文档文本内容
物理
义务教育教科书
九年级
下册
（五·四学制）
上海科学技术出版社
主 编：高 景
执行主编：朱 臻
本册主编：张 艳
核心编写人员：（以姓氏笔画为序）
刘展鸥 许海峰 沈 兰 姜 雄 徐建军
责任编辑：李孟达 张 燕 陈慧敏
美术设计：房惠平 诸梦婷
义务教育教科书（五·四学制） 物理 九年级 下册
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 上海新华书店
印 刷 上海新华印刷有限公司
版 次 2026 年1 月第1 版
印 次 2026 年1 月第1 次
开 本 787 毫米×1092 毫米 1/16
印 张 6.5
字 数 106 千字
书 号 ISBN 978-7-5478-7428-8/G·1413
定 价 6.95 元
价格依据文号 沪价费〔2017〕15 号
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
目 录
第1节·磁场 2
第2节·电流的磁场 10
第3节·通电导线在磁场中受到的作用力 18
第4节·电磁感应 23
跨学科实践·风力发电的应用 28
电与磁
第 章
14
1
第1节·电磁波 35
第2节·电磁波的应用 40
跨学科实践·信息的编码与传递 46
电磁波及其应用
第 章
15
34
第1节·原子 原子结构 53
第2节·地球 太阳系 59
第3节·银河系 宇宙 64
从原子到星系
第 章
16
52
第1节·能量的转移和转化 74
第2节·能源的开发与利用 79
第3节·能源与可持续发展 84
跨学科实践·我国核科学技术的发展 91
能量的转移和转化 能源
第 章
17
73
罗盘是航海用的指南针，指南针的发明是中华民族对世界文明作出的重
要贡献。从天然磁石到以磁化方法制造的指南针，从发现电能生磁到磁也能
生电，人类对电磁现象的认识不断加深。本章我们将初步学习与电磁现象有
关的知识。
通过本章内容的学习，你将认识磁场和地磁场，了解电流周围存在磁场、
通电导线在磁场中会受到力的作用；通过实验探究，了解通电螺线管外部磁
场的方向，了解导体在磁场中运动时产生感应电流的条件；感悟物理学的重
大发现对人类社会产生的巨大影响。
电与磁
章
第14
1
第1节
磁 场
鸽子有很强的方向感知能力，把鸽子装在严
密遮挡的笼子里运到千里以外的陌生地方放飞，
它们依然能识途飞回（图14-1-1）。如果把一块
小磁体绑在鸽子身上，鸽子会迷路。为什么磁体
会使鸽子失去定向能力呢？
● 磁体有哪些特性？
早在2 000 多年前，我们的祖先就发现了一
种能吸引铁质物体的天然矿石—磁石。《淮南
子·说山训》记载“慈石能引铁，及其于铜则
不行也”。磁石可以吸引铁，但不能吸引铜。我
们把物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫
做磁性（magnetism），具有磁性的物体叫做磁体
（magnet）。
图14-1-1 鸽子识途归巢
第
章
·
电
与
磁
14
2
通过上述实验发现，条形磁体不同部位吸起
回形针的数量不同。这是由于磁体不同部位的磁
性强弱不同，我们把磁体上磁性最强的部分叫做
磁极（magnetic pole），磁体都有两个磁极。将磁
体悬挂起来，如图14-1-3 所示，当磁体静止时，
指北的一端叫做磁体的北极（north pole）或N 极，
指南的一端叫做磁体的南极（south pole）或S 极。
图14-1-2
条形磁体吸引回形针
将一根条形磁体放在一堆回形针上，缓慢提
起，如图14-1-2 所示，观察条形磁体的两端和中
央，哪里吸起的回形针更多？
有的回形针下面还吸着其他回形针，将上面
的回形针从条形磁体上取下来，观察其下方的回
形针是否还会一直被吸住。
自主活动
如图14-1-4 所
示，如果将一块磁体
分成多块小磁体，会
发现不论分成多少
块，每一块小磁体均
有两个磁极。迄今为
止，还未发现仅有N
极或S 极的磁体。
图14-1-4
磁极总是成对出现
拓展 视野
图14-1-3 悬挂后静止的条形磁体沿南北方向
大量实验表明：
磁体间存在相互作用。同名磁极相互排斥，
异名磁极相互吸引。
原来没有磁性的回形针由于靠近磁极获得了
第
节
·
磁
场
1
3
磁性，从而能够吸引其他回形针。使原来没有
磁性的物体获得磁性的过程叫做磁化（magneti-
zation），能够被磁化的物质统称为磁性材料。
很多含铁、钴、镍的材料可以被磁化，有
些材料磁化后的磁性不容易保留，另一些材料磁
化后的磁性则能长期保留。能长期保留磁性的磁
体叫做永磁体，如条形磁体。有些磁性材料通过
加热或猛烈撞击后，磁性会减弱甚至消失。而橡
胶、塑料、铝、铜、金、银等材料既不能被磁化，
也不能被磁体吸引。
● 为什么磁体间不接触也有相互作用？
图14-1-5 所示为一种生活中常见的门吸，
安装在地上的吸座具有磁性，当吸头与吸座还有
一段距离时，吸头就会受到吸座的吸引向其靠近
并被吸住。
通过上述活动我们发现：条形磁体接近小磁
针时，小磁针会发生偏转。这说明小磁针受到了
作用力，但条形磁体与小磁针之间并没有直接接
触，怎么会有力的作用呢？这是由于磁体周围存
在某种能使小磁针发生偏转的物质。我们把磁体
图14-1-5 门吸
如图14-1-6 所示，用条形磁体
接近小磁针，观察小磁针是否会保持
静止。
图14-1-6 条形磁体接近小磁针
自主活动
第
章
·
电
与
磁
14
4
周围存在的这种看不见、摸不着的特殊物质叫做
磁场（magnetic field）。磁体之间正是通过磁体
周围存在的磁场发生相互作用的。
磁场看不见、摸不着，我们如何感知空间是
否存在磁场呢？研究表明，可以通过磁场对磁体
的作用使磁场“显形”。在物理学中，许多看不
见、摸不着的物质，都可以通过它对其他物体的
作用来认识。
图14-1-7 处于磁场中的小磁针
在条形磁体周围的多个不同位置放
置小磁针，如图14-1-7 所示。观察不
同位置的小磁针静止时N 极的指向。
研究发现，放入同一磁场中同一点的小磁针
静止时，它的N 极（或S 极）的指向总是不变的，
这说明对于磁场中的某一确定点，磁场对小磁针
磁极作用的方向是确定的，即磁场是有方向的。
物理学中把放入磁场中某点的小磁针静止时
N 极所指的方向规定为该点磁场的方向。在磁
场的不同位置，小磁针静止时N 极的指向不同，
反映了这些位置的磁场方向不同。
● 如何形象地描述磁场？
磁体周围放置的小磁针越多、越小，就能越
清楚地看出磁场的分布情况。
自主活动
第
节
·
磁
场
1
5
图14-1-9
条形磁体周围的磁感线
把铁屑均匀地撒在玻璃板上，将玻璃板放在
条形磁体上，轻轻敲击玻璃板，可以看到铁屑有
规则地排列起来，如图14-1-8 所示。试着在白
纸上用一些曲线描画出铁屑的排列情况。
图14-1-8
处于磁场中的铁屑
撒在磁体周围的铁屑被磁化后，相当于一个个
“小磁针”，这些“小磁针”在磁体周围磁场的作
用下规则地排列，形象地反映了磁场的分布情况。
为了直观地描述磁场，人们按照“小磁针”
的排列在磁场中画出一条条带箭头的假想曲线，
曲线上任意点的箭头表示该点的磁场方向，这样
的曲线叫做磁感线（magnetic induction line）。
条形磁体周围磁场的分布情况，用磁感线描
述如图14-1-9 所示。
磁感线上任意一点的磁场方向就是小磁针静
止在该点时N 极所指的方向，即沿着磁感线上
该点的切线方向。
蹄形磁体周围的铁屑排列情况如图14-1-10
（a）所示。蹄形磁体周围磁场的分布情况，用磁
感线描述如图14-1-10（b）所示。
图14-1-10 蹄形磁体周围的铁屑排列和磁感线
（a）
（b）
自主活动
第
章
·
电
与
磁
14
6
可以看出，在磁体的外部，磁感线总是从磁
体的N 极出发，由S 极进入磁体。在同一磁场
中，磁场强的地方磁感线分布密。
实际上，磁体周围的磁场分布在整个空间，
不局限于某一平面内。
● 地球周围的磁场有什么特点？
将几个可自由转动的小磁针放在水平桌面
上，可以发现，静止时小磁针N 极都指向北方，
这是由于地球本身相当于一个巨
大的磁体。地球周围空间存在的
磁场叫做地磁场。静止的小磁针
N 极指北，说明地磁场的磁感线
在地面附近是由南指向北的。研
究表明，地磁场的N 极在地理的
南极附近，地磁场的S 极在地理
的北极附近（图14-1-11）。
我国古代四大发明之一的指
南针，就是利用了磁针在地磁场
的作用下沿南北指向这一特点，
为人们指明方向。据古籍《韩非子》《论衡》记
载，我国在古代就制成了最早的指南工具—司
南。后来人们将指南针应用于航海，对人类文明
的进步产生了重大影响。
图14-1-1 中，鸽子识途归巢正是利用了地
磁场才得以准确导航，把小磁体绑在鸽子身上会
干扰鸽子周围的磁场，使其失去定向能力。绿海
龟、鳗鲡等一些动物也能利用地磁场导航。
不过，地理的两极和地磁场的两极并不完
图14-1-11 地磁场
第
节
·
磁
场
1
7
全重合。指南针的指向与地理的南、北极方向间
存在着一个夹角，叫做磁偏角。我国宋代学者沈
括（1031—1095）在《梦溪笔谈》（图14-1-12）
中指出，指南针所指的方向“常微东偏，不全南
也”，也就是指南针所指的方向稍微偏离南北方
向。这一现象的发现比西方早了400 多年。
练一练
1. 如图14-1-13 所示，木杆上套有A、B、C
三个磁环，A、B 两个磁环都悬浮着。若C 磁环底
面是N 极，在图中标出各磁环上下面的极性。
2. 有两块外形完全相同的长方体，其中一块
是普通铁块，另一块是磁体。怎样将它们区分开？
简述你所用的方法。
3. 图14-1-14 所示为条形磁体周围的磁感线，
A 处放置了一个小磁针，在图中标出小磁针的S 极和N 极。图中B 点
没有画磁感线，这是否意味着B 点处不存在磁场？
图14-1-13
图14-1-14
图14-1-15
4. 在图14-1-15 中标出蹄形磁体的N 极和S 极，并用箭头指示
磁感线的方向。
图14-1-12
明刻本《梦溪笔谈》
第
章
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电
与
磁
14
8
主题学习：地磁场1
早在公元前3 世纪，我国就发现了一种铁矿石具有磁性。这种矿
石的主要成分是四氧化三铁（Fe3O4），最初称为“慈石”。我国有关
“慈石”的记载最早见于春秋战国时期的《管子·地数》篇。除了天
然磁石外，我们可以通过磁化使某些物质获得磁性。将一根缝衣针吸
在条形磁体的磁极处一段时间，这根缝衣针就获得了磁性。
（1）如何判断这根缝衣针的哪一端是N 极？
（2）如何使用这根缝衣针判断所处位置的地磁场方向？
第
节
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磁
场
1
9
2002 年12 月31 日，世界上第一列投入商业
运营的磁浮列车（图14-2-1）在上海通车，其
设计最高速度为430 km/h。磁浮列车行驶时车身
悬浮在轨道上，大大减小了列车前进过程中的阻
力，从而能够高速行驶。磁浮列车为什么能悬浮
起来呢？
● 电流周围有磁场吗？
在历史上，人们在相当长的一段时间里都
认为电和磁是互不相关的。1820 年，丹麦物理
学家奥斯特（H. C. Oersted，1777—1851）发现：
电路通电时，导线下方的小磁针会转动。
奥斯特在深入研究该现象后指出，电流周围
也存在着磁场，这一现象叫做电流的磁效应。正
是电流周围的磁场，影响了下方小磁针的指向。
第2节
电流的磁场
图14-2-1 高速行驶的磁浮列车
第
章
·
电
与
磁
14
10
奥斯特相信电、磁、光、热等自然现象之间一定存在着某种内在联
系。美国科学家富兰克林（B. Franklin，1706—1790）发现莱顿瓶放电
能使钢针磁化，使得奥斯特更坚信电与磁的转化是可能的。奥斯特一边
实验一边思考，他从电流通过导线时所产生的热现象想到磁的作用会不
会像热那样是向四周扩展的呢？在1820 年4 月某天的一个晚上，奥斯
特在做关于电和磁现象的讲演时即兴地把导线平行放置在小磁针的上
方。当他接通电源的一瞬间，看到磁针发生了偏转，这正是他苦苦探寻
多年的神奇景象。此后的几个月，他先后做了60 多个实验来确认电流
能否产生磁场。1820 年7 月21 日，奥斯特发表论文，正式公布了电流
的磁效应。虽然奥斯特发现这一现象有点偶然性，但在科学研究中，机
遇总是青睐有准备的头脑。
电流的磁效应揭示了电和磁之间存在着联系，打开了电磁学研究领
域的大门。
在上述实验中观察到，闭合开关后小磁针发
生偏转；若改变通电直导线中电流的方向，小磁
针的偏转方向发生了改变。这说明通电导线产生
的磁场方向与导线中电流的方向有关。
如图14-2-2 所示，将导线
平行架设在小磁针的上方，闭
合开关，观察小磁针的偏转情
况。将电源的正、负极对调，
闭合开关，观察小磁针的偏转
情况。
图14-2-2 通电导线使小磁针偏转
自主活动
科学与人文
第
节
·
电
流
的
磁
场
2
11
电流磁效应的发现进一步激发了科学家们的
探索热情，他们让电流通过不同形状的导线，研
究电流周围产生的磁场。如图14-2-3 所示，将
导线绕制成螺旋形的线圈，做成螺线管，通电螺
线管周围的磁场会强得多。
● 通电螺线管外部的磁场有什么特点？
与研究磁体周围磁场的方法相同，我们也利
用小磁针和铁屑来探究通电螺线管外部的磁场。
在玻璃板上均匀地撒一些铁屑，给螺线管通电
后，轻轻敲击玻璃板，观察铁屑的排列情况，如
图14-2-4 所示，可以看出通电螺线管外部的磁
场分布与条形磁体周围的磁场分布相似。通电螺
线管的哪一端相当于条形磁体的N 极？
图14-2-4 通电螺线管、条形磁体周围的铁屑排列
（b）
（a）
学生实验
探究通电螺线管外部磁场的方向
提出问题
通电螺线管外部不同位置磁场的方向是怎样的？通电螺线管的磁场方向与
电流的环绕方向有什么关系？
图14-2-3 螺线管
第
章
·
电
与
磁
14
12
搜集证据
● 器材
螺线管（带玻璃板或白纸板）、电源、开关、导线若干、 。
● 方案
用导线将螺线管与电源、开关串联，在螺线管外部放置 。闭
合开关，观察并记录不同位置处
。
为了研究通电螺线管的磁场方向与电流的环绕方向的关系，还需要进行的
实验操作是：
。
● 记录
将观察到的不同位置处 记录下来，并标
注实验时相应的电流环绕方向。
作出解释
● 分析
比较螺线管通电时外部不同位置处
，并分析此时通电
螺线管的哪一端相当于条形磁体的N 极。
比较通电螺线管电流环绕方向不同时，螺线管外部同一位置处
。
● 结论
由上述实验可得，
。
交流反思
将本小组的实验记录和结论与其他小组交流，比较各小组的通电螺线管外
部磁场的方向。能否用一种简单的方法，描述通电螺线管N 极与电流环绕方
向的关系？
大量实验表明：通电螺线管外部的磁场分布
情况与条形磁体的磁场相似；改变通电螺线管中
电流的方向，通电螺线管外部的磁场方向也相应
发生改变。就像用磁感线描述条形磁体的磁场一
样，我们可以用磁感线描述通电螺线管外部的磁
场，如图14-2-5 所示。
第
节
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电
流
的
磁
场
2
13
法国物理学家安培又进一步做了大量实验，
研究了通电螺线管磁场方向与电流方向之间的
关系，并总结出了右手螺旋定则（right-handed
screw rule），如图14-2-6 所示。
用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向
电流方向，那么大拇指所指的那端就是通电螺
线管的N 极。
● 电流的磁场有哪些常见的应用？
内部带有铁芯的螺线管在通电时磁性会更
强，我们把内部带有铁芯的螺线管叫做电磁铁，
图14-2-7 所示的装置就是最简单的电磁铁。实
验表明，电磁铁的磁性强弱与线圈的匝数、线圈
中的电流大小等有关。
由于电磁铁磁性的有无、强弱和磁场的方向
都可以由电流来方便地控制，电磁铁在生产生活
中有着广泛的应用。
电磁铁最直接的应用之一是电磁起重机。电
磁铁安装在吊车上，通电后一次可以吸起几吨钢
材，如图14-2-8 所示，移动到指定位置后切断
电流，即可放下钢材。
图14-2-6 右手螺旋定则
图14-2-5 条形磁体、通电螺线管周围的磁感线
（a）
（b）
图14-2-8 大型电磁起重机
图14-2-7 电磁铁
铁芯
第
章
·
电
与
磁
14
14
磁浮列车是科技创新和社会发展的产物，具有高速、舒适、噪声小
和能耗低等优点，能够有效缓解城市交通拥堵和环境污染问题。2021 年
7 月20 日，具有我国完全自主知识产权的、速度可达600 km/h 的高速
磁浮交通系统在青岛成功下线，这是目前世界上最快的轨道交通工具。
磁浮列车是依靠磁场悬浮起来的。图14-2-1 中的上海磁浮列车的
磁场由电流产生，这种电磁悬浮系统耗能较大，且要靠复杂的控制技术
来实现。采用永磁体产生磁场可避免以上问题，因此寻找磁性稳定，密
度足够高，能满足列车悬
浮需求的永磁体，是研制
新型磁浮列车的关键。
2022 年8 月9 日，利
用永磁体“悬挂”的永磁
磁浮空轨列车“兴国号”
（图14-2-9）成功运行，
标志着全球首条永磁磁浮
轨道交通工程试验线顺利
建成。
STSE
图14-2-9 “兴国号”永磁磁浮空轨列车
利用电磁铁控制电路通断的开关称为电磁继
电器。如图14-2-10 所示，虚线框内的电磁铁、
衔铁、弹簧、触点等部件组成电磁继电器。当闭
合控制电路中的开关S 时，有较小的电流通过
电磁铁的线圈，电磁铁就获得了磁性从而吸引衔
铁，使触点接通工作电路。
通过电磁继电器控制工作电路，可以达到安
全、智能的目的。变电站、电梯、数控机床里的
控制电路，一般都使用电磁继电器。
图14-2-10
电磁继电器的原理图
第
节
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电
流
的
磁
场
2
15
练一练
1. 在图14-2-11 中标出磁感线的方向。
2. 根据图14-2-12 中小磁针N 极的指向，标出图中电源的正、
负极。
3. 为了较方便地判断一段导线中是否有电流通过，在下列各物体
中，我们可以选择 和细棉线进行实验。
A. 带电的小泡沫球 B. 铝棒 C. 被磁化的缝衣针
4. 图14-2-13 是一种水位自动报警器的原理图。由于一般水都能
导电，当水位低于金属片A 时， 灯亮；水位到达金属片A 时，
灯亮。
图14-2-11
图14-2-12
图14-2-13
第
章
·
电
与
磁
14
16
主题学习：地磁场2
如图14-2-14 所示，在一个螺线管
的两端分别标示A、B，将螺线管与开关、
电源串联在一起，用线穿过螺线管将其水
平悬挂起来，让螺线管能自由转动。
（1）如何判断螺线管通电时A 端相当
于条形磁体的N 极还是S 极？
（2）如何使用该装置判断所处位置的
地磁场方向？
（3）与上一节主题学习中判断地磁场方向的方法相比，利用通电
螺线管判断地磁场方向有什么优点与不足？
图14-2-14
第
节
·
电
流
的
磁
场
2
17
通电导线在磁场中受到的作用力
2021 年5 月22 日，我国首辆火星车“祝融
号”安全驶离着陆平台，到达火星表面，开始执
行探测任务。图14-3-1 是“祝融号”在火星表
面行驶巡视的模拟画面，火星车行驶要依靠电动
机，电动机通电后转动从而带动火星车行驶。为
什么电动机通电后能转动？
● 通电导线在磁场中是否受到力的
作用？
通过前面的学习，我们知道磁体周围存在
磁场，电流周围也存在磁场；磁体在磁场中会受
到力的作用。通电导线相当于磁体，在磁场中
也应该受到力的作用，其运动状态可能会发生
改变。
图14-3-1 “祝融号”火星车模拟图
第3节
第
章
·
电
与
磁
14
18
实验中观察到直导线ab 通电后由静止变为
运动，说明通电导线在磁场中受到了力的作用。
● 通电导线在磁场中的受力方向与哪
些因素有关？
通电导线在磁场中会受到力的作用。我们知
道，磁场是有方向的，可以猜想：通电导线在磁
场中的受力方向可能与电流的方向、磁场的方向
都有关系。
下面，我们利用图14-3-2 所示的实验装置
继续研究。
如图14-3-2 所示，将直导线ab 放在两
根平行的导体轨道上，并静置于蹄形磁体中
间，导体轨道与电源、开关串联。闭合开关
接通电路，观察直导线ab 是否运动。
1. 保持图14-3-2 中蹄形磁体N 极和S 极位置不变，把电源的正、
负极对调后重新接入电路，使通过直导线ab 的电流方向与原来相反，
观察直导线ab 如何运动。
2. 保持图14-3-2 中电源的正、负极不变，把蹄形磁体N 极和S 极
位置对换，使直导线ab 所处磁场的方向与原来相反，接通电路后，观
察直导线ab 如何运动。
图14-3-2
通电直导线置于磁场中
自主活动
自主活动
第
节
·
通
电
导
线
在
磁
场
中
受
到
的
作
用
力
3
19
大量实验表明，通电导线在磁场中受到的作
用力的方向与电流方向、磁场方向都有关。
电视机、音响等设备中的扬声器（喇叭）发出
声音时，离不开通电导线在磁场中受到的力的作
用。图14-3-3 是动圈式扬声器的示意图，它主要
由固定的永磁体、线圈和锥形纸盆等构成。当线圈
中通以携带声音信息、大小和方向不断变化的电流
时，线圈在永磁体的磁场中受到力的作用而振动，
从而带动纸盆振动，于是扬声器就发出了声音。
生活中小巧的耳塞式耳机基本都是动圈式扬
声器，只是将大纸盆换成了小音膜。
● 电动机是如何工作的？
电动机是利用通电导线在磁场中受到力的作
用把电能转化为机械能的装置。电动机主要由两
部分组成：能够转动的线圈和固定不动的磁体。
如图14-3-4 所示，将线圈按图示方式置于磁体
两磁极间的磁场中，并将线圈与电源、开关串
联。闭合开关接通电源，线圈会发生转动。
图14-3-3
动圈式扬声器示意图
（a）
（b）
图14-3-4 通电线圈在磁场中转动
在电动机中，还需要通过换向器适时改变
线圈中的电流方向，使线圈持续同方向转动下
第
章
·
电
与
磁
14
20
去，这就是电动机工作的基本原理，如图14-3-5
所示。
“祝融号”火星车的电动机通电后转动的原
理与此类似。
实际使用的电动机是比较复杂的。如图
14-3-6 所示，洗衣机中的电动机有多个线圈。
有些电动机直径只有几毫米，图14-3-7 所示为
用于智能手机的微型电动机。电动机具有效率
高、噪声小等优点，被广泛应用于工业、交通运
输、家用电器等领域，并且随着技术的进步，电
动机的应用会越来越广泛。
图14-3-5 电动机工作的原理示意图
图14-3-6 洗衣机电动机的线圈
图14-3-7 智能手机中的微型电动机
第
节
·
通
电
导
线
在
磁
场
中
受
到
的
作
用
力
3
21
练一练
1. 要改变通电导线在磁场中受到的作用力的方向，可以通过改变
或改变 来实现。如果同时改
变这两者的方向，通电导线所受作用力的方向会改变吗？
2. 要使电动机中线圈的转动方向发生改变，可以采用的方法有：
（1）
。
（2）
。
3. 电动机在通电转动的过程中，把 能转化成 能。
4. 了解你家中哪些用电器中有电动机。
第
章
·
电
与
磁
14
22
电磁感应
图14-4-1 是金沙江白鹤滩水电站首台百万
千瓦水轮发电机组转子的照片。2022 年12 月
20 日，白鹤滩水电站16 台百万千瓦水轮发电
机组全部投产发电，标志着世界最大清洁能源
走廊全面建成。水电站的发电机是如何发电
的呢？
● 磁能生电吗？
奥斯特发现电流的磁效应，揭示了电现象与
磁现象是有联系的。许多科学家开始思考：既然
电能产生磁，那么磁能否产生电呢？
英国物理学家法拉第经过十多年的研究，终
于取得了突破，于1831 年发现了利用磁场产生
电流的规律。
图14-4-1 白鹤滩水电站发电机组转子第4节
第
节
·
电
磁
感
应
4
23
在上述实验中，闭合开关后，直导线ab 沿
图示方向来回移动时灵敏电流计的指针发生偏
转，表明导体在磁场中运动时产生了电流，这种
电流叫做感应电流（induction current）。
● 产生感应电流的条件是什么？
在上述实验中，我们还发现，闭合开关后，
直导线静止时灵敏电流计的指针没有偏转，说明
导体不运动就没有电流产生。
如图14-4-2 所示，用绝缘细线将直
导线ab 悬挂起来，使其置于蹄形磁体的
磁场中，直导线ab 与灵敏电流计、开关
串联。闭合开关后，保持直导线ab 静止，
观察灵敏电流计的指针是否发生偏转；
将直导线ab 沿图示箭头方向来回移动，
观察灵敏电流计的指针是否发生偏转。
学生实验
探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件
提出问题
只要导体在磁场中运动，就一定能产生感应电流吗？提出你的猜想并简述
猜想的依据。
搜集证据
● 器材
单根直导线ab、蹄形磁体、灵敏电流计、开关、导线若干。
图14-4-2
直导线在磁场中运动
自主活动
第
章
·
电
与
磁
14
24
● 方案
实验装置与图14-4-2 所示相同。闭合开关后，尝试用不同方式移动直导
线ab 或磁体，观察并记录灵敏电流计指针的偏转情况。
● 记录
根据上述实验方案，设计表格，记录实验过程及现象。
作出解释
● 分析
画出实验中蹄形磁体两极间的磁感线，如果把直导线ab 看作一把“小刀”
的话，分析以上各实验情况中，这把“小刀”有没有切割磁感线？并根据实验
情况扩展和完善记录表格。
● 结论
由上述实验可得，导体在磁场中运动时产生感应电流的条件是：
交流反思
将本小组的实验记录、分析和结论，与其他小组交流。用条形磁体替代蹄
形磁体，能否产生感应电流？
大量实验表明：
当闭合回路的一部分导体在磁场中做切割磁
感线运动时，导体中会产生感应电流。这种现象
称为电磁感应（electromagnetic induction）。
● 发电机是如何发电的？
如图14-4-3 所示，导体在磁场中切割磁感
线产生感应电流，这个装置可以看作一个最简单
的发电机。发电机就是利用电磁感应把机械能转
化为电能的装置。
图14-4-3
导体在磁场中切割磁感线
第
节
·
电
磁
感
应
4
25
图14-4-4 是实验室用的手
摇发电机。线圈静止时，观察
小灯泡是否发光。摇动手柄使
线圈在磁场中转动，观察小灯
泡是否发光。
上述实验中，当摇动手柄使线圈在磁场中
转动时，连续转动的线圈代替直导线切割磁感
线产生的感应电流使小灯泡发光。发电机的原
理如图14-4-5 所示。
图14-4-6 水轮发电机的转轮
图14-4-5 发电机原理示意图
水力发电通过水流冲击使转轮转动从而带
动发电机发电，图14-4-6 所示为水轮发电机的
转轮。风力发电中，风驱动风轮机带动发电机
发电。
自主活动
图14-4-4 手摇发电机
电刷
手柄
小灯泡
磁体
线圈
铜环
第
章
·
电
与
磁
14
26
练一练
1. 在闭合电路中，有电源才有电流。在图14-4-3 所示的电路中，
你认为哪一部分相当于电路中的电源？
2. 图14-4-7 中的直导线ab 是闭合回路的一部分，直导线ab
在磁场中分别按图中的箭头方向运动时，是否会产生感应电流？为
什么？
图14-4-7
（b）
（a）
3. 市场上有一种手摇式应急手电筒，可以通过摇动手柄点亮灯泡
应急使用，这与 的工作原理相同。
4. 发电机在发电的过程中，把 能转化成 能。
第
节
·
电
磁
感
应
4
27
物理学与社会发展
跨学科实践
风力发电的应用
风力发电是将风所蕴含的动能转换成电能的工程技术。绿色清洁的风力发
电有利于促进人类社会可持续发展。从2010 年起，我国风力发电累计装机容
量跃居世界第一。沿海地区蕴藏着巨大的风力资源，风力发电（图1）是目前
国家重点推进的能源建设项目之一。
图1 风力发电
● 跨学科实践任务
任务1：以小组为单位，用微型发电机和小风扇叶片组装成一个微型风力
发电机组，连接好LED 灯，用电吹风机吹小风扇叶片，模拟风力发电。使用
电吹风机的不同挡位，从不同角度、不同距离吹动小风扇叶片时，比较LED
灯的亮度。并思考在实际环境中还有哪些因素可能会影响LED 灯的亮度？在
班级中展示试验并交流讨论。
器材：微型发电机1 个、小风扇叶片、LED 灯、电吹风机、导线若干等。
第
章
·
电
与
磁
14
28
任务2：查阅资料，了解目前我国风电项目的分布特点，分析风力发电的
优缺点；了解上海海上风电的发展情况及规划，结合上海的地理特点，运用相
关物理知识，从节能、环保、生态等视角，分析发展风电对上海城市发展的影
响。撰写一份调查报告，并进行展示和交流。
● 评价与反思
评价项目
评价要点（☆☆☆）
自评
互评
实践计划
能制订分工合理、任务明确、进度可行的实践计划
能在规定的时间内完成计划
实践成果
能阐述风力发电的基本原理，通过比较LED 灯的亮暗
程度，提出猜想
能用控制变量的方法设计实验方案，利用微型风力发
电机点亮一盏LED 灯，并对实验结果进行解释
能归纳描述我国风电项目的分布特点
能列出风力发电的主要优缺点，结合相关学科知识，
从节能、环保、生态的视角，分析发展海上风电对上
海发展的意义
信息搜集
能有效搜索所需学习资源，注意数据的可靠性和时效性
能规范地标注引用数据、图片等相关信息的来源
交流合作
能利用数字设备开展交流活动
在完成各自任务的同时，能与其他成员团结协作，开
展合作
在规定时间内完成展示，表达方式合理、流畅自然
评分方法：完全符合评价要点得☆☆☆，部分符合得☆☆，少量符合得☆
跨
学
科
实
践
·
风
力
发
电
的
应
用
29
回顾与复习
本章小结
基本概念和基本规律
●磁体：具有磁性的物体。
●磁场：磁体周围存在的看不见、摸不着的特殊物质。
●磁感线：描述磁场的带箭头的假想曲线。
●右手螺旋定则：用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向电流方
向，那么大拇指所指的那端就是通电螺线管的N 极。
●通电导线在磁场中受到的作用力：通电导线在磁场中受到的作用
力的方向与电流方向、磁场方向都有关。
●电磁感应：当闭合回路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动
时，导体中会产生感应电流的现象。
知识结构图
ዮܭ
ዮܭሕ
ዮᄍᥟ
ዮᑧ
ᆄዮন
ᪧᆄࣇᑧܣዮܭ֥̓
ӵԛሕϩᅺ
ᆄ༎ሕዮౄন
第
章
·
电
与
磁
14
30
1. 图1 为一个磁悬浮小球。这个小球由
磁性材料制成，给底座通电后，小球与底座
不接触而悬浮在半空中，这是因为磁体和电
流的周围存在 。
2. 关于磁感线，下列说法正确的是（ ）。
A．磁场中真实存在着许多曲线，这些曲线叫做磁感线
B．磁感线是由磁场中的铁屑被磁化后形成的
C．磁感线是人们为了形象直观地描述磁场而假想出来的曲线
D． 磁体周围，只在画有磁感线的地方存在磁场
3. 在图2 中，根据小磁针N 极的指向
标出条形磁体的N 极和S 极，画出三条磁
感线，并标出方向。
4. 如图3 所示，通电螺线管周围放置着4 个小磁针A、B、C、D，
其中指向正确的是 。
图1
5. 在图4 中标出通电螺线管中的电流方向，以及通电螺线管和小
磁针的N 极、S 极。
图3
图4
图2
本章练习
回
顾
与
复
习
31
6. 如图5 所示，闭合开关，直导线ab 向右运动。如果要使直导
线ab 向左运动，可如何操作？
图5
表1
实验
导线ab 运动状态改变的原因
回路中电流产生的原因
（a）
（b）
图6
（a）
（b）
7. 工作时利用了通电导线在磁场中受到力的作
用，发电机发电利用了 。
8. 图6（a）和（b）分别是“观察通电导线在磁场中受到的作用力”
和“探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件”的实验示意图，
请从直导线ab 的运动状态改变原因和回路中电流产生原因的角度，比
较它们的差异，并填写表1。
第
章
·
电
与
磁
14
32
主题学习：地磁场3
学习了电磁感应现象后，甲、乙两位同学尝试利用闭合回路的一
部分导体在地磁场中做切割磁感线运动，产生感应电流。现有如下实
验器材：灵敏电流计、较长的软电线、导线若干。两同学将以上实验
器材串联连接后，分别手持软电线的一端相隔一定距离站立，并甩动
软电线。
（1）甲同学站定后，乙同学应站在甲的 （选填“东”或
“南”）面。
（2）你建议两同学如何甩动软电线？
回
顾
与
复
习
33
我国古代先民巧妙地以“光”为载体，利用烽燧传递信息。光是一种电
磁波，现代通信离不开电磁波。本章我们将学习电磁波的相关知识。
通过本章内容的学习，你将了解电磁波以及描述电磁波的物理量，知道
电磁波在真空中的传播速度；感悟电磁波的应用对人类生活和社会发展的重
要价值。
电磁波及其应用
章
第15
34
第1节
电磁波
守时自律的生活离不开准确的时间，而通
信、电力、交通、国防等诸多行业和部门更需要
非常精准的时间测量。我国的国家标准时间（北
京时间）由国家授时中心（图15-1-1）负责发
送。授时中心的相关设备通过电磁波高速传递着
国家标准的时间信息，电磁波从何而来呢？
● 电磁波是如何发现的？
英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，
他的研究成果深深地吸引了另一位英国物理学
家—麦克斯韦，麦克斯韦经过潜心研究，用巧妙
的数学语言总结了前人的发现，建立了完整的电磁
理论并预言了电磁波的存在。后来，德国物理学
家赫兹（H. R. Hertz，1857—1894）通过实验发现
了电磁波，证实了麦克斯韦的预言（图15-1-2）。
图15-1-1 国家授时中心
第
节
·
电
磁
波
1
35
图15-1-2 赫兹验证电磁波存在的实验
（a）电磁波发射装置
（b）电磁波发射和接收过程示意图
今天的广播电视、移动通信、卫星导航、遥
感影像等诸多应用都离不开电磁波理论这块基
石，同时电磁波的发现也为物理学发展开启了一
扇新的大门。
● 电磁波是如何产生的？
通过赫兹发现电磁波的实验我们可以想到，
电磁波的产生可能和电流有关。现实生活中我们
怎样用简易的方法产生电磁波？
收音机能接收不同电台的广播，说
明这些电台发送的电磁波经过长距离传
播到达了我们的收音机。如图15-1-3
所示，我们把一节干电池放在收音机
旁，然后用导线的一端连接干电池负
极，另一端与干电池正极快速摩擦，注意听收音机发出的声音，并记录
有何变化。
图15-1-3 收音机收到干扰信号
自主活动
实验中能听到收音机发出异响，这是因为导
线摩擦电池时会产生电磁波，干扰了收音机接收
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
36
● 如何描述电磁波？
电磁波看不见摸不着，我们可以用类似“绳
波”的波形来描述电磁波。
图15-1-4 各种波的产生
音叉振动产生声波
轻点水面激起水波
不均匀变化的电
流产生电磁波
甩动的绳子形成“绳波”
广播电台的信号。如果把收音机靠近工作中的充
电器、无线路由器或微波炉，收音机也会受到干
扰而发出异响。这些电器工作时和用导线摩擦电
池一样，都是电路中的电流在不断变化。人们发
现，不均匀变化的电流可以产生电磁波。
如图15-1-4 所示，与声波、水波类似，电
磁波也是从波源向四周传播。前面提到的充电
器、无线路由器和微波炉，以及图15-1-1 所示
的国家授时中心的天线都是发射电磁波的波源。
如图15-1-5 所示，将绳子的一端固
定，上下甩动绳子的另一端，观察绳子的
变化。
图15-1-5 绳子的波形
自主活动
在上述活动中，可以看到绳子形成如波浪一
般的图形，且波形在向前移动。
如图15-1-6 所示，波形的最高点称为波峰，
相邻两个波峰之间的距离称为波长，用λ 表示，
第
节
·
电
磁
波
1
37
在国际单位制中，波长的单位是米（m）。通常
把一个波长范围内的波形称为一个完整波。
图15-1-6 波长
与声波类似，电磁波也会从波源向外传播，
波传播的距离与所用时间的比称为波速（wave
velocity），我们也可以用波速来描述电磁波传播
的快慢。
但与声波不同，电磁波可以在真空中传播，
电磁波在真空中的传播速度约为3×10
8 m/s。研
究表明，光也是一种电磁波。
甩动绳子越快，波形就越密，相同时间内
向前传播的波的个数就越多。我们把一定时间
内波向前传播的个数与所用时间的比叫做频率
（frequency），图15-1-7 所示为某一时刻不同频
率的波形。电磁波也可以用频率来描述，其常用
单位有赫兹（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）、
吉赫（GHz），它们之间的换算关系如下：
1 kHz=10
3 Hz
1 MHz=10
6 Hz
1 GHz=10
9 Hz
不同频率的电磁波在真空中的传播速度相
同，频率越高波长越短。
只有学会了如何描述电磁波，我们才能更好
地了解电磁波的广泛应用。
通过你所了解的电
磁波的应用或现象来证
明电磁波可以在真空中
传播，也可以设计一个
简单的实验来验证。
想一想
图15-1-7 不同频率的波形
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
38
练一练
1. 不同频率的电磁波在真空中的传播速度相同，频率越
，
波长越 。
2. 下列物体中， 可以看作是发射电磁波的波源。
A. 工作中的无线路由器
B. 正在唱歌的人
C. 振动的音叉
D. 轻点水面的手指
3. 图15-1-8 所示波形的波长为 m。
主题学习：电磁波与天线1
无线对讲机和手机均依靠电磁波传递信息，电磁波的发射和接收
都离不开天线。如图15-1-9 所示，无线对讲机的天线在其顶端，而
手机天线则短到可以隐藏在其内部，且手机通信的电磁波频率远高于
无线对讲机。
图15-1-8
图15-1-9
（b）手机
（a）无线对讲机
天线
（1）无线对讲机和手机比较，哪一个设备所使用的电磁波波长
更长？
（2）天线的长度与波长可能有怎样的关系？
第
节
·
电
磁
波
1
39
第2节
电磁波的应用
移动通信是电磁波在现代社会中的重要应用。
如图15-2-1 所示，遍布城市和乡村的移动通信发
射塔，标志着我国移动通信行业的迅速发展。除了
移动通信，电磁波在日常生活中还有哪些应用呢？
● 电磁波“家族”有哪些成员？
要了解电磁波的应用，首先要了解电磁波
“家族”有哪些成员。如图15-2-2 所示，电磁波
的“家族”非常庞大，频率范围很广。如医疗检
测使用的X射线，各种颜色的可见光以及红外线、
紫外线等不可见光都是电磁波“家族”的成员。
阳光让人感觉温暖，说明光可以传递能量。
和光一样，所有的电磁波都可以传递能量。
我们可以通过电视新闻了解外部世界，可以
图15-2-1 移动通信发射塔
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
40
● 电磁波在传递能量方面有哪些应用？
电磁波具有能量，能量可以随着电磁波向外
传递。
食物中的水分在微波作用下温度会迅速升
高，利用微波可以加热食物（图15-2-3）。γ 射
线是一种能量很高的高频电磁波，可以利用它进
行立体定向无创“手术”（图15-2-4）。
图15-2-2 电磁波“家族”
图15-2-3 微波炉
图15-2-4 γ 射线“手术”
利用移动通信进行沟通，这说明电磁波也能传递
信息。
遥感是一种远距离非接触式获取目标特征
信息的技术。人造地球卫星、飞机等装配的遥感
第
节
·
电
磁
波
的
应
用
2
41
设备能够捕获来自地面物体的电磁波，通过对这
些电磁波信息进行分析，可以获知地面物体的形
状、温度等信息。遥感技术在环境监测、资源普
查、农业生产预测、防灾减灾、国家安全等领域
有着广泛的应用（图15-2-5）。
图15-2-5 遥感无人机监测作物生长
图15-2-6 温室效应基本原理
地球表面吸收阳光的能量后，会向外辐射波长较长的电磁波，大气
中的二氧化碳等温室气体则能阻碍这种电磁波继续向外层空间辐射，进
而造成温室效应（图15-2-6）。
STSE
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
42
● 电磁波在传递信息方面有哪些应用？
电磁波在现代信息社会中应用广泛，不同波
长的电磁波传递信息的本领各有所长。长波可用
于潜艇通信，中短波可用于无线电广播，微波可
用于电视信号传输、移动通信、卫星导航、雷达
侦测等。
广播电台发出的中波或短波信号传播距离
远、覆盖范围广，即使在互联网发达的今天，接
收无线电广播的收音机仍有用武之地。你可以在
应急救灾包（图15-2-7）和家用轿车（图15-2-8）
中发现它。
图15-2-7
应急救灾包中的收音机
图15-2-8 车载收音机
如图15-2-9 所示，话筒首先将声音转化为随声波变化的电信号，叫
做音频信号。再将音频信号加载到高频电流上，经调制、放大，最后转化
成高频电磁波发射到空中。收音机将接收到的高频电磁波还原成音频信号，
最后再放大并通过扬声器播放出来，我们就听到了电台的广播。
图15-2-9 声音信号传递过程
（a）发射过程
（b）接收过程
拓展 视野
第
节
·
电
磁
波
的
应
用
2
43
移动通信与无线电广播不同。由于手机功
率比较小，发射的电磁波传输距离不够远，容易
被建筑物遮挡，所以，两部手机A、B 要通过包
含基站在内的移动通信设备和线路才能进行通信
（图15-2-10）。
图15-2-10 移动通信示意图
图15-2-11
山东日照港全自动化集装箱码头
目前，我国移动通信技术已居于世界领先
地位。
导航卫星利用电磁波对地面设备定位。我国
自主研制的北斗卫星导航系统抗遮挡能力强，服
务精度高，还能提供通信业务。目前北斗系统已
在诸多领域得到了广泛应用，例如在港口借助北
斗卫星对集装箱卡车的定位，实现港口的自动化
管理（图15-2-11）。北斗卫星导航系统的运行
不仅促进了国家经济建设，而且使我国摆脱了对
其他导航系统的依赖，从而维护了国家安全。
人类对太空的探索也离不开电磁波。“神舟”
载人飞船通过电磁波向地面接收站发回信息，
“嫦娥”探测器通过电磁波把月球表面的图像传
回地球，“中国天眼”射电望远镜通过接收星体
辐射的微弱电磁波探测宇宙中极其遥远的天体。
电磁波的应用极大地改变了人们的生活方
式，推动了社会的进步！
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
44
练一练
1. 电磁波可以传递能量，例如 。
2. 电磁波可以传递信息，例如 。
3. 为保障考试公平，杜绝手机作弊，考
场通常安装有手机信号屏蔽器（图15-2-12）。
有一种手机信号屏蔽器通过发射频率和手机
信号频率相同的 ，使得手机无
法正常通信。
主题学习：电磁波与天线2
广播电视塔（图15-2-13）是用于广播电视节目信号发射的建筑，
其上层装有发射电磁波的天线。用于广播的中波信号能绕过建筑物传
播，但是会有信号损耗；用于电视传播的微波信号一般沿直线传播，
信号损耗小。
图15-2-12
图15-2-13
中央电视塔
广州塔
上海东方明珠广播电视塔
（1）广播电视塔的高度一般都很高，这对广播电视信号传播有什
么好处？
（2）一般情况下，距离波源越远信号越弱。简述广播电视塔建设
在市中心的原因。
第
节
·
电
磁
波
的
应
用
2
45
物理学与工程实践
跨学科实践
信息的编码与传递
用声波传递信息时易受到干扰，往往会导致信息失真（图1），用电磁波
传递信息也会遇到类似问题。我国古代先民非常聪明，为了避免烽燧之间传递
的信息走样，常用类似灯笼的信标—“烽”、点燃后冒着浓烟的柴草堆—
“积薪”等易于辨识的信号组合起来传递军情（图2），这是一种古老的利用编
码传递信息的方式。
图1 声音信息受到干扰而失真
图2 烽燧通过不同形式信号组合传递信息
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
46
19 世纪中期，莫尔斯用“点”和“横”两种符号对文字进行编码（图3）。
发送信息时，通过按压发报机的操控开关（图4）产生长短不同的电流来表示
“点”和“横”，这种电码迄今为止仍在使用。
图4 发报机的操控开关
图3 莫尔斯电码
● 跨学科实践任务
任务1：两人为一小组，一位同学作为发报员，另一位同学作为译报员。
设计一个由电源、导线、小灯泡和开关等器材组成的简单发报机，画出电路图
并按图连接器材。
发报员在收到写有单词的纸条后，按照莫尔斯电码将其转化为“点”和
“横”，按动开关把这个单词发送出去。译报员则通过观察电路中小灯泡亮暗时
间的长短，对照莫尔斯电码翻译出这个单词。
尝试用莫尔斯电码发送“SOS”这串字符，分析“SOS”为什么能成为国
际公认的紧急呼救信号。讨论在紧急情况下，如何利用手电筒等简单设施发送
“SOS”求救信号。
任务2：小组讨论，为什么莫尔斯电码只用“点”和“横”两种符号对文
字编码？进一步分析信息技术一般都用二进制编码的原因。
任务完成后形成报告，并进行交流展示。报告应包含以下内容：① 编码
传递信息的优势。② 计算机用二进制编码存储和传递信息的大致原因。③ 未
来是否会出现比二进制更先进的编码方式。
跨
学
科
实
践
·
信
息
的
编
码
与
传
递
47
● 评价与反思
评价项目
评价要点（☆☆☆）
自评
互评
实践计划
能制订分工合理、任务明确、进度可行的实践计划
能在规定的时间内完成计划
实践成果
了解什么是编码传递信息
通过活动了解编码传递信息的优势
能准确发送和接收信息
能说明计算机用二进制编码存储和传递信息的大致
原因
信息搜集
能有效搜索所需学习资源，注意数据的可靠性和时
效性
能规范地标注引用数据、图片等相关信息的来源
交流合作
能利用数字设备开展交流活动
在完成各自任务的同时，能与其他成员团结协作，开
展合作
在规定时间内完成展示，表达方式合理、流畅自然
评分方法：完全符合评价要点得☆☆☆，部分符合得☆☆，少量符合得☆
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
48
回顾与复习
本章小结
基本概念和基本规律
●波长：相邻两个波峰之间的距离。
●波速：波传播的距离与所用时间的比。
●频率：一定时间内波向前传播的个数与所用时间的比。
知识结构图
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回
顾
与
复
习
49
1. 电磁波在真空中的传播速度约为 m/s。
2. 长波、中波和短波中，频率最高的是 。
3. 如图1 所示，将一个手机放入密封的玻璃
罩中，抽走玻璃罩内的空气。拨打该手机可以看
到手机来电显示，但是几乎听不到手机铃声。简
要解释这一现象。
4. 红外线是一种不可见光，也是电磁波，冬
天可以用红外线加热器来取暖。这说明电磁波可
以传递 。
5. 北京航天飞行控制中心与远在太空的神舟载人飞船之间的“天
地通话”是依靠 （选填“电磁波”或“声波”）传递声
音和图像信息的。
6. 某收音机可接收频率范围530 ～ 1 710 kHz 的中波，以及频率范
围9 ～ 16 MHz 的短波。当该收音机接收到一个信号后，显示的频率
如图2 所示。则此电台属于 波段。
图1
图2
主题学习：电磁波与天线3
我国移动通信业务发展迅猛，移动通信网络覆盖水平全球领先。
在我们身边设有很多移动通信的基站，它们有各式各样的天线（图3）。
本章练习
第
章
·
电
磁
波
及
其
应
用
15
50
城市中心移动通信基站的间距都很小，甚至只有100 m 左右，在乡村
基站间距则略大些。
图3
（a）
（b）
（c）
依据应用于移动通信的这部分电磁波的传播特性回答以下问题：
（1）为什么一个地区的广播电视塔往往只有一个，而移动通信基
站却有许多？
（2）为什么城市中心的移动通信基站间距往往比乡村的小？
回
顾
与
复
习
51
物理学的不断发展，使我们对物质世界的认识不断深入。我们不仅知道原
子的结构，也了解星系的形成和宇宙的演化。人类的目光已不再局限于地球，
开始跨越太阳系甚至银河系，奔向广袤而深邃的宇宙。本章我们将学习物质结
构的基本知识，了解人类探索微观世界和宇宙的历程，欣赏奇妙而有趣的物质
世界。
通过本章内容的学习，你将了解原子及原子的核式结构，太阳系及宇宙
的演化；知道物质世界的大致尺度，初步形成物质观念；感悟人类为探索物
质世界奥秘所付出的努力和取得的成就。
从原子到星系
章
第16
52
第1节
原子 原子结构
2 300 多年前的中国古代哲学家认为，“一尺
之棰，日取其半，万世不竭”，提出了物质无限
可分的思想。而同时代的古希腊哲学家则认为，
物质存在不可再分的最小微粒，即原子。在希腊
语中原子一词即有不可分之意。那么，构成物质
的最小微粒真的存在吗？
● 什么是原子？
19 世纪初，英国科学家道尔顿（J. Dalton，
1766—1844）在研究化学反应时发现，物质
是由在化学反应中保持不变的最小单元构成
的，或者说，构成物质的最小单元在化学反应
中保持不变。道尔顿把这个最小单元称为原子
（atom）。如图16-1-2 所示，碳完全燃烧时，与
氧气反应生成二氧化碳，但碳原子和氧原子在
图16-1-1 单层碳原子照片
第
节
·
原
子
原
子
结
构
1
53
● 原子有多大？
原子非常小，小到什么程度呢？平均来说，一
个原子的直径约为10
-10 m，也就是说，100 000 000
个原子紧密地排列成一行，长度也大约只有
1 cm。一根头发的直径大约可以排列60 万个以
上的原子。要想看到原子，普通的显微镜是无能
为力的，必须使用扫描隧道显微镜或原子力显微
镜，图16-1-1 是我国物理学家利用扫描隧道显
微镜拍摄的单层碳原子照片。
一张10 cm 的纸
条，每次都将其截成
两段，多少次后就到
原子的尺度了？（提示：
2
10 ≈ 10
3）
想一想
我们在表示各种物理量的时候，为了方便，会使用一些前缀（称为数
量级词头）来表示不同的量级，如毫米即千分之一米，纳米即十亿分之一
米，等等。具体可见表16-1-1。
燃烧前后都没有发生变化。我们所知道的常见
物质是由分子、原子构成的，而分子又是由原
子构成的。道尔顿通过科学实验将原子变成了
一个科学概念，是对物质结构认识的一个飞跃。
图16-1-2 碳和氧气反应生成二氧化碳
表16-1-1 常用数量级前缀
前缀
太(T)
吉(G) 兆(M)
千(k)
毫(m)
微(μ)
纳(n)
皮(p)
飞(f)
量级
10
12
10
9
10
6
10
3
10
-3
10
-6
10
-9
10
-12
10
-15
拓展 视野
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
54
● 原子有内部结构吗？
原子概念被提出后，人们一开始认为原子
是没有内部结构、不可再分的实心小球。1897
年英国物理学家汤姆孙（J. J. Thomson，1856 —
1940）通过对阴极射线的研究，发现了比原子小
得多的带负电的粒子，称为电子（electron），这
是人类发现的第一个比原子更小的微观粒子。电
子的质量很小，大约只有氢原子质量的二千分
之一。
电子的发现说明原子并不是构成物质的最
小微粒，原子是有结构的，电子是原子的构成
部分。由于电子带负电，而原子是电中性（对
外不显电性）的，因此原子必定包含带正电的部
分。汤姆孙由此提出了原子的结构模型—枣糕
模型，即原子中的正电荷均匀分布在整个原子
球体内，而电子则嵌在其中，如图16-1-3 所示。
这个模型虽然能解释原子的电中性，但并没有
得到更多实验的支持。
英国物理学家卢瑟福（E. Rutherford，1871—
1937）根据α 粒子散射实验的研究在1911 年提出
了原子的核式结构模型（nuclear structure model），
也称行星模型（图16-1-4）。即原子的质量几乎
全部集中在尺度很小的核心区域，称为原子核
（nucleus），原子核带正电，半径约为10
-15 m，
而电子则在核外绕原子核运动。卢瑟福的核式结
构模型能很好地解释一些实验现象。
原子的尺度要比原子核大近10 万倍，如
果把原子比作体育场，那原子核就只有蚂蚁那
么大。
图16-1-3 枣糕模型
图16-1-4
原子的核式结构模型示意图
电子
原子核
第
节
·
原
子
原
子
结
构
1
55
● 原子核还有结构吗？
原子的核式结构被发现之后，物理学家又开
始探索原子核的结构。为此，卢瑟福做了大量用
α 粒子轰击各种原子核的实验，并于1919 年发现
了一个新的带正电的粒子，称为质子（proton）。
因为各种不同的原子核都能打出质子，所以可以
确认质子是原子核的构成部分。质子实际上就是
最简单的原子核—氢原子核。根据对质子质量
和电荷的测量，卢瑟福预言原子核中一定还有另
一种粒子—中子（neutron）。1932 年，英国物
理学家查德威克（J. Chadwick，1891—1974）在
实验中发现了中子。
中子的发现不仅确立了原子核的结构，也
敲开了人类开发利用核能的大门，具有重大的科
学意义。实验发现，中子不带电，质量比质子稍
大。α 粒子实际上就是氦原子核，由2 个质子和
2 个中子构成。
从1897 年发现电子开始，经过30 多年的
研究，人们对原子及原子结构有了比较清晰的认
识。原子是由集中了绝大部分质量的原子核与核
外电子构成的，原子核又是由质子和中子构成
的，其中质子的数量与核外电子数相同，以保
证原子是电中性的。那么，质子和中子还有结
构吗？
随着物理学的不断发展，人们对物质结构的
认识也在不断深入。1964 年，美国物理学家盖
尔曼（M. Gell-Mann, 1929—2019）又提出了夸
克模型，认为质子和中子都是由更小的微粒—
夸克构成的。电子和夸克是目前已知构成常见物
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
56
图16-1-5 原子及原子核结构示意图
质的最小微粒。图16-1-5 是原子及原子核结构
的示意图。
卢瑟福（图16-1-6），英国著名物理学家，
为近代物理学的发展作出了极为重要的贡献。他
开创了原子物理学这一新的学科，物理学从此
进入了原子时代。他也是核物理及现代核技术
的开创者。卢瑟福是一位出色的实验物理学家，
有着非凡的物理直觉。在他指导下进行的α 粒
子散射实验本来是想证明其导师汤姆孙的枣糕
模型，实验结果却否定了枣糕模型。卢瑟福不
迷信权威，而是进行了进一步研究，并由此提
出了原子的核式结构模型。
卢瑟福的原子核式结构模型虽然取得了很大的成功，但也存在严重
的缺陷，即无法解释原子的稳定性。在这一模型的基础上，丹麦物理学
家玻尔（N. H. D. Bohr，1885—1962）在1913 年提出了原子结构的玻
尔模型，不仅解决了原子结构的稳定性问题，也为20 世纪物理学最伟
大的理论之一—量子力学的诞生奠定了基础。
图16-1-6 卢瑟福
电子和夸克是否还有结构，是否由更小的微
粒构成，将是未来物理学进一步研究探索的目标。
科学与人文
第
节
·
原
子
原
子
结
构
1
57
练一练
1. 原子、电子、质子和中子具有不同的质量，将它们按质量从大
到小排列。
2. 比较道尔顿、汤姆孙和卢瑟福对原子的描述，有什么相同和不
同之处？
3. 写出原子、原子核、电子、质子、中子之间的从属关系。
4. 构成常见物质的最小微粒存在吗？简述你的理由。
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
58
地球（Earth）是人类的家园，万物生长的
地方，也是到目前为止宇宙中唯一确切知道有生
命存在的星球。地球从形成至今已经有46 亿年
了。《易经》中记有“观乎天文，以察时变”。可
见，在很久以前，我国古人就开始了对天体的观
察，并达到了很高的水平。日月星辰的东升西落
和春去秋来的四季变换是看起来很常见的现象，
它们是如何形成的呢？
● 地球是如何运动的？
在很长的时间里，人们一直认为地球是不动
的，所有天体都围绕地球运动。古希腊天文学家
托勒密（C. Ptolemaeus，约90—168）系统总结
了前人的成就，完善了被称为“地心说”的天体
运行理论［图16-2-2（a）］。波兰天文学家哥白
第2节
地球 太阳系
图16-2-1 太阳及八颗行星
第
节
·
地
球
太
阳
系
2
59
尼（N. Copernicus，1473—1543）在他的《天体
运行论》一书中建立了被称为“日心说”的天体
运行理论［图16-2-2（b）］，即太阳位于中心，
地球和其他行星都围绕太阳公转。哥白尼的理论
不仅引发了天文学的革命，也为近代科学的发展
铺平了道路。
如果我们在北极或
南极，还能看到太阳的
东升西落吗？
想一想
实际上，所有天体都处于不断地运动之中，
日月星辰的东升西落是因为地球的自转造成的。
地球每隔约24 h 自转一周，每隔约365 天绕太阳
公转一周。地球的赤道平面和公转轨道平面（即
黄道面）有一个23°26′的夹角。正是由于这个夹
角，使得太阳的直射点每年在南北半球之间来回
移动，这是造成地球上四季变化的根本原因。
● 太阳系“家族”有哪些成员？
随着物理学的发展，科学技术的进步，观测
手段的提高，今天我们对太阳系（solar system）
图16-2-2 “地心说”和“日心说”示意图
（a）“地心说”
（b）“日心说”
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
60
所谓“五星连珠”
是指金、木、水、火、
土五颗行星在公转轨
道上连成一线的现象。
这一现象是如何形成
的呢？
想一想
已经有了比较清晰的认识。太阳是一颗普通的恒
星，由内而外，围绕太阳公转的八颗行星（planet）
分别是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、
天王星及海王星（图16-2-1）。在火星与木星之
间是包含50 万颗以上小行星的小行星带。有多
颗小行星以中国科学家名字命名，如袁隆平星、
杨振宁星、钱学森星、钱三强星等。曾经长期作
为第九颗行星存在的冥王星因其质量不够大等
原因，在2006 年被剔除出行星行列，而改称矮
行星。
月球是地球唯一的天然卫星，而地球的人造
卫星则数不胜数。由于从地球上看，月球的大小
和太阳几乎相同，因此当月球、地球和太阳运行
到连成一线时，就会发生日食或月食；而当月球
处在其绕地球轨道的不同位置时就会造成不同的
月相。“西楼望月几回圆”“百尺老松衔半月”“露
似珍珠月似弓”都是描写月相的诗句。水星和金
星是仅有的两颗没有卫星的行星，而木星的卫
星则有很多，其中木卫一到木卫四是伽利略在
1610 年用自制望远镜发现的，这一发现对哥白
尼的“日心说”是有力的支持。太阳系家族除了
太阳、八颗行星、矮行星以及它们的卫星外，还
有大量的小行星、彗星等。
● 太阳系是如何形成的？
德国哲学家康德（I. Kant，1724—1804）于
1755 年提出了太阳系起源的星云假说，认为太
阳系是由一团巨大的原始星云通过引力作用演化
而来，星云中心部分形成太阳，外围部分形成星
第
节
·
地
球
太
阳
系
2
61
盘并演化成行星及卫星。随着物理学的不断发展
和探测技术的提高，关于太阳系起源和演化的理
论已经发展为现代星云说，人们对太阳系的形成
和演化也有了更多的认识。
图16-2-3 我国航天事业的发展历程
20 世纪50 年代，一大批满怀报国初心的知识分子，冲破阻力，回
到祖国。从以钱学森为代表的老一辈航天事业开拓者，到赶超世界一流
水平的新一代航天生力军，几代航天人使命相连，持续奋斗，不计得
失，无怨无悔，用智慧、汗水乃至生命铸就了我国航天大国的地位。
几十年来，我国航天事业取得了举世瞩目的巨大成就。从第一颗人
造地球卫星到载人航天，从月球、火星探测到中国空间站全面建成，中
国航天已经进入世界先进行列（图16-2-3）。
科学与人文
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
62
练一练
1. 从地球上看，月球几乎和太阳一样大。如果从月球上看，地球
比太阳大还是比太阳小？月球上有可能发生日全食吗？
2. 太阳系八颗行星都绕太阳公转，地球轨道以内有哪几颗行星？
地球轨道以外有哪几颗行星？离太阳最近的是哪颗行星？离太阳最远
的是哪颗行星？
3. 原子的核式结构与太阳系的结构有不少相似之处，请举例
说明。
4. 夏至晚上看到的恒星与冬至晚上看到的恒星相同吗？简述
理由。
第
节
·
地
球
太
阳
系
2
63
第3节
银河系 宇宙
在17 世纪以前，人们只能用肉眼观测天体，
观测能力很有限。整个天空肉眼可见的恒星大约
有6 000 多颗，其中比较著名的有北极星、北斗
七星、织女星、牵牛星、天狼星、比邻星等。仰
望星空，宇宙深处蕴藏着多少奥秘？
● 肉眼可见的恒星离我们有多远？
天体之间的距离非常遥远，如果用米或者千
米来衡量天体之间的距离会很不方便。在天文学
上，我们常常用光年作为天体距离的单位。光年
指的是光在真空中一年内行进的距离。光年的符
号是l.y.。光年与米的换算关系是：
1 l.y.= 9.46×10
15 m
作为比较，日地距离约1.5×10
11 m，太阳光从
发出到地球，约需时8 min。
图16-3-1 长城与银河
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
64
由于视力所限，我们肉眼所见的恒星（图
16-3-2）大部分距离地球都在几百光年以内，比
邻星是离我们最近的恒星，距离地球约4.3 光年。
从地球上看，天狼星是除太阳外最亮的恒星，距
离我们约8.6 光年。伽利略在1609 年首次使用
望远镜观测天体，开启了天文学一个新的时代。
望远镜的使用，大大提高了我们的观测能力，极
大开拓了人类的眼界，从此，人类的目光便从太
阳系转向了更广阔的恒星世界。
图16-3-2 部分肉眼可见的恒星
望远镜是天文观测的重要工具，望远镜的使用极大地提高了我们
的观测能力，不仅让我们看得更远，也让我们看得更清。除了光学望远
镜，还有用于其他波长的红外望远镜、射电望远镜、X 射线望远镜以及
放置在太空的空间望远镜等。伽利略使用的第一架天文望远镜的口径仅
有4 cm，但伽利略用它发现了月球上的环形山、木星的卫星等。我国的
大型望远镜项目在立足自主建设的同时，积极参与国际合作。2016 年
在贵州平塘建成的500 m 口径射电望远镜是目前世界上最大的射电望远
STSE
第
节
·
银
河
系
宇
宙
3
65
镜，被誉为“中国天眼”，如图16-3-3 所示。“中国天眼”自建成以来，
已经在脉冲星、快速射电暴等方面取得多项世界领先的研究成果。
图16-3-3 “中国天眼”：500 m 口径射电望远镜
● 什么是银河系？
在很长的一段时期内，人类对宇宙的认识
实际上局限在太阳系内。1750 年首次提出银河
系（Galaxy）的概念，太阳系以及我们肉眼可见
的众多恒星都属于一个更大的恒星系统——银河
系。图16-3-1 所示即为银河系的一部分。
200 多年来经过无数天文学家和物理学家
的不断努力，我们对银河系已经有了比较清晰
的认识。银河系是一个直径约10 万光年，包含
约3 000 亿颗恒星的庞大盘状恒星集团，中心是
一个质量相当于400 万个太阳的巨型黑洞，太
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
66
图16-3-4 仙女座星系M31
● 什么是宇宙？
2 000 多年前的《尸子》一书中已经有
“四方上下曰宇，往古来今曰宙”的说法。
我们将时间、空间以及所有物质、能量构成
的整体称为宇宙（universe）。宇宙是物理学
最大的研究对象。
黑洞是一个非常神秘的天体，由于强大的引力，使得黑洞所在的区域
具有奇特的性质，外面的物体和光可以进入黑洞，而黑洞内的任何物体甚
至光都无法逃离。也就是说，黑洞无法发出光或
其他信息，因而外界的观察者是看不到黑洞的，
这也是黑洞名称的由来。
近年来，科学家已经通过各种方法探测到了
黑洞的存在，比如银河系中心就有一个巨大的黑
洞，如图16-3-5 所示，其中明亮部分是黑洞附近
的气体发光所致。
图16-3-5
银河系中心黑洞照片
阳位于距离银河系中心约27 000 光年的地方。
太阳携带整个太阳系围绕银河系中心转动，约
2.5 亿年旋转一周。银河系形成至今已有约100
亿年。
银河系只是宇宙中一个普通的星系，宇宙
中还存在着无数个类似银河系的星系，统称为河
外星系（external galaxy）。我们已知的河外星系
超过1 000 亿个。图16-3-4 所示为距离我们约
250 万光年的河外星系—仙女座星系M31。
拓展 视野
第
节
·
银
河
系
宇
宙
3
67
美国天文学家哈勃（E. P. Hubble，1889—
1953）通过对大量星系的观测研究发现，所有的
星系都在远离我们，并且离我们越远的星系，远
离的速度就越大。也就是说，随着时间的流逝，
星系之间的距离在不断增加。那么反过来看，在
很久以前，星系之间的距离一定比现在小得多，
即宇宙是在膨胀的。发现星系都在远离，并不能
说明地球是宇宙的中心。站在任何一个星系上
看，所有其他星系也都在远离。上述活动中，形
象地模拟了哈勃的发现。气球上的每个小圆点都
可看成一个星系；当气球膨胀时，站在任何一个
圆点上看，会发现所有的圆点都在互相远离，并
且距离越远的圆点其远离的速度也越大。
● 宇宙是如何演化的？
美国物理学家伽莫夫（G. Gamow，1904—
1968）在前人研究工作的基础上，于1948 年提
出我们的宇宙诞生于138 亿年前的大爆炸。根据
这个理论，大爆炸之初，温度和密度极高。随着
时间的推移，宇宙不断膨胀，温度逐渐下降，各
种粒子开始形成。
对一个均匀画有小圆点的气球缓慢
吹气。观察气球膨胀时，相邻小圆点及相
距较远的小圆点之间的距离如何变化（图
16-3-6）。
自主活动
图16-3-6 气球膨胀前后
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
68
我们是如何知道宇
宙在膨胀的？
想一想
大爆炸之后约38 万年，质子、中子和电子
结合形成原子，大量原子形成分子云，最后在引
力作用下形成恒星和星系。随着宇宙的膨胀，大
爆炸留下的光就变成了今天探测到的宇宙微波背
景辐射。这个理论与目前的观测结果符合得比较
好，在解释元素起源、宇宙微波背景辐射以及星
系形成等方面都取得了很大的成功。
因为光速是有限的，光的传播需要时间。当
我们用望远镜观测一个遥远的天体时，我们看到
的实际上是这个天体在遥远的过去的样子。现在
世界上最大的望远镜能够探测到100 亿光年以外
的天体，也就是说，我们能看到宇宙100 亿年以
前的样子。宇宙早期的奥秘竟然隐藏在遥远的宇
宙深处。图16-3-7 所示为韦伯空间望远镜拍摄
的遥远星空，其中有些星系距离我们将近100 亿
光年。
微观粒子是物理学最小的研究对象，宇宙
则是物理学最大的研究对象。物理学既可以描述
电子、质子的性质，也可以描述星系和宇宙的起
源。极大和极小在物理学中得到了绝妙的统一。
无论是微观还是宏观或是宇观（图16-3-8），也
图16-3-7
韦伯空间望远镜拍摄的遥远星空
图16-3-8 从微观、宏观到宇观
第
节
·
银
河
系
宇
宙
3
69
练一练
1. 将地球、月球、太阳、银河系、太阳系、原子、电子、质子、
氦原子核、山脉、建筑物、细胞按尺度从大到小排列。
2. 简述地球、太阳系、银河系、宇宙之间的从属关系。
3. 整个天空肉眼可见的恒星约有6 000 多颗，你能说出哪些恒星
的名称（如织女星等）？
4. 根据宇宙的演化，太阳系的形成比银河系的形成更早还是
更晚？
无论是在实验室还是茫茫太空，物理世界的过
去、现在和未来都应该遵循物理学的普遍规律。
物理学已经取得了伟大的成就，但人类探索
自然奥秘的步伐不会停止，永无止境。
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
70
回顾与复习
本章小结
基本概念和基本规律
●原子：由原子核及核外电子构成。
●原子核：由质子和中子构成。
●核式结构模型：原子核集中了原子的绝大部分质量并处于原子中
心很小的区域，电子在核外绕原子核运动。
●太阳系：太阳和围绕太阳公转的八颗行星、矮行星及其卫星以及
小行星、彗星等共同组成的系统。
●银河系：由包括太阳在内的约3 000 亿颗恒星及其他物质组成的
恒星系统。
●宇宙：时间、空间以及所有物质、能量构成的整体。
知识结构图
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与
复
习
71
1. 计算原子的质量时，我们通常只考虑 和 的质量，
忽略 的质量。
2. 有人说，核外电子数相同的原子具有相同的质量，质量相同的
原子其核外电子数相同。这种说法是否正确？简述理由。
3. 画出金星和地球绕太阳公转的轨道示意图，简述为什么只能在
黎明前和黄昏后才能看到金星。
4. 有什么证据可以证明地球是球状的？
5. 有人说，冬天冷是因为地球离太阳远了，夏天热是因为地球离
太阳近了。这个说法是否正确？简述理由。
6. 我们在地球上看到的银河为什么是一条光带（太阳在银河系的
位置如图1 所示）？
图1
7. 根据观测，我们的宇宙目前是处于 （选填“膨胀”“静
止”或“收缩”）的状态。
8. 如果我们给另外一个星系的智慧生物“打个招呼”，那么对方
至少要过多久才能收到我们发出的问候？
本章练习
第
章
·
从
原
子
到
星
系
16
72
能量的转移和
转化 能源
章
第17
崇山峻岭间奔腾的水流通过发电机把机械能转化为电能。合理地利用自
然界中蕴藏的能量，是人类需要解决的重大课题。本章我们将学习能量转移
和转化的规律、能源开发利用与可持续发展的关系。
通过本章内容的学习，你将知道能量守恒定律；了解能量利用效率及能
量转移和转化具有方向性； 认识到人类面临的能源危机，体会节约能源和可
持续发展的重要性。
73
第1节
能量的转移和转化
图17-1-1 所示为小男孩在荡秋千，只要用
力推一下，秋千就会带着男孩忽高忽低地来回摆
动。此后，秋千摆得越来越低，男孩和秋千的机
械能越来越少。减少的机械能去哪儿了？
● 能量可以转移或转化吗？
物质不同的运动形式对应不同的能量，与机
械运动对应的是机械能，与分子热运动对应的是
内能，与电荷运动对应的是电能……我们所熟悉
的各种运动形式：鸟儿飞翔、气体扩散、电流等
无不对应着不同形式的能量。不同形式的能量可
以相互转化吗？
图17-1-1 秋千
第
章
·
能
量
的
转
移
和
转
化
能
源
17
74
如图17-1-2 所示，小球A 静止在轨
道的底端，从某一高处释放小球B，观察
两小球的运动情况。两小球运动过程中有
能量的转移或转化吗？
小球B 向下运动时，重力做功，小球B 的
重力势能减小，动能增加，重力势能转化为动
能。当小球B 撞击小球A 时，小球B 对小球A
做功，小球A 获得动能，而小球B 动能减小，
动能从小球B 转移到小球A。这表明做功往往伴
随着能量的转移或转化。
如图17-1-3 所示，我国神舟载人飞船返回
舱在进入大气层高速下降的过程中，返回舱表面
温度高达2 000 ℃，变成一个通红的火球，这是
由于空气阻力做功，返回舱的部分机械能转化为
内能。图17-1-1 中秋千的摆动幅度越来越小，
也是由于摩擦力和空气阻力对秋千做功，将男孩
和秋千的机械能转化为内能。
图17-1-3
进入大气层的载人飞船返回舱
如图17-1-4 所示电路，把一根铜
丝的两端分别与两根铁丝相连接，两
根铁丝的另一端再与一个电流传感器
相连。
用酒精灯给铁丝与铜丝的一个连接
点加热。观察电流传感器示数的变化，
并思考这一过程中能量是如何转化的。
自主活动
自主活动
图17-1-2 两小球碰撞
A
B
图17-1-4
用酒精灯加热铁丝与铜丝的连接点
铜丝
铁丝
第
节
·
能
量
的
转
移
和
转
化
1
75
在上述实验中，观察到电流传感器示数不为
零，即电路中有电流通过，这表明用酒精灯加热
的过程中有一部分内能转化为电能。
植物进行光合作用，将光能转化为化学能；
电流通过电风扇，将电能转化为机械能；章首
图所示的水电站，可以将水的机械能转化为电
能。不同形式的能量在一定条件下都可以转移或
转化。
● 能量的转化或转移有规律可循吗？
煤炭所具有的化学能是远古时期的植物将阳
光的能量转化并储存在体内的。刹车过程中，汽
车的机械能减小，减少的机械能并未消失，而是
转化成了内能。杯子里的热水慢慢变冷，热水的
内能转移到了空气中。
大量事实表明：
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失；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，或者从物体的一部分转
移到其他部分；在转化或转移的过程中，能量
的总和保持不变。这就是能量守恒定律（law of
conservation of energy）。
历史上曾有很多人梦想制成不需要输入任
何能量却能够不断对外输出能量的机器—永动
机。如图17-1-5 所示，无论他们的设计看起来
多么巧妙，却从未有人取得成功，这是因为这类
永动机的设想违背了能量守恒定律。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基
你还能举出不同形
式的能量之间相互转化
的具体情境吗？
想一想
图17-1-5 永动机设计图
第
章
·
能
量
的
转
移
和
转
化
能
源
17
76
本规律，所有能量转化或转移的过程，都遵循能
量守恒定律。守恒的思想是人类科学探索活动中
极为宝贵的智慧结晶，除了能量守恒定律，还有
一系列其他守恒定律。科学家往往利用守恒思想
指导对未知世界的探索。
能量转化或转移的过程不仅遵循能量守恒定
律，还具有方向性。
酷暑炎炎，动物园用冰块给大熊猫降温，热
量从大熊猫转移到冰块上（图17-1-6）。高温物
体和低温物体接触，热量只会从高温物体自发地
转移到低温物体，而不会从低温物体自发地转移
到高温物体。
篮球从高处落下，与地面多次碰撞后，最终
总会停下来，是由于摩擦力和空气阻力做功而使
机械能转化为内能。但我们从未看到相应的逆过
程：内能重新自发地转化为机械能而使篮球越弹
越高。
图17-1-6
用冰块给大熊猫降温
将一滴墨水滴入
清水中，可以观察到墨
水扩散的现象。这滴墨
水会重新与清水分离吗
（图17-1-7）？
自主活动
尽管扩散、热传递、摩擦生热等现象都符合
能量守恒定律，但它们的逆过程不会自发发生。
图17-1-7 墨水在水中扩散
第
节
·
能
量
的
转
移
和
转
化
1
77
俗话所说的“覆水难收”“破镜难圆”，从物理学
的角度看就是能量的转移和转化具有方向性。
能量在不同形式之间相互转化、在物体之间
转移时，并不是符合能量守恒定律的过程就一定
能发生，能量的转化和转移具有方向性。
练一练
1. 夏天人们常用蚊香驱蚊。图17-1-8 所示为
一种电热液体蚊香，接通电源后，电子恒温加热
器加热驱蚊药液，使其挥发至空气中。这个过程
中，加热器将 能转化为 能。
2. 根据能量守恒定律，判断以下情形是否能
够发生，并简述理由。
（1）子弹射穿木板后，以更大的速度前进。
（2）通过不断改进，将热机的效率提升到100%。
3. 乒乓球从1 m 高处静止释放，反弹后的高度不到1 m。
（1）这是不是违反了能量转化和守恒定律？为什么？
（2）若要使乒乓球反弹的高度超过1 m，该如何操作？
4. 把下列过程与对应的能量转化关系用线连起来。
钻木取火
电能转化为化学能
风力发电
电能转化为机械能
光合作用
机械能转化为内能
电池充电
机械能转化为电能
电扇运行
太阳能转化为化学能
图17-1-8
第
章
·
能
量
的
转
移
和
转
化
能
源
17
78
广阔海面上的风蕴含着巨大的能量，这种能
量可以转化为帆船的动能，使帆船航行；也可以
驱动风力发电机的叶轮进行发电。图17-2-1 所
示为上海东海大桥海上风力发电场，通过风力发
电机把风能转化成电能。在广阔的大自然中我们
如何才能获得所需的能量呢？
● 能量从何而来？
能量以各种形式蕴藏在大自然中，使世界呈
现出生机勃勃的景象。我们把能够提供能量的物
质资源叫做能源（energy sources）。
地球上大部分能源所具有的能量都来自太阳
（图17-2-2）。太阳的照射使地表的水蒸发形成
雨和雪，雨雪降落到地面形成河流，流动的水具
能源的开发与利用
图17-2-2 草原上的日出
图17-2-1 上海东海大桥海上风电场
第2节
第
节
·
能
源
的
开
发
与
利
用
2
79
有水能。由于地球上的日照不均匀，地球表面的
不同区域存在温差，引起大气流动产生风能。
大自然给予我们丰富的馈赠，有些能源可以
从自然界直接获得，如风能、水能、地热能（图
17-2-3）、核能、煤、石油、天然气等能源，在
农村生活中常见的秸秆（图17-2-4）、薪柴等也
可以从自然界直接获得。
图17-2-3 地热能
图17-2-4 秸秆
图17-2-5 焦炭
有些能源不能从自然界直接获得，但可以
经过加工或转化而来，例如需对石油进行提炼才
能获得汽油，需对煤进行加工才能获得焦炭（图
17-2-5），生产生活中的电能也是由其他形式的
能源转化而来的。
● 能源的开发与利用经历了怎样的历
史进程？
能源的开发与利用对人类文明的进步有着深
远影响，人们探索开发利用能源的脚步从未停止
过。历史上曾经历多次重大能源变革，每一次新
的能源开发利用和技术突破，都极大地促进了生
产力的提高和文明的进步。
人类最早使用的能源是太阳能，原始时期，
人类所能获得的能源来源于太阳辐射所带来的光
热。人类历史上第一次意义重大的能源革命是对
在能源加工的过程
中，不可避免地伴随
能量的损失。为什么还
要对能源加工后再利
用呢？
想一想
第
章
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能
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转
化
能
源
17
80
火的利用，由此人类开发利用能源的时代正式开
启。从“钻木取火”开始，意味着火这种自然力
被人类初步掌握，从而使人类走出了茹毛饮血的
时代。农业文明时代的秸秆、薪柴等是火力的主
要来源。
风能曾作为重要的能源很早就被人们开发利
用，主要用于船舶航行、风车灌溉等。唐代诗人
李白留有脍炙人口的著名诗句“长风破浪会有时，
直挂云帆济沧海”，可见古人已知道利用风能。
水能的开发利用也有着悠久的历史，应用于
农业、冶炼、纺织等多个领域。我国劳动人民对
水力的机械化利用远在汉代时就已经出现，如图
17-2-6 所示，汉代学者桓谭在《桓子新论》中
记载了一种用水力舂米的机械—水碓。正是由
于水力机械的广泛应用，极大地推动了当时社会
生产力的发展。
在近代，能源的开发利用迅猛发展。18 世
纪蒸汽机（图17-2-7）的发明，开启了人类将
内能大规模转化为机械能的时代，煤炭以其高热
值、分布广的优点成为全球第一大能源。随后，
人们发明了以汽油和柴油为燃料的内燃机，石油
以其更高热值、更易运输等特点，成为了新的重
要能源。19 世纪初电磁感应现象的发现，使人
类进入了大规模获取电能的时代，电能被广泛应
用于动力、照明、通信、广播等各个领域，在我
们的生产生活中起到重大的作用。20 世纪近代
物理学的成果为核能的利用奠定了理论基础，核
能技术的不断进步和转化应用，极大提高了人类
社会生产力水平。
图17-2-6 水碓
图17-2-7 早期的蒸汽机
第
节
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能
源
的
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发
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利
用
2
81
燃料电池是一种新型能量转化装置，它将燃料与氧化剂的化学能通
过电化学反应直接转化成电能。燃料电池具有很高的经济价值，目前实
际运行的各种燃料电池的转换效率一般在45% ～60%。燃料电池被誉
为继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。
20 世纪60 年代初，我国便开始燃料电池的研究，目前在燃料电池的
研发和应用方面取得了许多重要成果。2023 年3 月2 日，由我国自主研
发的国内首列氢燃料混合动力铰接轻轨车正式下线（图17-2-8），创造了
零排放、零污染中运量轨道交通列车的“国内首例”。2023 年10 月11 日，
我国首艘氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟1”号在湖北宜昌首航成功
（图17-2-9），标志着氢燃料电池技术在我国内河船舶应用上实现零的突破。
STSE
图17-2-8
氢燃料混合动力铰接轻轨车
图17-2-9
“三峡氢舟1”号
随着科学技术的高速发展，燃料电池在固定电源、交通运输和航空
航天等领域的应用将会越来越广泛。
当今社会，随着能源开发利用新技术的不
断涌现，能源的利用方式更加多样化，促使人类
以更加高效和可持续的方式不断开发利用新的
能源。
第
章
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能
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源
17
82
练一练
1. 列举家庭中使用的各种常见的能源。这些能源是自然界可以直
接获得的，还是需要加工才能获得？
2. 随着科技进步和社会发展，汽车可利用的能源种类不断多样
化。列举几种常见的汽车能源。
3. 如图17-2-10 所示，要想在此地修建一座水电站，在水电站选
址时，从能源利用的角度来看，选择A 址还是B 址？简要说明理由。
图17-2-10
主题学习：太阳能及其应用1
太阳是距离地球最近的恒星，它带给地球光和热，是地球最主要
的能量来源。太阳能以辐射的方式把能量传输到地球表面，若利用效
率达到10%，则整个地球表面上每年可利用的太阳能大约相当于当今
世界能耗总量的100 倍。
（1）太阳被称作地球上的“能源之源”，全面影响着地球的能源
和生态，列举三种人类利用太阳能的方式。
（2）古人很早就利用太阳取暖，但效果有限。今天我们可以通过
一定的技术手段提高太阳能的利用效率，比如用于水果和蔬菜种植的
塑料大棚。还有哪些方法可以提高太阳能的利用效率？
（3）太阳表面的温度很高，为什么太阳和地球之间的广袤空间却
是寒冷的？
第
节
·
能
源
的
开
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利
用
2
83
图17-3-2 电能的传输
第3节
能源与可持续发展
图17-3-1 所示为中国制造的EAST 装置（东
方超环），被称为中国的“人造太阳”，科学家们
正在进行这种可控核聚变技术的研究。之所以称
它为“人造太阳”，是因为它的反应原理和太阳
内部的反应类似。“人造太阳”是解决人类能源
危机的一条新途径吗？
● 为什么会有能源危机？
人类活动需要不同形式的能量，不同能量
的利用价值是不同的。使用能源的过程中，虽然
能量的总量并未改变，但能量的利用价值却在降
低。机械在工作的时候，部件之间必然相互摩
擦，摩擦产生的热量耗散在环境中，这部分能量
难以再被利用；发电厂生产的电能通过输电线传
输（图17-3-2），输电线会发热，部分电能转化
图17-3-1 东方超环
第
章
·
能
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和
转
化
能
源
17
84
为内能，这部分内能也不能自发地转化为电能为
人们所利用。大量事实表明，能量的利用效率不
可能达到100%。
自然界中有些能源可以源源不断地得到补
充，或能在较短周期内再生，比如风能、水能、
太阳能等，这些能源称为可再生能源（renewable
energy source）。但有些能源的形成需要漫长的时
间，越用越少，也不能在短期内从自然界得到补
充，比如煤、石油、天然气都是古代生物的残骸
通过长期的地质变迁形成的，这类能源称为不可
再生能源（non-renewable energy source）。
作为人类生存和发展的重要物质基础，煤
炭、石油、天然气等化石能源支撑了19 世纪以
来人类文明的进步和社会经济发展。然而这些能
源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使它们
正在逐渐枯竭，由此带来了与此相关的能源危机
问题。
能源是环境的一部分，节约能源本身就是
对环境的保护。日常生活中，我们可以从节约用
水、节约用电、减少使用一次性餐具等力所能及
的小事做起，节约能源保护环境。
● 为什么要发展清洁能源？
化石能源的过度使用也是造成环境变化与污
染的主要因素。如图17-3-3 所示，大量化石能
源的消耗，引起温室气体排放，使大气中温室气
体浓度增加、温室效应增强，导致全球气候变暖。
同时，化石能源消耗过程中还带来了大量的有害
气体和烟尘排放，也是造成大气污染的重要原因。
图17-3-3
化石能源造成的排放
我们可以从哪些方
面应对能源危机？
想一想
第
节
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能
源
与
可
持
续
发
展
3
85
图17-3-4 铀核裂变示意图
从世界范围看，今后相当长时期内，煤炭、
石油等化石能源仍将是能源供应的主体。我国已
经开始统筹化石能源开发利用与环境保护，加快
建设先进生产能力，淘汰落后产能，大力推动化
石能源清洁发展，实现节能减排，保护生态环
境，应对气候变化。
● 常见的清洁能源有哪些？
通过科技的创新，目前主要的清洁能源有核
能、太阳能、地热能等。
核能 核能是通过核反应使原子核发生变
化时所释放的能量，通常指重核裂变或轻核聚变
所释放的巨大能量。
20 世纪30 年代，科学家们发现用中子轰击
铀核，能使其分裂成几个中等质量的核，同时释
放巨大的能量（图17-3-4）。原子核裂变时，不
但会释放巨大的能量，还会伴随2 ～3 个中子产
生，新的中子又会使其他原子核继续裂变。如果
核裂变反应不加以控制，会瞬间爆发出巨大的能
量，无法应用于生产生活。
图17-3-5 所示为江苏连云港田湾核电站。
图17-3-5 连云港田湾核电站
第
章
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能
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17
86
核电站中具有可以控制核裂变反应的装置，使核
能有控制地释放，从而能稳定地发电。
与常规的火力发电相比，核能发电不会排放
出大量有害气体。但核电站使用的核燃料及产生
的核废料都具有放射性，放射性材料或其释放的
核辐射一旦泄漏，会严重地污染环境，所以核
电站都建有多层防护外壳，核废料也要妥善地
处理。
较轻的原子核在一定条件下能聚合成较重的
原子核，同时会释放巨大的能量。20 世纪50 年
代，世界上第一颗氢弹爆炸，其瞬间产生的巨大
能量震惊世界。科学家们希望可以控制核聚变的
过程，使能量持续稳定地输出。
当前，世界各国正在大力开展可控核聚变的研究，让核聚变产生的
能量为人类和平利用。可控核聚变之所以如此诱人，是因为核聚变的原
料—氢的同位素氘广泛地存在于海水中，
而且与核裂变方式相比，核聚变的污染几乎
为零。但是，目前人类距离实现可控核聚变
还有很长的路要走，这是因为可控核聚变需
要维持稳定的高温高压环境。
1964 年，我国“两弹一星”元勋、核物
理学家王淦昌（1907—1998）（图17-3-6）独
立地提出了用激光打靶实现核聚变的设想，
是世界激光惯性约束核聚变理论和研究的创
始人之一，使中国在这一领域的科研工作走
在当时世界各国的前列。
图17-3-6 王淦昌
科学与人文
第
节
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发
展
3
87
图17-3-7 炙热的太阳
图17-3-8 上海地铁光伏发电站
太阳能 太阳（图17-3-7）是一个巨大而
炙热的星球，它的主要成分是氢和氦。在太阳的
中心区域不断发生着核聚变，几乎每秒就有6 亿
多吨氢聚变成氦，同时源源不断地释放出巨大的
能量。这些能量向广袤的宇宙辐射，虽然仅有很
小的一部分到达地球，但却是地球上大部分能量
的来源，深刻地影响着地球的生态。
目前，人类利用太阳能的方式主要是发电。
太阳能发电的形式一般有光伏发电和光热发电两
种。光伏发电利用太阳能电池将太阳能直接转
化为电能。图17-3-8 所示的上海浦东新区地铁
龙阳路基地的屋顶铺满了光伏太阳能板，蔚为壮
观。光热发电通过光学聚焦的方式将太阳能聚集
起来，产生高温高压的蒸汽来驱动发电。
目前我国在可控核聚变领域的研究处于世界领先水平。图17-3-1
所示的“东方超环”，是我国自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁
约束核聚变实验装置。2023 年4 月，“东方超环”成功实现稳态长脉冲
高约束模式等离子运行403 s。
第
章
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17
88
地热能 地球内部的温度高达几千摄氏度，
如此高的温度必然蕴藏着巨大的能量，这种来
自地表下面的能量就是地热能。地热能除了可
直接用于发电，发电后的热排水还可实现供暖、
种植、养殖、旅游等综合利用，是清洁的零碳
能源。
储量巨大且绿色无污染的地热能，将是极富
潜力的未来能源。
我国地热资源分布广泛，西藏地区具有丰富
的地热资源（图17-3-9）。西藏羊八井地热电厂，
是世界上首座利用地热浅层热储进行工业性发电
的电厂，被誉为“世界屋脊”上的一颗明珠。
能源是社会发展的基础和动力源泉。全球能
源危机是当前人类面临的重大挑战，需要采取节
能减排、能源转型、开发新能源等一系列措施综
合应对。
加强全球合作，也是解决能源危机的关键，
全人类需要共同努力，为实现能源可持续发展贡
献智慧和力量。
图17-3-9 西藏地区丰富的地热资源
第
节
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与
可
持
续
发
展
3
89
练一练
1. 我国太阳能资源十分丰富，它属于 能源。简述开发
利用太阳能的三个优势。
2. 图17-3-10 所示为我国首座潮
光互补型光伏电站—浙江温岭潮光
互补发电站，是我国首次将太阳能和
潮汐能互补开发的创新应用。潮汐能
属于 能源；太阳能电池
板将太阳能转化为 能。
3. 有同学认为“水能清洁、安全，故修建水电站发电，有百利而
无一害”。谈谈你对此观点的看法。
主题学习：太阳能及其应用2
太阳之所以能够持续进行稳定的核聚变，是因为其核心区域的温
度高达1.5×10
7 ℃，以及极高的压强。在地球上造一颗“小太阳”是
科学家们对利用可控核聚变技术获取能量的美好憧憬。核聚变释放能
量的效率要比核裂变高许多，聚变不会产生带有放射性的核废料，并
且相比于铀的贫乏，核聚变原料在地球上的储量非常丰富。一旦掌握
可控核聚变的技术，人类在未来很长一段时间内将免于能源短缺的
苦恼。
（1）从反应原料、核能获得原理、反应物处理等方面对目前核电
站和人造“小太阳”进行比较。
（2）简述人造“小太阳”需要攻克的技术难点。
图17-3-10
第
章
·
能
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17
90
物理学与社会发展
跨学科实践
我国核科学技术的发展
我国核科学技术的发展大致可分为三个阶段。20 世纪50 年代到70 年代，
我国一大批科学家投入到核科学技术的基础研究中，为后续的发展奠定了基
础。20 世纪80 年代到90 年代，我国的核科学技术开始走向工业化应用，建
立了大量的核电站和核研究设施。21 世纪以来，我国的核科学技术进入创新
发展阶段，开展了小型核电站、可控核聚变等前沿研究。
● 跨学科实践任务
任务1：目前核电站的核能主要利用重核裂变产生的能量，核裂变是一个
连锁式反应过程，我们称之为链式反应。
用以下方式模拟“链式反应”。如图1 所示，准备一些骨牌，将骨牌排列
成一定的图形，调整好骨牌间的位置，然后轻轻推倒第一张骨牌，后面的骨牌
便会一个接一个地倒下去。
图1 模拟“链式反应”
跨
学
科
实
践
·
我
国
核
科
学
技
术
的
发
展
91
任务2：为我国“两弹一星”事业作出突出贡献的23 位科学家，被授予
“两弹一星”功勋奖章。邓稼先（图2）和于敏（图3）是其中的杰出代表，搜
集资料，制作宣传海报，简要介绍他们的主要贡献及“两弹一星”精神。
图3 于敏（1926—2019）
图2 邓稼先（1924—1986）
● 评价与反思
评价项目
评价要点（☆☆☆）
自评
互评
实践计划
能制订分工合理、任务明确、进度可行的实践计划
能在规定的时间内完成计划
实践成果
骨牌的摆放能形象地模拟链式反应过程
能准确概括邓稼先和于敏的主要贡献及“两弹一星”
精神
信息搜集
能有效搜索所需学习资源，注意数据的可靠性和时效性
能规范地标注引用数据、图片等相关信息的来源
交流合作
能利用数字设备开展交流活动
在完成各自任务的同时，能与其他成员团结协作，开
展合作
在规定时间内完成展示，表达方式合理、流畅自然
评分方法：完全符合评价要点得☆☆☆，部分符合得☆☆，少量符合得☆
第
章
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回顾与复习
本章小结
基本概念和基本规律
●能源：能够提供能量的物质资源。
●核能：通过核反应使原子核发生变化时所释放的能量，通常指重
核裂变或轻核聚变所释放的巨大能量。
●能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失；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，或者
从物体的一部分转移到其他部分；在转化或转移的过程中，能量的总
和保持不变。
●能量的转化和转移具有方向性：能量的转化和转移具有方向性，
并不是符合能量守恒定律的过程就一定能发生。
知识结构图
能量守恒定律
可再生能源
能源
能量
不可再生能源
能源的发展历程
发展清洁能源
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1. 物理知识在生产和生活中的广泛应用，促进了社会的发展和进
步。判断下列说法是否正确。
（1）钻木取火是用做功的方法来改变物体的内能。
（2）汽油机的做功冲程是将内能转化为机械能。
（3）电热器工作时将内能转化为电能。
（4）太阳能是可再生能源。
2. 分析图1 中过山车在运动过程中的能量转化情况。
3. “绿色环保，低碳出行”。目前，我国大力推广新能源汽车的使
用。如图2 所示，新能源汽车充电过程是将电能转化为 能。
行驶一段时间后轮胎会发热，这是通过 方式把
能转化为 能。
4. 研究能源利用，实现可持续发展已成为21 世纪世界各国共
同的任务。下列四组能源中，来自太阳辐射且属于可再生能源的是
（ ）。
A．煤炭、地热能、沼气
B．太阳能、风能
C．水能、木柴、天然气
D．石油、海洋能、核能
图1
图2
本章练习
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5. 太阳能作为一种新能源，具有来源丰富、不需运输、不会对
环境造成污染等优点。图3 是试验中的无人驾驶太阳能汽车，利用太
阳能电池提供能量。太阳能电池工作时，将太阳能转化为 。
汽车下坡时关闭动力，汽车仍然加速下滑，此过程中汽车机械能
。
6. 2017 年5 月，中国首次海域可燃冰试采成功。可燃冰又名天然
气水合物，其中甲烷含量占80% ～99.9%，其外观像冰但遇火即可燃
烧（图4）。
（1）可燃冰燃烧过程中将什么能转化为内能和光能？
（2）可燃冰是可再生能源吗？
7. 2022 年12 月，中国海军辽宁舰航母编队在西太平洋海域进行
远海训练（图5）。航空母舰上配备大量先进装备，舰载机可以在航空
母舰上起飞、降落，执行各种军事任务。
图3
图4
图5
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（1）航空母舰的动力主要分为常规动力和核动力。“辽宁号”采
用的是常规动力，通过蒸汽轮机将内能转化为 能。若航空
母舰采用核动力，利用的是 释放的核能。
（2）“辽宁号”航空母舰上的舰载机采用的是滑跃式起飞。为了
增加舰载机的挂弹量，可以借助电磁弹射或蒸汽弹射。电磁弹射器的
弹射车与舰载机前轮连接，并处于强磁场中，当弹射车中的导体有强
电流通过时，就可以受到强大的推力，试从能量转换的角度分析弹射
车工作原理。
（3）若“辽宁号”匀速直线航行时，蒸汽轮机的功率为2.1×10
4 kW，
蒸汽轮机的效率为35%，则“辽宁号”航行30 min，需要消耗燃油多
少千克？（q 燃油=5.4×10
7 J/kg）
主题学习：太阳能及其应用3
如图6 所示，某校园的路灯使用了风光
互补路灯系统，它可以利用太阳能电池和风
力发电机独立或同时发电，将电能储存在蓄
电池内供LED 路灯晚上照明时使用。该型号
风光互补路灯系统的技术参数见表1。其中光
电转换率是指太阳能电池板将光能转化为电
能的效率；蓄电池的容量指蓄电池放电电流与
放电总时间的乘积；最大输出功率指风速达到
最大限制风速时风力发电机的输出功率。
图6
表1
风力发电机
太阳能电池板
蓄电池
LED 灯
最大限制
风速
12 m/s
电池板
面积
0.5 m
2
蓄电池
容量
90 Ah
额定电压
12 V
最大输出
功率
400 W
光电转换
效率
20%
额定电压
12 V
额定功率
60 W
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（1）风光互补路灯系统中风力发电机的输出
功率与风速关系如图7 所示。下列说法正确的是
（ ）。
A. 只要有风，机组就能产生电能
B. 风速越大，机组产生的电功率一定越大
C. 当夜晚气温为0 ℃时，风力发电机和太阳能电池板均没有内能
D. 风力发电机启动后，将风的动能转化为电能，再转化为化学能
存储在蓄电池里
（2）该LED 路灯正常发光时的电流为 A。为使蓄电池的
使用寿命更长，应使其电能尽可能保持在20% 以上，因此蓄电池释
放的电能最多为 J，可以使LED 路灯持续工作 h。
（3）某校园装有20 套该类型的风光互补路灯系统。若每天正常
工作10 h，一年需开灯300 天。如果用烧煤发出的电对这些路灯供电
［已知煤电转换关系为β = 0.4 kg/（kW·h）］，则相当于每年能节约多
少千克煤？
图7
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本教材根据教育部颁布的《义务教育物理课程标准（2022 年版）》编写。
本教材的编写借鉴了上海市“二期课改”教材的经验和研究成果。孙昌璞
院士为本教材撰写了序言。在编写的各个阶段，蒋平教授、冀敏教授、陈树德
教授审阅了书稿。编写过程中，上海市课程教育教学研究基地（中小学课程方
案基地）、上海市心理教育教学研究基地、上海基础教育教材建设重点研究基
地和上海市物理教育教学研究基地等上海高校“立德树人”人文社会科学重点
研究基地给予了大力支持。在此一并致谢！
本教材出版之前，我们就教材中使用的照片、图片等选用作品，通过多种
途径与作者进行了联系，得到了他们的大力支持，在此表示衷心的感谢！对于
未联系到的作者，我们也希望作者能及时联系出版社，以便支付相应的稿酬。
欢迎广大师生来电来函指出教材中的差错和不足，提出宝贵意见。
联系方式：
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后
记
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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。
