沪科版9年级物理全一册高清教材_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）

审批编号：皖费核（2021年秋季)第0102号 举报电话：12315 定价：13.74元 定价：13.50元义务教育物理课程标准实验教科书编写组 编著 九年级 全一册 上海科学技术出版社责任编辑 李林高 邵海秀 张 燕 施 成 美术编辑 房惠平 义务教育教科书 物 理 九年级 全一册 义务教育物理课程标准实验教科书编写组 编著 上海世纪出版（集团）有限公司 出版 上 海 科 学 技 术 出 版 社 （上海市钦州南路71号 邮政编码200235） 新华书店发行 安徽芜湖新华印务有限责任公司印刷 开本787×1092 1/16 印张13.75 字数230 000 2013年6月第1版 2021年7月第65次印刷 ISBN 978-7-5478-1773-5/G·373 定价：13.74元 如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系 电话：021-64848025，邮箱：jc@sstp.cn 审批编号：皖费核（ 2021年秋季） 第0102号 举报电话：123151 目录 第十二章 温度与物态变化 1 第一节 温度与温度计 2 第二节 熔化与凝固 9 第三节 汽化与液化 16 第四节 升华与凝华 22 第五节 全球变暖与水资源危机 27 第十三章 内能与热机 33 第一节 物体的内能 34 第二节 科学探究：物质的比热容 39 第三节 内燃机 45 第四节 热机效率和环境保护 50 第十四章 了解电路 56 第一节 电是什么 57 第二节 让电灯发光 622 第三节 连接串联电路和并联电路 68 第四节 科学探究：串联和并联电路的电流 73 第五节 测量电压 81 第十五章 探究电路 90 第一节 电阻和变阻器 91 第二节 科学探究：欧姆定律 97 第三节“伏安法”测电阻 104 *第四节 电阻的串联和并联 107 第五节 家庭用电 111 第十六章 电流做功与电功率 117 第一节 电流做功 118 第二节 电流做功的快慢 121 第三节 测量电功率 125 第四节 科学探究：电流的热效应 1293 第十七章 从指南针到磁浮列车 137 第一节 磁是什么 138 第二节 电流的磁场 143 第三节 科学探究：电动机为什么会转动 149 第十八章 电能从哪里来 156 第一节 电能的产生 157 第二节 科学探究：怎样产生感应电流 164 第三节 电能的输送 170 第十九章 走进信息时代 176 第一节 感受信息 177 第二节 让信息“飞”起来 181 第三节 踏上信息高速公路 1864 第二十章 能源、材料与社会 192 第一节 能量的转化与守恒 193 第二节 能源的开发和利用 198 第三节 材料的开发和利用 205 后 记 21311 第十二章 温度与 物态变化 温度与温度计 熔化与凝固 汽化与液化 升华与凝华 全球变暖与水资源危机2 第十二章 温度与物态变化 第一节 温度与温度计 从水之旅谈起 水无常形，变化万千，无处不在。 雨，时而悄然无声，时而瓢泼倾盆，大 家知道雨就是水。 云，形状各异，似鱼鳞，像城堡，然而，这 美丽的云朵却是由水变成的（图12-1）。 雪，从天而降，飘飘洒洒，使大地“银装 图 12-1 云 素裹”，它也是由水变成的（图12-2）。 有水才有生命，人们一直希望通过探测水 来寻找地球外的生命！水带来自然界的生机， 让万物生长！水的神奇使人们产生了对水的 崇拜与敬畏，所以，有的民族至今仍保留着与 水有关的节日（图12-3）。 雨、云、雪……实质上都是水，只是形态 各异罢了。如图 12-4 所示，太阳照射使地面 图 12-2 雪 图 12-3 傣族泼水节第一节 温度与温度计 3 附近的空气温度升高，含有水蒸气的热空气快速上 升。在上升中，空气逐渐冷却，水蒸气凝成小水滴 或小冰晶，形成了云。当云层中的小水滴合并成大 水滴落下时，雨便产生了。假如高空的温度较低， 水还能以雪或冰雹的形式降到地面。水是神奇的， 它不仅可变为雨、云、雪，还可变为露、雾、霜等， 水的状态是可以变化的。 那么，水的状态在什么情况下可以发生上述变 图 12-4 自然界的水循环 化呢？让我们做做下面的小实验。 迷你实验室 准备加热器、水壶、钢勺、水杯以及冰等。 将冰放入水壶，然后加热，观察冰的变化。不 断地加热，待水沸腾后，戴上手套，并拿着长柄勺 子靠近壶嘴（图12-5），观察其现象（注意安全）。 在加热过程中，冰变成了水，水变成了水蒸气； 水蒸气遇冷又能冷凝成水；如再将水放入冰箱中， 水还可以冻结为冰。水的状态是可以循环变化的。 图 12-5 人造“雨” 通过这个实验可知，水有三种状态，它们分别 为固态、液态和气态，而且水的这三种状态在一定 条件下可以相互转化。处于固态、液态和气态的物 质分别称为固体、液体和气体。在一定条件下物质 的这三种状态会互相转化。物理学中，将物质由一 种状态向另一种状态的变化称为物态变化。 由于水的物态变化，使自然界有了云、雨、露、 雾、霜、雪、雹等千姿百态的奇观，这些都与温度 密切相关。若要了解物态变化，首先需要学习温度 及温度计的使用等有关内容。4 第十二章 温度与物态变化 温 度 生活中，我们常有冷和热的感觉，如喝凉水感 觉冷，吃冰棍也感觉冷（图 12-6），但它们冷的 程度不同；热水热，火也热，但它们热的程度不 同。这说明仅仅用文字“冷”或“热”已无法准确 描述冷热的程度了。 有时，人们对冷热的感觉是不可靠的。如图 12-7 所示，3 个杯子分别盛有冷水、温水和热水。 若你先将左、右手分别放进冷、热水中，过会儿再 将双手同时放进温水中，此时你的双手对同一杯温 图 12-6 用“冷”无法描 水的冷热感觉则是不同的。 述凉水与冰棍冷的程度 因此，人们引入了温度这一物理量来准确表示 物体的冷热程度，温度用字母 t 来表示。越热的物 体温度越高；越冷的物体则温度越低。 人们用摄氏度（℃）作为常用的温度单位。摄 氏度是这样规定的：在 1 个标准大气压下，将纯净 的冰水混合物的温度定为 0 ℃，水沸腾时的温度定 为 100 ℃。把 0 ～ 100 ℃之间划分为 100 等份，那 么，每一等份就是 1 ℃，读作 1 摄氏度。正常情况 下，人的体温约为 37 ℃，读作 37 摄氏度；某地， 12月5日的最低气温为-6 ℃，读作零下6摄氏度。 图 12-7 有时凭感觉判断 冷热是不可靠的 图12-8 是自然界中的一些物体的温度。 熔化的固态氧 冰水混合物 人体 沸水 煤气灯火焰 通电的灯丝 太阳表面 -218 0 37 100 1 500 2 500 6 000 温度 t/℃ 图 12-8 自然界中的一些物体的温度第一节 温度与温度计 5 信息窗 国际单位制中所采用的温标是热力学温标，它表示的温度是热力 学温度，热力学温度的单位是开尔文，简称开，符号是“K”。冰水混 合物的热力学温度是 273.15 K。热力学温度 (T) 和摄氏温度 (t) 的换算 关系是 T =273.15+t 研究表明，无论人类如何改进低温技术，0 K的温度都是达不到的。 在科学研究中大多采用热力学温标。 温度计及其使用 人们用温度计来测量物体的温度。图 12-9 所 示的是实验室和家庭中常用的液体温度计，它们是 根据液体热胀冷缩的原理制成的，温度计内的液体 多为汞、酒精或煤油等物质。当温度升高或降低 时，温度计中的液体便膨胀或收缩，从温度计中液 柱长度的变化便可知温度的变化了。图 12-10 和图 12-11 是两种固体温度计，前者是根据物体导电性 与温度的关系制成的数字式温度计，后者则是用双 金属片制成的温度计，它们都是根据固体的某种特 性与温度的关系制成的。 温度计 寒暑表 体温计 图 12-9 怎样正确地使用液体温度计呢？下面，我们通 常用的液体温度计 过实验来学习。 图 12-10 数字式体温计 图 12-11 双金属片温度计6 第十二章 温度与物态变化 实验探究 用液体温度计测量温度 1. 熟悉温度计的使用规则（图12-12） （1）使用前要观察温度计的量程，估计被测物体的温度是否在量程内。 （2）测量时温度计的玻璃泡应被包围在被测物体内。 （3）测量液体温度时，温度计的玻璃泡应浸没在液体中，但不能接触容器 壁和容器的底部。 （4）待温度计内液柱的液面稳定时再读数，读数时视线要与液面相平。 (a) 不能用温度计直接测火焰的温度 (b) 不能将温度计从被测物中拿出来读数 (c) 温度计不应靠碰杯壁，也不应接触杯的底部 (d) 正确读数 图 12-12 温度计的使用 2. 测量 将液体温度计依次放入冷水、温水、热水中，分别测量并记录三杯水的温 度。注意，在测量水温时，要遵循我们刚学过的测量液体温度的方法。与同学 交流，看看大家测量的温度有何异同。 被测液体 冷水 温水 热水 温度 t /℃第一节 温度与温度计 7 迷你实验室 用体温计测量体温 1. 观察体温计的结构 观察体温计玻璃泡前面的细弯管，它的作用是让玻璃泡内的汞在 温度升高时能自动进入刻度直管内，但在温度降低时却不能自动回到 玻璃管的玻璃泡内。因此，体温计在每次测量前都要甩动，使进入管 内的汞回到玻璃泡内。 图 12-13 体温计及其细弯管 2. 观察体温计的量程及其分度值 用体温计测量自己和同学的体温。注意，使用体温计前要用力地 “甩动”几下，使管内的液体回到 35 ℃以下，然后将体温计放入腋下 测温。 3. 读出体温值 约5 min 后，将体温计取出，读出体温为________ ℃。 请思考，为什么体温计读数时可以离开人体，而使用普通温度计 测温读数时不能离开被测物体呢？ 作业 1．以下温度中，最接近25 ℃的是（ ）。 A．冰水混合物的温度 B．健康成年人的体温 C．让人感觉温暖而舒适的室内温度 D．1个标准大气压下，水沸腾时的温度8 第十二章 温度与物态变化 2．-20 ℃的正确读法是（ ）。 A．零下20度 B．零下摄氏20度 C．负摄氏20度 D．零下20摄氏度 3．在水的加热过程中，若用温度计测水的温度时，温度计的玻璃泡接触容器底，则 测量值与实际值相比（ ）。 A．偏大 B．偏小 C．相等 D．无法确定 4．请对下面填空题作答。 （1）家庭和物理实验室常用的液体温度计有___________________________等，它们 是利用液体的___________性质来测量温度的。 （2）温度计玻璃泡浸入被测液体后要稍等一会儿，待温度计的________稳定后再读 数。读数时，玻璃泡要________被测液体中，视线与温度计中液柱的________相平。 （3）如图12-14所示，体温计的测量范围是________，它的示数为________℃。若 用这支未甩过的体温计去测量温度为37 ℃和39 ℃的两个人的体温，则测量结果分别为 ________℃和________℃。建议自己先找一支体温计试试，然后回答问题。答过问题后， 再想一下为什么。 图 12-14 5．如图12-15所示，甲是体温计，乙是实验室用温度计。请简要说出它们在构造和 使用上的不同点。 甲 乙 图 12-15 ? 请提 问 1．我们如何知道高空中飞机外面的温度？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第二节 熔化与凝固 9 第二节 熔化与凝固 春天到了，冰雪消融；寒冬来 了，河水结冰。像冰化为水那样， 物质从固态变为液态的过程称为熔 化（melting）。像水结成冰那样，物 质从液态变为固态的过程称为凝固 （solidification）。那么，冰在什么情 况下可以熔化为水，而水又在什么 情况下能够凝固为冰呢？首先，我 们通过实验来探究冰熔化的特点。 图 12-16 春天来了，冰雪熔化了 熔 化 实验探究 提出问题 在探究冰的熔化特点时，我们也许会提出这样一些问题：冰在什么情况下 由固体变为液体？冰在熔化过程中与其他固体（如石蜡）在熔化过程中的温度 变化情况相同吗？ 猜想与假设 探究这些问题时，我们可能会猜测：当给冰和石蜡加热时，它们可能都会 熔化，但其熔化过程可能相同，也可能不同，它们熔化时温度可能保持不变， 也可能发生变化，等等。10 第十二章 温度与物态变化 设计实验与制订计划 这些猜想对吗？我们需要通过实验来检验。让我们分别加热碎冰（或海 波）和石蜡，多次测量其加热过程中的温度，比较其温度变化规律。 进行实验与收集证据 现在我们来进行实验并收集证据。分别将碎冰和石蜡放入两支试管中，按 图 12-17 所示的装置分别加热碎冰和石蜡，观察碎冰和石蜡在熔化过程中温 度及状态的变化。实验时，尽量使酒精灯的火焰等外界条件相同。每隔相同 的时间将测得的温度值及对应状态填入表中，并分别在坐标纸上设温度为纵 坐标，时间为横坐标，建立坐标系，并在坐标系中描出各点（碎冰和石蜡熔 化时温度随时间变化）（图12-18)，然后将这些点用平滑曲线连接起来。 熔化记录表格 时间 t/min 冰的温度 t/℃ 冰的状态 石蜡的温度 t/℃ 石蜡的状态 温度 t/℃ 温度 t/℃ O O 时间 t/min 时间 t/min 图 12-17 实验装置 （a） （b） 分析与论证 图 12-18 冰和石蜡熔化时温度随时间变化的规律 分析数据和图像可知： 冰在熔化过程中温度变化的规律：________________________________ ________________________________________________________________。11 第二节 熔化与凝固 石蜡在熔化过程中温度变化的规律：______________________________ ________________________________________________________________。 交流与合作 看看你的假设是否与实验结论一致？想想你的研究计划是否合理？实验操 作是否规范？测量得到的数据有无误差？误差的原因可能是什么？结论是否可 靠？（整个探究过程都需与同学和老师交流讨论） 探究点拨 实验中，有时较难测出碎冰在零摄氏度以下的温度。若遇此情形， 可尝试以下方法改进：开始时在烧杯中放盐与碎冰，然后将装有纯净碎 冰的试管插入其中；随后加热，熔化烧杯中与盐混合的碎冰，随之，试 管中的碎冰也开始熔化了，这样便容易得到试管中碎冰熔化前后温度的 数据了。试管中的冰最好用蒸馏水冻结而成，实验过程中还需对试管中 的碎冰或冰水不断搅拌，使其受热均匀。 有些物质的熔点较高，如海波的熔点为 48 ℃左右，因此，有时也 可用海波替代试管中的碎冰做实验，以便更容易观测这些物质熔化前后 温度的变化。 熔 点 由进一步的探究可知，在1个标准大气压下，冰在 0 ℃时会熔化，而且在熔化过程中即使继续加热，其温 度也保持不变；而石蜡则不一样了，在熔化过程中只要 外界不断加热，其温度便不断升高。自然界中有些固体， 像冰那样，在熔化过程中尽管外界不断加热，但其温度 仍保持不变。这类固体有确定的熔化温度，称为晶体 （crystal）。有些固体没有确定的熔化温度，而是随着温12 第十二章 温度与物态变化 度的升高逐渐由硬变软，最后变为液体，在熔化过程中， 外界不断加热，其温度会持续上升。这类固体没有确 定的熔化温度，称为非晶体（noncrystal）。物理学中 将晶体熔化时的温度叫做熔点（melting point）。所 以，晶体有熔点，而非晶体则没有熔点。金属、钻石、 冰、食盐、石墨等都有确定的熔点，因此，它们是晶体 （图12-19）；而石蜡、塑料、玻璃、松香、沥青等则没 有熔点，因此，它们都是非晶体（图12-20）。 图 12-19 皇冠上的钻石、黄金等属于晶体 图 12-20 塑料用具属于非晶体 拓展一步 通过前面探究冰的熔点可知，当晶体熔化时，温度不变 ；但若 停止加热，熔化过程就会停止，这是为什么呢？ 当晶体被加热时，分子运动更加剧烈， 分子间的束缚随之减弱，以致有的分子能 较自由地“游动”，呈流动性，这时，晶 体便处于熔化过程。如果要使熔化过程继 续，需对晶体继续加热，以便更多的分子 能“游动”。所以，在熔化过程中外界所 提供的热量，用于减小分子间的束缚，并 不能使晶体的温度升高。这也说明熔化是 图 12-21 晶体熔化时的 吸热过程。 分子运动模型第二节 熔化与凝固 13 不同晶体的熔点是不一样的。下表给出了在 1 个标准大气压下常见晶体的熔点。 常见晶体的熔点(在1个标准大气压下) 晶体(固态) 熔点 t/℃ 晶体(固态) 熔点 t/℃ 晶体(固态) 熔点 t/℃ 固态氧 -218 海波 48 金 1 064 固态氮 -210 萘 80 铜 1 083 固态酒精 -117 锡 232 铁 1 525 固态汞 -39 铅 327 铂 1 769 冰 0 铝 660 钨 3 410 信息窗 晶体的熔点也会由于外界压 强的变化或杂质的存在等原因而 变化。例如，往装有冰块的烧杯 中放些盐并搅拌，这时烧杯中冰 的熔点会低于0 ℃。再如，下雪 天，人们为了出行方便，常常向 积雪的公路上撒盐，因为盐能尽 图 12-22 工作人员在撒盐融雪 快地融雪，而盐水在-20 ℃以下 才结冰。尽管盐融雪使交通畅通了，但却会腐蚀车辆、道路，污染地 下水，破坏植被，甚至危害人体等，因此，应慎用盐融雪的方法。 凝 固 通常情况下，冰的熔点是 0 ℃。当温度为 0 ℃ 时，冰、水可以共存；当温度高于冰的熔点时，冰14 第十二章 温度与物态变化 熔化成水；当温度低于冰的熔点时，水就凝固成冰 （图 12-23）。晶体形成也有确定的温度，这个温度 叫凝固点（solidifying point)。凝固是熔化的相反 过程。同一种晶体的熔点和凝固点是相同的。非晶 体既没有熔点，也没有凝固点。 晶体在熔化过程中要吸热，在凝固过程中则会 图 12-23 公园座椅边缘凝固了的冰凌 放热。 人们常将物态变化过程中的放热、吸热现象应 用于生产、生活实践。 例如，北方冬季贮菜，人们常在地窖放几桶水， 以防止地窖的菜被冻坏（图 12-24）。你知道这是 为什么吗？ 因为当气温下降至 0 ℃以下时，桶里的水会凝 固成冰，在凝固过程中，水会放出热量，该热量可 使地窖的温度不至于降得太低，从而避免蔬菜被冻 图 12-24 地窖里的水桶与蔬菜 坏。 迷你实验室 自制玩具 先用泥土或沙做一个玩具模子，然后加热石蜡，使其熔化，并将 熔化的石蜡倒入模子（图12-25）。待冷却后，便得到了你设计的玩具。 （制作玩具过程中，请注意安全） 图 12-25 熔化的石蜡倒入玩具模子第二节 熔化与凝固 15 作业 1．某些高山上的积雪，为什么终年不化？ 2．将盛有锡块的坩埚放在电炉上加热，锡在逐渐熔化的过程中要（ ）。 A．不断吸热，温度不断上升 B．不断放热，温度不断上升 C．不断吸热，温度保持不变 D．不断放热，温度保持不变 3．用铜块浇铸铜像的过程中，发生的物态变化是（ ）。 A．凝固 B．熔化 C．先熔化后凝固 D．先凝固后熔化 4．如图12-26所示是某种固态物质加热变 温度t/℃ 成液态时温度随时间变化的曲线，由图可知，该 90 物质是________（选填“晶体”或“非晶体”）， 80 它的熔点是 ________℃。它在熔化过程中要 70 ________（选填“吸热”或“放热”）。 O 2 4 6 8 10 时间t/min 图 12-26 ? 请提 问 1．如何解释民间谚语：“下雪不冷，化雪冷”？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……16 第十二章 温度与物态变化 第三节 汽化与液化 像水变水蒸气那样，物质从液态变为气态的过 程称为汽化（vaporization)。像水蒸气变水那样， 物质从气态变为液态的过程称为液化（liquefaction)。 汽 化 物质的汽化有两种方式：沸腾和蒸发。首先探 究沸腾现象。沸腾（boiling) 是在一定温度下液体 的内部和表面同时发生的剧烈汽化现象。下面以水 为例，看看水沸腾时有何特点。 实验探究 水的沸腾特点 水在什么情况下会沸腾？在沸腾过程 中，温度如何变化呢？ 按图12-27所示的装置加热水，观察水 在沸腾时的温度变化和现象。将所测得的数 据填入表中，并在坐标纸上描出各点（图 12-28)，将这些点用平滑曲线连接起来。 图 12-27 加热水第三节 汽化与液化 17 记录表格 时间 t/min 温度 t/℃ 温度 t/℃ O 时间 t/min 图 12-28 水沸腾时温度随时间变化的规律 分析数据和图像可知： 水在沸腾过程中温度变化的规律：_______________________________ ________________________________________________________________。 水在沸腾的过程中，虽然继续吸热，但它的温 度却保持不变，这个温度叫沸点（boiling point）。 不同液体沸腾时的温度是不同的，因此，其沸点也 是不同的。下表给出了一些物质在 1 个标准大气压 下的沸点。 一些物质的沸点（在1个标准大气压下） 物质(液态) 沸点 t/℃ 物质(液态) 沸点 t/℃ 物质(液态) 沸点 t/℃ 液态氦 -269 乙醚 35 萘 218 液态氢 -253 酒精 78 亚麻仁油 287 液态氮 -196 水 100 汞 357 液态氧 -183 甲苯 111 液态铅 1 740 液态氨 -33 煤油 150 液态铁 2 75018 第十二章 温度与物态变化 信息窗 物质的沸点在不同条件下也会发生变化。例如，在水中放些盐或 糖，沸点升高，如果加入酒精，则沸点降低；又如，海拔高的地方由 于气压低，水的沸点会随之变低。通常，地势每升高1 000 m，水的沸 点就降低约 3 ℃。我国的青藏高原，平均海拔在4 000 m以上，被称为 “世界屋脊”。在这里，水的沸点常年都达不到 100 ℃，大部分地区水 的沸点为 84～87 ℃。在 8 844.43 m的珠穆朗玛峰上，烧开的水只有 73.5 ℃。这样的温度，连鸡蛋也煮不熟。高压锅则可以解决该问题， 高压锅密封性能好，锅内的气压比外界大气压高，水的沸点可在 100 ℃以上，因此，食物能很快煮熟。 在日常生活中，除了沸腾属于汽化现象， 还有一种只在液体表面发生的汽化现象，这种 现象叫做蒸发（evaporation）。液体的蒸发随 时都在发生，液体温度越高、液体表面积越大、 液体表面空气流动越快，液体蒸发就越快，反 之，蒸发越慢。例如，人们晾衣服时，常常将 其尽可能展开，并充分利用阳光和通风，以便 尽快晾干衣服（图12-29）。 图 12-29 蒸发快的晾衣方式 尽管沸腾与蒸发都属汽化现象，需从周围 吸热，但仍存在差异。沸腾只在特定温度时发 生，而蒸发却在任何温度下都能发生；沸腾发 生在液体的内部和表面，而蒸发仅发生在液体 表面；沸腾时有气泡产生，而蒸发时则无气泡 产生。 生活中利用蒸发吸热的例子很多。例如， 人们常用酒精擦拭体表为高烧病人降温，因为 酒精在蒸发过程中要吸热，病人体温便可暂时 图 12-30 用酒精 擦拭体表为高烧病人降温 下降（图12-30）。第三节 汽化与液化 19 拓展一步 液体在沸腾过程中，大量分子会挣脱 周围分子的引力而飞出，若要使沸腾过程 继续，必须对液体继续加热，以便更多的 分子飞出。在沸腾过程中，来自外界的热 量为分子挣脱引力提供了能量，但无多余 能量使液体温度升高（图12-31）。 另外，为什么液体的蒸发随时都在发 生呢？这是因为在任何温度下，总会有一 图 12-31 液体汽化时的 些分子可以得到足够的能量而挣脱周围液 分子运动模型 体分子的吸引，从而脱离液面飞向空中。 液 化 在前面“人造雨”实验中，从水壶口喷出的水 蒸气遇到勺子时，其温度降低，水蒸气变成了小水珠； 同理，在图 12-32 中，从水壶口冒出的水蒸气遇到 冷空气后，变成了白雾（注意：白雾并不是水蒸气， 而是水蒸气遇冷变成的小液滴）。这些都是物质从 气态变为液态的过程，称为液化。液化是汽化的相 反过程。 白雾 水蒸气区域 图 12-32 图 12-33 水蒸气遇冷形成白雾 植物上的露珠20 第十二章 温度与物态变化 生活中的液化现象很多，如植物上的露珠（图 12-33）、冰棍冒的“白气”、飞机的“尾气”等， 都是水蒸气液化而成的。另外，我们常见的雾也是 空气中的水蒸气液化的结果。雾和云含有大量的小 水滴，只是云在空中，雾则接近地面（图12-34）。 小水珠 图 12-34 山林中的雾 迷你实验室 请试用实验室加热器具或厨 房炊具模拟飞机“尾气”的产生 （图 12-35）。想一想，在什么样 的条件下这种尾气才容易制成？ 为什么水蒸气刚喷出时不是白色 雾状？（注意安全） 图 12-35 水蒸气液化为小水滴第三节 汽化与液化 21 作业 1.清晨，草叶上常挂有晶莹的露珠，这是由于夜间温度低，空气中的水蒸气________ 形成的，在阳光照射下这些露珠又会慢慢消失，是由于露珠发生了_______的缘故。（均 选填物态变化名称） 2.游泳时，在水里不觉得冷，上了岸觉得冷，这是因为（ ）。 A．水的温度高，空气的温度低 B．空气比水容易传递热量 C．人体表面的水分蒸发要吸收热量 D．以上都不对 3.在制药时为了从溶液中提取抗生素，要用加热的方法使溶液沸腾而除去水分，但 抗生素不能在超过80 ℃的温度下提取，应采用的方法是（ ）。 A．用微火加热使其沸腾 B．降低容器内的气压，使水的沸点低于80 ℃ C．缩短加热沸腾时间 D．增加容器内的气压，使水的沸点低于80 ℃ 4．请你用表格方式对比呈现蒸发与沸腾的相同与不同之处。 ? 请提 问 1．为什么夏天装有冰水的杯外壁常能看见小水珠？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……22 第十二章 温度与物态变化 第四节 升华与凝华 升 华 冬天，冰冻的湿衣服也能晾干，这是因为衣服 上的冰直接变成了水蒸气。物理学中将物质直接从 固态变为气态的过程称为升华（sublimation)。下 面，我们来看一个有趣的实验。 玻璃片 迷你实验室 如图12-36所示，把少量的碘放入烧瓶中， 碘 瓶口加盖玻璃片，然后微微加热，观察有什么 现象发生？你能解释吗？ 停止加热后，继续观察有何现象发生？你 能解释吗？ 图 12-36 碘的升华 生活中有不少升华现象，如樟脑球放一段时间 后会自动消失也是升华现象。 升华也是吸热过程，人们常将升华过程中的吸 热特点应用于生产和生活实践中。 例如，舞台上的缕缕青云或淡淡薄雾等特殊效 果就是因干冰（固态二氧化碳）升华，使水蒸气遇 图 12-37 干冰升华产生 冷液化所致（图 12-37）。干冰在升华过程中大量 的特殊效果第四节 升华与凝华 23 吸热，周围的温度快速降低，使周围的水蒸气液化 为小水滴，这便是我们看见的淡淡薄雾。 再如，人们利用干冰升华吸热的特点进行人工 降雨（图 12-38）。将干冰“喷”入冷空气层，干 冰会很快升华，在升华过程中将吸收大量的热量， 使其周围冷空气层的温度急剧下降；这时，冷空气 层中的水蒸气便会变成小冰晶；小冰晶逐渐变大后 下落，在下落中遇到暖气流就会熔化而形成雨。 图 12-38 人工降雨 凝 华 深秋或初春，当夜间气温低于 0 ℃时，空气中 的水蒸气会在温度较低的枝叶、木头和瓦片等物体 上凝成白色晶状的小冰粒，这就是霜。霜是由空气 中的水蒸气直接变成的固体冰晶。 像霜的形成那样，物质从气态直接变为固态的 过程，称为凝华（condensation)。凝华是升华的相 反过程。生活中的凝华现象很多，如寒冷冬天窗玻 璃上的冰花（图 12-39）、树枝上“雾凇”（图 12- 40）的形成等。在前面的碘升华实验中，当停止加 热后，烧瓶内壁会出现碘微粒，这是碘的凝华现象。 图 12-39 冰花 图 12-40 雾凇24 第十二章 温度与物态变化 信息窗 有霜（图 12-41）时节，农作 物常被冻坏，这就是人们常说的遭 受霜冻。实际上，农作物并非被 霜害死，而是由于气温低被冻死 的。当空气干燥时，即使温度降 到 -20 ～ -10 ℃，也不会出现霜， 但此时农作物早被冻坏了。农民们 称这种情况为“黑霜”。 图 12-41 结霜的植物 入秋后最早出现的霜叫“初霜”，开春后最后出现的霜为“终霜”。 从“终霜”到“初霜”的日子为无霜期。我国北方的无霜期短，南方 的无霜期长。 物态变化过程中的吸热、放热 从前面的熔化、汽化、升华实验可知，这些物 态变化过程都是吸热过程，而与此对应的凝固、液 化、凝华则是放热过程， 如图12-42 所示。 温度 物质从固态变为液 凝华（放热） 态、从液态变为气态以 液化（放热） 气态 及从固态直接变为气态 汽化（吸热） 的过程中，需要从外界 凝固（放热） 液态 吸收热量；而物质从气 熔化（吸热） 态变为液态、从液态变 升华（吸热） 为固态以及从气态直接 固态 变为固态的过程中，会 图 12-42 某晶体的物态变化过程 向外界放出热量。第四节 升华与凝华 25 冰箱的制冷原理也与放热、吸热的 物态变化过程有关。 冷冻室 如图12-43 所示，当电冰箱通电后， 蒸发器 压缩机将蒸发器内的制冷剂气体吸出， （汽化吸热） 使其变成温度较高的压缩气体；接着， 毛细管 该制冷剂气体在冰箱的冷凝器中液化， 冷凝器 散热装置向外界放热；然后，制冷剂液 （液化放热） 体经毛细管进入蒸发器，在蒸发器中汽 化而大量吸收冰箱内的热量，这样冰箱 压缩机 内的温度就降低了。 图 12-43 电冰箱的构造 信息窗 以前，冰箱或空调常用一种被称为“氟利昂”的制冷剂，这种制 冷剂会破坏臭氧层。现在我国已经禁止生产、销售用“氟利昂”做制 冷剂的冰箱和空调了。 臭氧是无色气体，有特殊臭味，故得 名“臭氧”。距地面15～50 km 高度的大 气平流层，集中了地球上 90% 的臭氧， 这就是“臭氧层”。 臭氧层是地球的天然屏障，使地球 生命免遭强烈紫外线伤害。然而地球的 臭氧层正在遭到破坏。 20 世纪 70 年代中期以来，人们在 南极大气观测中发现南极上空的臭氧含 图 12-44 1987年“云雨”10 号卫星拍摄的南极上空的臭氧洞 量正在逐年减少，到 1985 年臭氧仅为正 常含量的 60%～70%，其减少区域已相当于美国国土面积。这种现象 被称为“南极臭氧洞”（图12-44）。 学者认为大量使用氮肥和氟利昂、大型超音速飞机的空中废气、 核试验及火山爆发等，都会产生破坏臭氧层的有害气体。现在，人们 给予了高度的重视，并采用各种方法保护臭氧层。26 第十二章 温度与物态变化 作业 1．下列现象各属于什么物态变化过程？ (1）从冰柜中取出冰棍，常会看到冰棍冒“白气”。 _________________ (2）冬天，能看到呼出的“白气”。 _________________ (3）冬天，室外冰冻的衣服变干了。 _________________ (4）寒冷冬夜，玻璃上常会结层冰花。 _________________ (5）屋顶瓦上结了一层霜。 _________________ (6）早晨有浓雾。 _________________ (7）滴在玻璃表面的水消失了。 _________________ 2．人工降雨常通过飞机在空中喷洒干冰来实 现。干冰在空气中迅速吸热_______，从固体变成 气体，使空气温度急剧下降，空气中的水蒸气遇冷 _______成小冰粒，冰粒逐渐变大而下落，下落过 程中熔化成水滴，水滴降落就形成了雨。（均选填物 态变化的名称） 3．夏季的清晨，河面上飘着淡淡的白雾（图 图 12-45 12-45）。请从物理学的角度解释产生这种现象的原因。 ? 请提 问 1．“雾凇”与冰的形成各对应什么物态变化过程？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第五节 全球变暖与水资源危机 27 第五节 全球变暖与水资源危机 全球变暖 全球变暖已是大家非常关注的一种现象。导致 全球变暖的原因是多方面的，其主要原因是现代工 业大量使用矿物燃料（如煤、石油、天然气等）作 为能源，排放出 CO 等多种温室气体（图 12-46）， 2 这些温室气体使太阳的热量聚集在地球周围，导致 温室效应加剧，使全球变暖。 全球变暖会给人类带来一系列的不利影响。 1．海面上升的影响 全球变暖会引起地球南、北两极的冰山熔化（图 12-47），这将使低地被淹；海岸被冲蚀；地表水和 地下水盐分增加，影响城市供水；沿海和岛国居民 生活受到严重威胁。 图 12-46 工业排放大量温室气体 图 12-47 全球变暖将会 图，工业排放大量温室气体 使北极熊无家可归28 第十二章 温度与物态变化 2．对动、植物的影响 气候是决定生物群落分布的主要因素之一，自 然界的动物、植物可能因无法适应全球变暖的速度 而惨遭厄运或被迫转移。 3．对农业的影响 温度和降水是决定种植的主要因素，温度及由 温度引起的降水变化将影响到粮食作物的产量和作 物的分布类型。 4．对人类健康的影响 人类健康取决于良好的生态环境，全球变暖将 成为本世纪影响人类健康的主要因素之一。高温天 气将严重困扰人类健康，导致人类发病率和死亡率 增加，一些热带地区疾病，如疟疾、血吸虫病、霍乱、 脑膜炎、黑热病、登革热等传染病也可能随着气候 变暖而向更多的国家传播。 因此，人类应该尽快采取应对措施，将环境保 护放在非常重要的位置。 水资源危机 威胁人类生存的另一类因素，便是水资源危机。 随着人类社会的发展，环境问题越来越严重了。 图 12-48 污染严重的河流 图 12-49 赤潮第五节 全球变暖与水资源危机 29 图 12-50 因缺水而荒芜的农田 土地沙化、河水污染，使山清水秀的景象逐渐消失， 孕育生命的江海正在被污染（图 12-48），昔日的 小溪正在干涸，海洋污染日趋严峻（图12-49）。 缺水已是一个世界性的普遍现象。全世界有很 多国家存在不同程度的缺水问题，其中有些国家被 列为缺水国或严重缺水国。我国的水资源匮乏问题 也很严重（图 12-50）。饮用水源污染严重，大部 分地下水都受到不同程度的污染。水资源危机已向 人类生存拉响了警报。 因此，保护水资源、节约用水是地球上每一个 人义不容辞的责任。 珍惜每一滴水 水是生命之源！面对严峻的缺水、水污染问题， 我们应该积极行动起来，从珍惜每一滴水做起，采 取节水技术、防治水污染、植树造林等多项措施， 合理利用和保护水资源（图12-51）。 第 47 届联合国大会根据《21 世纪行动议程》 提出的建议，决定自 1993 年起，将每年的 3 月 22 日定为世界水日。这旨在推动对水资源进行综合性 统筹规划和管理，加强水资源保护，解决日益严峻 图 12-51 珍贵的水资源30 第十二章 温度与物态变化 的缺水问题，开展广泛的宣传教育以提高公众对开 发和保护水资源的认识。 交流与讨论 我们在家庭生活中用水淘米、洗菜、洗衣、浇花、冲厕、洗 澡……想想在这些用水环节中，可采取哪些节水方法？ 项 目 可能的节水方法 淘米 洗菜 洗衣 浇花 冲厕 洗澡 作业 1. 记录自己家中每月用水量，按照家中人口计算出每月人均用水量，并用你的计算 结果估算你所居住的区域的每月总用水量。 2. 上网查询我国水资源的状况及利用情况，写一份调查报告，对水资源利用提出合 理化建议。 ? 请提 问 1．什么是温室效应？ 2. ____________________________________________ ……本章练习 31 本章练习 1．生活处处有物理，留心观察皆学问。对以下现象解释正确的是（ ）。 A．初冬季节，在家里洗澡时发现房间里充满“白气”，这些“白气”是水蒸气 B．把酒精擦在手背上，手背感觉很凉爽，是因为酒精蒸发时要吸收热量 C．放在衣橱里的樟脑丸，时间久了会明显变小，是因为樟脑丸蒸发为气体跑掉了 D．剧场上淡淡薄雾是二氧化碳气体 2．如图12-52所示的符号分别代表冰雹、小雪、雾和霜冻四种天气现象，其中主要 通过液化形成的是（ ）。 A.冰雹 B.小雪 C.雾 D.霜冻 图 12-52 3．已知液态氢的沸点是-253 ℃，固态氢的熔点是-259 ℃，那么-260 ℃的氢 是________态，-255 ℃的氢是________态，-250 ℃的氢是________态。 4．水沸腾过程中水的温度__________（选填“升高”“下降”或“不变”），该过程 水__________（选填“吸热”“放热”或“不吸热也不放热”）。 5．下表是1个标准大气压下一些物质的熔点和沸点。根据下表，在我国各个地区都 能测量气温的温度计是（ ）。 物质 水 汞 酒精 乙醚 熔点 /℃ 0 -39 -117 -114 沸点 /℃ 100 357 78 35 A. 水温度计 B. 汞温度计 C. 酒精温度计 D. 乙醚温度计 6．小王将一杯温水放入正常工作的冰箱的冷冻室中，经过一段较长时间后，杯中的 水发生了物态变化。图12-53中的四个图像中能正确反映这杯水的物态变化过程的是 （ ）。32 第十二章 温度与物态变化 温度t 温度t 温度t 温度t O O O O 时间t 时间t 时间t 时间t A. B. C. D. 图 12-53 7．如图12-54所示是某物质在熔化时温度随 温度t/℃ 时间变化的图像，下列从图像中获得的信息中不正 C 4 4 A B 确的是（ ）。 50 4 A．这种物质是晶体，其熔点为50 ℃ 25 B．在AB段物质处于固液共存状态 O 4 8 时间t/min C．在AB段物质不吸收热量，温度不变 图 12-54 D．第8 min后物质处于液态 实 践 与 总 结 塑料布 1．实践活动： 在某些干旱缺水的地区，露水也是重要的水 资源。人们用塑料布来收集露水（图12-55）。 石块 塑料小桶 请进行收集露水的活动，看看在什么情况下 露水多，在什么情况下露水少，并探究露水多少 的原因。 2．本章总结： 图 12-55 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________3333 第十三章 内能与热机 物体的内能 科学探究：物质的比热容 内燃机 热机效率和环境保护34 第十三章 内能与热机 第一节 物体的内能 物体的内能 组成物质的分子在永不停息地做无规则运动， 每个分子都具有动能。物质的分子之间存在引力和 斥力，并有间隔，因此，物质的分子还具有势能。 物体内所有分子无规则运动的动能，以及分子 势能的总和叫做物体的内能（internal energy)。内 能是自然界能量存在的一种形式。内能的国际单位 是焦耳，符号为“J”。 分子无规则运动的剧烈程度与温度有关，物体 的温度越高，分子运动越剧烈，分子的动能越大。 因此，物体的内能与其温度有关。物理学中把分子 的这种无规则运动又叫做分子的热运动。如果体积 变化不大，同一物体的温度越高，其内能越大；温 度越低，其内能越小。 热水 冷水 图 13-1 等质量热水的内能比冷水 图 13-2 灯丝炽热时的内能 的内能大 比未通电时的内能大第一节 物体的内能 35 改变物体内能的两种途径 物体的内能是会变化的。那么，通过哪些途径 可以改变物体的内能呢？ 因为物体的内能与温度有关，所以，可以用物 体的温度变化来判断其内能是否发生了变化。 实验探究 （一）做功可改变内能 如图 13-3 所示，在一个配有活塞的厚壁玻璃筒中放一小团硝化棉，迅速 向下压活塞，硝化棉就燃烧起来了。这是为什么呢？原来，向下压活塞时，活 塞压缩玻璃筒内的空气，对筒内空气做了功。硝化棉燃烧表明筒内空气的温度 升高了，也就是说，筒内空气的内能增加了。实验说明做功可以改变物体的 内能。 将一根铁丝快速反复弯折数十次，铁丝弯折处会发热（图 13-4)，表明铁 丝弯折处的温度升高，铁丝的内能增大了。铁丝内能的增大是由于人对铁丝做 了功。实验再次说明做功可以改变物体的内能。 图 13-3 空气被压缩， 图 13-4 铁丝反复弯折 内能增加 处会发热 （二）热传递可改变内能 在探究（一）中，我们已知做功可改变物体的内能。观察周围的生活实36 第十三章 内能与热机 例，我们还发现热传递也能改变物体的内能。例如，炉上的铁锅热得烫手（图 13-5），暖风机一开，室内温度就上升了（图 13-6），太阳下的棉被被晒得很 暖和（图13-7）。 图 13-5 铁锅热得烫手 图 13-6 暖风机开了，房 图 13-7 棉被被晒得 间温度升高了 热乎乎的 这些通过热传导、对流和热辐射进行的热传递，都能使物体温度升高，改 变物体的内能。 在热传递的这三种形式中，热传导时，物体内各部分的物质不发生移动； 对流时，物体内各部分物质之间会流动，对流主要发生在气体或液体中；热辐 射不需要介质，如太阳的光和热就是通过热辐射的方式传到地球的。 科学研究表明： 改变物体内能的途径是做功和热传递。 热 量 在热传递过程中，物体间内能传递的多少称为 热量 (quantity of heat)。热量通常用字母Q表示， 常用单位是焦耳，符号为“J”。第一节 物体的内能 37 实验研究表明，1 kg水温度升高1 ℃要吸收热量 4.2×103 J，温度降低 1 ℃要放出热量4.2×103 J。 在热传递过程中，高温物体放出热量，温度降 低，内能减少；低温物体吸收热量，温度升高，内 能增加。因此，热传递的实质就是能量从高温物体 向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。 热传递转移的是能量，而不是温度。 交流与讨论 热传递是通过热传导、对流和热辐射 三种方式进行的。大家一起讨论，说说在 大自然或日常生活中，分别有哪些热传递 是通过热传导、对流或热辐射进行的。 信息窗 “冷冻”原子 不论是固体、液体还是气体，都是由分子或原子构成的，分子和 原子在永不停息地运动着。要准确地研究原子的性质，最理想的办 法是将原子“冻结”起来，使它处于静止状态。 1985 年，美国贝尔实验室的华裔科学家朱棣文运用强激光光束 射击原子，利用光压阻止原子的运动，使得原子好像被胶黏起来一 样（称之为“光黏胶”)，然后将温度降低到 2.4×10-4 K。在如此低 的温度下，原子的动能低到接近于零，原子被“冻结”了。为此， 朱棣文教授成为1997年诺贝尔物理学奖的得主之一。38 第十三章 内能与热机 作业 1．夏天，将饮料放进冰箱一段时间后，饮料温度降低。试分析饮料在冰箱中的内能 变化，并解释内能变化的原因。 2．图13-8中两名儿童的取暖方式是（ ）。 A．两人都是通过做功取暖 B．两人都是通过热传递取暖 C．男孩通过热传递取暖，女孩通过做功取暖 D．男孩通过做功取暖，女孩通过热传递取暖 3．关于温度、热量和内能，下列说法中正确的是（ ）。 A．物体的温度越高，所含热量越多 图 13-8 B．温度高的物体，内能不一定大 C．0 ℃的冰块，内能一定为零 D．任何两物体间都会发生热传递 4．原始的人类用“钻木取火”的方法取得火种。你能说出其中的道理吗？现在人们 用火柴点火，从物理学的角度来看，它们是否有相同的原理？ ? 请提 问 1．用体温计测体温，为什么要将体温计在腋下放一段时间才行？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第二节 科学探究：物质的比热容 39 第二节 科学探究：物质的比热容 探究物质吸热或放热规律 物体吸收热量后，温度可能升高了。那么，在 升高相同温度的情况下，不同物体吸收的热量都是 相同的吗？从经验可知，同一种物质升高相同的温 度，质量大的物体需要吸收的热量多[ 图13-9 (a)]。 如果物质不相同呢[图13-9 (b)]？我们如何比较物体 温度变化时所吸收（或放出）的热量呢？（因吸热与 放热对应的规律相同，我们侧重探究吸热的规律） 铜块 铁块 (a) 煤气灶烧水 (b) 加热铜块和铁块 使一壶水与半壶水升高相同 使相同质量的铜和铁升高相 的温度，需要的热量相同吗？ 同温度，需要的热量相同吗？ 图 13-9 下面，我们来探究相同质量的不同物质在升 高相同温度时，吸收热量的多少是否相同，有什么 规律。40 第十三章 内能与热机 实验探究 取相同质量的两种液体（如水和煤油）放入两个相同的容器中，用同样的 热源分别对它们加热，比较它们升高相同温度时吸收热量的多少。 实验热源用酒精灯（或电加热器），调整两只酒精灯的灯芯，使两灯的火 焰基本相同，这样便可近似认为它们是两个相同热源。 实验器材还有：相同的烧杯两只，质量相同的水和煤油，温度计两支，搅 拌器两只，铁架台两个，钟表，火柴。 实验中需要天平（或量筒和密度表），想想看，为什么？ 实验时要根据具体情况，分成若干实验小组进行实验探究。实验装置如图 13-10 所示。 搅拌器 搅拌器 温度计 温度计 水 煤油 图 13-10 探究物质吸热性质的实验装置图 探究点拨 设计实验与制订计划 进行实验前，应该有所计划或安排，以便做实 验时可以有条不紊地收集所需要的数据。 在探究时，主要考虑当物体温度变化时，物体的质量和物质的种类 对所吸收热量的影响。用“控制变量”的方法研究物质种类的影响，即 取相同质量的不同物质做实验。 实验的关键要有两个单位时间内供热能力基本相同的供热装置（热 源）。用两种液体作对比，研究温度变化和吸收热量的关系。第二节 科学探究：物质的比热容 41 进行实验与收集证据 1．取相同质量的水和煤油分别倒入两只烧杯中。按图13-10组装实验器材。 2．观察并记录加热前两液体的初温度t ，预先设定好液体加热的末温度t 。 1 2 3．分别给两液体加热，记下加热的开始时刻。加热时，上下反复缓慢地 提拉搅拌器。 4．当一种液体温度达到 t 时，记录该液体加热的最终时刻，计算该液体 2 加热的时间 t。对另一液体作同样的观察、操作和记录。当热源相同时，两液 体升高温度相同的情况下，加热时间越长的液体从热源吸热越多。 液体质量 液体初温 液体末温 加热时间 液体吸热情况 液体名称 m/g t /℃ t /℃ t/min “多”或“少” 1 2 5．将用过的煤油和水倒在指定的器皿内。整理好实验器材。 分析与论证 将各组的实验数据公布交流，通过对这些数据的研究和分析，我们发现： 1．相同质量的水，升高相同的温度时，其吸收的热量几乎是相同的，用 煤油做的实验也能得出相同的结论； 2．相同质量的水和煤油，升高相同的温度时，水吸收的热量比煤油____。 更多的实验可以使我们得出结论： 相同质量的同种物质，升高相同的温度，吸收的热量＿＿＿＿； 相同质量的不同种物质，升高相同的温度，吸收的热量＿＿＿＿。 反思评估 各组实验数据可能有较大的差异。原因之一是实验中所使用的酒精灯在相 同的时间内供给的热量有差异，因此，实际上研究对象在单位时间内吸收的热 量并不完全相等；原因之二是实验中有热量损失。同学们想想，还会有其他原 因导致误差吗？如何改进？42 第十三章 内能与热机 物质的比热容 科学家对以上现象进行了详细研究，并由此 揭示出物质的一种特性，这种特性被称为比热容 (specific heat capacity)。物理学规定：比热容的大小 等于一定质量的某种物质在温度升高（或降低）时吸 收（或放出）的热量与它的质量和升高（或降低）温 度的乘积之比。比热容的国际单位是J/(kg·℃)，符 号是“c”。当物体温度升高时，比热容的计算公式为 Q：吸收的热量 Q m：物体质量 c = —————。 m（t -t ） t ：物体初温度 2 1 1 t ：物体末温度 2 当物体温度降低时，上述公式仍适用，只需用 放出的热量 Q 除以 m（t -t ）即可。研究表明，同 1 2 种物质温度降低 1 ℃所放出的热量与温度升高 1 ℃ 所吸收的热量是相同的。 下表为几种常见物质的比热容。从表中可知： 干燥的泥土的比热容是 0.84×103 J/(kg·℃），其 物理意义是：1 kg 的干泥土温度每升高 ( 或降低） 1 ℃所吸收（或放出）的热量是 840 J。看一看，表 中哪种物质的比热容最大？ 常见物质的比热容 物 质 比热容c/(J·kg-1·℃-1) 物 质 比热容c/(J·kg-1·℃-1) 水 4.2×103 铝 0.88×103 酒精 2.4×103 干泥土 0.84×103 煤油 2.1×103 铁、钢 0.46×103 冰 2.1×103 铜 0.39×103 蓖麻油 1.8×103 汞 0.14×103 砂石 0.92×103 铅 0.13×103第二节 科学探究：物质的比热容 43 生产、生活中，还有不少利用水比热容大的特性 的实例。如人们培育秧苗时，为了保护秧苗在夜间不 被冷空气冻坏，常常在傍晚往农田中灌水，白天再将 水放出。因为，在夜间温度下降时水放出的热量较 多，从而达到防冻的目的。再如人们用冷水冷却发 动机（图13-11），用热水取暖（图13-12）等。 图 13-11 用冷水冷却汽车发动机 图 13-12 用热水取暖 想一想，沙漠地区昼夜温差很大，而沿海地区 昼夜温差不大。这又是什么原因呢？ 根据物质比热容的定义可计算出该物体在温度 变化过程中吸收（或放出）的热量 Q =cm (t -t )，Q =cm (t -t )。 吸 2 1 放 1 2 例题 * 要把 2 kg 的水从 20 ℃加热到 100 ℃， 至少需供给多少热量？ 已知： c = 4.2×103 J/(kg·℃），m=2 kg， t= 20 ℃，t =100 ℃。 1 2 求：Q 。 吸 解：Q = cm (t -t ) 吸 2 1 =4.2×103 J/(kg·℃）×2 kg× (100 ℃-20 ℃） =6.72×105 J。 答：至少需供给6.72×105 J 的热量。 ＊本书中凡标注有＊的例题与习题，教师可根据具体情况灵活处理。44 第十三章 内能与热机 作业 1．沿海地区，昼夜温差较小，而内陆沙漠地区的昼夜温差较大，这主要是因为（ ）。 A．海水的密度小，砂石的密度大 B．海水的比热容大，砂石的比热容小 C．海水的内能多，砂石的内能少 D．海水吸收热量少，砂石吸收热量多 2．水的比热容较大，人们往往利用它的这一特性为生活、生产服务，下列事例中与 它的这一特性无关的是（ ）。 A．让流动的热水流过散热器供暖 B．汽车发动机用循环水冷却 C．夜晚向稻田里放水以防冻坏秧苗 D．夏天洒水降温 3．将质量和初温均相同的铝、铜、铁三个金属球（c ＞c ＞c ），浸没在沸水中煮 铝 铁 铜 较长的一段时间，则三个球的温度_______。从沸水中吸热最多的是_______球，吸热最 少的是_______球。 4．若将一瓶煤油倒去一半，则留下的一半（ ）。 A．密度不变，比热容变为原来的一半 B．密度和比热容都不变 C．比热容不变，密度变为原来的一半 D．密度、比热容都变为原来的一半 5.* 若100 g水从20 ℃升温至90 ℃，要吸收多少热量？一根铁钉的质量约10 g，从 1 000 ℃的红热状态冷却至25 ℃，会放出多少热量？[c =4.2×103 J/(kg·℃)，c = 水 铁 0.46×103 J/(kg·℃)] ? 请提 问 1．如何设计一个好的实验方案？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第三节 内燃机 45 第三节 内燃机 汽车奔驰，列车飞驶，舰船劈波 斩浪，飞机凌空穿云。人们日行千里 的愿望已成现实。 车、船和飞机之所以能大展神威， 就因为有了发动机。 车、船和飞机的发动机是把燃料 燃烧时释放的内能转变为机械能的 装置，这种装置又被称为热机（heat 图 13-13 火车 engine)。 热机的种类较多。燃料直接在发动机气缸 内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机 (internal- combustion engine)，内燃机中最常见的是汽油机 和柴油机。 汽油机与柴油机是怎样工作的呢？ 图 13-14 轮船46 第十三章 内能与热机 汽油机 火花塞 进气道 排气阀 汽油机的燃料是汽油。图 13-15 是汽 进气阀 油机模型图。汽油机主要由气缸、活塞、 活塞 排气道 气缸 进气道、进气阀、排气道、排气阀、曲轴 飞轮 连杆、飞轮和火花塞组成。 图 13-16 是汽油机工作原理示意图。 汽油机工作时，活塞在气缸内做一次单向 运动叫做一个冲程（或行程)。 曲轴连杆 图 13-15 汽油机模型 火花塞 进气道 排气道 进气阀 排气阀 气缸 旋转的飞轮通过 两个气阀关闭，活塞 活塞 曲轴连杆带动活塞， 在飞轮带动下，从气缸下 曲轴连杆 使活塞从气缸上部向 部向上运动，缸内混合气 下运动，进 气阀开 体被压缩，机械能转化为 启，空气和汽油的混 内能，因此，内能增加、 合气体通过进气道进 温度升高、压强增大。 入缸内。 (a) 吸气冲程 (b) 压缩冲程 飞轮因为惯性继 压缩冲程结束后做功 续转动使活塞上升， 冲程开始时，气缸顶部的 排气阀打开，将燃烧 火花塞发出电火花，缸内 后的废气排出缸外。 气体爆发性燃烧，高温高 压气体迅速膨胀，使活塞 向下运动，内能转化为机 械能。 (d) 排气冲程 (c) 做功冲程 图 13-16 汽油机工作原理示意图第三节 内燃机 47 柴油机 排气门 喷油嘴 曲轴 柴油机的燃料是柴油，图 13-17 连杆 是柴油机的结构图，图 13-18 是柴 活塞 油机工作原理示意图。它与汽油机在 结构上的主要不同是气缸顶部的火花 进气门 气缸 塞换成了喷油嘴。 图 13-17 柴油机的结构 交流与讨论 四冲程柴油机的工作过程与汽油机的主要不同是： （1）吸气冲程进入气缸中的只有空气； （2）压缩冲程中，缸内气体被压缩的程度比汽油机更大，因此， 缸内气体的温度更高，压强更大； （3）压缩冲程末，喷油嘴喷出雾状柴油，进行压燃式点火。 在图13-18 中，每个图各表示哪个冲程？ (a)＿＿＿＿；(b) ＿＿＿＿；(c) ＿＿＿＿；(d)＿＿＿＿。 描述柴油机的工作过程: _________________________________ ___________________________________________________________。 (b) (a) (c) (d) 图 13-18 柴油机的工作原理示意图48 第十三章 内能与热机 汽油机和柴油机的一个工作循环都要经历四个 冲程，所以被称为四冲程内燃机。 四冲程内燃机在一个循环中，活塞往复运动 2 次，气缸内的燃油燃烧爆发1次，对外做功1次。 汽油机作为动力装置大多用在小汽车、飞机 （图13-19）以及一些轻巧的机械上；柴油机则多用 于载重汽车、火车、轮船、拖拉机等。此外，一些 小型发电机也用柴油机作动力装置。 内燃机具有运转速度快、质量轻、功率大的特 点。自内燃机问世 100 多年来，经过不断地改进与 发展，其应用范围越来越广，极大地改善了陆地、 海洋，乃至空中的交通运输方式。 内燃机工作时要排出尾气（废气），尾气由于 具有较高的温度，并携带一些有毒、有害物质，因 此，会污染环境。人们正在设法减小尾气引起的污 染，如使用无铅汽油等。 (a) (b) 图 13-19 小汽车及飞机等主要以汽油作燃料 作业 1．内燃机的工作过程由_______、_______、_______、_______四个冲程组成，其中， 将机械能转化为内能的是_______冲程，将内能转化为机械能的是_______冲程。第三节 内燃机 49 2．在内燃机工作的四个冲程中，发生内能和机械能相互转化的是（ ）。 A．吸气冲程和压缩冲程 B．压缩冲程和做功冲程 C．做功冲程和排气冲程 D．排气冲程和吸气冲程 3．四冲程汽油机工作时，活塞向上运动，并依靠飞轮的惯性来完成运转的冲程是 （ ）。 A．吸气冲程和做功冲程 B．压缩冲程和做功冲程 C．做功冲程和排气冲程 D．压缩冲程和排气冲程 4．在表格中填入汽油机和柴油机的区别： 机种 柴油机 汽油机 区别 构 造 吸入气体 点火方式 使用范围 ? 请提 问 1．柴油机为何不用火花塞点火？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……50 第十三章 内能与热机 第四节 热机效率和环境保护 烧水做饭、火力发电、直入苍穹的火箭等都离不 开燃料。燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程。 从原始人类学会用火起，至今，人们使用的能量绝大 部分还是通过燃烧燃料获得的。 燃料的热值 常见的燃料有煤、石油、天然气等，部分农村地 区还用木材或秸秆等作燃料。 由经验与科学研究可知，不同燃料燃烧释放热量 的能力是不同的。如图13-20所示，在20 ℃的室温下， 为学生提供100 kg的开水，若选用干木柴、烟煤或液 化石油气作燃料，所需的燃料的质量相同吗？ 为了研究燃料释放热量的能力，人们把 某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃 料的质量之比，叫做这种燃料的热值（heat value)。热值用字母q表示，单位是“J/kg”。 在20 ℃的室温下，向学生 提供100 kg开水。若用以下 对于气体燃料而言，热值则是某种燃料完 燃料，则需要多少？ 全燃烧放出的热量与所用该燃料的体积之 比，对应单位是“J/m3”。 因此，质量为 m 的燃料完全燃烧释放 的热量 干木柴 烟煤 Q：燃料完全燃烧释放的热量 液化 石油气 Q=mq。 m：燃料的质量 图 13-20 需要燃料的质量相同吗 q：燃料的热值第四节 热机效率和环境保护 51 常见燃料的热值 燃料 热值q/(J·kg-1) 燃料 热值q/(J·kg-1) 燃料 热值q/(J·m-3) 干木柴 1.2×107 酒精 3.0×107 氢气 1.26×107 烟煤 2.9×107 柴油 4.3×107 天然气 3.3×107～4.5×107 无烟煤 3.4×107 汽油、煤油 4.6×107 煤气 1.8×107 焦炭 3.0×107 原油 4.4×107 木炭 3.4×107 液化石油气 4.9×107 上表所列的是几种常见燃料的热值，试从表中查 出干木柴、烟煤、液化石油气的热值，说明它们所表 示的物理意义。 请估算在图13-20 所示的情况下，所需的干木柴、 烟煤和液化石油气的质量。 例题* 计算4 kg的柴油完全燃烧释放的热量。 已知：q=4.3×107 J/kg，m=4 kg。 求：Q。 解： Q=mq =4 kg×4.3×107 J/kg =1.72×108 J。 答：4 kg的柴油完全燃烧释放的热量为1.72×108 J。 热机效率 热机工作时，并不能将燃料所蕴藏的化学能全部 用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中 损耗掉了。图 13-21 是热机中燃料能量的主要走向示 意图。 由图可见，真正能转变为对外做有用功的能量只 是燃料燃烧时所释放能量的一部分。52 第十三章 内能与热机 部分燃料未 克服摩擦 完全燃烧 消耗能量 转化为对外做 有用功的能量 废气排出 机械传热 带走能量 损失能量 图 13-21 热机燃料的能量走向示意图 热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧 所释放的能量的比值称为热机效率。 为合理利用能源，人们一直在努力提高热机效 率，其主要途径是减少热机工作中的各种能量损失。 首先要减少燃烧过程中的热量损失，如内燃机要掌 握好火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间；蒸汽类 热机，常将煤研磨成粉状，用风吹入锅炉内燃烧。 这些措施都可以使燃料燃烧得更充分一些。其次是 要尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料 减小摩擦，以减少能量损失。 各种热机的效率是不同的，如推动世界上第一 次工业革命的蒸汽机，其效率只有 6 %～15 %，汽 油机的效率为20 %～30 %，柴油机的效率为30 %～ 40 %，而喷气式飞机上的发动机的效率能达到 50 %～60 %。 环境保护 热机为人类的发展做出了重大贡献，但也带来 了许多环境污染问题（图 13-22）。如汽车排出的第四节 热机效率和环境保护 53 大量尾气、燃料燃烧排放的烟尘使大气十分浑浊， 排放的二氧化硫和氮氧化合物，会形成酸雨，危害 植物，污染环境等。 烟尘 酸雨 植物 尾气 图 13-22 燃料燃烧对环境的影响 如何在保持工业发展、交通发达的同时，又能 减少废气与粉尘的污染，提高空气质量，保护我们 生存的家园，这已引起众多科学工作者和世界各国 政府的关注。 作业 1．完全燃烧相同质量的甲、乙两种燃料时，若甲放出的热量多，则甲的热值比乙的 热值________。 2．在煤炭市场中，少数不法商贩将矸石粉碎后掺在优质煤中销售，客户为了不上当， 最恰当的方法是检测下列物理量中的（ ）。 A．热值 B．比热容 C．温度 D．质量54 第十三章 内能与热机 3．现代火箭用液态氢作燃料，是因为它具有（ ）。 A．较大的比热容 B．较低的沸点 C．较大的热值 D．较高的凝固点 4．干木柴的热值是1.2×107 J/kg,它的物理意义是___________________________。 完全燃烧4 kg的干木柴，能放出__________热量。 5．热机在能的转化过程中不可避免地要损失一部分能量，并且会对环境造成一定程 度的污染。请指出热机工作过程中存在的各种形式的能量损失，同时指出可能造成哪些 环境污染。 ? 请提 问 1．热机效率为什么不能达到100%？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ …… 本章练习 1．欲使一根铁丝温度升高，你有哪些具体措施？ 2．关于热量、功、内能的概念，下列说法中正确的是（ ）。 A．热量、功、内能的国际单位都是焦，所以三者的物理意义是相同的 B．热传递和做功是改变物体内能的两种方式 C．克服摩擦做功可使物体的热量增加 D．对物体做了功，物体内能一定增加 3．下列各例中，属于内能转化为机械能的过程是（ ）。 A．用电炉加热水 B．衣服在阳光下暴晒升温 C．火箭升空 D．双手摩擦生热 4．某汽油机用来做有用功的那部分能量是燃料完全燃烧所放出能量的四分之一，则 此汽油机的热机效率是（ ）。 A．20％ B．25％ C．50％ D．75％本章练习 55 5．曾有人做过这样的实验，在一个薄铜管里装上适量的乙醚（一种沸点很低的挥发性 液体），用软木塞塞紧管口，把铜管固定在底座上（图13-23）。用结实的软绳在铜管上 绕一圈，再用两手很快地牵动绳子，让绳子跟铜管摩擦。一会儿发现铜管发热了，接着 铜管内的乙醚沸腾了，沸腾的蒸气能把软木塞冲起。你能解释这种现象吗？ 图 13-23 图 13-24 6．如图13-24所示，有人在试管里注入少量水，用软木塞塞紧管口，用酒精灯加热。 一会儿试管里的水沸腾了，水蒸气把软木塞向上冲起。请你分析该现象产生的原因。 7.* 完全燃烧200 g焦炭所放出的热量有60 %被质量为10 kg的水吸收[q =3.0× 焦炭 107 J/kg，c =4.2×103 J/(kg·℃)]，问： 水 （1）水吸收的热量是多少？ （2）若水的初始温度是10 ℃，那么，吸收了这些热量后，温度将升高到多少？ 实 践 与 总 结 1．实践活动： 搜集图书或网上的资料，了解本社区的情况，写一份关于热岛效应的成因 及其对环境的影响的报告，并在报告中提出改善的措施。 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________5566 第十四章 了解电路 第十四章 了解电路 电是什么 让电灯发光 连接串联电路和并联电路 科学探究：串联和并联电路的电流 测量电压第一节 电是什么 57 第一节 电是什么 摩擦起电 电是什么？人们最初是从摩擦起电认识电现象 的，让我们也从摩擦起电开始电的“探究之旅”吧。 实验探究 探究摩擦起电现象 做图14-1所示的实验，把观察到的现象记录在下面。 (a) 将与毛皮摩擦过的塑料梳子靠近小纸屑 (b) 将与毛皮摩擦过的 塑料棒靠近细水流 图 14-1 摩擦起电现象 (1) 与毛皮摩擦过的塑料梳子能___________轻小物体。 (2) 将与毛皮摩擦过的塑料棒靠近细水流附近，细水流将会 _____________。 为什么？58 第十四章 了解电路 (3) 用文具，如塑料刻度尺、铅笔、圆珠笔、钢笔等在头发上摩擦，分别 靠近小纸屑，观察现象并记录下来。 得出结论： 一些物体被摩擦后，能够吸引轻小物体。人们就说这些摩擦后的物体 带了“电”，或者说带了电荷 (electric charge)。 迷你实验室 “不友好”的气球 将两个充气后的气球悬挂起来， 让它们碰在一起［图14-2 (a)］。 用毛织品分别摩擦两个气球相 接触的部分［图14-2 (b)］。 放开气球后，你观察到什么现 象？这能给我们什么启示？ (a) (b) 图 14-2 让气球带电 两种电荷的相互作用 从上面的“迷你实验室”可知，两气球相互排斥， 这是为什么呢？下面，我们通过实验进行探究。 实验探究 探究电荷的种类和相互作用规律 参照图14-3所示的实验进行探究，并把观察到的现象记录在下面。第一节 电是什么 59 (1) 两根用丝绸摩擦过的玻璃棒相互靠近时［图 14-3 (a)］，它们之间发生 相互＿＿＿的现象。 (2) 两根用毛皮摩擦过的橡胶棒相互靠近时［图 14-3 (b)］，它们之间发生 相互＿＿＿的现象。 (3) 丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的橡胶棒相互靠近时［图14-3 (c)］， 它们之间发生相互＿＿＿的现象。 橡胶棒 玻璃棒 橡胶棒 玻璃棒 (a) (b) (c) 图 14-3 探究两种电荷的相互作用 得出结论: 用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒，所带电荷的性质是不一 样的。 自然界存在着两种电荷，人们把丝绸摩擦过的玻璃棒上所带的电荷规定为 正电荷(positive charge)，把毛皮摩擦过的橡胶棒上所带的电荷规定为负电荷 (negative charge)。 研究发现: 电荷间相互作用的规律是：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 加油站 电荷的多少叫电荷量，用符号Q表示。 在国际单位中，电荷量Q的单位是库仑，简称库，符号是“C”。60 第十四章 了解电路 金属球 根据电荷间相互作用的规律，人们制成了一种检 验物体是否带电的简易仪器：验电器，如图 14-4 所 绝缘塞 示。你能说出它的工作原理吗？ 金属杆 在八年级，我们已知原子的核式模型，原子核带 金属箔 正电荷，核外电子带负电荷。在通常情况下，原子核 内的正电荷跟核外电子所带的负电荷的总量相等，整 （a） 个原子呈中性，即不显电性。若中性原子失去电子， 带电体 核外电子所带负电荷总和比原子核的正电荷少，此时， 原子显示出带正电荷；若中性原子跟另外的电子结合 在一起，此原子就显示出带负电荷。例如，两个物体 相互摩擦时，某物体的电子可能会转移到另一物体上， 得到电子的物体带负电，失去电子的物体则带正电。 所以，摩擦起电实际上是电子在物体之间的转移。 当带电的物体与未带电的导体（容易导电的物体 叫导体，如各种金属材料等）相互靠近时，由于电荷 （b） 间的相互作用，会使导体内部的电荷重新分布；导体 带电体 内与带电体电荷性质相反的电荷会被吸引到带电体附 近，电荷性质相同的电荷则被排斥到远离带电体的导 体的另一端。这种现象叫静电感应（图 14-5）。摩擦 起电、静电感应等都是静电现象。静电现象在生活中 很常见，如冬天脱毛衣时常会听到“啪啪”的声响， 这就是静电现象。图14-1所示的塑料梳子吸小纸屑、 塑料棒使水流弯曲等也都是静电现象。静电现象在现 代技术中有很多应用，如静电复印、静电植绒等。 （c） 图 14-4 验电器 带电体 带电体 导体 导体 (a) (b) 图 14-5 静电感应第一节 电是什么 61 作业 1．打扫房间时，小刚用干绸布擦穿衣镜，发现擦过的镜面黏上细小绒毛。这是因为 擦过的镜面因________而带了电。带电体有________的性质，所以绒毛被吸在镜面上。 2．小明用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近悬挂着的泡沫小球，发现泡沫小球被吸引，则泡 沫小球________带电；若泡沫小球被排斥，则泡沫小球________带电。（均选填“一定” 或“不一定”） 3．一个验电器的两个金属箔片因带电而张开，则这两个金属箔片一定（ ）。 A．带正电 B．带负电 C．带异种电荷 D．带同种电荷 4．四个悬挂着的带电泡沫小球， 相互作用的情况如图14-6所示。那 么，D球可能（ ）。 A．带与A球相同的电荷 B．带与B球相同的电荷 A B C B C D C．带与C球相同的电荷 （a） （b） （c） D．带与A球不同的电荷 图 14-6 5．在冬天较干燥的条件下，当你 触摸门把手，或与人握手时，常有被电击的感觉。请你解释这是为什么。 ? 请提 问 1．验电器能否检验物体带的是正电荷还是负电荷？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……62 第十四章 了解电路 第二节 让电灯发光 电路的组成 电路是由哪些部分组成的呢？当你用导线 电池 将电源、用电器、开关等连接成一个电流流通 的回路时，你便组成了一个电路。 图 14-7 表示的就是一个简单而完整的电 开关 路。在这个电路里，电池是电路的电源，它供 给电路电能，使电路保持持续的电流。电灯是 电灯 用电器，它把电能转化成人们需要的能量（如 图 14-7 电路 光能、内能)，开关则可将电路连通或断开。 迷你实验室 实验桌上有一节干电池、带灯座的小灯泡、开关和几根导线。 请你试着把它们连接起来，并能用开关来控制小灯泡的发光和 熄灭。 注意：不要将电池的两端直接连在一起！ 比一比，看谁最先让小灯泡发光。 如果这个实验做成功了，你就已经连接了一个虽然简单但却 是完整的电路。第二节 让电灯发光 63 图14-8 (a)中的电池是常见的电源，它供给电 路电能。电池有正、负两极。在电路中，电池的正 极用“+”表示，负极用“-”表示。开关用来控制 电路的断开或连通，图14-8 (b)中的开关是一种最 简单的开关。你还知道些什么样的开关呢？图14-9 中的用电器可以将电能转化为内能或机械能。 + 干电池 - (a) 电池 (b) 开关 图 14-8 图 14-9 几种用电器 信息窗 实际电路有的简单，如图 14-7 所示的基本电路，但大多数都很复 杂。一台小收音机的电路中也有几十个电路元件；计算机电路更是像 一个迷宫，连接着数千万甚至数亿个电路元件。一块小小的芯片是利 用高科技将许多电路元件集成在一起的集成电路（图14-10)。 集成电路是很复杂的电路，是现代电子技术的核心部件。一块指 甲盖大小的硅片上可集成数亿个电路元件。但不论集成电路如何复杂， 它们仍然是由基本电路构成的。 (a) 小小芯片上集成有数千万甚至数亿 (b) 集成电路设计图必须画得很大、很 个电路元件 精细，然后将它微缩，再输入电脑中， 当作生产时的蓝图 图 14-10 集成电路64 第十四章 了解电路 通路、开路和短路 电流是电荷定向移动形成的，物理学上规定： 正电荷定向移动的方向为电流的方向。根据这个规 定，电路接通时，电流总是从电源的正极流出，经 过导线、用电器等流入电源的负极。对于电路，通 常有通路、开路两种状态，有时也会出现短路这种 非正常（或称“特殊”）状态。 通路——处处连通的电路（图 14-11)。电路处 处连通又叫做电路闭合。只有电路闭合时，电路中 才有电流流通。 图 14-11 通路 开路——在某处断开的电路（图 14-12)。开路 时，电路中还有电流吗？ (a) (b) 图 14-12 开路第二节 让电灯发光 65 短路——不经过用电器而直接将电源两极用导 线连通的电路（图 14-13)。短路时，电流很大，会 烧坏电源和导线。在生产和生活中若发生短路，轻 则用电器不工作，重则会引发火灾。所以，一般情 况下短路是绝对不允许的。 (a) (b) 图 14-13 短路 电路图 为了形象、简单地表示实际电路的情况，我们 常用规定的符号表示电源、开关、用电器等电路元 件（图 14-14），用这些规定符号表示电路连接情 况的图就叫电路图。 电池组 干电池 (长线表示正极) 开关 灯泡 电动机 插座 插头 交叉不相连接的导线 交叉相连接的导线 Ｔ形连接的导线 图 14-14 电路元件符号66 第十四章 了解电路 图 14-15 是电路实物图和对应的电路图。画电 路图时应注意：（1）要用统一规定的符号；（2）要 简洁、整齐。 L 1 L 2 S S L L 1 2 (a) 实物图 (b) 电路图 图 14-15 电路的实物连接图及其电路图 作业 1．电路中有持续电流的条件是（ ）。 A．电路中必须有电源 B．电路是闭合的 C.电路中有电源，且有用电器 D．电路中有电源，且电路闭合 2．物理学上，把______________移动的方向规定为电流的方向。电源接入电路，在 电源外部，电流总是从电源的_____极流出，经导线、用电器等流入电源的____极。 3．电路有三种状态：处处连通的电路叫________；某 处断开的电路叫________；________时电流很大，很可能 会烧坏电源。 S 1 4．如图14-16所示的电路中，当开关S 、S 断开时， 1 2 电路处于______状态；当开关S 闭合、S 断开时，电 1 2 S 2 路处于______状态;当开关S 、S 都闭合时，电路处于 1 2 图 14-16 ______状态。第二节 让电灯发光 67 5．图14-17（a）是玩具电风扇的电路图，请在图14-17（b）中用笔画线表示导线 连接对应的实物图。 M + - （a） （b） 图 14-17 ? 请提 问 1．电路短路为何危险？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……68 第十四章 了解电路 第三节 连接串联电路和并联电路 串联和并联 在实际电路中，用电器常常不止一个，用电器 之间的连接方式也不尽相同。图 14-18、图 14-19 是最常见的两种连接方式。仔细观察、比较一下， 它们各有什么特点？请分别画出它们的电路图。 支路 支路 干路 图 14-18 串联电路 图 14-19 并联电路 两个灯泡逐个顺次串接在一起，然后再接入 电路中。这两个灯泡的连接方式叫串联 (series connection)。 两个灯泡的两端并列地连在一起，然后再接 入电路中。这两个灯泡的连接方式叫并联 (parallel connection)。在图 14-19 所示的并联电路中，分叉 以后只有部分电流通过的电路为支路，而所有电流 都会通过的那部分电路为干路。第三节 连接串联电路和并联电路 69 观察图 14-20，想一想，家庭用的各种电器设 备采取的是哪种连接方式？ 220 V 图 14-20 家用电器的连接 实验探究 连接串联电路和并联电路 在每个同学的实验桌上都有两三只带灯座的小灯泡、装有两节干电池的电 池盒、几只开关和若干段导线。 请你用这些器材，用你想到的各种连接方式把小灯泡和开关接入电路，使 这些小灯泡都可以发光，并且让开关可以用不同的方式控制小灯泡。如用一只 开关同时控制几只小灯泡的通断，或用一只开关单独控制一只小灯泡的通断 （不影响其他灯的通断），以及你想到的其他方式。注意，连接电路时不能短路。 请把你设计的电路图画在下面的方框内。 图 14-21 一只开关 图 14-22 电路中 图 14-23 同时控制两只小灯泡的通断 有两只开关，每只开关只能 你设计的其他电路 控制一只小灯泡的通断70 第十四章 了解电路 连接电路的步骤 (1) 观察认识仪器、仪表，阅读说明书，了解使用方法。 (2) 画好电路图，确认电路图无误之后，再根据电路图连接电路。 (3) 连接电路要按一定的顺序进行。比如，可以先从电池正极开始， 按照电路图依次连接开关、灯泡等，一直连接到电池负极。 (4) 在连接电路过程中，开关应断开。经检查电路连接无误后，再 闭合开关。 接通电路后，仔细观察并记录电路通、断时的工作情况。若有兴趣，还可 了解电路的一些其他情况，比如，有些接法会使电灯亮些，而有些接法则使电 灯暗些，对于这些情况可能你现在还解释不清楚，没关系，能发现一些新的问 题就很了不起! 交流与讨论 请你就实验中观察到的一些现象（如下面的这些问题）与同学交 流和讨论。 1. 开关和用电器一般都是采用什么连接方式，为什么？若开关与用 电器采用另一种连接方式，情况会怎样？（先作图分析，再请教老师） 2. 如果要使几个用电器在工作时互不影响，即任何一个用电器的 通断不影响其他用电器的通断，这几个用电器必须 _____（选填“串” 或“并”）联。 3. 在并联电路中，接在干路上的开关跟接在支路上的开关作用 相同吗？ 4. 你还能举出一些生活中用电器串联或并联的事例吗？你认为串 联电路和并联电路各有什么优点？第三节 连接串联电路和并联电路 7711 作业 1．用一个开关同时控制两盏电灯，两盏灯可连成________电路，也可连成________ 电路；要用两个开关分别控制两盏电灯，两个开关应分别与两盏灯组成________电路后， 再组成________电路，这时电路中的电流应有_____条通路，才能互不影响。 2．用笔画线表示导线，将图14-24 (a)所示电路元件连接成串联电路，将图14-24 (b) 所示的两盏灯连接成并联电路，要求开关控制两盏灯发光。 S L 1 L L S 1 2 L 2 (a) (b) 图 14-24 3．家庭的卫生间一般都要安装照明灯和换气扇。使用时，有时需要各自独立工作， 有时需要同时工作，如图14-25所示的电路中，符合上述要求的是（ ）。 L L S S 2 2 S 220 V S 220 V 1 1 A. B. S L L 1 S 2 S 220 V 220 V C. D. 图 14-2572 第十四章 了解电路 4．图14-26所示是一把既能吹冷风又能吹热风的电吹风的简化电路，图中A是电 热丝，B是吹风机。将插头插入插座，若只闭合开关S ，电吹风吹出的是_____风；若将 1 开关S、S 都闭合，电吹风吹出的是_____风。（均选填“热”或“冷”） l 2 5．在家长的指导下，观察节日时用的小彩灯（图14-27)。看看小彩灯是怎样连接的？ S S 2 1 A 吹风机 B 插头 图 14-26 图 14-27 ? 请提 问 1．为什么有些电路需要串联，而有些电路则需要并联？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第四节 科学探究：串联和并联电路的电流 73 第四节 科学探究：串联和并联电路的电流 电 流 水管中的水向一定方向流动，形成“水流”。 与此类似，导体中的电荷向一定方向移动，就会形 成电流。“水流”有大小之分，电流也有强弱之分。 电流用字母 I 表示，其国际单位是安培（ampere)， 简称安，符号是“A”。比安小的单位有毫安（mA） 和微安（μA）。它们之间的换算关系是： 1 A ＝1 000 mA， 1 mA ＝1 000μA。 信息窗 (a）液晶显示电子 (b）70W家用电 (c）家用电冰 (d）三峡电站向华东电 计算器130μA左右 风扇约320mA 箱1.1～1.7A 网输出电流高达6000A 图 14-28 生产生活中一些电流的数据74 第十四章 了解电路 怎样使用电流表 我们通常用电流表来测量电流的大小，图 14-29 是在实验室里常用的电流表。 电流表在电路图中的符号是 A 。 - + （a）灵敏电流计 （b）学生电流表 图 14-29 实验室常用电流表 电流表的使用说明 (1) 电流表要与被测用电器串联，不允许将电流表与用电器并联。 (2) 电流表接进电路时，应当使电流从其“＋”接线柱流入，从“－” 接线柱流出。 (3) 注意观察电流表的量程，待测电流不能超过电流表的量程。 (4) 不允许把电流表直接接到电源的两极上。 实验探究 （一）电流表的使用方法 观察图14-30 所示的电流表，和同学就下列问题进行讨论。 （1）表盘上示数的单位是什么？ （2）电流表的三个接线柱与表盘上的两排示数之间有什么关系？这个电流 表有几个量程？ （3）你所使用的电流表表盘上每个量程的分度值分别是多少？第四节 科学探究：串联和并联电路的电流 75 （4）读取数据的正确顺序是：先确认你选用的量程，然后明确该量程相对 应表盘上是哪一排示数，再根据指针在这排示数上所指示的位置读数。 图14-30 (a)：使用的量程为＿＿＿，表盘上每一大格表示＿＿＿，每一小 格表示＿＿＿，电流表的示数为＿＿＿。 图14-30 (b)：使用的量程为＿＿＿，表盘上每一大格表示＿＿＿，每一小 格表示＿＿＿，电流表的示数为＿＿＿。 (a) (b) 图 14-30 这两个表盘上指针所指示的电流各有多大 （a） （b） （c） 图 14-31 电流表的错误接法 （5）图 14-31 显示了电流表的几种错 误接法，它们究竟错在哪里呢？电流表在 电路中的正确接法是怎样的（图14-32）？ 图 14-32 电流表的正确接法76 第十四章 了解电路 （二）串联电路中各处的电流有什么关系 猜想与假设 (1) 在图 14-33 中，从电流的流向看，A 点 的电流可能最大，B 点的电流小一些，C 点的电 L L 流最小。 2 1 (2) 由于串联电路的电流只有一个通道，A、 C B A 图 14-33 电路图 B、C三处的电流大小相同。 (3) 其他猜想：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 探究点拨 猜想与假设 当发现问题后，应该根据已有的知识和经验进行猜想 和假设，推测可能的实验结果。 进行猜想与假设时，应开拓思路，敢于设想，敢于预测，但同时也 尽量使猜想与假设有根有据。 在探究串联和并联电路电流的特点时，最好针对电路中的一些特殊 点进行探究并作出猜想。例如，在图14-33中，可以对A、B、C这三个 有代表性的点的电流大小提出猜想。 设计实验与制订计划 分别测出 A、B、C 三点的电流， 然后进行比较，检验我们的猜想是否 正确？ C 进行实验与收集证据 L 2 L 1 （1）根据如图 14-33 所示的电路 B A 图，选择实验器材连接实验电路。将 一只电流表串接在 A 处（图 14-34）， 图 14-34 测量A处的电流第四节 科学探究：串联和并联电路的电流 77 闭合开关，读取电流表的示数，并将数据填入下表。 （2）断开开关，再将此电流表分别串接在 B 处［图 14-35（ a）］和 C 处 ［图14-35（ b）］，并分别读取电流表的示数。再将数据记录在下表中。 A C L C L 1 L 2 A L 1 2 B B （a）测量B处的电流 （b）测量C处的电流 图 14-35 测量B、C处的电流 记录数据： 电流表的位置 电流表的示数 I/A A 处 B 处 C 处 得出结论： 串联电路中各处的电流都相等。 交流与合作 把你所在小组的实验数据和结论与其他小组进行比较，看看有无异常现象 发生。若发现某小组实验结论与其他小组相差较大，就共同研究其原因。78 第十四章 了解电路 （三）并联电路的干路和支路电流间有什么关系 猜想与假设 在进行实验前，请先猜想一下：在并联电路中，干路电流和支路电流有什 么关系？ 你的猜想：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 设计实验与制订计划 仿照实验探究（二），设计本实验探究的电路图，并画在下面的方框内。 进行实验与收集证据 根据你所设计出的电路图选择实 L 1 验器材，连接电路。将电流表接入 L 1 所在支路中，观察并记录电流表的示 L 数（图14-36)。 2 再将电流表分别接入 L 所在支路 2 和干路中，观察并记录电流表的示数 图 14-36 测量L 所在支路的电流 （图14-37)。 1第四节 科学探究：串联和并联电路的电流 79 L L 1 1 L L 2 2 （a） （b） 图 14-37 测量并联电路L 所在支路及干路的电流 2 记录数据： 电流表的测量对象 电流表的示数 I/A L 所在支路 1 L 所在支路 2 干路 得出结论： 并联电路中，干路中的电流等于各支路中电流的总和。 交流与合作 仿照实验探究（二）进行讨论与交流。 作业 1．图14-38所示是电流表的表盘，则其示数是（ ）。 A．0.28 A B．1.40 A C．1.08 A D．0.28 A或1.40 A 图 14-3880 第十四章 了解电路 2．在探究并联电路电流的特点时，小李同学测得一支路中的电流为0.50 A。请在 图14-39所示的电流表中标出这个电流值。 3．如图14-40所示的电路，闭合开关后，比较a、b、c、d四处电流的大小，其中 错误的是（ ）。 4 4 A．I =I B．I ＞I C．I ＞I D．I ＞I a d a d a b d c b c a d S 图 14-39 图 14-40 4．如图14-41（ a）是小倩同学测量并联电路的干路电流时连接的电路。 （1）请你在a、b导线中撤掉一根接错的导线，使电路符合实验要求。你选择撤掉的 是_______导线。 （2）撤掉多余的导线后，闭合开关，电流表的示数如图14-41（ b），其示数是_____A。 （3）若通过L 的电流是0.2 A，则通过L 的电流是_____A。 1 2 L 2 L 1 a b （a） （b） 图 14-41 ? 请提 问 1．若要楼上楼下都能控制楼下的灯，应如何设计这个电路呢？ 2. ____________________________________________ ……第五节 测量电压 81 第五节 测量电压 电 压 我们知道，水在水管中流动时，水管两端必须要有 一定的压力差，简称“水压”；同样，电荷在电路中定 向运动时，电路两端也需要电压（voltage)。接通电路， 电路中的电源使电路两端保持一定的电压，电路中的 电荷就会持续地做定向运动，电路中就有持续的电流。 电源在电路中的作用就是提供电压，不同的电源给 电路两端所提供的电压是不相同的。 信息窗 （a）石英手表所用的氧 （b）铅酸蓄电池12V （c）对人体的安全 化银电池每个1.5 V 电压不高于36V （d）一般交流电动机 （e）大型发电机6.3kV （f）发生闪电的云层 220V、380 V 间电压可达103 kV 图 14-42 几种常见的电压值82 第十四章 了解电路 电压用字母 U 表示，国际单位是伏特（volt）， 简称伏，符号是“V”。比伏大的单位有千伏（kV）， 比伏小的单位有毫伏（mV）。它们之间的换算关系是： 1 kV ＝1 000 V， 1 V ＝1 000 mV。 一节干电池提供的电压一般是 1.5 V，我国提 供给家庭电路的电压是220 V。 怎样使用电压表 电压表是测量电压的仪表，它在电路图中的符 号是V 。 对照电流表的使用规则，仔细观察电压表并认 真阅读电压表的使用说明，了解电压表的使用规则。 要特别注意电压表的量程、读数方法和连接方法。 图 14-43 实验室常用电压表 图14-43 是一种实验室常用的电压表。 电压表的使用说明 (1) 要测哪部分电路的电压，电压表就和那部分电路并联。 (2) 电压表接入电路时，应当使电流从其“＋”接线柱流入，从“－” 接线柱流出。 (3) 注意观察电压表的量程，被测电压不要超过电压表的量程。 从电压表的使用说明可知，电压表的连接方法 是：电压表与被测电路并联。 电压表的读数方法是：①确认电压表所选的量 程；②根据量程确认刻度盘上每一大格和每一小格 表示的电压值；③根据指针稳定后所指的刻度，读 出被测电压的大小。第五节 测量电压 83 如图 14-44（ a） 所示，电压表使用的量程为 15 V，表盘上每一大格表示 5 V，每一小格表示 0.5 V，指针示数为12.50 V。 如图 14-44（ b） 所示，电压表使用的量程为 3 V，表盘上每一大格表示1 V，每一小格表示0.1 V， 指针示数为2.50 V。 （a）量程选为15 V （b）量程选为3 V 图 14-44 用电压表测电压 图 14-45 是一些可供实验选用的器材，用它们 来进行下面的实验探究。 (a）1号干电池三节 (b）小灯泡两只 (c）5号、7号干电池各一节 (d）电压表 (e）开关一只 (f）导线若干 (g）纽扣电池一粒 图 14-45 实验器材84 第十四章 了解电路 实验探究 （一）用电压表测电池的电压 电压表可以直接接在电池两端测量 电池的电压（图 14-46），而电流表不 能直接连在电池两端。为什么可以这样， 同学们学完第十五章后就明白了。 请同学们测一测一节 1 号干电池、 一节 5 号干电池、一节 7 号干电池和 一粒纽扣电池的电压。 图 14-46 测两节干电池串联的电压 一节干电池的电压是＿＿＿＿。 （二）测串联电路的电压 用电压表分别测出 A、B 之间，C、 D 之间，A、D 之间的电压（图 14- 47），并填入下面的表格中： A B C D U /V U /V U /V AB CD AD 图 14-47 测串联电路的电压 通过对测量数据的比较，可得出结论： 串联电路两端的电压等于各部分电路两端电压的总和。第五节 测量电压 85 （三）测并联电路的电压 用电压表分别测出A、B之间，C、 D 之间，A、D 之间以及 B、C 之间 的电压（图 14-48），并填入下面的 表格中。 A B U /V U /V U /V U /V AB CD AD BC C D 通过对测量数据的比较，可得出 图 14-48 测并联电路的电压 的结论： 并联电路中各并联支路两端的电压都相等。 信息窗 世界各国生活用电电压不完全相同，下表给出了部分国家的生活 用电电压。 国 家 生活用电电压 U/V 中国 220 美国 120/110/115（不同州生活用电电压不同） 日本 110 英国 240 德国 22086 第十四章 了解电路 作业 1.我国家庭电路的电压是_______ V，一节新干电池 的电压是_______ V。 2．如图14-49所示为一电压表的表盘，此时指针示 数为_______ V；若改用另一量程，指针位置不变，那么， 示数是_______ V。 3．如图14-50所示，要用电压表来测量灯L两端电压， 图 14-49 正确的接法是（ ）。 LL LL LL LL + - - + - + + - A. B. C. D. 图 14-50 4．关于电压表的使用，下列叙述中错误的是（ ）。 4 4 A．电压表要并联在被测电路两端 B．被测电压不能超过电压表的量程 C．电流从正接线柱流入电压表，从负接线柱流出 D． 绝对不允许不经过用电器而把电压表直接接在 电源两极上 5．在探究串联电路的电压关系时，小明同学使用的实 验电路如图14-51所示。他先用电压表正确地测量了灯泡 C A L 两端的电压，为了测量灯泡L 两端的电压，他想将电压 1 2 L L 表接A点的那一段导线改接到电路中的C点，而保持电压 2 1 表接B点不动，你认为这种接法是________（选填“正确” B 图 14-51 或“不正确”）的，理由是___________________________。本章练习 87 ? 请提 问 1．用电压表能否测电流？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ …… 本章练习 1．某家用电器正常工作时，测得通过的电流为5 A， 则此用电器可能是（ ）。 A．家用洗衣机 B．电视机 C．家用空调器 D．半导体收音机 2．图14-52是一个简化的电冰箱电路图，其中M是 压缩机用的电动机，L是电冰箱内的照明灯泡。学习了串 S 1 电源 联和并联电路知识后，你能看懂这个电路图吗？电路图中 L 的灯泡L与电动机M是串联的还是并联的？ S 2 3．根据图14-53（ a）所示的电路图，用笔画线表示 图 14-52 导线，连接图14-53（ b）所示的实物图电路（要求导线不 能交叉）。 S 2 L 2 L 1 L S 2 2 S L 1 1 S 1 （a） （b） 图 14-5388 第十四章 了解电路 4．某火车车厢后面有两间厕所，只有当两 厕所 S 间厕所的门都关上时，车厢指示灯才会发光，指 1 指示 示牌才会显示“厕所有人”字样，提醒旅客两间 厕所内都有人。请你把图14-54中所示的各元件 S 2 电源 符号连接成符合上述设计要求的电路图。 厕所 5．居民楼的楼道里，夜间只是偶尔有人经过， 图 14-54 楼道灯总是亮着将造成很大浪费。科研人员利用 “光敏”材料制成“光控开关”，它的作用是天黑时， 自动闭合，天亮时自动断开；利用“声敏”材料制成“声控开关”，它的作用是当有人走 动发出声音时自动闭合，无人走动时自动断开。在如图14-55所示各电路中，属于这种 楼道灯电路的是（ ）。 光控 光控 光控 光控 声控 声控 声控 声控 220 V 220 V 220 V 220 V A. B. C. D. 图 14-55 6．某同学根据如图14-56所示的电路图，用电流表 分别测出电流I、I 、I ，然后改变电源电压，重复上述实 1 2 验，并将测量数据记录在下表中。 电流 I /A I /A I /A 实验序号 1 2 I L 1 1 0.2 0.2 0.4 1 2 0.3 0.3 0.6 I L 2 2 3 0.4 0.4 0.8 S I 图 14-56 该实验探究的问题是________________________________________________________ __________________。本章练习 89 7．* 如图14-57所示，电路中开关闭合后，两盏灯都 L L 1 2 不亮；用一根导线连接A、B两点后，灯L 1 不亮，灯L 2 亮。 A B 假如故障只有一处，那么，电路的故障可能是（ ）。 A．灯L 开路 B．灯L 短路 1 1 C．灯L 开路 D．灯L 短路 2 2 图 14-57 实 践 与 总 结 1．实践活动： 制作验电器 利用电荷间相互作用的规律，参照图14-4，用一些常见材料可制作一个简易 的验电器。请你用它检验物体的带电情况，如用丝绸摩擦过的玻璃棒是否带电。 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ _________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________9900 第十五章 探究电路 第十五章 探究电路 电阻和变阻器 科学探究：欧姆定律 “伏安法”测电阻 电阻的串联和并联 家庭用电第一节 电阻和变阻器 91 第一节 电阻和变阻器 电 阻 水在水管中流动会受到阻力，同样，电荷在导 体中定向移动也会受到阻力。 导体对电流的阻碍作用叫电阻（resistance）。 不同的导体，电阻一般不同。例如，分别在不同导 线两端加上相同的电压，通过导线的电流大小通常 不同。通过的电流较大，表明导线对电流的阻碍作 用较小，即该导线的电阻较小；反之，通过的电流 较小，则表明导线对电流的阻碍作用较大，即该导 线的电阻较大。 电阻用字母R表示，其国际单位是欧姆（ohm）， 简称欧，符号是“Ω”。常用的电阻单位还有千欧 （kΩ）和兆欧（MΩ）。它们之间的换算关系是： 1 kΩ=103 Ω， 1 MΩ=103 kΩ。 收音机、电视机等用电器的电路中连接着许多 具有一定阻值的元件——电阻器（图 15-1），用来 调节电路中的电流和电压。电阻器（常简称为电阻） 在电路图中的符号是 。 图 15-1 各种电阻器92 第十五章 探究电路 信息窗 我国家庭常见用电器正常工作时的电阻 常见用电器 电阻R/Ω 白炽灯（15 W） 3 227 白炽灯（60 W） 807 电熨斗（600 W） 80.7 电烤箱（900 W） 54 电暖器（1 000 W） 48.4 电阻的大小与哪些因素有关 电流通过不同材料制成的导体时，受到的阻碍 作用是不一样的。那么，导体的电阻大小与哪些因 素有关呢？ 实验探究 做实验之前，同学们也许会猜想：电阻的大小可能与导体的材料有关；还 可能与导体的粗细、长短有关；也许还与温度有关。 同学们还有什么猜想？ 这是一个多因素问题，应当 运用“控制变量法”去研究每一 N a M b 个因素对电阻大小的影响。为此， c d 我们在一定温度下用图15-2所示 的实验装置进行实验。a、b、c 是 三根用同一种材料制成的导线， a、b 长短相同但粗细（横截面积） 不同，a、c 粗细相同而长短不同； 导线 d 与导线 c 的长短、粗细都 相同，但材料不同。 图 15-2 实验装置第一节 电阻和变阻器 93 怎样比较导体电阻的大小？在实验中是怎样实现变量控制的？怎样探究导 体电阻大小与导体粗细（即横截面积）的关系？怎样探究导体电阻大小与导体 长度的关系？怎样探究导体电阻大小与导体材料的关系？ 请你制订一个实验方案，根据制订的方案进行实验，并记录和分析实验结果。 由实验可知： 导体电阻的大小与导体的横截面积__________（选填“有关”或“无 关”），在其他条件相同时，导体的横截面积越大，电阻__________； 导体电阻的大小与导体的长度__________（选填“有关”或“无关”）， 在其他条件相同时，导体的长度越大，电阻__________； 导体电阻的大小与导体的材料__________（选填“有关”或“无关”）。 信息窗 几种长 1 m、横截面积 1 mm2 的导体材料在 20 ℃时的电阻如下 表所示。 材 料 电阻R/Ω 材 料 电阻R/Ω 银 0.016 镍铬合金 1.09～1.12 铜 0.017 电木 104～108 铝 0.027 橡胶 107～1010 铁 0.096 由上面的数据可知，长短、粗细都相同的铁丝和铜丝，铁丝的电 阻大约是铜丝电阻的5.6倍。你现在知道为什么不用铁做电线了吗？ 导体的电阻还与其温度有关。白炽灯不工作时（灯泡处于常温） 的电阻为几十欧，而白炽灯发光时，其电阻就有几百、几千欧。在 常温下，常见导体的电阻随温度的变化不大。因此，在初中阶段， 若无特别说明均不考虑电阻随温度的变化。94 第十五章 探究电路 变阻器 在科学实验和各种电器设备中，常用改变电阻 的方法来改变电路中的电流，这就需要一种易于改 变电阻的器件——变阻器。实验室中常用的变阻器， 是通过改变接入电路中的电阻丝的长度来改变电 阻的。 实验室常用的变阻器是滑动变阻器（图 15-3） 和电阻箱（图 15-4）。滑动变阻器在电路图中的符 号是 ，电阻箱在电路图中的符号是 。 C P ② ① A、B为电阻丝两端的接线柱 D C、D是与滑片 P 连通的接线柱 C P D ① 金属杆 ② 金属滑片P A ③ ③ 电阻丝绕成的线圈 A B ⑤ B ④ ④ 瓷筒 （a）实物图 ⑤ 支架 （b）结构示意图 图 15-3 滑动变阻器 滑动变阻器的电阻丝绕在绝缘瓷筒上，电阻丝 外面涂有绝缘层，将与滑片P 接触处的电阻丝的绝 缘层刮去，并将电阻丝的两端连在 A、B 两个接线 ×100 ×1 k 柱上，滑片 P 通过金属杆与接线柱 C、D 相连。当 滑片 P 移动到不同位置时，A 与 C 两个接线柱间电 阻丝的长度会不一样；同样，A 与 D、B 与 C、B ×1 ×10 与 D 两个接线柱间电阻丝的长度也会不一样。这样， 图 15-4 电阻箱 当滑动变阻器接入电路后，通过滑片P 来控制两个 接线柱之间电阻丝的长度，就可以改变接入电路中 电阻的大小。 电阻箱是一种可以调节电阻大小、并且能够显 示电阻阻值的变阻器。请读出图 15-4 中电阻箱的 阻值大小。第一节 电阻和变阻器 95 交流与讨论 对照图15-3，与同学讨论以下几个问题。 （1）滑动变阻器有A、B、C、D 4 个接线柱，而接入电路时，如 果只需接2个，共有几种接法？ （2）在每种接法中滑动变阻器上哪些部分有电流通过？ （3）哪几种接法能起到改变电阻的作用？哪几种接法不能？ 迷你实验室 自制铅笔芯变阻器 一支铅笔芯的电阻大约在10～15 Ω之间。把一支铅笔剖去一半， 取出铅笔芯。将一根导线的裸露部分缠绕在铅笔芯的一端，将另一 小段裸导线也缠绕在铅笔芯上，并将一导 线夹夹在第二根导线上代替滑片，这样就 做成了铅笔芯变阻器（图 15-5）。用自制 的铅笔芯变阻器改变电路中的电流。比比 看，谁做的铅笔芯变阻器既方便实用，又 图 15-5 铅笔芯变阻器 可靠美观？ 作业 1．图15-6是四个接线柱的滑动变阻器的结构示意图， C P D 将接线柱A、D接入电路时，滑片P向右移动，接入电路 的电阻丝的长度________，接入电路的阻值________。（均 A B 选填“变大”或“变小”） 图 15-696 第十五章 探究电路 2．在图15-7所示的电路中，R是用镍铬合金线做成的一种变阻器。闭合开关要使 灯泡暗些，导线夹应向哪边移动？要使灯泡亮些，导线夹应向哪边移动？为什么？ 3．在温度一定的条件下，做“探究导体电阻大小与哪些因素有关”的实验，采用了 控制变量法。下表给出了实验中所用到的导体的情况。 导体代号 A B C D E F G 导体长度 l/m 1.0 0.5 1.5 1.0 1.2 1.5 0.5 导体横截面积 S/mm2 3.2 0.8 1.2 0.8 1.2 1.2 1.2 导体材料 锰铜 钨 镍铬丝 锰铜 钨 锰铜 镍铬丝 选择C、F两导体进行对比，是为了探究导体电阻大小与_________是否有关；选择 C 和_____（填写导体的代号）导体进行对比，是为了探究导体电阻与其长度的关系；为 了研究导体电阻与其横截面积的关系，应选择的两导体是_____（填写导体的代号）。 4．图15-8给出了几种元件，请在图上用笔画线表示导线把电路元件连接起来，要 求L 与L 并联，开关接在干路上，且用滑动变阻器控制两只灯泡的亮度。 1 2 L 1 C P D L 2 A B A R B 图 15-7 图 15-8 ? 请提 问 1．在电路中，可变电阻有什么用处呢？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第二节 科学探究：欧姆定律 97 第二节 科学探究：欧姆定律 电流的大小与哪些因素有关 我们知道，导体有电阻，在导体的两端加上电 压，就会在导体中产生电流。那么，电流的大小与 哪些因素有关呢？ 实验探究 电流的大小与哪些因素有关 猜想与假设 1．电压是产生电流的原因，若升高电压，电流是否也增大？ 2．电阻对电流有阻碍作用，若增大导体的电阻，通过导体的电流是否会 减小？ 设计实验与制订计划 首先，我们应当设计出满足实验要求的电路。安排适当的实验步骤，明确 要收集的数据。 由于电流可能受电压、电阻等多种因素的影响，所以应当采用“控制变量 法”研究电流的大小分别与电压和电阻的关系。怎样做到这一点呢？98 第第十十五五章章 探探究究电电路路 图 15-9 中提供了一些供 选用的实验器材。请选用其中 的一些器材，设计实验电路， 并画在右边方框内。 电源 电流表 滑动变阻器 电池 开关 1～10 Ω各种阻值的定值电阻 电池组 电压表 图 15-9 实验器材 进行实验与收集证据 1. 保持电路中的电阻不变，改变电阻两端的电压，探究通过电阻的电流 是怎样随它两端的电压变化的。 2. 保持电阻两端的电压不变，选用不同的定值电阻接入电路，探究通过电 阻的电流是怎样随阻值变化的。想一想，如何“保持电阻两端的电压不变”？ 把收集到的数据整理后，填写在下面的表格中： 表一 保持电阻不变时，研究电流随电压的变化 实验序号 电压 U /V 电流 I /A 1 2 3第二节 科学探究：欧姆定律 99 表二 保持电压不变时，研究电流随电阻的变化 实验序号 电阻 R /Ω 电流 I /A 1 2 3 分析与论证 对以上两个表格的数据进行仔细分析， I/A 并和其他实验小组进行交流，归纳出电流随 电压、电阻变化的规律。 在分析实验数据时，还可采用图像法。 请同学们在图 15-10 所示的坐标图上画出 保持电阻不变时，电流随电压变化的图像。 图像可直观地帮助我们归纳出电流随电压变 O U/V 化的规律。 图 15-10 同理，还可画出电压不变时，电流随电 阻变化的图像。 得出结论： 1. 保持电阻不变时，电流跟电压成 ________关系； 2. 保持电压不变时，电流跟电阻成________关系。 评估 1. 比较你所在小组得出的实验结论与其他小组的实验结论有什么差别。 2. 分析实验结论与开始的假设有什么差异。 3. 分析产生实验误差的原因。 4. 探讨改进实验的措施。100 第十五章 探究电路 探究点拨 评 估 在实验探究的整个过程中，都应该注重对实验过程、实验 结果的反思与评估。分析过程是否科学合理、简便易行，分析最终结 果与开始的假设有什么差异，实验设计是否合理，有什么需要吸取的教 训，如何改进实验方案等。 在探究电流的大小与哪些因素有关时，应注重对实验设计和数据采 集进行反思，分析数据的可靠性，并思考得出的结论是否合理。 欧姆定律 通过实验探究，我们知道： 一段导体中的电流，跟加在这段导体两端的电 压成正比，跟这段导体的电阻成反比。 德国物理学家欧姆最先通过实验与理论研究发 现了这个规律。人们为了纪念他，就把这个规律叫 做欧姆定律（Ohm law）。 欧姆定律的公式是 I：电流 U I = 。U：电压 R R：电阻 欧姆定律反映了一段导体中电流跟电压和电阻 之间的定量关系，它在解决各种实际的电路问题时 有广泛的应用。在一段电路中，只要知道了 I、U、 R 中的任意两个量，就可以根据欧姆定律算出第三 个量。第二节 科学探究：欧姆定律 101 信息窗 欧姆（G.S.Ohm,1787-1854）是德国物理学家（图15-11）。他在 物理学中的主要贡献是发现了后来以他的名字命名的欧姆定律。欧 姆的研究，主要是在 1817 ～ 1827 年担任中学物 理教师期间进行的。现在我们看到欧姆定律的公 式那么简单，却不要忘记欧姆当时为了解决这 一难题，付出了艰辛的劳动。那时的实验条件很 差，测量电流和不同导体阻值的仪器，都要自 设计制造。他能够完成这些精细的制作和精确 的实验，主要得益于强烈的好奇心和执著的探究 精神。 图 15-11 欧姆 例题 1 某电熨斗在 220 V 电压下工作时，其 电热丝的电阻为 96.8 Ω。那么，此时通过该熨斗 电热丝的电流是多大？ 已知：U = 220 V，R = 96.8 Ω。 求：I。 U 解：根据欧姆定律 I= ，代入数据可得 R 220 V I= ≈2.3 A。 96.8 Ω 答：通过该熨斗电热丝的电流约为2.3 A。 例题 2 某电热器在 220 V 电压下工作时，测 得通过它的电流为 4.5A，根据这些信息，你能算 出此电热器的电阻值是多少？ 已知：U = 220 V，I = 4.5 A。 求：R。 U U 解：根据欧姆定律 I= ，得 R= ， R I102 第十五章 探究电路 代入数据可得 220 V R= ≈48.9 Ω。 4.5 A 答：此电热器的电阻约为48.9 Ω。 如果已经测出通过一个 10 Ω 的定值电阻的电 流为 100 mA，你能计算出此时该定值电阻两端的 电压吗？ 应当注意，欧姆定律中的 I、U 和 R 是指同一 段电路中的电流、电压和电阻，决不能张冠李戴。 交流与讨论 电流表自身的电阻很小，电压表自身的电阻很大。前面谈到电流 表不允许直接连接在电源两极，而电压表则可以，当时未说出这样规 定的道理。现在学习了欧姆定律后，你能说出这样规定的原因吗？ 作业 1．德国物理学家欧姆用实验的方法研究了电流跟电压和电阻的关系，得到：导体中 的电流跟导体两端的电压成__________，跟导体的电阻成__________。其数学表达式为 __________。 2．根据欧姆定律，下列说法中正确的是（ ）。 A．通过导体的电流越大，这段导体的电阻就越小 B．导体两端的电压越大，这段导体的电阻就越大 C．导体的电阻与电压成正比，与电流成反比 D． 导体两端的电压越大，通过这段导体的电流就越大 3．某导体两端的电压为5 V，通过的电流为0.1 A，则该导体的电阻为________。 若它两端的电压变为2.5 V，则通过它的电流变为________，电阻是________；若它两 端的电压变为0，则通过它的电流为________，电阻是________。第二节 科学探究：欧姆定律 103 4．某导体两端的电压是3 V时，通过它的电流为 I/A 0.25 200 mA，这个导体的电阻为多少？现将电压增加到6 V， B 若电流表有0～0.6 A、0～3 A两种量程，应选用哪一种 0.20 量程来测量导体中的电流？ 0.15 5．一盏电灯正常发光时的电流是0.11 A，灯丝的电 A 阻为1 936 Ω,该电灯两端的电压是多少？ 0.10 6．图15-12中，A、B所表示的电阻值哪一个大？为 0.05 什么？如果将这两个电阻分别接在10 V的电源上，在图上 分别找出它们的电流大小。如果要使通过它们的电流均为 O 5 10 15 20U/V 100 mA，在图上分别找出加在它们两端的电压的大小。 图 15-12 ? 请提 问 1．电流表、电压表自身的电阻值约为多大？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……104 第十五章 探究电路 第三节 “伏安法”测电阻 欧姆定律是一个很重要的电学定律，它不仅能 帮助我们完成许多电路计算、电路设计工作，还给 我们提供了一种间接测量电阻的方法——“伏安法”。 实验探究 用“伏安法”测电阻 提出问题 电流可以用电流表测量，电压可以用电压表测量，欧姆定律又确定了电流、 电压、电阻的关系，那么，能不能用电流表、电压表测量一段导体的电阻呢？ 设计实验与制订计划 我们设计的实验电路图如图15-13 (a）所示， 实验的实物图如图15-13 (b）所示。 （a）电路图 （b）实物图 图 15-13 “伏安法”测电阻第三节 “伏安法”测电阻 105 U 它依据的原理就是欧姆定律的一个变形公式R= ，我们用电压表、电流 I 表同时测出电阻器工作时的电压值和电流值，就可计算出它的电阻，也就是间 接测量出它的电阻。这种测量电阻的方法称为“伏安法”。 可设计如下表格记录实验数据。 实验序号 电压 U/V 电流 I/A 电阻 R/Ω 1 2 3 4 进行实验与收集证据 进行电学实验，首先要根据电路图正确连接好实验电路。在连接电路时， 开关应处于什么状态？滑动变阻器的滑片应放在什么位置？ 用滑动变阻器调节接入电路中的电阻，阻值由大变小，电路中的电流由小 变大，对应每次变化各测一次电流值和相应的电压值，填入表中，再分别计算 出电阻器的电阻值。 在实验中，同学们还可以多测几组不同的数据。 作业 1．要测定某一灯泡的电阻，只要测出灯泡两端的________和通过灯泡的________， 即可用欧姆定律的变形公式________计算出待测灯泡的电阻。这种测电阻的方法叫做 ________法。 U 2．我们将欧姆定律的表达式变形为R= ，并作为我们测量电阻的依据。于是，就 I 有同学由这个表达式得出一个推论：一段导体的电阻和这段导体两端的电压成正比，与通 过它的电流成反比。你认为他的这个说法正确吗？为什么？106 第十五章 探究电路 3．连接电路时，为什么要将开关断开？闭合开关前， 为什么要将滑动变阻器的滑片置于使接入电路的电阻值最大 的位置？ 4．用“伏安法”测量一只小灯泡的电阻。 （1）如图15-14所示是实验电路图，图上的圆圈表示 L S 电表，请在圆圈内填入相应的字母。 P （2）某实验小组通过改变小灯泡两端的电压，进行了三 图 15-14 次测量，部分记录见下表。若电压表的示数为2.50 V时，电 流表的示数如图15-15所示，请你填写表格中的两个空格。 实验序号 电压 U /V 电流 I /A 电阻 R /Ω 1 1.00 0.14 7.1 2 1.70 0.22 7.7 3 2.50 图 15-15 （3）*老师看了该小组的记录，提示说：“你们注意到三次测量的电阻值相差较大这个 现象吗？”同学们通过交流，发现其他小组也都有类似现象：小灯泡的电阻随电压增大、 亮度增强而增大。经过讨论，同学们认识到：实验有误差是肯定的，但这个现象不能单纯 用误差来解释。后来，同学们注意到小灯泡发热发光的特殊性，认为小灯泡的电阻可能 与 _______有关，并通过查阅资料得到了证实。 ? 请提 问 1．怎样减小“伏安法”测电阻的实验误差？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第四节 电阻的串联和并联 107 * 第四节 电阻的串联和并联 通过上一章的学习，我们已经知道串联或并联 电路中的总电压和各部分电压的关系，以及总电流 和各支路电流的关系。那么，串联或并联电路的总 电阻和各部分电阻之间又有什么关系呢？学习欧姆 定律后，这个问题就不难解决了。 电阻的串联 实验探究 提出问题 电阻串联后，其总电阻会增大还是减小？ 加油站 两个（或几个）电阻串联之后的总电阻 如果用一个电阻R代替两 比参与串联的各个电阻（分电阻）大些还是 个串联着的电阻R、R 接入电 小些？ 1 2 路后，电路的状态不变，即R 两端的电压和通过它的电流都 猜想与假设 与原来的相同，R就叫做这两 个串联电阻R、R 的总电阻。 由于导体的电阻与导体的长度有关，导 1 2 并联电路的总电阻和它的 体越长电阻越大。几个电阻串联后相当于增 分电阻也存在这种“等效替代” 加了导体的长度，总电阻应当比各个分电阻 关系。 大些。这些猜想对吗？108 第十五章 探究电路 R R R 进行实验与收集证据 R R 1．将一个定值电阻 R接在图 15-16 的 A、B之 R 间，闭合开关，观察电流表的示数。 2．将两个同样阻值的电阻R串联起来，接在 A、 A B B之间，闭合开关，再观察电流表的示数。 3．在 A、B 之间换上三个串联着的同样阻值的 电阻 R，闭合开关前先预计一下电流表的示数会发 生什么变化，再闭合开关。实验证实了你的预测吗？ 图 15-16 分析与论证 分析实验现象，可得出结论： 串联电路的总电阻的阻值比任何一个分电阻的阻值都大。 其实，我们还可以利用欧姆定律推导出以上结论。 如图 15-17 所示，两个电阻 R 、R 串联。设总电压为 U，R 、R 两端的 1 2 1 2 电压分别为U 、U ；依据串联电路的特点，R 、R 通过的电流相等，电流为I； 1 2 1 2 串联电路总电阻为R。 U I R 1 R 2 U U 1 2 图 15-17 由欧姆定律可知 U =IR ，U =IR ，U=IR。 1 1 2 2 由U=U +U ，可得 1 2 IR=IR +IR ， 1 2 R=R +R 。 1 2第四节 电阻的串联和并联 109 结论： 两个串联电阻的总电阻等于各分电阻之和。 上述结论还适用于 3 个、4 个或多个电阻串联 的情况吗？同学们可以自己推导。 电阻的并联 参照探究串联电阻的思路和步骤，先设计实验 探究：几个电阻并联后的总电阻与各分电阻相比较， 是大了还是小了？然后根据欧姆定律，从理论上推 导出总电阻和分电阻大小之间的定量关系。 你希望探究的问题是：______________________ _______________________________。 实验探究 猜想与假设 两段导体并联在一起，相当于导体的横截面积变 ________，因此，其电 阻值可能会_______。 设计实验 请将设计的实验探究电路图，画在右 面的方框内，并进行实验。 实验结论 实验现象表明： 电阻并联后总电阻的阻值比任何一个分电阻的阻值小。110 第十五章 探究电路 同样，也可以利用欧姆定律推导出以上 结论。 如图 15-18 所示，电阻 R 、R 并联后 U 1 2 R I 1 接入电路，设并联电路两端的电压为 U，通 1 过 R 、R 的电流（支路电流）分别为I 、I ， I 1 2 1 2 而干路上的电流为I ，并联电路总电阻为R。 I 2 R 2 图 15-18 U U U 由欧姆定律可得：I= ，I = ，I = 。 R 1 R 2 R 1 2 由于I=I +I ，所以， U U U 1 2 = + ， R R R 1 2 即 1 1 1 = + 。 R R R 1 2 结论： 两个并联电阻的总电阻的倒数，等于两个分电阻的倒数之和。 在电路中，把一段导线（其电阻几乎为 0）并 联在一个电路元件的两端，导致没有电流通过这个 电路元件，这就叫做这个电路元件被短路了。想想 看，用电器短路会导致什么？第五节 家庭用电 111 第五节 家庭用电 观察家庭电路 图 15-19 (a) 是一个典型的家庭电路实物布线 图，图15-19 (b) 是它对应的电路图。 进户线：连接户外的供电电路的电线，通常有 两根，一根是火线，一根是零线。火线和零线之间 的电压是220 V。 电灯 进户线 配电盘 三孔插座 双孔插座 按钮开关 (a) 实物布线图 进户线 火线 零线 地线 kW.h (b) 电路图 图 15-19 家庭电路112 第十五章 探究电路 接地线 接外壳 通常，住宅应该还有一条地线，地线不与室外 的进户线相接，而是连接在住宅楼埋入大地的接地 导体上。 接零线 接火线 家庭电路中的三孔插座中的一个孔就是连接在 地线上的（图15-20）。国家标准规定：带有金属外 接用电器 壳的家用电器，其金属外壳必须接地。你知道为什 图 15-20 么要做出这样的规定吗？ 三孔插座和三脚插头 在电路检测中，常用到测电笔。测电笔中的电 阻器是一个阻值在 1 MΩ 以上的高阻值电阻。为 火线 什么要串联这个高阻值电阻（图 15-21）？请你估 算一下，用测电笔测试 220 V 的电路时，通过人体 的电流是多大？正是由于测电笔内接入了高阻值电 阻，才使通过人体的电流很小。 图 15-22、图 15-23、图 15-24 展示了测电笔 及其使用方法，注意手指要与测电笔的金属体笔尾 接触。在学习使用测电笔中，请与同学交流讨论下 图 15-21 测电笔为什么 列问题：测电笔接触零线时，氖管为什么不会发光？ 要串联一个高阻值电阻 在用测电笔判别火线、零线时，为什么不能让手碰 到笔尖的金属体？ 实验探究 用测电笔辨别火线与零线 金属体笔尾 氖 管 高阻值电阻 图 15-23 测电笔的握笔方法 金属体笔尖 氖管发光，这是火线 氖管不亮，这是零线 图 15-22 测电笔 图 15-24 用测电笔辨别火线与零线第五节 家庭用电 113 注意用电安全 电是人们的好帮手，但若摸不准它的脾气，不 注意用电安全，也可能会发生触电事故。轻者被电 击，重者还会危及生命。触电是怎么回事呢？ 通常所说的触电，是指一定大小的电流通过人 体所引起的伤害事故（图 15-25）。实验表明，当 1 mA左右的电流通过人体时，会使人产生麻的感觉； 超过10 mA的电流就能使人感到剧痛，甚至神经麻 痹，呼吸困难，有生命危险；电流达到100 mA时， 3 s就可使人窒息，心脏停止跳动。触电对人的生命 是一种严重威胁。大量事实表明：不高于36 V 的电 压才是安全电压。 通常，家庭电路（220 V）和动力电路（380 V） 的电压都超过了安全电压值。 家庭电路中的触电事故，都是人体直接或间接 接触火线引起的。 怎样才能防止触电，保证安全用电呢？首先，家 庭电路的安装应当符合安全用电的要求（图15-26）； (a) 人的双手分别同时触 到火线和零线，电流直接 流过心脏，非常危险 (b) 人触到了破损用电器 (c) 人摆弄用电器触到接 (d) 无安全措施的插座安 中的火线，电流流过人 火线的金属触头，电流经 装过低，小孩玩耍时将 体入地，很危险 人体入地，很危险 手指塞进插座，造成触 电事故 图 15-25 家庭电路中常见的触电事例114 第十五章 探究电路 火线 火线 地线 零线 零线 火线 零线 (a) 开关要接在火线上 (b) 螺口灯的螺旋金属 一定要接在零线上 (c) 三孔插座应有接地线 图 15-26 电路安装要规范 同时，要注意不弄湿用电器；保护好用电器的绝缘 体，不使它的火线裸露；对于有金属外壳的家用电 器，其外壳要接地；在户外，不要靠近高压带电体 （图15-27）。 图 15-27 一些与电有关的不安全现象 当发现有人触了电，你应该怎么办？ 首先，不能直接去碰触电的人，否则施救者也 会触电（为什么 )。应当赶快切断电源，或者用干 燥的木棍、竹竿将电线挑开，使触电的人迅速脱离 电源。发生火灾时，要首先切断电源，绝不能带电 泼水救火。本章练习 115 作业 1．观察你家的电路或者你所在教室的照明电路，总共有几盏电灯、几个开关、几个 插座，了解电路是怎样连接的，并画出电路图。 2. 请根据图15-28，分析家用电器的金属外壳为什么一定要接地。 火线 零线 火线 零线 接地 (a) 当家用电器漏电或因火线破损与外壳接通时， (b) 外壳接地后，即使外壳带电，外壳所带的 会使外壳带电，人接触外壳会触电 电也会经接地导线流走，人接触外壳不会触电 图 15-28 3．家庭里的电灯突然熄灭，用测电笔分别测火线和零线，氖管都发光。据此，你推 断电路的故障可能出现在哪里？说出你的理由。 ? 请提 问 1．家庭电路电压为什么不降低到36 V？ 2. ____________________________________________ …… 本章练习 1．如图15-29所示，要使滑动变阻器的滑片P向右移动时， P A B 电阻变大，应选择的接线柱是（ ）。 A．A、D B．B、C C D 图 15-29 C．A、B D．C、D116 第十五章 探究电路 2．在日常家庭用电中如果使用不当会给人们带来危害。下列做法中可能给人们带来 危害的是（ ）。 火线 A． 更换灯泡或维修电路时要先断开 零线 地线 电源 B．开关要接在零线上 C．三孔插座接地线要保证良好接地 D．家用电器的金属外壳接地 电灯 开关 插座 保险盒 3．将图15-30中各元件正确接入电路， 图 15-30 其中开关只控制电灯，三孔插座带保险盒。 4．图15-31是“探究电流跟电压关系”的实物图，请你指出其中的错误或不妥之处。 图 15-31 实 践 与 总 结 1．实践活动： 根据本章所学的知识，查看家中用电器的使用情况和线路的连接是否存在安 全隐患。若存在，试着与家人一起想办法将其排除。同时，将你的探究过程整理 成一份报告。注意，在探究过程中要遵守安全原则。 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________111177 第十六章 电流做功 与电功率 电流做功 电流做功的快慢 测量电功率 科学探究：电流的热效应118 第十六章 电流做功与电功率 第一节 电流做功 认识电流做功 现代社会，人们的生活越来越离不开电（图 16-1）。电灯、电话、电视（图16-2）、电扇、冰箱、 空调……越来越多的用电器走进了我们的生活。 用电器工作的过程就是利用电流做功，将电能 转化为其他形式的能量的过程。例如，当我们闭合 开关，电流通过电灯，电流做功使灯丝发热发光， 电能转换为内能和光能。电流做了多少功，就要消 耗多少电能。 电流做功的多少与什么因素有关？科学家通过 图 16-1 美丽的夜景 大量的研究发现： 电流所做的功与电流、电压和通电时间成正比。 当电路两端的电压为 U，电路中的电流为 I， 通电时间为t，计算电流做功（即电功）的公式为 W：电功 I：电流 W=UIt。 图 16-2 电视丰富了 U：电压 t：时间 我们的生活 若公式中 U 的单位为 V，I 的单位为 A，t 的单 位为s，那么 W的单位为J，J 这个单位很小。在生 活中，人们还用千瓦·时（kW·h）作为电功的单位， 千瓦·时也被称为“度”，相当于功率为 1 kW 的用 电器工作1 h 所消耗的电能。 1 kW·h=3.6×106 J。第一节 电流做功 119 例题 一电熨斗的电热丝的阻值为 85 Ω。接在 电压是220 V 的家庭电路中。求： （1）通过该熨斗电热丝的电流是多大？ （2）工作90 min，该电熨斗消耗的电能为多少？ 已知：U=220 V，R=85 Ω，t=90×60 s=5 400 s。 求：I，W。 解：（1）由欧姆定律，得 U 220 V I= = ≈2.59A。 R 85 Ω （2）由电功的计算公式，得 W=UIt =220 V×2.59 A×5 400 s ≈3.08×106 J。 答：（1）通过该熨斗电热丝的电流约为2.59 A； （2）工作90 min，该电熨斗消耗的电能约为3.08× 106 J。 测算电费 电能表（又称电度表）是测量电功的仪表。图 16-3 是一种常见的家用电能表。电能表盘面的数 字都有特定的含义。其中，方框内的数字记录的是 所消耗的电能总数，红色框内的数字为小数位，单位 是kW·h。 电能表在一段时间内前后两次示数的差值，就 是这段时间内所消耗电能的多少。 图 16-3 电能表 作业 1．家庭用电能表的单位是千瓦·时，符号为“kW·h”，1 kW·h=__________ J,相当120 第十六章 电流做功与电功率 于功率为1 kW的用电器工作_________所消耗的电能。 2．电能表是测消耗电能的仪表。小兰同学家上月末 记录的电能表示数是811.6 kW·h，本月末示数如图16-4 所示，这个月她家用电＿＿＿＿kW·h。 3．电路中有一用电器，其两端电压是6 V，通过它的 电流是200 mA，5 min内电流做的功是（ ）。 A．6 J B．360 J 图 16-4 C．6 000 J D．3.6×105 J 4．一个额定电压为220 V的灯泡，其电阻为484 Ω， 接到照明电路中正常工作。求： （1）通过这个灯泡的电流是多少？ （2）通电1 h，这个灯泡消耗的电能是多少？ ? 请提 问 1. 一个用电器消耗电能的多少与哪些因素有关？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第二节 电流做功的快慢 121 第二节 电流做功的快慢 电功率 到商店买灯泡，售货员会问你需要多少瓦的灯 泡。家里的用电器，都会标有多少瓦（图 16-5）。 这里“瓦”的含义是什么呢？ 物理学中把电流所做的功与所用时间之比叫做 电功率（electric power)。电功率的定义式为 P：电功率 W P= ——。 W：电功 t t：时间 图 16-5 灯泡 电功率的国际单位是瓦特，简称瓦，符号是 “W”。常用的电功率单位还有千瓦 (kW)，它们之 间的换算关系是： 1 kW=1 000 W。 电功率还可以通过电流和电压来计算，即 P：电功率 P＝IU。 I：电流 U：电压 由此公式可知，若加在用电器上的电压为 1 V， 通过的电流为 1 A，那么，该用电器消耗的电功率 为1 W。122 第十六章 电流做功与电功率 额定功率 在电器设备的铭牌和使用说明上，均标有该电 器设备正常工作的电压值或电流值，它们分别叫 （a）灯泡 做额定电压（rated voltage）或额定电流（rated current)。与额定电压或额定电流对应的功率叫做 800～1 000 W 220 V 额定功率（rated power)。图 16-6 所示的是灯泡 和微波炉上所标的额定功率和额定电压。 当用电器两端的电压增大时，通过它的电流就 随着增大，用电器的功率也跟着增大。当电压超过 一定数值时，就会损坏用电器。例如，加在电灯两 （b）微波炉 端的电压过高，导致通过灯丝的电流过大，灯丝就 图 16-6 电器的额定功率与额定电压 会因温度过高而熔断。 实际功率 当用电器的工作电压明显低于或高于它的额定 电压时，用电器就不能正常工作。我们把用电器在 实际电压下工作时所对应的功率叫做用电器的实际 功率。 例题 将“220 V 60 W”的灯泡分别接入220 V 和 200 V 的电路中，求灯泡的电阻以及对应电压下 的实际功率。 已知：U =220 V，P =60 W，U =200 V。 额 额 实 求：R，P 。 实 2 U 解：由 P =I U = ——额 ，得 额 额 额 R U2 (220V)2 R= ——额 = ——— —≈807Ω。 P 60W 额第二节 电流做功的快慢 123 当灯泡接在 220 V 电路中时，灯泡的实际功率 就是它的额定功率，即 P =60 W。 额 当灯泡接在200 V 电路中时，灯泡的实际功率 2 U (200V)2 实 P 实 = — R — = — 8 — 07 — Ω — ≈50 W。 答：灯泡的电阻约为 807Ω，它在 220 V 电压 下工作时的实际功率为 60 W，在 200 V 电压下工 作时的实际功率约为50 W。 作业 1．某同学把一个标有“10 V 3 W”的小灯泡接入电路，小灯泡正常工作，则通过 小灯泡的电流为多少？ 2．在如图16-7所示的电路中，R为一个50 Ω的电阻，闭合开关后，电流表的示 数为2.5 A。求该电阻消耗的电功率。 R A S 图 16-7 3．在一个“220 V 15 W”的灯泡两端分别加上220 V和110 V的电压，其实际电功 率各是多少？ 4.* 把标有“220 V 40 W”和“220 V 25 W”字样的甲、乙两盏灯串联接在 220 V的电源上，则下列分析中正确的是（ ）。 A．两盏灯的总功率等于65 W B．甲灯两端的电压大于乙灯两端的电压 C．两盏灯的总功率小于25 W D．乙灯消耗的功率小于甲灯消耗的功率124 第十六章 电流做功与电功率 5．请你做一次家用电器设备额定功率的调查，并将调查的结果填写在下表中。 电器名称 额定功率 P / W 电器名称 额定功率 P / W ? 请提 问 1．额定功率和实际功率有什么区别？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第三节 测量电功率 125 第三节 测量电功率 怎样测量电功率 在生活和生产实践中，经常需要知道用电器的 电功率，有时还需要通过实验来测量。你能测量用 电器的电功率吗？请做做看。 实验探究 测量小灯泡的电功率 如果给你额定电压分别为 2.5 V 和 3.8 V 的小灯泡各一只，你能测出它们 的电功率吗？ 设计实验 根据电功率公式 P=IU，要测 量小灯泡的电功率，可以用电压表 测出小灯泡两端的电压 U，用电流 表测出通过小灯泡的电流I。 图 16-8 是某同学设计的实验 (a) 电路图 (b) 实物图 图 16-8126 第十六章 电流做功与电功率 电路图及其对应的实物图，想一想，采用这个电路，如何测定小灯泡的额定 功率？如果你有不同的设计方案，请说出你的实验设计并画出电路图。 为了探究小灯泡在额定电压下工作的功率，以及当电压略高于（或略低于） 额定电压时的实际功率，同学们决定将每个小灯泡的实验进行3次。 进行实验与收集证据 1．根据设计的电路图连接电路，先将滑动变阻器的滑片置于电阻值最 大处。 2．闭合开关，调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压达到小灯泡的额定 电压，即小灯泡正常发光，记下电压表、电流表的示数。 3．继续调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压略低于或略高于其额定电 压，观察小灯泡的亮度，并记下电压表、电流表的示数。 测量值 物 理 小灯泡两端的 通过灯丝的 小灯泡的电 小灯泡的 量 小灯泡规格 电压 U / V 电流 I / A 功率 P / W 发光情况 2.5 2.5 V 3.8 3.8 V 交流与合作 通过与同学们的交流与合作，你能回答下面的问题吗？ 1．小灯泡正常发光时的功率是什么功率？ 2．调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压略高于或略低于其额定电压时， 小灯泡的功率是什么功率？能否说这是小灯泡的额定功率？为什么？第三节 测量电功率 127 迷你实验室 利用家用电能表测算家用电器的电功率 如要测一只电吹风的电功率，首先要关闭家里所有的电器，只启 动电吹风，利用钟表测量电吹风工作时电能表铝盘转n转所用的时间t。 假定这个电能表的盘面上标着“3 000 r/（ kW·h）”，它表示每消耗1 kW·h 的电能，表盘要转3 000转。那么表盘每转1转，电流做的功为多少呢？ 你能由此测出电吹风在t ( s )时间内所做的功及电吹风的电功率吗？ 作业 1．图16-9是灯L、L 的U-I图像。由这两条曲线可知，当电压为100 V时，灯L 1 2 1 的实际功率为______W，灯L 的电阻_________(选填“大于”“小于”或“等于”)灯L 1 2 的电阻。 U/V L L 1 2 200 160 120 80 40 O 0.2 0.4 0.6 I/A 图 16-9 图 16-10 2．某同学用如图16-10所示的实物图测定额定电压为2.5 V、额定功率不大于1 W 的小灯泡的功率。在该同学连接好的电路中，存在三处错误。请找出： ①_____________________________________________________；128 第十六章 电流做功与电功率 ②_____________________________________________________； ③_____________________________________________________。 3．在“测定额定电压为2.5 V的小灯泡的电功率”的实验中： （1）在连接电路时，开关应该是＿＿＿＿的； （2）在图16-11 (a)中，请你用笔画线表示导线，把图中的电路连接好（请勿更改原 有导线，导线不得交叉）； （3）正确连接好电路后，闭合开关，调节滑动变阻器，使电压表的示数为_______V 时，小灯泡正常发光。此时，若电流表的示数如图16-11 (b)所示，其示数为＿＿＿＿A， 小灯泡的额定功率是＿＿＿＿W。 (a) (b) 图 16-11 ? 请提 问 1．当电压大于灯泡的额定电压时，灯泡会被烧坏吗？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第四节 科学探究：电流的热效应 129 第四节 科学探究：电流的热效应 电流的热效应 在生产、生活实践中，常常需要用电产生热来 为我们服务。例如，工厂利用电热炼钢，家庭利用 电热来烧水、做饭、取暖等。 图 16-12 所示的是一种常见的电炉，通电后可 以看到电炉内金属电阻丝的颜色会变红，靠近电炉 会感觉到电阻丝发热。这种电流通过导体时电能转 化为内能的现象叫做电流的热效应。那么，电流产 生的热量的多少与哪些因素有关呢？ 我们先来做一个实验。 图 16-12 电炉 实验探究 电流产生的热量与哪些因素有关 （一）探究电流产生的热量与通电时间是否有关 图 16-13 和图 16-14 分别是实验电路图和 实物图。进行实验时，按图16-13 连接好电路， R 检查无误后接通电源，按下计时器并同时记录 温度计的示数。保持电流的大小不变，每间隔 S 一定时间记录一次温度计的示数，并填写到设 图 16-13 计好的表格中。130 第十六章 电流做功与电功率 探究点拨 进 行 实 验 与 收 集 证 据 实验是一个探索的过 程。许多实验条件，如本 实验中采用多大阻值的电 阻丝、电流的大小、测量 电阻丝 间隔时间等，都需要通过 煤油 多次探索才能调整得比较 好。每次进行实验，在实 验前要反复论证、精心准 备，实验中要细致观察、 准确记录，实验后要认真 分析、反复推敲。 图 16-14 时间 t/min 温度 t/℃ 实验结果显示： 对同一电阻丝，在电流大小不变的情况下，通电时间越长，煤油的温 度越______，表明电流产生的热量越_______。 （二）探究电流产生的热量与电流大小是否有关 取质量、温度均与上述实验初始状态相同的煤油，仍按图 16-14 连接电 路。闭合开关，调节滑动变阻器，增大通过电阻丝的电流，通电时间与前次相 同，记录玻璃瓶内煤油的温度。第四节 科学探究：电流的热效应 131 时间 t/min 温度 t/℃ 将此次测量的温度与上次温度对比，可知： 对同一电阻丝，在通电时间相同的情况下，通电电流越大，煤油的温度越 _____，表明电流越大，电流产生的热量越_____。 （三）探究电流产生的热量与电阻大小是否有关 选取两根阻值不一样的电阻丝，两个装有初 R R 始温度相同（记为 t ）、等质量（记为 m ）煤油 1 2 0 0 的玻璃瓶，按图 16-15 所示的电路图将实验器材 连接起来，实物图如图 16-16 所示。检查无误后 S 接通电源，通电一定时间后，记录两个玻璃瓶内 图 16-15 煤油的温度。 等质量 的煤油 电阻丝R 电阻丝R 1 2 图 16-16132 第十六章 电流做功与电功率 时间 t/min 温度 t /℃ R1 温度 t /℃ R2 实验结果显示： 在通电电流大小不变，通电时间相同的情况下， 电阻越大，煤油的温度越 _____，表明电阻越大， 电流产生的热量越_____。 焦耳定律 历史上，英国物理学家焦耳做了大量的实验， 探究电流产生的热量跟电流大小、导体的电阻以及 通电时间的关系，他于1840年最终发现： 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正 比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。 因此，为了纪念焦耳，这一规律又被称为焦耳 定律（Joule law）。焦耳定律可以用公式表示为 Q = I 2 Rt。 公式中，电流 I 的单位是安（ A），电阻 R 的单 位是欧（ Ω），时间 t 的单位是秒（ s），这样，热量 Q的单位是焦（ J）。第四节 科学探究：电流的热效应 133 信息窗 焦 耳 英国物理学家焦耳（J. P. Joule，1818-1889， 图 16-17）年轻时就从事电和磁的研究。他极 力想通过实验证明自然界中的能量守恒规律。 为此，他做了许多实验研究热和功之间的联系， 以及电流的热效应。焦耳的研究为能量守恒定 律的建立奠定了坚实的实验基础。为了纪念焦 耳对科学的贡献，除了将上述定律命名为“焦 耳定律”外，物理学中能量和功的单位也被命 图 16-17 焦耳 名为“焦耳”。 作业 1．一电热器电阻丝的电阻为120 Ω，接在220 V的电路中，通电15 min产生 __________ J的热量。 2．在相等的时间内，电热丝甲比电热丝乙放出的热量多，则（ ）。 A．甲的电阻一定比乙的电阻大 B．甲两端的电压一定比乙两端的电压大 C．甲消耗的电功率一定比乙消耗的电功率大 D．通过甲的电流一定比通过乙的电流大 3．一台电动机的额定电压是220 V，其电阻是1 Ω。正常工作时，通过的电流为 5 A，则电动机因发热损失的功率为（ ）。 A．48 400 W B．25 W C．1 100 W D．1 075 W 4．某导体电阻为20 Ω，通电1 min产生的热量是4 800 J。求： （1）通过它的电流为多少？ （2）当通过它的电流增大1倍时，在相同的时间内产生的热量是多少？134 第十六章 电流做功与电功率 ? 请提 问 1．电线通电后会发热是什么原因？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ …… 本章练习 1.直接测量消耗电能的多少可以用（ ）。 A．电流表 B．电压表 C．电能表 D．滑动变阻器 2.把“220 V 60 W”和“220 V 40 W”的两盏灯串联在220 V的电路中，两盏灯 都比正常发光时暗，这是因为每盏灯的（ ）。 A．额定电压都变小 B．额定电压都小于它的实际电压 C．额定功率都变小 D．实际功率都小于额定功率 3.通电后，电炉丝热得发红，而跟电炉丝连接的铜导线却不太热，这是因为（ ）。 A．电炉丝中有电流的热效应，而铜导线中没有电流的热效应 B．通过电炉丝的电流大，而通过铜导线的电流小 C．电炉丝的电阻比铜导线的电阻大得多 D．上述三种原因都起作用 4．一个标有“220 V 100 W”的电热器，当通过它的电流为0.5 A时，它的实际功 率（ ）。 A．大于额定功率 B．等于额定功率 C．小于额定功率 D．条件不足，无法判断 5．下列说法中符合事实的是（ ）。 A．一盏100 W的白炽灯正常发光l h，消耗1 kW·h的电能本章练习 135 B．常用的测电笔就是用来测量家庭电路电压大小的工具 C． 在一只灯泡两端加2 V电压时，通过灯泡的电流是0.2 A，则灯泡的电阻是 10 Ω D．为了安全用电，洗衣机等家用电器的金属外壳必须与大地保持绝缘 6．根据图16-18所示，四种家用电器铭牌上所提供的信息，可知正常工作时电流为 6 A的用电器是（ ）。 ××型电风扇 ××型空调机 ××型电热水器 ××型电视机 额定电压220 V 额定电压220 V 额定电压220 V 额定电压220 V 工作频率50 Hz 工作频率50 Hz 工作频率50 Hz 工作频率50 Hz 额定功率65 W 额定功率1 320 W 额定功率880 W 额定功率70 W A. B. C. D. 图 16-18 7．如图16-19所示是某家庭用的电能表 及上月末和本月末的两次示数。若按1 kW·h 的电费为0.5元来计算，他家本月应缴纳电费 _________元。 8．一个额定电压为220 V的电热水器， 当给它通电10 min时，电能表的示数增加了 0.2 kW·h。求： 图 16-19 (1)它的功率是多少？ (2)它的电阻是多少？ 9．小华家买了一个家用电吹风，其简化电路如图16-20所示，主要技术参数如下表。 请解答如下问题： A 选择开关 热风温度 50~75 ℃ B 电 热风时：1 000 W C 额定功率 热 D 冷风时：120 W 丝 插头 额定电压 220 V 质量 0.5 kg 图 16-20136 第十六章 电流做功与电功率 （1）当电吹风吹冷风时，正常工作5 min消耗的电能是多少？ （2）当选择开关旋至何处时，电吹风正常工作的功率最大？此时通过电路的总电流 是多大？ 实 践 与 总 结 1．实践活动： （1）请在家长指导下，调查家中主要用电器（如电灯、空调、微波炉、洗衣 机等）的电功率的大小，并记录相应数据； （2）根据以上调查结果、使用情况及电价，估算家中一个月的用电费用。 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________113377 第十七章 从指南针到 磁浮列车 磁是什么 电流的磁场 科学探究：电动机为什么会转动138 第十七章 从指南针到磁浮列车 第一节 磁是什么 认识磁现象 在我们的日常生活、工业生产乃至高科技领域 里，用到磁的地方真是不胜枚举。图 17-1 所示的 (a) 指南针 (b) 磁浮列车 图 17-1 磁的妙用 就是关于磁的应用的一些例子，从我国古代四大发 明之一的指南针到今天现代化的磁浮列车，磁现象 及磁的应用几乎随处可见。 通过小学科学课程的学习，我们已经知道，任 何磁体都有两个磁极，它们分别叫做磁北极（N 极） 和磁南极（S极）。同名磁极相互排斥，异名磁极相 互吸引。 参照图 17-2，将条形磁铁接触或靠近大头针， 发现被吸引的大头针又能吸引其他的大头针。我们 把原来不显磁性的物质通过靠近或接触磁体等方式 图 17-2 大头针 被磁化的现象 使其显出磁性的过程叫磁化，能被磁化的物质叫铁第一节 磁是什么 139 磁性物质，如铁、钴、镍等。 参照图 17-3，将一块磁体分成若干块小磁体， 发现不论分成多少块，每一块小磁体均有两个磁极。 磁体的周围有什么 图 17-3 每块小磁体 都有两个磁极 磁体周围有什么呢？下面，我们就来探究一下 吧！ 实验探究 如图 17-4 所示，用细绳将一块条形磁体悬挂起来，再用另一块条形磁 体靠近它。你观察到什么现象？为什么两磁体间没有接触，却能产生相互作 用呢？ 再做一个小实验，让我们更形象地了解磁体周围有什么。 将铁屑均匀撒在玻璃板上，再将玻璃板放置在条形磁体上方，然后轻轻敲 打玻璃板，观察铁屑的分布，看看是否与如图17-5 所示的铁屑分布类似。 再用两条形磁体试试，看看当两磁体的磁极相对时，如 N 极与 S 极相对， 磁体周围的铁屑会呈现怎样的分布。 图 17-4 磁体之间 图 17-5 条形磁体周围的铁屑分布 没有接触，却存在力的作用 从以上实验可知，磁体周围一定存在着什么。原来，磁体的周围存在着一 种看不见、摸不着的物质，人们将其称为磁场（magnetic field）。磁体之间的 相互作用正是通过磁场发生的。140 第十七章 从指南针到磁浮列车 实验中的铁屑在不同磁体周围有不同的分布图 像，这是因为不同磁体周围的磁场不同。铁屑在磁 场中被磁化，一个铁屑相当于一个小磁针，它们在磁 场作用下形成了不同的分布图像，这些铁屑的分布 图像显示了磁体周围的磁场分布状况。图17-6为两 （a） 条形磁体异名磁极和蹄形磁体周围的铁屑分布图像。 磁感线—— 一种描述磁场的方法 为了形象直观地描述磁场，物理学中人为地引 （b） 入了磁感应线（简称磁感线），即用带箭头的曲线 图 17-6 两条形磁体 异名磁极和蹄形磁体 来描述磁场的某些特征和性质，图 17-7 为条形磁 周围的铁屑分布 体的磁感线分布。 磁感线 磁场方向 图 17-7 磁感线的分布 在磁体的外部，磁感线总是从磁体的N极发出， （a） 最后回到S极。 磁感线上的箭头方向是由 N 极指向 S 极。磁感 线上任何一点的切线方向，也是放在该点小磁针的 N 极指向，就是该点的磁场方向。 磁感线分布越密的地方，其磁场越强；磁感线 分布越疏的地方，其磁场越弱。 （b） 图 17-8（a）为两条形磁体异名磁极附近的磁 图 17-8 两条形磁体 感线分布，图 17-8（b）为蹄形磁体磁极附近的磁 异名磁极和蹄形磁体 磁极附近的磁感线分布 感线分布，图中磁感线的疏密反映了磁场的强弱。 N N S S第一节 磁是什么 141 地磁场 我们生活的地球本身就是一个大磁体（图 地理北极 17-9），这个大磁体的 N 极不在地球的南极（地理 南极），而是在其附近；同样，大磁体的 S 极也是 位于地理北极附近。 S 我们就处在地球这个大磁体所产生的磁场中。 地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。例如， N 行军、航海需要利用地磁场对指南针的作用来定向。 再者，海龟的洄游、信鸽的飞翔也是依靠地磁场来 定向。 地磁场被称为地球生命的“保护伞”。因为， 地理南极 假如没有地磁场，来自宇宙空间的高速带电粒子流 图 17-9 地球是 一个天然大磁体 将直射地球，威胁生命。另外，在高能粒子的轰击 下，地球周围的大气成分也可能发生改变，使得生 命无法生存。所以，地磁场这顶“保护伞”对我们 来说至关重要。 信息窗 指南针是我国古代的四大发明 之一。我国古代就利用司南（图 17-10）来辨别方向，司南是现代 所用的指南针的始祖。指南针这一 伟大发明，在航海、探险、军事方 面都具有重要的实用价值。 图 17-10 司南142 第十七章 从指南针到磁浮列车 作业 1．图17-11中绘出了磁体旁小磁针静止时所指方向的图示（小磁针蓝色端表示N 极），错误的是（ ）。 4 4 N S N S N S N N A. B. C. D. 图 17-11 2．关于磁感线的概念，下面说法中错误的是（ ）。 4 4 A．磁感线上某点的切线方向就是此点的磁场方向 甲 乙 B．磁体周围越接近磁极的地方磁感线越密 N C． 磁感线是一种假想的曲线，在磁体外部是从北极 到南极 S D．磁感线是磁场中确实存在的线 图 17-12 3．如图17-12所示，小磁针处于静止状态。请在图中甲、 S 乙处标出磁极极性（用N或S表示），并画出磁感线(每个磁 N 极画两条)。 4．学习磁场知识后，某同学在一个圆纸盒里放一个条形 磁体，盒外放了一些小磁针，磁针N极的指向如图17-13所 示。请你画出圆纸盒里磁体的合理位置并标出N、S极。 5．请你收集关于指南针的资料（上网或进图书馆查找）， 图 17-13 简述指南针发明的意义和价值。 ? 请提 问 1．为什么将磁体分割后，每块小磁体又有两个磁极呢？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第二节 电流的磁场 143 第二节 电流的磁场 奥斯特实验 在图 17-14 所示的电器设备中，它们均利用了 磁性。磁跟电有什么关系呢？电会产生磁吗？首先 揭开这个奥秘的是丹麦物理学家奥斯特。 扬声器 磁体 电磁起重机 话筒 磁体 图 17-14 电与磁的应用 下面，让我们来重复奥斯特所做的实验吧。如 图 17-15 所示，在小磁针上方平行架一根导线，当 导线 （a） （b） 图 17-15 奥斯特实验144 第十七章 从指南针到磁浮列车 导线通电和断电时，你观察到了什么现象？ 接通电路，导线中有电流通过，小磁针发生 偏转；断开电路，导线中无电流通过，小磁针恢复 到原来的指向，不再发生偏转。这个现象表明，通 电导体周围存在着磁场。 改变导线中电流的方向，小磁针偏转方向改变。 这说明通电导体周围磁场的方向与电流方向有关。 通电螺线管的磁场 将导线绕在圆筒上，可做成一个螺线管（也叫 线圈）。下面，我们探究一下通电螺线管的磁场是什 么样的？ 实验探究 通电螺线管的磁场特点 参照图 17-16，在一块有机玻璃板 上安装一个用导线绕成的螺线管，板面 上均匀地撒满铁屑，再给螺线管通以电 流并轻轻敲击玻璃板面，观察玻璃板面 上铁屑的分布情况。 图 17-16 通电螺线管周围 由玻璃板面的铁屑分布情况可知： 的铁屑分布 通电螺线管周围的铁屑分布情况与条形磁体周围的铁屑分布情 况相似，因此，其周围的磁场与条形磁体的磁场相似。第二节 电流的磁场 145 将匝数更多的螺线管接入如图 17-17 所示的电路中，再将小磁针放置在 螺线管附近，闭合开关，观察小磁针的偏转情况，并把观察到的现象和分析的 结论记录下来。 S Ｎ S Ｎ a b 图 17-17 从实验可知： 螺线管的a端和小磁针的N 极________（选填“相吸”或“排斥”）； 螺线管的b端和小磁针的S 极__________（选填“相吸”或“排斥”）； 这说明通电螺线管周围存在着 __________，a 端为 __________ 极，b 端为__________极。 分析与论证 如果改变通电螺线管的电流方向，那么，其周围的磁场分布情况和磁场方 向是否改变？若给你一个小磁针，你怎样利用它来判断通电螺线管的磁极？ 人们在发现和表述物理规律的同时，常常采用一 些科学、巧妙的方法来帮助我们方便地记忆和运用这 些物理规律。例如，判断通电螺线管的磁极可用右手146 第十七章 从指南针到磁浮列车 螺旋定则来判定：如图17-18所示，用右手握住螺 线管，让四指弯曲的方向跟螺线管中的电流方向一 致，则大拇指所指的那端就是通电螺线管的N极。 S N N S I 右手 I I 右手 I (a) (b) 图 17-18 判断通电螺线管的磁极 在通电螺线管内插入一个铁芯，就构成了一个电 磁铁。电磁铁在生产生活中有很多应用，如在电磁继 电器、电磁起重机和磁浮列车中都用到了电磁铁。 信息窗 电磁继电器 电磁继电器是一种电子控制器件，是用较小的电流、较低的电压 去控制较大电流、较高电压的一种“自动开关”。电磁继电器通常应 用于自动控制电路中，可以实现远距离控制和自动化控制。 如图 17-19 所示，电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、弹簧片、 触点等组成，其工作电路包括低压控制电路和高压工作电路两个部 分。当在电磁铁 A 两端加上一定的电压时，电磁铁 A 工作，衔铁 B 被吸下，从而将带动衔铁的动触点 D 与静触点 E（常开触点）吸合， 高压电路接通。当电磁铁 A 断 电后，其磁力消失，衔铁 B 则 B D 在弹簧 C 的作用下返回原位， E 动触点 D 离开静触点 E，高压 C A 电路断开。这样，通过电磁继 低 高 电器低压控制电路的接通、断 压 压 电 电 开，就达到被控电路的导通、 源 路 图 17-19 切断的目的。第二节 电流的磁场 147 迷你实验室 自制一个电磁铁 将 2 m 长的带有薄绝缘皮的导线按图 17-20 (a) 所示绕在一个铁 钉上，再按图 17-20 (b) 所示连接电路，接通电路，一个电磁铁就制 成了，看看它能否吸起大头针？ 若将铁钉换成木芯或纸芯，再做上述实验，看有什么变化？ 电池盒 电线 铁钉 (a) (b) 图 17-20 自制电磁铁 作业 1．下列说法中能使通电螺线管的N、S极位置互相交换的办法是（ ）。 A．把线圈的匝数增加一倍 B．改变电流的方向 C．把电流大小减小一半 D．开关重新断开148 第十七章 从指南针到磁浮列车 2．在图17-21中根据小磁针指向标出通电螺线管中的电流方向。 N S N S N S (a) (b) (c) 图 17-21 3．有一蓄电池，上面标有的“＋”“－”极看不清了。如果有漆包线、纸筒、开关、 小磁针等器材，你能判断蓄电池的正、负极吗？说说你的具体做法。 4．观察图17-22，和同学讨论电铃的工作原理。 S A B 弹性金属片 衔铁 触点 电磁铁 软铁棒锤 铃 (a) 实物图 (b) 原理图 图 17-22 电铃 ? 请提 问 1．通电螺线管内部的磁场是如何分布的？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第三节 科学探究：电动机为什么会转动 149 第三节 科学探究：电动机为什么会转动 电动机为什么会转动 在如图 17-23 所示的用电器中，它们内部都有 一个重要的部件——电动机。你知道电动机为什么 会转动吗？ 图 17-23 电动机 实验探究 （一）观察并研究电动机的结构 提出问题 电动机内部结构怎样？它由哪些部件组成，它们各起什么作用？电动机是 怎样转起来的？150 第十七章 从指南针到磁浮列车 探究点拨 提出问题 围绕探究活动提出有意义的问题，将有助于探究活动有 目的地进行。这里提出的一系列问题都是与电动机转动有关的，探究活 动过程就是一个不断提出问题、分析问题和解决问题的过程。 进行实验与收集证据 （1）将学生实验用的电动机（图17-24）接入电路， 闭合开关，观察电动机的转动。 （2）拆开这台直流电动机，观察它由哪几部分组成。 图 17-24 电动机 （二）转动的原理 为了探究以上问题，我们来观察下面的实验（图17-25）。 金属轨道 N 能够在轨道上 滚动的金属杆 S 图 17-25 实验装置 进行实验与收集证据 当接通电源时，我们看到金属杆运动起来，这说明了什么？ 当保持磁场方向不变，改变电流方向时，金属杆＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 当保持电流方向不变，改变磁场方向时，金属杆＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 以上实验现象又说明了什么？请你把通过观察比较及分析得出的结论填写 在下面： 磁场对通电导体具有＿＿＿＿＿的作用，其作用的方向与＿＿＿＿＿、 ＿＿＿＿＿有关。 你是否有办法让金属杆在轨道上持续往复运动？第三节 科学探究：电动机为什么会转动 151 （三）电动机怎样转动 图 17-26 是用直流电源供电的电动机工作原理示意图。电动机线圈的两 端各连着一个铜制的半环（图中 1、2），它们之间有一窄缝，彼此绝缘。这两 个相互绝缘的半环称为换向器，它们随线圈一起转动。直流电源的正、负极分 别通过电刷（图中3、4）与换向器接触，使电源和线圈形成闭合电路。 通过阅读图 17-26，你便能弄清电动机的工作原理。请将你的体会与同学 们交流讨论。 线圈处于此位置 I 时，半环2跟电刷4接 线圈转至平衡位置时， 触，半环1跟电刷3接 I 两电刷跟两个半环间绝缘 N A S 触，通电后线圈中电流 N S 部分接触，线圈中无电流， 3 1 4 从半环2流向半环1， 3 1 4 线圈不受力的作用。但线 2 线圈的AB边受到一个 2 圈由于惯性会继续转动， 向上的力，CD边受到 从而越过平衡位置。 (a) 一个向下的力，线圈顺 (b) 时针方向转动。 线圈又转至平衡位 线圈越过平衡位置 置时，其情况跟图(b) 后，半环1变为跟电刷4 所示相似。线圈由于惯 接触，半环2变为跟电刷 N S 性越过平衡位置后，线 N S 3接触。由于换向器的作 2 圈中的电流又从半环2 3 4 流向半环1，其情况又 3 2 4 用，线圈中电流变为从半 1 和图(a)所示一样。 环1流向半环2。线圈仍 1 然沿顺时针方向转动。 (d) (c) 图 17-26 电动机的工作原理 请你把拆卸的直流电动机重新组装起来，并接 入电路中试一试，看电动机是否能转动？152 第十七章 从指南针到磁浮列车 迷你实验室 制作简易电动机 把1 m长的漆包线（或细导线）绕成小线圈，将两端线头的漆（或 绝缘皮）刮去半边，注意两端刮去的漆应在同侧 [图17-27 (a)］；把 两个回形针折成图 17-27 (b) 所示的形状，用胶带固定在纸板上 [图 17-27 (c)]；把线圈搁在回形针上，使其 可以转动；按图 17-27 (d) 所示连接电路， 露出的铜线 拿一块条形磁体放在线圈上方，接通电源， 线圈就会转动。想一下，线圈为什么会转 动呢？如果它不转动，推一下，或检查一 漆包线 (a) 下，确保刮去半边漆后露出的铜线接触到 了金属回形针。 磁体 纸板 胶带 回形针 导线 电池 (b) (c) (d) 图 17-27 制作简易电动机 作业 1．下列家用电器中，均使用了电动机的是（ ）。 A．电熨斗和日光灯 B．电风扇和洗衣机 C．电饭锅和微波炉 D．电热毯和电热水器第三节 科学探究：电动机为什么会转动 153 2．关于直流电动机，下列说法中正确的是（ ）。 A．直流电动机原理是电流的磁效应 B．直流电动机正常工作时，是将电能转化为内能 C．直流电动机换向器是由两个彼此绝缘的半铜环组成的 D．电源的正、负极和磁场的方向都改变，直流电动机的转动方向也改变 3．如图17-28所示是某小组制作的一个简易电动机。用硬金属丝做两个支架，分别 与电池的两极相连，用漆包线绕成一个矩形线圈，以线圈引线为轴。用小刀刮去轴的一 端的全部漆皮，另一端刮去半周漆皮，将线圈放在支架上，磁体放在线圈下。接通电源 并用手轻推一下线圈，线圈就会不停地转动起来。请回答下面的问题。 （1）推一下线圈的原因是：______________________。 （2）线圈不停转动的原因是：____________________。 （3）要使线圈的转动方向发生改变，请提出两个方案。 ①__________________________________________。 ②__________________________________________。 4．调查一下，你家中有哪些用电器用到了电动机？ 5．动圈式扬声器（喇叭）结构如图17-29所示。如果把它引出线的一端接在电池 正极，另一端不断摩擦电池负极，你将听到“咔嚓、咔嚓”的声音。请先试一试，再分 析为什么。如果有废旧的喇叭，还可把它拆开，观察其内部结构。 磁体 纸筒 线圈 引出线 图 17-28 图 17-29 动圈式扬声器结构图 ? 请提 问 1．在制作简易电动机时（图17-27），可以将两端线头的漆全刮去吗？ 2. ____________________________________________ ……154 第十七章 从指南针到磁浮列车 本章练习 1．没有互相接触的两个磁体间也会相互吸引或排斥，这是因为磁体的周围存在着 ____________________。 2．磁体具有吸引铁、钴、镍等物质的特点。磁体吸引铁块时，铁块________（选填 “会”或“不会”）吸引磁体。因为力的作用总是________。 3．中国古代四大发明之一的________是利用磁极具有指南北的特点。因为地球本 身就是一个大________，地磁北极在地理________附近，地磁南极在地理________附近。 4．小磁针静止时的指向如图17-30所示，由此可知 a b （ ）。 A．a端是通电螺线管的N极，c端是电源正极 N S B．a端是通电螺线管的N极，c端是电源负极 c d C．b端是通电螺线管的N极，d端是电源正极 图 17-30 D．b端是通电螺线管的N极，d端是电源负极 5．如图17-31所示，给电磁铁通电，铁块及弹簧在图中位置静止。当滑动变阻器的滑 片向b端滑动时，关于电流表示数和弹簧长度的变化情况，下列说法中正确的是（ ）。 A．电流表的示数增大，弹簧的长度增加 B．电流表的示数增大，弹簧的长度减小 C．电流表的示数减小，弹簧的长度增加 D．电流表的示数减小，弹簧的长度减小 6．图17-32是一种水位报警器的原理图，当水位到达金属块A时（一般的水能导 电），电路中（ ）。 A．绿灯亮 B．红灯亮 C．两灯同时亮 D．两灯都不亮 衔铁 绿灯 a b A 红灯 水 B 电源 电源 图 17-31 图 17-32本章练习 155 7．如图17-33所示为电磁选矿机的示意图，A为电磁铁。下列选项正确的是（ ）。 A．M内是铁矿物质 B．N内是铁矿物质 C．M、N内都是非铁矿物质 D．N内是非铁矿物质 8．磁性水雷是一种非触发水雷，它利用可绕轴转动的小磁针来控制引爆电路。当军 舰被地磁场磁化变成一个浮动的磁体，接近磁性水雷时，会触发磁性水雷引爆电路，引 起水雷爆炸。磁性水雷引爆电路的依据是（ ）。 A．磁体具有指南北的作用 B．磁极间的相互作用规律 C．电荷间的相互作用规律 D．磁场对电流的作用原理 9．某蔬菜大棚使用一种温度自动报警器，如图17-34所示，在汞温度计里封入一段 金属丝。当温度达到金属丝下端所指的温度时，电铃就响起来，发出报警信号。请说明 它的工作原理。 电源 电源 - + 金 属 丝 A M N 图 17-33 图 17-34 实 践 与 总 结 1．实践活动： 硬币 可用磁体和某金属硬币制作一座如图17-35所示 S N 的磁体桥。请你试试，看看在什么条件下才能做成，请 写出你的制作报告。 2．本章总结： 图 17-35 本章的要点有_________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________115566 第十八章 电能从哪里来 第十八章 电能从哪里来 电能的产生 科学探究：怎样产生感应电流 电能的输送第一节 电能的产生 157 第一节 电能的产生 电灯发出明亮的灯光、电视机屏幕上展现的绚 丽画面、收音机中播放出悠扬的音乐、电饭锅煮出 香喷喷的米饭，这些都与电能有关。电能是从哪里 来的呢？ 电 池 电池是一种把其他形式的能转化成电能的装 置，电池提供的是直流电。由于制作材料、工作原 理和用途的不同，电池有很多种类。 加油站 电池提供的是直流电，直流电的大小和方向 不随时间变化。供电系统给家庭电路提供的是交 流电。交流电的大小和方向随时间做周期性变化， 它周期性变化的次数与时间之比称为交流电的频 率（单位是Hz)。我国交流电的频率是50 Hz。 图18-1 (a)是直流电在示波器（一种观察电 (a) 直流电 (b) 交流电 信号变化信息的电子仪器）上显示的图像，水平 图 18-1 示波器上显示的直流 直线表示电流不变化；图18-1 (b)是交流电在示 电和交流电 波器上显示的图像，电流呈正弦曲线变化。 化学电池 化学电池是把化学能转化为电能的装置，是生158 第十八章 电能从哪里来 图 18-2 部分化学电池 活中最常用的电池。化学电池的种类和型号有很多， 图 18-2 所示的是部分常见的化学电池。化学电池 常见的形状有圆柱体，也有长方体，还有其他形状， 小的如纽扣，大的超过一本精装书。 根据所用的材料不同，化学电池分为锌锰干电 池、铅酸蓄电池、镍镉电池、锂电池、银锌电池等。 大多数电池的使用是一次性的，我们称之为原电 池；但有的电池，如铅酸蓄电池、锂电池等则可反复 充电使用，我们称之为蓄电池或二次电池。 图 18-3 是锌锰干电池的构造示意图，锌锰干 电池由碳棒（正极）、锌筒（负极）及二氧化锰和 电解质等组成，它属于一次性使用的原电池。我国 常用的 1 号、2 号、5 号、7 号干电池都是原电池， 它们的电压都是1.5 V。 蓄电池常作为汽车或电动自行车等使用的电 碳棒（正极） 源，它需预先充电，把电能转化成化学能储存在电 池内；使用时再把化学能转化为电能。蓄电池能多 次充电并可供给较大的电流，电压也比较稳定。 二氧化锰 常见的铅酸蓄电池的极板是铅制的，电解质溶 电解质 液是硫酸。使用时常将若干个蓄电池串联使用，如 锌筒（负极） 汽车上的蓄电池组是用 6 个蓄电池串联的，电动自 行车的蓄电池组是由3或4个蓄电池串联而成的。 图 18-3 锌锰干电池第一节 电能的产生 159 汽车蓄电池 (a) (b) 图 18-4 生活中的蓄电池 化学电池在生活、通信、生产以及科学研究方 面都有广泛的应用。 化学电池虽然使用方便，但现在多数化学电池 内含有汞、镉、锂等金属元素，铅酸蓄电池中更有 铅电极板和电解液，随意丢弃会污染环境，破坏生 态，所以废弃的化学电池要集中分类处理。 迷你实验室 制作西红柿电池 准备一只西红柿、一块铜片、一块锌片、一副耳机和两小段导线。 如图 18-5 所示，先将铜片和锌片插入 耳机 西红柿中，再将两根导线分别与耳机的 两个接线脚相连。并将与耳机相连的一 铜片 根导线连在铜片上，用另一根导线刮擦 锌片 锌片，你听到了什么？想想为什么？这 个电池能使小灯泡发光吗？ 用苹果代替西红柿行吗？请试一试。 图 18-5 西红柿电池160 第十八章 电能从哪里来 太阳能电池 太阳能电池（又称光伏电池）是将太阳能转化 成电能的装置。太阳能电池用半导体硅和金属导体 制成，当太阳光照射到电池上时，在正、负两极之 间形成电压。 太阳能电池可以做得比较小巧，能用在计算器、 玩具等上面。大量的太阳能电池联成阵列，可以建 成太阳能发电站（图 18-6），巨大的太阳能帆板是 人造卫星上的主要电源之一。 由于太阳能属于可再生能量，污染少，故太阳 图 18-6 太阳能电池板 能的利用越来越受到人们的重视。 发电机 电池提供的电能是有限的，更充足、更强大的 电能要通过发电机获取。发电机也是一种把其他形 式的能转化成电能的装置。目前常用的发电方式有 火力发电、水力发电和核能发电等。 火力发电 火力发电是通过煤、石油等燃料的燃烧来加热 锅炉中的水，产生高温、高压水蒸气，推动汽轮机 叶轮（图 18-7）高速旋转，从而带动发电机转子 转动发电。火力发电的能量转化过程是： 燃料的 水和水蒸 发电机转子 电能 化学能 气的内能 的机械能 图 18-7 巨大的 火力发电要燃烧大量的煤、石油等燃料，这些 汽轮机叶轮 都是一次性能源，是不可再生的；燃料燃烧还会产 生大量的二氧化碳、含硫的气体和粉尘等，污染环 境，降低了空气质量，对生态环境产生不利的影响。第一节 电能的产生 161 水力发电 水力发电是在江河上筑坝建水库，让水库中的 水从可控制的闸门中奔泻而出，冲击水轮机，水轮 机带动发电机转子转动发电。水力发电的能量传递 和转化过程是： 水的机 水轮机的 发电机转子 电能 械能 机械能 的机械能 举世瞩目的三峡大坝（图18-8），距下游葛洲坝 水利枢纽工程38 km。三峡大坝工程包括主体建筑 物工程及导流工程两部分，安装了32台单机容量为 7×105 kW 的水轮发电机组，外加 2 台 5×104 kW 水轮发电机组，总装机容量为2.25×107 kW，堪称 世界第一大水电工程。 图 18-8 三峡大坝 水力发电是对自然资源的综合利用，但其发展 受到资源的地理位置和自然条件变化的制约，并且 对生态也有相当大的影响。 核能发电 核能发电是利用铀原子核裂变时释放出的核能162 第十八章 电能从哪里来 来加热水，用水产生的高温、高压蒸汽作为动力， 推动蒸汽涡轮机转动，从而带动发电机转子发电。 核能发电的能量传递和转化过程是： 水和蒸汽 发电机转子 核能 电能 的内能 的机械能 核能发电不仅节省了大量的煤、石油等能源， 而且用料省，运输方便。秦山核电站（图18-9）是 由我国自己设计、建造、调试和运营的中国第一座 核电站。目前，我国已建成多座核电站。 图 18-9 我国秦山核电站 但核能发电后遗留下来的核废料仍有很强的放 射性，需要装入特别的容器，深埋地下，否则会对 环境产生极大的污染。人类在发展核能的同时，一 定要注意安全使用核能。 人们还在研究更多种利用资源发电的方法，如 海浪发电、地热发电、风力发电等，除了在地面建 立太阳能电站外，还拟建立太空发电站。第一节 电能的产生 163 作业 1．下列关于化学电池的说法中，正确的是（ ）。 A．有的化学电池提供直流电，有的提供交流电 B．化学电池是把电能转化为化学能的装置 C．常用的1号、2号、5号、7号干电池的电压依次增大 D．多数化学电池中含有汞、镉等重金属元素，随意丢弃会污染环境 2．铅酸蓄电池对外供电时，是把_______能转化为_______能；对铅酸蓄电池充电时， 是把_______能转化为_______能。 3．常见的发电方式中有火力发电、水力发电和核能发电。请进一步查询资料，将你 总结的上述三种发电方式的优缺点填入下列空格中。 火力发电：__________________________________________________________________。 水力发电：__________________________________________________________________。 核能发电：__________________________________________________________________。 ? 请提 问 1．风能发电有哪些优点和不足？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……164 第十八章 电能从哪里来 第二节 科学探究：怎样产生感应电流 电磁感应现象 如图18-10所示是发电机的模型，它有一个可以 产生磁场的磁体，一个可以在磁场中旋转的线圈。 摇动把手，使线圈快速转动，小灯泡就亮了。这表 明发电机发出了电。 磁体 线圈 图 18-10 发电机模型 发电机为什么能发电呢？ 实验探究 猜想与假设 实验表明：发电机的线圈只有在转动时才能发出电来，由此可以猜想：发 电机发电，可能与线圈在磁场中的运动有关。 设计实验与制订计划 将一根导体的两端用细导线悬挂起来，并与灵敏电流计、开关串联组成闭第二节 科学探究：怎样产生感应电流 165 - + 图 18-11 实验装置图 合电路。将导体放在蹄形磁体的磁场中，如图 18-11 所示。探究导体在磁场 中怎样运动时，才能在电路中产生电流；并探究影响电流方向的因素。 进行实验与收集证据 按下面的要求完成相应的实验。 1．闭合开关，让导体在蹄形磁体的磁场中运 动，观察在什么情况下电路中能产生电流（灵敏电 流计指针发生偏转 )。在图 18-12 的示意图中标出 电路中产生电流时磁体的磁极，画出磁极间的磁感 线；用箭头标出导体的运动方向；并记下灵敏电流 计指针的偏转方向。 2．设法改变上一实验步骤中产生的电流方向。 图 18-12 实验示意图 仿照图18-12画出你的实验示意图，在图上标记出 磁体的磁极、磁极间的磁感线、导体的运动方向。 尝试你能用多少种方法改变电流的方向。 3．断开开关，重复步骤 1 或步骤 2，观察灵敏 电流计的指针偏转情况。 请写出你观察到的实验结果： _________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。166 第十八章 电能从哪里来 交流与合作 完成实验探究后，请将实验记录在班级中互相交流，并就实验探究中发现 的问题进行讨论。建议本实验从以下几个方面进行交流和讨论。 1．如果导体的运动方向与磁感线方向不垂直，导体中能产生电流吗？ 2．如果导体不动，移动蹄形磁体，导体中能产生电流吗？用学过的知识 讨论原因。 3．在上述实验过程中能量是如何转化的？ 探究点拨 交流与合作 在实验中进行交流与合作是非常必要的。个人的假 设、实验设计、收集的信息、分析所得的结论都可能存在片面性，因 此，在实验中应注意与大家交流讨论，虚心听取他人的意见，同时也将 你的想法告诉大家，以便使实验结果更准确。 闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动 时产生电流的现象是一种电磁感应(electromagnetic induction) 现象，电磁感应现象中产生的电流称为 感应电流（induced current)。 科学研究证明： 闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运 动时，电路中产生感应电流；感应电流的方向与磁 场的方向和导体运动的方向都有关系。 除发电机以外，电磁感应现象在生活、生产中 还有大量的应用。例如，有一种动圈式话筒（麦克风） 图 18-13 动圈式话筒 就是应用电磁感应原理制成的（图18-13）。第二节 科学探究：怎样产生感应电流 167 信息窗 法拉第（M. Faraday，1791-1867）是英国科 学家（图 18-14）。他原是书店的一名学徒，从 小热爱科学，发奋自学，终成科学巨匠。他经过 10 年的不懈探索，终于在 1831 年发现了电磁感应 现象。 图 18-14 法拉第 发电机原理 发电机、变压器等许许多多电器设备都是根据 电磁感应原理制造的。图 18-15 是交流发电机的发 电原理示意图。 当线圈平面与磁 C C B 感线平行时，AB边 设线圈绕自身的 运动方向向上、CD D B 轴线逆时针转动。当 边运动方向向下，都 N S 线圈平面与磁感线垂 N A S 切割磁感线，产生感 D 1 A 直时，线圈AB边和 1 应电流。电流在由线 3 3 CD边运动方向与磁 圈、铜环1、电刷3、 2 2 感线平行，不切割磁 灵敏电流计、电刷4 4 4 感线，线圈中不能产 以及铜环2构成的电 (a) (b) 生电流。 路中流动。 线圈平面再次与 B B C 磁感线平行，此时AB 线圈平面再次 边运动方向向下，CD A C 转到与磁感线垂直 边运动方向向上，切 时，AB边和CD边 N A S N S D 割磁感线，产生感应 1 运动方向又与磁感 D 1 3 电流，但电流方向与 3 线平行，线圈中不 2 前面的相反。 会产生感应电流。 2 4 4 (d) (c) 图 18-15 交流发电机发电原理示意图168 第十八章 电能从哪里来 实际上，交流发电机的结构要比图18-15所示的 基本结构复杂得多，不过主要还是由转动部分（转 子）、不动部分（定子）和其他部件组成，而与图 18-15 所示不同的是，在大型发电机中，转子实际 上是产生磁场的电磁铁，而产生感应电流的线圈却 是不动的（定子），这种结构便于产生高电压和强 电流。 发电机工作时，把转子转动的机械能转变为电 能。 作业 1．下列说法中正确的是（ ）。 A．只要导体在磁场中运动，就会产生感应电流 B．电动机是利用电磁感应现象制成的 C．电磁感应现象是电能转化为机械能的过程 D．产生感应电流的电路必须是闭合的 2．如图18-16所示，a表示垂直于纸面的一根导体，它是闭合电路的一部分，它在 各图中按所示方向运动时，不会产生感应电流的是（ ）。 4 4 N N N N a a a a S S S S A. B. C. D. 图 18-16 3．发电机的工作原理是（ ）。 A．磁场对电流的作用 B．磁极间的相互作用 C．电磁感应现象 D．电流周围存在磁场 4．图18-17表示的是闭合电路的一部分导体在两磁极间的运动情形。图中小圆圈代 表导体的横截面，a、b、c、d表示运动中四个不同位置。图中的箭头表示导体在那个位第二节 科学探究：怎样产生感应电流 169 置上的运动方向。请说出，导体在哪些位置会产生感应电流？ N 5．如图18-18所示是“探究导体在磁场中运动时产生 a 感应电流的条件”的实验装置。闭合开关后，导体棒、灵敏 电流计、开关、导线组成闭合电路。 d b （1）要使灵敏电流计的指针发生偏转，可行的操作是__ c ______________________________________________________ S ________________________。 图 18-17 （2）要使灵敏电流计的指针偏转方向发生改变，可以采 取的两种方法是： 方法一：________________________________________________； 方法二：________________________________________________。 - + 图 18-18 ? 请提 问 1．在交流与合作中，为什么有时需要放弃自己的观点呢？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……170 第十八章 电能从哪里来 第三节 电能的输送 高压输电 从发电站到用电地区，通常都有相当长的一段 距离。例如，三峡水电站发出的电要送到我国上海 等东部地区使用，发电厂与用电处相距上千千米， 因此，要用图 18-19 所示的那些跨山越水的巍峨铁 塔上的电缆来输送电能。 加油站 变压器的工作原 理是电磁感应，它能 将输入变压器的交流 电压升高（升压变压 器）或降低（降压变 压器）（图18-20）。变 压器不能改变直流电 的电压。 图 18-19 高压输电线把强大的电能送到远方 家庭用电的电压是 220 V，然而高压输电线上 的电压通常都有几百千伏。 为什么要用这么高的电压输送电能呢？ 这是因为采用高压输电，可以减少电能在输送 图 18-20 变压器 线路上的损失。根据已学的知识，想一下，为什么 高压输电能减少电能的损失？第三节 电能的输送 171 发电厂 升压变压器 高压线路 降压变压器 工厂或居民用电 图 18-21 远距离输电示意图 发电厂发出的交流电需先用升压变压器把电压 升高到数百千伏后再送到交流电网上，升压后的高 压电流通过架空高压输电线送到用电地区的变电站 进行一至两次降压，电压降至 10 kV 后送到工矿、 科研和生活区等目的地，再用变压器降至 220 V 供 家庭用户使用，如图18-21 所示。 目前我国远距离送电采用的电压有 110 kV、 220 kV 和 330 kV，少数地区采用 500 kV 的超高压 送电。 高压触电及其防护 用电器为什么不直接使用高电压呢？ 高电压的绝缘防护要求很高，直接供给家用电 器是十分不安全的。 高压输电线 当高压带电体与人、 动物和建筑物等物体距 离较近时会产生放电现 电弧放电 象，使人和动物触电， 称电弧触电（图18-22)。 所以，高压输电线都架 得很高。 图 18-22 要防止高压电弧触电172 第十八章 电能从哪里来 若高压输电线不慎发生断裂，一 端落到地上，在地面上以落地点为中 心的区域内会形成很高的电压，这通 常称为跨步电压。人和动物若走到此 区域内会发生触电事故，如图 18-23 所示。 为了防止高压触电造成人身伤害， 必须远离高压带电体。如发现有高压 输电线断落地面时，不可走近，应立 断落地面的高压输电线 即设立警示标志，并通知有关电力部 图 18-23 警惕跨步 门进行抢修。 电压的伤害 作业 1．在输送电能过程中，为了减少电能在线路中的损耗，通常采取的方法是（ ）。 A．加大输送电流 B．用高压输电 C．采用电阻极小的导体输电 D．减少输电功率 2．小鸟停在高压输电线上并不会触电，这是因为（ ）。 A．小鸟是绝缘体，所以不会触电 B．小鸟两爪间电压低，不会使小鸟触电 C．电线上有一层绝缘的保护材料 D．线路上电流太弱，小鸟不会触电 3．举世瞩目的三峡工程于2003年8月开始发电。在庞大而复杂的水电枢纽中，将 水的机械能转化为电能的主要设备是（ ）。 A．电动机 B．发电机 C．船闸 D．升压变压器 4．高压触电常见的两种类型是____________和____________，对于高压带电体，我 们应当采取的防护措施是______________________________________________________。本章练习 173 5．高压输电线都架得很高，原因是（ ）。 A．防止高压电弧触电 B．防止跨步电压触电 C．防止阻碍交通 D．减小电能损失 ? 请提 问 1．能否有一种装置，使得当高压输电线一端断落地面时电路自动断电？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ …… 本章练习 1．以法拉第为代表的科学家们的发现使人类从蒸汽时代步入了电气时代。下面的设 备中根据法拉第电磁感应原理制成的是（ ）。 A．电动机 B．电磁铁 C．发电机 D．电水壶 2．风能是正在开发利用的能源，它有利于生态环境的保护。风力发电的能量转换是： 风车转动将____能转化为____能，发电机将____能转化为____能。 3．电动车越来越受到人们的青睐，下列关于电动车的“电瓶”能量转化的说法中正 确的是（ ）。 A．充电时，电能转化为化学能，放电时，化学能转化为电能 B．充电时，化学能转化为电能，放电时，电能转化为化学能 C．充电时，电能转化为内能，放电时，内能转化为电能 D．充电时，内能转化为电能，放电时，电能转化为内能 4．下列关于电磁现象的说法中，正确的是（ ）。 A．通电导体在磁场中的受力方向只与电流方向有关 B．玩具电动车的电动机是利用电磁感应原理工作的 C．闭合电路的部分导体在磁场中运动时，就会产生感应电流 D．发电机工作时，将机械能转化为电能174 第十八章 电能从哪里来 5．如图18-24所示，可能使灵敏电流计指针发生偏 S 转的情况是（ ）。 a b A．开关S断开，导体ab竖直向下运动 N B．开关S闭合，导体ab竖直向上运动 C．开关S断开，导体ab从纸里向纸外运动 S D．开关S闭合，导体ab从纸外向纸里运动 图 18-24 6．图18-25是发电机的工作原理图。放在水平方向 磁场中的矩形线圈沿逆时针方向转动，当线圈转到图(a)、(c)位置时，由于线圈ab边和 cd边___________（选填“切割”或“不切割”）磁感线，因而电路中___________（选填 “有”或“无”）电流；当转到(b)、(d)两图的位置时，由于ab边和cd边___________（选 填“切割”或“不切割”）磁感线，因而电路中___________（选填“有”或“无”）电流。 c b b c c b a d b c N S N S N S N S a d d a a d (a) (b) (c) (d) 图 18-25 7．一种动圈式扬声器可以代替话筒使用。如图18-26所示，人对着扬声器的锥形纸 盆说话，声音使纸盆振动，与纸盆相连的线圈也会随着振动（线圈是放置在一个永久磁 体的磁场中的），这时线圈中就会产生随着声音变化的电流。以这种方式产生电流的现象 在物理学上叫做____________。它产生的原因是因为扬声器线圈与扩音机组成了闭合电 路，当线圈在磁场中振动时，线圈的导线__________________________________，线圈中 产生感应电流。 锥形纸盒 线圈 扩音机 永久磁体 扬声器 图 18-26本章练习 175 8．下课了，小明和同学们对老师桌子上的手摇发电机产生了极大的兴趣，他们争先 恐后地做实验，用手摇发电机发电让小灯泡发光。咦？奇怪的现象发生了：为什么小灯泡 有时亮，有时暗呢？灯泡的亮暗与什么因素有关呢？请根据这一现象，确立一个研究课 题进行研究。 实 践 与 总 结 1．实践活动： 制作小发电机 设法从废旧电动玩具中拆下直流电动机。在电动机原来接电源的位置接一个 发光二极管（或低压小灯泡），使电动机轴快速转动，你会发现二极管发光了，电 动机变成了发电机。 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________117766 第十九章 走进信息时代 第十九章 走进信息时代 感受信息 让信息“飞”起来 踏上信息高速公路第一节 感受信息 177 第一节 感受信息 生活中人们每天都会接收或传递大量信息。比 如，“全班同学课后到学校操场集合”这句话，含 有要求“谁”“何时”“到何处”和“做什么”的信息。 我们这本物理教科书中，就含有大量的信息。生活 中，一些信息需要记录并存储起来，一些信息需要 传播出去。你知道人们是如何记录、存储和传播信 息的吗？ 信息的记录和存储 记录信息的形式是多种多样的，它随着人类文 明进程的深入而发展。 图 19-1 我国西周初期的 文字 首先，大脑就是天然的信息存储器。大脑的记 忆力到底有多强？能不能测试出来？这仍是一个谜。 但是，仅凭大脑记忆是不够的，人类寻找其他 办法来帮助记录和存储信息。文字的出现使人类的 信息记录方式产生了根本性的变革（图19-1）。 早期人们将文字记录在牛骨（图19-2）和竹简 等物品上。缓慢、吃力的手工劳作，笨重且体积庞 大的记录材料，限制了信息的传播。 中华民族的祖先发明了造纸和印刷术。由此， 加速了知识和思想的传播，加快了文明的进程 , 也 为我们保存了历史的信息。 图 19-2 商代牛骨刻辞178 第十九章 走进信息时代 图 19-3 清明上河图 例如，我国的传世名画——清明上河图（图 19-3），描绘了北宋时期繁荣的城市面貌和当时各 阶层人民的生活，图中包含的信息量相当大。 随着技术的进步，有了磁记录、光记录等大信 息量的记录方式。利用光盘（图19-4），人们可记录 声音、图像等各种信息；一张光盘能容下几十卷图 书记录的信息。 图 19-4 一张光盘能容下 图 19-5 计算机硬盘 几十卷图书记录的信息 通过计算机移动储存设备、硬盘（图19-5）和 U盘等，人们可方便地保存或传送计算机中的信息。第一节 感受信息 179 信息的传播 在交通和通信很不发达的年代，人们主要靠人与 人之间面对面的交流，以及驿马、烽火（图19-6）、 信鸽等方式传递信息。 早期的信息，传播速度慢、距离近、信息量少。 由于电的使用，使有线电报和有线电话的发明 成为可能，使信息的传输方式发生了根本的变化。 膜片 图 19-6 烽火传信 图 19-7 贝尔在测试电话 碳粒 19 世纪 30 年代，莫尔斯（S. F. B. Morse, 1791-1872) 用短、长脉冲（点和划）代表字母，使 信息以电码的形式沿电线传送出去，为人类打开了 导线 电信世界的大门。 图 19-8 话筒 1876 年，贝尔（A. G. Bell，1847-1922）发 明了电话（图 19-7）。这是人类历史上最伟大的发 膜片 明之一。 电话是利用电信号将人们的语言从一个地方 传到另一个地方的装置。电话机通常由话筒（图 19-8）、键盘和听筒（图19-9）组成。 电磁铁 电话机键盘是用来输入电话号码的装置。当人 们按数字键时，信号就被输送出去，自动化设备会 导线传 来强弱 根据这些信号接通电话。 不同的 话筒中有能振动的膜片和随话音跳动的碳粒。 电信号 人们对着话筒说话时，膜片便随着声音的高低强弱 图 19-9 听筒180 第十九章 走进信息时代 而发生振动，从而压缩碳粒一紧一松，这样就把强 度不同的声波变成了相应大小的电信号。 听筒里有电磁铁和膜片。当强弱不同的电信号 传到听筒后，电磁铁便将电信号变成膜片的强弱振 动，把传输的声音还原出来。 随着科学技术的发展，人类的信息传播进入了 新的时代。 作业 1．人类互相传递信息的方式多种多样，请你举出两例。 （1）_________________________________________________________。 （2）_________________________________________________________。 各自的优点是________________________________________________。 2.电话的听筒主要利用了电流的（ ）。 A.热效应 B.化学效应 C.磁效应 D.三种效应都有 3．下列信息存储介质中，保存信息的容量密度最大的是（ ）。 A．竹简 B．纸 C．录音磁带 D．光盘 4．数字通信是一种既现代又古老的通信方式。现代电话已全部采用数字信号进行处 理。若用“0”和“1”代表“开”和“关”这两个动作，组成一组数字信号，可以表达 一句话。例如： 开关动作 开 关 开、关 开、开 关、开 表示数字 0 1 0、1 0、0 1、0 中文意义 我 他 和 同学 是 那么，“我和他是同学”的数字信号为“0，01，1，10，00”，请参照此代码用另一 组信号表达你想说的一句话：________________________________________。 ? 请提 问 1．信鸽是如何识别方位，传送信息的呢？ ……第二节 让信息“飞”起来 181 第二节 让信息“飞”起来 使用电线传递信息，必须在信息的收、发者之 间敷设电线，这样的结果——世界将布满了电线！ 能让信息不受任何阻挡地传递吗？能，那就是 电磁波！无论是高山，还是海洋都很难阻挡了！电 磁波能让信息“飞”起来。 电磁波 你可能不知道什么是电磁波，但是，你可能听 说过 X 光片、红外遥控、紫外杀菌、微波通信、无 线电收音机……⋯⋯ γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、 微波和无线电波等都是电磁波（图19-10）! 频率增大 可见光 频率减小 γ射线 X射线 紫外线 红外线 （微波 无线电波） 典型波长：0.01 nm 1 nm 0.1 µm0.4 µm0.7 µm 0.01 mm 1 cm 1 m 1 km 波长减小 波长增大 放射性物质 X射线管 汞灯 太阳 电取暖器 微波炉 发射天线(电视 台、广播电台) 图 19-10 电磁波谱及电磁波的主要用途182 第十九章 走进信息时代 电磁波的用途非常广泛：医生用γ射线做脑手 术；用 X 光片判断是否骨折；电视机、空调等设备 的遥控器都是红外遥控；微波在通信领域、日常生 活中大显身手；至于无线电波，收音机、电视机、 飞机和舰船上的雷达可都少不了它。 为什么我们能收看电视、收听广播、接收到手 机的信号呢？为什么在沙漠中（图 19-11）、汪洋 大海中、太空中，我们都能建立联系呢？因为我们 图 19-11 在沙漠中通过 生活在电磁波的海洋里，电磁波将我们联结在一起 卫星给家里打电话 （图19-12）。 卫星 收音机 电视 图 19-12 电磁波将我们联结在一起 波的特征 电磁波是一种波。在物理学中，常用波速、波 长和频率来描述波的特征。 波传播的快慢用波速 (wave velocity) 描述。 电磁波传播的速度等于光速。前面已经讲过真空中 的光速c=3×108 m/s，空气中的光速接近于真空中 的光速。运用电磁波，信息的传播速度可以得到极 大的提高。第二节 让信息“飞”起来 183 波长 (wavelength) 是相邻两个波峰（或波谷） 间的距离，用字母λ表示 ( 图 19-13)。在国际单位 制中，波长的单位是米(m)。 λ 波峰 λ 波谷 图 19-13 波长 频率(frequency)为波周期性变化的次数与时间 之比，用字母ν表示。频率的单位不仅有赫（Hz）， 还有千赫（kHz）和兆赫（MHz）等。它们之间的 换算关系是： 1 kHz=103 Hz， 1 MHz=106 Hz。 高频率声波 低频率声波 音叉 图 19-14 示波器 图 19-15 频率越高，每秒振动的次数越多 波速、波长与频率的关系*为 c：波速 c＝λν。 λ：波长 ν：频率 在真空中，电磁波的波速一定，所以电磁波的 波长和频率互成反比关系。频率越低，波长越长； 反之，频率越高，波长越短。184 第十九章 走进信息时代 用于通信的电磁波的主要范围及用途 电磁波谱 频率范围ν/Hz 波长范围λ/m 用 途 长波 104～105 30 000～3 000 越洋长距离通信和导航 中波 105～1.5×106 3 000～200 无线电广播 中短波 1.5×106～6×106 200～50 电报通信 短波 6×106～3×107 50～10 无线电广播、电报通信 米波 3×107～3×108 10～1 调频无线电广播 微波 3×108～3×1011 1～0.001 电视、雷达、无线电导航及其他专门用途 信息窗 电磁污染 电磁污染，已被认为是继大气污染、水质污染、噪声污染后的第 四大公害。它是指天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。 在充分享受电磁波带来方便的同时，人们也日渐感受到它的负面效应： 当电磁辐射达到一定强度时，会导致控制系统和信息传输系统的失控， 也会引起头疼、失眠、记忆衰退等不适症状。 作业 1．所有波都具有波速、波长、频率三个特征，电磁波也一样。常将波传播的快慢用 __________描述，相邻两波峰（或波谷）间的距离称为__________，波周期性变化的次 数与时间之比称为__________。电磁波在真空中传播的速度是一定的，是__________m/s。 2．长波、中波、短波在真空中传播速度一样大，其中频率最高的是____________。 3．举出以下四种电磁波在人们生活、生产中应用的事例（每种电磁波各举一例）。 示例： 红外线：电视机遥控器利用红外线进行遥控。 （1）无线电波：______________________________________________________________。第二节 让信息“飞”起来 185 （2）微波：__________________________________________________________________。 （3） γ射线：________________________________________________________________。 （4）Ｘ射线：________________________________________________________________。 4．我们在充分享受电磁波给我们带来的各种方便的同时，不要忘记电磁波也会给我 们带来负面效应，请你试举出一事例加以说明。 5．下列家用电器中利用电磁波工作的是（ ）。 A.电熨斗 B．电风扇 C．微波炉 D．洗衣机 6．通过各种信息渠道，了解电磁波的存在和应用。 ? 请提 问 1．电磁波是怎样传递信息的呢？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……186 第十九章 走进信息时代 第三节 踏上信息高速公路 信息高速公路是指可以交流各种信息的大容 量、高速度的通信网络，电话、电视、广播等的信 号以及数据文件都可以在光纤构成的“信息高速公 路”上传播，并且互不干扰。 光 纤 光导纤维 (optical fiber) 简称光纤，是传输光 信号的器件。 运用光纤传送信息的容量，比运用电线传送信 息的容量要大很多。目前，一根光纤能同时传输相 当于10 000根电线的信息量。随着科学技术的发展， 光纤能传送的信息容量还会更大。 迷你实验室 材料：手电筒一只，彩色透明纸若干，光纤一束。 内容：用不同的方式，将彩色透明纸蒙在手电筒的玻璃上，再将 光纤的一端垂直放置其上。 1．观察不同颜色的光在光纤中传播的现象。 2．观察光纤弯曲成不同的角度、甚至成环状时，光在光纤中的 传播。第三节 踏上信息高速公路 187 光纤很细（图 19-16），有内外两层，由于内 外层的折射本领不一样，光在光纤中传播时，就不 会跑到外层了（图 19-17）。光纤的抗干扰能力强， 能减少信号衰减，适用于远距离、大容量传输信息 （图19-18）。 图 19-16 图 19-17 细如发丝的光纤 光在光纤中的传播 图 19-18 在光纤组成的“信息高速公路”上， 已可以同时传送500个电视频道信号 现代电信网络 人们每天都在打电话，其实，要打通一个电话， 可不简单了！电话系统是由许多有线、无线网络构 成的（图19-19）。 卫星通信：卫星把地面站送来的信号接收下来，188 第十九章 走进信息时代 卫星 数据终端 微波中继站 数据终端 微波中继站 电话 传真机 地面站A 传真机 地面站Ｂ 电话 中继站 海底光缆 海底光缆 长途 长途 电信局 电信局 微波中 继站 寻呼通信 无线寻呼 图 19-19 电话网络 进行放大，然后转发给另外的地面站。 微波通信：微波通信像接力赛，每隔几十千米 修建一座接力站，接收并放大信号，继续传送。 移动通信：移动电话用微波信号与电话网络联 系。移动通信的基地台是按蜂窝（图 19-20）的构 造布局的（图 19-21），这样，大大增加了无线电 覆盖的有效面积，减少了转接信息的基地台数量。 因而移动电话也被称为“蜂窝电话”。 图 19-20 蜂窝 图 19-21 移动通信的基地台第三节 踏上信息高速公路 189 互 联 网 互联网（如因特网 internet）将分布于世界各 地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。 人们通过计算机，进入因特网这个信息高速公 路，足不出户就可以获得世界各地的各种信息。网 络让我们即使远隔千山万水，却仿佛近在咫尺。 因特网为我们提供了崭新的学习方式——网络 学校。随时随地打开计算机，你就可以开始学习， 图 19-22 图书馆和实验室都能进入你的家里，即便你足不出 足不出户知天下事 户也能了解天下大事（图19-22）。 网上医院使异地的病人得到国内外高水平名医 的诊治，它能及时传递信息，挽救病人的生命。 因特网使信息在全球范围内得到了高速共享。 信息窗 再也不会走失了 卫星定位系统是一个能够快速提供精确的位置和时间等信息的 系统（图19-23）。 卫星定位系统由三部分组成。空间段：在距地球 20 000 km 以上 的轨道上，均匀分布着若干颗 带有原子钟的卫星；地面段：保 证空间原子钟的计时准确，并 完成导航数据的计算；用户段： 卫星定位接收机等。 卫星定位系统全球通用、全 天候服务。你带着卫星定位接收 机去探险，就再也不会走失了。 图 19-23 卫星定位系统190 第十九章 走进信息时代 作业 1．光纤是传播光的器件，其优点是__________强，能减少信号___________，适用 于__________________传输信息。 2．手机是现在人们最常用的通信工具之一，手机间通话和收发信息是利用（ ）。 A．微波传送 B．超声波传送 C．光纤传送 D．空气传送 3．利用互联网可以方便地进行一些信息的传递，下列各种方式中，目前还不能通过 互联网做到的是（ ）。 A．远程教育 B．做饭 C．远程医疗会诊 D．打网络电话 4．查询资料，说说你对卫星通信、微波通信和移动通信的看法。 ? 请提 问 1．光波是怎样传递信息的呢？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ …… 本章练习 1．关于电磁波和现代通信，请判断下列各表述是否正确。 （1）电磁波的频率越高，在空气中传播的速度就越大。 （ ） （2）微波不具有能量。 （ ） （3）电磁波可以在真空中传播。 （ ） （4）光纤通信具有传输信息量大、信号衰减小等特点。 （ ） （5）固定电话的听筒把声音变成变化的电流。 （ ） （6）移动电话是靠电磁波传递信息的。 （ ） （7）微波传输时要靠微波中继站才能传输较大的距离。 （ ） （8）卫星只能作为传送电视信号的中继站。 （ ）本章练习 191 2.* 图19-24是收音机的调台面板，“FM”和“AM”为两个波段，________波段 的波长较长；在图中AM波段“750”字样代表接收电磁波的波长为________。 图 19-24 3．（1）如图19-25所示是地球上的人造 卫星 卫星进行通信的示意图。结合示意图，简要说 明卫星通信的原理。 （2）现在许多长途电话是以地球同步卫 星做中继站的。打这种长途电话时，会感到对 地方站2 方的反应有些延迟。造成这种延迟的原因之一 主站 是无线电波在射向卫星和从卫星返回时需要一 地方站1 通信客户 定的时间。假设某人造卫星与地面的距离是 36 000 km，请你估算延迟的时间。 通信客户 图 19-25 实 践 与 总 结 1．实践活动： 自己制作一台小收音机，并用它收听一个频率的广播节目。自己查找资料或 向老师请教，看看需要哪些材料？ 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________119922 第二十章 能源、材料与社会 第二十章 能源、材料 与社会 能量的转化与守恒 能源的开发和利用 材料的开发和利用第一节 能量的转化与守恒 119933 第一节 能量的转化与守恒 多种形式的能量 电闪雷鸣，波涛汹涌……在自然界和生活中， 能量以多种形式展现着（图20-1）。 自然界中能量展现的形式是形形色色、多种多 样的。我们已学过机械能、电能和内能等，下面， 我们还将学习化学能和核能。 化学能（chemical energy）是由于化学反应而 产生的能量。 木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光 和热就来源于木材里储存的化学能（图 20-2）。食 （a）电闪雷鸣 （b）波涛汹涌 图 20-1 自然界中的能量 图 20-2 木材燃烧194 第二十章 能源、材料与社会 物也具有化学能，人们的生 活、工作所消耗的能量就来 源于食物里储存的化学能。 核能（nuclear energy） 则是由于核反应，物质的原 子核结构发生变化而释放的 能量。 原子弹、氢弹爆炸时释 放的能量就来源于核能（图 图 20-3 我国第一颗 20-3）。 原子弹爆炸 交流与讨论 在日常生活和生产活动中处处都离不 开能量。你能说出图 20-4 中各种物体所 具有的能量吗？ (a) 山顶上的石块 (b) 滚动的足球 (c) 加热后的物体 (d) 牛奶、面包和水果 (e) 导线中的电流 图 20-4 日常生活中常见的能量 能量的转移与转化 自然界中，能量不但可以从一个物体转移到其他物体， 而且可以从一种形式转化为其他形式。物体碰撞时，动能 从一个物体转移到其他物体（图20-5）。第一节 能量的转化与守恒 195 (a) (b) (c) 图 20-5 碰撞时物体之间会发生能量的转移 电灯发光时，电能转化为光能和内能（图 20-6）。 地球上的能量主要来源于太阳。太阳的内部每 时每刻都发生着剧烈的核反应，释放出巨大的能量。 太阳能给大地带来光明和温暖，带来云、雨、风、 浪和滔滔的江河（图20-7）。 图 20-6 电灯发光时 图 20-7 地球上的能量主要来自太阳 发生能量的转化 生命活动离不开太阳能。植物通过光合作用将 太阳能转化为化学能储存在其体内。食草动物从植 物获取其生命活动所需要的能量，其中一部分转化 为内能，另一部分则转化为化学能而变成了机体 的一部分。食肉动物则通过捕食食草动物来获取 能量。 煤、石油和天然气中的能量则来源于亿万年前 植物、动物体内的化学能。196 第二十章 能源、材料与社会 能量守恒定律 能量的转移和转化一直是人们研究的一个重要 问题。长期以来，为了提高机械的工作效率，人们 总是希望将一种形式的能量尽可能多地转化为另一 种形式的能量。甚至希望找到一种机械，能无损耗 地将一种形式的能量转化为另一种形式的能量，或 势能最大 势能最大 产出多于输入的能量。但大量的研究表明，自然界 动能最大 的能量是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能 图 20-8 小球在运动时 能量守恒 量守恒定律（law of conservation of energy），即： 能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种 形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他 物体，而能的总量保持不变。 例如，小球摆动时，势能与动能不 交流与讨论 断地相互转化。当小球到达最高处时势 能最大；随着小球的下降，势能逐渐减 你知道如图 20-9 所示 小，动能逐渐增大，势能转化为动能； 的玩具小丑在跳动过程中， 当小球下降到最低点时，势能最小，动 能量是如何转化的吗？ 能则最大（图20-8）。 能量守恒吗？ 小球在摆动过程中能量应该守恒，似 乎小球应该永远摆动下去。可事实上，小 球的机械能是不断减小的，最终小球会停 下来。这是为什么呢？原来，小球在运动 过程中与空气摩擦还要产生热，则小球的 一部分机械能转化为内能，如果将此内能 一并计算进去，总的能量还是守恒的。 图 20-9 想一想，能不能制造出这样一种装 跳动的小丑 置，它既不消耗能量，又能永远不停地 运动着？第一节 能量的转化与守恒 197 能量转移与转化的方向性 从能量守恒定律看，我们无法制造出既不消耗 能量又能对外做功的装置。那么，我们能否制造出 一种装置，既满足能量守恒定律，还能永远不停地 运动呢？例如，图 20-8 中的小球在摆动过程中有 一部分机械能转化为内能，假设这部分内能可自动 地转化为机械能，那么，小球的机械能没有损失， 并且小球还能永远不停地运动。这种设想可行吗？ 物理学的研究表明，能量的转化与转移具有方 向性。小球在摆动过程中，由于摩擦的存在，一部 分机械能会转化为内能，这部分内能不可能自动地 再转化为机械能，如果没有能量的补充，小球最终 会停止运动，所以，上面的设想是不可行的。 图 20-10 是有人设想的一种能永远运动的装 图 20-10 置——“永动机”。想一想，它真的能一直不停地 一种“永动机”的设想 运动下去吗？ 作业 1．说出下列过程中能量转化或转移的情况。 （1）启动汽车的发动机，汽车向前开。 ________________________ （2）滑滑梯时，臀部发烫。 ________________________ （3）利用电饭锅烧饭。 ________________________ （4）用太阳能电池板给十字路口的红绿灯供电。 ________________________ 2．雷电是大气中的放电现象，你能说出其中能量转化的方式吗? ? 请提 问 1．地球会永远绕太阳运动吗？ ……198 第二十章 能源、材料与社会 第二节 能源的开发和利用 能源与社会 太阳 海洋 火山 煤 天然气 石油 图 20-11 自然界中的部分能源 自然界存在多种能为人类提供生活、生产所需 能量的能源（图 20-11）。像太阳能、风能、水能 以及动、植物等这类可以长期提供或可以再生的 能源属于可再生能源（renewable energy source）； 而像煤、石油、天然气和铀矿这类化石或矿物能 源，一旦消耗就很难再生的能源属于不可再生能源 (non renewable energy source)。 纵观几千年的文明史可知，人类发现、开发、利 用能源的历史，就是其认识自然、理解自然的历史。 人类对木材、水力（图20-12）、风力、畜力等 自然能源的利用促进了人类文明的发展。 文明和技术的发展造成能源的消耗日益增多。 图 20-12 我国古代对水 人们的目光开始从如何利用身边的自然能源转移到 能的利用第二节 能源的开发和利用 199 如何获取更多的能源。于是，大约在 200 多年前， 由于煤的大量开采，人类利用能源的历史进入了一 个崭新的时期。 用煤作燃料的蒸汽机（图 20-13）的发明，带 来了人类历史上的第一次工业革命。各种机械以及 交通工具的相继发明大大提高了社会生产力。随 后，石油、天然气先后成为人类生产、生活广泛使 用的能源。 通过对电和磁的研究，人类找到了开发和利用 能源的新途径。电能的利用为人类带来了一个光明、 图 20-13 灿烂的新世界（图 20-14）。各种电气设备的发明， 蒸汽机车在人类历史上 起着重要的作用，现在已 使人们的生活水平和生活质量得到了极大的改善， 很难见到它的踪迹 但人类对能源的需求和依赖也越来越大。开发和利 用核能成为人类获取能量的一个新途径。 图 20-14 灯火辉煌的城市夜景 能源与环境 能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生 态破坏。如何在开发和使用能源的同时保护好我 们赖以生存的地球，这已经成为一个全球性的重大 课题。200 第二十章 能源、材料与社会 煤的燃烧会产生大量的二氧化碳气体和烟尘， 造成空气污染。 大气中的二氧化碳的浓度增大，导致温室效应 增强，全球变暖，危害生态平衡。 火力发电厂发电时所产生的“余热”会引起热 污染。 泄漏的石油污染海洋（图 20-15）；汽车排放 的尾气和各种工业废气笼罩在城市的上空（图 20- 16）…… 人类将如何才能解决好利用能源与保护环境这 一问题呢？ 图 20-15 人们正在清理海上漂浮的石油 图 20-16 烟雾笼罩的城市 开发新能源 太阳能(solar energy) 太阳能是一种既相对清洁，又取之不尽的能源。 储水箱 目前，人们主要采用光转化为电、光转化为热的方 加热管 式来开发、利用太阳能。前面我们已经介绍过采用 光转化为电的一种方式——太阳能电池。这里介绍 如何采用光转换为热的方式利用太阳能。 采用光转化为热的方式可以发电，也可以供家 庭用来取暖、加热生活用水。 图 20-17 一种家庭常用 的太阳能热水器 图 20-17 是一种常见的太阳能热水器。它工作第二节 能源的开发和利用 201 的原理是：太阳光的照射使加热管内水的温度上升， 由于热水的密度比冷水的小，管内热水不断上升并 储存在储水箱上部；同时，储水箱内温度较低的水 下降到加热管，通过水的不断对流，最终使得储水 箱内水的温度升高。 核能 核能的开发和利用采用两种方式：一种是利用 核裂变释放能量；另一种是利用核聚变释放能量。 中子 铀核 核裂变 (nuclear fission) 是较重的原子核裂变 为较轻的原子核的一种核反应。研究发现，铀原子 图 20-18 核裂变 核在中子的轰击下将会产生裂变反应（图 20-18）。 每一个铀原子核的裂变除了要产生大量的热量以 外，还要产生2到3个以上的中子。 氘核 科学家研究发现：如果放在一起的铀超过了一 中子 定质量，就会发生剧烈的核反应。一个铀原子核分 裂出 2 至 3 个中子，这 2 至 3 个中子又要去轰击 2 氦核 至 3 个铀原子核，使这些铀原子核也发生裂变，如 氚核 此下去就会产生系列化的越来越剧烈的反应。这种 图 20-19 核聚变会释放 巨大的能量 核反应被称为链式反应。如果这种核反应不加以控 制将快速地进行下去，并在极短的时间内释放出巨 大的能量，发生强烈的爆炸。原子弹就是根据这个 原理制成的。 核聚变 (nuclear fusion) 是较轻的原子核结合 成为较重的原子核的一种核反应。它是产生核能的 另一种方式。 如图 20-19 所示是氘核和氚核结合成为氦核的 聚变过程。这种核反应会释放巨大的能量。 利用核聚变也能制造核武器。氢弹就是利用核 聚变原理制造的一种威力比原子弹还要大得多的核 武器（图20-20）。 图 20-20 利用核聚变原 理制造的氢弹爆炸时产生的 怎样才能利用核能造福于人类呢？ 巨大的蘑菇云202 第二十章 能源、材料与社会 利用核能发电是人们和平利用核能的一个重要 方面。目前，世界上已经利用核裂变原理建成了许 多核能发电站。 地热能(geothermal energy) 地球内部蕴藏着大量的热。在有地热资源的地 方可以开发和利用地热来发电（图20-21）。 图 20-21 地热能发电厂 潮汐能 (tidal energy) 月球、太阳对地球的引力作用产生了潮汐。每 天，涨潮与落潮蕴藏着巨大的能量，这种能量可以 用来发电。 图20-22所示为一种利用潮汐能发电的示意图。 道路 水坝外的水位上升 潮汐进站 潮汐出站 涨潮 落潮 水坝 涡轮 水流方向 (a) (b) 图 20-22 潮汐能发电第二节 能源的开发和利用 203 涨潮时，海水汹涌而来，潮水从导流孔流入水库 的同时推动水轮机转动，水轮机带动发电机发电。随 着潮水的不断涌入，水库水位逐渐上涨，储存着能量。 落潮时，海水奔腾而去，水位陆续下降，水库 的水流从导流孔流向大海，推动水轮机再次转动， 水轮机又一次带动发电机发电。 潮汐发电成本低，污染少，是一种很有发展潜 力的新能源。 风能(wind energy) 风具有很大的能量。这种能量可以给人类带来 极大的破坏，拔起大树，吹倒房屋…… 但我们也可 以利用风能为人类服务。 人们很早就学会了利用风能行船、抽水、磨 谷…… 风能还可以用来发电（图20-23）。 图 20-23 新疆达坂城的 风力发电场 作业 1. 请你在下表的空格中至少填上3个能量转化的实例（每个空格限填1例），形式 如示例。 实 转 例 化 为 机械能 电 能 化学能 光 能 内 能 由 机械能 电能 日光灯发光 化学能 蓄电池放电 光能 内能204 第二十章 能源、材料与社会 2．随着世界性能源危机的日益加剧，一向为人们所唾弃的垃圾也身价倍增，变成了 能源再生的“宝库”。利用垃圾的一种方式就是将垃圾填埋后，通过厌氧发酵产生沼气， 这些沼气燃烧，产生高温燃气，推动汽轮机转动，汽轮机驱动发电机来发电。 （1）根据上面的短文，请你将垃圾发电过程中的能量转化填写完整。 沼气燃烧 汽轮机 发电机 化学能 电能 （2）垃圾填埋后产生的沼气是一种_____________（选填“可再生”或“不可再生”） 能源。利用垃圾发电与传统的垃圾填埋处理方法相比有哪些优点：____________________ ____________________________。 3. 请调查一下，你的家乡是否有正在开发的新能源。如果有，看看这些能源是怎样 被开发利用的。 4. 请设计一个利用太阳能的装置。 ? 请提 问 1．能研制出既能食用又能作为电池的“水果”吗？ 2. ____________________________________________ 3. ____________________________________________ ……第三节 材料的开发和利用 205 第三节 材料的开发和利用 材料与社会 书本、课桌、黑板，道路、高楼、桥梁，手机、 彩电、冰箱……我们周围大大小小的物品都是由 各种材料制成的。 正如人类开发和利用能源那样，人类社会的发 展与人们对材料的认识、开发和利用密切相关。 100 万年以前，原始人就学会利用不同性能的 天然材料了，如把木料、石头、动物的皮、骨等制 成工具或用作生活用品。这是原始人智力发展中迈 出的重要一步。随着制造技能的不断提高，人类经 图 20-24 原始人类用石 历了旧石器和新石器时代（图20-24）。 材制造的工具 大约在 5 000 年前，人类学会了冶炼金属铜并 用其来制造工具。后来通过在冶炼铜时加入少量的 锡，获得了比纯铜更坚硬、密度更小、强度更高的 青铜。青铜的利用提高了社会生产力，人类从此进 入了青铜器时代（图20-25）。 铁的利用为人类大规模制造机器提供了材料基 础，开创了人类历史的又一个新纪元。以铁为主发 展出的高性能钢铁材料，如今已经成为材料家族的 主体。 图 20-25 铸钟——我国是 材料的发展也为科学技术的发展提供了物质 世界上最早掌握青铜冶炼技 基础。 术的国家之一206 第二十章 能源、材料与社会 材料的导电性 材料的导电性是物理学研究的一个重要方面。 根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导 体及绝缘体三大类。 材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况 决定的。金、银、铜、铁等金属材料是导电性能较 好的良导体。绝缘体的电阻很大，电流几乎不能通 过，因此，绝缘体常常被用来隔离带电物体（图 20-26）。半导体材料的导电性能介于导体与绝缘 体之间，具有一些特殊的物理性质。 铜、铝是最常用的电的良导体，通常被用来制 成传导电流的导线。 一般情况下，玻璃 导线 绝缘材料 和橡胶等材料都是绝缘 体。 半导体材料有硅（图 20-27）、锗和砷化镓等。 你知道怎样判别导 图 20-26 电缆内部的 图 20-27 硅材料常用于 体和绝缘体吗？ 导线用来传导电流，外部 制造半导体元件 的绝缘材料则用来绝缘 实验探究 导体与绝缘体 实验材料：电源、灯泡、导线、接 线柱、开关、待测材料。 实验设计：在右边的方框中，自己 设计一个实验电路，进行实验，判定 待测材料是导体还是绝缘体。第三节 材料的开发和利用 207 半导体材料可以制成二极管、三极管等半导体 元件（图20-28）和集成电路。 图 20-28 半导体元件 从常用的电器，如收音机、录音机、电视机、 电脑等中，都可以找到大量的半导体元件。 半导体元件具有许多独特的功能。例如，半导 体二极管具有单向导电性，即仅允许电流由一个方 向通过元件。半导体三极管可以用来放大电信号。 实验探究 半导体二极管单向导电特性 实验材料：电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管（符号： ）。 实验设计：自己设计实验电路，探究半导体二 极管的单向导电特性，并将设计的电路画在右边的 方框中。 开发新材料 为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正 不断地研究性能更好、更有价值的新材料，如超导 材料、纳米材料等。208 第二十章 能源、材料与社会 电阻 超导材料 R/Ω 1911 年，昂内斯（H. K. Onnes）在研究汞电 阻随温度的变化时，观察到在温度降低到 4.2 K 时 汞的电阻值突然降低到几乎为零，从而发现超导现 象（图20-29）。发生超导现象的材料叫超导材料。 O 4.2 温度 T/K 超导材料不仅电阻为零，而且还存在其他引人 图 20-29 汞电阻随温度 注目的特性。 变化的图线 1933年，迈斯纳（W. Meissner）和奥森菲尔德 （R. Ochsenfeld）发现了超导磁浮现象（图20-30）。 超导材料特异的性能，强烈地吸引着人们。 图 20-30 超导磁浮现象 超导材料出现以后，人们首先想到的就是利用 超导体的零电阻特性实现远距离大功率输电，因为 超导输电线可以无损耗地输送极大的电流。这意味 着用细电线就可以输送强电流。 超导磁浮现象使人们想到可以用超导体来实现 交通工具的无摩擦运行，这将会大大提高交通工具 的运行速度。 20 世纪末，人们分别对超导列车、超导船进行 了可行性实验。可以预期，在不久的将来，超导材 料的应用将对世界产生巨大的影响。 纳米材料 纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在第三节 材料的开发和利用 209 1～100 nm 范围内的材料，这大约相当于10～1 000 个原子紧密排列在一起的尺度。 纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在力、 热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能， 如它可以大大提高材料的强度和硬度，降低烧结温 度，提高材料的磁性等。 人们正在研制纳米尺度的微小机器（图20-31）。 由纳米材料制成的导线将大大提高计算机的性 能，并缩小计算机芯片的体积（图20-32）。 用纳米技术做成的所谓量子磁盘，每平方厘米 面积内可以贮存3万部《红楼梦》。 图 20-31 图 20-32 计算机芯 一种纳米尺度机器的局部 片中一种直径为纳米 级的导线（蓝色） 作业 1．收集有关超导材料、纳米材料的一些资料。 2．写一篇小论文，谈谈你对利用某些材料的性能来改进人们生活的设想与建议。 ? 请提 问 1. 可以用纳米材料制造进入人体内，吃掉病毒的机器人吗？ ……210 第二十章 能源、材料与社会 本章练习 1．下列选项中，属于可再生能源的是（ ）。 A．风能 B．地热能 C．天然气 D．核能 E．煤炭 F．石油 G．潮汐能 H．太阳能 I．水能 2．修建水电站，要选择合适的地方筑坝蓄水，水从高处向下泄落，冲击水轮机的 叶轮，带动发电机发电。在这个过程中，能量的转化顺序为（ ）。 A.势能 — 电能 — 动能 B.势能 — 动能 — 电能 C.电能 — 动能 — 势能 D.动能 — 势能 — 电能 3．关于能源的开发和利用，下列说法中错误的是（ ）。 4 4 A．煤是可再生能源，以煤为主要燃料的火力发电容易造成环境污染 B．核能是不可再生能源，开发和利用核能是人类获取能源的一个新途径 C．太阳能是取之不尽的能源，可直接利用且对环境的污染小，开发前景广阔 D． 人类的生存离不开能源，社会的进步和美好的生活是以消耗大量能源为代价 的，我们要珍惜能源 4．在下列空格处填上能量转化的过程。 （1）电动机带动水泵把水抽到高处：________能转化为________能。 （2）太阳光促使植物生长：________能转化为________能。 （3）地热发电：________能转化________能。 （4）卫星板状的两翼是太阳能电池板，它的作用是把________能转化为________能， 供卫星使用。 5．“轻轨电车”是近年来又一新兴的交通工具，具有速度大、运载量大、污染小的 优点。当轻轨电车运行时，由于高速摩擦，在轻轨电车跟架空电线的接触点上，会产生 高温。因此，接触点上的材料应该具有耐高温、不易氧化、易导电的性质。最适合制作 该触点的材料是（ ）。 A．金刚石 B．石墨 C．铝 D．铜本章练习 211 6．如图20-33所示，是一种门铃按钮开关构造的截 面图：A、B为金属片，并各有接线柱与电路连接，C为按钮， C D为外壳。A、B、C、D各部件的材料中，__________是导体； D A B __________是绝缘体。 图 20-33 实 践 与 总 结 1．实践活动： 调查你周围是否存在由于能源和材料的生产和使用造成环境污染的问题，写 一份有关能源和材料的利用与环境保护的建议报告。 2．本章总结： 本章的要点有________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________213 后 记 本世纪初我国启动的基础教育课程改革，迄今十余年了，我们编写的义务教育物 理课程标准实验教科书在实验区也使用了十余年。随着基础教育课程改革的深入，《义 务教育物理课程标准（2011年版）》（以下简称《标准》）已由教育部正式颁布。为了 落实《标准》的各项要求，我们于2012年针对《标准》对义务教育物理课程标准实验 教科书进行了全面改写。当年主要从以下几方面对教科书进行了全面改写： （1）以《标准》为依据对相关内容进行改写；（2）调整教科书结构，使其更符合 教学规律；（3）增加文字量，使其有利于学生预习、自学和巩固；（4）增加章末总结 和部分习题，使其更有利于教学评价与反思；（5）增加章末实践活动，以便激发学生 探索兴趣，培养其动手能力；（6）提炼、整合核心内容，适当照应学生学习的需求差异； （7）调整版式，使教科书更美观、合理，可读性强。 本教科书编写组主要成员及分工如下： 主 编：廖伯琴 核心成员：赵保钢、唐果南、王继珩、邓磊、朱霞、李太华、李富强 统稿定稿：廖伯琴 编务联系：李富强 本教科书于2001年首次出版，当年编写的依据主要是《义务教育物理课程标准 （实验稿）》，参加讨论或参加编写的人员有廖伯琴、何润伟、赵保钢、汪延茂、唐果南、 王继珩、胡炳元、刘兵、李跃红、路文艳、杨思锋、梅小景、邓磊、汪勃、李太华、 张金山、赵谊伶、宋世骏、高家柱、褚慧玲。另外，张书迪女士为教材编写组设计了 图标，并在版式设计方面提出了有益建议。随着课改的深入，编写人员也进行了适当 的调整集中，本教科书及配套资源的逐年修订及全面改写等由编写组主要成员完成。 今年我们又对本教科书及其配套资源《物理教学参考书》《物理学生用书》等进 行了完善性修改。在修改中得到了多方专家、学者、教师、教研员、学生以及家长的 热诚帮助，得到了上海科学技术出版社的鼎力支持。在此，我们特向提供帮助的各方 人士表示由衷感谢！ 挑战与发展共存！我们期待支持，也期待斧正，我们恳请各方人士不吝赐教。谢谢！ 主编 廖伯琴 义务教育物理课程标准实验教科书编写组 2014年4月于西南大学荟文楼说 明 本书下列图片由东方IC 提供：图 12-20（photononstop），图 12-22 （lugang），图12-39（丁冬），图12-45（amana），图12-50（成都商报-东方 IC），图12-51（苏卫忠），图13-14（monkeybusinessimages），图13-19（ b）， 图16-1（严大明），图17-1（ a）（ingram），图18-6（radius），图18-8（刘 君凤），图18-19（小春），图19-20（look），第十二章章首图（corbis），第 十三章章首图（ingram），第十六章章首图（严大明），第十七章章首图（高育 文），第十八章章首图（慧眼）。 下列图片由张斌提供：图16-5，图16-6（ a）。审批编号：皖费核（2021年秋季)第0102号 举报电话：12315 定价：13.74元 定价：13.50元