化的？ 在初中，我们知道图5-3-6所示的实验中，导体切割磁感线 时也会产生感应电流。你能用磁通量变化产生感应电流来解释这 图5-3-4 条形磁铁和线圈有相对 个现象吗？ 运动，就会产生感应电流 图5-3-3 法拉第实验示意图之二 SS S SS S NN N NN N SS S NN N aa a bb b 图5-3-5 磁铁插入和拔出线圈时，线圈中的磁通量发生变化 图5-3-6 导体切割磁感线产生感应电流 实验2 用图5-3-7所示的装置进行实验。这里有两个线圈， 原线圈A通电后就是一个电磁铁，怎样做才能使副线圈B中产生 电流？ 不做实验，任何预测都没有 意义。理论再好，没有实验，预测 就没有任何实际意义。 ——丁肇中 图5-3-7 改变原线圈中的电流，在副线圈中产生感应电流 请记录： 在怎样的情况下，副线圈中有感应电流。感应电流是否持续。98 请讨论： 1. 本实验与法拉第的哪一类实验相似？法拉第当初对该实验 现象是怎样认识的？ 2. 在开关闭合和断开的瞬间，副线圈B中的磁通量是怎样变 化（增加或减少）的？请从磁通量变化的角度，总结出闭合电路 中产生感应电流的条件。 大量事实表明：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭 合电路中就会产生感应电流。 电磁感应现象的应用 电磁感应现象及其规律的发现 , 使人类进入电气化时代。 电磁感应现象除了在发电机中直接应用外，还广泛应用于变压 器、电磁炉、动圈话筒、无线充电器等的工作过程。 变压器 为了获得不同电压的交流电，人们往往会利用变压器来实 现。变压器是利用电磁感应现象来改变交流电压的装置。其主 要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯。当初级线圈中输入一定 电压的交变电流时，铁芯中将产生交变磁场，交变磁场使次级 线圈中产生感应电流，这样便可以向电器提供某一电压的电流。 初级线圈的匝数少于次级线圈时，变压器起到升压的作用，次 级线圈的输出电压高于初级线圈的输入电压；初级线圈的匝数 多于次级线圈时，变压器起到降压的作用，次级线圈的输出电 压低于初级线圈的输入电压。 电磁炉 电磁炉又称为电磁灶（图 5-3-8）。电磁炉是利用电磁感 应现象进行锅内食物加热的家用电器。电磁炉的炉面是耐热、 耐冲击的高强度陶瓷板，陶瓷板下方是产生交变磁场的线圈。 电磁炉工作时，利用特殊装置产生高频交变电流流过陶瓷板下 方的线圈，高频交变电流通过线圈便产生方向不断改变的交变 磁场。因此，处于交变磁场中的平底铁锅或平底不锈钢锅的底 部会产生强大的感应电流，锅底内的感应电流的热效应使得锅 图5-3-8 电磁炉 底迅速升温，从而实现加热锅内食物的目的。5 第 章 电磁场与电磁波 99 动圈式话筒 话筒旧称麦克风，是一种声电转换的换能器。话筒种类繁 多，但电路比较简单。其中有一种是利用电磁感应原理的动圈 式话筒（图 5-3-9）。动圈式话筒工作时，声音使得话筒的振 膜振动，带动磁场中线圈的振动，磁场中运动的线圈便产生感 应电流（电信号），线圈中的感应电流（电信号）经过放大器 放大后输入扬声器，扬声器再把电信号转化为薄膜的振动，产 生声音。 图5-3-9 动圈式话筒 信息浏览 无线充电器 其一是与电源连接无线充电器，负责产生变化的 无线充电器指不用传统的导线连接到需要充 磁场；其二是一般安装在电子产品里的线圈，负 电的设备上进行充电的器件。在无线充电过程中， 责接受变化磁场并产生感应电流，从而给设备电 充电器通过产生的变化磁场作用于需要充电设备， 池充电。 在需要充电的设备中产生感应电流，从而完成待 充电电池的充电。也就是说，应用无线充电技术， 用户只需要将待充电设备放在充电器的“平板” 上即可进行充电。 无线充电技术过去曾经出现在手表和剃须刀 上。但是，当时还无法针对大容量锂离子电池进 行有效充电。经过科学家不断探索，目前解决了 大容量锂离子电池的充电问题，实现了手机等产 品的无线充电。无线充电技术必须有两个环节： 图5-3-10 手机无线充电图 家庭作业与活动 家庭作业与活动 1. 如图 所示，竖直放置 电流，下列说法中正确的是（ ）。 5-3-11 的长直导线通以恒定电流， 有一矩形线框与导线在同一平 面，在下列情况中线圈产生感 应电流的是（ ）。 长直导线中的电流变大 A. 线框向右平动 B. 图5-3-11 图5-3-12 线框向下平动 C. 线框以ab边为轴转动 . 当磁铁向纸面外平移时，线圈中不产生感应 D. A 2. 如图 所示，在正方形线圈的内部有一 电流 5-3-12 条形磁铁，线圈与磁铁在同一平面内，两者有 . 当磁铁向上平移时，线圈中不产生感应电流 B 共同中心轴线OO′。有关线圈中是否产生感应 . 磁铁在线圈平面内顺时针转动时，线圈中产 C家庭作业与活动 100 生感应电流 指针的偏转情况是________(选填“向左 . 当磁铁 极向纸外、 极向纸内绕OO′轴 偏”“向右偏”或“不偏转”)。 D N S 转动时，线圈中产生感应电流 （ ）断开开关，待电路稳定后再迅速闭合开关， 2 3. 某同学在“探究电磁感应产生条件”的实验中， 电流表乙的指针的偏转情况是________(选 设计了如图 所示的装置。线圈A通过电 填“向左偏”“向右偏”或“不偏转”)。 5-3-13 流表甲、高阻值的电阻R′、滑动变阻器R 和开 4. 磁感应强度为B的匀强磁场仅存在于边长为 l 2 P 关S连接到电源上，线圈B的两端接到另一个 的正方形范围内，有一个电阻为R、边长为l的 电流表乙上，两个电流表完全相同，零刻度居中。 正方形导线框abcd，沿垂直于磁感线方向，以 闭合开关后，当滑动变阻器R的滑片P不动时， 速度v匀速通过磁场区域，如图 所示， 5-3-14 甲、乙两个电流表指针的位置如图所示。 从ab边进入磁场开始计时。 （ ）画出穿过线框的磁通量随时间变化的图像； 1 （ ）从进入到穿出磁场的过程中，请分析线框 2 中产生感应电流的情况。 图5-3-13 （ ）当滑片P较快地向左滑动时，电流表甲的 1 指针的偏转情况是________，电流表乙的 图5-3-145 第 章 电磁场与电磁波 101 5.4 电磁波 伟大的丰碑——电磁场理论 1831 年，法拉第发现电磁感应现象，麦克斯韦同年降生。 电磁研究的接力棒传到了又一位巨人手中，法拉第的实验最终 由麦克斯韦完成理论解释。 法拉第通过对自己电磁实验的深入思考，提出了一种全新 的观点：磁体和电荷周围存在着一种由电荷和磁体本身产生的 连续的介质，通过这种介质传递着电磁相互作用。法拉第把这 种看不见、摸不着的介质，称做场（field）。 场的概念也使自然哲学对物质概念的认识提升到一个新的 高度，即物质的存在可以有两种形态：一种是以分子、原子等 实物粒子的形态存在的，另一种就是以场的形态存在的。 麦 克 斯 韦 （ ， T. Maxwell 深入研究了奥斯特实验和法拉第电磁感应实验后 , 麦克斯 — ），英国数学家、 1831 1879 物理学家，经典电磁理论的 韦提出了电磁场理论，其主要内容如下： 奠基人。 （1）变化的磁场能产生电场。如果磁场的变化是均匀的， 产生的电场是稳定的；如果磁场的变化是不均匀的，产生的电场是 变化的。 （2）变化的电场能产生磁场。如果电场的变化是均匀的，产 生的磁场是稳定的；如果电场的变化是不均匀的，产生的磁场是变 化的。 麦克斯韦的电磁场理论，全面系统地总结了前人有关电 磁现象的发现。法拉第的“力线”和场的思想，以及创造性 地推导出全面反映电磁规律的麦克斯韦方程，奠定了电磁学 的理论基础；预言了电磁波的存在，完成了物理学的又一次 大综合。 电磁波的存在 麦克斯韦的电磁场理论，特别是电磁波的预言，深邃而新 颖，以至在它问世后的相当长时间内没有得到普遍的认同，一 些科学家对这一没有通过实验证明的理论表示怀疑。直到 1887 年，德国物理学家赫兹才用实验发现了电磁波。 赫兹的贡献在于用实验事实证明了麦克斯韦电磁场理论的 正确性，进一步证明了电磁场的物质性，为人类利用电磁波奠 定了重要的基础，预示着广泛利用电磁波技术的时代即将到来。102 实验探究 感受电磁波 如图 5-4-1 所示，打开收音机，转动调谐旋钮至无电台 处，再调音量旋钮，使音量大些。取一节干电池和一根导线， 先将导线的一端跟电池的一个极相接，再用导线的另一端与 电池的另一个极迅速断续接触。在接通和断开这一电路的瞬 间，发出了电磁波并被收音机接收，收音机便发出“咯、咯” 的声音。 思考与讨论 图5-4-1 感受电磁波实验 电磁波的应用 物理学家们花了几十年的时 赫兹发现电磁波后，人们通过许多实验，证明光也是一种 间才理解到麦克斯韦发现的全部意 电磁波，而且还发现了其他形式的电磁波。电磁波已广泛用于 义……只是等到赫兹以实验证实了 麦克斯韦电磁波的存在以后，对新 广播、电视、医疗、军事和工业生产等人类活动。 理论的抵抗才被打垮。 通常人们按照波长将电磁波划分为无线电波、红外线、可 ──爱因斯坦 见光、紫外线、X 射线、γ射线六种。 进入人眼能引起视觉的电磁波叫做可见光。如果没有可见光， 地球上的生物就难以生存，世界就不会丰富多彩。 无线电波广泛用于广播、电视、无线网络和移动通信，成 为人类生活不可或缺的工具。 红外线容易透过云雾、烟尘，因此被广泛应用于红外遥感 和红外高空摄影。 紫外线能够杀死活细胞，医院病房常用紫外线灯杀菌。紫 外线还具有较强的荧光效应。我们常用的日光灯和农业上消灭 害虫的黑光灯，都是用紫外线来激发荧光物质发光的。较强的 红外线和紫外线照射眼睛和皮肤时，可能使眼睛受伤和皮肤灼 伤甚至癌病。因此，人们必须采取防护措施，避免较强的红外5 第 章 电磁场与电磁波 103 线和紫外线对人体的危害。 X 射线有穿透物质的本领。这种特性在工业上可以用来检 查部件的裂纹和气孔，在医学上则可以用来透视人体和检查体 内的病灶（图5-4-2）。 γ 射线比 X 射线的穿透能力更强，也常用于工业生产中探 测部件裂纹和气孔，还用来杀死癌细胞。 X 射线和 γ 射线照射人体时，会使正常细胞受到伤害甚至 死亡。因此，必须对X 射线和γ射线进行防护。 你周围的环境中，哪些设备是借助于电磁波进行工作的？ 图5-4-2 用X射线进行医疗诊断 光的量子化特征 在18~19世纪，人们通过大量实验证明，光是一种电磁波。 这几乎完全否定了过去光的微粒学说，也使人们对光的能量的 连续性深信不疑。其实，在发现电磁波的实验中，赫兹为了使 接收器两个小球之间缺口放电强一些，尝试用高能射线照射接 收器缺口，果然发现电火花变得很强。于是，赫兹把振荡器的 电源开关关掉，用不同的射线照射接收器缺口。他发现，高频、 高能量射线照射这个缺口的时候，立刻有电火花跳动；低频、 低能量射线无论照射这个缺口多长时间，始终没有电火花产生。 这一现象称为光电效应（photoelectric effect）。然而，赫兹无法 用电磁波的理论来解释光电效应。 1905 年，爱因斯坦发表了一篇《关于光的产生和转变的启 发性的观点》的论文，提出了光量子概念，圆满地解释了光电 效应。他认为，当光量子的能量大于某一值时，金属中的电子 就能够获得光量子的能量而形成光电流；当光量子的能量小于 某一值时，金属中的电子不能脱离原子束缚，始终不会形成光 电流。光电效应说明了光的能量是不连续的，具有量子化特征。 当然，光的量子学说并不是传统的光的微粒说。我们现在知道， 无论是光还是电子，都具有量子化特征，这是微观世界的一个 最基本的特征。 信息浏览 电磁辐射的危害与防护 以是慢性的。它会引起人体的心血管系统、神经 电磁波在给人类带来福祉的同时，也给人类 系统和造血系统的功能紊乱，造成人体免疫力下 的生存环境带来危害。电磁辐射会引起人体的疾 降。人长时间处于电磁辐射作用下，容易引起 病，电磁辐射引起的环境污染叫做“电磁污染”。 头晕、失眠、嗜睡等神经功能的紊乱症状，也 电磁辐射对人体的危害可以是急性的，也可 有可能使人体白细胞下降、视力模糊、心电图104 不正常。特别是强电磁辐射作用会导致人体多种 保持适当的距离。 器官的损坏。 （ ）电磁屏蔽。 2 避免或减小电磁辐射危害的方法主要有： 屏蔽主要是利用导电性能和导磁性能良好的 （ ）正确摆放和使用家用电器。 金属板和金属网，通过反射和吸收来阻隔电磁波 1 家用电器摆放要合理，不要过于集中放置， 的传播。例如长期在强电磁辐射环境下工作的人， 尽可能在卧室内少放置电器。正确使用家用电器， 应穿具备电磁屏蔽功能的衣服。 家用电器的电磁辐射量一定要在国家标准规定的 （ ）注意饮食，多吃些富含维生素 或螺 3 B 范围内。电器使用的时间不宜过长，且尽可能避 旋藻的食物。 免多台电器同时使用，使用时人体与电器之间要 家庭作业与活动 1. 根据麦克斯韦电磁场理论 , 下列说法中正确 2. 电磁波包含了γ射线、红外线、紫外线、无线 的是（ ）。 电波等，按波长由长到短的排列顺序是无线电 .变化的磁场一定产生变化的电场 波、________、________、________。 A 均匀变化的磁场一定产生均匀变化的电场 3. 电磁波是一个大家族，生活中有许多应用会涉 B. 稳定的电场一定产生稳定的磁场 及电磁波，请举出几个与你关系密切或印象深 C. 并不是只要空间有变化的电场或磁场,就一 刻的实例。 D. 定能够产生电磁波5 第 章 电磁场与电磁波 105 第 5 章家庭作业与活动 A组 6. 电磁波在生活中有着广泛的应用。不同波长的 1. 请判断下列说法是否正确。 电磁波具有不同的特性，因此也有不同的应用。 （ ） 空间各点磁场的方向就是该点磁感线 下列器件与其所应用的电磁波对应关系不正确 1 的切线方向。 的是（ ）。 （ ） 磁感线越密，该处磁通量越大。 . 雷达 — 无线电波 . 手机 — 射线 2 A B X （ ） 磁感线越疏，该处磁感应强度越大。 . 紫外消毒柜 — 紫外线 . 遥控器 — 红外线 3 C D （ ） 近距离平行放置的两个条形磁铁异名 7. 如图 所示，一个金属薄圆盘水平放置在 4 5-A-4 磁极间的磁场是匀强磁场。 竖直向上的匀强磁场中，下列做法中能使圆盘 （ ） 铁屑在磁场中显示的就是磁感线。 中产生感应电流的是（ ）。 5 （ ） 磁通量为零并不说明磁感应强度为零。 . 圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动 6 A 2. 如图 所示，线圈ABCO的面积为 2 ， . 圆盘以某一水平直径为轴匀速转动 5-A-1 0.4 m B 匀强磁场的磁感应强度B = ，方向为x轴正 . 圆盘在磁场中向右匀速平移 0.1 T C 方向。在线圈由图示位置绕z轴向下转过 ° . 匀强磁场均匀增加 60 D 的过程中，通过线圈的磁通量改变 。 Wb 3. 如图 所示，在水平虚线上方有磁感应强 5-A-2 度为 B、方向水平向右的匀强磁场，下方有 2 磁感应强度为B、方向水平向左的匀强磁场。 边长为l的正方形线圈放置在两个磁场中，线 圈平面与水平虚线成α角，线圈分处在两个 磁场中的面积相等，则穿过线圈平面的磁通量 的大小为 。 图5-A-4 y 8. 如图 所示，当 5-A-5 电流通过线圈时，磁 O C x B A B 2 针的南极指向读者。 S N B α 60° 试确定线圈中电流的 z 方向。 图5-A-1 图5-A-2 9. 如图 所示，小 5-A-6 4. 如图 所示，在条形磁铁外套有A、B两个 磁针静止在通电螺线 5-A-3 图5-A-5 大小不同的圆环，穿过A环的磁通量Ф 与穿过 管的内部，请分别标 A B环的磁通量 Ф 相比较，则（ ）。 出通电螺线管磁场方向和小磁针的南北极。 B N Ф > Ф A. A B A B Ф < Ф B. A B Ф = Ф C. A B S 不能确定 图5-A-3 D. I 5. 建立完整的电磁场理论并首先预言电磁波存在 的科学家是（ ）。 图5-A-6 . 法拉第 . 奥斯特 A B . 赫兹 . 麦克斯韦 C D106 10. 把小磁针放在磁场中，磁场的磁感线如图 所示。说明该磁场的特点。小磁针将 5-A-7 怎样转动？它最终停在哪个位置？ 图5-B-2 S B . BS . 4 BS A B 5 . 3 BS . 3 BS N C 5 D 4 图5-A-7 5. 如图 所示，开始时矩形线框与匀强磁 5-B-3 11. 下列说法正确的是（ ）。 场的方向垂直，且一半在磁场内，一半在磁场 . 恒定电流能够在周围空间产生稳定的磁场 外。若要使线框中产生感应电流，下列方法中 A . 稳定电场能够在周围空间产生稳定的磁场 不可行的是（ ）。 B 均匀变化的电场能够在周围空间产生稳定的 C. 磁场 均匀变化的电场和磁场互相激发，形成由近 D. 及远传播的电磁波 B组 1. 在闭合铁芯上绕有一组线圈，线圈与滑动变阻 器、电池构成电路，假定线圈产生的磁感线全 图5-B-3 部集中在铁芯内，a、b、c三个闭合金属圆环 位置如图 所示，当滑动变阻器的滑片P 将线框向左拉出磁场 5-B-1 A. 左右滑动时，能产 以ab边为轴转动(小于 °) B. 90 生感应电流的圆环 以ad边为轴转动(小于 °) C. 60 是（ ）。 以bc边为轴转动(小于 °) D. 60 . a、b两环 6. 现将电池组、滑动变阻器、带铁芯的线圈A、 A . b、c两环 线圈B、电流计及开关如图 所示连接。 B 图5-B-1 5-B-4 . a、c两环 下列说法中正确的是（ ）。 C . a、b、c三个环 开关闭合后，线圈A插入或拔出线圈B都 D A. 2. 把一个面积为 × -2 2 的单匝矩形线圈放在 会引起电流计指针偏转 5 10 m 磁感应强度为 × 的通电螺线管中，当线 线圈A插入线圈B中后，开关闭合和断开 -2 2 10 T B. 圈平面与磁场方向垂直时，穿过线圈的磁通量 的瞬间电流计指针均不会偏转 多大？ 开关闭合后，滑动变阻器的滑片P匀速滑 C. 3. 将面积为 2 的导线环置入通电螺线管中部， 动，会使电流计指针静止在中央零刻度处 0.4 m 环面与磁场方向垂直。已知穿过导线环的磁通 开关闭合后，只有滑动变阻器的滑片P加 D. 量是 × ，求导线环处磁场的磁感应 速滑动，电流计指针才能偏转 -2 2.0 10 Wb 强度。 4. 如图 所示，矩形导体线框abcd放置在 5-B-2 水平面内。磁场方向与水平方向成α角，已知 α = 4，回路面积为S，磁感应强度为B，则 sin 5 通过线框的磁通量为（ ）。 图5-B-46 第 章 能源与可持续发展 随着人类文明的不断进步，地球上的能源消耗量正在以 惊人的速度增长。与此同时，地球上的矿物燃料储藏量正在 急剧地减少。而且，化石燃料的大量使用，已导致了全球气 候变暖等生态环境问题。面对日趋严重的能源危机和环境污 染，人类必须思考： 能源和环境与人类生存有怎样的关系？ 能源的开发和利用会带来哪些问题？ 未来究竟应该使用什么样的能源？ 怎样才能做到可持续发展？ 本章将首先学习能量守恒定律，了解能量转化过程的方 向性；接着从目前能源的开发、利用和消耗情况出发，认识 能源和环境与人类生存的关系；最后研究能源开发利用带来 的问题及其应对策略，分析技术进步对利用自然资源和节约 能源的影响，树立节能与环境保护的意识和行为，探讨可持 续发展的战略。108 6.1 能量的转化与守恒 在变化的世界中探索一种不变的秩序，历来是哲学家、科 学家感兴趣的课题。能量守恒定律的发现经历了漫长的过程。 不同形式能量的转化 进入19 世纪以后，相继出现了一系列关于不同运动形式之 间联系与转化的新发现。 1800年，意大利科学家伏打（C. Volta）发明“伏打电堆”， 实现了化学运动与电运动之间的转化，这是不同运动形式的联 系与转化的重要环节。1820 年，丹麦物理学家奥斯特发现了电 流的磁效应，揭示了电与磁的联系。1821年，法拉第制成了“电 磁旋转器”，实现了电运动和机械运动之间的转化。 迈尔是德国的青年医生，他是从生理学出发对能量进行研 究的。他在一家造纸厂设计了一个实验，通过搅拌纸浆，测出 纸浆的升温，计算出一定的机械功所产生的热。他进一步将机 械能与热能的转化关系扩展到其他现象，分析了 25 种不同形式 能量之间的转化现象，形成了一切能量可以相互转化的思想。 在各种不同的自然现象中，机械运动和热运动的联系与转 化最为普遍。英国物理学家焦耳以此为突破口，从 19 世纪 40 年代起，经历40 年的沧桑，设计了各种不同的方案，先后做了 400 多次实验，测定功与热之间的当量关系。焦耳用日益精确 的数据，奠定了各种形式能量之间互相转化与守恒的实验基础。 能量守恒定律 大量事实证明：各种运动形式及其对应的能量可以互相转 化，其总量在转化中守恒。 能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形 式转化为其他形式，或者从一个系统（物体）转移到其他系统（物 体），在转化和转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定 律（the law of conservation of energy）。 能量守恒定律是自然界的一条普遍规律。任何自然过程， 不论是物理的、化学的、生物的，也不论是宏观的、微观的， 都得遵循能量守恒定律。这是科学规律统一性的表现。 能量守恒定律可以指导人们有效地开发和利用新能源，也 可以指导人们主动地创造条件，实现能量的转化，以实现某种 特定的应用。例如红外摄影，就是把目标物发出的能量微弱的 红外线接收下来，转化为电信号进行放大，再把放大了的电信6 第 章 能源与可持续发展 109 号转化为光信号显示出来。 恩格斯把能量守恒定律、细 能量守恒定律可以指导人们对新的物理现象做出解释，建 胞学说、达尔文的生物进化论，称 立新的理论，或根据物理现象做出惊人的预言。例如，爱因斯 为19世纪中叶自然科学的“三个 伟大发现”。 坦光电效应方程就是能量转化与守恒的反映。 能量守恒定律也可以用来启迪和检验新的发明。历史上曾 风靡一时的永动机，无论构思多么巧妙，外表多么华丽，由于 违背了能量守恒定律，只能以失败告终。 能量转化的方向性 在自然界中，任何运动变化过程都遵循能量守恒定律。那么， 能量可以被人们不断地反复利用吗？ 在自然界中，一切自发过程都是有方向性的，是不可逆的。 a 怒放的礼花不可能收回再放 b 水往低处流，下落的石头也不 生活经验告诉我们，热量能够自发地从高温物体传到低温 a 怒放的礼花不可能收回再放 会把内能自动转化为动能，使自 b 水往低处流，下落的石头也不 己重新飞上天去 会把内能自动转化为动能，使自 物体，却不能自发地从低温物体传到高温物体。这是因为热传 己重新飞上天去 递具有方向性。 打开一瓶香水，香水分子总是自发地向四周散开，不会自 发地从四面八方重新聚集到瓶子里。 河水只能从高处流向低处，“奔流到海不复回”，不会自动地 从低处流向高处。 一块石块从高处落下，重力势能转化为动能和由于克服空 气阻力做功而产生的内能。当石块落到地面最终静止的时候， a 怒放的礼花不可能收回再放 b 水往低处流，下落的石头也不 其动能又转化为由a于怒撞放击的礼而花产不生可的能收内回能再。放然而静止在地面上的 会b把内水能往自动低转处化为流动，能下，落使自的石头也不 己会重新把飞内上天能去自动转化为动能，使自 石块不会把它的内能自动转化为动能，使自己重新升到空中。 己重新飞上天去 物理学研究表明，不同形式的能量可以互相转化 , 在转化 图6-1-1 过程的方向性 过程中能量总量保持守恒, 能量转化是有方向性的。 家庭作业与活动 1. 分析打桩机工作时各种形式的能量是如何转化 5. 人体在最佳状态下只能把其化学能的25%转化 的。 为有用的机械能。假设一位质量为60 kg的同 2. 简述闭合电路中的能量转化过程。 学有这样的转化效率，他登山时平均每小时登 3. 分析你家中消耗的电能分别转化为哪些能量。 高400 m，那么，在3 h内，该同学共消耗了多 4. 分析在地热发电、风力发电、太阳能光电池等 少化学能？g取10 m/s2。 发电方式中，发生的是什么样的能量转化。110 6.2 能源利用与环境污染 能源及其分类 所谓能源，是指能够提供可利用能量的物质。它是人类赖 以生存和生活的重要物质基础。人类利用能源的历史大致经历 了柴薪、煤炭、石油这三个时期。 目前，人类消耗的能源主要是煤、石油、天然气等。这些 能源在有限的时间内不可再生，通常叫做不可再生能源。水能、 风能、太阳能、生物质能、海洋能等，可以由自然的力量再生， 叫做可再生能源。 我国的能源现状 当今世界人类最关心的五大 我国能源资源总量比较丰富。我国拥有较为丰富的化石能 问题是：能源、粮食、环境、人口 源资源，其中煤炭占主导地位，石油、天然气资源储量相对不足。 和资源。 截至 年底，煤炭探明储量为 × ，石油为 亿 12 为了把各种燃料从所含能量 2015 1.145 10 t 257 桶（约合 × ），天然气为 × 。油页岩、煤层气 的角度统一起来，能源科学中引 10 12 3.5 10 t 4.8 10 t 进了“标准煤”的概念，1 kg标准 等非常规化石能源储量潜力较大。我国拥有较为丰富的可再生 煤的热值为2.92 × 107 J。原油、 能源资源，水力资源的可开发年发电量列世界首位。 天然气、原煤与标准煤的换算关 由于我国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较 系为： 低水平，煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的 1 t原煤 = 0.714 t标准煤， 1 t原油 = 1.43 t标准煤， ，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的 左右。 50% 1/15 1000 m3天然气 = 1.10 ~1.33 t 而且，我国能源资源分布广泛但不均衡，资源赋存与能源消费 标准煤。 地域存在明显差别。 改革开放以来，中国能源工业迅速发展，为保障国民经济 持续快速发展作出了重要贡献。经过几十年的努力，中国已经 初步形成了煤炭为主体、电力为中心、石油天然气和可再生能 源全面发展的能源供应格局，基本建立了较为完善的能源供应 体系。随着经济的发展，我国人均能源消费量将逐年增加，能 源工业有待于进一步发展。 近年来，我国能源节约效果显著，万元国内生产总值能源 消耗逐年下降。能源消费结构不断优化，目前我国能源消费结 构如图 所示，其中原煤占 ，原油占 ，天然气 6-2-1 63.7% 18.6% 图6-2-1 我国能源消费结构（2015年） 占 ，一次电力（水电、核电、再生能源发电）占 。 5.9% 11.9% 人类生存环境及污染 煤炭、石油等化石燃料的大量使用，带来了严重的环境污 染问题。直接的污染是大气污染和水污染 , 引起的后果是温室6 第 章 能源与可持续发展 111 效应和酸雨。据统计，2015年，我国二氧化硫的排放量达1.974× 107 t，其中 88% 是工业排放。酸雨面积占国土面积的 7.6%，酸 雨城市比例为22.5%，酸雨频率平均为 14.0%，酸雨类型总体为 硫酸型，污染主要分布在长江以南—云贵高原以东地区。由酸 声波的能量越大，声音就越 强。人们通常用声级计测量声音 雨造成的经济损失约占当年国内生产总值（GDP）的2%。 的强弱，声级的单位是分贝（dB）。 我国城市生活垃圾的历年堆存量已达到 6 × 109 t，现在已 正常人刚能听到的最弱的声音叫做 有不少城市被日益增多的垃圾所困扰。迄今为止，我国许多城 听阈，听阈的声级为0 dB。人耳 市处理生活垃圾仍以露天堆放、填埋为主，这不仅占用了宝贵 开始感到疼痛的声音叫做痛阈，痛 阈的声级为120 dB。人们轻声耳 的土地资源，而且对环境造成了严重的二次污染。 语的声级为30 dB，一般交谈的 废旧电池对环境的污染也十分严重。资料表明，一节 1 号 声级为60 dB，大声吵嚷的声级为 有汞电池烂在地里，会使 1 m2 的土地失去农业价值；一粒纽扣 80 ~ 90 dB，火车、拖拉机开动时 电池会使600 t 水受污染而无法饮用。 的声级为100 dB，大炮发射炮弹 环境噪声污染、光污染、电磁辐射污染等也日趋严重，越 时和飞机起飞时的声级为130 dB。 来越被人们所关注。 环境噪声污染是指在工业生产、建筑施工、交通运输和社 会生活中所产生的环境噪声超过国家规定的环境噪声排放标准， 并干扰他人正常生活、工作和学习的现象。 一般将光污染分成白亮污染、人工白昼和彩光污染三类。 所谓白亮污染，就是在阳光强烈照射时，城市里建筑物的玻璃 幕墙、釉面砖墙、磨光大理石和各种涂料等装饰物反射光线， 明晃白亮、炫眼夺目。长时间在白色光亮污染环境下工作和生 活的人，视网膜和虹膜都会受到不同程度的损害，视力急剧下降， 产生类似神经衰弱的症状。所谓人工白昼，就是在夜幕降临后， 商场、酒店的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，如同白天一样。人工 白昼扰乱人体正常的生物钟，导致白天工作效率低下。所谓彩 光污染，就是舞厅、夜总会安装的黑光灯、旋转灯、荧光灯以 及闪烁的彩色光源构成的光污染。彩光污染有损人的生理功能， 伤害眼睛，干扰大脑中枢神经，出现头晕目眩、恶心呕吐、失 眠等症状，还会影响人的心理健康。 图6-2-2 大气被污染 图6-2-3 水被污染112 现代科学研究发现，电视机、空调器、电冰箱、电风扇、 洗衣机、组合音响、电脑等各种家用电器和电子设备，在使用 过程中会产生多种不同波长和频率的电磁波，这些电磁波充斥 空间，对人体具有潜在的危害，被称为“电磁污染”。 “白色污染”是人们对塑料垃圾污染环境的一种形象说法。 它是指用聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等难降解高分子化合物 制成的各类生活塑料制品，使用后被随意丢弃而造成的城市环 境严重污染。 保护人类的生存环境已成为世界各国共同关注的问题。“让 我们的天更蓝，地更绿，水更清，空气更洁净”，这句口号表 达了人们治理环境问题的目标和信心。 案例分析 案例 1 什么叫温室效应？试分析温室效应的产生原因与 危害。 解答 大气中二氧化碳含量增加导致气温升高的现象叫温 室效应。 通常情况下 , 地球大气中含有一定量的水蒸气和较少的二 氧化碳气体，它们对地球的向外散热起了遮拦的作用。这种遮 拦作用叫做自然温室效应。 自工业革命以来，由于工厂、家庭、汽车大量使用煤、石油、 天然气等化石燃料，每时每刻都在向大气排放废气，加上森林 被毁，因此大气中二氧化碳的含量明显增加，温室效应不断增强， 地球表面的平均气温逐渐升高。地球气温的升高，导致海水的 蒸发加快，大气中水蒸气的含量增加，温室效应的增强更为加剧。 此外，电冰箱、空调机等制冷机所排放的氯氟烃气体破坏 臭氧层，使臭氧层变薄而出现空洞 , 会让紫外线更多地到达地 球表面，也使温室效应增强。 由温室效应导致的地球变暖、气候反常、海洋风暴增多、 海平面上升、病虫害增加、土地干旱、沙漠面积增多等现象， 对人类的生存和发展造成了严重的威胁。 请思考并讨论：温室效应还有哪些危害？如何抑制日益增 强的温室效应？ 案例2 试分析雾霾的成因与危害，提出治理雾霾的措施。 解答 雾霾是一种大气污染现象。大气中直径小于等于2.5 微米的颗粒物（简称 PM 2.5）超过大气循环能力和承载能力时 将持续积聚，如果遇上大气层结比较稳定、无明显扩散的情况， 就会发生雾霾天气了。6 第 章 能源与可持续发展 113 雾霾天气的罪魁祸首是 PM2.5，其来源主要是：煤炭、石 油等化石燃料燃烧后的排放物，如二氧化硫、氮氧化物；废弃 物燃烧所产生的有毒颗粒；建筑行业所排放的固体颗粒；大气 化学反应所产生的固体颗粒等。 PM 2.5 能直接进入人体呼吸道和肺泡并粘附在其上，从而 引起急性鼻炎、急性支气管炎等病症。长期吸入这种有害气体 会诱发肺癌。出现雾霾天气时，大气能见度降低，从而影响交 图6-2-4 温室效应使极地冰山融化 通运输，导致航班停飞，高速公路关闭，交通事故增加等。这 时个人应减少户外活动，出门戴防护口罩，保持室内空气洁净。 治理雾霾的关键在于控制并降低 PM 2.5 的排放量，要严格 依照《中华人民共和国大气污染防治法》，防治大气污染，保 护和改善环境；要落实节能减排政策，降低能源消耗，提高能 源的利用率，通过技改措施减少二氧化硫、氮氧化物和粉烟尘 的排放量；加快能源结构的调整，做好煤炭的高效清洁利用， 提高燃油品质，促进清洁能源的发展。 图6-2-5 酸雨对森林的破坏 STSE 空气的质量指标 空气质量 污染物指数 建 议 级别 500 污染物浓度达到这样的危险水平时，所有人都应该待在室 内，减少体力活动。 五级 400 污染物浓度达到这种极不利于健康的水平时，任何人都应避 免户外活动。敏感的人，特别是有心脏病或肺病的人，应待 300 在室内。 污染物浓度达到这种极不利于健康的水平时，所有的人，包 括健康成人和儿童，都应避免剧烈的户外活动。敏感的人， 四级 200 特别是有心脏病或肺病的人，应待在室内。 污染物浓度达到这种不利于健康的水平时，任何人，包括健 康成人和儿童，都应避免长时间剧烈的户外活动。敏感的 三级 人，特别是有心脏病或肺病的人，应避免户外活动。 138 污染物浓度达到这种不利于健康的水平时，敏感的人，如有 心脏病或肺病的人，应减少户外活动。 100 二级 良 50 一级 优 0114 信息浏览 20世纪世界六大污染事故 年 月，美国联合碳化物公司设在印 1984 12 世纪，世界上发生了许多起突发性的污染 度博帕尔市的农药厂剧毒气体外泄，使 人死 20 2500 事故，其中最严重的是以下六大污染事故。 亡，20万人受害，其中5万人可能双目失明。 ■ 意大利塞维索化学污染事故 ■ 苏联切尔诺贝利核电站事故 年 月，意大利塞维索一家化工厂发生 年 月，苏联基辅地区切尔诺贝利核电 1976 7 1986 4 爆炸，使剧毒化学品二 英扩散，许多人中毒。 站 号反应堆爆炸起火，放射性物质外泄，上万 4 事发几年后，当地的畸形儿出生率大为增加。 人受到伤害，同时其他国家也遭受放射性尘埃的 ■ 美国三哩岛核电站泄漏事故 污染，我国北京上空就检测到这样的尘埃。 年 月，美国宾夕法尼亚州三哩岛核 ■ 德国莱茵河污染事故 1979 3 电站反应堆受损，放射性裂变物质泄漏，使周围 年 月，瑞士巴塞尔市桑多兹化学公 1986 11 内的约 万人处于放射物污染的危险之 司的仓库起火，大量有毒化学品随灭火用水流进 80 km 200 中。人们停工停课，纷纷撤离，一片混乱。 莱茵河，使靠近事故地段的河流生物绝迹，成为 ■ 墨西哥液化气爆炸事件 死河。 处鳗鱼和大多数鱼类死亡，500 km 160 km 年 月，墨西哥城郊一家石油公司液 处的井水不能饮用，德国和荷兰被迫向居民定量 1984 11 化气站的 座储气罐几乎全部爆炸起火，对周围 供水，德国几十年来为治理莱茵河投资的 亿 54 210 环境造成严重危害，死亡上千人， 万居民逃难。 美元也付诸东流。 50 ■ 印度博帕尔毒气泄漏事故 家庭作业与活动 1. 调查一下本地主要使用哪些能源，并了解这些 5. 取两只大小相同的广口玻璃瓶，一只充满干燥 能源的储量和开发情况。 洁净的空气，另一只存有少量水。利用你学过 2. 什么叫温室效应？温室效应有哪些危害？如何 的化学知识，使瓶中充满二氧化碳和水蒸气。 控制温室效应的增强？ 盖好瓶盖，各插入一支温度计，并将玻璃瓶密 3. 什么叫酸雨？酸雨有哪些危害？如何防治酸雨？ 封。把两只玻璃瓶一起放在太阳光下，1 以后， h 4. 向气象部门了解本地区气候变化的有关情况及 观测它们的温度有什么差异，分析造成差异的 其原因。 原因。6 第 章 能源与可持续发展 115 6.3 能源开发与环境保护 能源的大量开发和利用，给我们带来了许多值得引起重视 的问题，例如，怎样解决经济高速发展与能源资源严重短缺的 矛盾、有限的能源与能源利用效率较低的矛盾、能源造福于人 类与污染环境的矛盾，等等。这些问题影响着人类的生活和生产， 制约着社会的更快进步和发展。为此，各国政府和科学家正在 积极努力，按照“高效、接近零排放、经济上可推广”的原则， 寻求解决问题的对策。 能源危机和开发新能源 树立能源危机的意识 地球储存的煤、石油、天然气三大“初级能源”，在过去 几百年里维系着人类社会和经济的发展。然而，随着人口的增 长和社会的进步，世界能量消耗量以每年约2.7%的速度增长。 人们在享用这些资源的同时，也使这些资源的储存量逐渐减少。 据估算，到21世纪后期人类将首先面临石油资源枯竭的危机（图 6-3-1）。 中国能源资源的现状是：人均能源占有量偏低，人均煤炭 可采储量为世界平均值的1/2，人均石油可采储量为世界平均值 的 1/10；优质能源资源（石油、天然气等）严重短缺，能源结 构不合理；相当长的时间内还得以煤为主要能源。这将给环境 和交通运输带来巨大的压力。 219年 46年 65年 图6-3-1 化石燃料目前估计的使用年限 研究和开发新的能源资源 研究和开发新的能源资源，是人类当前面临的重大任务。 研究表明，核能和氢能有可能在未来替代石油，成为人类的第 四代能源。 核能 核能的最大优点是无大气污染，集中生产量大，可 以替代煤炭、石油和天然气等燃料。自 1954 年世界上第一座原 图6-3-2 秦山核电站全景116 子能电站建成以来，全世界已有 20 多个国家建成了 400 多座核 电站，这些核电站的发电量占全世界总发电量的 16%。我国于 1991年建成了自行设计的第一座核电站——浙江秦山核电站（图 6-3-2），后又建成了广东大亚湾核电站。目前，一批新的核 电站正在建设之中。到 2020 年，我国核电装机容量预计将达到 5.8 × 107 kW。 氢能 氢的来源很丰富。据估计，氢构成了宇宙质量的 75%。氢的热值大，为 1.21×108 J/kg，是汽油热值的 2.8 倍。 氢的燃烧产物是水，污染极小，因此氢能是一种前景广阔的清 洁能源。但是，制氢（如电解水）需消耗大量的电能，成本很高。 如何开发和利用氢能是一个重大的技术课题。 发展可再生能源技术 可再生能源包括太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等， 其共同特点是储量大、清洁、可再生。但是，由于可再生能源 受自然环境影响大、稳定性差，要利用它们，还有许多问题有 待研究。从现实需求以及从技术与经济可行性的角度看，太阳能、 图6-3-3 我国的“长征”五号火 箭用液氢和液氧作燃料 生物质能等已经具备应用条件。 太阳能 太阳能的特点是巨大、清洁、取之不竭。太阳 辐射到地球大气层的功率高达 1.73×1017 W，也就是说太阳 每秒照射到地球上的能量就相当于 5×106 t 标准煤产生的 能量。 目前利用太阳能的技术主要有：（1）太阳能热利用技术， 如太阳能热水器、太阳能聚焦高温加工、太阳灶等；（2）太 阳能光电转换技术，即通过太阳能光电池把光能转换成电能； （3）光化学转换技术，如利用太阳能光化学电池电解水，产 生氢气。 风能 风能是一种机械能。我国幅员辽阔、海岸线漫长， 拥有丰富的陆上和海上风电资源，发展前景十分广阔。 图6-3-4 地热发电站 图6-3-5 风力发电场6 第 章 能源与可持续发展 117 生物质能 生物质是指由光合作用产生的各种有机体，如 薪柴、农林作物等。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生 物中的一种能量。利用多种技术可把生物质转化成常规的固态、 液态和气态燃料。例如，利用热化学转换技术，可把木材废料 等通过气化炉加热转换成煤气，或者通过干馏将生物质变成煤 气、焦油和木炭。利用生物转换技术，把粪便等生物质通过沼 气池发酵生成沼气。沼气的主要成分是甲烷，沼气在我国农村 已有了较好的应用，工业沼气技术也已开始应用。 请查阅我国的风力资源以及风能的利用情况，讨论地热能 的形成及潮汐能发电的原理。 提高能源利用效率 能源的高消耗是对能源的极大浪费，科学家正在为提高能 源的利用效率而进行着不懈的努力。 开发能量转换新技术 传统的能量使用是将燃料的化学能转化成热能，再转换成 机械能，然后变为电能。由于热机把热能转换成机械能的效率 非常低，有用的热能只有 25%~30%，大部分热能都散失掉了。 因此，必须开发能量转换新技术。有希望取代热机技术的新技 术是磁流体发电和燃料电池技术。磁流体发电的热电转换效率 可达 55% 以上，燃料电池的化学能转换成电能的效率则高达 75% 以上。 煤的洁净利用技术 图6-3-6 潮汐发电站 煤直接燃烧有很多缺点，如燃烧不完全，热能利用率低， 造成大面积的环境污染等。而且煤体积大、笨重，运输、储存、 加工和使用都很不方便。 采用煤的洁净技术 , 可提高用煤发电的效率，并使煤成为 一种安全、稳定、廉价的能源。 以制煤浆技术为例。先把煤块研磨成直径 90 μm 以下的极 细微粒，然后通过浮选除去灰粉和有害杂质，再把它们同水按 3∶1 的比例混合，最后加进一种表面活性剂，这样就制成了一 种廉价而清洁的胶体状代油燃料——煤浆。煤浆的外观像油， 燃烧起来也像油。它能稳定地着火燃烧，既保留了煤的燃烧特性， 又具备了类似重油的液态燃料特点。煤浆是一种最现实的煤基 流体燃料，也是一种制备相对简单、便于输送储存、安全可靠、 低污染的新型清洁燃料。 先进的发电技术 普通发电厂的能源效率只有 35%，高达 65% 的能源大部分 以热的形式散发出去，白白地浪费了。联合热电技术就是将这118 部分热再用来发电或者提供给工厂和家庭，这样可使能源利用 率提高到85% 以上。 此外，先进的发电技术和装备、先进电机冷却技术、余热 利用技术、高效大容量输电技术，以及将计算机引入能源管理 系统等，都是有效提高能源利用效率的重要举措。 提高 环境污染和环境保护 为了营造一个天更蓝、地更绿、水更清、空气更洁净的环境， 控制现有能源利用过程中的污染物排放和建立清洁高效的能量 利用技术已成为当务之急。科学家正在加紧研究环境能源技术， 它主要解决以下几个方面的问题。 城市生活垃圾问题 通过垃圾分选技术，使不同垃圾各尽其用。如有些垃圾能 通过燃烧供热发电，有机易腐蚀垃圾可转化为高品位有机肥料 图6-3-7 污水处理厂 等。建造日处理数百吨城市生活垃圾的综合利用工业系统，实 现城市生活垃圾的能源化、资源化和无害化综合利用，是现代 化城市建设的一项重要指标。 汽车尾气污染问题 为了适应越来越严格的汽车尾气排放标准，减少城市中的 大气污染，目前科学家正在研制燃料电池电动车。如果汽车能 以纯氢为燃料，就可以达到废气的“零”排放。我国在燃料电 池材料、电池系统和电动汽车电气驱动系统的研究方面取得了 可喜的进展。 环境污染的综合治理问题 积极采用新技术，有效地做好环境保护工作，如建立污 水处理厂（图 6-3-7）、垃圾处理场、废水和废气的封闭循 环处理系统等。城市噪声的治理也已经提到了议事日程，一 些城市的环保部门规定，车辆进入市区，不允许鸣喇叭。还 在交通要道设置了测量噪声强度的仪器（图 6-3-8），用来 图6-3-8 测量市区噪声强度的设施 监测噪声的强度。对控制光污染、电磁辐射污染和白色污染 等也有相关的规定。6 第 章 能源与可持续发展 119 STSE 几种新能源 波电磁能，并用定向天线将微波能向设在地面近 ■ 燃料电池 海或海岛上的微波接收站发射。地面接收站接收 燃料电池是将氢、天然气、煤气、甲醇、肼 卫星发射来的微波能并将其转换为电能供用户使 等燃料的化学能直接转换成电能的一种化学电源。 用（图 ）。 6-3-10 早在 年，英国科学家格罗夫（ 根据推测，卫星太阳能发电站可设计成容量 1839 W. R. ）就提出了氢氧燃料电池的原理。如图 达 × × 的规模，其最大容量可 6 7 Grove 6-3-9 1.5 10 ~ 2.0 10 kW 所示，燃料电池由燃料（例如氢、甲烷等）、氧 满足几十个百万以上人口的大城市的用电。 化剂（例如氧和空气等）、电极和电解液这四部 ■ 天然气水合物 分组成。在正极（燃料电极），氢气在催化剂作 天然气水合物是天然气和水分子组成的一种 用下被分离为氢离子（质子）和电子，其中氢离 固态结晶体，也称甲烷水合物，又称可燃冰，主 子通过电解液流到负极（氧气电极），而电子不 要储藏在海平面以下 的海底。在我 500 ~ 2 000 m 能通过电解液，只能留在正极，这样就在两电极 国东海、南海已发现贮藏着大量的天然气水合物。 之间形成了电势差。如果接通两电极，氢原子分 天然气水合物是在一定条件下，由气体或挥 离出的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里 发性液体与水相互作用而形成的白色固体结晶物 同氢离子结合后，与氧气发生反应，生成水并释 质，外观像冰。天然气水合物通常含有大量甲烷 放出热量。 或其他碳氢气体，因此极易燃烧，被称为“可燃 烧的冰”。它燃烧产生的能量比同等条件下的煤、 正极 电解液 负极 石油、天然气所产生的能量要多得多，而且在燃 氧 氢 烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、 石油、天然气要小得多。 天然气水合物在地球上储量极大，是自然 质子 界中天然气的主要存在形式。据估计，陆地上 和大洋底 的地区具有形成天然气水合 20.7% 90% 物的有利条件。绝大多数的天然气水合物分布在 电子 海洋里，其资源量是陆地上的 倍以上，因此 100 水 可以满足人类长期的能源需求，它可能成为 世 电流 21 纪中后期的一种重要能源。 图6-3-9 燃料电池工作原理图 燃料电池构造简单，能量利用率高，工作稳 定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃 料能量的 转化为动能。更引人注目的 60% ~ 70% 是，燃料电池发电时，不产生氮氧化物和硫化物， 产生的二氧化碳也很少，不会增加光化学烟雾、 酸雨污染及温室效应。 ■ 卫星太阳能发电 卫星太阳能发电就是将太阳能发电装置组装 在卫星上进行发电。当卫星绕地球做同步旋转时， 装在卫星上的太阳能电池直接将太阳能转换成电 能，再通过卫星上的大功率微波发生器转换成微 图6-3-10 卫星太阳能发电示意图120 信息浏览 警惕居室中的物理污染 鲜艳明快的颜色，可以作为点缀，但过多则会造 成视觉疲劳。 物理污染，从字面上理解，是指和化学物质 居室内存在着听觉污染的隐患。在平常，我 无关的污染，包括光、噪声、电磁波等。居室中 们肯定不会把电视、音响的声音以及人们的谈话 的陈设、家具、照明、色彩等，也可能造成对环 声当作噪声来看待，但是在有人想休息的时候， 境的污染。物理污染好像是小事，但是时间长了， 你的发烧音响，你朋友的大嗓门，就会成为影响 对人造成的伤害还是很大的。 休息的一种污染，所以很多设计师建议将居室划 怎样发现并避免物理污染呢？几乎所有的物 分成不同的功能区，如学习区、娱乐区、休息区等。 理污染都是可通过视觉、听觉、触觉等感官感受 现在，墙面隔音的方法有很多，比较常见的有墙 到的。 体的软包处理、在墙上涂抹隔音材料、使用微孔 视觉污染往往来自白色。很多人都将白色作 铝板等。这些方法都可以有效地阻隔噪声。 为居室的万能颜色，认为白色看起来干净、整洁、 触觉污染可能带来的是直接的人身伤害。在 一尘不染，殊不知白色是视觉污染中的重要方面 装修和选择家具时，一定要注意避免过多地出现 之一。表面白色的物体在阳光的照射下可以产生 棱角太突出的情况，比如家具的把手不能太翘、 比较强的炫光，这种炫光会刺痛眼睛，严重的会 太锋利，少选择线条过于硬朗的家具等。在喷涂 使人暂时失明，类似于人在雪地里时间长了会产 墙面的时候，一般不宜搞得太粗糙，如果过于粗 生雪盲。白色使用不当或者白色面积很大，会使 糙，人在触摸它的时候会感到不舒服甚至造成一 人的视觉产生一种盲点。因此，居室内的墙面和 些伤害。 家具的颜色，首先不要滥用白色，可以试着多使 用比较柔和的颜色，像粉红、米色等。至于那些 家庭作业与活动 1. 有人说，目前已出现了“能源危机”，你的看法 5. 你目前所知道的污染有哪些？其中哪些是物理 怎样？ 污染？我们应如何来减轻物理污染？ 2. 提高能源利用效率的办法有哪些？ 6. 请具体说出环境污染的含义，并讨论：保护环 3. 太阳能是用之不竭的清洁能源。试举出两个关 境有什么意义？如何保护好环境？向有关工厂 于开发和利用太阳能的实例。 或居民调查本地环境污染的情况，了解减少这 4. 请你调查一下：本地已用上了哪些新能源？它 些污染的方法。 们在所用能源中占了多大的比例？6 第 章 能源与可持续发展 121 6.4 节约能源、保护资源与可持续发展 年联合国环境署的报告指出：“在过去的 年里， 1996 20 全世界能源消耗增长了 ，从现在起到 年，全球能源 50% 2020 消耗还将比现在增长 到 ，由此造成的温室效应气体 50% 100% 排放量会增加 到 ，从而带来灾难性的后果。” 45% 90% 全世界的有识之士都在思考，人们以不同的语言表达了共 同的思想——应该采取一切可能的措施，给子孙后代多留一点 能源，让他们继我们之后有足够的时间完成开发新能源以替代 传统能源的历史使命，让人类的文明永远辉煌。 图6-4-1 把完好的地球交给孩子 节约能源与可持续发展 为了使经济得到可持续发展，一方面，在开发利用能源时， 要做好环境保护工作；另一方面，在使用能源时，要千方百计 地节约能源，提高能源利用效率。 由于在产业结构、经济体制、能源政策等方面的努力， 过去几十年中，我国在能源领域取得了 翻两番而能源 GDP 消费仅翻一番、能源利用效率大幅度提高，以及相当大的环 境效益等成就。我国的单位 能耗不断下降，“十三五” GDP 规划提出，到 年，我国单位 能耗五年累计要下降 2020 GDP 。 15% 自 世纪 年代开始，我国已大力实施各种节能措施， 20 80 并在广大农村地区推广适合当地特点的能源项目（沼气、小水 电等），同时开发和利用了多种形式的新能源（太阳能、 风能、 地热能等）。 但应该看到，我国为实现全面建成小康社会的目标，能源 的需求量很大，能源供应相当紧张。能耗与发达国家相比，还 有待进一步降低。环境保护还需加大力度。因此，我国的能源 和可持续性发展面临着十分严峻的形势和挑战。 案例分析 案例1 据报道，由于能源紧张，世界石油价格连创新高。 试讨论原油涨价对我们日常生活的影响。 解答 不断上升的原油价格将影响到我们的衣食住行各个 方面。 服装价格可能有少许上涨。目前市场上大部分服装以合成 纤维面料为主，其中涤纶等面料所占的比例达到 左右。这 70% 些产品的价格都与原油价格有关。122 洗衣业也将受到影响，这是因为生产洗衣粉、洗洁精的原 材料有一半提炼自石油。 商品包装成本增高。聚丙烯的价格会上涨，导致塑料袋的 出厂价格上涨。 汽车销售面临危机。原油上涨，汽油价格会同步上涨。“看 一看油价走势，再决定买不买车，买什么车”，成了大多数打算 买车者的共同想法。 请同学们做进一步的调查，并思考其中原因和解决办法。 案例 2 请你估算一下，一辆汽车每行驶100 km 消耗的能 量相当于一个家庭多少天的用电量？怎样才能更有效地节约能 量？参考数据：小汽车的“100 km 耗油量”约 7 L，汽油的热 值为4.7 × 107 J / kg，电视机功率约 60 W，电灯功率约40 W， 洗衣机功率约150 W。 分析 建议先做两项工作：一是访问汽车驾驶员，向他了 解汽车的“100 km耗油量”（同时向他请教节约汽油的技巧）。 可多访问几位驾驶员，取得多种汽车的“100 km 耗油量”，取 其平均值，作为估算依据。二是向家长了解你家的月平均用电量， 再算得日平均用电量，然后进行有关的计算，同时归纳有哪些 可推广的节能措施。 请你自己解答这个案例。 保护自然资源与可持续发展 自然资源是指地球能提供的为人类衣、食、住、行、医所 需的物质原料。人类必须珍惜的自然资源主要有以下四类： 中国上古时代的《诗经》中 有“怀柔百神，及河峤岳”一句， （1）三大生命要素——空气、水和土壤。 意思是：善待百神，也要善待河 （ 2） 六种自然资源——矿产、森林、淡水、土地、生物物种、 流高山。 化石燃料（石油、煤炭和天然气）。 西周时期颁布的《伐崇令》规 （3） 两类生态系统——陆地生态系统（如森林、草原、荒野、 定：“毋填井，毋伐树，毋动六畜， 灌丛等）与水生生态系统（如湿地、湖泊、河流、海洋等）。 有不如令者，死无赦。”这是中国 古代较早的保护水源、森林和动物 （4）多样景观资源，如山岳、水流、本土动植物种类、自 的法令，其惩处措施极为严厉。 然与文化历史遗迹等。 当前，为保护地球上有限的自然资源，人们已采取了很多 措施。例如，为保护地球上紧缺的淡水资源，要求公众应从三 个方面做起：第一，节约用水，一水多用；第二，少用化学合 成剂；第三，收集利用雨水。 又如，为保护好我们的土地，当前处理垃圾的国际潮流是 动员公众尽量从三个方面努力：第一，减少浪费；第二，物尽6 第 章 能源与可持续发展 123 其用；第三，废物回收。 请调查了解你所在地区自然资源的利用和保护情况，在班 上交流，谈谈你对保护自然资源的认识。 信息浏览 可持续发展战略 （ ）使公民团体能够关心自己的环境。 7 可持续发展战略是于 年 月在巴 （ ）建立协调发展与保护的国家网络。 1992 6 8 西里约热内卢召开的“联合国环境与发展大 （ ）创建全球性联盟。 9 会”上提出的。“可持续发展”（ “可持续发展”的理念要求公民了解和关心 sustainable ）已成为各国公民都应当了解的常识。 下列问题： development 可持续发展的社会是一种“既能满足当代人的需 （ ）哪些是地球上最基本的生存条件？ 1 要，又不对后代人满足其生存能力构成危害”的 （ ）哪些是地球上最重要的自然资源？ 2 新型社会发展模式。“可持续发展”关注的方面 （ ）如何能够持续利用地球资源？ 3 有生态可持续性、社会可持续性、文化可持续性。 （ ）如何能够尽量减少对地球不可再生资 4 可持续发展战略的九项原则是： 源的消耗？ （ ）建立一个具有可持续性的社会。 （ ）如何监测环境受损害的信号？ 1 5 （ ）尊重和保护生活社区。 （ ）如何医治地球环境目前的创伤？ 2 6 （ ）改善人类生活的质量。 “可持续发展”的理念要求我们吸取20世 3 （ ）保护地球的生命力和多样性。 纪地球环境被极大破坏的深刻教训，帮助地球环 4 （ ）维持在地球的承载能力之内。 境得以恢复，使我们能够把她完好地传给我们的 5 （ ）改变个人的态度和生活习惯。 孩子。 6 STSE 环境保护标志 共同保护人类赖以生存 中国环境标志图形由中心的青山、绿水、太 的环境”。 阳及周围的十个环组成。图形的中心表示人类赖 请同学们查找有关 以生存的环境。外围的十个环紧密结合，环环紧扣， 资料，再列举一些环境 表示公众参与，共同保护环境；同时十个环的“环” 保护方面的标志，弄清 字与环境的“环”同字，其寓意为“全民联系起来， 它们的具体含义。 图6-4-2 中国环境标志 家庭作业与活动 1. 论述节约能源的意义。调查总结家庭或学校的 措施。 节能经验，提出你的节能建议。 3. 什么叫自然资源？我们必须珍惜哪些自然资 2. 向公交车辆的驾驶员了解每天的载客数和耗油 源？采取哪些举措来保护自然资源？ 量，了解如何从节能的角度出发合理安排公交 4. 请你说说可持续发展战略的具体含义和实施可 线路和停靠站，如何运用驾驶技术来减少油耗， 持续发展的重要意义。你打算在实施可持续发 以及公交公司对驾驶员在节能方面有哪些考核 展方面做哪些工作？124 第 6 章家庭作业与活动 A组 提高1℃，这样每台空调机每天可节省6%的 1. 图 是一幅“能源分类相关图”。以下四 电能。那么这样做能使该市节省多少电能？已 6-A-1 组能源中，全部符合图中阴影部分的是（ ）。 知标准煤的热值是2.92 × 107 J/kg，发电厂的 煤炭、石油、沼气 发电效率是30%。请计算一下：这项节能建议 A. 水能、潮汐能、天然气 的实现能为我们后辈留下多少吨标准煤？ B. 太阳能、风能、生物能 B组 C. 地热能、海洋能、核能 请阅读2004年11月4日某报的报道（摘要）： D. 电荒、地荒、水荒的警钟接连在长江三角 来自太阳 洲上空敲响。这使得长三角地区城市的负责人 辐射能 深刻反省：“必须站在长三角全面、协调、可持 续发展的全局高度来统筹全地区的发展。” 新能源 可再生 日前在长江三角洲 个城市峰会上，有关 16 能源 领导在总结一年来的工作情况时说，长三角总 的形势虽好，但隐忧凸显。今年以来，我国最 图6-A-1 大的区域电网——华东电网饱受缺电之苦。仅 2. 若有条件，请调查一个发电厂在正常情况下的 到 月份，全网拉限电量就超过 亿千瓦时， 1 5 56 发电量、每天耗煤量、所用煤的热值，并据此 接近去年全年拉限电总量 亿千瓦时的水平， 60 计算该发电厂把煤的化学能最终转化为电能的 达到历史之最。 效率。 “ 河网纵横”“湖泊星罗棋布”曾是描述“鱼 3. 准备一些 试纸，在你所到之处（如家乡的 米之乡”长三角典型地貌的用语。但眼下，在 pH 城市和农村，外地的城市和风景区），凡遇下 卫星遥感照片中，“星罗棋布”的不再是湖泊 雨，就用这些 试纸测定雨水的酸度，连同 而是开发区，本是土地丰饶的长三角地区已出 pH 测量时间、地点及所了解到的当地工业发展状 现“地荒”。 况，一起记录下来，并据此写出调查报告或论 更令人震惊的是，河网纵横的长三角地区竟 文。适当的时候在班上举行一次关于酸雨的研 然因为水质型缺水而酿成“水荒”。由于工业排 讨会。 污日益严重，长三角的水源不断恶化，一些城 4. 某市有20万台空调机，每台空调机在夏季平均 市出现了工业用水和居民饮用水吃紧的局面。 使用60 d，每天耗电8 kW·h。为了节约能源， 你阅读了这一报道后，有什么想法？请与 该市政府建议大家都把空调机的室内设定温度 同学商讨、交流后作出回答。6 第 章 能源与可持续发展 125 附 录 熟悉游标卡尺 的第一条刻度线相差0.1 mm，第二条刻度线相差 游标卡尺是一种测量长度、内外径、深度的 0.2 mm……第10条刻度线相差1 mm，即副尺的 工具。游标卡尺由主尺和附在主尺上能滑动的游 第10条刻度线恰好与主尺的9 mm刻度线对齐。 标（副尺）两部分构成。主尺一般以毫米为最小 使用游标卡尺进行长度测量之前，应用软布 刻度单位。不同的游标卡尺，其副尺上分格是不 将卡脚擦干净，使其并拢，查看副尺和主尺的零 同的。副尺上有10个分格的游标卡尺，副尺长为 刻度线是否对齐。如果对齐就可以进行测量。如 9 mm，准确到0.1 mm；副尺有20个分格的游标 果没有对齐则要记取零误差：副尺的零刻度线在 卡尺，副尺长为19 mm，准确到0.05 mm；副尺 主尺零刻度线右侧的叫正零误差，在主尺零刻度 有50个分格的游标卡尺，副尺长为49 mm，准确 线左侧的叫负零误差。 到0.02 mm。 测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标（副 游标卡尺的主尺上有两副固定卡脚，副尺上 尺），左手拿待测外径（或内径）的物体，使待 有两副活动卡脚，它们分别叫内测量卡脚和外测 测物位于外测量卡脚之间。当待测物与卡脚紧紧 量卡脚。内测量卡脚通常用来测量内径，外测量 相贴时，即可读数。读数时，首先以副尺零刻度 卡脚通常用来测量长度和外径。 线为准在主尺上读取以毫米为单位的整数部分； 下面以准确到0.1 mm的游标卡尺为例来进行 然后看副尺上第几条刻度线与主尺的刻度线对齐， 介绍。 如果第6条刻度线与主尺上某刻度线对齐，则小 数部分即为0.6 mm（若没有正好对齐的线，则取 最接近对齐的线进行读数）。如有零误差，则一 律用上述结果减去零误差（零误差为负，相当于 加上相同大小的零误差），读数结果为： 长度=整数部分+小数部分-零误差 如果采用测量几次取平均值的方法，不必每 该游标卡尺主尺上的最小分度是1 mm，副尺 次都减去零误差，只要从最后结果减去零误差即可。 上有10个小的等分刻度，总长9 mm，每一分度 请读出下图所示的游标卡尺的示数（没有零 为0.9 mm，比主尺上的最小分度小0.1 mm。卡脚 误差）。 并拢时，主尺和副尺的零刻度线对齐，它们各自总结与评价 课题研究成果报告会 亲爱的同学： 同学合作进行研究。当然，你还可以自选其他课 祝贺你即将完成《物理（必修 ）》的学习。 题进行研究。 3 在那些激动人心的探索活动中，你和你的同学 在这个报告会上，也许没有鸿篇大论，也许 经受了困难的考验，也享受了成功的喜悦。在学 没有什么重大发明。但这里展示的成果，铭刻着 完本书后，你一定想让同学们分享自己的研究成 你们的勤奋，凝聚着你们的心血……这里，最可 果，那么，就让我们开一个“课题研究成果报告 贵的是真实！ 会”吧！ 简单就是美丽，巧妙就是智慧！ 你可以把你平时做过的最满意的课题拿来， 这个“课题研究成果报告会”，将让你的智 再作进一步的研究，取得更有意义的成果，到这 慧放出灿烂的火花，让你的才智得到充分的展 个报告会上去展示；你也可以从下面的研究课 示！ 题示例中，选择你感兴趣的课题，自己一人或与 研究课题示例 ■ 静电与现代科技 并已在科技中得到应用，如应用超导进行受控热核反应 通过查阅图书资料和上网查询等方式，调查静电在 的实验。研究这方面的资料，可以拓展我们的视野，感 现代科技中应用或预防静电的事例，写出调查报告。 受现代科技的魅力。 ■ 探究半导体二极管的伏安特性曲线 ■ 电视显示技术的新进展 这里要你选择仪器，设计一个实验，来探究半导体 近年来，家用电器市场上出现了许多新型电视机， 二极管的伏安特性曲线。最好能与电阻的特性曲线进行 如液晶电视机、等离子电视机、大屏幕投影电视机等。 一下比较。 了解这些电视机的显像原理是很有意义的。你对此感兴 趣吗？你愿意做一些调查和探究吗？ ■ 超导应用的现状和前景 近年来，超导特别是高温超导方面的研究进展很快，总结与评价 课题研究成果报告会 127 评价表 课题名称： 姓名： 完成日期： 合作者： 1. 课题设计思路 2. 课题研究过程 3. 收集的主要资料或证据 4. 分析与论证 5. 研究成果和结论128 6. 自我评价 我在课题研究中的表现： 我对小组研究的贡献是： 我擅长的是： 我在研究中遇到的困难是： 我在这些方面应该做得更好： 自我评价等级（在评价的等级上画圈）： 级（优秀） 级（良好） 级（合格） 级（低于标准） A B C D 7. 小组评语 8. 教师评语 建议从成果的科学性、创造性、实践性， 建议从成果的科学性、创造性、实践性， 以及从参与课题研究的热情和态度、克服困 以及从参与课题研究的热情和态度、克服困 难的勇气、团队合作精神等方面进行评价。 难的勇气、团队合作精神等方面进行评价。后 记 我们编写的《普通高中物理课程标准实验教科书》（沪科教版）在实验区已试用十余 年了，随着基础教育课程改革的深入，教育部又颁布了《普通高中物理课程标准（ 2017 年版）》，为此，我们根据新课标的要求，对这套教科书进行了全面修订，以适应新时期 课程改革的要求。 这次修订旨在落实“立德树人”根本任务，进一步提升学生的物理核心素养，为学生 的终身学习、终身发展和做有责任感的社会公民奠定基础。 参加本册修订的编写组成员如下： 总主编： 束炳如 何润伟 副总主编：母小勇 仲扣庄 本册主编：母小勇 王 全 本册主要作者：母小勇 王 全 朱春晓 谭庆仁 桑芝芳 本教科书于 年首次出版，当时参加本册书有关内容编写的人员还有：汪延茂、 2004 宋世骏、谢宏、谢步时、王继珩、陈聆等。沈永昭、倪汉彬、汪乾荣、王文祥、罗基鸣、 徐建国、梁明奋等同志也曾对本书的修改提出了许多宝贵意见。随着课程改革的深入，编 写队伍的组成人员也发生了一些变化，旨在进一步优化编写队伍，以适应新时期课程改革 的需求。 在本书的编写过程中，得到了许多专家、学者、教学研究人员和广大教师的热情帮助 和大力支持。上海科技教育出版社的李志棣、朱惠霖、汤世梁等同志和有关工作人员为本 书的编辑加工、美术设计、排版印刷等方面做了大量的工作，在此，编写组特向关心本书 及为本书的出版提供帮助的所有同志表示诚挚的谢意。 研制符合时代要求的、有特色的、高质量的高中物理教科书，始终是我们的追求目标。 恳请广大专家、学者、教师、教研员、学生和家长对本套教科书提出宝贵的意见和建议， 与我们一起，合作共建这套教科书。 编者 年 月 2018 8