物理九年级全一册（2025秋）_光塔笔记初中课本_初中物理_沪科版

义 务 教 育 教 科 书
义义 务务 教教 育育 教教 科科 书书
物 理
物物 理理
义务教育物理课程标准实验教科书编写组 编著
义义务务教教育育九物物理理年课课程程级标标准准 实实 验验全教教科科一书书编编写写册组组 编编著著
九九 年年 级级 全全 一一 册册
上海科学技术出版社
上上海海科科学学技技术术出出版版社社
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物物理理前前言言后后记记..iinndddd 1122 22002244//33//88 上上午午1111::1111主 编： 廖伯琴
编写人员：（ 以姓氏笔画为序）
李太华 李正吉 李富强 张正严 陈运保 林 钦
谢德胜 廖伯琴
责任编辑： 施 成 葛碧临 罗美芳 李林高
美术设计： 诸梦婷 房惠平
义务教育教科书 物理 九年级 全一册
出 版 上海世纪出版（集团）有限公司 上海科学技术出版社
（上海市闵行区号景路159弄A座9F —10F 邮政编码201101）
发 行 新华书店
印 刷 安徽芜湖新华印务有限责任公司
版 次 2025年8月第1版
印 次 2025年8月第9次
开 本 787 毫米×1092 毫米 1/16
印 张 14.25
字 数 226千字
书 号 ISBN 978 —7 —5478 —7087 —7/G·1350
定 价 14.22元
版权所有·未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分·违者必究
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
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声明 按照《中华人民共和国著作权法》第二十五条有关规定，我们已尽量
寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。目 录
第十三章 温度与物态变化 1
第一节 测量：温度 2
第二节 熔化与凝固 8
第三节 探究：汽化与液化 13
第四节 升华与凝华 20
第五节 跨学科：全球变暖与水资源危机 25
实 践 探究在干旱地区如何取水 29
第十四章 内能与热机 33
第一节 内能及其改变 34
第二节 物质的比热容 39
第三节 热机 45
第四节 跨学科：热机效率和环境保护 50
实 践 调研我国新能源汽车的发展 55第十五章 电与电路 58
第一节 静电现象 59
第二节 让电灯发光 65
第三节 测量：用电流表测量电流 73
第四节 测量：用电压表测量电压 78
第五节 探究：串、并联电路中电流、电压的
特点 82
实 践 探究雷电的奥秘 86
第十六章 探究电路 90
第一节 电阻和变阻器 91
第二节 探究：电流与电压、电阻的关系 98
第三节 测量：用电流表和电压表测量电阻 104
第四节 家庭电路 108
实 践 设计安全用电科普活动 112第十七章 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 122
第三节 焦耳定律 127
实 践 设计一个节能方案 131
第十八章 磁及其相互作用 134
第一节 磁的奥秘 135
第二节 探究：通电螺线管外部磁场的方向 141
第三节 磁场对通电导线的作用 148
实 践 自制简易电报机 153
第十九章 电能从哪里来 156
第一节 探究：产生感应电流的条件 157
第二节 发电机是怎样工作的 162
第三节 电能的储存与输送 167
实 践 调研电磁学对人类社会的影响 172第二十章 电磁波与信息时代 176
第一节 初识电磁波 177
第二节 电磁波的应用 182
第三节 跨学科：电磁波与信息技术 187
实 践 探究红外测温仪 193
第二十一章 能源、材料与社会 196
第一节 能量的转化与守恒 197
第二节 跨学科：能源的开发与利用 203
第三节 跨学科：材料的利用与开发 211
实 践 制作太阳能烤箱 217
索 引 220第十三章
温度与物态变化
第一节 测量：温度
第二节 熔化与凝固
第三节 探究：汽化与液化
第四节 升华与凝华
第五节 跨学科：全球变暖与水资源
危机
实 践 探究在干旱地区如何取水
本章学业要求
了解液体温度计的原理，能描述固态、
液态和气态的基本特征及在相互转化过程
中的特点；能用物态变化的知识解释有
关自然现象，解决日常生活中的有关问题。
能通过实验或实例，归纳总结物态变
化过程中的吸热、放热规律；在归纳或演
绎中会引用证据，养成使用证据的习惯。
能完成“用常见温度计测量温度”“探
究水在沸腾前后温度变化的特点”等实
思 考： 水 无 常 形，
验；能通过实验得出结论；能分享实验
变化万千。雪落高
过程与结论。
山，冰雪熔化形成
河流，自然界的水 能体会自然界的水循环及其重要性，
存在哪些状态？这 具有关心和保护环境的意识，能从全球
些状态之间的转化 变暖的视角体会构建人类命运共同体的
存在什么规律？ 重要意义。22 第第十十三三章章 温温度度与与物物态态变变化化
第 一 节
测量：温度
生活中，我们常有冷和热的感觉。例如， 本节要点
喝凉水感觉冷，吃冰棍也感觉冷（图 13—1），
能完成“用常见温度
但它们冷的程度不同；热水热，火也热，但
计测量温度”的实验，能
它们热的程度不同。这说明仅仅用“冷”或
自己写出实验目的、实验
“热”已无法准确描述冷或热的程度了。如何
器材、实验原理、实验步
准确表示物体的冷热程度？本节我们将学习
骤等，能按要求完成实验
温度及其测量方法。
报告；了解液体温度计的
工作原理，能说出生活环
温度与温度计
境中常见的温度值。
有时，人们对冷热的感觉是不可靠的。
如图 13—2 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水的冷热感觉是不
同的。
为准确表示物体的冷热程度，人们引入
图13—1 都感觉冷
了温度（temperature）这一物理量，一般用
字母 t 表示。通常情况下，越热的物体温度
越高，越冷的物体则温度越低。
摄氏度（℃）是人们常用的温度单位。
冷水 温水 热水
摄氏温度是这样规定的：将 1 个标准大气压
下纯净的冰水混合物的温度定为 0℃，水沸 图13—2 三杯冷热程度
腾时的温度定为 100℃。把 0 ～ 100℃之间划 不同的水第一节 测量：温度 3
分为 100 等份，每一等份就是 1℃。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”或
“负 6 摄氏度”。如图 13—3 所示的信息是自然界中一些物体的温度值。大家还
可查阅资料，进一步了解更多物体的大致温度。
固液共存的氧 冰水混合物 人体 沸水 酒精灯外层火焰 通电的灯丝 太阳表面
-218 0 37 100 700 2 500 6 000 温度t/|
图13—3 一些常见物体的温度值
拓展一步
国际单位制中，热力学温度的单位是开尔文，简称开，用符号 K
表示。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，绝对零度（0 K）都是达不到的。
人们用温度计来测量物体的温度。实验室
和家庭中常用的液体温度计（图 13—4）是根
据液体热胀冷缩的原理制成的，温度计内的液
体多为煤油、酒精或汞等物质。当温度升高或
降低时，温度计中的液体便膨胀或收缩。也就
是说，从温度计中液柱的变化可知温度的
变化。
体温计是用来测量人体温度的温度计。测
体温时，体温计玻璃泡内的汞随着温度的升高
而膨胀，通过细弯管进入直管（图 13—5）；当
体温计离开人体后，细弯管内的汞受冷收缩而
煤油温度计 寒暑表 体温计
断开，直管内的汞无法流回玻璃泡内，故此时 图13—4 常用的液体温度计4 第十三章 温度与物态变化
直管中汞柱所对应的示数便是体温测量值。 物理在线
若要重新测体温，则需在测量前甩动体温 汞有毒，万一汞体温
计，以使直管内的汞回到玻璃泡内。 计碎了，应怎样处理才是
安全环保的？请上网查询
有关信息。
图13—5 体温计及其细弯管
迷 你 实 验 室
自制简易温度计
在瓶中注入适量的水，再加几滴红墨水，盖上中间开孔的瓶盖。
将透明且细直的吸管插入瓶盖并浸入水中，封闭吸管与孔间缝隙，如
图13—6所示。
将瓶子放进热水中，观察吸管中水柱的高
度变化；接着把瓶子放进冷水中，观察吸管中
水柱的高度变化。
想想看，为什么水柱的高度会发生变化？水
柱的高度与此简易温度计测量的温度有何关系？ 图13—6 简易温度计
实验：用常见温度计测量温度
如何使用温度计测量温度呢？下面我们学习用液体温度计测量液体的温度。
测量工具都有一定的使用规则。我们先熟悉温度计测量液体温度的使用规则：
（1） 使用前要观察温度计的量程和分度值，被测物体的温度不能超过温度
计的量程。
（2） 测量液体温度时，温度计的玻璃泡应浸没在液体中，不能接触容器壁
或容器的底部，浸入液体后还需待温度计内液柱的液面稳定时再读数，不能将
温度计从液体中拿出来读数（思考这是为什么）。
（3） 读数时视线要与温度计内液柱的液面相平。第一节 测量：温度 5
测量
根据液体温度计的使用规则，下面请你 安全 警示
将液体温度计依次放入冷水、温水、热水中，
液体温度计易碎，
分别测量并记录三杯水的温度。
实验中要轻拿轻放；
请你写出实验目的、实验器材、实验原
测量热水温度时，要
理与设计（液体温度计的工作原理）、实验步
避免烫伤；热水温度
骤，完成测量。
不能超过温度计量程，
实验结论
以免损坏温度计。
写出你测得的冷水、温水和热水的温度。
交流讨论 能根据实验目的 素
养
自己设计实验方案，并 提
使用液体温度计进行测量时，哪些因素
升
能独立完成实验，能将
会影响测量的准确性？
已掌握的实验方法应用
于解决新的问题。
科学书屋
形式多样的测量温度的工具
1. 固体温度计
图 13—7 和图 13—8 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体温计，后者则是用双金属片制成的双金属
图13—7 数字式体温计 图13—8 双金属温度计6 第十三章 温度与物态变化
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。
2. 红外测温枪
红外测温枪通过传感器接收人体发
出的红外线来测量体温（图 13—9），测
量时间短，且不需要接触人体。 图13—9 用测温枪测量体温
作 业
1. 请完成“用常见温度计测量温度”的实验报告（在实验报告中通常应
包含实验目的、实验器材、实验原理与设计、实验步骤、实验结论和交流讨论
等内容）。
2. 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. 让人感觉舒适的室内温度
D. 1 个标准大气压下，水沸腾时的温度
3. -20℃应读作___________________或___________________。
4. 在用酒精灯给水加热的过程中，若用温度计测水的温度时，温度计的
玻璃泡接触容器底，则测量值比实际值_________，其原因是_____________。
5. 如图13—10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依次去测量温度为37℃和39℃的两个人
的体温，则测量结果分别为______℃
和______℃。同学们可先找一支体温
图13—10
计试一试，然后回答问题。
6. 如图13—11所示，用液体温度计测量温度的四种操作中哪个是正确的？请
说明理由。第一节 测量：温度 7
（a） （b） （c） （d）
图13—11
7. 一天中的气温在不断变化，人们根据气温高低来增减衣物。请使用温
度计测量一天中几个时刻的温度，看看一天中的气温是如何变化的。
请提问
1. 我们如何知道高空中飞机外面的温度？
2.
3.
……88 第第十十三三章章 温温度度与与物物态态变变化化
第 二 节
熔化与凝固
水能在不同条件下分别呈现固态、液态 本节要点
或气态。与水类似，物质在一定条件下能从 知道熔化与凝固，知
一种状态向另一种状态变化，人们将此称为 道物质的熔点、凝固点，
物态变化。本节我们先来学习物态变化中的 能运用熔化与凝固过程中
熔化与凝固现象。 的吸热和放热特点说明自
然界和生活中的有关现象。
熔化及其特点
春天到了，冰雪消融（图13—12）。像冰
化为水那样，物质从固态变为液态的过程称
为熔化（melting）。那么在什么条件下固体可
变为液体？不同固体在熔化过程中的温度变化
情况相同吗？下面，我们通过实验进行探究。 图13—12 冰雪熔化
做 中 学
探究不同固体熔化的特点
将碎冰（或海波，即硫代硫酸钠）放入试管中，
用图13—13所示装置加热碎冰，观察碎冰在熔化过程
中温度及状态的变化。每隔相同的时间，将测得的温
度值及对应状态填入自己设计的表格中。
用同样的方法探究石蜡熔化时温度随时间变化
的特点。
通过数据（或作图）分析，看看冰和石蜡在熔
化过程中温度的变化分别有什么特点。 图13—13 实验装置第二节 熔化与凝固 9
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，并且在
熔化过程中即使继续加热，其温度也保持不变。而石蜡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（类似冰），在熔化过程中尽管外界不断加热，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
（类似石蜡），在熔化过程中只要外界不断加热，其温度就能不断上升，这类固
体没有确定的熔化温度，称为非晶体（amorphous matter）。
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。冰、海波、金属、食盐、石墨、钻石（图 13—14）
等都是晶体，它们都有确定的熔化温度；而石蜡、松香、玻璃、沥青、塑料
（图13—15）等都是非晶体，它们没有固定的熔化温度。
图13—14 皇冠上的钻石属于晶体 图13—15 塑料属于非晶体
不同晶体的熔点是不一样的。表13—1 给出了在 1 个标准大气压下常见晶
体的熔点。
表13-1 常见晶体（固态）的熔点（在1个标准大气压下）
晶体 熔点t/℃ 晶体 熔点t/℃ 晶体 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 1 538
固态汞 -39 铅 328 铂 1 769
冰 0 铝 660 钨 3 41010 第十三章 温度与物态变化
科学书屋
影响熔点的因素
由于外界压强的变化或杂质的存在等，晶体的熔点会发生变化。
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降
低。下雪天，人们为了出行方便，常
常向积雪的公路上撒盐（图 13—16）。
因为盐能尽快地融雪，而盐水不容易
结冰。尽管盐融雪使交通畅通了，但
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。 图13—16 工作人员在撒盐融雪
拓展一步
通过探究冰的熔点可知，当晶体熔化时，温度不变；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，使得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（图13—17）。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。这也说明熔化是吸热过程。 图13—17 晶体熔化时的分子运动模型第二节 熔化与凝固 11
凝固及其特点
寒冬时节，河水结冰。像水结成冰那
样，物质从液态变为固态的过程称为凝固
（solidification）。凝固是熔化的相反过程。
在1个标准大气压下，冰的熔点是0℃。
当温度为0℃时，冰、水可以共存；当温度高
于0℃时，冰熔化成水；当温度低于 0℃时，
水就凝固成冰（图 13—18）。晶体形成有确 图13—18 水凝固成冰
定的温度，这个温度叫凝固点（solidifying
point）。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，人们把装有水的
容器放进地窖（图 13—19），以防储藏在地 图13—19 地窖里的水桶和蔬菜
窖内的蔬菜被冻坏。这是因为当气温下降
物理在线
至 0℃以下时，桶里的水会凝固成冰。在凝
查阅资料，了解我国
固过程中，水会放出热量。这些热量使地窖
古代的铸造技术，尝试运
的温度不至于降得太低，从而避免蔬菜被
用物态变化知识进行解释。
冻坏。
作 业
1. 将盛有锡块的坩埚放在电炉上加热，请从下列关于锡熔化过程的描述
中，选择合理的选项并说明理由。
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12 第十三章 温度与物态变化
2. 用铜块浇铸铜像的过程中会发生哪些物态变化？
3. 根据表 13—1 列出的几种物质的熔点，选择下列说法中正确的选项并说
明理由。
A. 白炽灯的灯丝用钨制成，永远不会熔化
B. 纯金掉在铁水里不会熔化
C. 汞温度计在-40℃时无法使用
D. 在-265℃时氧是液态的
4. 图 13—20 是某种固态物质加热时， 温度t/|
90
温度随时间变化的曲线。由图可知，该物
80
质是 ________（选填“晶体”或“非晶
70
体”），它的熔点是 ________℃。它在熔
60
化过程中要 ________（选填“吸热”或 0 2 4 6 8 10 时间t/min
“放热”）。 图13—20
5. 超市里为了维持海鲜的新鲜，一般会在海鲜周围铺一些碎冰。为什么
使用碎冰能有效保鲜呢？
6. 夏天吃冰棍，有时舌头会被黏住，请你分析原因。
请提问
1. 我国古代青铜器、铁器的制造技术对社会进步发挥了怎样的作用？
2.
3.
……第第三三节节 探探究究：：汽汽化化与与液液化化 1133
第 三 节
探究：汽化与液化
你思考过吗，为什么湿衣服会晒干？烧 本节要点
开的水会冒气，为何冰棒也会冒气？其实这
能完成“探究水在沸
些都是常见的物态变化现象。本节我们将学
腾前后温度变化的特点”
习物态变化中的汽化与液化现象。
的实验；能根据实验数据
及图像得出结论，能按要
实验：探究水在沸腾前后温度
求完成实验报告；知道汽化
变化的特点
与液化，知道物质的沸点，
能运用汽化与液化过程中
烧开的水会不断减少，其实是水变成了
的吸热和放热特点说明自
水蒸气。像水变成水蒸气那样，物质从液态
然界和生活中的有关现象。
变为气态的过程称为汽化（vaporization）。汽
化有蒸发和沸腾两种形式。我们首先探究沸腾现象。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
腾前后有何特点。
探究
安全 警示
实验目的
轻拿轻放烧杯、
1. 观察水沸腾时出现的现象。
温度计等实验器材，
2. 研究水在沸腾前后温度变化的特点。
避免摔碎。规范使
实验器材
用酒精灯，不要用
酒精灯、烧杯、温度计、铁架台、有孔的
手碰高温烧杯，以
盖子、陶土网和秒表。
免出现烫伤等事故。14 第十三章 温度与物态变化
实验设计
实验装置如图 13—21 所示。将水加热至沸腾，观察
水在沸腾前后的温度变化和现象。
实验步骤
1. 按照图 13—21 安装好器材，向烧杯中倒入适量
的水。
2. 点燃酒精灯加热水，观察烧杯中水的状态变化
情况和温度计示数的变化。当水温接近 90℃时，每隔
0.5 min 将水的温度记录在设计的表格中，直到水持续沸
腾几分钟为止。 图13—21 实验装置
3. 根据记录的数据，在坐标纸上以温度为纵坐标、时间为横坐标建立坐
标系，并在坐标系中描出各点，再将这些点用平滑曲线连接起来。
实验结论
1. 归纳水沸腾前后的现象。
2. 分析实验数据和图像，得出水在沸腾前后温度变化的特点。
反思交流
1. 水在沸腾过程中需要吸收热量吗？为什么？
2. 观察烧杯盖子上是否有小水滴，思考它们是从哪里来的。
3. 用纸杯代替烧杯做此实验，能使纸杯中的水沸腾吗？用实验验证你的
猜想。
从实验可见，水沸腾时有大量气泡产生，
能注意实验器 素
水的内部和表面同时发生剧烈的汽化现象。水 养
材的摆放，提前考 提
在沸腾过程中，虽然继续吸热，但它的温度保
升
虑安全隐患，有团
持不变，这个温度叫做沸点（boiling point）。不
队合作精神，能协
同液体沸腾时的温度不同，因此，其沸点也不
助他人，并提醒他
同。表 13—2给出了在1个标准大气压下一些物
人注意安全。
质的沸点。第三节 探究：汽化与液化 15
表13-2 一些物质（液态）的沸点（在1个标准大气压下）
物质 沸点t/℃ 物质 沸点t/℃ 物质 沸点t/℃
氦 -269 乙醚 35 萘 218
氢 -253 酒精 78 亚麻仁油 287
氮 -196 水 100 汞 357
氧 -183 甲苯 111 铅 1 740
氨 -33 煤油 150 铁 2 750
科学书屋
影响沸点的因素
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，沸点会升高，如果加入酒精，则沸点会降低。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℃。在珠穆朗玛峰上，开水的水温大约为73.5℃。
汽化及其特点
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、表面积越大、
表面空气流动越快，其蒸发就越快；反之，
蒸发越慢。例如，人们晾晒衣服时，常常将
其尽可能展开，并充分利用阳光和通风（图
13—22），以便尽快晾干衣服。 图13—22 展开衣服晾晒16 第十三章 温度与物态变化
物 理 聊 吧
保持水果的水分能使其维持新鲜状态，生活中经常用哪些方法
给水果保鲜？请讨论这些方法与影响蒸发快慢的因素有什么联系。
液体在蒸发过程中会吸热，生活中有不少利用蒸发吸热的例子。例如，人
们常用温水擦拭人体表面为发热病人降温，因为温
水在蒸发过程中要吸热，病人体温便可暂时下降
（图 13—23）。炎热的夏天，小狗常常会伸出长长的
舌头，你能解释它这样做的原因吗？
沸腾和蒸发都是汽化现象，但这两类汽化现象
存在一些差异。沸腾只在特定温度时发生，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 图13—23 用温水擦拭给
生，而蒸发时无气泡产生。 发热病人降温
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（图
13—24）。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。
另外，为什么液体的蒸发随
时都在发生呢？这是因为在任何
图13—24 汽化时的分子运动模型
温度下，总会有一些分子可得到
足够的能量而挣脱周围液体分子的吸引，从而脱离液面飞向空中。第三节 探究：汽化与液化 17
液化及其特点
在“探究水在沸腾前后温度变化的特点”实验中，你可能发现了盖子上有
小水滴。这些小水滴是从哪里来的呢？事实上，水沸腾后变成水蒸气，水蒸气
遇到温度较低的盖子就变成了小水滴。像水蒸气变成水那样，物质从气态变为
液态的过程称为液化（liquefaction）。液化是汽化的相反过程。
从水壶口冒出的水蒸气遇到冷空气后，
其温度降低，会形成白雾（图 13—25）。
这就是液化现象。
生活中的液化现象很多，如植物上的
露珠（图 13—26）、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（图13—27）。 图13—25 水蒸气遇冷形成白雾
图13—26 植物上的露珠 图13—27 山林中的雾
在一定温度下压缩气体的体积能使气体液化。例如，家用液化石油气就是
在常温下利用压缩气体体积的方法使石油气液化，并储存在钢罐里的。
液体汽化时要吸热，气体液化时则要放热。水蒸气烫伤比开水还严重，正
是因为水蒸气液化时要放热，大家一定要注意安全。18 第十三章 温度与物态变化
学科综合
气体液化的探索
1784年，克鲁埃（J.-F. Clouet，1751—1801）和蒙日（G. Monge，
1746—1818）通过冷却和加压相结合的方法首次完成对二氧化硫的
液化。1877 年，氧气的液化开启了低温学的序幕。1908 年，昂内斯
（H. K. Onnes，1853—1926）在低温实验室中完成了对氦气的液化，
为液化空气中的所有成分画上了一个圆满的句号。
为了实现气体的液化，科学家们经历了漫长而曲折的过程。在这
个过程中，人类对气体、温度等概念的认识不断深入。
查阅资料，了解在探究气体液化的过程中，科学家经历的大致过
程，了解人类对气体、温度等概念认识的不断深入。完成一篇相关的
小论文。
作 业
1. 请完成“探究水在沸腾前后温度变化的特点”的实验报告，报告中需在
坐标纸上画出实验数据图像，陈述如何通过实验数据及图像得出实验结论等。
2. 清晨，草叶上常挂有晶莹的露珠，在阳光照射下这些露珠又会慢慢消
失。这是为什么？
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. 缩短加热沸腾的时间
C. 降低容器内的气压，使水的沸点低于80℃
D. 增加容器内的气压，使水的沸点低于80℃
4. 游泳时，在水里不觉得冷，上了岸觉得冷。这是为什么？
5. 为了探究水的沸腾，科学小组进行了相关实验：
（1）安装实验装置时，应按照______（选填“自下而上”或“自上而下”）第三节 探究：汽化与液化 19
的顺序进行。如图 13-28 所示，此时温度计的示数 |
80
是______。
70
（2）加热时，杯底有“气泡”形成，上升到水面
60
破裂，有“白雾”冒出，“白雾”是水蒸气______（选
填“汽化”或“液化”）形成的。由实验可知，水沸腾
过程中不断吸热，温度______（选填“升高”“降低”
或“保持不变”）。
（3）实验结束后，移开酒精灯，发现烧杯内的
图13-28
水没有立即停止沸腾，可能的原因是：___________________。
6. 请你用表格的方式对比呈现蒸发与沸腾的相同与不同之处。
7. 坎儿井是一种特殊的引水工程，主要分布在我国新疆。坎儿井由竖井、
明渠、涝坝（蓄水池）和地下的暗渠等结构组成（图 13—29）。请查阅资料，
分析坎儿井采取地下输水涉及了哪些物态变化，有什么好处。
天山
竖井
母井 涝坝
明渠
地下水
暗渠
图13—29
请提问
1. 为什么夏天在装有冰水的杯子外壁上，常能看见小水珠？
2.
3.
……2200 第第十十三三章章 温温度度与与物物态态变变化化
第 四 节
升华与凝华
在寒冷季节的清晨，我们有时能看见叶片上、 本节要点
地面上覆盖着一层霜（图13—30）。霜是怎样形成的
知道物态变化中
呢？这涉及下面要学习的固态与气态间的物态变化。
的升华与凝华，能运
用升华与凝华过程中
的吸热和放热特点说
明自然界和生活中的
有关现象。
图13—30 霜
升华及其特点
通常，在北方的冬天，冰冻的衣服也能直接晾干，这是因为衣服上的冰
直接变成了水蒸气。物理学中将物质从固态直接变为气态的过程称为升华
（sublimation）。下面，我们来做一个有趣的实验。
迷 你 实 验 室
碘的升华
如图13—31所示，将装有少量碘的密封
的玻璃管放入热水中加热，观察有什么现象发
生。你能解释吗？
将玻璃管从热水中取出，继续观察有何
现象发生。你能解释吗？ 图13—31 碘的升华第四节 升华与凝华 21
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。
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，舞台上的淡淡薄雾（图13—32）
就是干冰（固态二氧化碳）升华吸收大量的
热量，使周围的温度快速下降，空气中的水
蒸气遇冷液化形成的。人们还利用干冰升华
吸热的特点来保持食物新鲜。
再如，人们利用干冰升华吸热的特点进
行人工降雨（图 13—33）。将干冰“喷”入冷 图13—32 干冰形成的舞台效果
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。
凝华及其特点 图13—33 人工降雨
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（deposition）。凝华是升 图13—34 冰花
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 13—34）、树枝上“雾凇”
（图 13—35）等的形成。在碘的升华实验中，
当停止加热后，玻璃管内壁会出现碘微粒，
这是碘的凝华现象。
图13—35 雾凇22 第十三章 温度与物态变化
学科综合
霜与霜冻
入秋后最早出现的霜叫“初霜”，入春后最晚出现的霜为“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。
有霜时节，农作物常因气温降到 0℃或以下而受危害乃至死亡，
这就是人们常说的霜冻（图 13—36）。实际上，使农作物受到危害的
并不是霜，而是过低的气温。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，这种情况称为“黑霜”。
查阅资料，结合植物学的知识，
了解霜冻给农作物带来的伤害，怎样
进行预防。完成一篇科普小论文，提
出预防霜冻的建议。 图13—36 结霜的植物
物态变化过程中的吸热、放热
从熔化、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
气态
化、凝华则是放热过程，如图 13—37 所示。
升华 液化
物质从固态变为液态、从液态变为气态以及 (吸热) 凝华 汽化 (放热)
(放热) (吸热)
从固态直接变为气态的过程中，都需要从外界吸
熔化
(吸热)
收热量；而从气态变为液态、从液态变为固态以
凝固
及从气态直接变为固态的过程中，都会向外界 固态 (放热) 液态
放出热量。 图13—37 物态变化过程中的
电冰箱的制冷原理也与放热、吸热的物态 吸热、放热
变化过程有关。第四节 升华与凝华 23
如图 13—38 所示，当电冰箱通电后，压缩机将
冷冻室
蒸发器内的制冷剂气体吸出，使其变成温度较高的
蒸发器
(汽化吸热)
压缩气体；然后，该制冷剂气体在冰箱的冷凝器中液
毛细管
化，散热装置向外界放热；最后，制冷剂液体经毛细
冷凝器
(液化放热)
管进入蒸发器，在蒸发器中汽化而大量吸收冰箱内的
压缩机
热量，这样冰箱内的温度就降低了。
图13—38 电冰箱的构造
学科综合
氟利昂与臭氧层破坏
过去电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电
冰箱和空调了。
臭氧是无色气体，有特殊臭味，故得名臭氧。在大气平流层中集
中了大气中 90% 的臭氧，其中距地面 20 ～ 25 km 处臭氧浓度值达到
最高，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
的臭氧含量正在逐年减少，到 1985 年臭
氧仅为正常含量的60% ～ 70%。这种现象
被称为南极臭氧洞（图 13—39）。在 2020
年，北极中部的大部分地区上空的臭氧含
量创下了历史新低，北极上空出现罕见臭
氧层空洞。
查阅资料，了解诸多可能破坏臭氧层
的有害气体，完成一篇小论文，以调研
图13—39 1987年“云雨”
结果提醒人们保护臭氧层，爱护我们的 10号卫星拍摄的南极臭氧洞
地球。24 第十三章 温度与物态变化
作 业
1. 下列现象分别是什么物态变化过程？
（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
________，从固态直接变为气态，使周围温度急剧下降，空气中的水蒸气遇冷
________ 成小冰晶，冰晶逐渐变大而下落，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 13—40）。请从物理学的角度解释产生这种
现象的原因。
4. 在 1 个标准大气压下，小华将冰块放
于空易拉罐中并加入适量的盐，用筷子搅拌大
约 30 s。用温度计测量罐中冰与盐水混合物的 图13—40
温度，可看到其示数低于 0℃，这时观察易拉罐的下部和底部，就会发现有白
霜生成。这是因为盐使冰的熔点（ ）。
A. 低于0℃，白霜生成是凝华现象 B. 高于0℃，白霜生成是凝华现象
C. 低于0℃，白霜生成是凝固现象 D. 高于0℃，白霜生成是凝固现象
5. 我国某地冰雕展中有很多精美的冰雕作品。该地的气温一直持续在
-10℃以下，可是冰雕作品却一天天变小，在此过程中发生了哪种物态变化？
6. 冬季，南方教室的窗玻璃表面会出现“水汽”，北方教室的窗玻璃表面
会结“白霜”。“水汽”和“白霜”会出现在窗玻璃的哪一面呢？为什么？第第五五节节 跨跨学学科科：：全全球球变变暖暖与与水水资资源源危危机机 2255
第 五 节
跨学科：全球变暖与水资源危机
我们生活在美丽的地球村。飘动的白云、 本节要点
蓝色的大海、巍峨的雪山，在这祥和的天地
能从跨学科视角，了
之间，有着我们幸福的家园。然而，随着社
解全球变暖、水资源危机
会的发展，人们期待能从大自然获取更多的资
和爱护地球等议题，尝试
源，逐渐地，我们的家园受到了影响。下面
对环境温度问题发表自己
从全球变暖和水资源危机两个方面提出警示。
的见解；了解我国和当地
的水资源状况，有节约用
全球变暖及其影响
水和保护环境的意识。
全球变暖已是大家非常关注的一种现象。
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，排放出二氧化碳等多
种温室气体（图 13—41）。这些温室气体使太
图13—41 工业排放大量温室气体
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不利的影响。
1. 海平面上升的影响
全球变暖会引起地球南、北两极的冰山
熔化（图 13—42），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。
2. 对动植物的影响
图13—42 全球变暖将会使北极熊
气候是决定生物群落分布的主要因素之 无家可归26 第十三章 温度与物态变化
一，自然界的动物、植物可能因无法适应
物 理 聊 吧
全球变暖的速度而惨遭厄运或被迫转移。
查阅资料，了解并分析
3. 对农业的影响
导致全球变暖的因素及全球
温度和降水是决定种植的主要因素，
变暖带来的影响，提出人类
温度及由温度引起的降水变化将影响到农
应努力采取的积极措施，尝
作物的产量和分布类型。
试对环境温度及其影响发表
4. 对人类健康的影响
自己的见解。
人类健康取决于良好的生态环境，全
球变暖将成为 21 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。
全球变暖是人类的行为造成地球气候变化的后果。因此，人类应积极采取
应对措施，将环境保护放在非常重要的位置。
水资源危机及其影响
威胁人类生存的另一因素，便是水资源
危机。随着人类社会的发展，水资源问题越
来越严重。
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，昔
日的小溪正在干涸，海洋污染日趋严重（图
图13-43 赤潮
13-43）。
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。饮用水源
污染严重，大部分地下水都受到不同程度的
污染。我国的水资源匮乏问题也很严重。水资
源危机已向人类生存拉响了警报（图13-44）。 图13—44 因缺水而荒芜的农田第五节 跨学科：全球变暖与水资源危机 27
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。
爱护地球，从我做起
地球是我们共同的家园。我们应珍惜地球
家园的蓝天白云、绿水青山，珍惜地球家园的
每一个存在！爱护美丽的地球家园（图13—45）。
人类为了保护地球家园，已有若干重要举
措。例如，在一定时间内实现“碳达峰”“碳
中和”。“碳”就是石油、煤炭、木材等由碳元
素组成的自然资源。“碳”耗用得多，导致全
图13—45 珍贵的水资源
球变暖的元凶二氧化碳也就制造得多。因此，
素
为减缓全球变暖，人们开始追求在一定时间内 能主动关注全
养
碳排放达到峰值（碳达峰），然后在一定时间 球变暖问题与水资 提
升
内碳的排放量实现正负抵消，达到相对“零排 源危机，具有全球
放”（碳中和）。这是人类珍爱地球、保护环境 意识，能关爱地球，
的一大举措。我国在 2020 年第 75 届联合国大 在力所能及的情况
会上提出“中国将提高国家自主贡献力度，采 下为人类的可持续
取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争 发展作出贡献。
于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实
现碳中和”，这显示了有担当的大国风范。 物理在线
为了唤起公众的节水意识，建立一种更为 查阅资料，了解人
全面的水资源可持续利用的体制，第47届联合 类关于“碳达峰”“碳中
国大会根据《21世纪行动议程》提出的建议， 和”的行动计划，完成
决定自1993年起，将每年的3月22日定为“世 一篇关于人类如何减缓
界水日”。这旨在推动对水资源进行综合性统筹 全球变暖的调研报告。
规划和管理，加强水资源保护，解决日益严峻
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。
面对全球变暖与水资源危机，我们也应该积极行动起来。从随手关灯、节
约用水、垃圾分类等小事做起，爱护地球，让我们的家园变得更美丽。28 第十三章 温度与物态变化
科学书屋
中国水周
1988 年《中华人民共和国水法》颁布后，水利部确定每年的 7 月
1 日至 7 日为“中国水周”。考虑到“世界水日”与“中国水周”的主
旨和内容基本相同，因此从 1994 年开始，把“中国水周”的时间改为
每年的 3 月 22 日至 28 日。2023 年“中国水周”活动主题为“强化依
法治水，携手共护母亲河”。
作 业
1. 对当地的天气变化做调查研究，了解当地气候的变化及其对人们生产
生活的影响。写一篇报道，与大家分享调研结果。
2. 查阅资料，了解全球变暖导致冰川熔化的相关信息，分析并预测冰川
熔化导致海平面上升可能带来的危机。
3. 调查学校或家庭的用水状况，设计一个用于学校或家庭的节水方案。
4. 调查当地水资源的利用和保护状况，对当地水资源的利用和保护提出
自己的建议。
请提问
1. 作为个人，怎样为“碳达峰”“碳中和”作出贡献呢？
2.
3.
……跨学科
第五节 跨学科：全球变暖与水资源危机 2299
实 践
探究在干旱地区如何取水
问题缘起
水资源短缺会给人们的生产生活带来很大影响。在某些干旱缺水的地
区，甚至在沙漠中，巧妙的取水方法能让我们暂时摆脱危机。下面是一个
取水的案例（图13—46）。
挖一个洞，在洞 在洞上铺一张塑料薄膜， 水会在塑料薄膜背面聚集
底放一个杯子。 并用石头压住薄膜中心 起来，并掉到杯子里。
和边缘四周。
图13—46 取水示意图
活动方案
本活动涉及与物态变化、生命与水、水资源 安全 警示
利用等相关内容。
在教师指导下
任务一：查阅资料，了解有哪些收集露水的
安全并规范使用挖
方法，并分析其原理，了解影响露水多少的因素。
掘工具，白天完成
任务二：制作收集露水的工具，然后进行收
实践工作，不能夜
集露水的活动。
晚单独外出。
任务三：根据在一定时间内收集露水的多
少，提出改进方案，并与大家分享改进后的露水收集方案。
交流评价
与同学交流收集露水的过程，分析其中存在的问题，讨论如何在极端
环境下获得水，走出困境。
拓展研究
水资源短缺是当今社会面临的一个重大问题，调查水资源短缺产生的
原因，探索开发水资源的办法，完成一份调查报告。30 第十三章 温度与物态变化
本章练习
科学认知与辨析
1. 民间有“下雪不冷，化雪冷”的说法，请从物理学视角解释此说法是
否合理。
2. 如图 13-47 所示，画作中的美景蕴含了丰富的物态变化。下列分析正
确的是（ ）。
（a） （b） （c） （d）
图13-47
A. 图（a）中湖面上的冰层是升华形成的
B. 图（b）中荷叶上的露珠是凝固形成的
C. 图（c）中山林间的薄雾是液化形成的
D. 图（d）中枝头上的雾凇是熔化形成的
3. 生活处处有物理，留心观察皆学问。下列表述是对生活中一些现象的解
释，其中正确的是（ ）。
A. 洗澡时房间会有“白气”，这些“白气”是水蒸气
B. 用酒精擦手很凉爽，因为酒精蒸发要吸热
C. 开袋的樟脑丸会逐渐消失，因为樟脑丸蒸发了
D. 舞台上淡淡薄雾是二氧化碳气体
4. 下列物态变化中属于放热现象的是（ ）。
① 初春，冰封的湖面解冻 ② 盛夏，旷野里雾的形成
③ 深秋，路边的小草上结出一层霜 ④ 严冬，冰冻的衣服逐渐变干
A. ①② B. ②③ C. ③④ D. ①④本章练习 31
5. 图 13—48 是某物质在熔化时温度随时间变化的图像，下列从图像中获
得的信息中错误的是（ ）。
温度t/|
75 C
A B
50
25
0 4 8 时间t/min
图13—48
A. 这种物质是晶体，其熔点为50℃
B. 在AB段物质处于固液共存状态
C. 在AB段物质不吸收热量，温度不变
D. 第 8 min后物质处于液态
6. 对于小手术的麻醉，医生常用一种沸点为13.1℃的液态氯乙烷，把施行
手术的地方“冻结”起来，这是利用了液态氯乙烷________（选填物态变化的
名称）会________（选填“吸”或“放”）热的原理。
7. 如图13-49 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13-49
科学实验
8. 某同学在探究“水在沸腾前后温度变化的特点”的实验中，安装烧杯
和温度计时，应先确定两者中 __________ 的位置。实验过程中，某时刻温度
计的示数如图 13-50（a）所示，为 _______℃。图 13-50（b）是水的温度随
时间变化的关系图像，分析图像可知：水在沸腾过程中温度__________。32 第十三章 温度与物态变化
|
100
温度t/|
90
80 100
90
0 1 2 3时间t/min
（a） （b）
图13-50
科学·技术·社会·环境
9. 调查当地农田或城市绿化灌溉的主要方式，了解节水灌溉技术，为当
地相关部门提出进一步的节水方案。
本 章 总 结
本章的要点有第十四章
内能与热机
第一节 内能及其改变
第二节 物质的比热容
第三节 热机
第四节 跨学科：热机效率和环境
保护
实 践 调研我国新能源汽车的发展
本章学业要求
能了解内能、热量及热机的工作原
理，能认识热值和比热容，能运用这些
知识解释相关的自然现象，解决日常生
活中的有关问题。
知道能量不会创生也不会消灭；会
从能量守恒与转化的视角进行科学推理；
能查找证据并作出说明；不盲从，敢于
提出自己的看法。
能通过观察提出与能量有关的问题；
能制订调研方案，收集证据，得出结论；
能从跨学科视角领悟热机效率与环境保
护的关联。
思考：燃油汽车为
知道内能的利用在人类社会发展史
什么要加油才能行
上的重要意义；能从能量转化的角度认
驶？其发动机是怎
样将燃油的能量转 识提高效率的重大意义，能为环境保护
化为机械能的呢？ 提出自己的见解。3344 第第十十四四章章 内内能能与与热热机机
第 一 节
内能及其改变
火箭发射（图 14—1）升空时，其机械能不断 本节要点
增加。增加的机械能从何而来？本节我们学习物体
了解内能和热
的内能及改变内能的两种方式。
量，知道做功和热
传递是改变内能的
两种途径，能将内
能、热量等概念与
相关的自然现象联
系起来。
图14—1 火箭发射
物体的内能
构成物质的分子在永不停息地做无规则运动，运动的分子都具有动能。物
质的分子之间存在引力和斥力，并有空隙，因此，分子还具有因其相互作用产
生的分子势能。
物体所有分子无规则运动的分子动能与分子势能的总和称为物体的内能
（internal energy）。内能是自然界能量存在的一种形式。在国际单位制中，内能
的单位是焦耳，用符号J 表示。
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，分子动能越大。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。例如，等质量的两杯水，热水的内能比冷水的内能大。第一节 内能及其改变 35
改变物体内能的两种途径
物体的内能是会变化的。
我们知道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。那么，哪些途径可以改变物体的内能呢？
做 中 学
做功可以改变物体的内能
如图 14—2 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，硝化棉就燃起来了（注意操
作安全）。将一根铁丝快速反复弯折数十
次，铁丝弯折处会发热。观察这些实验现 图14—2 压缩空气
象，思考这是为什么。 做功，内能增加
在上面的实验中，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。硝化棉燃起来表明筒内空气的温度升高，达到了硝化棉的燃点，筒内
空气的内能增加了。在铁丝弯曲实验中，人对铁丝做了功，增大了铁丝的内
能，所以铁丝弯折处的温度升高了。
大量实验表明：做功可以改变物体的内能。做功改变物体内能的实质是内
能与其他形式的能（如机械能）的相互转化。
生产生活中有不少应用做功改变内能的实例。例如，冬天人们不自觉地两
手相互摩擦（搓手），一会儿手会暖和一些；火箭发射时利用高温燃气膨胀做
功，将其内能转化为火箭的机械能； “神舟”飞船返回舱在返回地面的过程中，
克服与大气层间的摩擦力做功，返回舱表面温度可达几千摄氏度。
观察周围的生活实例，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 14—3）；暖风机一开，室内温度就上升了（图 14—4）；
太阳下的棉被被晒得很暖和（图14—5）。36 第十四章 内能与热机
图14—3 铁锅烫手 图14—4 暖风机升 图14—5 太阳光晒
（热传导） 室温（热对流） 棉被（热辐射）
通过热传导、热对流和热辐射进行的热传递，
物 理 聊 吧
都能使物体温度升高，改变物体的内能。在热传递
说说在大自然
的三种形式中，热传导时，物体内各部分的物质不
或日常生活中还有
发生移动；热对流时，物体内各部分物质之间会流
哪些热传递是通过
动，热对流主要发生在气体或液体中；热辐射不需
热传导、热对流或
要介质，如太阳的光和热就是以热辐射的方式传到
热辐射进行的。
地球的。
科学研究表明：
做功和热传递是改变物体内能的两种途径。
热量
在热传递过程中，物体间内能传递的多少称为热量（heat）。热量通常用字母
Q 表示，常用单位是焦耳，符号是J。
实验研究表明，1 kg 水温度升高 1℃要吸
能了解内能、热 素
收的热量为 4.2×103 J，温度降低 1℃要放出的 养
量的联系与区别，能 提
热量为4.2×103 J。 升
从能量视角认识做功
在热传递过程中，高温物体放出热量，温
和热传递的本质。
度降低，内能减少；低温物体吸收热量，温度升第一节 内能及其改变 37
高，内能增加。因此，热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移，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。
D I S 实 验 室
探究做功与内能改变的关系
将温度传感器连接在注射器上。用力快速压缩注射器的活塞［图
14—6（a）］，观察实验的温度—时间曲线［图14—6（b）］；压住注射器
活塞，在温度示数稳定后，快速释放活塞，再观察温度—时间曲线。
看看能得出什么结论。
温度t/|
26
24
22
20
18
0 1 2 时间t/min
（a） （b）
图14—6 用温度传感器探究做功与内能改变的关系
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. 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 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. 任意两个物体间都会发生热传递
3. 下列事例中，仅用热传递的方式改变物体内能的是（ ）。
A. 阳光照射下，太阳能热水器内的水的温度升高
B. 用锤子敲打钢板，锤子和钢板会变热
C. 冬天双手互相摩擦，手会发热
D. 用打气筒给自行车胎打气，筒壁会发热38 第十四章 内能与热机
4. 图 14—7 中的两名儿童正在取暖，其中女孩捧着热水杯通过 _________
的方式取暖，男孩用力搓手通过________的方式取暖。
图14—7
5. 在矿泉水瓶内加入少量的水，拧紧瓶盖。用力扭动矿泉水瓶挤压瓶内
气体，松开瓶盖，瓶盖跳出时瓶口会出现白雾。请试一试（注意瓶口不能对着
人），说明这是为什么。
6. 原始人类用“钻木取火”的方法取得火种，你能说出其中的道理吗？
现在人们用火柴等点火，从物理学的角度来看，它们是否有相同的原理？
请提问
1. 物体的内能与物体的体积有关吗？
2.
3.
……第第二二节节 物物质质的的比比热热容容 3399
第 二 节
物质的比热容
生活中我们常用热传递的方式加热物体。 本节要点
那么，物体吸收的热量与哪些因素有关呢？
能通过实验了解比热
从经验可知，同种物质吸收的热量，与物质
容的概念和定义式，会进
的质量、升高的温度等因素有关，如图 14—8
行简单的吸、放热计算；
所示，水吸收的热量与水的质量及升高温度
能运用比热容解释相关的
有关。在质量和升高温度相同的情况下，不
自然现象、解决简单的实
同物质吸收的热量相同吗？如质量相同的铜
际问题。
块和铁块升高相同温度，吸收的热量相同吗
（图 14—9）？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，下面我们将侧重探究物质吸热的规律。
铁块
铜块
图14—8 燃气灶烧水 图14—9 铜块与铁块
探究物质吸热或放热规律
下面，我们来探究相同质量的不同物质在升高相同温度时，吸收的热量是
否相同，有什么规律。40 第十四章 内能与热机
做 中 学
探究不同物质的吸热能力
如图 14—10 所示，在两个相同的烧杯中分别装入质量相同的水
和食用油，用同样的电加热器分别浸入两液体中对其加热。电加热
器浸入液体，可认为电加热器放
出的热量被液体完全吸收。因此，
在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 水 食用油
越多，从加热时间就可比较液体
图14—10 实验装置
吸收热量的多少。
从实验可知，两液体升高相同的温度，哪种液体所需时间较
长？可进一步得出什么结论？
大量实验表明：
相同质量的同种物质，升高相同的温度，吸收的
热量通常相同；相同质量的不同物质，升高相同的温
度，吸收的热量通常不同。
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。比热容用字母c 表示，其常用单位是
J/（kg·℃）。当物体温度升高时，比热容的计算公式为第二节 物质的比热容 41
Q： 吸收的热量
m： 物体质量
Q
c =
m(t — t ) t ： 物体初温度
2 1 1
t ： 物体末温度
2
研究表明，同种物质温度降低 1℃所放出的热量与温度升高 1℃所吸收的
热量是相同的。当物体温度降低时，比热容的计算公式仍适用吗？为什么？
表 14—1 为几种常见物质的比热容。从表中可知，干泥土的比热容约为
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）的热量大约是 840 J。看一看，表中哪种物质的比热容
最大？
表14-1 一些常见物质的比热容
物质 比热容c/［J/（kg·℃）］ 物质 比热容c/［J/（kg·℃）］
水 4.2×103 铝 0.88×103
酒精 2.4×103 干泥土 约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 约0.92×103 铅 0.13×103
质量相同的不同物质，当吸收或放出相同热量时，比热容较大的物质温度
变化较小。生产生活中，有不少事例利用了水的比热容大的特性。例如，人们
培育秧苗时，为了保护秧苗在夜间不被冷空气冻
能大致了解常 素
坏，常常在傍晚往农田中灌水，白天再将水放 养
见物质的比热容， 提
出，从而达到防冻的目的。再如，人们有时用
升
有将比热容知识
冷水冷却发动机（图14—11），用热水取暖（图
应用于生活实际的
14—12）等。想一想，沙漠地区昼夜温差较大，
意识。
而沿海地区昼夜温差较小，是什么原因呢？42 第十四章 内能与热机
图14—11 用冷水冷却发动机示意图 图14—12 用热水取暖示意图
例题 *
如图 14—13 所示，电水壶中装有质量为 2 kg、
温度为 20℃的水。通电后将水加热到 100℃，水吸
收的热量是多少？
分析
根据物质比热容的定义式，可计算该物体在
温度变化过程中吸收（或放出）的热量：Q 吸 = 图14—13 用电水壶烧水
cm（ t - t ）。已知水的质量、初温度和末温度，查表
2 1
策略提炼
得到水的比热容，可求出水吸收的热量。
解 进行热量相关
由题意可得，水的质量 m =2 kg，水的初温度 的计算，需明确公
t = 20℃，水的末温度 t = 100℃， 水的比热容 c = 式中各物理量的含
1 2
4.2×103 J/（kg·℃）。 义。弄清初温度和
由公式Q = cm（ t - t ）可计算水吸收的热量为 末温度，是解决这
吸 2 1
Q = 4.2×103 J/（kg·℃） ×2 kg×（ 100℃ - 20℃） 类问题的关键。
吸
= 6.72×105 J
所以，水吸收的热量为6.72×105 J。
讨论
从能量转化的角度看，用电水壶烧水，其发热装置供给的能量与水吸收
的热量哪个更大？
*本套教材中凡标注有“*”的例题与习题，教师可根据具体情况灵活处理。第二节 物质的比热容 43
作 业
1. 沿海地区昼夜温差较小，而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。选
择下列事例中与此特性无关的选项并说明理由。
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. 夜晚向稻田里灌水以防冻坏秧苗
D. 夏天洒水降温
3. 表 14—1 中是一些物质的比热容。根据表中数据，选择下列判断中正确
的选项并说明理由。
A. 物质的比热容与物质的种类无关
B. 200 g水的比热容是100 g水的比热容的两倍
C. 质量相等的铝块和铜块吸收相同的热量，铜块温度变化较大
D. 一般情况下，我们把 1 kg 的水加热至沸腾，水需要吸收约 4.2×105 J
的热量
4. 若将一瓶煤油倒去一半，对于剩下的一半煤油，选择下列判断中正确
的选项并说明理由。
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. 将质量和初温度均相同的铝、铜、铁三个金属球（c ＞ c ＞ c ）浸
铝 铁 铜
没在沸水中煮足够长时间后，三个球的温度 ________。从沸水中吸热最多的44 第十四章 内能与热机
是________球，吸热最少的是________球。
6.* 小丽用相同的电加热器分别对质量为 0.2 kg 的水和 0.3 kg 的另一种液
体进行加热，得到的实验数据如图 14—14 所示，则水在 16 min 内吸收的热量
为________J，另一种液体的比热容为________J/（kg·℃）。
温度t/|
另一种液体
60
50 水
40
30
20
10
0 4 8 12 16 20 时间t/min
图14—14
请提问
1. 冰和水的比热容大小为何差别较大？
2.
3.
……第第三三节节 热热 机机 4455
第 三 节
热 机
列车风驰电掣，舰船劈波斩浪，飞机凌 本节要点
空穿云。车、船和飞机能大展神威，都是因
了解热机的工作原
为有了发动机。发动机是把其他能量转化
理，知道四冲程内燃机工
为机械能的机器，其中能将燃料燃烧时释放
作时的能量转化；能领会
的内能转化为机械能的发动机则称为热机
内能的利用在人类社会发
（heat engine）。常见的热机有蒸汽机、喷气
展中的重要意义。
发动机、内燃机等。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。
本节我们主要学习汽油机与柴油机的工作原理。
汽油机
汽油机的燃料是汽油，它是怎样工作的呢？让我们先来做个内能转化为机
械能的实验。
迷 你 实 验 室
燃气内能的转化
如图 14—15 所示，在圆筒内加入适量酒
橡胶塞
精，用橡胶塞塞紧筒口，筒内形成酒精蒸气
酒精蒸气和空气
和空气的混合气体。用电火花点火，橡胶塞
的混合气体
跳出（注意操作安全）。由实验可见，混合气
电火花
体燃烧产生高温高压的燃气对橡胶塞做功，
将燃气的内能转变为橡胶塞的机械能。 图14—15 实验装置46 第十四章 内能与热机
汽油机的能量转化与上述实验类似，只是用的燃料是汽油。汽油机主要由气
缸、火花塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、活塞、连杆和曲轴组成。
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）。
图 14—16 是四冲程汽油机工作原理示意图，图中标记了每个冲程的工作原理
及作用。
火花塞
进气道 排气道
进气阀 排气阀 旋转的曲轴通过连 两个气阀关闭，活塞在
气缸
杆带动活塞，使活塞 曲轴带动下，从气缸下部向
活塞
从气缸上部向下运动， 上运动，缸内混合气体被压
连杆
曲轴
进气阀开启，空气和 缩，机械能转化为内能，因
汽油的混合气体通过 此，内能增加、温度升高、
进气道进入缸内。 压强增大。
（a）吸气冲程 （b）压缩冲程
曲轴因为惯性继续 压缩冲程结束后做功冲
转动使活塞上升，排 程开始时，气缸顶部的火花
气阀打开，将燃烧后 塞发出电火花，缸内气体爆
的废气排出缸外。 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14—16 汽油机工作原理示意图
排气门 喷油嘴 连杆 曲轴
柴油机
柴油机的燃料是柴油，图 14—17 是柴油机的
进气门 气缸 活塞
结构示意图，它与汽油机在结构上的主要不同是 图14—17 柴油机的结构
气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 示意图第三节 热 机 47
如图 14—18 所示，四冲程柴油机与汽油机工作原理大致相同，也是吸气、
压缩、做功、排气四个冲程的不断循环，从而保证连续工作。它们工作过程的
主要不同是：吸气冲程中，进入柴油机气缸中的只有空气；压缩冲程中，柴油
机气缸内气体被压缩的程度比汽油机更大，因此，其缸内气体的温度更高，压
强更大；压缩冲程末，柴油机的喷油嘴喷出雾状柴油，进行压燃式点火。
物 理 聊 吧
（b）
请参考图14-16
中的分析，讨论图
14-18中每个图各表
（a） （c） 示哪个冲程，描述
柴油机的工作过程。
（d）
图14—18 柴油机工作原理示意图
因为柴油机气缸内气体的温度更高，压强更大，所以可输出更大的功率，
对柴油机相关零件的强度要求也更高，因此柴油机相对比较笨重。故汽油机作
为动力装置大多用在小汽车、飞机（图 14—19）等交通工具上；柴油机则多用
于载重汽车、火车、轮船、拖拉机等。
（a） （b）
图14—19 以汽油作燃料的小汽车和飞机48 第十四章 内能与热机
内燃机具有运转速度快、质量轻、功率大 能了解能量转 素
养
的特点。自内燃机问世 100 多年来，经过不断
化的意义，体会热 提
改进与发展，其应用范围越来越广，极大地改 升
机对人类文明进程
善了陆地、海洋，乃至空中的交通运输方式。
的推动作用。
学科综合
调研并制作神奇“走马灯”
走马灯（图 14-20）是节日常见的一种灯饰，是我国具有悠久历
史的民间工艺制品。下面通过制作简易的走马灯，了解其工作原理。
首先查阅资料了解走马灯历史及制作
过程，然后结合热传递、力与运动、工程
技术、美术等有关的知识，设计并制作一
个简易的走马灯。
展示你的走马灯作品，与同学分享制作
经验，交流并评价作品的工艺水平和艺术性。 图14-20 走马灯
科学书屋
火箭发动机
火箭是我国古代的一项重大发
明。当点燃火药筒中火药时，产生
的高温高压燃气向后喷出，推动火
药筒和箭身向前飞行（图14—21）。 图14—21 古代火箭
现代火箭发动机的工作原理和古代火箭相同。液体火箭发动机内部
的燃料和氧化剂燃烧后产生的高温高压气体高速喷出，由此推动火箭前
进。火箭发动机主要用于发射人造卫星、洲际导弹和进行宇宙航行等。
中国载人航天工程、北斗卫星导航系统、中国探月工程等重大工程的成
功实施、推进，标志着我国已在现代火箭技术领域跨入世界先进行列。第三节 热 机 49
作 业
1. 如图 14—22 所示，试管里盛有适量的水，加热试
管使水沸腾，试管口冒出的“白气”推动管口处的小风
车转动。选择下列说法中正确的选项并说明理由。
A. 水在沸腾过程中，不断吸收热量，温度升高
B. 实验过程中通过做功使试管内水的内能增大
C. 试管口冒出的“白气”是水汽化形成的水蒸气
D.“ 白气”使小风车转动的过程与汽油机的做功冲程
类似 图14—22
2. 图 14—16 中，活塞向上运动，并依靠曲轴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
3. 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。
4. 查阅资料，了解汽油机与柴油机在构造、吸入气体、点火方式、使用
范围等方面的区别，并了解它们在生产生活中的使用现状与发展前景，完成一
篇调研报告。
请提问
1. 柴油机为何不用火花塞点火？
2.
3.
……5500 第第十十四四章章 内内能能与与热热机机
第 四 节
跨学科：热机效率和环境保护
烧水做饭、火力发电、直入苍穹的火箭 本节要点
等都离不开燃料。从人类学会用火至今，人
能从跨学科视角认
们使用的能量绝大部分还是通过燃料的燃烧
识燃料的热值、热机效
获得的。燃料燃烧是化学能转化为内能的过
率和环境保护的意义等；
程。相同质量的不同燃料燃烧，释放的热量是
能认识热机对社会发展
否相同？使用燃料给人类带来便利的同时，还
所起的作用和对环境的
会给环境带来怎样的问题？本节将讨论这些
影响。
问题。
燃料的热值
常见的燃料有煤、石油、天然气等，部分地区还用木材等作为燃料。
研究可知，不同燃料燃烧释放的热量是不同的。人们把某种燃料完全燃烧
释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值（heat value）。热值
用字母q 表示，在国际单位制中，热值的单位是J/kg。
因此，燃料热值的定义式为
q： 燃料的热值 物 理 聊 吧
Q
q = Q： 燃料完全燃烧释放的热量
m 请查阅资料，比较相同
m： 燃料的质量
质量的干木柴、煤、汽油、酒
精及天然气等不同燃料完全
表 14—2 所列的是几种常见燃料的热
燃烧时放出热量的多少。交流
值，试着从表中查出干木柴、酒精的热值，
讨论，分析不同燃料的利弊。
说说它们所表示的物理意义。第第四四节节 跨跨学学科科：：热热机机效效率率和和环环境境保保护护 5511
表14-2 常见燃料的热值
燃料 热值q/（J·kg—1） 燃料 热值q/（J·kg—1）
干木柴 1.2×107 酒精 3.0×107
焦炭 3.0×107 柴油 4.3×107
木炭 3.4×107 汽油 4.6×107
氢 1.4×108 煤油 4.6×107
对气体燃料而言，其热值也可以采用在标准状态下某种气体燃料完全燃烧
放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比，单位是J/m3。例如，天然气的热
值为3.3×107～4.5×107 J/m3。
热机效率
热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外
做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。图14—23 是热机燃料
能量的主要走向示意图。可见，真正能转化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。
部分燃料 克服摩擦
未完全燃烧 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14—23 热机燃料的能量走向示意图
物理在线
热机运转中，做的有用功与燃料完全燃烧
随着时代发展，热机
所释放的能量之比称为热机效率（efficiency
效率不断提升。请上网查
of heat engine）。
询蒸汽机、汽油机、柴油
为合理利用能源，人们一直在努力提高
机及喷气式飞机发动机的
热机效率，其主要途径是减少热机工作中的
效率各是多少。
各种能量损失。首先要减少燃烧过程中的热52 第十四章 内能与热机
量损失，如内燃机要掌握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。这些措施都可使燃料燃烧得更充
分。其次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。
拓展一步
机械工作时，其工作效率能否无限提高？不少人曾经设想制造出
一种不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器。但是大量的研究表
明，自然界的能量是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能量守恒
定律，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。
从能量守恒定律看，机械并不能创
生能量，我们无法制造出既不消耗能量
又能对外做功的装置。图 14-24 是有人
设想的一种能永远运动的装置——“永
动机”。想一想，它真的能一直不停地运 图14-24 一种“永动机”
动下去吗？ 的设想
环境保护
热机使用加快了人类文明的进程，但也带
来了环境污染问题。现代工业大量燃烧煤炭、 物 理 聊 吧
石油和天然气排放的烟尘使大气十分浑浊，
调查当地近年来在取
排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成酸雨，
暖、交通及炊事等方面燃
危害植物，污染环境等。
料结构的变化，从经济与
如何在保持工业发展、交通发达的同
环保的角度开展讨论。
时，减少废气与粉尘的污染，提高空气质第四节 跨学科：热机效率和环境保护 53
量，保护我们生存的家园，已引起科学工作者
素
能认识热机效率
和世界各国政府的关注。1992 年，联合国专门 养
不能达到100%的原 提
制定了《联合国气候变化框架公约》，并于同
升
因，知道提高热机效
年在巴西城市里约热内卢签署生效。截至 2023
率与环境保护的关
年 7 月，该公约共有 198 个缔约方。我国坚持
联，能主动关心空气
走绿色、低碳、可持续发展道路，在应对全球
质量。
气候变化上作出了积极的贡献。
学科综合
探究空气质量
空气质量不仅影响人类生存的质量，还影响着地球上的其他生
物。上网查询，从跨学科的视角了解影响空气质量的因素，认识
PM 对人体的伤害，了解我国及世界各国治理空气污染的举措。在
2.5
此基础上，完成一份关于如何净化空气、保护环境的调研报告，提出
相关的改进建议。
作 业
1. 查阅资料并比较，质量为 1 kg 的煤、汽油和木炭完全燃烧，释放的热
量分别是多少？哪个的热值最大？
2. 为区分优质煤粉与掺杂了矸石粉末的劣质煤粉，最恰当的方法是检测
下列物理量中的哪个？请说明理由。
A. 热值 B. 比热容 C. 温度 D. 质量
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. 下列与火箭燃料有关的说法中，正确的是（ ）。
A. 火箭燃料燃烧越充分，其热值越大54 第十四章 内能与热机
B. 燃料燃烧释放的热量越多，热机效率越高
C. 燃料用了一部分后，质量变小，热值变小
D. 火箭发射升空时发动机内的能量转化与汽油机的做功冲程类似
5. 为了缓解能源紧缺问题，提高热机的效率变得越来越重要。下列有关
热机效率的说法中，正确的是（ ）。
A. 尽量减少热机内部各部件间的摩擦可提高热机效率
B. 使用的燃料热值越高，热机的效率越高
C. 目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”，它们的热机效率可达到100%
D. 柴油机的效率一般低于汽油机的效率
6. 干木柴的热值是1.2×107 J/kg，它的物理意义是___________________。
4 kg的干木柴完全燃烧，能放出________________J的热量。
7. 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
时说明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.
……跨学科
第四节 跨学科：热机效率和环境保护 5555
实 践
调研我国新能源汽车的发展
问题缘起
汽车给人们的出行提供了便捷，但也带来了能源消耗、环境污染等问
题。近年来，我国新能源汽车快速发展。与燃油汽车相比，新能源汽车有
哪些优势呢？下面我们一起搜集整理相关信息，了解我国新能源汽车的
发展。
活动方案
本活动涉及热机效率、汽油燃烧中的化学反应、环境保护等相关内容。
任务一：查阅并整理资料。调查交通工具燃料结构的变化，了解我国新
能源汽车的分类、发展及前景。
任务二：通过资料查阅和实物考察，从环保、能量的利用效率等方面对
比新能源汽车和燃油汽车的差异，了解汽车的尾气排放情况。
交流评价
完成《我国新能源汽车发展现状及前景》的调查报告并与同学交流。
请以“践行低碳生活，实现可持续发展”为理念，围绕“如何低碳出行”
进行科学辩论，分享和交流观点。
拓展研究
查阅资料，了解现代新能源汽车中我国“插电混动”技术对传统内燃
机的改造，比较纯电动车与插电混动汽车在安全、使用习惯、电池需求量、
成本、充电时间和续航里程等方面各自的优势。56 第十四章 内能与热机
本章练习
科学认知与辨析
1. 下列事例中，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
2. 关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（ ）。
A. 没有燃烧的燃料，热值等于零
B. 燃料完全燃烧时，它的热值最大
C. 燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D. 燃料燃烧时温度越高，释放的热量越多
3. 关于热量、功、内能的概念，下列说法中正确的是（ ）。
A. 热量、功、内能的单位都是焦耳，所以三者的物理意义相同
B. 热传递和做功是改变物体内能的两种方式
C. 克服摩擦力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
4. 新能源太阳灶是一种烧水做饭的器具，太阳灶烧水时将太阳能转化
为水的 __________ 能，将 2 kg 的水从 20℃加热到 70℃，水吸收的热量为
____________J。
1
5. 某汽油机用来做有用功的那部分能量是燃料完全燃烧所释放能量的 ，
4
则此汽油机的热机效率是（ ）。
A. 20% B. 25%
C. 50% D. 75%
6. 北方常用热水向千家万户供暖。用水供暖，主要是利用了水有（ ）。
A. 较大的比热容 B. 较低的沸点
C. 较大的热值 D. 较高的凝固点本章练习 57
科学实验
7. 在试管里注入少量水，用软木塞塞紧管口，再
用酒精灯加热。一会儿试管里的水沸腾了，水蒸气使
软木塞斜向上冲起（图 14—25），请你分析该现象产
生的原因。
综合
8. “炖汤”因味道香醇深受人们喜爱。“炖汤”就
是把汤料和水置于炖盅内，而炖盅则浸在大煲的水
图14—25
中，并用蒸架将炖盅与煲底隔离（图 14-26）。在大
煲内的水沸腾过程中，煲盖与煲的缝隙间冒出大量的
“白气”，这是 ________（选填物态变化）现象，煲盖
炖盅
不断跳动，这是水蒸气的 ________ 能转化为煲盖的 汤料
蒸架
机械能。若汤的沸点与水的沸点相同，则炖盅内的汤
________（选填“会”或“不会”）沸腾。 图14—26
9.* 完全燃烧 200 g 焦炭所释放的热量有 60% 被质量为 10 kg 的水吸收
（q = 3.0×107 J/kg）。问：
焦炭
（1） 水吸收的热量是多少？
（2） 若水的初温度是5℃，那么，吸收了这些热量后，温度将升高到多少？
（保留整数）
本 章 总 结
本章的要点有58 第十五章 电与电路
第十五章
电与电路
第一节 静电现象
第二节 让电灯发光
第三节 测量：用电流表测量电流
第四节 测量：用电压表测量电压
第五节 探 究：串、并联电路中电
流、电压的特点
实 践 探究雷电的奥秘
本章学业要求
知道静电现象，能认识电流、电压，
了解串、并联电路电流和电压的特点；
能运用这些知识解释相关现象、解决简
单问题。
能画简单的电路图；能运用相关电
学知识进行推理；能用电学知识论证自
己的观点；具有推敲他人观点的意识。
能完成“用电流表测量电流”“用电压
表测量电压”“探究串联电路和并联电路
中电流、电压的特点”等实验；会使用电
流表和电压表，能连接电路；能根据实验
思考：现代社会离
数据得出结论；能分享实验过程与结论。
不开电，电与我们
生活息息相关。电是 对身边有关电的问题具有探索的兴
怎样产生的？怎样 趣；有进行与电有关的科学普及的主动
才能让电灯发光？ 性和责任感。第第一一节节 静静电电现现象象 5599
第 一 节
静电现象
请你做一做，将塑料绳分成更细的丝，用手 本节要点
摩擦后将塑料细丝提起，便可看见塑料细丝散开
了解静电现象，
了（图 15—1）。这是为什么呢？本节我们学习摩擦
知道电荷间存在相
起电等相关知识。
互作用，能用原子
核式结构模型解释
摩擦起电现象，能
了解生产生活中关
于静电防止和利用
的技术。
图15—1 塑料细丝散开
摩擦起电
由于重力作用，塑料细丝原本应自然下垂，但用手摩擦塑料细丝后塑料细
丝会散开，是由于摩擦使其带了电。用摩擦的方法使物体带电，叫做摩擦起
电。下面，我们通过实验来探究摩擦起电现象。
做 中 学
探究摩擦起电现象
将塑料梳子与毛皮摩擦，然后靠近小纸屑（图 15—2），会观察
到什么现象？将塑料棒与毛皮摩擦，然后靠近细水流（图 15—3），
又会观察到什么现象？60 第十五章 电与电路
图15—2 摩擦过的梳子靠近小纸屑 图15—3 摩擦过的
塑料棒靠近细水流
你能解释观察到的现象吗？
一些物体摩擦后，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）。
物体带电后会产生很多有趣的现象，做做下面的实验。
迷 你 实 验 室
有趣的气球
将两个充气后的气球悬挂起来，让它们碰在
一起。
用毛织品分别摩擦两个气球相接触的部分
（图15—4）。
放开气球后，你观察到什么现象？这个现象
给我们什么启示？ 图15—4 摩擦气球
两种电荷及相互作用
从“有趣的气球”实验可知，摩擦后的两个气球会相互排斥，这是为什么
呢？下面，我们通过实验来揭开谜底。第一节 静电现象 61
做 中 学
探究电荷的种类及相互作用规律
把两根用丝绸摩擦过的玻璃棒或两根用毛皮摩擦过的橡胶棒相
互靠近［图 15—5（a）（b）］，会观察到什么现象？再把用丝绸摩擦
过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒相互靠近［图 15—5（c）］，又
会观察到什么现象？分析观察到的现象，可得什么结论？
橡胶棒
玻璃棒 橡胶棒 玻璃棒
（a） （b） （c）
图15—5 探究两种电荷的相互作用
实验表明，用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒，它们所带电
荷是不一样的。
自然界存在着两种电荷，人们把用丝绸摩擦
加油站
过的玻璃棒上所带的电荷规定为正电荷（positive
charge），把用毛皮摩擦过的橡胶棒上所带的电荷规 电荷的多少叫
定为负电荷（negative charge）。 电荷量，用符号Q
研究发现： 表示。在国际单位
制中，电荷量的单
电荷间相互作用的规律是：同种电荷相互排 位是库仑，简称库，
斥，异种电荷相互吸引。 用符号C表示。
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（图15—6）。你能说出它的工作原理吗？
我们知道，原子核带正电荷，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负电荷的总量相等，整个原子呈中性，即不显电
性。若中性原子失去电子，核外电子所带负电荷总量比原子核的正电荷少，则62 第十五章 电与电路
带电体 带电体
金属球
绝缘塞
金属杆
金属箔
图15—6 验电器
显示出带正电荷；若中性原子跟另外的电子结合在一起，则显示出带负电荷。
两个不带电的物体相互摩擦时，一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，失去电子的物体带正电。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，由于电荷间的相互作用，导体内部的电荷会重新分布。导体靠近带电
体的一端会带上与带电体电荷性质相反的电荷，远离带电体的一端会带上与带
电体电荷性质相同的电荷。这种现象叫静电感应（图15—7）。
带电体 带电体
导体 导体
（a） （b）
图15—7 静电感应
静电的利用与防止
摩擦起电、静电感应都是静电现象。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。图 15—2、图 15—3 中的塑料梳子吸引小纸
屑、塑料棒使细水流弯曲也都是静电现象。第一节 静电现象 63
静电现象在现代技术中有很多应用，如静电除
尘、静电复印、静电植绒、静电喷涂等。
有些汽车表面光亮的油漆，采用的便是静电喷涂
的方法。喷涂时，让雾化的油漆微粒和要喷涂的工件
分别带异种电荷，油漆微粒在异种电荷的吸引下会飞
图15—8 静电喷涂
向工件表面，并被工件吸附形成漆膜（图15—8）。这
种喷涂方式比人工喷漆浪费少、质量好、效率高，还降低了对工人健康的影响。
静电处理不好，也会对生活生产造成危害。例如，静电可能引起人烦躁、
疲乏，甚至失眠、头疼；静电会使工业产品吸附灰尘而降低成品率，产生的电
火花还可能引起爆炸和火灾。为避免静电产生的不利影响，可采取增加环境湿
度或接地的方法。油罐车车尾装有拖在地上的铁链，便是一种减少静电影响的
措施。请分析一下其中的原理。
物 理 聊 吧
科技馆常常有这样的体验项目，当
参观者站在绝缘台板上，将手放到静电
球上，参观者的头发就会竖立起来（图
15-9）。这是为什么呢？这与图 15-1
中的塑料细丝飘起来有什么异同，请结
合所学知识解释以上现象。 图15—9 头发竖起来
作 业
1. 家里的电视机屏幕比其他物体表面更容易沾灰尘，这是
为什么？用气球摩擦头发后，头发会“飘”向气球（图15—10），
这又是为什么？
2. 小明把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。有同学认为泡沫小球一定带正电，这种
看法正确吗？为什么？若泡沫小球被排斥，结论又如何？ 图15—1064 第十五章 电与电路
3. 一个验电器的两片金属箔因带电而张开，则这两片金属箔一定（ ）。
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 15—11 所示。选择
符合D球带电情况的选项并说明理由。
A. 与 A球带同种电荷
A B C B C D
B. 与B球带同种电荷 （a） （b） （c）
C. 与C球带同种电荷 图15—11
D. 与 A球带异种电荷
5. 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。
请你解释出现这种现象的原因。
6. 查阅相关资料，了解静电在生活、生产中的应用，写一篇关于静电应
用的小论文。
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.
……第第二二节节 让让电电灯灯发发光光 6655
第 二 节
让电灯发光
电与人们的生活息息相关：冬天用电烤火炉取 本节要点
暖，夏天用空调、电扇送凉；灯光让夜晚的城市五
知道电路的
彩缤纷（图 15—12）。电是怎样让它们工作的呢？下
通路、开路和短
面，我们学习简单电路的相关知识。
路，会看、会画
简单的电路图，会
连接简单的串联
电路和并联电路；
能说出生活中采
用简单串联或并
联电路的实例。
图15—12 城市夜景
电路的组成
人们用电离不开电路。电路由哪些部分组成呢？当你用导线将电源、用
电器、开关等连接成一个电流流通的回路时，
电池
便组成了一个简单电路。
图 15—13 表示的就是一个简单而完整的
电路。在这个电路里，电池是电路的电源，它
开关
供给电路电能。在电源的作用下，电荷产生定
电灯
向移动便形成持续电流（electric current），这
与水管中的水定向流动形成“水流”类似。电 图15—13 电路66 第十五章 电与电路
灯是用电器，开关则可将电路连通或断开。
图 15—14（a）中的电池是常见电源，电池有正、负两极，正极用“+”表
示，负极用“-”表示。图 15—14（b）中的开关是一种最简单的开关。图
15—15中的用电器可以将电能转化为内能或机械能。
（a）电池 （b）开关
图15—14 电池与开关 图15—15 几种用电器
科学书屋
集成电路
实际电路通常很复杂。一台小收音机的电路中就有几十个电路元
件；计算机芯片的电路更像一个迷宫，连接着数千万甚至数亿个电路
元件（图15—16）。
集成电路是非常复杂的电
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。集成
电路设计图必须很大且精细，
微缩后再输入计算机，作为生
产的蓝图。但不论集成电路如
何复杂，它们仍然是由基本电
路构成的。 图15—16 含计算机芯片的电路第二节 让电灯发光 67
通路、开路和短路
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。
通路指处处连通的电路（图 15—17）。
电路处处连通又叫电路闭合。只有电路闭
合时，电路中才有电流。
开路指在电路中某处断开的电路（图
15—18）。开路时，电路中还有电流吗？
图15—17 通路
（a） （b）
图15—18 开路
短路指不经过用电器直接将电源两极用导线连通的电路（图 15—19）。短
路时，电流很大，可能烧坏电源和导线。在生产生活中若发生短路，用电器不
能工作，严重时会引发火灾。所以，一般情况下短路是不允许的。
（a） （b）
图15—19 短路68 第十五章 电与电路
用电器两端被导线直接连通，这时电流流经外加导线而绕过用电器，这
种情况叫做该用电器短路。图 15—20 中，闭合开关后，灯泡 L 、L 正常发光。
1 2
若断开开关，用导线连接在灯泡 L 的两端，重新闭合开关，灯泡 L 还会亮
2 2
吗？请你试一试，思考产生这种现象的原因。
知道规范连接 素
养
电路的重要性，能 提
升
L L S 从物理学视角解释
1 2
短路的危害，知道
安全用电的重要性，
有安全生活的意识，
能提醒他人重视用
图15—20 灯泡短路还会亮吗？
电安全。
电路图
为了形象、简单地表示实际电路的情况，常用规定的符号表示电源、开
关、用电器等电路元件（图15—21）。
电源
开关 灯泡
电动机 定值电阻 滑动变阻器
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15—21 电路元件及其符号第二节 让电灯发光 69
用规定符号表示电路连接情况的图叫电路图。图15—22
是电路实物图15—20的电路图。画电路图时应注意：（ 1）要
S
用统一规定的符号；（ 2）要简洁、整齐。
L L
1 2
电路的连接
图15—22 电路图
实际电路中，用电器常常不止一个，如夜晚五彩缤纷的一串串彩灯，家里
的电灯、电视机和空调。用电器之间是怎样连接的呢？
图 15—23 和图 15—24 是最常见的两种连接方式。仔细观察比较，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15—23 串联电路 图15—24 并联电路
两个灯泡逐个顺次串接在一起，再接入电路中，这类连接方式叫做串联
（series connection）。图 15—23 所示的串联电路只要断开开关就处于开路状态，
两个灯泡都不会发光。
两个灯泡的两端并列地连在一起，再接入电路中，这类连接方式叫做并联
（parallel connection）。在图 15—24 的并联电路中，只有部分电流通过的电路叫
支路，而所有电流都会通过的那部分电路叫干路。若要使并联电路中的灯泡有
的发光、有的不发光，应如何连接开关？
串联电路和并联电路是最基本的电路，实际生活中的许多电路都是由它们
组合而成的。观察图 15—25，想一想，家庭中的各种用电器采取的是哪种连接
方式？70 第十五章 电与电路
220 V
图15—25 家用电器的连接
用电需要连接电路，进行电学实验也需要连接电路。要连接好电路，一般
应先设计电路图，然后根据电路图按照一定的顺序连接电路元件。例如，可从
电源正极出发，依次连接开关、用电器，再回到电源的负极。连接电路时，开
关应该断开，按照安全用电要求规范操作。若要检查家用电器的连接，请一定
在有经验的电工师傅指导下进行，不能盲目动手操作。
迷 你 实 验 室
控制灯泡的亮灭
课桌上有两个不同规格的灯泡，一个开关，一个电池组。
请将这些电路元件连成串联电路，注意观察两个灯泡的亮度。如
果开关换到另外的位置，会影响它对灯泡的控制吗？
再将两个灯泡连成并联电路，使开关能控制两个灯泡的亮灭，注
意观察它们的亮度。如果把开关换到支路，会影响它对两个灯泡的控
制吗？
与同学交流你的实验结论。
作 业
1. 家中的卫生间一般都安装了照明灯和换气扇。使用时，有时需要各自
独立工作，有时需要同时工作。从图 15—26 的电路中，选择符合上述要求的
电路并说明理由。第二节 让电灯发光 71
S
L L L L 1
S S S
2 2 2
S 220 V S 220 V S 220 V 220 V
1 1
A. B. C. D.
图15—26
2. 用一个开关同时控制两盏电灯，两盏电灯可连成________电路，也可连
成 ________电路；要用两个开关分别控制两盏电灯，两盏灯需连成 ________
电路，并且两个开关要分别接在________上，两盏灯才能互不影响。
3. 一位同学按照图15—27连接了电路。当
开关S、S 断开时，电路处于_______状态；当
1 2
开关S 闭合、S 断开时，电路处于_______状态； S
1 2 1
当开关 S 、S 都闭合时，电路处于 _______ 状
1 2
S
态。请问这位同学能这样连接电路吗？为什么？ 2
4. 图 15—28 是既能吹冷风又能吹热风的电 图15—27
吹风机的简化电路，图中 A 是电热丝，B 是电
S S
动机。将插头插入插座，若只闭合开关 S ，电 2 1
1
吹风机吹出的是 ________ 风；若将开关 S、S
l 2 A B
都闭合，电吹风机吹出的是________风。 插头
5. 图 15—29（a）是小电扇的电路图，请在
图 15—29（b）中用笔画线表示导线连接对应的 图15—28
实物图。
+ -
（a） （b）
图15—2972 第十五章 电与电路
6. 用笔画线表示导线，将图 15—30（a）中的电路元件连接成串联电路；
将图 15—30（b）中的两个灯泡连接成并联电路，要求开关同时控制两个灯泡
发光。
S
L 1 S L 1
L L
2 2
（a） （b）
图15—30
7. 在家长的指导下，观察节日时用的小彩灯（图 15—31），看看小彩灯是
怎样连接的，尝试画出部分电路图。
图15—31
请提问
1. 先设计电路图再连接电路元件，有什么好处？
2.
3.
……第第三三节节 测测量量：：用用电电流流表表测测量量电电流流 7733
第 三 节
测量：用电流表测量电流
家庭电路中的用电器一般是并联的，仔 本节要点
细观察它们的铭牌，你会发现，不同用电器
能完成“用电流表测量
正常工作时的电流一般是不同的。本节我们
电流”的实验，会正确选择
学习电流和电流的测量。
电流表量程，能将电流表正
确接入电路进行测量，能
电流
正确读取电流表的示数，
能按要求完成实验报告。
我们知道，电路闭合时，电路中的自由
电荷会定向移动，形成持续的电流。物理
学规定：正电荷定向移动的方向为电流的方
向。根据这个规定，电流总是从电源的正极
流出，经过导线和用电器等流入电源的负极
（图15—32）。
水管中的“水流”有大小，类似地，导
体中的电流也有大小。通常，电流用字母 I 图15—32 电流的方向
表示。在国际单位制中，电流的单位是安培（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 = 1 000 μA
不同的用电器，正常工作时的电流有大有小。例如，手机处于通话状态时
的电流约为 300 ～ 500 mA；彩色电视机的电流约为 0.5 A；家用电冰箱的电流
约为 1 A；雷电产生的瞬间电流可达几万至几十万安培。远距离输电的电流都
较大，如三峡水电站向华东电网输出电流高达6 000 A。74 第十五章 电与电路
电流表
我们通常用电流表测量电流，电流表在电路图中的
符号是“ ”。实验室常见的电流表如图 15—33 所示，
灵敏电流计用于测量微小电流，学生电流表用于测量实
验中的一般电流。学生电流表有三个接线柱，红色接线
柱为正接线柱，旁边标有“0.6”或“3”，表示电流表的
量程为 0 ～ 0.6 A 或 0 ～ 3 A；黑色接线柱为负接线柱，
（a）灵敏电流计
旁边标有“-”。
用电流表测量电路中的电流时，需注意： （1） 电流
表必须与被测用电器串联，让电流从正接线柱流入，从
负接线柱流出（图 15—34）；（ 2） 被测电流的大小不能超
过电流表的量程；（3） 不允许电流表直接接到电源的两
极。若违反以上规定，可能会损坏电流表。
（b）学生电流表
读数时先确定电流表选用的量程和分度值，再从
图15—33 实验室
指针所指位置进行读数。如图 15—35（a）所示，选择
常用电流表
量程 0 ～ 3 A 时，表盘上每一大格代表的电流大小为
1 A，每一小格代表的电流大小为 0.1 A，电流表的示数为 2.50 A。当选择量程
0 ～ 0.6 A 时，请读出图15—35（b）中电流表的示数。
（a） （b）
图15—34 电流表的连接 图15—35 电流表的示数第三节 测量：用电流表测量电流 75
实验：用电流表测量电流
用电流表测量电路中的电流，是物理实验常用的方法。怎样科学规范地测
量电流？下面，我们学习用电流表测量电路中电流的方法。
测量
方 法 点 拨
实验目的
若测量前无法
1. 学习使用电流表。
估计待测电流的大
2. 用电流表测量电路中的电流。
小，可先选择电流
实验器材 表的较大量程接入电
路，然后将开关闭合
电池组、电流表、小灯泡、开关及导线。
后迅速断开（试触），
实验步骤
观察电流表指针的
1. 选择电流表的合适量程， 偏转情况。若电流
按照电路图（图 15—36）将实验 表的示数在较小量
器材规范地连接起来，电流表串 程范围内，则选择
B A
联在电路图的A处（图15—37）。 图15—36 电路图 较小量程。
安全 警示
注意待测电流
不能超过电流表的量
程，不要把电流表的
正、负接线柱接反，
图15—37 实物电路图 以免损坏电流表。
实验准备及连线过
2. 闭合开关，待指针稳定后，根据所指的刻度
程中都要断开开关，
读出被测电流的大小，记录在自己设计的记录表中。
注意安全。
重复测量。76 第十五章 电与电路
3. 将电流表串联在图 15—36 中电路图的 B 物理在线
处，重复步骤2。 查阅资料，了解测
量用电器电流时为什么
实验结论
电流表要与用电器串联。
1. 写出电流表分别串联在 A 处和 B 处测
得的电流。
能规范、安全 素
2. 总结得出流出和流入灯泡电流的关系。
养
地使用电流表测量 提
交流讨论
升
电流，能根据测量
若是由两个灯泡组成的串联电路，电路中
数据得出结论；具
各处的电流大小是否相同？
有使用电流表解决简
单问题的意识。
作 业
1. 请完成“用电流表测量电流”的实验报告，在报告中需展示实验设计、
记录实验数据的表格，并说明得出实验结论的依据。
2. 关于电流，下列说法中正确的是（ ）。
A. 电路中电荷移动形成电流
B. 电路中定向移动的电荷一定是正电荷
C. 电路中定向移动的电荷一定是负电荷
D. 正电荷定向移动的方向规定为电流的方向
3. 图 15—38 所示是电流表的表盘，电流表的示数可能是
_____________。
4. 电路中有持续电流的条件是电路中有 ______________，
且电路是________。 图15—38
5. 用电流表测量通过灯泡的电流时，有三位同学的电流表连接分别如图
15—39（a）（b）（c）所示。这三位同学电流表的连接正确吗？若不正确，错在
哪里？第三节 测量：用电流表测量电流 77
（a） （b） （c）
图15—39
请提问
1. 电路中电荷的定向移动有可能是正电荷和负电荷同时在移动吗？
2.
3.
……7788 第第十十五五章章 电电与与电电路路
第 四 节
测量：用电压表测量电压
一节干电池（图 15—40）的电压大约是 1.5 V， 本节要点
石英手表所用纽扣电池的电压也是 1.5 V，家庭电路
能完成“用电
中的电压是 220 V。这里所说的电压是什么含义？本
压表测量电压”的
节我们学习电压和电压的测量。
实验，会正确选择
电压表的量程，能
电压
将电压表正确接入
电路进行测量，能
水管中的水会做定向流动，是因为有水压。类似
正确读取电压表的
地，电荷在电路中做定向运动时，电路两端也需要电
示数；能按要求完
压（voltage）。接通电路，电路中的电源使电路两端保
成实验报告。
持一定的电压，电路中的电荷就会持续地定向运动，
电路中就有持续的电流。电压是形成电流的原因。
电压有高低。电压用字母 U 表示，在国际单位
制中，其单位是伏特（volt），简称伏，符号是 V。
图15—40 一节干电池
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
电源给电路两端提供电压，不同的电源提供的
电压一般是不同的。
生活中常见的电压也有高有低，我国提供给家
图15—41 发生闪电的云层
庭电路的电压是 220 V，提供给动力用电的电压是
380 V，对人体的安全电压不高于 36 V，手机的充电电压一般约为 5 V，闪电
云层的电压高达105 kV（图15—41）。第四节 测量：用电压表测量电压 79
电压表
我们通常用电压表测量电压，电压表在电路图中
的符号是“ ”。如图 15—42 所示，常用的学生电
压表也有三个接线柱，红色接线柱为正接线柱，旁边
标有“3”或“15”，表示电压表的量程为 0 ～ 3 V 或
0 ～ 15 V；黑色接线柱为负接线柱，旁边标有“-”。 图15—42 实验室
常用电压表
用电压表测量电路中电压时，需注意：（1） 电压
表要与被测用电器并联，让电流从正接线柱流入，从
负接线柱流出；（2） 被测电压的大小不能超过电压表
的量程。若违反以上规定，可能会损坏电压表。
读数时要先确定电压表选用的量程和分度值，再
从指针所指位置进行读数。如图15—43（a）中，选
择量程0 ～ 15 V，表盘上每一大格表示5 V，每一小
（a）量程选0 ~ 15 V
格表示0.5 V，电压表的示数为12.5 V。若选择量程
0 ～ 3 V，请读出图 15—43（b）中电压表的示数。
实验：用电压表测量电压
怎样用电压表测出电池以及用电器两端的电压？
我们一起来进行下面的实验。 （b）量程选0 ~ 3 V
图15—43 电压表的示数
测量 安全 警示
实验目的 注意待测电压不能
1. 学习使用电压表。 超过电压表的量程，不要
2. 测量电源电压和小灯泡发光时两端的 把电压表的正、负接线柱
电压。 接反，以免损坏电压表。80 第十五章 电与电路
实验器材
电池、电池盒、电压表、小灯泡、开关及导线。
实验步骤
1. 选择电压表的恰当量程，然后把电压 物理在线
表直接接在电源两端（图 15—44）。闭合开 查阅资料，了解测量
关，指针稳定后电压表的示数可视为电源的 用电器电压时为什么电压
电压，在自己设计的实验表格中记录测量数 表要与用电器并联起来。
据。换成一节电池，重复实验。
L
图15—44 测两节干电池串联的电压 图15—45 测量灯泡两端电压的电路图
2. 根据电源电压选择电压表的恰当量程。按照图15—45所示的电路图将实
验器材连接起来，闭合开关，待指针稳定后，读出并记录电压表示数。
实验结论
能规范、安全 素
写出测得的电源电压和小灯泡两端的电压。
养
地使用电压表测量 提
交流讨论
升
电压，能根据电路
比较电压表和电流表的使用，有哪些异同？
图连接实物图；具
如果电路中有两个小灯泡串联，该怎样分
有使用电压表解决
别测它们的电压？猜一猜它们的电压与电源电
简单问题的意识。
压有怎样的关系？
作 业
1. 请完成“用电压表测量电压”的实验报告，在报告中需展示实验设计、
根据电路图连接实物图的照片、有实验数据的表格。第四节 测量：用电压表测量电压 81
2. 关于电压表的使用，下列说法中错误的是（ ）。
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把电压表直接接在电源两极上
3. 如图 15—46 所示，要用电压表测量灯泡 L 两端的电压，正确的接法是
（ ）。
L L
L L
+ - - +
- + + -
A. B. C. D.
图15—46
4. 我国家庭电路的电压是______V，一节干电池的电压大约是______V。
5. 如图 15—47 所示为一电压表的表盘，此时电压表的示数为 ______V；
若用的是另一量程，指针位置不变，则电压表的示数是______V。
L
1
L
2
图15—47 图15—48
6. 如图15—48所示电路，请用笔画线表示导线完成电路连接。要求：两
灯串联，电压表测量L 两端的电压，导线不能交叉。
1
请提问
1. 能否用电压表测量电流？为什么？
……8822 第第十十五五章章 电电与与电电路路
第 五 节
探究：串、并联电路中电流、
电压的特点
用电器通常是串联或并联在电路中， 本节要点
电路中的电流与电压会影响用电器的工
能完成“探究串联电路
作，那么串联或并联电路中的电流、电
和并联电路中电流、电压的特
压有什么特点呢？
点”这一实验，能按要求完成
在前面测量小灯泡电流和电压的实
实验报告；了解串联电路和并
验中，大家对此已有一些猜想，请写出
联电路中电流、电压的特点，
自己的猜想。下面我们通过实验探究，
能运用其解决简单的实际问题。
验证大家的猜想是否正确。
探究
实验目的
1. 探究串联电路中电流、电压的特点。
2. 探究并联电路中电流、电压的特点。
实验器材 安全 警示
电池组、电流表、电压表、规格不同的灯泡、 注意待测电流、
开关及导线。 待测电压不能超过
电表的量程；不要把
实验步骤
电表的正、负接线
1. 探究串联电路中电流、电压的特点
柱接反；电流表不能
（1） 探究串联电路中电流的特点。按照电路图
与灯泡并联。
15—49，将实验器材连接起来，然后将电流表分别串第五节 探究：串、并联电路中电流、电压的特点 83
联在 A、 B、 C 处，测出通过这三处的电流，将测量结
果记录在自己设计的表格中。换不同规格的灯泡重复
上述实验。测量结果与你的猜想一致吗？
L L
（2） 探究串联电路中电压的特点。继续使用根据图 2 1
C B A
15—49连接的电路，将电压表分别并联在A、B之间，
图15—49 灯泡串联的
B、C之间以及A、C之间，测出并记录电压值。换不
电路图
同规格的灯泡重复实验。测量结果与你的猜想一致吗？
2. 探究并联电路中电流、电压的特点
（1） 探究并联电路中电流的特点。按照电路图 L
1
15—50，将实验器材连接起来，然后将电流表分别串联
L
2
在灯泡L 、 L 支路和干路中，测得通过支路和干路的
1 2
电流，将测量结果记录在自己设计的表格中。换不同
规格的灯泡重复实验。测量结果与你的猜想一致吗？
（2） 探究并联电路中电压的特点。请写出测量 图15—50 灯泡并联的
电路图
步骤，将测量结果与你的猜想比较。
实验结论
1. 写出从步骤1得出的实验结论。 能对串、并联 素
养
2. 写出从步骤２得出的实验结论。 电路电流、电压特 提
升
点作出有依据的猜
反思交流
想，能独立设计实验
1. 实验中为什么要换不同规格的灯泡？
方案，收集证据、得
2.“ 如果用电器规格不同，它们两端的电压
出结论、验证猜想。
一定不同。”这种看法是否正确？
大量实验表明：
串联电路中各处的电流相等，串联电路两端的电
压等于各部分电路两端电压之和。
并联电路中，干路电流等于各支路电流的总和，
各支路两端的电压相等。84 第十五章 电与电路
作 业
1. 请完成“探究串联电路和并联电路中电流、电压的特点”的实验报告，在
报告中需展示实验设计、连接的实物图照片、有实验数据的表格及对应的结论。
2. 在探究并联电路中电流的特点时，小李同学测得两条支路中的电流分
别为 0.50 A 和 0.36 A，那么干路中的电流是多少？测
b
量时，干路中的电流表的量程应选用的是0 ～ 0.6 A 还
是0 ～ 3 A ？为什么？
a c d
3. 如图 15—51 所示，闭合开关后，比较电路中
S
a、b、c、d 四处电流的大小，选择其中错误的选项并
说明理由。 图15—51
A. I = I B. I = I C. I ＞I D. I ＞I
a d b d a b d c
4. 某同学根据图15—52（a）中的电路探究串联电路中电压的特点。
（1） 连接实物时，开关应________；
（2） 用同一个电压表分别测出
A与B之间、B与C之间、A与C之
间的电压值U 、U 、U ，在如图
AB BC AC
L L
1 2
15—52（b）所示的电压表的3个示数
A B C
中，最小的是 L 两端的电压值，请
1 （a） （b）
分别判断并写出上述 3 个电压值； 图15—52
（3） 分析数据可得出结论：_______________________________________；
（4） 在测量灯L 两端电压时，电压表量程的选择是否恰当？为什么？
1
5. 在探究串联电路电压的特点时，小明同学使用的实验电路如图 15—53
所示。他先用电压表正确地测量了灯泡 L 两端的
1
电压，为了测量灯泡 L 两端的电压，他想将电
2
压表接 A 处的那一段导线改接到电路中的 C 处， C A
且保持电压表接 B 点不动，你认为这种接法是
L L
2 1
_____________（选填“正确”或“不正确”）的，
B
理由是____________________________________。 图15—53第五节 探究：串、并联电路中电流、电压的特点 85
6. 用笔画线表示导线，连接
图 15—54 的实物图，使两个小灯
泡并联，电流表能够测出通过其中
一个小灯泡的电流（估计为 0.1 ～
0.5 A）。画出对应的电路图，并在
图中标出电流表的正、负接线柱
（用“+”“-”表示）。
7. 图 15—55（a）是小倩同学
图15—54
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） 撤掉导线后，闭合开关，电流表的示数见图 15—55（b），则测得的电
流是________A；
（3） 若通过L 的电流是0.20 A，则通过L 的电流是________A。
1 2
L
2
a
L
1
b
（a） （b）
图15—55
请提问
1. 电流表为何不能与被测用电器并联？
2.
……跨学科
8866 第十五章 电与电路
实 践
探究雷电的奥秘
问题缘起
“雷车驾雨龙尽起，电行半空如狂矢。”雷电是自然界常见的静电现象，
雷电是怎样产生的？雷电对生产生活会产生什么影响？下面，我们通过实
践活动进行探究。
活动方案
本活动涉及静电、臭氧、生活生产安全
等相关内容。
任务一：查阅并整理资料。了解雷电产
生的原因，调查我国历史上关于雷电的记载
和预防雷击的措施。
任务二：调查学校建筑和家庭住宅采取 图15—56 古建筑预防雷击的措施
的预防雷击措施，对人和建筑物等避免雷击
采取必要的防范措施（图15—56）提出建议。
安全 警示
交流评价
到楼房实地调
完成《雷电的产生及防护措施》调查报
查时，注意安全，
告，与同学交流研究成果。
不要随意触碰避雷
拓展研究
设施。有雷电的天
查阅资料，调研历史上关于富兰克林通
气尽量避免外出。
过放风筝的方法收集雷电的记载，梳理相关
信息，得出自己的结论。本章练习 87
本章练习
科学认知与辨析
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. 洗衣机 B. 电视机
C. 电热水器 D. 半导体收音机
2. 图 15—57 是一个简化的电冰箱电路图，其中 表示压缩机用的电动
机，L是电冰箱内的照明灯泡，则下列说法中正确的是（ ）。
A. 灯泡L与电动机 是串联的
B. 灯泡L与电动机 是并联的 S
1 电源
C. 开关S 控制灯泡L与电动机 L
1 S
2
D. 开关S 控制灯泡L与电动机
2
图15—57
3. 如图 15—58 所示，电路中开关闭合后，两盏
L L
1 2
灯都不亮；用一根导线连接a、b 两点后，灯 L 不亮，
1 a b
灯 L 亮。假如故障只有一处，那么，电路的故障可能
2
是（ ）。
A. 灯L 开路 B. 灯L 短路
1 1
图15—58
C. 灯L 开路 D. 灯L 短路
2 2
4. 干燥的秋天，脱下毛衣后，用手臂靠近小泡沫块，泡沫块就会粘到手
臂上，这是因为 ______________________________________。若手臂带负
电，用手接触不带电的验电器金属球，金属球与手臂之间的瞬间电流方向是
__________________（选填“手臂到金属球”或“金属球到手臂”）。
5. 居民楼的楼道里，夜间只是偶尔有人经过，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。在图15—59 的电路
中，请选出属于这种楼道灯的电路并说明理由。88 第十五章 电与电路
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15—59
6. 交管部门依法严管行人闯红灯的违法行为。根据“红灯停、绿灯行”
的交通规则，请选出图15—60中可按要求控制红绿灯的电路并说明理由。
S 红灯 绿灯 S 红灯 S
2 1 1
S 红灯
红灯 S 1 绿灯 S S S 2 绿灯 2
1 2
绿灯
A. B. C. D.
图15—60
科学实验
7. 用电压表测用电器两端的电压时，一位同学选择的量程是0 ～ 15 V，另
一位同学却按照 0 ～ 3 V 的量程读成了 1.90 V，实际测得的电压应该是多少？
电压表指针所指示的同一位置，对应两个量程的示数有怎样的关系？
8. 某火车车厢后面有两间厕所，厕所关门时，对应的开关闭合。只有当
两间厕所的门都关上时，车厢指示灯才会发光，指示牌才会显示“厕所有人”
字样，提醒旅客两间厕所内都有人。请你把图 15—61 中的各元件符号连接成
符合上述设计要求的电路图。
厕所
S 1 指示
S
2 电源
厕所
图15—61本章练习 89
9. 小明和小英一起做“探究并联电路中电流的特点”实验。
（1） 图 15—62（a）是他们设计的电路图，图 15—62（b）是他们测量电流
时连接的实验电路，此时电流表测量的是________（选填“A”“B”或“C”）
处的电流；
（2） 请在图 15—62（b）中移动一根导线，测量另外一处的电流。在移动
的导线上画“×”，并用笔画线表示导线连接正确的电路。移动后电流表测量
的是________（选填“A”“B”或“C”）处的电流。
L
1
A L L 2
1
C B L 2
S
（a） （b）
图15—62
本 章 总 结
本章的要点有90 第十六章 探究电路
第十六章
探究电路
第一节 电阻和变阻器
第二节 探究：电流与电压、电阻
的关系
第三节 测量：用电流表和电压表
测量电阻
第四节 家庭电路
实 践 设计安全用电科普活动
本章学业要求
能认识电阻及变阻器的作用，理解
欧姆定律，了解家庭电路的组成；能用
欧姆定律解释简单电路的实际问题。
能运用表格和图像对简单电路进行
分析推理；能用与电路相关的证据说明
结论并作出解释；能对他人观点提出有
依据的质疑。
能完成“探究电流与电压、电阻的
关系”“用‘伏安法’测量电阻”等实验；
有安全进行电学实验的行为规范；能基于
证据分析论证；能积极参与讨论和交流。
知道科学研究要基于证据的重要性；
思考：不同灯泡的亮 能体会科技进步对人类生活和社会发展
度为何不同？如何控 的影响，能将安全用电的知识应用于生
制灯泡的亮度？ 活实际，知道科学用电的重要意义。第第一一节节 电电阻阻和和变变阻阻器器 9911
第 一 节
电阻和变阻器
日常生活中用于连接用电器的导线通常 本节要点
是用铜做的，并且连接不同用电器的导线往
知道电阻，了解变阻
往粗细不同。这是为什么呢？本节将讨论与
器的结构和作用，能运用
此有关的问题。
电阻知识解决一些相关问
题；能用控制变量法探究
电阻
影响电阻大小的因素。
水在水管中流动会受到阻力，类似地，电荷在导体中定向移动形成电流
时，也会受到阻碍。物理学中，把导体对电流的阻碍作用叫电阻（resistance）。
电阻用字母 R 表示，在国际单位制中，其单位是欧姆，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 16—1），用来调节电路中的电流
和电压。电阻器（简称电阻）在电路图中的符号是“ ”。
实验用的 1 m 长的铜导线，电阻约百分之几欧，通常
可以略去不计。小灯泡正常发光时灯丝电阻为几欧到十几
欧，日常用的电暖器和电烤箱的电阻约为几十欧，白炽灯
（60 W）正常发光时的电阻为800 Ω左右。
图16—1 电阻器
电阻的大小与哪些因素有关
导体电阻的大小与哪些因素有关呢？下面，我们用实验来探究这个问题。92 第十六章 探究电路
做 中 学
探究影响导体电阻大小的因素
用图 16—2 的实验装置进行实验。a、b、c 是三根用同种材料制
成的导体，a、b长度相同但粗细（横截面积）不同，a、c粗细相同而
长度不同；导体d与c的
N a M
长度、粗细都相同，但材 b
c
料不同。 d
将四根导体分别接
入相同电路中，记录电
路中的电流并分析实验
结果，可以得到什么结
论呢？
图16—2 实验装置
大量实验表明：
横截面积相同的同种材料的导体，长度越长，电
阻越大；长度相同的同种材料的导体，横截面积越小，
电阻越大；长度和横截面积都相同的不同材料的导体，
其电阻一般不同。
研究表明，导体的电阻是导体本身的一种性质，它的大小与导体的材料、
长度、横截面积和温度有关。
能运用控制变 素
白炽灯不工作时（灯丝处于常温）的电阻
养
量法设计方案，能 提
为几十欧，而白炽灯正常发光时，其电阻却高
升
基于实验证据分析
达几百、几千欧。在初中物理的学习中，通常
自己猜想的合理性。
不考虑温度对电阻的影响。第一节 电阻和变阻器 93
科学书屋
导体、绝缘体、半导体和超导体
图 16—3 是生活中常见材料在导电性能方面的排序。电阻较小的材
料导电性能较强，电阻较大的材料导电性能较弱。人们常把容易导电
的材料叫做导体，不容易导电的材料叫做绝缘体。有些材料的导电性
能介于导体和绝缘体之间，叫做半导体。20世纪初，科学家们还发现，
有些材料在很低的温度时，电阻就变成了0，这就是超导现象。发生超
导现象的物体叫做超导体。请上网查阅资料，了解半导体和超导体的
特性及我国科学家在这方面研究的贡献。
导电能力增强
镍
铬
合
金
图16—3 导电性能排序
变阻器
通常，我们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。图 16—4 是实验中常用的一种变阻器——滑动变
图16—4 滑动变阻器示意图及符号
陶 橡 玻 干 干 汽 硅 锗 湿 地 酸 铁 铝 铜 银
瓷 胶 璃 布 纸 油 木 表 （
或
碱
）
溶
液
P
C 金属滑片P C D
金属杆
D
A B
（b）结构示意图
A
B
（a）实物示意图 （c）电路图符号94 第十六章 探究电路
阻器，外面涂有绝缘层的电阻丝密绕在绝缘瓷筒上，电阻丝与金属杆上滑片
P 接触处的绝缘层已刮掉。滑片 P 通过金属杆和接线柱 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；同样地，A
与 D、B 与 C、B 与 D 两个接线柱间电阻丝的长度也会不一样。这样，当滑动
变阻器接入电路后，通过滑片 P 来控制两个接线柱间电阻丝的长度，就可以
改变接入电路中电阻的大小。
做 中 学
用滑动变阻器控制灯泡亮度
如图 16—5 所示连接电路，闭合开关，当滑动变阻器的滑片
位于图中位置时，灯泡较暗。若要使灯泡由暗变亮，滑动变阻器
的滑片应向哪个方向移动？尝试移动滑片，观察电流表的示数或
灯泡的亮度变化。想一想，接通电路前应将滑片放到什么位置？
为什么？
C P
D
A
B
图16—5 用滑动变阻器控制灯泡亮度
实验发现，当滑动变阻器的滑片向 A 端移动时，接入电路中的电阻减小，
电路中的电流变大，灯泡变亮。为了电路的安全，通常接通电路前应将滑片移
至滑动变阻器阻值最大处。
变阻器通常标有最大电阻和允许通过的最大电流，使用时要根据需要进行
选择。若通过的电流超过最大值，变阻器可能会损坏。第一节 电阻和变阻器 95
物 理 聊 吧
对照图16—4，与同学讨论以下几个问题。
（1） 滑动变阻器有 A、B、C、D 共 4 个接线柱，而接入电路时
只需接其中2个接线柱，有几种接法？
（2） 在每种接法中，滑动变阻器上哪部分电阻丝有电流通过？
（3） 哪几种接法能起到改变电阻的作用？哪几种接法不能改变
电阻？
电阻箱是实验室中另一种变阻器。电阻箱不仅可
调节电阻大小，还能显示电阻阻值。请尝试读出图
16—6中电阻箱的阻值。
变阻器在生活中的应用很广泛。例如，家用电器
×100 ×1 k
的音量调节、台灯调光和电热毯的温度调节皆用到变
阻器（这类变阻器常称为电位器），即通过改变电阻
来实现调音量、调光、调温等功能。现在还有一种用
×1 ×10
数字信号改变阻值的数字电位器，这种电位器的噪声
小、寿命长、抗环境污染，并可通过程序调控，常用 图16—6 电阻箱
于自动检测与控制、智能仪器仪表等重要领域。
迷 你 实 验 室
自制调光小台灯
了解调光台灯的工作原理，选取台灯支
架、照明灯、电位器、电烙铁、黏胶等材
料自制一个调光小台灯（图 16-7）。给制作
好的小台灯接通电源，调节电位器，观察
其亮度变化，体会变阻器在电路中的调节
作用。 图16-7 调光小台灯96 第十六章 探究电路
作 业
1. 在温度一定的条件下，采用控制变量法做“探究影响导体电阻大小的
因素”实验。表16—1给出了实验中所用导体的情况。
表16—1
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 锰铜 钨 锰铜 镍铬
选择导体 C、F 进行对比，是为了探究导体电阻大小与 ________ 是否有
关；选择导体 C 和导体 ________（选填导体代号）进行对比，是为了探究导
体电阻与其长度的关系；为了探究导体电阻与其横截面积的关系，应选择的两
个导体是________（选填导体代号）。
2. 我国城乡许多地区实施了输电线改造工程，将原来细的铜质输电线换
成较粗的铜质输电线，这样做 ________（选填“增大”或“减小”）了输电线
的电阻。
3. 白炽灯灯泡的灯丝用久了，灯丝的电阻是变大还是变小？为什么？
4. 图 16—8 是四个接线柱的滑动变阻器的结构示意
P
图，将接线柱 A、D 接入电路时，滑片 P 向右移动，接 C D
入电路的电阻丝长度和接入电路的阻值如何变化？若将
A B
接线柱 B、 C 接入电路，滑片 P 向右移动时，接入电路的 图16—8
阻值又将怎样变化？
5. 在如图 16—9 所示的电路中，为了电路安全，在
闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应该置于图中的哪端？
为什么？
P
6. 在如图16—10所示的电路中，R是用铅笔芯做成的
a b
一种变阻器。闭合开关后，要使灯泡暗些，导线夹应向哪
图16—9
端移动？为什么？第一节 电阻和变阻器 97
A
R
B
图16—10
7.* 图 16—11 给出了几种电路元件，请在图上用笔画线表示导线把它们连
接起来，要求 L 与 L 并联，开关连接在干路上，并且用滑动变阻器控制两个
1 2
灯泡的亮度。
L C P
1
D
L A
2
B
图16—11
请提问
1. 在电路中，变阻器有什么作用？
2.
3.
……9988 第第十十六六章章 探探究究电电路路
第 二 节
探究：电流与电压、
电阻的关系
现代生活，人们越来越重视家庭照明，种类繁 本节要点
多、规格不同的灯具（图 16-12）不断走进家庭。
能完成“探究电
我们知道，灯泡发光离不开电流，那灯泡中通过的
流与电压、电阻的关
电流大小与哪些因素有关呢？本节我们通过实验来
系”实验；能在规划
探究这个问题。
实验步骤时自觉运用
控制变量法，能收集
证据，得出结论，能
按要求完成实验报告；
能理解欧姆定律，并
能运用其说明生产生
活中的有关现象。
图16—12 吊灯
实验：探究电流与电压、电阻的关系
电压是产生电流的原因，电阻表示导体对电流的阻碍作用。可见，导体中
通过的电流与导体两端的电压以及导体的电阻有关，它们之间有着怎样的关系？
我们可提出这样的猜想，电压是产生电流的原因，若升高电压，电流是否
也增大？你还能提出哪些猜想？下面我们进行探究。第二节 探究：电流与电压、电阻的关系 99
探究
实验目的
安全 警示
1. 探究电阻一定时，电流与电压的关系。
2. 探究电压一定时，电流与电阻的关系。 为保护电流表
和电压表，开始选
实验器材
择的量程不能过小；
电源、电流表、电压表、开关、滑动变阻
连接电路时要断开
器、不同阻值的定值电阻、导线若干。
开关；闭合开关前
实验设计
把滑动变阻器的滑
本实验需采用控制变量法进行实验设计，图 片移到最大电阻的
16—13为实验电路图。请你说明为什么采用此电 位置。
路图可进行本实验。你还有其他设计吗？
实验步骤
R
1. 保持电阻不变，探究电流随电压的变化。
按照图 16—13 连接好实验器材，闭合开关，调节
R@
滑动变阻器R′。分别从电压表和电流表读出电压
S
值和电流值，并将其记入自己设计的表格。
2. 保持电压不变，探究电流随电阻的变化。请
图16—13 实验电路图
你写出相关的实验步骤，并将测量结果记入表格。
3. 分析处理表中实验数据，归纳提炼出探究
结论。
实验结论
写出从实验步骤 1 和 2 分别得出的结论，总 能运用实验 素
养
结出电流随电压、电阻变化的规律。 方法，独立规划 提
升
实验步骤并进行
反思交流
实验，获取数据，
分析实验数据时，还可采用图像法。如何画
得出结论；有实
出电阻不变时，电流随电压变化的图像？如何画
验迁移能力。
出电压不变时，电流随电阻的倒数变化的图像？100 第十六章 探究电路
大量实验表明：
当导体电阻不变时，通过导体的电流与导体两端的电压成正比；当导体两
端电压不变时，通过导体的电流与导体的电阻成反比。
欧姆定律
早在19世纪20年代，德国物理学家欧姆通过大量的实验发现，大多数导
体都遵循上述探究结论，即：
一段导体中的电流，与加在这段导体两端的电压
成正比，与导体的电阻成反比。这个结论叫做欧姆定
律（Ohm’s law）。
欧姆定律的公式是
I： 电流
U
I = U： 电压
R
R： 电阻
公式中，I 的单位为安培（A），U 的单位为伏特（V），R的单位为欧姆（Ω）。
科学书屋
欧 姆
欧姆（G. S. Ohm，1789—1854）是德国物理学
家（图 16—14）。他在物理学中的主要贡献是发现了
欧姆定律。当时还没有测量电流的仪器，欧姆为解
决这一难题付出了艰辛的劳动，他巧妙地利用电流
和磁的关系设计制作了一个电流测量装置并用于研
究。他能够完成这些精细的制作和精确的实验，主
要得益于他有强烈的好奇心和执着的探究精神。 图16—14 欧姆第二节 探究：电流与电压、电阻的关系 101
例题
某电熨斗（图 16—15）在 220 V 电压下工作时，
其电热丝的电阻为 96.8 Ω。此时通过该电熨斗电热
丝的电流是多大？
分析
已知电熨斗工作时的电压 U 和电阻 R，根据欧
图16—15 电熨斗
姆定律就能求出电热丝工作时的电流。
解
策略提炼
由题意，电熨斗工作时的电压 U=220 V，电阻
用欧姆定律求
R=96.8 Ω。
解电路问题时，应注
根据欧姆定律，在电熨斗工作时，通过电热丝
意I、U和R是同一
的电流为
段电路在同一工作状
U 220 V
态下的电流、电压
I= = ≈2.3 A
R 96.8 Ω
和电阻。
所以，此时通过该电熨斗电热丝的电流约为2.3 A。
讨论
查阅资料，了解电熨斗工作时的电流值，检验此题设计及计算结果是否
合理。
欧姆定律广泛应用于生产生活实践。例如，
物 理 聊 吧
呼吸式酒精检测仪（图 16—16）中的气敏元件，
电流表自身的电
就是利用不同酒精浓度引起元件电阻的变化，从
阻很小，电压表自身
而引起电路中电流等的变化，由此检测驾驶员是
的电阻很大。电流表
否酒后驾车。
不可以直接连接在电
源两极，而电压表可
以。学习了欧姆定律
后，你能说出这样规
定的原因吗？
图16—16 酒精检测仪102 第十六章 探究电路
作 业
1. 请完成“探究电流与电压、电阻的关系”的实验报告，请在报告中展示
实验设计、实验步骤、数据处理的信息（如图像）以及不同步骤对应的结论。
2. 根据欧姆定律，判断下列说法是否正确，并说明理由。
（1） 通过导体的电流越大，这段导体的电阻就越小；
（2） 导体两端的电压越高，这段导体的电阻就越大；
（3） 导体的电阻与电压成正比，与电流成反比；
（4） 导体两端的电压越高，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0，则通过它的电流为________，电阻是________。
4. 某导体两端的电压是 3 V 时，通过它的电流为 200 mA，这个导体的电
阻为多少？现将电压增加到 6 V，若电流表有 0 ～ 0.6 A、0 ～ 3 A 两个量程，应
选用哪一个量程来测量导体中的电流？
5. 一盏电灯正常发光时的电流是 0.11 A，灯丝的电阻为 2 000 Ω，该电灯
两端的电压是多少？
6. 图 16—17 中，A、B 所表示的电阻哪一个阻 I/A
0.25
值更大？为什么？如果将这两个电阻分别接在10 V B
的电源上，在图上分别找出通过它们的电流大小。 0.20
如果要使通过它们的电流均为 100 mA，在图上分
0.15
别找出加在它们两端的电压大小。
A
0.10
7. 图16—18（a）是“探究电流与电压关系”的
实验电路。 0.05
（1） 检查发现连接的电路中有一根导线连接不
0 5 10 15 20 U/V
当，请在图中连接错误的那根导线上画“×”，并
图16—17
用笔画线表示导线将电路连接正确；
（2） 电路接通前，滑动变阻器的滑片 P 应移至最 ______（选填“左”或
“右”）端；
（3） 闭合开关后，发现电流表的示数几乎为零，电压表的示数接近于电源
电压，则故障可能是：定值电阻处发生了______（选填“短路”或“开路”）；第二节 探究：电流与电压、电阻的关系 103
（4） 排除故障后，闭合开关，改变滑动变阻器滑片的位置，记录实验数
据见表 16—2，其中空白处电压如图 16—18（b）所示，该示数是_______V。
根据表中数据可得结论：电阻一定时，通过导体的电流与导体两端的电压成
______。
（a） （b）
图16—18
表16—2
电压U/V 0.60 1.20 1.80 3.00
电流I/A 0.12 0.24 0.36 0.48 0.60
请提问
1. 电流表、电压表自身的电阻约为多大？
2.
3.
……110044 第第十十六六章章 探探究究电电路路
第 三 节
测量：用电流表和电压表
测量电阻
本节要点
电流可用电流表测量，电压
能完成“用电流表和电压表测量
可用电压表测量，欧姆定律又确
电阻”的实验，会选择实验器材，规
定了电流、电压、电阻的关系。
划实验步骤，连接电路，进行实验，
那么，能不能用电流表、电压表
能按要求完成实验报告；能运用欧姆
测量一段导体的电阻呢？本节我
定律等探究相关问题。
们学习相关内容。
测量
实验目的
安全 警示
用电流表和电压表测量电阻的阻值。
实验中，电流表
实验器材
和电压表要选择合适
请写出需要的实验器材。 量程。滑动变阻器首
先要处于最大阻值状
实验设计
U 态，注意用电安全。
由欧姆定律可知 R= ，只要用电压表、电
I
流表同时测出电阻器工作时的电压值和电流值，
就可算出它的电阻值。这种间接测量电阻的方法
称为“伏安法”，其电路图如图16—19所示。
实验步骤
请根据实验设计并参考相关实验的操作方 图16—19 “伏安法”测电阻
法，写出实验步骤，进行实验，记录数据。分析 电路图第三节 测量：用电流表和电压表测量电阻 105
测出的电压值和电流值，计算相应的电阻值，求出电阻的平均值作为测量
结果。
素
知道从多次实
实验结果 养
验中得出平均值的 提
写出最后得到的电阻值。 升
意义，能分析实验
交流讨论 误差产生的原因，
并有减小实验误差
与同学交流讨论测量误差产生的原因，提
的意识。
出减小测量误差的方法。
拓展一步
如果用一个电阻 R 代替两个串联（或并联）的电阻 R 、R 接入
1 2
电路后，电路的状态不变，R 就叫做这两个串联（或并联）电阻 R 、
1
R 的总电阻。
2
1. 电阻的串联
将两个电阻R、R 串联接入电
1 2 U
路，图16—20表示串联部分电路的电
压、电流关系，串联电路总电阻为R。 I R 1 R 2
由欧姆定律和串联电路电流、
U U
1 2
电压特点，可得
图16—20 电阻的串联
R = R + R
1 2
结论：两个串联电阻的总电阻等于这两个电阻之和。
2. 电阻的并联
U
将两个电阻R、R 并联接入电
1 2
路，图16—21表示并联部分电路的电 I 1 R 1
压、电流关系，并联电路总电阻为R。 I
由欧姆定律和并联电路电流、 I 2 R 2
电压特点，可得 图16—21 电阻的并联106 第十六章 探究电路
1 1 1
= +
R R R
1 2
结论：两个并联电阻的总电阻的倒数，等于这两个电阻的倒数
之和。
以上结论可拓展到多个电阻串联、并联的总电阻计算。你能试着
推导一下吗？
作 业
1. 请完成“用电流表和电压表测量电阻”的实验报告，在报告中展示实
验设计、实验步骤、数据处理的信息（如图像）以及不同步骤对应的结论等。
U
2. 我们将欧姆定律的公式变形为 R= ，并作为测量电阻的依据。于是，
I
有同学由此得出一个推论：一段导体的电阻与这段导体两端的电压成正比，与
通过它的电流成反比。你认为这个说法正确吗？为什么？
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
阻器的滑片置于使其电阻值最大处？
4. 小明同学在“测量定值电阻的阻值”实验中，
P
设计的电路图如图 16—22 所示，其中 A、 B 为滑动变阻
R A B
器的两端。请回答以下问题。
（1） 连接电路时，开关应处于___________ 状态。
S
闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于_________端。
图16—22
（2） 闭合开关S，电压表有示数，电流表指针向零
刻度线左侧偏转，该故障的原因可能是_____________。
（3）排除故障后，闭合开关 S，调节滑动变阻器
滑片 P，当电压表的示数为 2.5 V 时，电流表的示数如
图 16—23 所示，则电阻 R 的阻值为 ________Ω。小明
进行了多次测量，计算出 R 的阻值的平均值，目的是
__________________。 图16—23第三节 测量：用电流表和电压表测量电阻 107
5. 用“伏安法”测量一个灯泡的电阻。
（1） 图 16—24 是实验电路图，图中的圆圈表示电
表，请在圆圈内填入相应的字母。 L
S
（2） 某实验小组通过改变灯泡两端的电压，进行
了三次测量，部分记录见表 16—3。当电压表的示数为
2.50 V时，电流表的示数如图16—25所示，请将表格补 图16—24
充完整。
表16—3
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16—25
（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？这是为什么呢？”对此问题，请查阅资料，进一步进行
探究。
6.* 若有实验条件，请用 DIS 实验装置进行“伏安法测电阻”的物理实
验，并完成实验报告。
请提问
1. 如何测量电流表或者电压表的电阻？
2.
3.
……110088 第第十十六六章章 探探究究电电路路
第 四 节
家庭电路
我们在电学实验中，常用干电池或学生电 本节要点
源等提供电能，而生活中家用电器所用的电能
了解家庭电路的组成，
是从发电厂通过输电线送来的。我国家庭电
有安全用电和节约用电的
路电压都超过了人体安全电压。家庭电路的
意识；在家庭用电中有保
组成是怎样的？家庭用电应注意什么呢？
护自己和他人的安全意识，
知道安全用电的重要意义。
认识家庭电路
图16—26是一个典型的家庭电路实物布线图和对应的电路图。
电灯
空气开关 电能表
进户线
三孔插座
双孔插座
按钮开关
（a）实物布线图
空气开关 进户线
火线 电能表
零线
kW`h
地线
双孔插座 三孔插座
（b）电路图
图16—26 家庭电路第四节 家庭电路 109
家庭电路连接户外的供电电路的电线（进户线）， 接地线 接外壳
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，零线在进户前已经和大地
接零线 接火线
相连。
通常，住宅应该还有一条地线，它不与室外的 接用电器
进户线相接，而是连接在住宅楼埋入大地的接地导 图16—27 插座与插头
体上。
家庭电路中的三孔插座，有一个孔就是与地线相 笔尾金属体
连（图 16—27）。国家标准规定：带有金属外壳的家
高阻值电阻
氖管
用电器，其金属外壳必须接地。你知道为什么要作出
这样的规定吗？
在电路检测中，常用到测电笔（图 16—28）。测
电笔中的电阻器是一个阻值在 1 MΩ 以上的高阻值 笔尖金属体
电阻。为什么要串联这个高阻值电阻呢？ 图16—28 测电笔
迷 你 实 验 室
练习使用测电笔
图 16—29 展示了测电笔使用方法，注意手指要与测电笔的笔尾
金属体接触。
使用测电笔前，应注意听从教师指导，检查测电笔是否损坏。
测量时，手不能接触笔尖金属体，注意用电安全。
请与同学交流讨论：测电笔接触零线时，氖管为什么不会发光？
用测电笔判别火线、零线时，为什么不能让手碰到笔尖金属体？
氖管发光，这是火线 氖管不亮，这是零线
图16—29 用测电笔辨别火线与零线110 第十六章 探究电路
注意用电安全
电是人们的好帮手，但若不注意用电安全，可 火线
能会发生触电事故，造成人员伤亡和财产损失。触
零线
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。实验表明，当 2 mA 左右
的电流通过人体时，人体会产生麻的感觉；超过
10 mA 的电流就能使人感到剧痛，甚至神经麻痹，
火线
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。
零线
图 16—30 是家庭常见的触电类型示意图（切勿
模仿！）。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，保证用
电安全呢？
图16—30 家庭常见的
首先，家庭电路的安装应当符合安全用电的要求
触电示意图
（图16—31）。同时，要注意不要弄湿用电器；保护好用
电器的绝缘体，不裸露电线。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。
火线 火线 接地线
零线 零线
接火线
接零线
（a）开关要接在火线上 （b）螺口灯的螺旋金属 （c）三孔插座应有接地线
一定要接在零线上
图16—31 电路安装要规范第四节 家庭电路 111
当发现有人触电，我们应该怎么办呢？
有安全用电的 素
特别需要注意不能直接去碰触电的人，否则 养
常识，热心进行相 提
施救者也会触电。（想一想，为什么？）应当赶快
升
关的科学普及，有
切断电源，或者用干燥的木棍、竹竿将电线挑开，
健康生活的责任感
使触电的人迅速脱离电源。若同时发生火灾，要
与使命感。
先切断电源，绝不能在未断电的情况下泼水救火。
作 业
1. 观察并统计自己家中的电路或教室的照明电路中电灯、开关和插座的
数量，了解它们是怎样连接的并画出电路图。
2. 在家庭电路中，为了防止触电，必须把用电器的开关安装在___________
线上；当把一个开关断开的台灯插头插入插座时，家中原来正常工作的其他用
电器突然都停止工作，发生这种现象的原因可能是插头处___________。
3. 我们的学习和生活都离不开电，在日常生活中树立安全用电的意识十
分重要。请从下列做法中，选择符合安全用电原则的选项并说明理由。
A. 使用绝缘皮破损的电线
B. 用湿的手去拔电源
C. 超负荷使用同一插座
D. 发现有人触电立刻切断电源
火线 零线
4. 请根据图 16—32，分析家用电器的金属外
壳为什么一定要接地。
5.* 小明家里的所有电灯突然熄灭，他用测电笔
接地
分别测室内各处的火线和零线，氖管都发光。据此，
金属外壳
请推断电路的故障可能出现在哪里，说出你的理由。 图16—32
请提问
1. 家庭电路电压为什么不降低到36 V？
……跨学科
111122 第十六章 探究电路
实 践
设计安全用电科普活动
问题缘起
随着时代的进步，人们的日常生活已经越来
越离不开电，但有些人对安全用电的认识仍存在
误区，触电事故和电气火灾时有发生（图 16—33）。
为提高社区居民的用电安全意识，在网络和社区调
研的基础上，我们来设计一场与安全用电有关的科
图16—33 电气火灾
普活动。
活动方案
安全 警示
活动除了我们学过的欧姆定律外，还会涉及消
要基于充分论
防、化学、生物等相关知识。通过调查研究、模拟
证，在教师指导下开
探究、提炼展示等过程完成安全用电的科普宣讲。
展触电和电气火灾的
任务一：网络、生活调研。通过网络收集、走
模拟探究实验，注
访等方式调研家庭触电和电气火灾的典型事例，从
意安全，杜绝事故。
跨学科视角归类分析事故产生的原因，总结生活用
电的常见误区。
任务二：模拟实验探究。用生活中的常见物品和实验室器材，录制模拟触电
和电气火灾发生过程的视频，探究有效的预防措施和扑灭电气火灾的注意事项。
任务三：科普宣讲活动。结合社区居民的认知特点，以海报和视频等方
式，设计一场日常安全用电的社区科普宣传活动。
交流评价
向全班同学介绍自己的科普宣传海报，并从内容、设计等方面对其他同学
的海报发表自己的见解。
拓展研究
结合智能家居的技术展望，发挥想象，设计一套家庭用电安全智能预警系
统，并形成一篇科技小论文。本章练习 113
本章练习
科学认知与辨析
1. 滑动变阻器的连接如图 16—34 所示，要使滑动变阻器接入电路的电阻
变大，应将滑片P向_________（选填“A”或“B”）端移动。
A P
B
C
D
图16—34 图16—35
2. 电动汽车因其环保节能的特点深受大家喜爱。图 16—35 是电动汽车的
充电桩，下列说法中符合安全用电的是（ ）。
A. 每个充电桩在安装时都要装保险装置
B. 安装充电桩时，可以不连接地线
C. 万一有充电桩起火，应迅速浇水扑灭
D. 若充电线破损，稍加注意仍可使用
3. 学校教室讲台前安装三孔插座、双孔插座各一个，还要安装两盏照明
电灯（由一个开关控制）。请在图 16—36 中画出符合电路安装要求及安全用电
原则的电路连接图。
火线
零线
三孔插座 双孔插座 控制电灯
灯泡 灯泡
的开关
图16—36114 第十六章 探究电路
科学实验
4. 图 16—37 是“探究导体的电阻与哪些因素有关”的实验装置，a、b、
c 为锰铜合金丝，其中 a、b 长度相同，a、c 粗细相同。实验时通过观察
____________ 间接比较导体电阻的大小；若选择将 a、b 分别接入电路中，则
是为了探究电阻大小与导体的________是否有关。
M a N
b
c
图16—37
5. 图 16—38 是“探究电流与电压的关系”实验电路的实物图，请你指出
其中的错误或不妥之处。
图16—38
6. 小李利用以下器材探究“电流与电阻的关系”：学生电源、电流表
（0 ～ 0.6 A）、电压表（0 ～ 3 V）、定值电阻（5 Ω、10 Ω、20 Ω 各一个）、开
关、滑动变阻器和导线若干。
（1） 请根据图 16—39（a）所示的电路图，用笔画线表示导线将图 16—39
（b）所示的实物连接成完整电路（连线不得交叉）；本章练习 115
R
S
（a） （b）
图16—39
（2） 连接电路时，开关应 ___________，且应将滑动变阻器的滑片移到最
___________端。
7. 小聪用图16—40（a）所示电路探究电流与电压、电阻的关系。
（1） 若定值电阻R开路，闭合开关后___________表的示数为0；
（2） 实验完成后记录数据的纸被不慎弄污，只剩图 16—40（b）所示的
表格，根据表格数据我们能判断小聪探究的是电流与 ___________ 的关系；
（3） 用“2.5 V 0.3 A”的小灯泡替换R来完成研究小灯泡电阻的实验。闭合
开关，移动滑片，电压表的示数如图16—40（c）所示，此时电压为________V，
电流表的示数可能是下列数据中的（ ）。
A. 0.18 A B. 0.22 A C. 0.26 A
P
R 1 1.5 2
0.2 0.3 0.4
S
（a） （b） （c）
图16—40116 第十六章 探究电路
综合
8.* 如图 16—41 所示，电路中电源电压恒定，R =
1 R 1
30 Ω。开关S 、S 都闭合时，电流表的示数为0.8 A；开
1 2 R 2 S 2
关S 闭合、S 断开时，电流表的示数变化了0.6 A。则电
1 2
源电压为________V，电阻R 的阻值为________Ω。 S 1
2
9. 为了保障潜水安全，潜水员在潜水时会佩戴水压
图16—41
表和深度表。图 16—42（a）是一款深度表的简化电路
图，其中电源电压 U 为 6 V 且保持不变，定值电阻 R 为 10 Ω，R 是压敏电
0 p
阻。图 16—42（b）是压敏电阻 R 阻值随海水深度变化的图像，压敏电阻 R
p p
允许通过的最大电流为0.24 A。深度表由电压表（量程为0 ～ 3 V）改装。
（1）当深度表在海面上时，电路中的电流为多少？
（2）下潜到10 m的深度时，深度表测得的电压示数为多少？
（3）在电路安全的情况下，该深度表能测量的最大深度为多少？
R/W
p
40
30
20
R R
p 0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 h/m
（a） （b）
图16—42
本 章 总 结
本章的要点有第十七章
电流做功与电功率
第一节 电流做功
第二节 电流做功的快慢
第三节 焦耳定律
实 践 设计一个节能方案
本章学业要求
能了解电功和电功率，能从电流做
功的角度认识电能，了解焦耳定律；能
运用这些知识说明生产生活中的现象，
解决实际问题。
能体会电学问题的理想设计与实际
工作状况的区别；能通过推理得到结论，
能利用证据证明自己的观点；能对他人
观点提出有依据的质疑。
能发现现代生活中的用电问题；能
收集证据、探究发现的问题；能通过所
学知识解决一些简单的电学问题，有安
全操作的行为规范；能陈述观点，听取
意见。
能认识到电能的转化对现代生活的
思考：人类生活与电
影响，知道提高效率的意义；能主动关
能密切相关。如何理
心现代生活的节约用电与安全用电问题；
解电流做功？如何计
具有节约用电、安全用电的行为规范。
算路灯消耗的电能
及每月电费？111188 第第十十七七章章 电电流流做做功功与与电电功功率率
第 一 节
电流做功
现代社会，人们的生活越来越离不开电。 本节要点
电灯、电话、电视机、电扇、电冰箱、空调、
能结合实例，认识电
电动汽车……越来越多的用电器走进了我们
流做功，知道电能与其他
的生活。人类生活与电能密切相关，如何描
形式能的相互转化，能将
述用电器消耗的电能？让我们一起学习相关
这些知识与生产生活中的
内容。
电能消耗联系起来；知道
节约用电的意义。
认识电流做功
用电器工作时，利用电流做功将电能转化为其他形式的能量。例如，闭合
开关，电流通过电灯，电流做功使灯丝发热、发光，电能转化为内能和光能。
做功的过程总伴随着能量转化，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？科学家通过大量的研究发现：
电流所做的功与电压、电流和通电时间成正比。
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
U： 电压
W = UIt
I： 电流
t： 时间
若公式中U 的单位为伏特（V），I 的单位为安培（A），t的单位为秒（s），
那么 W 的单位为焦耳（J），焦耳这个单位很小。在日常生活中，人们还用第一节 电流做功 119
千瓦·时（kW·h）作为电功的单位，千瓦·时也被称为度，1 千瓦·时相当
于功率为1 kW的用电器工作1 h所消耗的电能。千瓦·时和焦耳的关系是：
1 kW·h = 1×103 W × 3 600 s = 3.6×106 J
例题
一电熨斗电热丝的电阻为 100 Ω，接在电压为
策略提炼
220 V 的家庭电路中。求：电熨斗工作25 min，消耗
解答电功与电
的电能为多少？
能相关问题，要清
分析
楚电功与电能的关
已知电热丝的阻值及其两端的电压，根据欧姆
系。若公式中有的
定律可以求得通过的电流；由计算出的电流和已知
量未直接给出，应
的电压、工作时间，根据电功公式可计算出电功，
设法先利用题干中
它的大小等于电熨斗消耗的电能。
条件求出这些量，
解
然后代入公式计算。
由题意可知，电热丝两端的电压U = 220 V，电
要注意统一单位。
热丝的阻值R = 100 Ω，电流做功时间 t = 25×60 s =
1 500 s。
由欧姆定律，得电熨斗工作时的电流为
U 220 V
I= = = 2.2 A
R 100 Ω
由电功的公式，得电熨斗消耗的电能为
W = UIt = 220 V×2.2 A×1 500 s = 7.26×105 J
所以，该电熨斗工作25 min，消耗的电能为7.26×105 J。
讨论
使用不同电熨斗，在相等时间内释放的热量通常不同，这与电热丝的电
阻有何关系？120 第十七章 电流做功与电功率
测算电费
电能表（又称电度表）是测量电功的仪表。图
17—1是一种传统家用电能表示意图，电能表盘面的
数字都有特定的含义。铝盘上方方框内的数字记录
消耗的电能总数，红色方框内的数字为小数位，以
千瓦·时（kW·h）为单位显示消耗的电能。电能表
图17—1 传统电能表
在一段时间内前后两次示数的差值，就是这段时间
示意图
内消耗的电能。铝盘下方的数字说明该表在220 V、
50 Hz的交流电路中工作，该表标定电流（该电流条
件下，电表计量最准确）为10 A，通过的电流不能
超过额定最大电流20 A。2 500 r/（kW·h）表示每
消耗1 kW·h电能，电表转盘转2 500圈。
随着“万物互联”时代的到来，传统电能表更新
换代，智能电能表（图17—2）得到快速普及和应用。
智能电能表没有转动的铝盘，示数由液晶屏显示，通
图17—2 智能电能表
过按下智能电能表右下方的按键还能获取用电信息，
例如，用电量、实时功率、当前电价等。该表的标
能通过电能 素
定电流为10 A，允许通过的最大电流不超过40 A。 养
表了解家庭用电 提
电路中每消耗1 kW·h电能，脉冲灯闪烁1 600次。
升
情况，能将节约
电能是人们生产生活必不可少的能量，能源紧
用电与能源消耗
缺问题日益突出，除了合理开发和利用有限的能源
结合起来，有节约
以外，每个人都应加强节电意识，从节约每1 kW·h
用电的自觉行为。
电能做起。你知道1 kW·h电能可以做多少事情吗？
作 业
1. 电流通过电扇，电流做功将电能主要转化为 ________ 能。电流通过电
饭锅，电流做功将电能转化为________能。第一节 电流做功 121
2. 家用电能表示数的单位是kW·h，1 kW·h = ________J，相当于功率为
1 kW的用电器正常工作________所消耗的电能。
3. 小兰同学家上月末记录的电能表示数是
1 237.8 kW·h，本月末示数如图 17—3 所示，则本月她
家用电_______kW·h。
4. 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_________J。
5. 现有甲、乙两根电阻丝，甲电阻丝的电阻大于 图17—3
乙电阻丝的电阻。若将两根电阻丝串联，则相同时间内电流通过 ________ 电
阻丝做的功多；若将两根电阻丝并联，则相同时间内电流通过 ________ 电阻
丝做的功多。
6. 一个电阻为484 Ω的灯泡，接到照明电路中正常
工作。求：
（1） 通过灯泡的电流；
（2） 灯泡通电1 h消耗的电能。
7. 能效等级是表示家用电器产品能效高低的一
种分级方法。根据国家相关规定，我国的能效标识
（图 17—4）将能源效率分为五个等级。请观察家用电
器上的能效标识，对如何选用家用电器提出自己的
建议。
图17—4
请提问
1. 你家里用的是什么电能表？如何根据它的示数计算家庭用电量？
2.
3.
……112222 第第十十七七章章 电电流流做做功功与与电电功功率率
第 二 节
电流做功的快慢
家中选购灯泡时，会考虑需要多少瓦的 本节要点
灯泡。家里的用电器，都会标有“瓦数”。这
能结合实例，认识电
里“瓦”的含义是什么呢？本节我们将学习
功率，知道用电器的额定
与电功率相关的内容。
功率和实际功率，会测量
电功率，能运用其分析并
电功率
解决生活中的简单问题。
电流通过用电器做功，将电能转化为其他形式的能。不同的用电器，相同时
间内消耗的电能一般不同。
也就是说，电流做功有快慢之分。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），用字母P 表示。
电功率的定义式为
P： 电功率
W
P = W： 电功
t
t： 时间
在国际单位制中，电功率的单位是瓦特，简称瓦，用符号W 表示。“60 W
的灯泡”“1 000 W的电水壶”就是用电功率来描述的。常用的电功率单位还有
千瓦（kW）和兆瓦（MW），它们之间的换算关系是：
1 kW = 1 000 W 1 MW = 1 000 kW
W
根据电功率的公式 P= 和电功的公式 W = UIt，可以通过电流和电压来
t
计算电功率，即第二节 电流做功的快慢 123
P： 电功率
P = UI U： 电压
I： 电流
由以上公式可知，若加在用电器两端的电压为 1 V，通过的电流为 1 A，
那么该用电器的电功率为1 W。
额定功率和实际功率
在用电器的铭牌和使用说明上，均标有该用电器正常工作的电压值，这
就是用电器的额定电压（rated voltage），与额定电压对应的功率叫做额定功率
（rated power）。不同的用电器额定功率通常不同；同类用电器，由于规格型号
的差异，额定功率通常也不同。图 17—5 是某电水壶及其铭牌，它表明该电水
壶的额定电压是220 V，额定功率是 1 000 W。
通过认识额定 素
养
功率与实际功率的差 提
升
异，能体会理想状态
与实际情况的不同。
图17—5 电水壶及其铭牌
在额定电压下用电器能正常工作，当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了。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。
科学书屋
常见用电器的额定功率
空调：1 000 ～ 3 000 W 电吹风机：600 ～ 1 300 W
电暖器：800 ～ 2 000 W 抽油烟机：100 ～ 300 W
电热水器：2 000 ～ 5 500 W 液晶电视机：100 ～ 300 W
微波炉：500 ～ 1 000 W 电扇：20 ～ 70 W
无线吸尘器：400 ～ 1 500 W 笔记本电脑：40 ～ 70 W124 第十七章 电流做功与电功率
例题
在有些地区的用电高峰时，用电器两端电压会 策略提炼
降低。若“220 V 60 W”的灯泡两端电压降低到
解决电功率有
200 V，若不计灯丝电阻随温度的变化，求灯泡的电
关问题，要注意区
阻及其实际功率。
别额定功率与实际
分析
功率。计算电功率，
由灯泡铭牌信息，可知灯泡额定电压和额定功
要根据题目的待求
率。再由电功率的公式和欧姆定律，可得计算公式
量和已知量恰当选
U2
P= ，由此可算得灯泡电阻。最后由实际电压和 择公式。如此例题
R
应选择 P=UI，而
电阻，可算得灯泡的实际功率。
W
解
不选择P= 。
t
由题意可知，灯泡的额定电压 U = 220 V，额
额
定功率P = 60 W，灯泡两端的实际电压U = 200 V，设灯泡的电阻为 R。
额 实
U2
额
根据电功率公式 P = UI 和欧姆定律，有 P = U I = ，则灯泡的电
额 额 额 R
阻为
U2 (220 V)2
R= 额 = ≈807 Ω
P 60 W
额
当灯泡两端电压为200 V 时，由于不计灯丝电阻随温度的变化，因此，灯
泡的实际功率为
U2 (200 V)2
P = 实 = ≈50 W
实 R 807 Ω
所以，灯泡的电阻约为807 Ω，它两端电压降为200 V 时的实际功率约为
50 W。
讨论
若一个额定电压为 220 V 的灯泡接在 110 V 的电路中，则其实际功率是额
定功率的几分之一？（假设灯泡的电阻不变）第二节 电流做功的快慢 125
测量电功率
在生产生活中，经常需要知道用电器的实际功率，这时可以通过实验来
测量。如何测量小灯泡的电功率？根据电功率公式 P=UI，要测量小灯泡的电
功率，可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。下面我们通过实验测量小灯泡的额定功率和实际功率。
做 中 学
测量小灯泡的电功率
按照图 17—6 实验电路图连接实物电
路。连接电路时将滑动变阻器的滑片置于
电阻值最大处。
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，让小灯
图17—6 测量小灯泡的
泡正常发光，记下电压表、电流表的示数。
电功率实验电路图
再调节滑动变阻器，使小灯泡两端的
电压略低于或略高于（约为额定电压的 1.2 倍）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。计算小灯泡的额定
功率和不同电压下的实际功率。
实验表明，同一个用电器的实际功率随
物 理 聊 吧
它两端电压的改变而变化，当电压增大时，
通过用电器的电流就随之增大，用电器的电 多个电器同时开启的
功率也跟着增大。使用用电器时，所加电 情况下，总功率增加，会
压不能超过额定电压，否则会缩短用电器的 导致干路电流过大，容易
使用寿命，甚至损坏用电器。例如，加在电 引起安全事故。大家讨论
灯两端的电压过高，导致通过灯丝的电流过 交流，解释其中的道理。
大，灯丝就会因温度过高而熔断。126 第十七章 电流做功与电功率
作 业
1. 某家用电器上标有“220 V 800 W”字样，请你说说 220 V 和 800 W 分
别表示什么？
2. 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？
3. 在如图 17—7 所示的电路中，R 为 10 Ω 的电
R
阻，闭合开关后，电流表的示数为 0.3 A。求该电阻
的电功率。
4. 在一个“220 V 15 W”的灯泡两端分别加上
220 V 和 110 V 的电压。在这两种情况下，灯泡的实 图17—7
际电功率各为多少？（假设灯丝电阻不变）
5. 请你调查家用电器设备的额定功率，将调查的结果填写在自己设计的
表格中，并了解家中用电情况和缴电费情况，尝试制订家庭节电方案。
6.* 把标有“220 V 40 W”“220 V 25 W”字样的甲、乙两盏灯串联接在
220 V 的电源上。假设灯丝电阻不变，则下列分析中正确的是（ ）。
A. 两盏灯的总功率等于65 W
B. 甲灯两端的电压高于乙灯两端的电压
C. 两盏灯的总功率小于25 W
D. 乙灯的实际功率小于甲灯的实际功率
请提问
1. 当灯泡的实际电压高于其额定电压时，灯泡会被烧坏吗？
2.
3.
……第第三三节节 焦焦耳耳定定律律 112277
第 三 节
焦耳定律
工厂利用电热炼钢，家庭利用电热烧水、 本节要点
做饭、取暖等。电流通过导体时，导体会发
能通过实验，认识电
热。由此产生的热量与哪些因素有关呢？本
流的热效应，了解焦耳定
节我们学习电流的热效应及焦耳定律。
律，能用焦耳定律分析并
解决与此相关的问题；知道
电流的热效应
电流热效应的危险性，具
有安全用电的自觉行为。
图 17—8 是一种常见的电暖器，通电后
会发热发光。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。电暖器和
导线通过的电流相同，为什么电热管发热，
导线却几乎不发热呢？
通过导体的电流有大小，导体本身有电
阻，通电时间有长短，电流产生的热量是否
与这些因素有关？下面，我们通过实验进行 图17—8 电暖器
探究。
做 中 学
电流产生的热量与哪些因素有关
（1） 按照图 17—9（a）所示实验电路图，将电源、滑动变阻器、
开关和密封有空气和电阻丝并插有温度计的容器等实验器材连接起来
［图17—9（b）］。观察下面两种情况温度计示数的变化。128 第十七章 电流做功与电功率
R 电阻丝
S
（a）实验电路图 （b）实物图
图17—9 电流热效应实验示意图
闭合开关，若仅改变给电阻丝加热的时间，观察温度计示数的变
化，能得出什么结论？若仅调节滑动变阻器，改变通过电阻丝的电流，
观察温度计示数的变化，能得出什么结论？
（2） 若将两段不同阻值的电阻丝分别密封在装有等质量空气的两
个容器中，两支相同的温度计分别穿过瓶口插
R R
入容器中。请你依据图 17—10 中的电路图，参 1 2
考图 17—9（b）的连接方式，将两个容器与其他
S
器材串联起来。闭合开关，观察两支温度计示
数的变化，能得出什么结论？ 图17—10 实验电路图
从实验可以发现，电流产生的热量与电流大小、导体电阻以及通电时间
有关。
当电流和电阻一定时，通电时间越长，产生的热量越多。
当电阻和通电时间一定时，电流越大，产生的热量越多。
当电流和通电时间一定时，电阻越大，产生的热量越多。第三节 焦耳定律 129
焦耳定律
英国物理学家焦耳做了大量的实验，他于1841年发现：
电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正
比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。
为了纪念焦耳，这一规律被称为焦耳定律（Joule’s law）。焦耳定律可以用
公式表示为
Q = I2Rt
公式中，电流 I 的单位是安培（A），电阻 R 物理在线
的单位是欧姆（Ω），时间 t 的单位是秒（s）， 查阅资料，了解英国
这样，热量Q 的单位是焦耳（J）。 物理学家焦耳的生平及他
学习了焦耳定律，请你解释电暖器电热管 在电和磁、能量守恒定律
发热，而导线几乎不发热的原因。 等方面的成就。
电流的热效应有广泛的应用。常见的电水
壶、电饭锅、电熨斗、电热水器等家用电器
都是利用电流的热效应来加热的。它们的发
热体都由电阻较大的电阻丝制成，工作时消
耗的电能几乎全部用来产生热量，有较高的 素
能主动关注现代
养
效能。
生活中的用电安全问 提
电流的热效应也可能产生危害。例如，计 升
题，能依据焦耳定律
算机、电视机工作时电流的热效应若导致温度
向他人说明安全用电
过高，则会影响其正常工作和使用寿命。因
的重要性，有引导他
此，计算机、电视机的后盖都留有一些小孔，
人安全用电的责任感
计算机还装有风扇。又如，当家中同时使用空
与使命感。
调、电热水器等大功率用电器时，电路中的总130 第十七章 电流做功与电功率
电流会增大，有可能超过安全值，过多的电热会使导线的绝缘层损坏，引起线
路故障，甚至引发火灾。你还能列举生产生活中利用电热或减小电热危害的实
例吗？
作 业
1. 电视机、电吹风机、电饭锅、洗衣机、电水壶等常见用电器中，主要
利用电流的热效应工作的有哪些？
2. 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。
3. 在相等的时间内，电热丝甲比电热丝乙放出的热量多，选择下列说法
中正确的选项并说明理由。
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高
C. 甲消耗电能一定比乙消耗电能快
D. 通过甲的电流一定比通过乙的电流大
4. 有两个电阻 R 和 R ，R ∶R = 1∶2。当两个电阻串联时，相同时间内
1 2 1 2
电流通过两个电阻产生的热量之比为 ________；当两个电阻并联时，相同时
间内电流通过两个电阻产生的热量之比为________。
5. 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；
（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。
6.* 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电功率为 ________W。
请提问
1. 电线通电后发热是什么原因导致的？
……跨学科
第三节 焦耳定律 113311
实 践
设计一个节能方案
问题缘起
“地球一小时”是一项全球
性节能活动，提倡大家关上不必
要的照明及耗电产品 1 h，以此激
发人们对保护地球的责任感（图
17—11）。你知道1 kW·h电可以做
什么吗？下面大家一起对这一问题 图17—11 “地球一小时”宣传画
进行调查研究，设计一个节能方案。
活动方案
本活动涉及与电功率、电能、温室效应等有关的知识。
任务一：查阅并整理资料。了解“地球一小时”活动的发展历程，关注每
年的活动主题及环保建议。
任务二：设计节能方案。对家中主要用电器（如电视机、空调、电冰箱、
微波炉、洗衣机等）的电功率大小进行调查，用图像或表格的形式呈现调研所
得数据，估算家中一个月的用电费用。综合考虑家用电器的能效、个人使用习
惯等因素，设计一个节能方案。
交流评价
对家中用电情况进行交流，对节能环保提出个人建议；拟定《个人低碳
生活行为指南》，再与同学分享。
拓展研究
随着科技的发展，采用新技术、新材料、新工艺等可以降低家用电器
的能耗，分析不同节能技术的利弊，撰写一篇小论文。132 第十七章 电流做功与电功率
本章练习
科学认知与辨析
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. 下列用电器中，额定功率可能为800 W 的是（ ）。
A.电脑 B. 电饭锅 C.电灯 D. 电冰箱
3. 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
4. 通电后电炉丝很热，而连接电炉丝的铜导线却不太热，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
5. 一床电热毯和一个电扇上都标有“220 V 60 W”字样，当它们正常工
作相同的时间，则电流通过电热毯和电扇产生的热量是（ ）。
A.电热毯多 B.电扇多
C.一样多 D. 无法判断
6. 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
7. 下列说法中符合事实的是（ ）。
A. 一盏100 W的白炽灯正常发光1 h，消耗1 kW·h的电能
B. 常用的测电笔就是用来测量家庭电路电压值的工具
C. 当白炽灯两端电压为2 V时，流过的电流是 0.2 A，则灯泡电阻是 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本章练习 133
8.* 由两根电热丝 R 和 R 组成的加热器，R = 2R 。若用只有 R 接入电路
1 2 1 2 1
的挡位烧开一壶水，所用时间为 t；那么用 R 和 R 并联接入电路的挡位烧开
1 2
同一壶水，所用时间为____________。（不计热量损失）
科学实验
9.* 若有实验条件，请用 DIS 实验装置进行“测量小灯泡的电功率”的物
理实验，并完成实验报告。
科学·技术·社会·环境
10. 调查当地人均用电量的变化，讨论用电情况与当地经济发展的关系，
完成一篇小论文。
综合
11.* 在图17—12（a）所示的电路中，电源电压为6 V恒定不变，滑动变阻
器R 的最大阻值是20 Ω。闭合开关，滑动变阻器的电功率P 随其接入电路的
2
阻值R 变化的图像如图17—12（b）所示，则R =___________Ω；当滑片P移至
1
最右端时，电流表的示数为___________A，此时连续通电10 s，电流通过R 产
1
生的热量是___________J。
P
P/W
R 1 R 2 0.9
0.8
0 5 10 20 R/W
（a） （b）
图17—12
本 章 总 结
本章的要点有134 第十八章 磁及其相互作用
第十八章
磁及其相互作用
第一节 磁的奥秘
第二节 探 究：通电螺线管外部磁
场的方向
第三节 磁场对通电导线的作用
实 践 自制简易电报机
本章学业要求
能认识磁场，了解电流周围存在磁
场，了解通电导线在磁场中会受到力的
作用；能运用这些知识分析相关的物理
现象。
能了解磁场的意义；能运用与电磁
相关的知识进行推理；具有使用科学证
据的意识；能有依据地发表自己的见解。
能完成“探究通电螺线管外部磁场
的方向”的实验；能关注身边与磁有关
的问题；能收集数据并对实验结果作出
解释；能陈述实验过程与结果。
能体会应用电磁知识解决实际问题
的喜悦；能体会我国优秀传统科技对人
思考：磁浮列车行
类社会发展的贡献，有科技强国的责任
驶时，为何能悬浮
感与使命感。
于轨道之上？为什
么能达到那么大的
速度？第第一一节节 磁磁的的奥奥秘秘 113355
第 一 节
磁的奥秘
你是否注意到冰箱门可贴上形式各样、 本节要点
五颜六色的冰箱贴？不用胶水，不用吸盘，
能认识磁极间的相互
只要将冰箱贴放在冰箱门附近便能自动贴
作用规律；能通过磁感线描
上。它们之间有怎样的力？这种力是怎样产
述磁场，知道磁场的方向，
生的呢？本节我们将学习与磁有关的内容。
知道地磁场；能认识我国古
代四大发明之一指南针在
认识磁现象
促进社会发展方面的价值。
若想破解冰箱门与冰箱贴之间的秘密，我们首先来认识磁现象。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。如图
18—1 所示为关于磁的应用的一些例子，从我国古代四大发明之一指南针到今
天现代化的磁浮列车，磁现象及磁的应用几乎随处可见。
（a）指南针 （b）磁浮列车
图18—1 磁的妙用
通常，人们将具有磁性的物体称为磁体（magnet）。磁体具有能吸引铁、
钴、镍等物质的性质。磁体间的相互作用既可表现为引力，也可表现为斥
力。磁体上各处磁性强弱分布不均，人们把磁体上磁性最强的部分叫做磁极136 第十八章 磁及其相互作用
（magnetic pole）。可在水平面内自由转动的磁体，静止时指向南方的那个磁极
叫做南极（S 极），指向北方的那个磁极叫做北极（N 极）。同名磁极相互排
斥，异名磁极相互吸引。
如图18—2所示，将条形磁体接触或靠近大头针，发现被吸引的大头针又能
吸引其他大头针。我们把原来不显磁性的物质，通过靠近或接触磁体等方式使其
显出磁性的过程叫做磁化。被磁化后，具有较强磁性的物质叫做铁磁性物质，
如铁、钴、镍等。
如图18—3所示，将一块磁体分成若干块磁体，发现不论分成多少块，每块
磁体均有两个磁极。
图18—2 大头针被磁化 图18—3 每块磁体都有两个磁极
磁体的周围有什么
如图 18—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？磁体周围有什么呢？下面，我们就来探究一下吧！
图18—4 磁体之间没有接触，却存在力的作用第一节 磁的奥秘 137
做 中 学
观察磁体周围的铁屑分布
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
与图18—5的铁屑分布类似。
用两块条形磁体试试，当它们的磁
极相对时，如 N 极与 S 极相对，看看磁 图18—5 条形磁体周围的
体周围的铁屑会呈现怎样的分布。 铁屑分布
从以上实验可知，磁体周围一定存在着某种物质。原来，磁体的周围存在
着一种看不见、摸不着的特殊物质，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。探究一下冰箱贴，看看它们之间的相
互作用是怎样产生的。
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，一粒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18—6为两块条形磁体异名磁极和蹄形磁体周围的铁屑分布图像。
（a） （b）
图18—6 两块条形磁体异名磁极和蹄形磁体周围的铁屑分布
磁感线——一种描述磁场的方法
为了形象直观地描述磁场，物理学中用磁感应线（简称磁感线），即带箭头138 第十八章 磁及其相互作用
的曲线来描述磁场的某些特征和性质。 磁感线
图18—7为条形磁体的磁感线分布。
在磁体的外部，磁感线总是从磁
体的 N 极发出，最后回到 S 极。磁
感线上任何一点的切线方向，即放在
磁场方向
该点的小磁针静止时的N 极指向，就
图18—7 磁感线的分布
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。
图 18—8（a）为两块条形磁体异名磁极附近的磁感线分布，图 18—8（b）
为蹄形磁体磁极附近的磁感线分布，图中磁感线的疏密反映了磁场的强弱。
（a） （b）
图18—8 两块条形磁体异名磁极和蹄形磁体磁极附近的磁感线分布
地磁场
我们生活的地球本身就是一个大磁体（图
地理北极
18—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。
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，行军、航海需要利用地磁场对
指南针的作用来定向。又如，海龟的洄游、 地理南极
信鸽的飞翔也是依靠地磁场来定向的。 图18—9 地球大磁体示意图第一节 磁的奥秘 139
地磁场被称为地球生命的“保护伞”。假如
能感受磁场的 素
没有地磁场，来自宇宙空间的高速带电粒子流 养
奇妙，能体会用磁 提
将直射地球，威胁生命。另外，在高能粒子的
升
感线描述磁场的意
轰击下，地球周围的大气成分也可能发生改变，
义，能对我国指南
使得生命无法生存。所以，地磁场这顶“保护
针的发明感到自豪。
伞”对我们来说至关重要。
科学书屋
我国古代四大发明之一：司南
指南针在航海、探险、军事方面都具有重要的实用价值。作为我国
古代四大发明之一，早期的指南针叫司
南（图18—10），据《古矿录》记载，司
南最早出现于战国时期的河北磁山一带。
我国东汉时期思想家王充写的《论衡》一
书中，也有“司南之杓，投之于地，其柢
指南”之说。可见，在我国，人们很早就
已经开始利用司南来辨别方向了。 图18—10 司南
作 业
1. 图 18—11 中绘出了磁体旁小磁针静止时所指的方向（小磁针蓝色端表
示S极），其中错误的是（ ）。
A. B. C. D.
图18—11140 第十八章 磁及其相互作用
2. 关于磁感线的概念，下列说法中错误的是（ ）。
A. 磁感线上某点的切线方向就是此点的磁场方向
B. 磁体周围越接近磁极的地方，磁感线越密
C. 磁感线是一种假想的曲线，在磁体外部从北极发出再回到南极
D. 磁感线是磁场中确实存在的线
3. 地球大磁体的南、北极与地理的南、北极相同吗？
4. 如图 18—12 所示，小磁针处于静止状态。请在图中甲、乙处标出磁体
的N、S 极，并画出磁感线（每个磁极画两条）。
甲 乙
图18—12 图18—13
5. 学习磁场知识后，某同学在一个圆纸盒里放一块条形磁体，盒外放了
一些小磁针，磁针 N 极的指向如图 18—13 所示。请你画出圆纸盒里磁体的合
理位置并标出N、S极。
6. 在学校图书馆或上网查找指南针的有关资料，简述我国古代指南针的
发明对人类社会发展有怎样的贡献。
7. 请用小磁针自制一个指南针，并简述指南针能指示南北方向的原理。
请提问
1. 为 什么将磁体分割为两块小磁体后，每块小磁体仍然都有两个磁
极呢？
2.
3.
……第第二二节节 探探究究：：通通电电螺螺线线管管外外部部磁磁场场的的方方向向 114411
第 二 节
探究：通电螺线管外部
磁场的方向
人们知道磁，也了解电，那么，磁与电 本节要点
有关系吗？电能产生磁吗？人们一直在探索
能完成“探究通电螺
这些问题，而首先揭开这个奥秘的是丹麦物
线管外部磁场的方向”的实
理学家奥斯特。
验，能按要求完成实验报
告；能认识电流周围存在磁
从奥斯特实验说起
场，知道通电螺线管外部磁
场的方向，能认识电磁铁
下面，让我们来重复奥斯特所做的实验
在生产生活中的应用。
吧。如图 18—14 所示，在小磁针上方平行地
架一根导线，当导线通电和断电时，你观察到什么现象？能说明什么问题？改
变电流方向，重复实验，又观察到什么现象？能说明什么问题？
导线
图18—14 模拟奥斯特实验的示意图
实验中我们发现，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（也可说通电导线）周围存在着磁场，这被称为电流的磁效
应。改变导线中电流的方向，小磁针偏转方向改变，说明通电导体周围磁场的
方向与电流方向有关。142 第十八章 磁及其相互作用
科学书屋
奥斯特
奥斯特（H. C. Oersted，1777—1851，图 18—15），丹麦物理学家、
化学家。1820 年 4 月的一天，奥斯特在做物理
实验时，无意中让通电导线靠近小磁针时，发现
小磁针发生了偏转。这个现象并没有引起在场
其他人的注意，而奥斯特却是个有心人，他紧
紧抓住这个现象，反复实验，深入研究，揭示
了电与磁的联系，打开了电磁学领域的一扇大
门，使人类对磁与电的研究进入了一个新的发展
时期。 图18—15 奥斯特
实验：探究通电螺线管外部磁场的方向
将导线绕在圆筒上，可做成一个螺线管（也叫线圈）。通过奥斯特实验，
我们知道了通电导体周围存在磁场，因此通电螺线管周围也应该存在磁场，那
么通电螺线管外部磁场是怎样分布的呢？其方向又是怎样的？下面，我们通过
实验进行探究。
探究
实验目的
1. 探究通电螺线管外部磁场分布的特点。
2. 探究通电螺线管外部磁场的方向。第二节 探究：通电螺线管外部磁场的方向 143
实验器材
螺线管、电源、开关、导线、滑动变阻器、有机玻璃板、铁屑和小磁针。
实验设计
为直观观察通电螺线管周围磁场的特点，可参考前面在玻璃板上撒铁屑的
办法来推断通电螺线管周围的磁场分布的特点，还可利用小磁针在磁场中的指
向来推断通电螺线管周围的磁场方向。请设计实验电路，并画出电路图。
实验步骤
1. 在一块玻璃板上安装导线绕成的螺线
管，板面上均匀地撒满铁屑。
2. 按照你设计的电路图，将螺线管等器
材连接起来，然后闭合开关，给螺线管通电，
并轻轻敲击玻璃板面，观察玻璃板面上铁屑的
分布情况（图18—16），用拍照等方式记录实
验信息。
图18—16 通电螺线管周围的
3. 换一个有更多匝数的螺线管，将小磁
铁屑分布
针放置在螺线管附近（图18—17），未通电时
观察小磁针N极指向。闭合开关，观察并记录小磁针N极指向的变化。改变电
流方向，再观察并记录小磁针N极指向的变化。
N S N S
a b
图18—17 连接实验器材的示意图144 第十八章 磁及其相互作用
实验结论 能根据探究问 素
养
1. 写出从实验步骤2得出的结论。 题，设计实验电路 提
升
2. 写出从实验步骤3得出的结论。 图，连接电路，进
行探究，能根据记
反思交流
录的实验信息得出
1. 通电螺线管周围的铁屑分布与哪种磁体
结论，能在电与磁
的铁屑分布类似？为什么？
的实验中运用已掌
2. 通电螺线管内部的磁场方向是怎样的？
握的实验技能。
设计实验验证你的猜想。
大量实验表明：
通电螺线管外部的磁场与条形磁体的磁场相似；
通电螺线管的磁极与电流的方向有关。
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，通电螺线管的磁极可用右手螺
旋定则（或叫安培定则）来判断。如图 18—18 所示，用右手握住螺线管，让
四指弯曲的方向与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18—18 判断通电螺线管的磁极
电磁铁在生产生活中的应用
在通电螺线管内插入一块铁芯，就构成了一个电磁铁。
电磁铁在生产生活中有很多应用，电磁继电器、电磁起重机、电磁选矿机、第二节 探究：通电螺线管外部磁场的方向 145
磁浮列车中都用到了电磁铁。此外，我们日常
生活中的电铃、电冰箱、吸尘器中也都有电磁
铁。全自动洗衣机的进水、排水阀门，卫生间
里的感应式冲水器阀门，也都由电磁铁控制。
下面我们介绍几个电磁铁的典型应用。
电磁起重机的主要部件是电磁吸盘，内
部由电磁铁构成。接通电源，电磁铁便把钢
铁物品牢牢吸住，吊运到指定的地方（图
18—19）。切断电源，磁性消失，钢铁物品
就被放下来了。电磁起重机使用十分方便，
通常应用在废钢铁回收部门和炼钢车间等
图18—19 电磁起重机
地方。
前面提到的磁浮列车，其磁体一般也会用电磁铁。当列车运行时，列车和
轨道上通电的电磁铁产生的磁力使列车悬浮于轨道上方，它就不再受车轮与轨
道间的摩擦力了。
如图 18—20 所示，电磁继电器一般 B D
由电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成， E
C A
其工作电路包括低压控制电路和高压工
低 高
压 压
作电路两个部分。当低压控制电路在电
控 工
制 作
磁铁 A 两端加上一定的电压时，电磁铁 电 电
路 路
A 工作，衔铁 B 被吸下，从而将带动衔
图18—20 电磁继电器结构示意图
铁的动触点 D 与静触点 E（常开触点）
吸合，高压工作电路接通。当电磁铁 A 断电后，其磁力消失，衔铁 B 则在弹
簧 C 的作用下返回原位，动触点 D 离开静触点 E，高压工作电路断开。这样，
通过电磁继电器低压控制电路的接通、断开，就达到高压工作电路的导通、切
断的目的。
利用电磁继电器，用低电压、弱电流的控制电路来控制高电压、强电流的
工作电路，能实现遥控和生产自动化。电磁继电器被广泛地应用于自动控制和
通信领域，在电冰箱、汽车、电梯、机床里的控制电路中都有电磁继电器的
身影。146 第十八章 磁及其相互作用
迷 你 实 验 室
自制电磁铁
将 2 m 长、带有薄绝缘皮的导线按图 18—21 所示绕在一根铁钉
上，将其连接在由电池作为电源的电
路上。当合上开关，试试这个自制的
电磁铁能吸起多少大头针。若将铁钉
换成木芯或纸芯，再做上述实验，看
有什么变化？ 图18—21 自制电磁铁
作 业
1. 请完成“探究通电螺线管外部磁场的方向”的实验报告，在报告中展
示实验设计的电路图、记录的实验信息以及实验步骤对应的结论等。
2. 选择下列说法中能使通电螺线管的 N、S 极位置互换的选项，并说明
理由。
A. 把线圈的匝数增加1倍
B. 改变电流的方向
C. 把电流大小减小一半
D. 开关断开后重新闭合
3. 在图18—22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18—22
4. 某蓄电池上标的“+”“-”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。第二节 探究：通电螺线管外部磁场的方向 147
5. 观察图18—23，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18—23
6. 利用电池、导线、开关、铁棒、大头
针、木板、车轮等器材制作一个电磁起重机
（图 18—24）。组装好电路后，将电池、开关
以及缠绕在铁棒上的多匝线圈串联在一起，
再用木板和车轮做成车架，将装好的电路固
定在车架上，电磁铁安装在吊臂前端。感受
一下你的电磁起重机有多大力量，看看它能
吸引多少大头针？请写出制作报告。 图18—24
请提问
1. 磁浮列车是怎样利用电磁技术工作的？
2.
3.
……114488 第第十十八八章章 磁磁及及其其相相互互作作用用
第 三 节
磁场对通电导线的作用
电扇是我们生活中常见的用电器，其 本节要点
内部有一个重要的部件——电动机。电动
能通过实验，认识通电导
机通电后会转动，你知道这是为什么吗？
线在磁场中会受到力的作用，
本节我们将学习相关内容。
知道力的方向与哪些因素有
关；能将相关知识与直流电动
通电导线在磁场中的受力情况
机等若干实际应用联系起来。
磁体在磁场中会受到力的作用，通电导线在磁场中是否也会受到磁场的
作用力？下面，我们通过实验进行探究。
做 中 学
探究通电导线在磁场中的受力情况
按图 18—25 的实验装置连接电路，当接通电源时，金属杆会运
动起来，这说明了什么？若保持磁场方向不变，改变电流方向，金
属杆的运动方向是否发生变化？若保持电流方向不变，改变磁场方向
时，金属杆的运动方向又会怎样变化？以上实验现象说明了什么？
金属轨道
能够在轨道上
滚动的金属杆
图18—25 实验装置第三节 磁场对通电导线的作用 149
大量实验表明：
素
能体会电与磁
养
的相互联系，能感受 提
磁场对通电导线具有力的作用，其作用
升
电与磁对人类文明进
力的方向与磁场的方向、电流的方向有关。
程的强有力推动。
通电导线在磁场中会受到力的作用。这一
永久磁体
物理学原理在生活、生产、科技中的应用非常
锥
形
广泛，扬声器就是利用了这一原理制作而成的。 纸 线圈
盆
扬声器俗称喇叭，是一种将电信号转换成为声音
引出线
的器件。如图18—26所示，动圈式扬声器主要由
图18—26 动圈式扬声器结构
线圈、永久磁体、锥形纸盆等构成。线圈处在永
示意图
久磁体的磁场中，当线圈中有电流通过时，就会
受到磁场的作用力而运动。由于扬声器工作时通过线圈的电流是随声音而变化
的，所以线圈受到的力也是变化的，从而带动纸盆来回振动发出声音。
再如，电磁弹射技术利用通电导体在磁场中受力使物体加速，只要保证足
够的电流输入，便能在发射装置内产生足够大的推力，使物体达到更高的速度。我
国完全自主设计建造的首艘弹射型航空母舰—福建舰（图 18—27），采用了先
进的电磁弹射技术，比传统的蒸汽弹射系统更加先进，使舰载机的起飞更加高效
和可靠。
图18—27 我国自主设计和建造的航空母舰150 第十八章 磁及其相互作用
直流电动机是如何工作的
电动机就是根据通电导线在磁场中会受力的
作用的原理制成的。图 18—28 为学生实验用的电
动机，将其接入电路，闭合开关，观察电动机的
转动。拆开这台直流电动机，观察它由哪几部分
组成。
图 18—29 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
图18—28 实验用直流电动机
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。
B
B C
F 线圈处于此位 线圈转至平衡
I
A C
置时，线圈中的电 位置时，两电刷与
I
A DF 流从半环2流向半 D 半环无接触，线圈
3 1 4 环1，线圈AB边受 3 1 4 中无电流所以不受
- 2 + - 2 +
力向上，CD边受力 力，线圈由于惯性
向下，线圈顺时针 会越过平衡位置。
（a） （b）
转动。
C
C B
线圈又转至平 F 线圈越过平衡
I
D B 衡位置时，与图（b） 位置后，线圈中的
I
情况相似，线圈由
D A
F 电流从半环1流向
3 2 A 4 于惯性会越过平衡 3 2 4 半环2，线圈AB边
- 1 + - 1 +
位置。 受力向下，CD边受
力向上，线圈仍然
（d） （c）
顺时针转动。
图18—29 电动机的工作原理第三节 磁场对通电导线的作用 151
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，注意两端刮漆的部分应在同侧［图 18—30
（a）］。把两个回形针折成图 18—30（b）所示的形状，用胶带固定在
纸板上［图 18—30（c）］。把线圈放在回形针上，使其可以转动，并
按图 18—30（d）所示连接电路。拿一块条形磁体放在线圈上方（不
阻挡线圈转动），接通电源，线圈就会转动。
露出的铜线 磁体
回形针 胶带 纸板
导线
漆包线 电池
（a） （b） （c） （d）
图18—30 制作简易电动机
想一想，线圈为什么会转动呢？如果它不转动，推一下或检查一
下，确保刮去半边漆后露出的铜线接触了金属回形针，为什么要这样
做呢？
作 业
1. 电动机工作时将电能主要转化为 ________ 能。电熨斗、日光灯、电
扇、洗衣机、电饭锅、微波炉、电热毯、电热水器等家用电器中使用了电动机
的有________________。调查一下，你家中还有哪些用电器用到了电动机？
2. 观察电动机的结构，请陈述电动机的工作原理。
3. 下列关于直流电动机的说法中正确的是（ ）。
A. 直流电动机的原理是电流的磁效应
B. 直流电动机正常工作时，主要是将电能转化为内能
C. 直流电动机的换向器是由两个彼此绝缘的铜半环组成的
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152 第十八章 磁及其相互作用
4. 如图 18—31 所示，闭合开关，导体受到磁场力的作用向左运动，这是
由于磁场对 ________ 有力的作用；若改变电流方向，同时将磁体磁极对调，
导体棒将向________运动。
图18—31 图18—32
5. 图 18—32 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 ____________________________________________________________。
6. 动圈式扬声器结构如图18—26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。
请提问
1. 生产生活中还有哪些利用了通电导体在磁场中受力来工作的实例？
2.
3.
……跨学科
第三节 磁场对通电导线的作用 115533
实 践
自制简易电报机
问题缘起
19 世纪 30 年代，莫尔斯用电流的“通断”
和“长短”来代替文字进行传送，即莫尔斯电
码。而后，使用该电码的电报机问世。那么电报
机（图 18—33）的原理是什么呢？能否根据我们
所学知识制作一个简易电报机，并自行编制电
码，进行信息传递呢？
活动方案 图18—33 电报机
本活动涉及电流的磁效应、历史、工程技
术、数学逻辑等知识和手工制作技能。 安全 警示
任务一：查阅电报机的历史和原理，了解电
活动过程中，
报机的发明及其在使用过程中发挥的作用，撰写
注意安全。谨慎使
一篇调研论文。
用剪刀，注意安全
任务二：查阅资料并设计简易电报机，准备
用电等。
相关实验器材（如电磁铁、电池、导线、纸带
等），参照自己的设计方案，制作一台简易的电
报机，并用其发送信息。
交流评价
从效率、便捷、美观等方面来评价各组制作的电报机，思考如何进一步
改进。
拓展研究
请查阅相关资料，了解历史上人类的通信方式的变化过程。154 第十八章 磁及其相互作用
本章练习
科学认知与辨析
1. 磁体吸引铁块时，铁块是否也会吸引磁体？为什么？
2. 中国古代四大发明之一指南针是怎样帮助人们判断南北方向的？
3. 螺线管通电后外部的磁场方向是怎样的？断电后螺线管还有磁性吗？
4. 通电导体在磁场中所受力的方向与哪些因素有关？
5. 下列关于电和磁的说法中正确的是（ ）。
A.同名磁极靠近时相互吸引
B.磁感线是真实存在的曲线
C.奥斯特实验表明通电导体周围存在着磁场
D.在通电螺线管内插入铜芯制成电磁铁
6. 小磁针静止时的指向如图 18—34 所示，由此可知（ ）。
A. a端是通电螺线管的N极，c端是电源正极
a b
B. a端是通电螺线管的N极，c端是电源负极
C. b端是通电螺线管的N极，d端是电源正极 N S
D. b端是通电螺线管的N极，d端是电源负极
c d
7.* 如图 18—35 所示，给电磁铁通电一段时间
图18—34
后，铁块及弹簧在图中位置静止。将滑动变阻器的滑
片向 b 端移动后，下列关于电流表示数和弹簧长度变
化的说法中正确的是（ ）。
A. 电流表的示数增大，弹簧的长度增加 a b
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 图18—35
8. 图 18—36 为电磁选矿机的示意图，A 为电磁铁。下列选项中正确的是
（ ）。
A. M 内是铁矿物质，N内是非铁矿物质
B. M内是非铁矿物质，N内是铁矿物质本章练习 155
C. M、N内都是非铁矿物质
D. M、N内都是铁矿物质
衔铁 绿灯
A 红灯
A
M N 水
B
电源 电源
图18—36 图18—37
9. 图 18—37 是一种水位报警器的原理图，当水位到达金属块 A 时（已知
容器中的水能导电），电路中（ ）。
A. 绿灯亮 B. 红灯亮 C. 两灯同时亮 D. 两灯都不亮
科学实验
10.* 现有器材：带铁芯的螺线管、
学生电源、开关、滑动变阻器各一
个，如图 18-38 所示。试用笔画线表
示导线把它们连接起来（连线不要交
叉）并满足以下两点要求：组成一个
可改变电磁铁磁性强弱的电路；当滑
动变阻器的滑片向右移动时，电磁铁
的磁性增强。 图18-38
科学·技术·社会·环境
11. 从跨学科视角，调研磁浮技术在轨道交通中的应用，了解我国磁浮列
车的发展状况，讨论电磁技术在其中的应用，完成一篇调研论文。
本 章 总 结
本章的要点有156 第十九章 电能从哪里来
第十九章
电能从哪里来
第一节 探究：产生感应电流的条件
第二节 发电机是怎样工作的
第三节 电能的储存与输送
实 践 调研电磁学对人类社会的
影响
本章学业要求
能了解电磁感应现象，知道导体在
磁场中运动时产生感应电流的条件；能
了解电磁感应在生产生活中的应用。
能根据实验现象推理感应电流产生
的条件，能判断感应电流的方向；能基
于证据发表自己的见解。
能完成“探究导体在磁场中运动时
产生感应电流的条件”的实验；能根据
实验数据形成结论；能陈述并反思实验
过程及结果。
能体会发电机的发明对人类文明的
推进作用；有防护高压触电的意识；有节
约电能，保护环境的责任感及自觉行为。
思考：输电线将发电
机输出的电能传输
到用户。发电机是
怎样发电的？电能
又是如何传输的？第第一一节节 探探究究：：产产生生感感应应电电流流的的条条件件 115577
第 一 节
探究：产生感应电流的条件
电的发明与应用使人类进入电气时代， 本节要点
给人们的生产生活带来了极大的便利。电能是
能完成“探究导体在
从哪里来的呢？本节我们学习电磁感应现象。
磁场中运动时产生感应电
流的条件”的实验，能按
实验：探究产生感应电流的条件
要求完成实验报告；知道
电磁感应现象和感应电
奥斯特实验告诉我们，通电导线周围存
流，了解电磁感应在生产
在磁场，也就是说电能产生磁，那么磁能否
生活中的应用。
产生电呢？
图 19-1 是发电机的模型，它有一个可以
磁体
产生磁场的磁体，一个可以在磁场中旋转的
线圈
线圈。摇动把手，使线圈快速转动，小灯泡
就亮了。也就是说，在线圈转动时，发电机
就发出了电。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。下面，我们
图19-1 发电机模型
通过实验进行探究。
探究
实验目的
1. 探究导体在磁场中运动时产生电流的条件。
2. 探究导体在磁场中运动时产生电流的方向与哪些因素有关。
实验器材
U形磁体、导体棒、导线、开关、灵敏电流计和铁架台。158 第十九章 电能从哪里来
实验设计
如图 19—2 所示，将导体棒的两端
用细导线悬挂起来，并与灵敏电流计、
开关串联组成闭合电路。让导体在 U
形磁体的磁场中运动，探究产生感应
电流的条件和影响电流方向的因素。
实验步骤
1. 按照图 19—2 安装实验装置，
连接电路。闭合开关，让导体在 U 形 图19—2 实验装置示意图
磁体的磁场中运动，观察在什么情况下电路中
方 法 点 拨
能产生电流（灵敏电流计指针发生偏转）。记下
观察导体在什
产生电流时灵敏电流计指针的偏转方向、磁铁
么情况下有电流产
的磁场方向及导体的运动方向。
生，记下产生电流
2. 请你想办法改变实验步骤1中产生的电
时的实验条件。改
流方向，观察并记录灵敏电流计指针偏转方向
变实验条件，多次
改变时对应磁体的磁场方向、导体的运动方向。
实验，记录实验结
尝试用多种方法改变电流的方向。
果，然后通过分析
3. 重复实验步骤 1 或 2，观察灵敏电流计
推理得出结论。
的指针偏转情况。
实验结论
总结导体在磁场中运动时产生电流的条件和影响电流方向的因素。
反思交流
能感受电生磁 素
1. 如果导体的运动方向与磁感线方向不垂 养
与磁生电的对称之 提
直，导体中能产生电流吗？为什么？
升
美，能体会科学家
2. 如果导体不动，移动 U 形磁体，导体中
在探索自然规律中
能产生电流吗？为什么？
的执着追求。
3. 在上述实验过程中，能量是如何转化的？第一节 探究：产生感应电流的条件 159
拓展一步
如图 19—3 所示，伸开右手，使大
拇指与其余四个手指垂直，并且都与 I
手掌在同一平面内；让磁感线从掌心
进入，并使拇指指向导线运动的方向，
这时四指所指的方向就是感应电流的
图19—3 用右手判断感应
方向。 电流的方向
电磁感应及其应用
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（induction current）。
大量实验证明：
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皆有关。
电磁感应现象在生产生活中有着广泛的应用。发电机就是利用电磁感应制
成的，它为人类走进电气时代作出了卓越贡献。除此之外，生活中常用的一种
动圈式话筒（图 19—4）、手机无线充电器（图 19—5）、电磁炉等都是应用电磁
感应原理制成的。
图19—4 动圈式话筒 图19—5 手机无线充电160 第十九章 电能从哪里来
科学书屋
法拉第
法拉第（M. Faraday，1791—1867）是英国物理
学家、化学家（图19—6）。他曾是一名装订书籍的
学徒，从小热爱科学，发奋自学，终成科学巨匠。
法拉第很早就开始研究“磁生电”，他坚持进
行实验探索，并留下了大量的实验记录。经过不懈
努力，终于在 1831 年发现了电磁感应现象，揭示
了磁生电的规律。 图19—6 法拉第
作 业
1. 请完成“探究产生感应电流的条件”的实验报告，在报告中说明实验
时是怎样改变电流方向的，并提供实验记录信息与实验结果等。
2. 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
3. 如图 19—7 所示，a 表示垂直于纸面的一根导体，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（ ）。
a a a a
A. B. C. D.
图19—7第一节 探究：产生感应电流的条件 161
4. 图 19—8 是“探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件”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。
（1） 要使电路中产生感应电流，可行的操作是_______________________
___________________；
（2） 要使感应电流的方向发生改变，可以采取的两种方法是：
方法一：_______________________________________________________。
方法二：_______________________________________________________。
b d
a c
图19—8 图19—9
5. 如图 19—9 所示的实验装置，闭合开关，先将导体 a c
ab水平用力向右移动，导体cd是否会随之运动？为什么？
6.* 如图 19—10 所示，磁感线垂直纸面向里，用“×”
B
表示，导体棒 ab 在磁场中沿金属导轨向右做切割磁感线运
b d
动，导体棒 cd 静止在导轨上，则导体棒 cd 中的电流方向是
图19—10
________（选填“从c到d”或“从d到c”）。
请提问
1. 法拉第当年是怎样发现电磁感应现象的？
2.
3.
……116622 第第十十九九章章 电电能能从从哪哪里里来来
第 二 节
发电机是怎样工作的
人们利用法拉第发现的电磁感应现象发 本节要点
明了发电机，那么，发电机的工作原理是怎样
能了解发电机的工作
的？发电机发电过程中，能量是如何转化的？
原理，了解发电机发电过
程中的能量转化，知道电
发电机的工作原理
磁感应与多种发电形式的
联系，能初步了解我国三
发电机是根据电磁感应原理制造的。发
峡大坝工程的发电概况。
电机所产生的电流分为直流电与交流电，图
19—11是交流发电机的发电原理示意图。
C 当线圈平面与磁感
C B
设线圈绕自身的轴 线平行时，AB边运动方
D B
线逆时针转动。当线圈 向向上、CD边运动方向
平面与磁感线垂直时， D A 向下，都切割磁感线，产
1 A 1
3 线圈AB边和CD边运 3 生感应电流。电流在由线
2 动方向与磁感线平行， 2 圈、铜环1、电刷3、灵
4 4
（a） 不切割磁感线，线圈中 （b） 敏电流计、电刷4以及铜
不能产生电流。 环2构成的电路中流动。
线圈平面再次与磁 B 线圈平面再次转到
B C
感线平行，此时AB边运 与磁感线垂直时，AB边
A C
动方向向下，CD边运动 和CD边运动方向又与
A D 方向向上，切割磁感线， 磁感线平行，线圈中不
1 1 D
3 产生感应电流，但电流 3 会产生感应电流。
方向与前面图（b）中
2 2
4 4
（d） 的相反。 （c）
图19—11 交流发电机发电原理示意图第二节 发电机是怎样工作的 163
实际上，交流发电机的结构要比图 19—11 中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
19—11 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。
D I S 实 验 室
探究手摇发电机输出电压的特点
如图19-12所示，将电压传感器并联在
手摇发电机输出端。缓慢转动发电机手柄，
观察计算机屏幕上电压随时间变化的图像，再
结合交流发电机发电原理示意图（图19-11），
你能得到什么结论？改变转动手柄的快慢，
观察图像变化，你又能得到什么结论？ 图19-12 实验装置图
发电机与能量转化
发电机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19—13）高速旋转，从而带 图19—13 巨大的汽轮机叶轮
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 水和水蒸气 发电机转子
电能
化学能 的内能 的机械能164 第十九章 电能从哪里来
水力发电
水力发电一般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，使水轮机带动发电机转子转动，从而实现发电。
水力发电的能量传递和转化过程是：
水的 水轮机的 发电机转子
电能
机械能 机械能 的机械能
举世瞩目的三峡工程（图 19—14）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。
能辨析发电机 素
养
与电动机工作原理 提
升
的不同及其意义，
能体会电磁学给人
类生产生活带来的
变化，能感受物理
学对社会发展的推
动作用。
图19—14 三峡大坝
核能发电
核能发电是利用铀原子核裂变时释放出的核能来加热水，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 的机械能第二节 发电机是怎样工作的 165
秦山核电站（图19—15）是我国第一
座自行设计、建造、调试和运营的核电
站。目前，我国已建成多座核电站。
物理在线
查阅资料，进一步了解更多的发
电措施，如海浪发电、地热发电、风
力发电以及太空发电等。
图19—15 秦山核电站
作 业
1. 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
2. 在下列现象中，能反映发电机原理的是（ ）。
A. 电路中导体棒切割磁感线产生电流
B. 通电导体棒在磁场中运动
C. 导线通电后，其附近的小磁针发生偏转
D. 同名磁极相互排斥
3. 图19-16为发电机模型示意图，下列说法中正确的是（ ）。
a
b
c
K
图19-16
A. 线圈中产生电流是由于电流的磁效应 B. 通过灯泡的电流方向不变
C. 与电动机原理相同 D. 其他形式能量转化为电能166 第十九章 电能从哪里来
4. 科技创新大赛上展示了一款新型皮箱，其内部没有电源，但拖动皮箱
让轮子滚动时，嵌在轮子里的 LED 灯会发光，夜间行走更安全。下列选项中
能说明箱轮发光原理的是（ ）。
A. 电磁感应 B. 磁场对电流的作用
C. 电流的热效应 D. 电流的磁效应
5. 请你说一说扬声器、发电机和电动机在工作过程中涉及的能量转化。
6. 常见的发电方式有火力发电、水力发电、风力发电和核能发电。请进
一步查询资料，总结上述四种发电方式的优缺点。
请提问
1. 火力发电、水力发电和核能发电，它们是怎样与电磁感应联系起
来的？
2.
3.
……第第三三节节 电电能能的的储储存存与与输输送送 116677
第 三 节
电能的储存与输送
电给人们带来光明，也带来了高品质的生 本节要点
活方式。那么人们是怎样储存电能，又是怎 能认识生产生活中一
样输送电能的呢？ 些主要的电池，了解高压
输电，知道高压输电中变压
电池及其发展 器的作用，知道高压电弧和
跨步电压的危害及防护。
生活中有各种不同类型的电池。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。
化学电池
化学电池是把化学能转化为电能的装置，是生活中最常用的电池。
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、锂电池等。 碳棒（正极）
只能一次性使用的电池，称之为原电池；可反
二氧化锰
复充电使用的电池，称为蓄电池或二次电池。
电解质
图 19—17 是锌锰干电池的构造示意图。
锌筒（负极）
锌锰干电池由碳棒（正极）、锌筒（负极）及
图19—17 锌锰干电池
二氧化锰和电解质等组成，属于原电池。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。
蓄电池被广泛用作汽车或电动自行车等
的电源。充电时，它把电能转化成化学能并进
行储存，使用时再把化学能转化为电能（图
19—18）。蓄电池可提供较大的电流，电压也 图19—18 电动汽车充电168 第十九章 电能从哪里来
比较稳定。
化学电池在生活、通信、生产及科学研究方面都有广泛的应用。
化学电池虽然使用方便，但它们大多含有汞、镉、锂等金属元素，铅酸蓄
电池中更有铅电极板和电解液。随意丢弃化学电池会污染环境，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
制作柠檬电池
准备一只柠檬、一块铜片、一块锌片、一副耳机和两小段导
线。如图 19—19 所示，先将铜片和锌片插入柠檬中，再将两根导线
分别与耳机的两个接线脚相连。将与
耳机
耳机相连的一根导线连在铜片上，用
另一根导线刮擦锌片，你听到了什
铜片
锌片
么？为什么？这个电池能使小灯泡发
光吗？
能用苹果代替柠檬吗？请试一试。 图19—19 柠檬电池
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，通常由半
导体硅和金属导体制成。太阳光照射到电池上，会在正、负两极之间形成
电压。
太阳能电池既可以用于计算器、玩具
等，也可以联成阵列，建成太阳能发电站
（图 19—20）。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源，污染少，
故太阳能的利用越来越受到人们的重视。
目前，我国的太阳能发电技术和装机容量
在世界上处于领先地位。 图19—20 太阳能发电站的电池板第三节 电能的储存与输送 169
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
出的电要送到上海、江苏等东部地区使
用，发电站与用电地区相距上千千米。
因此，要用图 19—21 中跨山越水的巍
峨铁塔上的电缆来输送电能。
家庭用电的电压是 220 V，然而高
图19—21 高压输电线把电能送到远方
压输电线上的电压通常都有几百千伏。
这是因为采用高压输电，可以减少电能在输送线路上的损失。根据已学的知
识，想一想，为什么高压输电能减少电能的损失？
发电站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（图19—22）。
工厂或
发电站 升压变压器 高压线路 降压变压器
居民用电
图19—22 远距离输电示意图
物理在线
目前，我国远距离输电除了采用常见的
查阅资料，了解我国
110 kV、220 kV 和 330 kV 的电压之外，还
的特高压输电技术的应用
采用 500 kV 的超高压输电，以及 800 kV、
现状、优势及发展前景。
1 000 kV的特高压输电。170 第十九章 电能从哪里来
高压触电及其防护
加油站
用电器为什么不直接使用高电压呢？
变压器（图19—
这是因为高电压的绝缘防护要求很高，直接供
24）的工作原理是
给家用电器是十分不安全的。
电磁感应，它能将输
当高压带电体与人、动物和建筑物等物体距离
入变压器的交流电压
较近时会产生放电现象，使人和动物触电，称为电
升高（升压变压器）
弧触电（图19—23）。因此，高压输电线都架得很高。
或降低（降压变压
器）。变压器不能改
高压输电线
变直流电的电压。
电弧放电
图19—24 变压器
图19—23 要防止高压电弧触电
如图 19—25 所示，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。人若走到此区域，其两脚之间
承受了较高电压，这个电压通常称为跨步电压，此时会发生触电事故。
具有安全生活 素
养
的理念，能主动进 提
升
行相关的科学普
及，能为国民素养
提升作出力所能及
的贡献。
断落地面的高压输电线
图19—25 警惕跨步电压的伤害第三节 电能的储存与输送 171
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，应立即设立警示标志，并通知有关电力部门进行
抢修。
作 业
1. 在输送电能的过程中，为了减少电能在线路中的损耗，通常采取的方
法是什么，为什么？
2. 小鸟停在高压输电线上不会触电，为什么？
3. 举世瞩目的三峡工程于2003年开始发电。在庞大而复杂的水利枢纽中，
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
5. 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____________________________。
6.* 特高压输电工程是国家电网建设的重点项目，设输电功率恒定为
P，输电电压为 U，则输电电流 I= ________，如果传输线路的电阻为 R，输
U
电线路上损失的功率为 ________，若电压为 ，输电线路上损失的功率将
2
________（选填“增加”“减少”或“不变”）。
请提问
1. 我国在高压输电领域有哪些技术处于世界一流水平？
2.
3.
……跨学科
117722 第十九章 电能从哪里来
实 践
调研电磁学对人类社会的影响
问题缘起
1831年，法拉第发现了电磁感应现象，进一步揭示了电与磁的关系。很
快，多种用永久磁体制作的发电机陆续问世。到了19世纪60年代，人们又
发明并改进了用电磁铁制作的发电机，使得发电机的结构更加合理，发电效
率大大提升。随着电能的远距离输送以及各种用电设备的发明，人类社会逐
渐从蒸汽时代进入了电气时代。电磁学给人类社会发展带来极大的推动力，
下面让我们一起调查电磁学对人类社会产生了哪些主要的影响。
活动方案
本活动涉及电磁学、历史、社会等知识。
任务一：查阅资料，调研自法拉第发现电磁
感应现象后，电磁学如何引发了第二次工业革命。 安全 警示
以案例方式说明在我国的科技成就中，哪些是与
活动过程中注
电磁学知识有关的，电磁学给我们的生产、生活
意安全。例如，谨
带来了哪些变化。完成一篇与电磁学如何影响人
慎使用剪刀，连接
类社会发展相关的调研报告。
电路时应注意始终
任务二：成立兴趣小组，制作一台小型风力发
断开开关，并仔细
电机，看看你们的发电机能否让一个小灯泡（或发
检查电路。
光二极管）发光。经历此活动后，你有怎样的感受。
交流评价
以墙报或小论文的形式展示调研过程与结果，报告中应含数据分析与
具体案例；展示制作的风力发电机，从跨学科视角与同学们分享制作过程及
心得体会。
拓展研究
查阅资料，请将电生磁与磁生电结合起来，举办一个相关的科普活动，
进一步说明电磁学与社会发展的关系。本章练习 173
本章练习
科学认知与辨析
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。
下列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. 电动自行车越来越受到人们的青睐，下列关于电动自行车的“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
3. 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
4. 如图 19—26 所示，可能使灵敏电流计指针发生偏
转的情况是（ ）。 a b
A. 开关S断开，导体 ab竖直向下运动
B. 开关S闭合，导体 ab竖直向上运动 S
C. 开关S断开，导体 ab向纸外运动
图19—26
D. 开关S闭合，导体 ab向纸里运动
5. 电吉他中电拾音器的基本结构如图 N金属弦
19-27 所示，磁体附近的金属弦被磁化，因 S
N 放
此弦振动时，在线圈中产生感应电流，电流 线圈 大
器
S
经电路放大后传送到音箱发出声音。下列说
磁体
法中错误的是（ ）。
A. 选用铜质弦，电吉他不能正常工作 图19-27174 第十九章 电能从哪里来
B. 取走磁体，电吉他将不能正常工作
C. 弦振动时，线圈中的感应电流方向保持不变
D. 弦振动时，线圈中的电流方向不断变化
6. 风能的使用有利于保护生态环境。风力发电的能量转化是：风车转动
将________能转化为________能，发电机将________能转化为________能。
7. 电与磁的联系可以由三个重要实验所证实，这三个实验分别是：
（1） 小磁针放在通电导线周围会偏转：该实验证实了________________
_____；应用举例：_____________________；
（2） 通电导体在磁场中会运动：该实验证实了_____________________；应
用举例：_____________________；
（3） 导体棒切割磁感线时，电路中会产生电流：该实验证实了 ___________
__________； 应用举例：_____________________。
8. 某小组探究导体在磁场中产生感应电流的条件，如图 19—2 所示。实验
时保持磁体位置不变，则：
（1） 导体棒在磁场中不动时，灵敏电流计指针________偏转；
（2） 导体棒水平向右运动时，灵敏电流计指针________偏转；
（3） 导体棒水平向左运动时，灵敏电流计指针________偏转；
（4） 导体棒竖直向上运动时，灵敏电流计指针________偏转。
9. 一种动圈式扬声器可以代替话筒使 锥形纸盆
线圈
用。如图19—28所示，人对着扬声器的锥形 永久磁体
扩音机
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，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
扬声器
现象在物理学上叫做__________________。
图19—28
科学实验
10. 下课了，小明和同学们对老师桌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？请根本章练习 175
据这一现象，确定一个课题并进行研究。
综合
11.* 小华家距离变压器2 km，在变压器与小华家之间有两条输电线，每条
输电线每千米的电阻为0.5 Ω，即0.5 Ω/km，变压器加在输电线两端的电压是
220 V。在某一时间段，整个线路只有小华家一台额定电压为 220 V、额定功
率为2 420 W的电热水器工作。不考虑温度变化对电热水器电阻的影响。求：
（1） 输电线中电流的大小；
（2） 电热水器的实际电功率。
本 章 总 结
本章的要点有176 第二十章 电磁波与信息时代
第二十章
电磁波与信息时代
第一节 初识电磁波
第二节 电磁波的应用
第三节 跨学科：电磁波与信息技术
实 践 探究红外测温仪
本章学业要求
知道电磁波及其在真空中的传播速
度，知道波长、频率和波速；能了解电
磁波的应用及其对人类生活和社会发展
的影响。
能体会电磁波就在我们周围；能对
简单的电磁波问题进行分析，形成结论；
能用与电磁波相关的证据解释电磁现象；
能对已有观点提出有依据的质疑。
能基于观察，提出与电磁波相关的
问题；能根据实验现象形成结论；能主
动与他人交流实验过程与结果。
能领会电磁波从预言到证实的神奇；
能为我国在电磁波技术应用方面的成就
思考：为什么我们
而自豪，能体会电磁技术应用对人类生
通过手机、平板电
活和社会发展带来的影响。
脑或计算机，几乎
能在瞬间与千里之
外的亲朋好友通话
或视频交流？第第一一节节 初初识识电电磁磁波波 117777
第 一 节
初识电磁波
“玉兔号”是我国首辆月球车，它于2013 本节要点
年抵达月球表面后，在月球上工作了 960天。
能初步认识电磁波及
我们在电视上就能看到“玉兔号”拍摄的月
电磁波谱，知道其在真空
球画面。这些信息是怎样从月球传播到地球
中的传播速度，能了解电
上的？本节，我们将学习电磁波的初步知识。
磁波的波速、频率、波长
及其相互关系；能体会电
电磁波及波谱
磁波就在我们周围。
“玉兔号”拍摄的月球信息是通过电磁波传播到地球上的。电磁波让我们
能用收音机听广播，用电视机收看节目，用手机查看信息……我们生活在电磁
波的海洋里，电磁波将我们联结在一起。
电磁波就在我们身边。通过下面的实验，你会感知到我们周围电磁波的存在。
做 中 学
利用断续的电流产生电磁波
将电池组、灯泡利用导线串联起来，将钢尺以 1.5 cm 为间隔贴
上电工胶布。打开收音机，在调幅（AM）模式下，调至无节目的位
置，调大音量。用夹子将导线一端
与钢尺头部夹住，导线另一端在钢
尺表面反复滑过（图20—1）。
观察灯泡亮灭的变化，仔细听
收音机，感知声音的变化及其规律。
你知道产生这些现象的原因吗？
图20—1 感知电磁波178 第二十章 电磁波与信息时代
实验中，我们能从收音机听到时断时续的声音。这是因为随着导线一端在
钢尺上滑动，电路时通时断，电流大小不断变化，产生了电磁波，收音机收到
电磁波，所以会产生与电流变化规律类似的声音。
收音机、电视机和手机涉及的电磁波，都是无线电波。除了大家熟知的无
线电波，我们人眼感知的可见光、电视红外遥控
器使用的红外线、医院检查用的X射线等，都 知道人类能感 素
养
是电磁波。电磁波是由很多成员组成的大家庭。 知的电磁波占电磁 提
升
把各种电磁波按照波长或频率排列，这样的排列 波谱的很少部分，能
称为电磁波谱。它可让我们较好地了解电磁波这 领会大自然充满奥秘
个大家庭的组成情况（图20—2）。从电磁波谱可 及人类不断探索的
以发现，能被人类视觉感知的可见光只占了电 意义。
磁波谱极小的部分。
可见光
g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 nm0.1 mm0.4 mm0.7 mm0.01 mm 1 cm 1 m 1 km
放射性物质 X射线管 汞灯 太阳 电暖器 微波炉 发射天线（电视
台、广播电台）
图20—2 电磁波谱及电磁波的主要用途
科学书屋
物理学中的对称美
奥斯特发现电生磁，法拉第发现磁生电，电与磁不可分割。在此
基础上，英国物理学家麦克斯韦（J. C. Maxwell，1831—1879）基于
对对称美的追求，提出了麦克斯韦方程组，从理论上预言了电磁波的第一节 初识电磁波 179
存在，并推论光也是一种电磁波。德国物理学家赫兹（H. R. Hertz，
1857—1894），在 1888 年用实验证实了电磁波的存在，并测出电磁波
的速度的确等于光速。这一划时代的成就让人们惊叹对称美的威力和
麦克斯韦方程组的伟大！
电磁波的特征
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。
我们已经知道光在真空中的传播速度约为 3.0×108 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。
波长（wave length）是相邻两个
l 波峰
波峰（或波谷）间的距离，用字母 λ
表示（图 20—3）。在国际单位制中，
波长的单位是米（m）。
波谷
l
频率（frequency）为波周期性变
图20—3 波长
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
波速、波长与频率的关系为
c：波速
c = λν λ：波长
ν：频率180 第二十章 电磁波与信息时代
电磁波在真空中的波速一定，因此其波长和频率成反比关系。频率越低，
波长越长；反之，频率越高，波长越短。
科学书屋
电磁污染与防治
电磁污染，已被认为是继大气污染、水污染、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。为了减少电磁污染，我
们需要制订防治电磁污染的对策，如严格执行相关政策法规，合理应
用电磁辐射控制技术等。
作 业
1. 在物理学中，常用________描述波传播的快慢，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. 红外线、紫外线、无线电波在真空中传播速度一样大，其中频率最高的是
_______。
3. 关于电磁波，下列说法中正确的是（ ）。
A. 5G通信利用电磁波来传递信息
B. 我国北斗卫星定位系统利用超声波进行定位
C. 电磁波在真空中的传播速度是340 m/s
D. 遥控器发出的红外线不是电磁波
4. 列举以下四种电磁波在人们生活、生产中的应用事例（每种电磁波各
举一例）。例如，红外线：电视红外遥控器利用红外线进行遥控。第一节 初识电磁波 181
（1） 无线电波：_________________________________________________；
（2） 微波：_____________________________________________________；
（3） γ射线：____________________________________________________；
（4） X射线：___________________________________________________。
5. 下列家用电器中利用电磁波工作的是（ ）。
A. 电熨斗 B. 电扇 C. 微波炉 D. 洗衣机
6. 查阅资料，调查电磁波带来的影响及人类采取的相关对策，完成一篇
调研报告。
请提问
1. 家庭使用的电子设备发射的电磁波对身体有害吗？
2.
3.
……118822 第第二二十十章章 电电磁磁波波与与信信息息时时代代
第 二 节
电磁波的应用
电磁波是个有较多成员的大家庭，不同 本节要点
的成员有哪些典型的不同特点？它们在生产
能了解电磁波的应用
生活中有哪些重要应用？本节，我们将学习
及其对人类生活和社会发
常见的电磁波的应用。
展的影响，知道无线电
波、微波等不同区间的电
无线电波与广播电视
磁波的应用。
在电磁波谱中，无线电波的波长最长，频率最低，被广泛用于长距离传送
声音、图文等信号。无线电波的波长范围非常广，可分为多个波段（表20—1）。
表20—1 无线电波的分类及用途（部分）
频带名称 频率范围ν/Hz 波段名称 波长范围λ/m 用 途
低 频 3×104 ～ 3×105 长 波 104 ～ 103 越洋长距离通信和导航
中 频 3×105 ～ 3×106 中 波 103 ～ 102 无线电广播
高 频 3×106 ～ 3×107 短 波 102 ～ 10 无线电广播、电报通信
甚高频 3×107 ～ 3×108 米 波 10 ～ 1 调频无线电广播
特高频 3×108 ～ 3×109 分米波 1 ～ 10-1 航空无线定位、无线电导航
超高频 3×109 ～ 3×1010 厘米波 10-1 ～ 10-2 电视广播
无线电波很早之前就被用于无线电广播与电视信号传播。如图20—4所示，
低频无线电波适用于长距离无线电通信，要实现更远距离的传播，则需要利用地
面转播站；高频无线电波则被电离层反射，从而传播到更远的地方。
中、高频无线电波适用于区域性的无线电广播，以传输普通声音信号为
主。无线电波的振幅根据所传送的声音信号而变化，这种信号调制方式称为第二节 电磁波的应用 183
电离层
高频无线电波
地面波
地面站B
地面站A 地面站C
地球表面
图20—4 无线电波在地球表面的传播示意图
振幅调制（amplitude modulation，AM），简称调幅。
甚高频的无线电波则用于传输高品质广播，例如
立体声节目，其频率依据所需传送的声音信号而
变化，这种信号调制方式称为频率调制（frequency
modulation，FM），简称调频。
用于电视广播的超高频（super high frequency，
SHF）波段的电磁波无法绕过建筑物，用于接收电
视信号的天线必须直接对准电视塔。因此有线电
视普及之前，很多城市都建有非常高的电视塔（图
20—5），它们也成为所在城市的文化地标之一。
图20—5 东方明珠电视塔
微波与卫星通信
微波的波长在厘米量级甚至更短，可穿透大气
层，适用于电视信号与雷达信号传送，以及卫星通
信，具有极高的民用、科研及军事价值。微波信号
经地面站天线发射，经由卫星接收、放大并转发给
其他地面站（图20—6）或中继卫星，从而实现覆盖
较广区域甚至全球的通信。
通信卫星使用的微波频率一般在 300 MHz 至
300 GHz 之间。与卫星进行通信，地面站天线需要
对准卫星，实现微波信号的发射与接收。我国自 20 图20—6 地面站184 第二十章 电磁波与信息时代
世纪 60 年代就已启动微波接力通信系统与卫星的研制，在研究、开发、制造
和发射、运营等多个领域均已居于世界前列，在国内与国际通信服务方面取得
了举世瞩目的成就。我国的天宫空间站已实现多次“天宫课堂”的高清信号直
播，依靠的就是我国建立的天链一号、天链二号中继卫星通信系统。天链中继
卫星通信就是典型的微波通信，即使用了电磁波中的微波段。
科学书屋
微波炉
生活中，我们比较熟悉的电磁波能量特性的应用是微波炉。微波
炉中的磁控管能够产生很强的电磁波
（图 20—7），它的波长很短，所以叫做
微波 天线
微波。食物的分子在微波作用下剧烈 冷却风扇
振动并相互摩擦而产生热量，食物的
磁控管
温度升高。这种微波可以穿透食物内
电容器
部5 cm，使食物内部和外部一同受热，
旋转托盘 变压器
效率高。因为食物中的水分子比其他分
子更容易吸收微波的能量，所以含水量
图20—7 微波炉的结构与工作
高的食物在微波炉中温度上升更快。 状态示意图
红外线成像与检测
在电磁波谱可见光区红光的外侧，存在一个看不见的电磁波段，即红外
线。红外线的波长比红光要长，约为 10-6 ～ 10-3 m。所有物体都会发射红外
线，且强度与波长和物体的温度有关。温度低于 500℃的物体只会发射红外
线，超过 500℃的物体则既可发射红外线也可发射可见光。红外线作为一种特
殊的电磁波，应用非常广泛，常见于热成像、遥控与检测等领域。第二节 电磁波的应用 185
红外热成像通过热红外电荷耦合器对物体进行成像，能反映出物体表面的
温度场（图 20—8）。红外热成像在军事、工业、汽车辅助驾驶、医学领域都有
广泛的应用。
图20—8 基于红外热成像技术拍摄的影像
各类家用红外遥控器也是利用红外线作为控制信号的传输载体，对各类家电
进行遥控。用于非接触式测量体温的体温计，也是基于红外线实现体温检测的。
高频电磁波与医疗
高频电磁波在医疗等领域还有很多基
g射线
于其能量特性的应用，如 γ 射线治疗、激
肿瘤
头盔
光医疗与焊接等。γ射线应用于医疗的典型
例子就是伽马刀治疗，它利用 γ 射线能量
高、穿透力强的物理特性，基于定向原则，
将颅内病变组织选择性地确定为靶点，使 图20—9 伽马刀治疗
用 γ 射线进行一次性大剂量聚焦照射（图
20—9），使病变组织坏死或功能改变而实
能体会人类对电磁 素
现治疗疾病的目的。激光相较于普通光源， 养
波技术的巧妙应用，能
提
单色性、方向性更好，除了可用于矫正近
升
感受电磁波技术的应用
视的手术，还可用于机械制造中的精密模
拓展了人类认识自然的
具加工、精密焊接等工艺，甚至用于核聚
能力。
变研究。186 第二十章 电磁波与信息时代
作 业
1. 在一次活动中，无人机群接收到地面指挥系
统的指令，在空中排列成美丽的图案，如图 20-10
所示。地面指挥系统向无人机群发出编队指令的
“传递使者”是（ ）。
A. 探照灯光 B. 电磁波
C. 超声波 D. 次声波 图20-10
2. 关于电磁波和现代通信，下列说法中错误的是（ ）。
A. 电磁波可在真空中传播
B. 电磁波的频率越低，在空气中传播的速度越小
C. 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站进行通信的
D. 无线电波中长波的频率低于短波的频率
3. 电磁波的传播 ________（选填“需要”或“不需要”）介质，微波炉利
用________加热食品。
4. 有一款内置微型卫星导航定位芯片的专用鞋，当穿着它离开指定的区域
时，鞋中的芯片便会自动发出使用者所在的位置信息。该信息被卫星接收后再
发送到手机。此过程中由________波传递信息，传播速度约为________m/s。
请提问
1. 广播电台节目的发射频率和波长分别是多少？
2.
3.
……第第三三节节 跨跨学学科科：：电电磁磁波波与与信信息息技技术术 118877
第 三 节
跨学科：电磁波与信息技术
信息化是当今时代的大趋势。当你用手 本节要点
机与人交流、查阅资料和在网上购物时，你
能从跨学科视角了解
是否感受到网络已与我们生活息息相关？信
电磁波与信息技术的关
息化离不开高速发展的通信技术。本节，我
联，能了解光纤通信、现
们将介绍我们身边的几种典型的通信技术。
代电信网络、互联网等及其
与生产生活的关联；能体会
光纤通信
电磁技术应用对人类生活和
社会发展带来的影响。
光纤是光导纤维（optical fiber）的简称，
是由玻璃或塑料等材料制成的纤维（图 20—11）。光纤是利用光波（即可见光）
传播信号的，是信息社会传送各种信息的主要工具。
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。一根
光纤能同时传输相当于10 000 根电线所传输的信息量。随着科学技术的发展，
光纤能传送的信息容量还会更大。
图20-11 细如发丝的光纤188 第二十章 电磁波与信息时代
迷 你 实 验 室
观察光在光纤中的传播
先将彩色透明纸蒙在手电筒的玻璃上，再将一束光纤的一端垂直
放置其上。观察不同颜色的光在光纤中传播的现象。把光纤弯曲成不
同的角度，甚至成环状，重复上面的实验步骤。观察光在弯曲光纤中
传播的现象，跟同学们一起讨论为什么会出现这些现象。
光纤很细，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 20-12）。光纤的抗干扰能力强，能有效
减少信号的衰减，适用于远距离、大容量传输信
息（图20-13）。由于光纤传输信号容量及抗干扰
能力的优异特性，现已成为互联网地面信号传输的
主要媒介，由其组建的网络又称为光纤通信网络。 图20-12 光在光纤中的传播
图20-13 通过光纤传送的若干电视频道信号
现代电信网络
人们经常使用电话，其实，要打通一个电话可没想象中那么简单。电话
系统由许多有线、无线网络构成（图 20-14），以下扼要展示卫星通信、微波
通信及移动通信在无线电通信中发挥的作用。
卫星通信：卫星把地面站送来的信号接收下来，进行放大，然后转发给另
外的地面站。第三节 跨学科：电磁波与信息技术 189
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
地面
传真机 站Ｂ 电话
中继站
长途
海底光缆 海底光缆
长途 电信局
电信局
微波中
继站
寻呼通信
无线寻呼
图20-14 电话网络示意图
微波通信：微波通信像接力赛，每隔几
物 理 聊 吧
十千米修建一座接力站，接收并放大信号，
继续传送。 查阅资料，了解手机
移动通信：移动电话用微波信号与电话 改进历程中的典型案例，
网络联系。移动通信的基地台是参考蜂窝 体会通信技术的进步对社
（图 20-15）的构造布局的（图 20-16），这 会发展的影响，与同学们
样，大大增加了无线电覆盖的有效面积，减 讨论交流你的看法。
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20-15 蜂窝 图20-16 移动通信的基站190 第二十章 电磁波与信息时代
学科综合
第五代移动通信技术
第五代移动通信技术简称 5G。移动通信技术已历经第一代、第
二代、第三代、第四代发展，每一次代际跃迁都极大地促进了产业升
级和经济社会发展。与 4G 相比，5G 最大的优势在于其更高的速度
和更低的延迟，是实现人机物互联的网络基础设施，是移动互联网及
其服务蓬勃发展的基础，也是目前改变世界的几种主要技术之一。
国际电信联盟（ITU）定义了5G的八大关键性能指标，其中高速
率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1 Gbps，
时延低至 1 ms，用户连
接能力达每平方千米百万
连接。目前我国已基本建
成 5G 移动通信网络（图
20-17），无论是技术还是
应用均处于世界前列。
查阅资料，了解更多
关于5G的发展及功能。 图20-17 5G移动通信概念图
互联网
互联网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互联网这个信息高速公路，就可获得世界各地的各种
信息，即便足不出户也能了解天下大事。网络让我们即使远隔千山万水，也仿
佛近在咫尺。
互联网为我们提供了崭新的学习方式——网络学校。互联网让图书馆和实验室
都能“进入”你的家里，随时随地打开计算机，你就可以开始学习（图20-18）。
网上医院使医生与患者能通过互联网及时传递信息，患者无需和医生面对
面，就能获得专业咨询和诊断。
互联网使信息在全球范围内得到了高速共享。第三节 跨学科：电磁波与信息技术 191
素
能感受电磁学
养
与其他学科融合的 提
升
技术进步对社会发
展的推动作用，能
体会信息技术给人
类生产生活方式带
来的影响。
图20-18 通过互联网在线学习
学科综合
跨越千年：从烽火台到“5G + 北斗”导航
在人类文明历程中，信息的产生和传播一直备受关注。我国古代
就有了烽火传递信息的方法（图 20—19），主要用于军事，后来驿站
的建立完善了通信体系。古代信息的传递速度受限于交通工具，直到
电磁波的发现，才真正让天涯变为咫尺。借助电磁波，现代通信网络
已覆盖了地球的各个角落，世界变成了“地球村”。
我国在移动通信和卫星通信领域都取得了丰硕的成果。我国自行
研制的北斗卫星导航系统（图 20—20），在卫星通信领域有着明显的
优势和潜力，同时具备高精度定位和通信功能，可广泛应用于交通运
输、海洋探测、天气预报等多个领域。如果 5G 与北斗融合，北斗可
支撑 5G 网络安全高效运行，5G 可增强北斗导航服务能力，将能提
图20-19 烽火传递信息 图20-20 卫星导航示意图192 第二十章 电磁波与信息时代
供高精度、连续稳定的时空信息服务，进而服务于智慧城市、无人系
统、万物互联等多个场景。
查阅资料，了解“5G + 北斗”的强大功能，完成一篇关于信息
技术的应用将给人们生产生活带来怎样变化的科学猜想报告。
作 业
1. 光纤通信有哪些特点？
2. 手机是人们常用的通信工具之一，手机之间通话和收发信息利用了（ ）。
A. 微波传送 B. 超声波传送 C. 光纤传送 D. 空气传送
3. 21世纪是信息时代。关于信息的传递，下列说法中错误的是（ ）。
A. 烽火、旗语、电报传递信息都是数字通信
B. 微波可传递信息，还可加热食物
C. 声波不是电磁波
D. 汽车的倒车雷达，既可用超声波也可用电磁波
音频
4. 汽车导航仪与通信卫星之间通过 _______ 来
视频
传递信息，其在真空中的传播速度为 _______m/s；图
射频
20-21（a）是表示音频、视频和射频三种信号的波形示
意图，频率最高的是_______信号。如图20-21（b）所 （a）
示，光纤通信是利用了激光在纤维中经过多次 _______ 内芯
从一端传到另一端。
外套
5. 查询资料，了解量子计算机的相关信息，写出 （b）
你对量子计算机未来发展的畅想，与同学们交流。 图20-21
请提问
1. 光是怎样传递信息的？
……跨学科
第三节 跨学科：电磁波与信息技术 119933
实 践
探究红外测温仪
问题缘起
有人认为红外测温仪（图 20—22）会产生危害
身体的电磁波，这是真的吗？红外测温仪是如何测
量温度的？下面我们通过实践活动一起探索。
活动方案
本活动涉及与红外线、电磁波辐射、人体温度、
红外传感器等相关的内容。
图20—22 红外测温仪
任务一：查阅资料。了解红外测温仪的工作原
理、操作过程及使用的安全性要求，调研在流行病传播期间红外测温仪的
使用情况。
任务二：进行探究。使用液体温度计和红外测温仪分别进行体温测量，
比较测量结果及不同测温仪的利弊。探究如何选用合适的测量工具来测量
不同物体的温度，并根据探究结果提出建议。
交流评价
完成一篇关于红外测温仪的工作原理及使用前景的调研报告，与同学
们交流讨论研究成果，并针对红外测温仪是否会对人体产生影响提出个人
的观点，作出解释。
拓展研究
查阅资料，了解并探究人类对电磁波其他波段的应用实例。194 第二十章 电磁波与信息时代
本章练习
科学认知与辨析
1. 关于电磁波和现代通信，请判断下列表述是否正确。
（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）移动电话是靠电磁波传递信息的；
（6）微波传输时要靠微波中继站才能传输较大的距离；
（7）卫星只能作为传送电视信号的中继站。
2. 下列通信方式中不属于微波通信的是（ ）。
A. 微波中继通信 B. 光纤通信
C. 移动通信 D. 卫星通信
3. 下列电磁波中波长最长的是（ ）。
A. 紫外线 B. 红外线
C. 可见光 D. 无线电波
4. 电视台发射出一列波长为10 m的无线电波，则它的频率大约是（ ）。
A. 30 Hz B. 30 kHz C. 30 MHz D. 无法计算
5. 关于信息传递，下列说法中正确的是（ ）。
A. 军用雷达利用超声波进行定位和导航
B. 卫星通过红外线传递信息
C. 光纤通信利用电流传递信息
D. 汽车导航通过电磁波传递信息
6. 下列说法中错误的是（ ）。
A. 光波是一种电磁波，可在真空中传播
B. 声波是一种电磁波，不能在真空中传播
C. 超声波能粉碎结石说明超声波具有能量
D. 光纤通信是一种利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式本章练习 195
7. 电磁波的用途非常广泛，可以归纳为：医疗，如 _________________；
通信，如_________________；红外遥控，如_________________。
8. 手机传递信息的电磁波频率有 v = 900 MHz 和 v = 1 800 MHz，与这两
1 2
个频率相对应的电磁波波长及波速分别是 λ 、 v 和 λ 、v ，则 λ ________ λ ，
1 1 2 2 1 2
v ________ v 。（均选填“＞”“=”或“＜”）
1 2
9. 雷达是利用 _________ 测定物体位置的无线电设备。假设某时刻雷达
向飞机发射电磁波，电磁波遇到飞机经反射后，又被雷达接收，整个过程用
时 52.4 μs（1 μs = 1×10-6 s）。电磁波的速度为________，则飞机离雷达的距离是
________。
10. 图 20—23 是地球上的人造卫星进 卫星
行通信的示意图。
（1） 请结合示意图，简要说明卫星通
信的原理；
（2） 许多长途电话以地球同步卫星为 地面站2
中继站。由于无线电波传输需要时间，故
主站
地面站1
接听时会有一定延迟。假设某人造卫星与 通信客户
地面的距离是 36 000 km，请你估算延迟
通信客户
的时间。
图20—23
科学·技术·社会·环境
11. 查阅资料，了解物理学对信息技术发展的贡献，写一篇小论文。
本 章 总 结
本章的要点有196 第二十一章 能源、材料与社会
第二十一章
能源、材料与社会
第一节 能量的转化与守恒
第二节 跨学科：能源的开发与利用
第三节 跨学科：材料的利用与开发
实 践 制作太阳能烤箱
本章学业要求
知道能量守恒定律，能列举能量转
化和转移的实例，知道能量转化和转移
具有方向性，能了解一些新材料的特点
及其应用；能运用这些知识解释自然现
象，解决简单的问题。
能从能量转化和转移视角认识效
率；能用能量转化与守恒的观点分析问
题；能从信息中寻找证据论证自己的观
点；能对一些看法提出质疑。
能发现与能源及材料相关的问题；
能制订调研方案，收集证据，得出调研
结论；能陈述调研过程和结果。
能体会能量守恒定律在科学发展中
的意义；能关注能源开发及新材料研究
的动态，知道开发核能的意义及可能带
来的问题，具有促进可持续发展的行为。
思考：地球上的能
源是取之不尽、用
之不竭的吗？第第一一节节 能能量量的的转转化化与与守守恒恒 119977
第 一 节
能量的转化与守恒
电闪雷鸣，波涛汹涌……在自然界和生 本节要点
活中，能量以多种形式展现着。自然界和人
知道能量守恒定律，
类生产生活中处处都离不开能量，能量与社
能从能量转化和转移的角
会发展密切相关。不同形式的能量之间存
度认识效率，能用能量守
在怎样的关系？在转移和转化的过程中有
恒、能量转化和转移具有
什么规律？本节我们学习能量的转化及其
方向性的自然规律来分析
规律。
自然现象、解释生产生活
中的相关问题。
能量的转移与转化
大量事实说明，能量不但可从一个物体转移到其他物体，而且可从一种形
式转化为其他形式。
如图 21—1 所示，运动的小球通过碰撞让静止的小球也动起来，动能从一
个物体转移到了另一个物体。
（a） （b） （c）
图21—1 小球碰撞时物体之间会发生能量的转移
利用水力发电，机械能转化为电能。电灯发
光（图 21—2），电能转化为光能和内能。食物中
的营养成分给人体提供所需能量，化学能转化为
内能。人体运动过程中化学能转化为动能，为运
动提供能量。 图21—2 电灯发光198 第二十一章 能源、材料与社会
地球上的能量主要来源于太阳，生命活动
离不开太阳能。植物（图 21—3）通过光合作用
将太阳能转化为化学能，并储存在其体内。煤、
石油和天然气中的能量来源于亿万年前植物、
动物体内的化学能。
图21—3 植物
物 理 聊 吧
在生产生活实践中，处处都离不开能量。请你说说图 21—4 中各
种物体所具有的能量及其可能的能量转化形式。
（a）山顶上的石块（b）滚动的足球（c）加热后的物体（d）牛奶、面包等（e）导线中的电流
图21—4 我们周围的物体具有不同形式的能量
能量守恒定律
能量的转移和转化一直是人们研究的重要问题。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，或产出多于输入的能量。但大量的研究表明，自然界的能量
是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能量守恒定律（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，而能量的总量保持不变。第一节 能量的转化与守恒 199
例如，小球摆动时，势能与动能不断地
相互转化。当小球到达最高处时，势能最大；
随着小球的下降，势能逐渐减小，动能逐渐
增大，势能转化为动能；当小球下降到最低
势能最大 势能最大
点时，势能最小，动能则最大（图21—5）。 动能最大
图21—5 小球在运动时能量守恒
小球在摆动过程中能量守恒，似乎小球
应该永远摆动下去。可事实上，小球的机械
素
能从能量守恒定
能是不断减小的，最终小球会停下来。这是 养
律感受大自然的多样性 提
为什么呢？原来，小球在运动过程中与空气
升
与统一性，能体会物理
摩擦会产生热，小球的一部分机械能转化为
学的发展深化了人类对
内能。如果将此内能计算进去，总的能量还
自然的认识。
是守恒的。
物 理 聊 吧
日常生活中，荡秋千时，一旦停止用力，秋千会越摆越低（图
21—6）。掉在地上的弹性小球虽然会弹起，但其反弹的高度会越来越
低（图21—7）。
图21—6 荡秋千 图21—7 小球在地面弹跳的频闪照片
请你思考并与同学讨论秋千和小球在上述运动过程中的能量转
化。为什么它们的高度会逐渐降低？是否丢失了能量？你认为减少
的机械能到哪儿去了？200 第二十一章 能源、材料与社会
能量转移和转化的方向
在日常生活中，并不是所有能量转移和转化的过
程都会自发地实现。例如，我们只见过自上而下的瀑
布（图21—8），未见过水自发地从低处流向高处。高温
物体与低温物体接触时，高温物体会放出热量，温度降
低；低温物体会吸收热量，温度升高。内能自发地从高
温物体转移到低温物体，然而，这种自发的过程不可
能反过来，即内能不可能自发地从低温物体转移到高
温物体。那么，能量转移和转化过程存在怎样的规律？ 图21—8 黄河壶口瀑布
物理学的研究表明：
能量的转移与转化具有方向性。
在前面所讨论的秋千和小球的运动中，由于摩擦的存在，一部分机械能会
转化为内能，而这部分内能不可能自发地再转化为机械能。从上面的案例可
知，热传递过程具有方向性，机械能转化为内能也具有方向性。研究表明，自
然界所有与热现象有关的过程都具有方向性。
物 理 聊 吧
查阅资料，了解关于第一类永动机和第二类永动机的一些设想，
请运用能量守恒定律及能量转化和转移具有方向性的自然规律，讨论
为什么这两类永动机都不可能实现。
能量转移和转化的效率
人类社会生活离不开能量。由于能量转移和转化的方向性，我们希望在能
量转移和转化过程中，能充分利用能量。如利用热机时，希望内能尽可能多地第一节 能量的转化与守恒 201
转化为机械能；利用电风扇时，希望电能尽可
素
能从能量转化
能多地转换为风扇的机械能。
养
效率体会理想状态 提
能量的利用存在效率问题，100% 的能量利
升
与实际的区别，有
用率只是一种理想情况。在能量转移和转化的
主动提高效率的意
过程中，输出的有用能量与输入的总能量之比
识，能从能量转化
称为能量转化效率，通常用百分率表示。
和转移具有方向性
在所有的能量利用过程中，能量损耗不可
领悟可持续发展的
避免。提高能量转化效率是节能问题的核心，是
重要意义。
可持续发展的重要措施之一。我们可利用现代科
技尽量减少能量的损耗，提高能量转化效率。
例如，燃烧木柴、天然气等燃料的灶具是通过将燃料中的化学能转化为
内能来加热锅体，再通过锅体对食物加热，其大部分热量耗散到空气中。柴
火灶［图 21—9（a）］燃烧木柴产生内能，真正用于食物烹饪的能量仅为燃烧
释放热量的 30% 左右；在燃烧天然气产生内能的燃气灶［图 21—9（b）］出现
后，能量转化效率可达到 55%。随着现代科技的不断发展，食物加热的方式
更丰富多样。利用电能转化为内能的烤箱、电磁炉和微波炉［图 21—9（c）］
等，加热食物时的能量转化效率大大提升，如微波炉的能量转化效率一般为
70% ～ 90%。
（a）柴火灶 （b）燃气灶 （c）微波炉
图21—9 柴火灶、燃气灶和微波炉
作 业
1. 下列能量转化或转移的情境中，属于能量转移的是（ ）。
A. 燃料燃烧时发热 B. 用热水袋取暖
C. 钻木取火 D. 电动机带动水泵把地下水送到地面202 第二十一章 能源、材料与社会
2. 说出下列过程中能量转化或转移的情况。
（1） 启动纯电动汽车，汽车向前开；
（2） 滑滑梯时，臀部发烫；
（3） 利用电饭锅烧饭；
（4） 用太阳能电池板给路口的红绿灯供电。
3. 现代电动汽车为了节能，都安装了能量回收装置，在汽车刹车时带动
发电机，将汽车的____________能转化为电能，为汽车提供后续运动的能量。
4. 在忽略空气阻力的情况下，石头下落时的能量是增加、减少，还是不
变？它的动能、势能、内能是如何变化的？如果考虑空气阻力，下落石头的能
量会变吗？它的动能、势能和内能会变吗？
5. 当你水平抛出一个小球后，你的朋友接住它。请你描述发生在以下过
程的能量转化（ 忽略空气阻力）。
（1） 你将球抛出的过程；
（2） 你的朋友接到球的过程。
6. 如图21—10所示，两种不同的金属丝组成一 康铜丝
个闭合回路，触头1置于热水杯中，触头2置于冷
铜丝
水杯中，此时回路中灵敏电流计的指针就会发生偏
转，这是温差电现象。请描述此过程的能量转化。
热 冷
水 水
7. 想象一辆效率为 100% 的汽车，它会排出 1 2
废气吗？它的引擎会发热吗？ 图21—10
请提问
1. 地球为什么会一直绕着太阳运动，它的能量来自哪里？
2.
3.
……第第二二节节 跨跨学学科科：：能能源源的的开开发发与与利利用用 220033
第 二 节
跨学科：能源的开发与利用
人类离不开能源，城市照明、汽车行驶、 本节要点
食物烹饪、电器工作都需要能源来提供能量，
能列举常见的不可再
但能源并非都取之不尽、用之不竭。人类
生能源和可再生能源，知
在能源开发与利用的过程中，应关注哪些问
道核能的特点和核能利用
题？下面我们学习与此有关的内容。
可能带来的问题；能从能
源开发与利用的视角体会
人类对能源的利用
可持续发展的重要性。
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21—11）。像
太阳能、风能、水能以及生物质能等，这类可长期提供或可再生的能源属于可
再生能源（renewable energy）；而像煤、石油、天然气和铀矿等，这类一旦消耗
就很难再生的能源属于不可再生能源（non-renewable energy）。
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 21—12）、风力、畜力等自
然能源的利用促进了人类文明的发展。
太阳
火山
海洋
煤
天然气
石油
图21—11 自然界中的部分能源 图21—12 我国古代对
水能的利用204 第二十一章 能源、材料与社会
人们对能源的需求与日俱增，探索方向逐渐从如何利用身边的自然能源转
向如何获取更多能源。于是，大约在200多年前，由于对煤的大量开采，人类
利用能源的历史进入了一个崭新的时期。
18 世纪，用煤作燃料的蒸汽机（图 21—13）的发明，带来了人类历史上
的第一次工业革命，由此人类进入大工业生产的时代。各种机械及交通工具的
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。
19 世纪，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，
从此进入了电气时代。电能的利用为人类带来了一个光明、灿烂的新世界（图
21—14）。各种电气设备的发明，使人们的生活水平和生活质量得到了极大改
善，同时人类对能源的需求和依赖也越来越大。
图21—13 蒸汽机车 图21—14 灯火辉煌的城市夜景
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
物理在线
已经成为一个全球性的重大课题。
查阅资料，列举常见
煤的燃烧会产生大量的二氧化碳气体和
的不可再生能源和可再生
烟尘，造成空气污染。大气中二氧化碳的浓
能源，了解人类对可再生
度增大，导致温室效应增强，全球变暖，危
能源的开发事例。
害生态平衡。火力发电厂发电时所产生的第二节 跨学科：能源的开发与利用 205
“余热”会引起热污染。泄漏的石油污染海洋（图21—15）；工业和交通工具的
废气笼罩在城市的上空（图 21—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？开发和利用核能成为人类获取能量的一个新途径。
图21—15 清理漂浮的石油 图21—16 废气笼罩的城市
学科综合
调研人类对能源的开发与利用
查阅资料，从跨学科视角了解人类对能源的开发与利用的大致历
程，完成一篇调研报告。举办一场科普报告会，研讨能源的开发与
利用对社会发展的推动及对环境的影响，对当地能源利用提出改进
意见。
开发核能与重视核安全
核能的开发和利用一般有两种方式：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。
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。图 21—17 是铀原子 中
子 铀核
核在中子的轰击下产生裂变的过程，每一个铀原子
核的裂变会产生大量能量。 图21—17 核裂变206 第二十一章 能源、材料与社会
科学家研究发现：如果放在一起的铀超过一定质量，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至3个
铀原子核，使这些铀原子核也发生裂变，如此下去就会产生系列化的越来越剧
烈的反应。这种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，是产生核能的另 氘核 中子
一种方式。图 21—18 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。
氚核 氦核
利用核聚变也能制造核武器。氢弹就是利用核
图21—18 核聚变
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21—19）。
怎样才能利用核能造福于人类呢？
核能发电可缓解能源危机，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。核能发电可减少环
境污染，在安全运行的情况下，与火力发电相比，
图21—19 氢弹爆炸
核能发电可有效减少二氧化硫、氮氧化物等有害
气体的排放。我国也建成若干座核电站，如秦山核电站、广东大亚湾核电站
（图 21—20）等已投入使用。
有兴趣了解人 素
养
类研发核能的新动 提
升
态，知道核能可能
带来的问题，能为
核能的安全利用作
出力所能及的努力。
图21—20 广东大亚湾核电站第二节 跨学科：能源的开发与利用 207
不过，核能的利用也存在一些安全风险， 物理在线
核燃料使用后会产生一些放射性的核废料， 查阅资料，了解可控
为了防止放射性物质泄漏，核能利用装置都 核聚变的研究进展，了
采用了严格的防护措施。对核废料的运输、 解我国在这方面的研究
储存，需要专门的运输工具和场地。 成就。
人类还在不断探索可控核聚变，期待不
久的将来能通过可控核聚变开发核能，由此为人类提供清洁、安全而且原料几
乎取之不尽的能源。
开发新能源
现在人们不仅努力开发核能，而且不断探索对太阳能、风能、地热能、潮
汐能等新能源的开发。
太阳能（solar energy）
太阳能是一种既相对清洁，又取之不尽的能源。目前，人们主要采用光转
化为电、光转化为热的方式来开发、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化为热的方式利
用太阳能。
采用光转化为热的方式可发电，也可供家庭用来取暖、加热生活用水。
图21—21是一种常见的太阳能热水器。它工作的原理是：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。
储水箱
物理在线
加热管
查阅资料，了解我国
在光伏发电方面的成就、
应用领域及发展前景。
图21—21 一种家庭常用的太阳能热水器208 第二十一章 能源、材料与社会
风能（wind energy）
风具有很大的能量。这种能量可能会带来极大破坏，如拔起大树、吹倒房
屋，但我们也可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，把风的动能转化为电
能就是风力发电（图 21—22），风能是一种清洁的
可再生能源，越来越受到世界各国的重视。我国
风能储量很大，分布面广，风能资源的开发和利
用对于保护环境、调整能源结构具有重要意义。
地热能（geothermal energy）
地球内部蕴藏着大量的热，在有地热资源的 图21—22 新疆达坂城的
地方可开发和利用地热来发电（图21—23）。 风力发电场
图21—23 地热能发电场
潮汐能（tidal energy）
月球、太阳对地球的引力作用产生了潮汐。涨潮与落潮蕴藏着巨大的能
量，这种能量可用来发电（图21—24）。
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21—24 潮汐能发电第二节 跨学科：能源的开发与利用 209
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。
更多的新能源在不断开发中。氢能源是人们关注的一种新能源，氢燃烧的
产物是水，没有任何污染，是目前公认的最清洁能源。氢燃料在航空航天、汽
车中已有广泛应用。
作 业
1. 我国蕴藏丰富的能源可用于发电，下列发电方式中利用不可再生能源的
是（ ）。
A. 风电场 B. 太阳能发电站 C. 水电站 D. 火电厂
2. 太阳能是人类能源的宝库，下列有关太阳能说法错误的是（ ）。
A. 太阳能是氢聚变释放的核能
B. 我们今天开采的化石能源来自上亿年前地球接收的太阳能
C. 目前太阳能电池转化太阳能的效率非常高
D. 太阳能电池是将太阳能转化为电能
3. 请参照示例，在表 21—1 中至少填写 6 个能量转化的实例（每个空格限
填1例）。
表21—1
实 例
能量
转化为机械能 转化为电能 转化为化学能 转化为光能 转化为内能
机械能 —
电能 — 日光灯发光
化学能 蓄电池放电 —
光能 —
内能 —210 第二十一章 能源、材料与社会
4. 当前的核能发电，是利用核反应堆中的核 ________ 变来发电的。氢
弹爆炸则是通过核 ________ 变在瞬间释放能量的，这是属于 ________（选填
“可控”或“不可控”）核反应。
5. 垃圾也可用来发电。人们将垃圾填埋后，通过厌氧发酵产生沼气。这
些沼气燃烧产生高温蒸汽，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
（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。
6. 近年来，新能源汽车的发展十分迅速。请你调查一下新能源汽车的发
展历史，写一份调查报告。
7. 请你调查家里近 6 个月的用电信息，将数据填入表 21—2。思考用电量
增加或减少的原因，并想一想怎样节约用电。
表21—2
月份
用电量
请提问
1. 什么是低碳生活？个人如何为节能环保作出贡献？
2.
3.
……第第三三节节 跨跨学学科科：：材材料料的的利利用用与与开开发发 221111
第 三 节
跨学科：材料的利用与开发
科学技术的发展离不开材料的开发，科 本节要点
学技术的进步伴随着新材料的出现。让我们 能结合实例了解一些
一起用物理学的视角，看一看材料的利用与 新材料的特点及其应用，
开发。 了解半导体、超导体、纳
米材料等的主要特点；能
人类早期对材料的利用 体会新材料技术的研发与
应用对社会发展的影响。
书本、课桌、黑板，道路、高楼、桥梁，
手机、电视机、电冰箱……我们周围大大小
小的物品都是由各种材料制成的。其中，我
们把直接取自自然界的材料称为天然材料，
如木材、棉花和陶土等；而由人工合成的材
料称为人造材料，如塑料与合金等。
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 多万年以前，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
物的皮和骨等制成工具（图 21—25）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21—25 原始人制造的工具
历了旧石器时代和新石器时代。
大约在 5 000 年前，人类学会了冶炼金属铜并用其制造工具。我国有着举
世闻名的青铜文化，如三星堆出土的青铜器文物（图 21—26），其造型、工艺212 第二十一章 能源、材料与社会
以及蕴含的深意等让世界惊叹！后来通过在冶炼
铜时加入少量的锡，人们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。
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
图21—26 三星堆的文物
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。
物 理 聊 吧
材料的发展也为科学技术的发展提供了物质
基础。 查阅资料，了解历
史上不同材料的利用对
导电性材料的利用与开发 人类文明进程的影响并
与同学讨论交流。
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
导线
绝缘材料
内部电子的运动状况决定的，金、银、铜、铁和
铝等金属材料是导电性能较好的导体，如铜、铝
等常被用来制成传导电流的导线。绝缘体的电阻
很大，电流几乎不能通过，因此，类似橡胶那样
图21—27 电缆内部的
的绝缘体常常被用来隔离带电物体（图 21—27）。
导线与绝缘材料
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，如材料硅、锗和砷化镓等都属于半导体。
半导体材料可制成二极管、三极管（图 21—28）等半导体元件和集成电
路。在收音机、录音机、电视机、计算机等常用电器的内部，都可找到大量
图21—28 半导体元件第三节 跨学科：材料的利用与开发 213
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。半导体三极管可用来放大电
信号。
迷 你 实 验 室
探究半导体二极管的单向导电特性
准备实验材料：电源、灯泡、开关、导线、接线板、接线柱、半
导体二极管等，自己设计实验电路，探究半导体二极管的单向导电
特性。
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。
超导材料（superconducting material）
1911 年，昂内斯在研究汞电阻随温
电阻
度的变化时，观察到在温度降低到 4.2 K R/W
时汞的电阻值突然降低到几乎为零（图
21—29），从而发现超导现象。
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 O 4.2 温度T/K
大功率输电。因为超导输电线可无损耗地 图21—29 汞电阻随温度变化的图像
输送极大的电流，这意味着用细电线就可
输送强电流。
1933 年，迈斯纳和奥森菲尔德发现
了超导磁浮现象（图21—30）。
超导磁浮现象使人们想到可用超导体
来实现交通工具的无摩擦运行，这将大大
提高交通工具的运行速度。 图21—30 超导磁浮现象214 第二十一章 能源、材料与社会
20 世纪末，人们分别对超导列车、超导船
素
能感受到超导、
进行了可行性实验。可以预期，在不久的将来， 养
纳米等新材料的神 提
超导材料的应用将对世界产生巨大的影响。
升
奇，能体会科技发
纳米材料（nanomaterial）
展无止境，人类的
纳米材料统指合成材料的基本单元大小限
探索将不断深入。
制在 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。例如，纳米材料可大大提高材
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 图21—31 一种纳米尺度机器
21—31）。由纳米材料制成的导线将大大提高计 的局部
算机的性能，并缩小计算机芯片的体积。
学科综合
超轻固态材料气凝胶
气凝胶是由石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境
下经冻干、去除水分、保留骨架而制成的，它是一种超轻的固态材
料。将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上，纤细的草须也不会被
压弯（图 21-32）。“全碳气凝胶”的结构韧性也十分出色，在数千次
被压缩至原体积的 20% 之后也能迅速复
原。它还是吸油能力最强的材料之一，
吸收量可高达自身质量的 900 倍。目前
科学家正在对这一材料的性能做进一步
的应用性研究。请查阅资料，从跨学科
视角综合了解气凝胶的物质结构及应用 图21—32 狗尾巴草须托起的
前景，写一篇相关的小论文。 气凝胶第三节 跨学科：材料的利用与开发 215
科学书屋
材料的疏水性
事实上，纳米材料并不神秘，也不是人类的专利，纳米材料存在
于自然界之中。例如，莲花（图21—33）
之所以能出淤泥而不染，是因为莲叶表面
结构与粗糙程度皆为纳米尺度，使其能够
达到不沾水的状态，灰尘和泥巴也就无法
吸附在其上了。另外，许多昆虫的翅膀表
面具有纳米粒子，只要一抖动翅膀就可
将雨水和灰尘抖落，从而不影响飞行。 图21—33 莲花
作 业
1. 如图 21-34 所示，在 A、B 两点间 A B
先后接入下列物体，选择闭合开关后不能
使小灯泡发光的选项，并说明理由。
A. 铝线
B. 铜线
C. 玻璃棒
D. 铅笔芯
图21-34
2. 如图 21-35 所示，酸甜多汁的水果
提供的电能点亮了发光二极管，其中水果
相当于电路中的 ____________，发光二极
管主要由 ________ 材料制成。如果其中
一个二极管熄灭，另一个依然发光，说明
熄灭的二极管与另一个二极管是 ________
（选填“串联”或“并联”）的。 图21-35216 第二十一章 能源、材料与社会
3. 如图 21-36 所示，当闭合开关后，发光二极管发出柔和的光。如果把
发光二极管的两个引脚对调，发光二极管 ________（选填“能”或“不能”）
继续发光。从图中所给的信息，可判断出通过小灯泡的电流方向为 ________
（选填“由左向右”或“由右向左”）。
图21-36
4. 物理学家在超导研究领域的重大突破，有望提高能源利用效率与传输
效率。超导材料能用来制作以下哪种元件？请说明理由。
A. 白炽灯灯丝 B. 远距离输电线
C. 电烤炉电阻丝 D. 电熨斗发热体
5. 纳米陶瓷作为新材料应用广泛，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、防渗透、
无磁性等特点，下列选项中不能使用纳米陶瓷材料制成的是（ ）。
A. 装烧碱的容器 B. 切割金属的刀具
C. 乘坐公交用的IC卡 D. C919客机的外表涂层
6. 查阅资料，了解人类对超导材料、纳米材料的利用与开发的新动态，完
成一篇相关的科普报道，与大家分享。
请提问
1. 可用纳米材料制造能进入人体并吃掉病毒的机器人吗？
2.
3.
……跨学科
第三节 跨学科：材料的利用与开发 221177
实 践
制作太阳能烤箱
问题缘起
自古人们便懂得利用太阳光的能量，现代人
也常利用太阳光来晾晒物品，甚至烤制食物。下
面我们来制作一个太阳能烤箱。
活动方案
本活动涉及能源的开发与利用、光的反射、
材料的性能、低碳生活等相关内容。
任务一：查阅资料认识太阳能，了解自古以
来人类对太阳能利用的大致进程，收集人类将太 图21—37 太阳能烤箱
阳能转化为其他形式能量的实例。了解太阳能烤
箱的原理，分析太阳能烤箱如何利用太阳能。完
安全 警示
成一篇调研报告。
活动过程中，
任务二：制作太阳能烤箱。查阅资料并设计
注意安全。谨慎用
太阳能烤箱，准备相关实验器材（如纸箱、易拉
刀、热熔胶枪等工
罐、锡箔纸等）。根据设计方案，制作太阳能烤箱
具，用完这些工具
（图 21—37）。制作中请考虑材料的导热性以及烤
后要小心收放。
箱的结构、加热速度、保温性能、安全性等。
交流评价
把太阳能烤箱放在阳光下，尝试加热食物，测试烤箱的加热速度、保
温能力等；和同学们交流调研报告，分享制作过程及心得体会。
拓展研究
开展科学辩论活动，讨论太阳的能量是否会被消耗尽，体会能源的开
发对可持续发展的意义。218 第二十一章 能源、材料与社会
本章练习
科学认知与辨析
1.（ 多选）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（ ）。
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，开发利用核能是人类获取能源的新途径
C. 太阳能是可再生能源，对环境的污染小，开发前景广阔
D. 人类的生存离不开能源，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：________能转化为________能；
（4） 人造卫星的两翼是太阳能电池板，它的作用是把 ________ 能转化为
________能，供人造卫星使用。
5. 根据能量守恒定律，下列情形可能发生的是（ ）。
A. 随着科学技术不断发展和提高，永动机是可制成的
B. 两个斜面相对连接，小球从左斜面滚下后冲上右斜面
C. 电水壶里的水沸腾后给水壶断电，水的沸腾会一直持续下去
D. 出枪膛的子弹射穿木板后，以更快的速度继续运动
6. 汽车在刹车过程中，机械能转化为内能，这些内能无法自发地转化为汽
车的机械能，这种现象说明自发的能量转化过程是有一定 ________ 性的，但本章练习 219
在能量的转化和转移过程中，能的总量 ________（选填“不断减少”“保持不
变”或“不断增加”）。
综合
7. 使用天然气烧水，天然气燃烧所消耗的 ____________ 能转化为水的内
能。小明想测量家中利用天然气烧开一壶水的效率，他记录了水壶的容积、水
的比热容和密度、当地水的沸点、天然气的热值、燃烧的天然气体积，还应记
录________就可完成测量。
8. 正午，小明对水面获取太阳能的情况进行研究，他将装有 400 g 水的
盘子放在室外平台上，经阳光照射10 min，水温升高了2. 5℃。不计水的蒸发
［水的比热容是4. 2×103 J/（kg·℃）］。
（1）该过程水吸收的热量是多少？
（2）若照射到盘中水面上太阳能的功率为 25 W，水获取太阳能的效率是
多大？
C
9. 图 21—38 是一种门铃按钮开关构造的截面图：A、
D
B 为金属片，并各有接线柱与电路连接，C 为按钮，D 为
A B
外壳。A、B、C、D 各部件的材料中，________ 是导体；
________是绝缘体。 图21—38
本 章 总 结
本章的要点有220
索引
( 名词后面的数字是它第一次出现的页码 )
B 电流 electric current 65
比热容 specific heat capacity 40 电压 voltage 78
并联 parallel connection 69 电阻 resistance 91
波速 wave velocity 179 E
波长 wave length 179 额定电压 rated voltage 123
不可再生能源 额定功率 rated power 123
non-renewable energy 203 F
C 非晶体 amorphous matter 9
超导材料 沸点 boiling point 14
superconducting material 213 沸腾 boiling 13
超高频 super high frequency 183 风能 wind energy 208
潮汐能 tidal energy 208 负电荷 negative charge 61
串联 series connection 69 G
磁场 magnetic field 137 感应电流
磁极 magnetic pole 136 induction current 159
磁体 magnet 135 光导纤维 optical fiber 187
D H
地热能 geothermal energy 208 核聚变 nuclear fusion 206
电磁感应 核裂变 nuclear fission 205
electromagnetic induction 159 J
电功率 electric power 122 焦耳定律 Joule’s law 129
电荷 electric charge 60 晶体 crystal 9索引 221
K R
可再生能源 热机 heat engine 45
renewable energy 203 热机效率
N efficiency of heat engine 51
纳米材料 nanomaterial 214 热量 heat 36
内能 internal energy 34 热值 heat value 50
内燃机 熔点 melting point 9
internal combustion engine 45 熔化 melting 8
能量守恒定律 S
law of conservation of energy 198 升华 sublimation 20
凝固 solidification 11 T
凝固点 solidifying point 11 太阳能 solar energy 207
凝华 deposition 21 W
O 温度 temperature 2
欧姆定律 Ohm’s law 100 Y
P 液化 liquefaction 17
频率 frequency 179 Z
频率调制 振幅调制
frequency modulation，FM 183 amplitude modulation，AM 183
Q 蒸发 evaporation 15
汽化 vaporization 13 正电荷 positive charge 61后 记
根据国家教育发展规划和《义务教育物理课程标准（2022年版）》的要求，
基于对一线师生的问卷调查与深入访谈，我们遵循继承与发展的原则，再次对
本套教科书进行了全面修订。
九年级教科书编写组主要成员及分工如下：
主编：廖伯琴；核心成员：谢德胜，林钦，陈运保，张正严，李太华，李
富强，李正吉，廖伯琴；统稿定稿：廖伯琴；编务负责：李富强，李洪俊。
本次教科书的修订还有若干教师和学生作出的贡献。梅家烨、刘林、向
娟、杨玉梅、张坤、吴斯莉、杨峻一、唐颖捷、高倩、赵慧、王秀梅、王宁、
宋静、高春丽、夏波、毛玉梅、刘莉、严丽、韩黎、张建、曹洁婷、严一阳、
刘兰兰、陈泓百等多次帮助审读，提出了重要的修改建议；李正吉老师及其教
研团队、向娟老师及其学生、杨英老师、远清同学、延祺同学、凯亚同学等为
教科书完善提供了照片；张书迪女士为教科书封面、版式等设计提出了很好的
修改建议；安徽、福建、黑龙江、河南、山东、贵州等省的教研员及广大师生
试教试用本套教科书，提出了宝贵的修改建议。在此，我们一并表示感谢！
在2021年开展的首届全国教材建设奖评选中，《义务教育教科书 物
理 八年级 全一册》（ISBN 978—7—5478—1284—6）荣获全国优秀教材一等奖；
《义务教育教科书 物理 九年级 全一册》（ISBN 978—7—5478—1773—5）荣获
全国优秀教材二等奖（本套教科书在此基础上修改而成）。为此，感谢使用教
科书的广大师生及相关管理人员，感谢历次参与编写及修订的教师，感谢上海
科学技术出版社的领导与编辑。最后，还要感谢国家教材委、教材局及组织评
审的所有专家，是他们的认可与提携，才使我们获此殊荣。
挑战与发展共存！我们期待斧正，以使教科书不断改进；我们也期待支持，
为了教育的使命，为了学生的发展，我们一起并肩前行！诚挚地期望广大师生提
出宝贵的意见、建议，我们的联系电话：021—64848025，电子邮箱：jc@sstp.cn。
主编 廖伯琴
2024年8月于西南大学荟文楼
本册教材图片提供信息：
本册教材中的图片由视觉中国、IC photo等提供。