文档文本内容
物理
九年级下册
义
务
教
育
教
科
书
主编 刘炳昇
义
务
教
育
教
科
书
义务教育教科书
物理 九年级下册
主 编 刘炳昇
策 划 陈卫春
责 任 编 辑 陆 洋 杨 光
责任设计编辑 赵 清
助理设计编辑 蒋佳佳
责 任 校 对 罗章莉
出 版 江苏凤凰科学技术出版社
出版社地址 南京市湖南路1号A楼，邮编：210009
编 读 信 箱 skwljc@126.com
重 印 江苏凤凰出版传媒股份有限公司
发 行 江苏凤凰出版传媒股份有限公司
照 排 江苏凤凰制版有限公司
印 刷 江苏凤凰新华印务集团有限公司
开 本 787 mm × 1 092 mm 1/16
印 张 7.5
版 次 2004年11月第1版 2025年12月第4版
印 次 2025年12月第22次印刷
标 准 书 号 ISBN 978-7-5713-5810-5
定 价 7.52元
审 批 号 苏费核（2025年）0691号 举报电话：12315
如发现印、装质量问题，请与凤凰传媒联系。电话：400-828-1132
致 同 学
同学们，欢迎步入新学期的物理课程。
通过一年半的学习，我们体验了探究的乐趣，学习了一些观察、实
验、思考的方法，能够从物理学的视角初步认识自然和解决简单的实际问
题；初步了解了物理学在生产、生活中的应用，初步认识到物理学对推动
科技进步和社会发展作出的巨大贡献。九年级下册教科书将带领我们学习
电能、电能与其他形式能量的相互转化、电与磁的联系和基本规律，以及
能源利用与可持续发展等。这部分内容涉及更深层次的物质运动和相互作
用，以及伴随运动形式变化的能量转化规律，将使我们更深入地认识各种
物理现象；这部分内容与现代生活的联系更为密切，将使我们进一步认识
科学、技术、社会、环境之间的关系。
为便于同学们学习，本书设计了以下栏目：
创设真实问题情境，指导利用简易的器材和随手可得的物
品进行观察、实验等，经历知识的发现过程。
活动
为学习活动提供及时、必要的帮助。
信息快递
结合具体实例，感受物理与生活、社会和科技发展的联系，
了解物理学在生产、生活中的应用。
生活 物理 社会
介绍我国的重大科技工程，激发爱国热情，弘扬科学家
精神。
国家工程
对研究问题的方法、技巧进行点拨和说明。
方法技巧
必须动手做的实验。通过观察和测量培养探究技能，或通
过实验探究培养发现问题、解决问题的能力，形成严谨认
真、实事求是的科学态度。
学生实验
将所学内容应用于实践，从而巩固知识、深化理解。
实践与练习
引导梳理所学内容、反思认知过程、解决真实问题，提升
核心素养。
素养进阶
从物理学的视角观察和解释现象，回顾物理学发展历史。
读一读
目 录
第十五章 电功和电热 1
第十六章 电和磁 29
一、磁体与磁场
30
二、电流的磁场
36
三、磁场对电流的作用 电动机 42
四、电磁感应 发电机
49
跨学科实践
59
一、电 功
2
二、电 功 率
6
三、电流的热效应 焦耳定律
12
四、家庭电路与安全用电
17
跨学科实践
24
附 录 111
第十八章 能源与可持续发展 85
一、能源利用与社会发展
86
二、核能 太阳能
90
三、能量转化的基本规律
98
四、能源与可持续发展
103
跨学科实践
107
第十七章 电磁波与现代通信 63
一、信息与信息传播
64
二、电磁波及其传播
69
三、现代通信
77
电饭锅、电冰箱、洗衣机、空调……
各种用电器给人们的生活带来了便捷与舒适。
尽管它们结构不同、功能各异，
但工作时都要消耗电能，并且都会发热。
…………
用电器消耗的电能与哪些因素有关？
它们产生的热量又与哪些因素有关？
电 功
电 功 率
电流的热效应 焦耳定律
家庭电路与安全用电
跨学科实践
电
功
和
电
热
第
十
五
章
探寻用电耗能的奥秘
一、电 功
知道你家一个月
要交多少电费吗？
当然知道。可是你
知道供电部门是根据什
么来计算电费的吗？
电能表
用来测量电路消耗电能（electric energy）多少的仪表叫作电能表。
图15-1 所示是家庭电路使用的一种电能表，它的示数由整数和两位小
数组成，单位是千瓦时（kW·h）。供电部门按一定周期记录电能表示数，
并根据前后两次记录的数据计算电费。
图15-1 电能表
某型号电能表的主要参数
额定电压：220 V
电流规格：5（60）A
频率：50 Hz
电能表常数：1 200 imp /（kW·h）
“电流规格”中，“5 A”表示基本电
流，它是确定电能表有关特性的电流值；
“60 A”是电能表能满足测量准确要求，
且能长期正常运行的最大电流值。
“电能表常数”为“1 200 imp / （kW·h）”，
表示每消耗1 kW·h 电能，电能表脉冲指示
灯闪烁1 200 次。
2
一、电 功
3
电 功
家里的电灯、电扇、吸尘器等工作一段时间后，电能表的示数会发生
变化，这说明用电器消耗了电能，即电能转化成了其他形式的能。我们知
道，做功的过程总伴随着能量转化，电流做了多少功，电路中就消耗了多
少电能。电流所做的功叫作电功。
研究表明，电功大小与用电器两端的电压、通过的电流和通电时间有
关。若用电器两端的电压为U，通过用电器的电流为I，通电时间为t，则
电流所做的功
W = UIt
在国际单位制中，电功与电能的单位相同，都是焦耳，简称焦，符号
为J。当某用电器两端的电压为1 V，通过的电流为1 A 时，电流在1 s 内做
的功为1 J，即
1 J = 1 V·A·s
电功的常用单位还有千瓦时，符号为kW·h。千瓦时与焦耳的换算关系是
1 kW·h = 3.6×10
6 J
图15-2 大致表示了1 kW·h 电能可以做什么。
图15-2 1 kW·h 电能可以完成的工作
空调工作约40 min
电水壶烧开约10 L 水
LED（发光二极管）灯工作
约100 h
1 kW·h
电能
笔记本计算机工作约30 h
第十五章 电功和电热
4
实践与练习
例题 将一个电暖器单独接在家庭电路中，它连续正常工作2 h 后，电
能表的示数由4 321.82 kW·h 变为4 323.42 kW·h。已知该电暖器的额定
电压为220 V，求通过电暖器的电流。
分析 根据电能表示数的变化，可计算出2 h 内电暖器消耗的电能，再
利用电功的公式就可以求出通过电暖器的电流。
解答 电暖器消耗的电能
W = 4 323.42 kW·h - 4 321.82 kW·h
= 1.6 kW·h
由电功的公式W = UIt 可得，通过电暖器的电流
≈ 3.64 A
反思 计算电流时，为什么要把电能的单位换算成焦耳，把时间的单
位换算成秒？
1. 小明家的电能表，2 月底时示数为2 138.20 kW·h，3 月底时示
数为2 198.70 kW·h。若按0.52 元/（kW·h）计算，则小明家3 月份
应交电费多少元？他家3 月份消耗的电能是多少焦？
2. 小明为了解某额定电压为220 V 的用电器的耗电情况，将该用电
器单独接在家庭电路中，发现5 min 内电能表脉冲指示灯闪烁了44 次。
已知电能表常数为1 200 imp /（kW·h），则这段时间内用电器消耗了
多少电能？用电器的工作电流是多少安？
一、电 功
3. 将额定电压为220 V 的电暖器接入家庭电路。先将电暖器的调温
旋钮调到高温挡，此时通过电暖器的电流为7.27 A，正常工作15 min，
电流做了多少功？再将调温旋钮调到低温挡，此时通过电暖器的电流为
2.73 A，正常工作15 min，电流做了多少功？该电暖器在这30 min 内
一共消耗了多少电能？
4. 闪电是常见的大气放电现象。某次闪电的电压约为1 × 10
8 V，电
流约为2 × 10
5 A，持续时间约为0.1 s，则此次闪电大约释放了多少电能？
一次闪电竟然释放出如此巨大的能量，这让小明十分震惊。他想，如果
能将这些能量收集起来供人们使用该多好啊！请你思考并与同学讨论：
要实现小明的愿望，需要解决哪些问题？
闪电危险！千万不要
擅自进行实验！
二、电 功 率
相同时间内，不
同用电器消耗的电能
不相等，是不是说明
电流做功有快慢？
是的。我们可以用电功率来
描述电流做功的快慢，就像我们
用功率描述力做功快慢一样。
电功率
电功率（electric power）是描述电流做功快慢的物理量。根据功率的公
式
和电功的公式W = UIt，可得电功率
P = UI
在国际单位制中，电功率的单位是瓦特，简称瓦，符号为W。当用电器两
端的电压为1 V，通过用电器的电流为1 A 时，该用电器的电功率为1 W，即
1 W = 1 V·A
电功率的常用单位还有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它们与瓦（W）
的换算关系为
1 kW = 1 000 W
1 W = 1 000 mW
用W = Pt 计算电功时，若电功率的单位是千瓦（kW），时间的单位是
小时（h），则电功的单位就是千瓦时（kW·h）。
例题 某同学做实验时，测得一个灯泡两端的电压是2.5 V，通过灯泡
的电流是0.2 A。试求灯泡的电阻和电功率。
6
二、电 功 率
7
分析 已知电压和电流，根据欧姆定律可以求出灯泡的电阻，根据电
功率公式可以求出灯泡的电功率。
解答 （1）由
可得，灯泡的电阻
2.5 V
0.2 A
=
=12.5 Ω
（2）由电功率公式可得，灯泡的电功率
P = UI
= 2.5 V×0.2 A
= 0.5 W
反思 如果增加一个条件，还可以求出灯泡消耗的电能。这个条件是
什么？
额定功率和实际功率
用电器一般都有规定的额定电压，在额定电压下工作时的电功率叫作
额定功率（rated power）。如图15-3 所示，储水式电热水器的铭牌上标有
一些技术参数，其中包括额定电压和额定功率。
图15-3 储水式电热水器及其铭牌
（a）
（b）
不同种类用电器的额定功率一般不同。即使是同一类用电器，由于规
格、型号不同，它们的额定功率一般也不相同。
因为电路的实际电压不一定恰好等于用电器的额定电压，所以用电器
实际工作时的电功率也不一定等于额定功率。用电器实际工作时的电功率
叫作实际功率。
储水式电热水器
产品型号
工作条件密闭式
防水等级IPX4
额定压力0.8 MPa
额定电压 220 V~
额定频率 50 Hz
额定容量80 L
额定功率 3 000 W
外形尺寸（mm）φ463 × 862 质 量28 kg
产 地
产品编码
制造编号
第十五章 电功和电热
8
图15-4 一些常见家用电器的额定功率值
2. 调节滑动变阻器，使其接入电路中的阻值最大。
图15-4 所示是一些常见家用电器的额定功率值。
1. 根据图15-5（a）所示的电路图，用笔画线表示导线，将图15-5（b）
中的实验器材连接起来。
测量灯泡的电功率
S
A
V
图15-5 测量灯泡的电功率
洗衣干衣机：约1 800 W
电饭锅：约1 300 W
电水壶：约1 500 W
电视机：约100 W
微波炉：约1 000 W
电扇：约50 W
（a）
（b）
活动15.1
+
-
二、电 功 率
9
灯泡的额定
电压U 额 / V
电压表示数
U / V
电流表示数
I / A
灯泡亮度
灯泡的电功率
P / W
2.5 V
实验表明，灯泡的实际功率会随实际电压的变化而变化。当实际电压
小于额定电压时，实际功率小于额定功率，灯泡比正常发光时暗；当实际
电压大于额定电压时，实际功率大于额定功率，灯泡比正常发光时亮。
任何用电器都应在额定电压下工作。实际电压偏低或偏高，都会影响
用电器的工作性能，甚至会损坏用电器。
例题 LED 灯具有节能、环保等特点。图
15-6 所示的是额定电压为220 V、额定功率为
9 W 的LED 灯。该LED 灯的额定电流是多大？
与白炽灯相比，在达到相同亮度的条件下，假设
LED 灯可以节约85% 的电能，这个LED 灯与额
定功率为多大的白炽灯亮度相当？
分析 根据额定功率和额定电压可求出额定电流；LED 灯可以节约85%
的电能，说明在达到相同亮度的条件下，它的额定功率只相当于白炽灯的15%。
解答 由P 额 = U 额I 额可知，LED 灯的额定电流
I 额 =
与其亮度相当的白炽灯的额定功率
P'额=
图15-6 LED 灯
3. 闭合开关，调节滑动变阻器，先后使电压表的示数小于、等于和略
大于灯泡的额定电压，观察灯泡的亮度（以灯泡在额定电压下正常发光的
亮度为参照），读出电压表、电流表的示数并填入下表。最后，分别计算
出灯泡的电功率。
第十五章 电功和电热
10
生活 物理 社会
19 世纪后期，爱迪生（图15-7）等
发明了白炽灯，开启了电灯照亮世界的
历史新纪元。这种电灯是由于灯丝发热到白
炽状态而发光的，因此通常称为白炽灯。
白炽灯研制的关键是寻找耐热灯丝材
料。为此，爱迪生先后试验了数千种材料，
不断改进，终于制成了具有广泛实用价值
的碳丝电灯。20 世纪初，灯丝普遍采用钨
丝并沿用至21 世纪早期，如图15-8（a）
所示。
白炽灯工作时，大部分电能转化为内
能，发光效率较低。为此，人们在努力提高白炽灯发光效率的同
时，也在不断探索新型电光源。21 世纪以来，LED 光源的理论研
究与技术创新突飞猛进，LED 光源已从早期的单色、小功率光源，
发展成包括白光在内的多色、大功率照明光源，如图15-8（b）所
示。LED 光源能将大部分电能转化为光能，发光效率高，具有节
能、环保等显著优点，因而很快得到普及。
图15-7 爱迪生（Thomas Alva
Edison，1847—1931），美国
发明家
电灯的发明与发展
图15-8 白炽灯和LED 灯
钨丝
LED 灯珠
（a）
（b）
二、电 功 率
11
实践与练习
1. 本章第一节中指出，1 kW·h = 3.6×10
6 J。请用本节所学的知识
推算出这个结果。
2. 图15-9 所示是某电扇的铭牌。该
电扇正常工作时电流是多大？连续工作
4 h 消耗多少电能？
3. 某电水壶的铭牌上标有“220 V 1 800 W”字样。将它接在家庭电
路中烧水，它正常工作时电流是多少安？它的电阻是多少欧？5 min 内
电流做功多少焦？合多少千瓦时？
4. 图15-10 所示是测量灯泡电功率的电路。
（1）闭合开关后，发现灯泡不亮，电压表指针偏转明显，电流表
指针几乎不偏转。试分析可能出现的故障及原因。
（2）闭合开关后，发现灯泡不亮，电压表和电流表指针都不偏转，
怎样用一根导线判断电路上可能发生的故障？
图15-10
-
+
图15-9
品 名 400 mm 落地扇
型 号 × × × × × ×
额定电压 220 V~
额定频率 50 Hz
额定功率 55 W
三、电流的热效应 焦耳定律
电流的热效应
焦耳定律
导体中有电流通过时会发热，电能转化为内能，这种现象称为电流的
热效应。生活中，有许多用电器就是利用电流的热效应工作的，如电饭锅、
电烙铁、电熨斗和电热油汀等，如图15-11 所示。利用电流热效应工作的
用电器称为电热器。
猜一猜：通电导体产生热量的多少可能与哪些因素有关？
电烙铁
电熨斗
图15-11 电热器
电流热效应有时也会产生不利影响，甚至造成危害。例如，手机、计
算机、电视机等用电器，工作时由于电流热效应而发热，不仅浪费电能，
还可能会因温度过高而损坏，甚至会引发安全事故。
电热器只有在通电时
才发热，它们产生的热量
应该与电流有关。
电饭锅是通过导线接入电路
的。通电时，内部发热体温度很
高，而导线却几乎不发热。它们产
生的热量可能与电阻有关。
电热油汀
电饭锅
12
三、电流的热效应 焦耳定律
13
你赞成小明和小华的猜想吗？是否还有其他影响因素？怎样进行探究？
探究影响电流热效应的因素
装置与原理
如图15-12 所示，将一段电阻丝浸没在一定质量
的液体（如煤油）中，通电时电阻丝产生的热量被液
体吸收，液体的温度就会升高。因此我们可以通过液
体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少。
想一想
1. 探究电阻丝中的电流大小对产生热量多少的
影响时，需要控制哪些物理量不变？如何进行控制？
2. 探究电阻丝的电阻大小对产生热量多少的影响
时，需要控制哪些物理量不变？如何进行控制？
做一做
1. 参照图15-12，在三个相同的容器中
分别安装一段电阻丝R1、R2、R3，阻值分别
为6 Ω、6 Ω、3 Ω。
2. 按图15-13 所示的电路图连接电路，
采用学生电源为电路供电。记录各容器中
液体的初温。
3. 闭合开关S、S1，调节滑动变阻器
R0，使电流表的示数为1.5 A，分别记录
2 min、4 min 时电阻丝R1 所在容器中液体的温度。断开开关，分别计算
出液体升高的温度。
4. 闭合开关S、S2，调节滑动变阻器R0，使电流表的示数为1 A，分别
记录4 min 时电阻丝R2、R3 所在容器中液体的温度。断开开关，分别计算
出液体升高的温度。
活动15.2
R2
R3
R1
R0
S
S1
S2
图15-13 实验电路
电阻丝
图15-12 实验装置
温度计
第十五章 电功和电热
14
议一议
1. 在步骤3 中，通过电阻丝R1 的电流一定，两次通电时间不同，液体
升高的温度不同。由此你能得出什么结论？
2. 在步骤3 和步骤4 中，阻值相同的电阻丝R1、R2 通电时间（4 min）相
同，通过的电流不同，液体升高的温度不同。由此你能得出什么结论？
3. 在步骤4 中，阻值不同的电阻丝R2、R3 通电时间相同，通过的电流
相同，液体升高的温度不同。由此你能得出什么结论？
实验表明，电流越大，电阻越大，通电时间越长，电流通过导体产
生的热量越多。
1840 年，焦耳通过大量实验研究发现：电流通过导体产生的热量与电
流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。这个规律叫
作焦耳定律（Joule’s law），用公式表示为
Q = I
2Rt
上式中，电流I 的单位是安（A），电阻R 的单位是欧（Ω），时间t
的单位是秒（s），热量Q 的单位是焦（J）。
电热器工作时，电能几乎全部转化为内能，可以认为电热器产生的热
量等于电流做的功，因而也可以用Q = W = UIt 计算它产生的热量。而其他
用电器工作时，只有一部分电能转化为内能，产生的热量小于电流做的功。
例如，电动机工作时大部分电能转化为机械能，此时只能根据焦耳定律计
算电动机中电阻产生的热量。
例题 某电热器接入220 V 的电路中正常工作时，其发热体的电阻为
55 Ω。求该电热器在20 min 内产生的热量。
分析 根据已知条件，可以先由欧姆定律计算出通过发热体的电流，
再由焦耳定律计算出电热器在20 min 内产生的热量。
解答 通过发热体的电流
= 4 A
三、电流的热效应 焦耳定律
15
生活 物理 社会
芯片体积小、内部元件密集，电流产生的热量不易散发。如
果不采取有效的散热措施，芯片会因温度过高而影响工作性能甚
至损坏。
计算机的中央处理器（CPU）芯片、显卡的图形处理器
（GPU）芯片，通常都装有散热器。散热器一般由电扇和散热片组
成，如图15-14 所示。CPU 和GPU 芯片通过导热性能良好的铜片
与散热片接触，它们工作时产生的热量能迅速传导到散热片上。散
热片与空气的接触面积较大，加之电扇对其吹风，促进空气流通，
从而达到散热的目的，将芯片的工作温度控制在允许范围内。
芯片的散热
图15-14 芯片的散热器
（a）CPU 芯片的散热器
（b）GPU 芯片的散热器
散热片
电扇
该电热器在20 min 内产生的热量
Q = I2Rt
=（4 A）
2 × 55 Ω × 20 × 60 s
= 1.056 × 10
6 J
反思 本题可以按照Q = W = UIt 的思路求解吗？
散热片
电扇
第十五章 电功和电热
16
2. 某家用电暖器的规格为“220 V 1 100 W”。该电暖器正常工作
时，其内部发热体的电阻是多大？在额定电压下工作10 min，产生的
热量是多少焦？
3. 某电饭锅有两挡，“1”挡用于高温烧煮，“2”挡用于焖饭、保
温。图15-15 所示是对该电饭锅进行测试的电路，其中R0 和R 是电饭
锅内部的发热体。当开关S 先后置
于“1”挡和“2”挡时，电流表的
示数分别为5 A 和0.1 A。
（1）求R0 和R 的阻值。
（2）当开关S 置于“1”挡和
“2”挡时，电饭锅的电功率分别是
多大？
图15-15
R0
R
S
2
1
220 V
实践与练习
1. 电热器工作时，其内部发热体的温度很高，而将它与电源相连的
导线却不怎么热。这是为什么？
随着新材料和新技术的应用，超薄计算机、手机等小型电子设
备芯片的散热措施有了更多的选择。例如，采用石墨散热片，不仅
散热效果好而且能有效防止芯片局部过热；或者将导热凝胶覆盖在
芯片表面，使芯片与散热部件充分接触，从而提高散热效率；此
外，还有一种真空腔均热板装置，它类似于一个微型“空调”，通
过内部工作物质汽化、液化的不断循环进行散热。
四、家庭电路与安全用电
家庭电路的组成
家庭电路主要包括进户线（来自电网的电源线）、电能表、配电箱（内有
总开关和支路开关）、插座、用电器等，图15-16 是其结构示意图。
图15-16 家庭电路结构示意
家庭电路使用交流电源，火线（L）和零线（N）之间的电压是220 V。
为保障用电安全，家庭电路还设有地线（E），它与大地相连。
家庭电路中各个用电器都是一端接在火线上，另一端接在零线上，即这
些用电器是并联的，如图15-17 所示。这样，当一个支路发生断路时，其
他支路仍能工作。例如，台灯开关断开并不影响电视机等其他用电器正常
工作。
图15-17 家庭电路中各用电器并联
火线
零线
接地
~
插座
进户线
总开关
配电箱
热水器空调
插座
插座
插座
开关
L 火线
N 零线
E 地线
L
N
E
电能表
L
N
L1
L2
17
第十五章 电功和电热
18
安全用电常识
安全用电包括人身安全和电路安全两个方面。
我们知道，人体是导体，只要有电压加在人体上，就会有电流通过。
通常所说的“触电”是指一定强度的电流通过人体引起的伤害事故。人体
触电可能是单线触电，也可能是双线触电，如图15-18 所示。单线触电时，
人体接触火线或漏电的用电器，火线或漏电的用电器通过人体与大地构成
通路。双线触电时，人体的两个部位（如两只手）分别接触火线和零线，
火线通过人体与零线相连，构成通路。
在家庭电路中，除了用电器、电能表、电线和开关，还有与安全用电
相关的装置和设施。
人触电时，通过人体的电流与电压和人体的电阻有关。一般来说，人
体的电阻较大，但在皮肤潮湿时人体电阻会大幅度减小。研究表明，对人
体来说，安全电压一般不高于36 V。
为了安全，用电器的开关必须安装在火线上。这样，开关断开后用电
器与火线分离，人碰到用电器时就不会发生危险。
正常情况下，用电器的金属外壳与内部电路之间是绝缘的，人体接触
外壳时没有危险。但是，如果用电器内部导线的绝缘皮破损或绝缘性能变
差，导致火线与用电器金属外壳接通，人体接触外壳时就会发生触电事故。
为此，家庭电路通常采取两种保护措施：一是使用三线插头和三孔插座，
通过地线将用电器的金属外壳与大地连通，漏电时电流会随即流入大地，
如图15-19（a）所示；二是安装漏电保护断路器，如图15-19（b）所示，
当电路出现漏电时，它会自动切断电路。
信息快递
漏电是指由绝缘部
分损坏或其他原因引起
的电流泄漏。
图15-18 触电的两种形式
（b）双线触电
（a）单线触电
四、家庭电路与安全用电
19
测电笔是一种常用的电工工具，可用来检测火线和零线。图15-22 所
示为氖管测电笔，它通常由两个金属电极（笔尖、笔尾）、弹簧、氖管、
高电阻（即阻值很大的电阻）、绝缘柄、绝缘外壳等组成。
（b）漏电保护断路器
火线
零线
接地
（a）用电器的金属外壳接地
图15-19 家庭电路保护措施
图15-20 所示的五孔
插座由一个两孔插座和一个
三孔插座组合而成，它们分
别按“左零右火”和“左零
右火中接地”的规则接入电
路。图15-21 所示的三线
插头应接入三孔插座。它的
接地插片较长，插入插座时首先与地线相连，有利于用电安全。
图15-21 三线插头
图15-20 五孔插座
地线
火线
零线
读一读
测电笔
图15-22 氖管测电笔
金属电极（笔尖）
绝缘外壳
金属电极（笔尾）
高电阻
弹簧
氖管
绝缘柄
第十五章 电功和电热
20
电路及设备的安全也很重要。影响电路安全的原因一般有两个：一是
电路发生短路，如连接电路时误将火线和零线直接连通，或电线和用电器
的绝缘皮破损，导致火线和零线直接连通等；二是电路中使用的用电器功
率过大，这种情况称为“过载”。短路和过载都会使电路中的电流过大。
由电流的热效应可知，电流过大时，导线的温度急剧升高，会导致线路损
坏甚至酿成火灾。除上述情况之外，若线路连接处接触不良，则该处电阻
会变大，从而造成局部过热，也可能引起火灾。
演示电路过载的现象
实验器材
电路过载演示装置（在绝缘支架上水平固定一根长约25 cm、直径约
0.2 mm 的细铜丝，将易燃的纸条对折挂在细铜丝上），直流稳压电源，电流
活动15.3
如图15-23 所示，使用氖管测电笔时，须手持绝缘柄，并用一根手指
接触笔尾的电极（切不可用手直接接触笔尖的电极，否则有触电危险）。
当笔尖电极接触火线时，火线与测电笔、人体、大地构成通路，氖管因有
微弱电流通过而发光；当笔尖电极接触零线或地线时，氖管不发光。
图15-24 电子测电笔
直接检测键
感应断点测试键
显示屏
感应探头（笔尖）
现在较多使用电子测电笔，图15-24
所示是其中一种。它具有接触检测和非接
触（感应）检测两种方式，不但能检测火
线、零线，还具有显示电压、检测电路断
点等多种功能。
（a）正确的使用方法
（b）错误的使用方法
图15-23 氖管测电笔的使用
四、家庭电路与安全用电
21
表（量程为0 ~ 10 A），白炽灯（6 V 10 W）三个，开关三个，带鳄鱼夹的
导线若干。
实验演示
1. 按图15-25 所示的电路图连接
电路。
2. 闭合开关S，灯L1 发光；再闭
合开关S1，灯L2 发光；最后闭合开关
S2，你看到什么现象？
由实验可知，电路中同时工作的用电器越多，电功率越大，干路电流就
越大，当干路电流增大到一定程度时，细铜丝上的易燃纸条就会被点燃，如
图15-26 所示。可以想象，如果家庭电路发生过载，其后果将会十分严重。
实验时须注意安全！
图15-26 演示电路过载现象
图15-25 电路过载演示实验电路
L1
电路过载演示装置
L2
L3
S1
S2
S
A
实验还启示我们，在电路中安装一个熔
点较低的熔丝熔断器，当电路过载或短路时，
熔断器中的熔丝就会熔断，从而切断电路，
可以保护电路安全。家庭电路早期曾经使用
过这种熔断器，现在普遍使用的是空气断路
器，如图15-27 所示。
图15-27 空气断路器
第十五章 电功和电热
22
生活 物理 社会
图15-28（a）所示是空气断路器的结构。从结构示意图来看，
此时扳手位于下方，开关触头和开关触片分离，处于断路状态。
空气断路器
正常情况下，扳手位于上方，开关触头和开关触片接触良好，
处于通路状态，如图15-28（b）所示。当电路发生短路时，通过
线圈的电流极大，线圈产生的磁力会使顶针向下推动杠杆，在弹簧
的配合下，可在3 ms 内将开关触头和开关触片迅速分离，从而切
断电路，使电路得到保护。
不过，线圈只有在电流极大（短路）时，才会产生较大的力向下
推动中央杠杆。而电路过载时，虽然电流也很大，但线圈产生的磁力
却不足以推动中央杠杆。这时，开关下方的双金属片将发挥作用。
双金属片是由两种不同的金属片叠合制成的，电流通过时发
热，由于不同金属片受热膨胀的程度不同，因而双金属片会发生弯
曲。图15-28（b）中，双金属片的上层是铜片、下层是铁片，当
电路过载时，双金属片会向下（铁片方向）弯曲，带动C 形杠杆
向下，同时拉动中央杠杆，使开关触头和开关触片断开连接，扳手
落到下方，电路断开。
图15-28 空气断路器的结构
双金属片
中央杠杆
扳手
电流
电流
线圈
开关触头
开关触片
C 形杠杆
C 形杠杆
中央杠杆
扳手
线圈
与电路连接
灭弧栅
开关触头
开关触片
双金属片
与电路连接
（a）结构示意图
（b）局部放大图
顶针
四、家庭电路与安全用电
23
实践与练习
我们要了解安全用电常识，养成安全用电习惯，防患于未然。例如，
发现用电器电源线的绝缘皮老化、破损，应立即停用并请专业人员更换；
清洁用电器时必须严格按说明书操作，不得用湿布擦拭开关、插座等；严
禁在电线上晾晒衣物；用电器或电线着火时，应先切断电源再灭火；发现
有人触电，应立即切断电源，无法切断电源时，可用干燥木棍等绝缘体挑
开触电者身上的电线。
1. 如图15-29 所示，三线插头的接地插片比
较长，这是为什么？试一试，怎样才能将插头顺
利插入插座。
2. 图15-30 所示是多插位接线板，其背面
标注的“220 V 10 A”表示什么含义？如果该
接线板上已插接了“220 V 1 800 W”的电水
壶烧水，能否再插接“220 V 1 200 W”的高
压锅煮饭？为什么？
3. 查阅资料，了解漏电保护断路器上测试按钮的用途。与家长一起
观察家庭配电箱，指出漏电保护断路器上的测试按钮。如果家长不了解
测试按钮的功能和操作要求，请你给他们讲解。
发生跳闸时，开关的接触点会产生强大电弧，如果不快速熄灭，
将会烧坏整个装置。这时，开关上方的灭弧栅就会发挥作用，将大
电弧切割成若干小电弧，这些小电弧在空气中会快速熄灭。正是由
于此类断路器采用了空气灭弧的方法，因此被称为空气断路器。
空气断路器的优点之一是，在排除短路或过载后，只要将扳手
推到上方就能恢复正常，操作十分简单。
图15-30
图15-29
现代社会离不开电。随着社会的不断发展，用电需求也在不断增
长。为满足发电需要，人们大量开采和利用煤、石油、天然气等自然资
源，严重影响了生态环境。因此，节约用电就是节约自然资源、保护环
境，我们每个人、每个家庭，都应当自觉履行节约用电的社会责任。
任务与要求
1. 了解实行“峰谷电价”和“阶
梯电价”的意义。
从图15-31 所示的家庭用电信息
单中，你能获得哪些信息？查阅资料
或走访发电厂、供电部门，了解国家
实行“峰谷电价”和“阶梯电价”的
目的和意义。
2. 调查和分析家中用电器的使
用情况。
列出家中使用的用电器的名称、
额定功率、每天使用的时间，计算出
它们在一个月中的总耗电量。结合你
家的用电信息单，总结你家用电的主
要特点，并在节约用电方面提出合理
化建议。
3. 尝试做几个对比实验。
（1）比较额定功率相同的LED
灯、白炽灯的亮度及耗电情况。可
以采用照度计（或照度传感器）、
电能表或图15-32 所示的功率计量
插座进行测量。
跨学科实践
对家庭用电的调查研究
图15-32 功率计量插座
功能名称
计量单位
计数数值
功能按键
图15-31 家庭用电信息单
24
跨学科实践
25
（2）将空调温度分别设置为26 ℃和20 ℃，比较这两种温度设定
下空调的耗电情况。
（3）测量电视机机顶盒、计算机的待机功率。
4. 写出家庭节约用电研究报告。
根据家庭用电情况，从家用电器选择、日常用电行为等方面提出改
进建议。
交流与评价
1. 通过小组讨论、小型报告会等多种形式，与同学交流家庭节
约用电研究成果。
2. 从调查过程与结果、实验过程与结果、节电措施与建议的可行
性、社会宣传等方面进行综合评价。
第十五章 电功和电热
26
内容梳理
素养进阶
反思提升
1. 阅读图15-33，体会电功、电能之间的关系。
电
功
和
电
热
公式
做功快慢
电流做功
消耗电能
电流热效应
应用
公式
电能→内能
安全用电
漏电保护
过载保护
电热
电功
家庭
电路
W = UIt
P = UI
电功率
电能表
电流、电阻、通电时间
接地、漏电
保护断路器
空气断路器
安全用电
常识
影响因素
规律焦耳定律
电热器
Q = I
2Rt
电路组成
进户线、电能表、配电箱、插座、用电器等
用电器工作
它们之间有什么关系？
电功：W = UIt
电能转化的多少
电压、电流、通电时间
图15-33
从能量看
从工作状态看
测量
公式
素养进阶
27
2. 如图15-35 所示，某电源插座的插孔周围出
现焦黄色。这是什么原因造成的？这种问题可能会
引发什么事故？
1. 某款手机锂电池的部分参数如图
15-34 所示，求该电池充满电时储存的
电能。（提示：额定容量在数值上等于
电池在额定电压下的工作电流和工作时
间的乘积）
2. 电灯工作时将电能转化为光能和内能，消耗的电能即为电流做
的功。为什么电灯的亮暗取决于它的电功率，而不是电功？
3. 电流具有热效应，请举例说明电流热效应的利弊。高温超导材
料是当前科学研究的热点之一，试说明它的应用价值。
4. 在电力供应日益充足的情况下，为什么还要提倡节约用电？请
发表你的观点。
问题解决
额定容量：3 320 mA·h
额定电压：3.82 V
图15-34
图15-35
第十五章 电功和电热
28
3. 图15-36（a）所示是某电水壶的内部电路图。其中，R1、R2 均
为电热丝，S 是电源开关，S 控是温控开关（水温达到100 ℃时，自动
由加热状态切换到保温状态）。该电水壶的相关参数如图15-36（b）
所示。
（1）当电水壶处于加热状态时，温控开关是断开的还是闭合的？
请说明判断的依据。
（2）电水壶约6 min 即可将壶内1.5 L 的水从20 ℃加热到100 ℃。
求此过程中水吸收的热量和电水壶对水加热的效率［c 水= 4.2 × 10
3 J /
（kg·℃）］。
（3）求该电水壶工作时电热丝R2 的阻值。
4. 图15-37 所示的电吹风机，由电动机（符号为
M ）和电热丝（符号为
）两个主要部件组成，
它们的额定电压都是220 V。该电吹风机既能吹凉风，
也能吹热风。请画出它的内部电路简图，并说明如何
在吹凉风和吹热风这两种工作状态间进行切换。
图15-37
图15-36
（b）
（a）
220 V
R1
R2
S控
S
额定容量：1.5 L
额定电压：220 V
加热功率：1 540 W
保温功率：27.5 W
科学家对电与磁的研究，
叩开了电气时代的大门。
如今，崇山峻岭水电生，草滩大漠风机旋；
电力塔架巍峨立，输电网络纵横连；
列车风驰电掣，万家灯火辉煌。
人们正享受着电力发展的丰硕成果。
我们所用的电是怎么产生的呢？
磁体与磁场
电流的磁场
磁场对电流的作用 电动机
电磁感应 发电机
跨学科实践
电
和
磁
第
十
六
章
探索电与磁的联系
做一做
1. 如图16-1（a）所示，用条形磁体的一端靠近铁屑，描述你看到的
现象。
2. 如图16-1（b）所示，桌面上放着许多大头针，将放于其上的条形磁
体缓慢提起，描述你看到的现象。
一、磁体与磁场
当我还是一个四五岁的小孩时，父亲给我一个指南针。我觉得十分好
奇，这个指南针不和任何物体接触，竟能始终地指向南北。我现在还记
得：当时我萌发了一个深刻而持久的印象—这事情的背后一定隐藏着某
种原理。（源自《爱因斯坦自述》）
磁体周围的磁场
认识磁体
（a）磁体吸引铁屑
（b）磁体吸引大头针
图16-1 认识磁体
物理学中，将能够吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性，具有磁性的
物体叫作磁体（magnet）。磁体上磁性最强的部位称为磁极。磁体有两个磁
极，即N（北）极与S（南）极。
活动16.1
信息快递
30
一、磁体与磁场
31
用小磁针探究磁体周围的磁场
1. 如图16-3 所示，使小磁针靠近条形磁体，你会看到什么现象？改变小
磁针的位置，观察小磁针的指向。
2. 如图16-4 所示，将小磁针先后放在条形磁体周围的不同位置，标出
小磁针在各点静止时N 极的指向，你有什么发现？
图16-3 将小磁针靠近条形磁体
a
b
c
d
e
f
g
h
图16-4 标出小磁针在各点静止时N 极
的指向
议一议
由上述现象可知，磁体在不接触铁屑和铁质大
头针的情况下，就能将它们吸起。这种吸引力是怎
么产生的呢？
研究表明，磁体的周围存在着磁场（magnetic
f ield）。使原来不显磁性的物体在磁场中获得磁性
的过程叫作磁化。磁体之间通过磁场相互作用，同
名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。
如图16-2 所示的是在“引言”中做过的实验。
现在你能解释回形针为什么能悬在空中了吗？
图16-2 磁体吸引回形针
虽然磁场看不见、摸不着，但我们可以根据它对放入其中的小磁针产生力
的作用来认识它。
方法技巧
活动16.2
第十六章 电和磁
32
铁屑在磁场中被磁化成一个个
“小磁针”，从而在磁场中有序
地排列起来。从铁屑在磁场中分
布的情况可以看出，铁屑好像排
列成许多条曲线。如果按照铁屑
在磁场中排列的情况和小磁针N 极的指向画出一些带箭头的曲线，就可
以形象地描述磁场。
物理学中把这样的曲线叫作磁感线（magnetic induction line）。
（a）
（b）
图16-5 磁体周围铁屑的分布
图16-6 条形磁体周围小磁针的指向
用铁屑探究磁体周围的磁场
在玻璃板上均匀地撒一层铁屑，然后将玻璃板平放在条形磁体或蹄形
磁体上，轻轻敲击玻璃板，铁屑将怎样分布（图16-5）？
如图16-6 所示，在有条形磁
体的玻璃板上放一些小磁针，这一
组小磁针N极的指向有什么特点？
通过实验可知，小磁针放入磁场后一般会发生转动，最终静止并保持
一定的指向，且不同位置小磁针N 极的指向一般不同。这说明磁场有方向，
磁场中各点的磁场方向一般不同。在物理学中，把小磁针在磁场中某处静
止时N 极所指的方向规定为该点磁场的方向。
活动16.3
一、磁体与磁场
33
生活 物理 社会
指南针（图16-9）是指示方向的一种简单仪器。它是我国古代四大
发明之一。在战国时期已有用天然磁铁矿磨制成的指南针，称为“司南”。
最早记载见于《韩非子·有度》，其著作年代约在公元前3 世纪。
指 南 针
地球的磁场
地球本身就是一个巨大的磁体，其周
围空间存在的磁场称为地磁场（geomagnetic
field）。地磁N 极在地理南极附近，地磁S 极
在地理北极附近，地磁场在地球外部的磁感线
也是从N 极出发，回到S 极（图16-8）。
地磁场的存在对地球生态环境有着至关
重要的影响。在地磁场的作用下，从太阳射
向地球的高速带电粒子流运动方向会发生偏
转，从而减少了它们对地球生物的侵袭。海
龟、鲸、候鸟等迁徙动物对不同地理位置间地磁场强度、方向的差别十
分“敏感”，能通过地磁场和太阳的位置辨别方向。局部地磁场的强烈
扰动能够为人们预测地震提供信息。记录地球磁极位置和各地磁场强弱、
方向以及变化规律的地磁图，是人们在航海、航空、军事以及地质工作
中重要的参考资料。
图16-7 条形磁体和蹄形磁体的磁感线示意
地理北极
地磁S极
地理南极
地磁N极
地轴
N
S
图16-8 地磁场示意
如图16-7 所示，磁体外部的磁感线都是从磁体的N 极出发，回到S
极。磁场越强的地方，磁感线分布越密；磁场越弱的地方，磁感线分布越
疏。磁感线上任意一点的切线方向为该点的磁场方向。
磁感线是用来描述磁
场的一些假想曲线，实际
上并不存在。
信息快递
第十六章 电和磁
34
实践与练习
北宋科学家沈括（图16-10）在其《梦溪
笔谈》一书中有“方家以磁石磨针锋，则能指
南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指
爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，
不若缕悬为最善”的记载。据考证：我国是世
界上最早利用人工磁化方法（以天然磁石摩擦
钢针）制作指南针的国家，也是最早发现地磁
场的两极与地理两极并不重合而有微小偏移
（即存在磁偏角）的国家。
指南针的发明极大地促进了我国
古代航海事业的发展。曾七次远航西
太平洋和印度洋的郑和船队，把天文
定位与指南针的应用结合起来，提高
了测定船位和航向的精确度。指南针
经阿拉伯传入欧洲，被广泛应用于航
海中，从而开辟了世界性的贸易市
场，对人类文明的发展进程产生了深
远的影响。
图16-10 沈括（1031—1095），我
国北宋时期的科学家
1. 磁体旁的小磁针静止时所指的方向如图16-11 所示。试画出通过
小磁针中心的一条磁感线，并标出磁体的N 极和S 极。
图16-11
N
S
（a）
N
S
（b）
N
S
（c）
N
S
图16-9 指南针
一、磁体与磁场
35
2. 用磁体将一根钢针磁化。你能用哪些实验方法辨别出这根钢针的
N 极？
3. 如图16-12 所示，三个磁环套在同一根
圆木杆上，由于磁极间的相互作用，上面两个
磁环都悬浮着。若最下面磁环的下底面是N 极，
试在图中标出各个磁环的S 极。将最上面的磁
环下压后松手，你将看到什么现象？想一想：
这个现象可能有哪些应用？请查阅相关资料，
并与同学分享。
4. 查阅资料，了解我国古代指南针的发明对人类社会发展的贡献。
5. 有些硬币可以被磁体吸引。查一查，这些可以被磁体吸引的硬
币是由哪些材料铸成的？利用磁体和这些硬币可以搭建各种不同的几
何图形（图16-13）。请你试一试，并思考为什么能实现这种搭建。
图16-12
图16-13
（a）
（b）
二、电流的磁场
是因为通电线圈
产生了磁场吗？
为什么给绕在铁
钉上的线圈通电后，铁
钉就能吸引大头针？
通电直导线周围的磁场
探究通电直导线周围的磁场
做一做
1. 如图16-14 所示，将一根直导线架在
静止小磁针的上方，使直导线与小磁针平行。
接通电路，观察小磁针的指向。
2. 将小磁针移到直导线的上方，使直导
线与静止的小磁针平行。接通电路，观察小
磁针的指向。
3. 改变直导线中的电流方向，观察小磁
针指向的变化。
说一说
通电后，小磁针指向改变说明了什么？改变电流方向，小磁针指向改
变说明了什么？
上述实验表明，通电导线周围存在磁场，其方向与电流方向有关。电
流周围存在磁场的现象称为电流的磁效应。
图16-14 实验装置
活动16.4
36
二、电流的磁场
37
通电螺线管周围的磁场
把导线绕在圆筒上就做成了螺线管（solenoid）。
通电螺线管周围磁场的分布有什么特点呢？
观察与设计
1. 观察图16-16 所示的螺线管，看看它是怎样绕制的。
2. 想一想：给螺线管通电，其中的电流方向将会是怎样的？
3. 为了探究通电螺线管外部的磁场方向，你打算怎样做实验？需要哪
些器材？
图16-16 螺线管
图16-17 探究通电螺线管外部磁场的方向
实验与记录
1. 如图16-17 所示，连接电路。
1820 年，丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian
Oersted, 1777—1851）通过实验首先发现了电流周
围存在磁场，从而将原来认为毫无关联的电与磁联
系起来，这是科学史上具有重大意义的事件。
研究表明，通电直导线周围的磁场分布如图
16-15 所示，在垂直于通电直导线的平面内，它的
磁感线是以电流为中心的一系列同心圆。
I
图16-15 通电直导线周围
的磁场分布示意
探究通电螺线管外部磁场的方向
学生实验
第十六章 电和磁
38
4. 如图16-19 所示，在固定有通电螺
线管的玻璃板上均匀地撒上铁屑，通电后
轻轻敲击玻璃板，观察铁屑的分布情况。
思考与讨论
1. 通电螺线管外部的磁场方向与电
流方向有关吗？依据是什么？
2. 通电螺线管外部的磁场与条形磁体
的磁场有相似之处吗？依据是什么？
图16-19 通电螺线管周围的铁屑分布
通电螺线管的磁感线如图16-20 所示。可以看出，通电螺线管外部的
磁场与条形磁体周围的磁场相似。
通电螺线管磁极的极性可以这样来判断：用右手握住螺线管，让弯曲的四
指所指的方向与螺线管中的电流方向一致，则拇指所指的那端就是通电螺线管
的N 极，如图16-21 所示。这种判断方法称为安培定则，也叫右手螺旋定则。
N
I
I
I
I
N
S
S
图16-20 通电螺线管的磁感线示意
图16-21 安培定则
-
+
+
-
（a）
（b）
图16-18 标出小磁针在各点静止时N 极的指向
2. 接通电路，将小磁针放在通电螺线管周围的不同位置。根据小磁针静止
时N 极的指向，在图16-18（a）中标出通电螺线管周围各点的磁场方向。
3. 如图16-18（b）所示，把电池的正负极对调，再重复上述步骤。
二、电流的磁场
39
电磁铁由线圈和铁芯组成，铁芯一般由铁或铁的合金制成。在铁芯上
用漆包线密绕成线圈，就做成了一个简单的电磁铁，通电后能产生磁性。
实验表明，电磁铁的磁性强弱与线圈匝数和线圈中的电流大小有关。线圈
匝数越多，电流越大，电磁铁的磁性就越强。
与永磁体相比，电磁铁具有以下几个优点：
电磁铁磁性的有无可以由通电、断电来控制。电磁起重机（图16-22）、
电铃以及电磁继电器等都是根据这一特点
工作的。
电磁铁磁性的强弱可以通过调节电
流的大小来控制。有些设备如发电机、
加速器等，需要非常强的磁场才能工作。
但是由于材料的限制，人们很难制造出磁
性非常强的永磁体，而通有强电流的电磁
铁则能产生很强的磁性。
电磁铁的N、S 极是由线圈中的电流
方向决定的，便于人工控制。
生活 物理 社会
电磁铁及其应用
电磁继电器是一种用电磁
铁控制电路的开关。它的基本构
造及工作电路如图16-23所示。
电磁继电器的工作电路
可分为控制电路和受控电路两
部分。控制电路包括电磁铁
A、衔铁B、低压电源U1、开
关S。受控电路包括高压电源
U2，电动机 M，电磁继电器的动触点D、静触点E。
电磁继电器
C
B
D
E
A
S
U1
U2
控制电路
受控电路
图16-23 电磁继电器的工作电路示意
图16-22 电磁起重机
第十六章 电和磁
40
实践与练习
1. 根据图16-24 中小磁针的指向，标出通电螺线管中的电流方向。
2. 在图16-25 中标出通电螺线管的N 极和S 极。
S
N
图16-24
I
I
I
I
（a）
（b）
图16-25
3. 有一个蓄电池，它的正负极标识已经模糊不清，怎样辨别其正负
极？写出你需要的器材并说出判断的方法。
电磁继电器的工作原理：闭合控制电路中的开关S，电流通
过电磁铁A 的线圈产生磁性，把衔铁B 吸下来，使动触点D 与
静触点E 接触，受控电路闭合，电动机工作。断开开关S，线圈
中的电流消失，电磁铁的磁性消失，衔铁B 在复位弹簧C 的作用
下与电磁铁A 分离，使触点D、E 脱开，受控电路断开，电动机
停止工作。
利用电磁继电器不仅可以用低电压、弱电流的控制电路来控制
高电压、强电流的受控电路，而且能通过各种传感器代替开关控制
电路通断，因此被广泛应用于自动控制（如电冰箱、汽车、电梯、
机床里的控制电路）和通信领域，以实现远程控制和生产自动化。
二、电流的磁场
41
5. 医生给心脏病患者做手术时，往往要用一种被称为“人工心脏
泵”（血泵）的体外装置来代替心脏，以推动血液循环。图16-27 是
该装置的示意图，线圈固定在用软铁制成的活塞柄上（相当于一个电磁
铁），通电时线圈与活塞柄组成的系统与固定在左侧的磁体相互作用，
从而带动活塞运动。活塞筒通过阀门与血管相通，阀门S1 只能向外开
启，S2 只能向内开启。
线圈中的电流从A 流向B 和从B 流向A 时，线圈左端分别是电磁
铁的哪一极？活塞会向哪个方向运动？血液又将如何流动？
4. 如图16-26 所示，有些汽车启动时，需将钥匙插入仪表板上的
钥匙孔并旋转（相当于闭合开关）。根据电路图，你能说出人们是怎样
通过汽车钥匙控制电动机M 的吗？
图16-26
血管
活塞筒
活塞
线圈
S1
A
S
B
N
S2
图16-27
三、磁场对电流的作用 电动机
找一个旧的电动玩
具车，拆开来看看！
电动玩具车能跑，是
因为有电动机。电动机为
什么会转动呢？
观察电动玩具中的电动机
电动玩具通常是由电动机（motor）驱动的，
如图16-28 所示。
试一试，怎样使电动机转动起来？
看一看，电动机是由哪些部件组成的？
想一想，电动机为什么会转动？
外壳
磁体
轴
线圈
（a）电动玩具
（b）电动机的一些部件
图16-28 电动玩具和电动机的一些部件
活动16.5
42
三、磁场对电流的作用 电动机
43
电动机中有磁体和线圈，线圈只在通电时才会转动，这说明线圈通电
时受到了力的作用。
磁场对电流的作用
观察磁场对通电直导线的作用
做一做
1. 按照图16-29 组装实验器材。
2. 给直导线（铝棒）通电，观察它的运动情况。
3. 改变直导线中的电流方向，观察直导线的运
动情况。
4. 将磁极对调，改变磁场的方向，观察直导线
的运动情况。
说一说
通过实验，你看到了什么现象？说明了什么
问题？
早在19 世纪初，法国物理学家安培就已经观察到上述现象，并在大量
实验的基础上发现：磁场对通电导体有力的作用，力的方向与电流方向和
磁场方向有关。
直流电动机的原理
观察磁场对通电线圈的作用
做一做
用漆包线绕成线圈，将线圈两端的漆全部
刮去后放入磁场，如图16-30 所示。闭合开
关，线圈将会怎样运动？
线圈
磁体
图16-30 磁场对通电线圈的作用
活动16.6
活动16.7
直导线
S
N
-
+
图16-29 磁场对通电直导线
的作用
I
I
第十六章 电和磁
44
怎样才能使通电线圈在磁场中持续转动？
由上述分析可知，当线圈刚转过平衡位置时，如果立即改变其中的电
流方向，那么通电线圈就能在磁场力的作用下继续转动。
（a）通电线圈在磁场力
F1、F2 的作用下开始顺时
针旋转
（c）通电线圈越过平衡位
置后，磁场力会使它逆时
针旋转
（d）最终，通电线圈静止
在平衡位置
（b）当通电线圈转到平衡位置
时，它受到的磁场力F1、F2 相
互平衡。这时由于惯性，线圈还
会继续转动
F1
I
I
I
I
F1
F2
F2
F1
F1
F2
F2
I
I
I
I
图16-31 通电线圈在磁场中的转动情况
观察图16-31 所示的过程，分析线圈为什么不能持续转动。
想一想
磁场中的通电线圈为什么会这样运动？
通电线圈的平面与磁感线垂直时，线圈受到的磁场的作用力相互平衡，我
们把这个位置称为平衡位置。
信息快递
三、磁场对电流的作用 电动机
45
换向器，看起来只是一个简单部件，但正是这一创新，促使了直流电
动机的诞生。随着技术的发展，新型无刷直流电动机采用电子换向装置，
克服了有刷电动机噪声大、寿命短、可靠性差，换向时产生电火花易损坏
电机等缺陷。
不论哪种电动机，都是将电能主要转化为机械能的装置。
（a）通电线圈受磁场力作用，开始顺时针旋转
（b）线圈转到平衡位置时，无电流通过，
它依靠惯性继续转动
A
C
D
B
（c）线圈越过平衡位置后，电流方向发生
改变，线圈在磁场力作用下继续顺时针转动
A
C
D
B
F1
F2
图16-32 换向器的作用
A
C
D
B
A
C
B
F1
F2
D
如图16-32 所示，在通电线圈的两端各连有一个半圆铜环C、D，称为
换向器，它们随线圈一起转动。A、B 是电刷，分别与一个半圆铜环接触，
使电源和线圈组成闭合电路。每当线圈刚转过平衡位置时，换向器就能自
动改变线圈中电流的方向，从而使线圈能持续转动。玩具中的直流电动机
就是按图16-32 所示的原理工作的。
第十六章 电和磁
46
生活 物理 社会
用电力驱动的交通工具
如图16-34 所示，电动自行车、电动汽车和高速列车等，都是
利用电力驱动的交通工具，即它们都是由电动机提供动力的。
图16-34 一些用电力驱动的交通工具
（c）高速列车
与传统的依靠燃烧煤、汽油等化石燃料提供动力的交通工具相
比，用电力驱动的交通工具，无有害气体排放、散热少、噪声小、
能源利用效率高。它们的普及有力推动了现代化绿色交通的变革性
发展。此外，用电力驱动的交通工具还有启动快、制动灵敏等特点。
（a）电动自行车
（b）电动汽车
安装直流电动机模型
1. 对照图16-33，了解直流电动机模型
的主要部件。按照从下到上、从内向外的顺
序安装直流电动机模型。
2. 将电动机、滑动变阻器、电源、
开关串联起来。检查无误后闭合开关，
观察电动机的转动情况。
3. 改变线圈中的电流方向，线圈的转
动方向是否改变？
4. 将蹄形磁体的两个磁极对调，改变
线圈所在处的磁场方向，线圈的转动方向
是否改变？
5. 移动滑动变阻器的滑片，改变线圈中的电流大小，线圈转动的速度
是否改变？怎样改变？
蹄形磁体
底座
电刷
线圈
转轴
支架
换向器
弧形铁片
图16-33 直流电动机模型
活动16.8
三、磁场对电流的作用 电动机
47
1. 直导线中电流的方向向右
时，它在磁场中的受力情况如图
16-36（a）所示。假设直导线中
电流的方向变成向左，请在图
16-36（b）中画出直导线的受力
方向。
电动汽车电源的容量是决定汽车续航能力的关键因素之一。目
前，我国电动汽车的蓄电池性能和产能水平均居世界前列，有力地
支持了我国乃至世界电动汽车产业的发展。
高速列车在轨道上运行，可以通过固定电网供电。高速列车几
乎每节车厢都装有电动机，既能提高运行速度，又能解决因某一电
动机发生故障而影响整体运行的问题。
近年来，磁悬浮列车的研制异军突
起。它是利用磁极间相互作用的原理设
计的。强大的电流通过电磁铁产生强大
磁场，使列车悬浮在轨道上，从而减小
阻力，让列车在电磁力作用下高速运
行。据报道，2023 年3 月，我国自主
研制的首套高温超导电动悬浮全要素试
验系统（图16-35）在长春完成首次悬
浮运行，标志着我国在高温超导电动悬浮领域实现重要技术突破。
实践与练习
S
S
N
N
I
I
F
（a）
（b）
图16-36
图16-35 高温超导电动悬浮全要
素试验系统
第十六章 电和磁
48
5. 图16-39 所示是一个较简单的
直流电动机模型，怎样才能使它连续
转动？
试一试，按图示的方法把线圈两
端导线上的漆刮去，通电后，线圈将
怎样运动？
4. 换向器是为了让直流电动机线圈能持续转动而使用的重要部
件，它的发明充分体现了物理学与技术应用的紧密联系。随着科学技
术的进步，换向器也在不断变化。查阅资料或咨询相关工程师，了解
换向器的发展情况。
图16-39
3. 动圈式扬声器的结构如图16-38 所
示，连接着锥形纸盆的音频线圈套在铁芯
上。试分析扬声器的发声原理，并说明此
过程中能量是怎样转化的。
2. 如图16-37 所示，一个不能打开的盒子外面露出一段细长的导
线。试设计两种不同的实验方法，在不损坏导线的情况下，判断导线中
是否有电流，并完成下表。
所用的器材
主要实验步骤及判断导线中
是否有电流的方法
图16-37
_
锥形纸盆
某一瞬间的
电流方向
铁芯
线圈
环形磁体
图16-38
四、电磁感应 发电机
既然电能“生”
磁，那么磁也能“生”
电吗？
怎样研究磁能否
“生”电呢？
电磁感应现象
尝试“磁生电”
试一试
用导线将图16-40 中的螺线管、发光二极管、开关连接成一个闭合回
路，怎样用条形磁体使发光二极管发光？
图16-40 探究“磁生电”现象的实验器材
活动16.9
在奥斯特发现电流磁效应之后，包括法拉第在内的许多科学家都提出
了以上问题，并做了长期的研究和探索。
说一说
你是怎样使发光二极管发光的？你认为最关键的因素是什么？
49
第十六章 电和磁
50
猜想与设计
为了观察感应电流的大小和方
向，需要哪些实验器材？如何组装？
实验与记录
1. 将导体AB、开关、灵敏电流计
和蹄形磁体按照图16-42 组装起来。
2. 探究导体在磁场中产生感应电
流的条件。
让导体AB 静止在磁场中，闭合
开关，观察回路中是否有感应电流
产生。
在电路闭合时，让导体AB 分
别沿磁场方向运动和做切割磁感线
运动，观察回路中是否有感应电流
产生。
把观察到的现象记录在表格中。
根据观察到的现象，你能否总结出
导体在磁场中运动时产生感应电流
的条件？
!
B
V
图16-42 探究感应电流产生的条件
灵敏电流计可以检测几十
微安到几毫安的微弱电流。
可将导体AB 想象成一把
刀，若它运动时与磁感线相
交，则切割磁感线，否则不切
割磁感线。
利用磁场产生电流的现象叫作电
磁感应（electromagnetic induction），
电磁感应产生的电流叫作感应电流
（induction current）。
1821 年，法拉第（图16-41）开
始进行“磁生电”的探索。经过长达
10 年的不懈努力，他终于在1831 年
发现了电磁感应定律。
图16-41 法拉第（Michael Faraday，
1791—1867），英国物理学家、化学家
信息快递
信息快递
探究感应电流产生的条件
学生实验
N
S
四、电磁感应 发电机
51
导体AB 在磁场中的
运动情况
是否有感应电流
静止
沿磁场方向运动
（不切割磁感线）
做切割磁感线运动
跳“绳”时的感应电流
做一做
1. 如图16-43（a）所示，将一条长约5 m 的软导线两端与微电流传感
器相连，形成闭合回路。微电流传感器与计算机相连。让两名同学快速甩
动软导线，观察计算机显示的微电流波形，如图16-43（b）所示。
3. 探究导体在磁场中运动时产生感应电流的方向。
猜一猜，可以通过什么方法改变感应电流的方向？
试一试，磁场方向或导体AB 的运动方向改变时，感应电流的方向会改
变吗？
交流与小结
1. 导体在磁场中运动时，产生感应电流的条件是什么？
2. 影响感应电流方向的因素有哪些？
实验表明，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电
路中就会产生感应电流。感应电流的方向与磁场方向和导体运动的方向
有关。
活动16.10
第十六章 电和磁
52
发电机
发电机（generator）是当代社会最重要的电源，它是利用电磁感应原理
发电的。
2. 改变甩动软导线的速度，观察微电流的波形有何变化。
议一议
为什么导线中会有电流产生？能量是怎样转化的？
观察手摇发电机发电
蹄形磁体
线圈
N
S
（a）手摇发电机
（b）手摇发电机工作原理示意
图16-44 手摇发电机及其工作原理示意
活动16.11
如图16-44 所示，手摇发电机主要由磁体和可以转动的线圈等组成。
1. 摇动手柄时，你观察到什么现象？这说明了什么？
2. 将灯泡换成灵敏电流计，缓缓摇动手柄，你观察到什么现象？这说
明了什么？
图16-43 跳“绳”时的感应电流
（a）实验示意
（b）计算机显示的微电流波形
时间t / s
0.0
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
电流I / μA
四、电磁感应 发电机
53
交流发电机的线圈在转动过程中，线圈中电流的大小和方向重复
发生相同的变化，这种变化叫作周期性变化。
信息快递
图16-45 交流发电机的工作原理示意
（c）当线圈平面与磁感线再次垂直
时，线圈中的电流又变为零；线圈越
过此位置后，线圈中开始产生方向相
反的感应电流
（d）当线圈平面与磁感线再次平行
时，线圈中反方向的感应电流达到
最大
（a）当线圈平面与磁感线垂直时，
线圈中的电流为零；当线圈越过此位
置后，线圈中开始产生感应电流
（b）当线圈平面与磁感线平行时，
线圈中的感应电流达到最大
图16-45 所示是交流发电机的工作原理。
第十六章 电和磁
54
当线圈在磁场中转动时，产生的感应电流的大小和方向随时间发生周
期性变化，这种电流叫作交变电流（alternating current）。我们日常生活中
使用的交变电流每秒钟完成50 个周期性变化，其频率为50 Hz。
在奥斯特发现电流的磁效应后，科学家们纷纷开始研究磁是否能“生”
电。其中，瑞士物理学家科拉顿在1825 年曾试图用磁体在线圈中运动获得
电流。他用一个线圈与一个灵敏电流计连成闭合回路，为了使磁体不影响
灵敏电流计指针的转动，他特意将灵敏电流计放在隔壁房间。科拉顿将磁
体插入线圈后快速跑到另一个房间里观察灵敏电流计，结果看到灵敏电流
计指针“纹丝不动”。经过多次实验，科拉顿都得到了同样的结果，最终
与发现真理的机会失之交臂。
法拉第在总结别人和他自己失败的经验教训后，经过反复实验，终
于认识到“磁生电”是变化的动态过程，它产生的也不是稳定的电流，
从而实现了关键性的突破，于1831 年发现
了电磁感应定律。
电磁感应现象的发现，激励法拉第进一
步发明了能够产生持续电流的机器——发电
机。法拉第认为，金属圆盘可以看成是由无
数根长度等于圆盘半径的导线组成的。如果
使金属圆盘在磁极间不断转动，就相当于每
根导线都在做切割磁感线运动，这样便能产
生持续的电流。
1831 年10 月，法拉第终于把构想变成了
现实，制成了圆盘发电机（图16-46），这实
际上是现代直流发电机的雏形。历史表明，
法拉第的这一发明为人类步入电气时代作出
了重大贡献。
图16-46 法拉第圆盘发电机
读一读
最早的发电机
四、电磁感应 发电机
55
图16-47 水轮发电机
图16-49 汽轮发电机
国家工程
我国煤炭资源主要分布在西部和北部地区，水能资源主要集中
在西南地区，东部地区的能源资源匮乏、用电负荷相对集中。能源
资源与电力负荷分布的不均衡性决定了“西电东送”的必要性。
“西电东送”工程就是把西部地区丰富的煤炭资源和水能资源转化
成电力资源，输送到电力紧缺的东部沿海地区。
“西电东送”工程与高压直流输电
从能量转化的角度看，发电机是一种将机械能转化为电能的装置。例
如，水电站利用水轮发电机（图16-47）将水流的机械能转化为电能；火
力发电厂利用燃气轮发电机（图16-48）将燃气的内能转化为机械能，或利
用汽轮发电机（图16-49）将水蒸气的内能转化为机械能，进而再转化为电
能。在发电的过程中，由于线圈存在电阻以及转动系统存在摩擦，因此还
有部分能量转化为内能。
图16-48 燃气轮发电机
第十六章 电和磁
56
“西电东送”工程分北部、中部、南部三个通道。中部通道
的水力资源最丰富，世界第二大水电站——白鹤滩水电站（图16-
50）就坐落其间。它位于四川和云南的交界处，地处金沙江下游，
总装机容量1.6 × 10
7 kW。截至2025 年6 月30 日，白鹤滩水电站
累计生产清洁电能突破1.96 × 10
11 kW·h，相当于节约标准煤约
5.9 × 10
7 t，减排二氧化碳约1.6 × 10
8 t。
图16-50 白鹤滩水电站拦河大坝
降低输电线路的能量损耗是实现“西电东送”的关键，而特
高压直流输电正是解决远距离输电问题的最佳方案。如果能提高
输电电压，即减小输电电流，就可以减少电能在传输过程中的损
耗。特高压输电的流程大致如下：在输电线路的始端，先用升压
变压器将低压变为高压，再用整流器把交流电变为直流电，通过
特高压输电网（图16-51）远距离传输；在输电线路末端，先用
逆变器把直流电变为交流电，再用降压变压器将特高压交流电变
四、电磁感应 发电机
57
实践与练习
1. 电能的来源比较广泛，试通过具体实例说明自然界中有哪些形式
的能可以转化为电能。
2. 图16-52 所示是一种手摇发电的手电筒，当沿
图中箭头方向来回摇动时，灯泡就能发光。这个手电
筒壳体透明，可以清晰地看到里面有线圈。摇动时，
可以感觉到有一个物块在来回运动。这个来回运动的
物块是什么？你猜想的依据是什么？
图16-52
图16-51 特高压输电网
为低压交流电，供用户使用。我国电力科研人员攻克了特高电压
下的绝缘特性、电磁环境、设备研制、试验技术等世界级难题，
开发了多项世界领先技术。
第十六章 电和磁
58
3. 图16-53 所示是动圈式话筒的结构示意。对着话筒发声时，膜片
会发生振动，从而带动固定在膜片上的线圈一起振动。尝试阐述该话筒的
工作原理，说明其能量转化的过程。
4. 自制交流发电机模型。
用漆包线绕制一个宽约4 cm、长约
7.5 cm、匝数约10 匝的矩形线圈，将线圈两
端的导线拉直，留出约1 cm 长，用刀片将漆
刮掉，作为转动轴。将线圈放在支架上，在
它下面放一块磁体。这样，一个简单的发电
机就做成了。如图16-54 所示，用纸做一个
小风车固定在转动轴上，将小发电机与灵敏
电流计相连，使小风车转动，观察灵敏电流
计的指针是否偏转。
描述这个小发电机在发电过程中能量是如何转化的。
图16-54
图16-53
膜片
永磁体
线圈
大棚种植能优化作物生长的养料和环境，有利于提高作物品质和产
量。从蔬菜、水果到花卉，大棚种植的品种越来越多，规模越来越大。
作为现代农业的组成部分，大棚种植的水平不断提高，并向着智能化方
向发展。
让我们从调查大棚种植场景，尝试设计大棚内部环境控制系统起
步，感受大棚种植的魅力，提升综合应用生物学、化学、物理学等知识
解决实际问题的能力。
任务与要求
1. 到大棚种植场所
实地调查，了解大棚内
部有哪些环境控制的
要求。
例如，图16-55 所
示是水培种植场景，植
物根系处在水槽的营养
液中。为满足不同植物
的生长需求，需要针对
不同植物、植物不同生长阶段配制合适的营养液，同时还要对大棚内植
物生长的各种环境因素进行自动控制。实地调查中，应观察控制系统的
大致结构，了解它们是如何实现自动控制的。
2. 尝试设计大棚内部环境的自动控制方案。
真实的控制系统是比较复杂的，可与其他同学组成研究团队，分别
选择某一方面进行深入研究。例如，水槽中的液面高度控制，大棚内的
光照控制、温度控制、湿度控制等。
自动控制通常是通过数字化电路实现的，其关键元件之一是传感
器。可通过咨询、查阅资料等途径了解各种传感器的功能和使用方法。
图16-55 水培作物种植
跨学科实践
制作大棚环境控制系统模型
59
第十六章 电和磁
60
传感器可看成控制电路工作状态的“侦察员”，它可以向计算机系统提
供实时信息，计算机根据这些信息作出判断并“指挥”相关设备工作，
从而实现自动控制。
如图16-56 所示，水槽中的两
个金属片A、B 可看成最简单的传
感器，它与电磁继电器构成控制电
路，而电动机和指示灯与电磁继电
器则构成受控电路。电动机的作用
是带动水泵向水槽中加营养液。整
个控制过程可以用图16-57 表示，
其中的“液面高度控制”是指控制
水槽中营养液的多少。
图16-56 液面高度控制电路示意
A
B
M
电动机
指示灯
3. 根据设计方案制作模型。
参照液面高度控制系统制作模型，或参照这个例子设计其他控制系
统，并根据你的设计方案制作模型。可以和同学组成团队，联合设计并
制作更多的模型。
交流与评价
1. 以小论文的形式介绍某种大棚内部环境控制系统。
2. 向同学展示自制的模型，介绍设计方案及关键制作步骤。
3. 对小论文内容的准确性与完整性等进行评价，对自制模型的制作
工艺、使用效果和创新性等进行评价。
电磁继电器
受控设备
受控电路
控制电路
传感器
液面高度控制
图16-57 液面高度控制系统的结构示意
水槽
四、电磁感应 发电机
61
素养进阶
内容梳理
反思提升
1. 磁场看不见、摸不着，我们是怎样认识它的？举例说明还有哪
些对物理现象的研究与描述也采用了类似的方法。
2. 你是如何知道通电螺线管外部的磁场与条形磁体周围的磁场相
似的？请结合具体实验说明。
3. 结合磁化现象，说明电磁铁中铁芯的作用。与普通永磁体相比，
电磁铁有哪些优点？举例说明它的实际应用。
电
和
磁
磁场
磁场对电流的作用
通电螺线管周围的磁场
电磁铁
永磁体的磁场
电动机
电能→机械能
机械能→电能
磁感线
电磁感应
感应电流
产生的条件
磁场对通电直导线的作用
磁场对通电线圈的作用
发电机
应用
探究
应用
探究
应用
探究
物理模型
通电直导线周围的磁场
第十六章 电和磁
62
2. 用自制的实验装置探究影响电磁铁磁性强弱的因素。
选择大小合适的铁钉或铁棒作为铁芯，用漆包线绕制2~3 个匝数
不同的线圈，或者参照图16-59（a）绕制一个中间有抽头的线圈（可
以方便地改变连入电路的线圈匝数）。如图16-59（b）所示，制作一
个能显示电磁铁磁性强弱的
简易装置，指针下端有一个
小铁块，当它受到电磁铁吸
引时，能带动指针偏转。
利用上述装置进行实验
探究，并向同学展示你的制
作和探究过程。
4. 电与磁看上去似乎没有什么关系，我们是怎么知道它们是有联
系的？可以从哪些方面说明电与磁有联系？请再举一个“看似无关、
实则有关”的事物间相互联系的例子。
5. 回顾活动“观察磁场对通电直导线的作用”和学生实验“探究感
应电流产生的条件”，它们的实验装置、操作步骤有什么异同？这两种
现象中，能量转化有什么不同？从应用的角度说明这些研究的价值。
1. 图16-58 所示是利用
电磁继电器控制电动机的原
理图。小明想在控制室（图
中虚线框）内加一个指示灯，
要求电动机工作时指示灯同
时发光。请试着将指示灯连
接到电路中（可将原有连接
线断开）。与同学交流各自
的方案并评价优缺点。
问题解决
图16-59
（a）
（b）
抽头
小铁块
图16-58
U2
U1
S
控制室
M
动触点
衔铁
静触点
电动机
指
示
灯
电磁波的发现使人类进入了无线通信时代，
无线电报、电视、手机等相继诞生。
半导体材料的发展与电子技术的进步，
更让移动通信和互联网蓬勃发展，
人类“跨越时空，漫游地球村”的梦想得以实现。
现代通信离不开电磁波。
什么是电磁波？
人们又是怎样利用电磁波传播信息的？
信息与信息传播
电磁波及其传播
现代通信
电
磁
波
与
现
代
通
信
第
十
七
章
走进信息时代
一、信息与信息传播
我在课堂上举手，
表明我要发言。
乌云密布预示着
大雨即将来临。
我们生活在一个充满信息的世界里。通俗地说，信息是各种事物发出
的有意义的消息。消息中包含的内容越多，信息量就越大。你能举出一些
例子来说明信息无处不在吗？
语言、符号和图像是人类特有的三种信息。
信息必须通过传播才有实际意义，人们以特定的手段和方式进行的信
息传播活动，称为通信。
早期的信息传播途径
如图17-1 所示，在烽火台上点燃烟火，传递重要军事信息；驿使为国
家传递公文和军事情报。
信息及其传播
（a）万里长城的烽火台
（b）汉代画像砖中展现的驿马飞奔的场景
图17-1 我国古代的信息传播方式
64
一、信息与信息传播
65
随着电磁学的不断发展，人们利用电磁转换原理传递信息成为可能。
有线电报机和电话机等应运而生，如图17-2 所示。
图17-2 有线电报机和电话机
（a）莫尔斯发明的有线电报机
（b）贝尔制作的电话机
1832 年，美国发明家莫尔斯受到电磁转换原理的启发，开始研制有线
电报机。经过多年的努力，他终获成功并且还发明了用点（电键接通时间
短）、画（电键接通时间长）和间隔组成的电码—莫尔斯电码，开启了
人类通信的新纪元。
由于电报不能同步进行双向信息交流，人们又开始探索利用电磁转换
原理传送声音。美国发明家贝尔就是早期的研究者之一。
你还知道其他信息传播工具吗？试举例说明。
自制简易有线电报机
设计
利用图17-3 所示的实验器材设计一个电路。要求：两名同学分别位于
挡板两侧，当其中一名同学按下自己所在一侧的开关时，对方一侧的灯泡
发光。
挡板
图17-3 实验器材
活动17.1
第十七章 电磁波与现代通信
66
语言、符号和图像是人类特有的三种信息。
信息必须通过传播才有实际意义，人们以特定的手段和方式进行的信
息传播活动，称为通信。
早期的信息传播途径
图17-1 所示，在烽火台上点燃烟火，传递重要军事信息；驿使为国家
传递公文和军事情报。
（a）万里长城的烽火台
（b）汉代画像砖中展现的驿马飞奔的场景
图17-1 我国古代的信息传播方式
64
6457
图17-5 利用“密码本”编码
制作
按照设计要求连接电路。试一试，能否达到设计要求？如果不能达到
设计要求，请修改或重新设计电路。
图17-4 所示是某组同学连接的电路。它符合设计要求吗？
2. 采用莫尔斯电码表示电报
密码中的数字。
3. 发一个字的“电报”给对
方，看他是否能正确地翻译出
“电报”的内容。（可用开关接
通时间的长短分别表示画和点）
图17-4 某组同学连接的电路
操作
1. 与对方约定好电报密码。
例如，可用本书作为密码本，用
四位数字“6457”代表本书第
64 页正文第5 行第7 个字——
“传”（标题与标点符号不算字
数），如图17-5 所示。
莫尔斯电码
数 字
点画组合
数 字
点画组合
1
· - - - -
6
- ····
2
·· - - -
7
- - ···
3
··· - -
8
- - - ··
4
···· -
9
- - - - ·
5
·····
0
- - - - -
信息快递
一、信息与信息传播
67
生活 物理 社会
从莫尔斯发明电报至今已近200 年，现在已很少有人使用莫尔斯电码。
但是莫尔斯的发明所蕴含的思想，如利用数字和符号传递信息、以一定的
方式解读信息、设置保护信息的密码等，仍然是当今通信技术的基础。
近年来，中国快递业发展迅速，年投递包裹总量已居世界第
一。为提高效率、降低成本，许多快递中转枢纽都使用了分拣机器
人。几百个机器人同时作业，每小时可以分拣数万个包裹，这些机
器人是怎样工作的呢？
原来，包裹上通常都贴有一维条
码（图17-6），它由粗细相间的黑
白线条、数字和字母组成。分拣机器
人装载的包裹经过检测门被条码扫描
器识别后（图17-7），由计算机系
统进行数据处理，并将相关信息通过无线传输技术传递给分拣机
器人。
具有自动避障功能的分拣机器人，在获取包裹信息后，由导航
系统引导，选择最佳路径自动行驶到相应位置，将包裹投入对应的
格口（图17-8），再由运输车将这些包裹送往目的地。
快递包裹分拣
图17-7 检测门识别贴有条码的包裹
图17-8 分拣机器人将包裹投入对应的格口
图17-6 一维条码
1 2 7 9 3 8 2 2 8 0 5 0 7
第十七章 电磁波与现代通信
68
实践与练习
1. 查阅资料，了解蜜蜂（或蚂蚁）是如何传递信息的。
2. 除了有线电话与有线电报，请举出几个生活中利用电流传递信息
的实例。
3. 随着科技水平的不断提高，继一维条码之后，人们又开发了二维
条码。查阅资料，了解它们的区别与联系，并尝试通过扫描条码了解商
品信息。
4. 图17-9 所示是早期电话的话筒与对方听筒串联的电路。话筒中
的金属盒里装满了接触不紧密的碳粒，碳粒受挤压后电阻会变小，恢复
原状时电阻又会变大。试分析话筒是怎样把声音变成电信号，听筒又是
怎样把电信号恢复为声音的。
图17-9
听筒
话筒
永磁体
碳粒
薄铁膜片
螺线管
金属柱
薄铁膜片
二、电磁波及其传播
怎样才能让信息
传得更远呢？
可以用电磁波来
传播信息。
波的基本特征
往复抖动绳的一端（称为波源），绳就会
传播凹凸相间的运动形态（图17-10），就像
第一章学习的水波、弹簧中的疏密波和声波一
样，它们都是振动形态在介质中的传播，属于
机械波。
我们可以用下面的物理量来描述波的基本特征（图17-11）。
振幅：振动的幅度，如图17-11（b）所示，用字母A 表示，单位是米
（m）。它反映了振动的强弱。
周期：振动一次所需要的时间，用字母T 表示，单位是秒（s）。
频率：其数值等于每秒内振动的次数，用字母f 表示，单位是赫兹
（Hz）。频率与周期反映了振动的快慢，它们的关系是
。
图17-10 波通过绳传播
图17-11 绳振动产生的波形
（a）波源振动一次时，绳的波形
（b）波源振动两次时，绳的波形
A
λ
69
第十七章 电磁波与现代通信
70
了解电磁波
体验电磁波的存在
做一做
打开收音机的开关，将调谐旋钮调到没有电台
的位置并将音量调大。如图17-13 所示，取一节旧
干电池和一根导线，靠近收音机，将导线的一端与
电池的一极相连，再用导线的另一端与电池的另一
极时断时续地接触（注意不能长时间接触）。
图17-13 体验电磁波的存在
从地球表面到遥远的太空，到处都充满了
电磁波（electromagnetic wave）。电磁波现已
成为人类生产、生活中不可缺少的伙伴。
麦克斯韦（图17-12）在深入研究电磁现
象的基础上，于1864 年建立了电磁场理论并预
言了电磁波的存在。
活动17.2
波长：波在一个周期内传播的距离，如图17-11（b）所示，用字母λ 表示，
单位是米（m）。
波速：波传播的速度，简称波速，用字母v 表示，单位是米/ 秒（m/s）。
波不仅传播运动形式，而且还传播能量和信息。
我们能看见电磁
波吗？
如果看不见的话，
我们怎么知道它的存
在呢？
图17-12 麦克斯韦（James Clerk
Maxwell，1831—1879），英国
物理学家
二、电磁波及其传播
71
探究电磁波的传播
做一做
1. 如图17-15 所示，将手机开机后放在密闭玻
璃罩中，用抽气机抽去罩中的空气。打电话呼叫玻
璃罩中的手机，手机能否接收到呼叫信号？
2. 将手机分别放在密闭的金属盒、塑料盒和纸盒
中，打电话呼叫该手机，手机能否接收到呼叫信号？
想一想
图17-15 所示的实验说明了什么？还有哪些事实可以支持你的结论？在有
些建筑物或电梯中，手机接收不到信号或信号较弱的原因可能是什么？
研究表明：电磁波与声波不同，它能在真空中传播。用铝、铁、铜等
金属制成的密闭容器对电磁波有一定的屏蔽作用。电磁波在真空中传播的
速度为3×10
8 m/s。
活动17.3
图17-14 赫兹验证电磁波存在的实验装置
感应圈
发射器
接收器
说一说
你从收音机里听到了什么？这是为什么？
议一议
日常生活中还有哪些现象能说明电磁波存在？
1888 年，德国青年物理学
家赫兹通过实验证实了电磁波的
存在，图17-14 所示是他所使用
的实验装置。给感应圈通电，发
射器的两个小铜球之间产生电火
花，与之对应，接收器的小铜球
之间也会产生电火花，这就表明
接收器接收到了电磁波。
图17-15 玻璃罩中的手机
第十七章 电磁波与现代通信
72
电磁波的应用
电磁波是一个大家族：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射
线、γ 射线等都是不同波长的电磁波。电磁波谱（electromagnetic wave
spectrum）是按波长（或频率）连续排列的电磁波序列，如图17-16 所示。
770 nm
400 nm
可见光
紫外线
X 射线
红外线
γ 射线
1024
1022
1020
1018
1016
频率/ Hz
1014
1012
1010
108
106
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
1
102
波长/ m
无线电波（含微波、短波、
中波和长波等）
图17-16 电磁波谱
（a）利用无线电波遥控无人机
（c）利用X 射线检查人体组织病变
（d）利用γ 射线治疗癌症
（b）利用红外线观测云的温度
图17-17 电磁波的应用
电磁波在现代生活中有着广泛的应用，不同波长的电磁波具有不同的
功能，如图17-17 所示。
- 40.0 ℃
-16.4 ℃
二、电磁波及其传播
73
生活 物理 社会
电视和广播不仅可以让人们了解国内外新闻，还能丰富大家的
文化娱乐生活。
我们能用电视机收看节目、收音机收听节目，就是因为它们能
接收到电视台和广播电台发射的电磁波。不同的电视台、广播电台
发射电磁波的频率（波长）不同。中央人民广播电台有多个发射频
率。其中，中波639 kHz、短波9 800 kHz 和调频106.1 MHz 三个发
射频率对应的电磁波波长分别约为469.48 m、30.61 m 和2.83 m。
电视广播是怎样传递信息的呢？如图17-18 所示，人们利用摄
像机和话筒分别将图像和声音转变成电信号，但这种电信号频率很
低，很难发射出去，因此必须把低频的电信号加载到发射机产生的
高频电磁波上，再通过天线发射出去。发射出去的电磁波在空中传
播。电视机是电磁波接收机，接收到空中传播的高频电磁波后，从
中分离出图像信号和声音信号，图像信号通过显示器还原成图像，
声音信号经音频放大器放大后再通过扬声器还原成声音。
电视广播的信息传递
摄像机
发射机
接收机
显示器
话筒
音频放大器
扬声器
天线
音频放大器
图17-18 电视广播的工作过程示意
宇宙中充满了电磁波，人们可以通过接收到的电磁波来了解宇宙的信
息。例如，宇宙中有一种被称为脉冲星的星体，它持续向外发射电磁波束，
同时很快地自转。脉冲星每自转一周，电磁波束就扫过地球一次，人们在
地球上就收到了有规律的脉冲式电磁波。天文学家用射电望远镜搜索脉冲
星发出的电磁波进行科学研究，这有助于揭示宇宙诞生和演化的奥秘。
第十七章 电磁波与现代通信
74
中国科学院国家天文台研究
员南仁东（图17-20）是“中国
天眼”工程首席科学家兼总工程
师，他率先提出“中国天眼”工
程的构想，并带领团队在我国西
南部的大山里长途跋涉，先后对
比了1 000 多个洼地，才最终选
定贵州省平塘县的喀斯特洼地作
为望远镜台址。
国家工程
中国天眼
我国自主设计建造的500 m 口径球面射电望远镜（图17-19），
被誉为“中国天眼”。作为目前世界上最大单口径、最灵敏的射电
望远镜，它能接收到100 多亿光年以外的电磁波信号。当来自宇宙
的电磁波入射到射电望远镜的球面天线上时，会被反射并会聚到馈
源舱，计算机进行处理后可显示出宇宙深处的信息。
图17-19 “中国天眼”
馈源舱
图17-20 南仁东（1945—2017）
二、电磁波及其传播
75
实践与练习
该项目从提出构想到落成启用历时20 多年，项目组攻克了一系
列技术难题。特别是其中有两项技术独辟蹊径，为射电天文学的研
究开辟了新天地。一是主动反射面技术，“中国天眼”的反射面由
4 450 个反射单元构成，反射面可以根据需要顺势变形，就像灵活转
动的人眼，能够接收来自不同方向的电磁波。二是馈源舱的定位技
术，如果把“中国天眼”看作眼睛，那么馈源舱就相当于眼睛的瞳
孔，它可以配合反射面的变形而移动，并准确到达指定位置。
“中国天眼”具有我国自主知识产权，对探索宇宙起源和演
化、搜索脉冲星、搜寻地球以外的生命、探测暗物质与暗能量、寻
找地外文明和第一代天体等具有重大价值。
1. 图17-21 所示是我国自主
研发的自动驾驶汽车。车的四周
装有高清摄像头和高灵敏度雷达，
用来及时接收周围的路况信息。
查阅资料，了解电磁波在自动驾
驶中的应用。
科学研究发现，电磁波在得到广泛应用的同时，也会造成电磁污染。
例如，频率在0.1 MHz 以上的电磁波，在强度足够大时会扰乱人体的自然
生理节律，使人出现头痛、失眠、健忘等症状。为减小电磁污染的危害，
科技专家发明了各种预防电磁污染的设备，并提出了预防措施，人们也要
增强防护意识，采取健康的生活方式。
图17-21
第十七章 电磁波与现代通信
76
2. 在第二次世界大战期间，一名工
程师在靠近雷达磁控管时，偶然发现口
袋里的巧克力熔化了，探究其原因后发
现，原来这是微波作用的结果。人们由
此认识到可以利用微波来加热食物，于
是微波炉（图17-22）应运而生。查阅
资料，了解微波炉加热食物的原理。
3. 选择一件无线遥控玩具，如遥控玩具车（图17-23），阅读它
的说明书，了解操作方法。用遥控器操控玩具车，它就能做出前进、
后退、左转、右转等动作。改变天线的方向、遥控器与玩具车的距
离，观察玩具车的动作会不会受到影响。研究遥控器发出的电磁波能
否穿过障碍物、是否会被镜子反射等问题。
4. 调查电磁波在现代社会中有哪些应用，就某一方面写一份调查
报告。
图17-22
图17-23
三、现代通信
20 世纪下半叶以来，随着计算机技术、数字技术和网络技术的不断发
展，人类社会进入了现代通信时代。
卫星通信
卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站（负责接收并转发无线电信
号）的无线通信方式，通常采用微波传递信息。微波的性质与光波相近，
大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。
图17-25 地球静止轨道卫星示意
图17-24 卫星通信系统示意
空间端
通信卫星
星间连接
天地连接
地面端
网管中心
用户端
互联网
如图17-24 所示，卫星
通信系统是由空间端、地面端
和用户端三大部分组成的。空
间端大多采用地球静止轨道
卫星。地球静止轨道卫星在地
球赤道平面内距地球表面约
35 800 km 的轨道上运行，它
绕地球一周的时间与地球自转
的周期相同，约为24 h。从地
面看去，它似乎总是静止在赤
道上空。一般来说，三颗在赤
道上空均匀分布的地球静止轨
道卫星组成的通信系统发出的
电磁波，就几乎可以覆盖整个
地球表面，如图17-25 所示。
卫星通信具有覆盖面大、
通信距离长、不受地理环境限
制等许多独特的优点，尤其在
长距离、边远山区和抢险救灾
等的通信中更是大显身手。
77
第十七章 电磁波与现代通信
78
光纤通信
20 世纪30 年代，一个制玻璃的工人偶然发现，光能沿着长长的玻璃棒
传输。于是，科学家们开始试验用拉得很细的玻璃丝来做激光的传输线，
并获得了成功。人们把那些能够传输光信号的极其纤细的材料称为光导纤
维（optical fiber），简称光纤，如图17-28 所示。由多根光纤制成的光信
号传输线称为光缆，如图17-29 所示。
图17-26 “东方红二号”在轨示意
图17-27 “天链二号”03 星在轨示意
卫星通信不仅在全球性的电话、电视广播中成为重要的信息传输方式，
而且在全球定位、导航等方面发挥着重要作用。
我国于1984 年4 月8 日成功发射了地球静止轨道试验通信卫星—
“东方红二号”（图17-26）之后，又相继发射了多颗地球静止轨道卫星，
实现了覆盖全国的信号传输，改变了边远地区通信落后的状况。2022 年7
月13 日，我国成功发射了“天链二号”03 星（图17-27）。它与先前发射
的“天链二号”01 星、“天链二号”02 星三星联网，组成了我国第二代地
球同步轨道数据中继卫星系统，其最主要的任务是为载人飞船、载人空间
站等载人航天器提供数据中继和测控服务，如协助完成天地通话、太空授
课、交会对接等重要任务。
三、现代通信
79
图17-28 光导纤维
图17-29 不同规格的光缆
观察光纤的导光现象
看一看
将光纤拉直，在光纤的一端放上发光的小电灯。在它的另一端观察，
能够看到小电灯发出的光。如图17-30 所示，将光纤弯曲，在光纤的另一
端观察，你还能看到小电灯发出的光吗？
活动17.4
包层
内芯
图17-31 光纤传输光信号的原理
A
B
想一想
为什么光能从弯曲光纤的一端传到另一端呢？
如图17-31 所示，光沿直线进入光纤的A 端，经多次反射后从光纤的
B 端射出。
图17-30 观察光纤的导光现象
第十七章 电磁波与现代通信
80
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。在光纤
通信中，首先利用电光转换技术把电信号转变为光信号，并通过光纤传递
到接收端，然后再把光信号转变成电信号，从而实现信息传递。光纤通信
的容量极大，一根头发丝那样细的光纤就可以实现近300 亿人同时通话。
光纤不导电，在磁场中不会产生电磁感应现象，所以光纤通信不会受外界
电磁场的干扰。光纤不怕潮湿、耐腐蚀、能量损耗低，这些特性使得光纤
通信质量比其他有线通信高得多。
不断发展的信息通信技术
在世界移动通信技术的变革中，我国坚持走自主创新道路，以创新驱
动发展，从第一代移动通信技术（1G）至第五代移动通信技术（5G），
先后经历了“1G 空白、2G 跟随、3G 突破、4G 并跑、5G 领先”的发展历
程。如今，我国是全球5G 通信标准制定的核心成员，拥有的5G 标准必要
专利数量全球最多，建成并开通的5G 基站总量也居世界之首。
5G 网络能与先进传感、人工智能等技术有机融合，为用户提供增强现实、
虚拟现实、超高清视频等服务，让用户获得身临其境的体验，解决人与物、物
与物通信的问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等
物联网应用的需要（图17-32）。5G 正在渗透到各个行业和领域，成为支撑经
济社会数字化、网络化、智能化转型的关键技术。
图17-32 5G 的应用示意
工业
农业
医疗
教育
交通
金融
环境
云端办公
休闲娱乐
智能家居
移动终端
增强现实
智能穿戴设备
虚拟现实
三、现代通信
81
生活 物理 社会
随着信息技术的不断发展，信息安全问题日益突出。为了有效
解决这一问题，人们想到了量子信息科学。由于光量子无法被精确
复制，且任何测量行为都会改变其状态，因此用它生成的密钥无法
被截获和破译。理论上，量子通信是非常安全的。为了从理论研究
走向现实应用，中国科学家开启了量子通信技术的创新之旅。
2016 年8 月，在我国
科研人员的不懈努力下，
世界首颗量子科学实验卫
星“墨子号”成功发射（图
17-33）。仅用了1 年时
间，“墨子号”就提前并
圆满完成远距离量子密钥
分发等既定科学实验目标，
为量子通信的实验研究贡献了中国方案。
2022 年5 月6 日，以中国科学院院士、中国科学技术大学教
授潘建伟为核心的研究团队，利用“墨子号”首次实现地球上相距
1 200 km 的两个地面站间的量子态远程传输。这为构建全球化量子
信息处理和量子通信网络奠定了重要基础。
“墨子号”与量子通信
图17-33 “墨子号”在轨示意
实践与练习
1. 查阅资料，了解手机在使用过程中产生的电磁波辐射对人体有无
影响。
第十七章 电磁波与现代通信
82
2. 2019 年1 月3 日，“嫦娥四号”探测器携“玉兔二号”月球车
成功着陆在月球背面。早先发射的、绕地月连线上点L2（拉格朗日点）
转动的“鹊桥”中继星，正在与月球一起稳定地绕地球运转，其运动轨
道如图17-34 所示。
（1）想一想，处于月球背面的“玉兔二号”月球车发出的数据是怎
样传送到地球的？
（2）若地面控制中心与“鹊桥”中继星相距约4.6 × 10
5 km，“鹊
桥”中继星与月球背面相距约6.5 × 10
4 km，则地面控制中心的工作人
员从发出指令到“玉兔二号”月球车收到指令，大约需要多长时间？
3. 水流导光小实验。
如图17-35 所示，取一个透明塑料
瓶，在靠近瓶底的侧壁上钻一个直径约
5 mm 的小孔，再将一支激光笔放在小孔
对面，使光束能穿过塑料瓶从小孔射出。
实验时，用手堵住小孔，向瓶中注
水近满，盖紧瓶盖，松开堵住小孔的手，
再打开激光笔，在小孔前方的光屏上可
以看到一个光斑。然后拧松瓶盖，瓶中的水从小孔流出，弯曲的水流流
到下方水槽中。光斑还在光屏上吗？用光屏截住水流并上下移动，你看
到什么现象？
图17-35
瓶盖
塑料瓶
激光笔
小孔
光屏
水槽
图17-34
“鹊桥”中继星
月球
地球
L2
三、现代通信
83
内容梳理
素养进阶
反思提升
1. 你是怎样知道电磁波能在真空中传播的？
2. 有线电话利用电流传递信息。与之相比，电磁波传递信息有什
么优越性？现代通信技术的发展，给我们的生活带来了哪些变化？举
例说明。
3. 查阅资料，了解电磁波在卫星通信技术中的应用。与同学交流
我国自主研制北斗卫星导航系统的重要意义。
电磁波与
现代通信
应用
早期的信息传播
电磁波
振幅
周期与频率
波长与波速
波的基本特征
广播、电视等
卫星通信
光纤通信
移动通信
现代通信
电磁波的传播
第十七章 电磁波与现代通信
84
问题解决
1. 观察微波炉的门（图17-36），
可以发现玻璃窗上夹着一层金属网。你
认为金属网的作用是什么？
2. 查阅资料，了解通信基站的蜂
窝结构布局，如图17-37 所示。说说
手机信号是怎样在两个手机之间传播
的（分同一基站与不同基站两种情况
说明）。
3. 查阅资料，了解手机改进历程中的典型案例，体会通信技术的
进步对社会发展的影响。科学技术是一把双刃剑，请讨论信息技术的
利与弊。
图17-36
图17-37
从钻木取火到化石能源的利用，再到新能源开发，
能源的更迭推动着时代的进步。
伴随着蒸汽机、内燃机、电动机等的使用，
人类社会发生了日新月异的变化。
但大量非清洁能源的使用，也引发了严重的大气污染、水污染……
节约能源、保护环境、呵护地球，
人类才能走上可持续发展的道路！
能源利用与社会发展
核能 太阳能
能量转化的基本规律
能源与可持续发展
跨学科实践
能
源
与
可
持
续
发
展
第
十
八
章
我们只有一个地球
一、能源利用与社会发展
人类社会前进的每一步都和能源的利用息息相关。可以说，能源开发
和利用技术的进步是人类社会文明发展的重要标志。
早在远古时代，人类就学会了用
火。在掌握了人工取火（图18-1）
的方法之后，人类就开启了开发、利
用能源的进程。恩格斯曾说过：“摩
擦生火第一次使人支配了一种自然
力，从而最终把人和动物分开。”
蒸汽机是在200 多年前登上
历史舞台的。有了蒸汽机，人们
就可以用煤做燃料来开动机器，
驱动火车和轮船（图18-2），
从而引发了世界性的工业革命。
随后，内燃机的发明使汽车、飞
机、轮船、内燃机车等得以广泛
使用。从此，煤、石油、天然气
等化石能源成为人类消耗的主要
能源。
19 世纪以来，电磁感应现象的
发现以及发电机的发明，使煤、石
油、天然气等化石能源转化成更加
便于输送和利用的电能。电能的利用
带来了一系列发明创造。电动机、电
灯、电话、电报和无线电通信等的问
世，极大地推动了城市化进程（图
18-3），促进了人类文明的发展。
能源的利用
图18-2 蒸汽机的应用
图18-3 电能让城市灿烂辉煌
图18-1 古人钻木取火
86
一、能源利用与社会发展
87
20 世纪初，科学家逐步揭示了原子核内蕴藏着巨大的能量。经过数十
年的研究，人们终于掌握了使这种能量安全、可控释放的有效方法，开启
了能源利用的新篇章。对于相等质量的核燃料和煤来说，核燃料放出的能
量远大于煤燃烧放出的能量。图18-4 所示是我国首个自行设计、建造和运
营管理的核电站—秦山核电站。
地球上可开发利用的能源种类繁多。有些能源如煤、石油、天然气
等，要经过数百万年才能形成，使用后逐渐减少，短期内无法恢复，这种
能源称为不可再生能源（non-renewable energy）。有些能源如太阳能、
风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等，它们可以从自然界中源源不
断地获得，这些能源称为可再生能源（renewable energy）。人们把那些
在使用时基本不产生污染物（如硫氧化物、氮氧化物等）的能源称为清
洁能源，反之则称为非清洁能源。
随着科技的发展和环境问题的日益严峻，人们越来越重视可再生清
洁能源的开发与利用。这对于满足社会发展需求和减少环境污染，促进
人类社会可持续发展具有非常重要的意义。
可再生能源与不可再生能源
图18-4 秦山核电站
如今，伴随着水能、太阳能、风能等能源的广泛使用，人类正迈向
可持续发展的道路。
第十八章 能源与可持续发展
88
实践与练习
生活 物理 社会
1. 请列举日常生活中所消耗的能源，并指出哪些是可再生能源，哪
些是不可再生能源。
风能取之不尽、用之不竭，是应用非常广泛的一种清洁能源。
我国风能资源丰富，到2024 年底，全国风力发电装机容量已超过
5.2 × 10
8 kW，约占全国发电装机容量的15.5%，仅次于火电和太
阳能发电。
内蒙古、新疆和河北等地由于特殊的地理环境而具有丰富的风
能资源，已成为我国风力发电装机的主要省区。截至2024 年底，
我国有8 个省区风力发电装机容量超过2 × 10
7 kW，其中内蒙古风
力发电装机容量达8.6 × 10
7 kW，名列全国第一。为了充分利用海
上丰富的风力资源，节约土地资源，减少陆上风力发电场对陆地生
态环境的影响，扩大开发规模并降低成本，风力发电逐步向海上转
移。如图18-5 所示，我国东南沿海地区正在加快海上风力发电项
目的建设。
中国的风力发电
图18-5 海上风力发电场
一、能源利用与社会发展
89
3. 观察图18-6，在查阅相关资料的基础上，描述可再生能源发电
的发展趋势，并简要分析原因。
2. 蒸汽机的发明对人类利用能源有什么意义？电能的广泛使用对
人类利用能源有什么意义？
图18-6
（b）2010—2020 年可再生能源
和煤在全球发电量中的占比
（a）2017—2021 年全球可再生能源发电量
发电量/（10
15 kW·h）
8
7
6
5
4
3
2
1
2017
2018
2019
2020
2021
0
水电
地热能
风电
生物质能
太阳能
—
煤
—
可再生能源
占比/ %
50
40
30
20
10
0
2010 2012 2014 2016 2018 2020
年份
年份
二、核能 太阳能
我们知道，原子是由原子核和核外电子构成的。原子核非常小，它的
直径大约是原子直径的十万分之一。原子核又是由质子和中子构成的，中
子不带电，质子带正电。带正电的质子拥挤在一个小小的原子核中，它们
之间必定会产生很大的排斥力，可为什么还能紧紧地结合在一起呢？这是
因为，原子核内的各个粒子间存在的是一种很强的相互作用——核力。质
子和中子正是依靠强大的核力紧紧地结合在一起的。某些原子核的结构发
生变化时会释放出巨大的能量，这种能量称为核能（nuclear energy）。
早在20 世纪初，科学家就已经认识到原子核内蕴藏着巨大的能量。怎
样才能让这些能量释放出来呢？科学家经过几十年的艰苦探索，终于找到
了获取核能的途径。
科学家研究发现，铀原子核在中子的轰击下会分裂成两个质量大致相
等的原子核。我们把这种质量较大的原子核分裂为两个或两个以上中等质
量原子核的过程叫作裂变。铀原子核裂变时，除了释放大量能量，还会同
时释放2 ~ 3个中子。
这些中子又能使其他
铀原子核裂变，从而
释放出更多的中子，
如图18-7 所示。该
过程自发地持续进行
下去，会释放巨大的
能量。目前的核电站
就是根据这个原理利
用核能来发电的。
此外，科学家还发现，在超高温和超高压的条件下，两个质量较轻的
原子核，如氘核和氚核，会发生聚合，生成质量较大的氦核，同时释放出
巨大的能量，这样的核反应过程称为聚变。太阳的能量就来自它内部的聚
变。科学家正在努力研究可控聚变，力争使其成为未来的一种能量来源。
核能
图18-7 核裂变
核裂变生成物
的原子核
中子
铀-235 原子核
90
二、核能 太阳能
91
图18-8 所示是我国科研人员研制的
世界第一台全超导托卡马克核聚变实
验装置——东方超环，它有“人造太
阳”之称。自建成运行以来，它已经
取得了一系列国际领先的实验成果。
核能是一种低碳能源，利用核能
进行发电，具有清洁高效、能量密度
高、单机容量大、占地规模小、不受季节和气候影响、发电稳定可靠且成
本相对较低等优点。
为了安全、有效地利用裂变时所产生的能量，科学家研制成了核反应
堆。核电站就是利用核反应堆提供的能量发电的。核电站主要由核反应堆、
汽轮机和发电机等组成，如图18-9 所示。
在核反应堆中，通过裂变将核能转化为水的内能，高温高压的水蒸气
推动汽轮机转动，进而带动发电机产生电能，最后通过电网将电能送到千
家万户。
我国核电工业经过50多年的发展，
实现了从无到有、从小到大、由大变强
的历史性跨越。2021 年12 月20 日，位
于山东威海的石岛湾高温气冷堆核电站
（图18-10）首次并网发电成功，这是
世界首个应用第四代核电技术建造的核
电站，标志着我国从“核电大国”发展
为“核电强国”。
核电站
图18-8 东方超环
核反应堆
汽轮机
发电机
电网
图18-9 核电站的组成
图18-10 石岛湾高温气冷堆核电站
第十八章 能源与可持续发展
92
国家工程
辩论：核电值得发展吗？
背景资料
20 世纪50 年代以来，核能应用技术的发展异常迅速，核能成为世界能
源舞台上引人注目的角色。核电建设取得了巨大成就，但也发生了一些骇
人听闻的事故。对于是否要把核电建设纳入国家能源发展规划之中，人们
的看法并不一致。其中有两种对立的观点：
观点1 核能利用存在的风险和危害极大，不值得提倡。持这种观点的
人以历史上发生的核电站事故为依据，对核电站的安全性持怀疑态度。
观点2 核能是安全、清洁、廉价的能源，它的风险是可以利用科学技
术加以控制的。
请组成两个小组，各代表一种观点展开辩论，其他同学对双方的辩论
过程进行评价。
交流与小结
发展核电有哪些优点？存在哪些风险？我们该如何辩证地看待核电
发展的问题？
“两弹一星”工程
“两弹一星”是我国对核弹、导弹和人造卫星的简称。20 世
纪50 年代，鉴于当时严峻的国际形势，为了保卫国家安全、维护
世界和平，我国政府果断作出了独立自主研制“两弹一星”的战
略决策。
1960 年11 月5 日，我国第一枚导弹发射成功；1964 年10 月
16 日，我国第一颗原子弹爆炸成功（图18-11），使我国成为世界
上第五个拥有核武器的国家；1970 年4 月24 日，我国第一颗人造
地球卫星—“东方红一号”（图18-12）发射成功，使我国成为
世界上第五个能独立研制和发射人造卫星的国家。
活动18.1
二、核能 太阳能
93
图18-11 我国第一颗原子弹爆炸成功
在“两弹一星”研制过程中，
一大批优秀科技工作者隐姓埋名、
默默奉献，甚至献出了宝贵生命。
1999 年9 月18 日，党中央、国务
院、中央军委决定，对当年为研
制“两弹一星”作出突出贡献的
23 位科技专家予以表彰，并授予
于敏、王大珩、王希季、朱光亚、孙家栋、任新民、吴自良、陈芳
允、陈能宽、杨嘉墀、周光召、钱学森、屠守锷、黄纬禄、程开甲、
彭桓武“两弹一星功勋奖章”，追授王淦昌、邓稼先、赵九章、姚
桐斌、钱骥、钱三强、郭永怀“两弹一星功勋奖章”。
“两弹一星”是20 世纪下半叶中华民族创造的辉煌伟业。科
学家们所具有的惊人毅力和勇气，显示出中华民族在自力更生的基
础上自立于世界民族之林的决心和能力。在他们身上所体现出的
“热爱祖国、无私奉献、自力更生、艰苦奋斗、大力协同、勇于登
攀”的“两弹一星”精神，成为激励我国科技工作者不断攀登科学
高峰的强大精神动力。
图18-12 我国第一颗人造地球卫星—
“东方红一号”
第十八章 能源与可持续发展
94
太阳很神奇也很神秘，
早在远古时代，人们就对太
阳充满着敬畏与好奇，如图
18-13 所示。太阳表面的温度
约为5 500 ℃，中心温度约为
1.6 ×10
7 ℃。太阳中蕴藏着无
比巨大的能量。人类所使用
的能源绝大部分直接或间接
来自太阳。据估计，太阳每
几天向地球辐射的能量，相
当于地球上蕴藏的所有化石
燃料所具有的化学能的总和。同时，由于太阳能（solar energy）分布广阔、
获取方便、清洁无污染，因此太阳能是人类未来的理想能源之一。
迄今为止，人类还无法直接探测太阳内部的情况，它还有非常多的奥
秘等待我们去探究。
太阳能
图18-13 新石器时代原始先民在岩石上所刻的太阳
了解太阳能及其转化
收集资料
观察图18-14，查阅相关资料，了解图中所示的风能、地热能、潮汐
能、生物质能、核能等的情况及这些能源大致的形成过程。
讨论与交流
试就下列问题发表你的看法，并与同学交流。
1. 哪些能源来自太阳？
2. 哪些是可再生能源，哪些是不可再生能源？
3. 指出三种在应用时会产生污染的能源。
列举生活中常用的几种能源，说出它们从形成到被人类获取和应用的
大致情况，并分析其中涉及的能量转化过程。
活动18.2
二、核能 太阳能
95
人们常说，太阳是地球的“能源之母”。从广义的角度看, 太阳能不仅
包括直接辐射到地球表面的太阳能，还包括由它转化形成的水能、风能、
生物质能等。现在广泛开采并使用的石油、天然气和煤等化石能源也都来
自太阳。可以说，除核能、地热能和潮汐能以外，地球上绝大部分能源来
自太阳辐射能，如图18-15 所示。
图18-14 地球上的能源
太阳辐射
月球引力
光合作用
风能
潮汐能
核电站
生物质能
火力发电站
水力发电站
地热能
图18-15 地球上绝大部分能源来自太阳辐射能
第十八章 能源与可持续发展
96
我国地域广阔，大部分国土位于中低纬度，太阳辐射较强，太阳能资
源非常丰富，扩大太阳能的应用已成为推动我国能源绿色低碳转型的重要
举措之一。目前太阳能的利用一般有光热转换和光电转换两种方式。
图18-16 所示是建立在戈壁滩上的甘肃敦煌100 MW 熔盐塔式光热电
站。该电站内1.2 万多面定日镜，以同心圆状围绕着260 m 高的吸热塔，通
过系统控制追踪太阳，把太阳光反射到吸热塔顶部，然后通过一系列的转
换技术，将光能最终转化为电能输送至千家万户。该电站由我国自主设计
和建设，全部设备都采用计算机控制，是我国目前建成的规模最大、吸热
塔最高、可24 h 连续发电的光热电站。
太阳能的应用
图18-16 甘肃敦煌100 MW 熔盐塔式光热电站
图18-17 青海塔拉滩光伏发电园区
图18-17 所示是建在
黄河上游青海塔拉滩地区
的光伏发电园区，占地面
积约为609 km2。它是目
前全球装机容量最大的光
伏发电园区。
二、核能 太阳能
97
实践与练习
1. 图18-18 所示为甘肃敦煌100 MW 熔盐塔式光热电站的工作原
理图。计算机控制定日镜的反射方向，持续地将太阳光聚集在吸热塔塔
顶的吸热器上，加热其中的熔盐，使其温度升高。高温熔盐向下流入高
温熔盐罐，热泵将它打入蒸汽发生器，与其中的冷水进行热交换，产生
高温高压的蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机发电。经过蒸汽发生器的熔盐，
放出热量后回到低温熔盐罐。该电站白天利用高温熔盐罐把多余的热量
储存起来，夜晚再把储存的热量释放出来用以发电，可以实现24 h 连
续稳定的电力输出。从太阳光的光能到最终产生电能，请分析此过程中
的能量转化情况。该电站的日均发电量是多少千瓦时？
2. 图18-19 所示是人们利用太阳
能的三种方式。请查阅资料，了解通
过这三种方式利用太阳能的现状和广
泛利用太阳能所面临的问题和挑战，
并与同学交流。
图18-18
高温熔盐罐
吸热器
低温熔盐罐
定日镜
冷却塔
蒸
汽
发
生
器
吸
热
塔
汽轮发电机
图18-19
太阳能
热水器
光热
转换
太阳能
内 能
电 能
化学能
光电
转换
光化
转换
太阳能
电 池
绿色
植物
三、能量转化的基本规律
我们是在能量转化或转移过程中利用能量的。以电能的产生和利用为
例：燃烧煤、石油或天然气对水加热，产生高温蒸汽，主要是化学能转化
为蒸汽的内能；高温蒸汽推动发电机发电，主要是内能转化为机械能，再
转化为电能；电动机带动机械运转，主要是电能转化为机械能。
历史上曾有人设想，如果能够设计出不需要消耗能量却能自动运转的
机器该有多好！那样的话，所有的能源危机就不会发生了。这种想法能实
现吗？
能量守恒定律
探究乒乓球自动“上滚”的奥秘
议一议
用两支铅笔在水平桌面上搭成如
图18-20 所示的斜坡，将乒乓球放在
斜坡的低处，松手后会看到乒乓球向
斜坡高处滚动。此现象是否说明乒乓
球可以自动从低处滚向高处？
量一量
分别测量乒乓球在斜坡低处和高处时距离桌面的高度，你有什么发现？
试一试
将两支铅笔平行放置搭成斜坡，重做上述实验，乒乓球还会自动“上
滚”吗？
测量后你会发现，看似向上滚动的乒乓球，它的重心仍然是下降的，
即它的重力势能减小，转化为乒乓球的动能，在这一过程中乒乓球的机械
能并没有增加。
活动18.3
图18-20 乒乓球自动“上滚”
98
三、能量转化的基本规律
99
生活中大量事实表明，某一能量的增加必然伴随着其他能量的减少。
历史上不少人都想设计不消耗能量，却能永远运动并对外做功的“永动
机”，但无一例外均以失败告终。
科学家经过长时间的探索终于发现：任何一种形式的能量在转化成其
他形式能量的过程中，总量保持不变。也就是说，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，在转化或转移的过程中，总量保持不变。这就是能量守恒
定律（law of conservation of energy）。
能量守恒定律是19 世纪自然科学的三大发现之一，也是自然界最普
遍、最重要的基本规律之一，恩格斯把它称作“伟大的运动基本定律”。
自然界的一切变化过程，小到微观粒子，大到宇宙天体，只要有能量的变
化，都无一例外地遵循能量守恒定律。
18 世纪末到19 世纪初，随着对动力学研究的深入，人们已经初步形
成了机械能转化和守恒的思想。同时，各种自然现象之间的联系相继被发
现。摩擦生热实验把“热”和“功”，即物体内能的变化与机械运动联系
起来；伏打电池发明后不久，电流的热效应、磁效应相继被发现；生物学
领域证明了动物维持体温和生理活动的能量跟它所摄取食物的化学能有
关。自然科学的这些成就，为建立能量守恒定律奠定了必要的基础。
19 世纪中叶，德国医生迈尔从生理学的角度对能量进行了研究，最先阐
述了能量转化和守恒的思想。英国物理学家焦耳在30
多年的时间里，做了400 多次实验，测定了热和功之
间的当量关系（图18-21），为能量守恒定律的确立
奠定了坚实的实验基础。德国物理学家亥姆霍兹最早
在论文里对能量守恒定律作出了清晰、全面的论述。
还有一批科学家，彼此独立地进行研究，从不同角度
印证了这一伟大的定律。因此，能量守恒定律的建立
是自然科学发展的必然结果，是对客观世界本质和规
律的认识。
读一读
能量守恒定律是如何建立的
图18-21 焦耳测量热功当量
数据所用的实验装置
第十八章 能源与可持续发展
100
观察以下日常生活中常见的现象：
如图18-22 所示，瀑布飞流而下，这是因为自然状态下水总是从高处
流向低处。如图18-23 所示，热水中的冰块逐渐熔化，这是因为自然状态
下热量总是从高温物体传递到低温物体。
能量转移和转化的方向性
这的确是个令人
困惑的问题。
既然能量是守恒的，不
会凭空消失，那为什么还会
发生能源危机呢？
图18-22 瀑布飞流而下
图18-23 热水中的冰块逐渐熔化
想一想，以下情况会发生吗？
房间里充满空气。突然，这些空气自行聚拢到某一个角落，如图18-24
所示。
三、能量转化的基本规律
101
这两幅图所示的情况并不违反能量守恒定律，但均不可能发生，这是
为什么呢？原来，自然界中自发的过程都是有方向的，或者说能量的转化
和转移是有方向的。
例如，电灯发光时，有一部分电能转化为内能散失到空气中，但这些
内能却无法自动地转化为电能。又如，在汽车制动过程中，它的动能转化
为地面、轮胎、空气等的内能，这些内能同样无法自动地转化为机械能再
用来驱动汽车。
我们是在能量转化或转移过程中利用能量的，而在这个过程中，总
会有一部分能量转化成内能散失到周围的环境中，无法自动转化为其他
形式的能量，因而不能再利用。也就是说，经转化后，可利用的能量只
会减少。因此，节约能源并且更有效地利用能源是人类迫切需要解决的
重要问题。
能量守恒定律以及能量转移和转化的方向性原理，将我们对自然界各
种现象和各个学科领域的认识联系起来，是人类从事生产活动和社会活动
所必须遵守的基本准则之一。
图18-24 房间里的空气会自行聚拢吗
图18-25 上面的水自发地沸腾、下
面的水自发地结冰，可能吗
一杯水的内能自发集中到这杯水的上层，使上面的水剧烈地沸腾，而
下面的水却结成了冰，如图18-25 所示。
第十八章 能源与可持续发展
102
实践与练习
1. 人类发明和制造的一些机械设备可以看作是一种能量转换器。按
照这种观点，分别说出蒸汽机、发电机和电动机的能量转化过程。
2. 小华在做如图18-26 所示的滚摆实验时，发
现滚摆每次上升的高度逐渐减小。小华想：“这是否
说明在动能与重力势能相互转化的过程中，整个装
置的能量不守恒呢？这不是与能量守恒定律相矛盾
吗？”请你帮小华解决她的困惑。
3. 有人设计了如图18-27 所示的
“永动机”：在距地面一定高度处架
设一个水槽，水从槽底的管中流出冲
击水轮机，水轮机的轴上安装有一个
抽水机和一个砂轮。他希望抽水机把
下面水槽里的水抽上去，这样循环不
已，机器不停地运转，就可以永久地
用砂轮磨制工件了。
请分析高处水槽中水的势能转化
成了哪几种形式的能量？这个机器是
否能自行持续运转下去？
图18-26
图18-27
水轮机
砂轮
抽水机
四、能源与可持续发展
能量转化的效率
图18-29 某小轿车正常工作时的能量转化情况
图18-30 某节能灯正常工作时的能量转化情况
100 J
电能
节能灯
68 J 内能
32 J 光能
2 000 J
化学能
小轿车
300 J 动能
1 700 J
内能和声能
我们在学习“简单机械和功”一章
时，知道了机械效率。在利用动滑轮提升
重物的过程中，从能量转化的角度来看，
输入的能量来源于人体的化学能，它等于
手拉绳所做的功，输出的能量是重物及滑
轮被提升后获得的机械能和此过程中因摩
擦而产生的内能，如图18-28 所示。
再如，一辆利用热机做功的小轿车，
输入的能量是燃油的化学能，输出的能
量是小轿车的动能、声能和内能等。其能量的转化关系如图18-29 所示。
又如，某节能灯在使用过程中输入的是电能，输出的是光能和内能，其
能量的转化关系如图18-30 所示。
图18-28 用动滑轮提升重物
输入
输出
化学能
机械能和内能
大量事实表明，任何机械或装置都可看成能量转换器，输入的能量只有
一部分转化为有用的能量，还有一部分在转化过程中损失掉了。例如，机械
因摩擦而生热，内燃机做功必然要散热等。因此，能量转化的过程存在效率
问题。由于转化过程中能量损失不可避免，所以任何机械或装置的能量转化
效率都不可能达到100%。
通常，能量转换装置的效率可用下式计算：
若用字母表示，则上式可写为
。
103
第十八章 能源与可持续发展
104
从人类社会发展的进程看，每次能源变革都无一例外地把人类社会推
向一个新的发展阶段。能源为人类文明发展作出了重大贡献。但是，当前
能源的开发与利用问题也使人类产生了深深的忧虑与困惑。
19 世纪以来，随着化石能源的大量使用，大气中二氧化碳等温室气
体浓度不断增加，导致地球气温升
高、全球变暖。联合国政府间气候
变化专门委员会预测，到2100 年，
全球平均气温将比工业化前上升
1.5 ~ 4.8 ℃。若全球平均气温上升
2 ℃，则极地冰川和冰层会大规模熔
化（图18-31），导致海平面显著上
能源与可持续发展
图18-31 地球气候变暖导致冰川加速熔化
图18-29 所示的小轿车正常工作时的效率
图18-30 所示的节能灯正常工作时的效率
可见，一盏100 W 的这种节能灯正常工作，1 s 产生的光能约为32 J，
而过去使用的白炽灯效率只有10% 左右，即相同功率的白炽灯1 s 产生的
光能只有约10 J，其他的电能都转化成了内能。正因为如此，如今白炽灯已
经逐渐被各类节能灯所取代。
随着科学技术的发展，各种机械或装置在工作过程中的能量转化效率
在不断提高。下表列出了几种热机的效率：由蒸汽机发展到喷气发动机，
能量利用效率从6％提高到60％左右。如今，各类汽油机、柴油机的效率
与以往相比都有了一定幅度的提升，混
合动力汽车发动机的效率较高，超出了
40％，但是，和电动汽车中的电动机相比
仍相形见绌，电动汽车的电动机将电能转
化为动能的效率还要高得多。可见，能源
利用效率的提高离不开科学技术的进步。
种 类
效 率
蒸汽机
6％～15％
汽油机
30％～40％
柴油机
40％～50％
喷气发动机
50％～60％
一些热机的效率
四、能源与可持续发展
105
实践与练习
1. 未来的理想能源，应该是来源丰富、可再生、洁净安全、获取方
便且经济的能源。试比较各种能源的特点，议一议：哪些能源将成为人
类优先开发和利用的能源？哪些能源有望成为未来促进人类社会可持
续发展的主体能源？
升，从而淹没全球大批沿海城市，对数以亿计的居民造成威胁。此外，气
候变化还会导致生物多样性下降、水资源短缺等严重问题。
2015 年，在各国的共同努力下，第21 届联合国气候变化大会通过了《巴
黎协定》，首次提出让所有国家共同致力于实现以下目标：与前工业化时期
相比，将全球平均温度升幅控制在2 ℃以内，并继续争取把温度升幅限定
在1.5 ℃以内。2020 年9 月，我国在第75 届联合国大会上发言，将力争于
2030 年前实现“碳达峰”，争取在2060 年前实现“碳中和”。
要实现碳排放持续大幅下降，一方面要优化能源结构，加快发展太阳
能、水能、风能等清洁能源；另一方面要大力提倡低碳消费，落实节能举
措，降低能耗。让我们从力所能及的小事做起，积极践行“绿水青山就是
金山银山”的发展理念，实现社会可持续发展，共创人类美好未来。
“碳达峰”是指二氧化碳年排放的总量在某一个时期达到历史最高值，之
后逐步降低。
“碳中和”是指在一定时期内，通过植树造林、节能减排等方式抵消人为
产生的二氧化碳。
信息快递
第十八章 能源与可持续发展
106
2. 三峡水电站是世界上规模最大的水力发电站，2020 年全年累
计生产清洁电能1.118 × 10
11 kW·h。该发电量相当于一个每年消耗
3.44 × 10
10 kg 标准煤的火力发电站的年发电量。
（1）已知标准煤的热值为2.9 × 10
7 J / kg，则3.44 × 10
10 kg 标准煤
完全燃烧会放出多少热量？
（2）向大气中排放过量的二氧化碳等气体，是造成“温室效
应”的主要原因。截至2025 年8 月31 日，三峡水电站累计发电超过
1.8 × 10
12 kW·h，至少减少排放二氧化碳1.48 × 10
12 kg。已知在通常情
况下，二氧化碳气体的密度为1.98 kg / m
3，这些二氧化碳气体的体积
约为多大？
（3）根据上述资料计算火力发电站的效率。
3. 燃油小轿车的能量来自燃油燃烧释放的化学能，小轿车消耗的化
学能除了转化为动能，还通过哪些途径转化为其他哪些形式的能量？哪
些能量是有用的？哪些物质会对环境产生不利影响？
跨学科实践
家庭能耗调查与节能环保小屋制作
我们的生活一刻都离不开能源，全社会每天的能源消耗量十分巨
大。长期以来，人们一直依赖化石能源，不仅对生态环境造成了危害，
也对社会的可持续发展造成了威胁。
此次跨学科实践活动，我们将开展家庭能耗调查，探寻家庭节能的
途径，尝试设计并制作节能环保小屋模型，展望绿色生活新景象。
任务与要求
1. 调查家庭能耗状况及影响因素，提出家庭节能的措施或设想。
观察目前家庭所用能源的种类。向长辈们咨询，了解家庭所用能源
的历史变迁及其原因。
观察家中空调、电冰箱、热水器、抽油烟机等设备的能耗参数（如
电功率、能效等级等），估计各设备每月使用时长并估算消耗能量的多
少，列出家庭中能耗较大的设备。观察家居房屋的保温隔热性能和采
光、通风等情况，了解影响能耗的因素。结合自己和其他同学关于家庭
能耗的调查，有针对性地提出家庭节能的措施或设想。
2. 参考图18-32，设计并制作节能环保小屋模型。
图18-32 节能环保小屋模型
从小屋的环境、照明、供热、新能源使用、实用性、节约成本等多
方面综合考虑，开展节能环保小屋模型的设计与制作。
107
第十八章 能源与可持续发展
108
（1）设计采光通风系统：根据小屋所在地的日照、风向等情况，
设计小屋的朝向、屋檐的挑出宽度、窗与门的位置及尺寸大小，以最大
限度地利用自然光和实现自然通风。
（2）设计照明与新能源供电系统：根据小屋内部以及周边的照明
需求，选择合适功率的LED 节能灯和LED 声光控节能灯，并设计照明
电路。结合小屋的其他功能确定小屋用电的总电功率，设计小屋的供电
装置和供电电路。
（3）设计热水供应和供暖系统：根据小屋的热水使用量和供暖需
求，设计太阳能热水器模型的容量、尺寸以及供暖管道的铺设路径等。
（4）设计储能系统：根据用电需求，利用小屋外表或周边环境，
通过光伏、风力发电自备供电系统，力求自给自足。评估小屋所在地连
续阴雨天和夜晚照明所需的电能，选择合适的蓄电装置并设计充电电
路，以便将供电系统输出的多余电能储存起来以备不时之需。
（5）选择合适的制作材料：从材料的硬度、密度、隔热性、价格
等方面进行比较和分析，选择合适的材料制作节能环保小屋模型。
交流与评价
1. 交流调查研究报告，展示制作的模型并交流设计和制作的心得和
体会。
2. 从措施和设想的可行性、创新性，以及节能环保小屋模型结构的
合理性、工艺水平、节能环保效果等方面进行评价。
3. 回顾在调查、设计和制作的过程中，涉及了哪些学科的知识和技
能，尝试做进一步研究，并对节能环保小屋模型加以改进。
四、能源与可持续发展
109
内容梳理
素养进阶
反思提升
1. 能量守恒意味着能量不会消失，可为什么还会出现能源危机？
2. 家庭生活消耗的电能，可能是由其他某种能源转化而来的（考虑
多种可能性），而这些能源又是从何而来的？试着追根溯源，画出能源
转化关系图。你有何发现？
3. 查阅相关资料，并结合本章第三节的“读一读 能量守恒定律是
如何建立的”，详细了解能量守恒定律的建立过程。说说你对“科学原
理是如何发现的”这一问题的认识。
4. 试以“开发新能源与节约能源哪个更重要”为主题，发表自己的
观点并与同学交流。
能
源
与
可
持
续
发
展
可再生能源、
不可再生能源
清洁能源、
非清洁能源
能源
不可再生能源有限，
非清洁能源造成污染
分类
措施
能量转化的基本规律
能量守恒定律
自然现象
能量转移和转
化的方向性
解释
核能
特点和应用的利弊
太阳能
特点和利用的途径
潮汐能、地热能等其他新能源
开发新能源
节约能源和提
高能源利用率
种类
面临问题
第十八章 能源与可持续发展
110
1. 如果你的家乡要建一座发电站，你认为选择哪一种类型（如水
力发电、火力发电、核能发电、太阳能发电、沼气发电等）的发电站
比较好？理由是什么？
2. 如图18-33 所示，在桌面上放
一杯水，并取一根棉线，使其一端浸
在水中，另一端垂在杯外。调节杯外
棉线段的长度，看看什么情况下才会
有水滴落。根据看到的现象，你想提
出什么问题？
3. 查阅资料，了解不同国家的人均能源消费量，分析其存在差异的
原因。查阅《新时代的中国能源发展》白皮书，就我国能源发展提出合
理化建议。
4. 下表记录了某同学的一些生活习惯和活动。为节能减排，你认
为他的生活习惯和活动可以做哪些改变？与同学交流，看看谁的建议
最多、谁的建议最有价值。
生活习惯和活动
节能减排的方法
理 由
每周泡两次热水澡
用快速淋浴代替泡澡
减少热水的使用，可以
节约水资源、降低能源
的消耗
夏天一直开着空调，并将
温度设定在20 ℃
出门时经常不关灯
购物时经常使用一次性
塑料袋
问题解决
h′
h
图18-33
（a）
（b）
附 录
常用物理量及其单位
物 理 量
单 位
备 注
名 称
符 号
名 称
符 号
功
热量
W
Q
焦耳（焦）
J
1 J ＝ 1 N·m
功率
P
瓦特（瓦）
毫瓦
千瓦
W
mW
kW
1 W = 1 J / s
1 mW = 10
-3 W
1 kW = 10
3 W
热值
q
焦/ 千克
J / kg
电流
I
安培（安）
毫安
微安
A
mA
μA
1 mA = 10
-3 A
1 μA = 10
-6 A
电压
U
伏特（伏）
毫伏
千伏
V
mV
kV
1 mV = 10
-3 V
1 kV = 10
3 V
电阻
R
欧姆（欧）
千欧
兆欧
Ω
kΩ
MΩ
1 kΩ = 10
3 Ω
1 MΩ = 10
6 Ω
电功
W
焦耳（焦）
千瓦时
J
kW·h
1 kW·h = 3.6 × 10
6 J
111
物理学名词中英文索引
词 汇
英文对照
页 码
B
不可再生能源
non-renewable energy
87
C
磁场
磁感线
磁体
magnetic field
magnetic induction line
magnet
31
32
30
D
地磁场
电磁波
电磁波谱
电磁感应
电动机
电功率
电能
geomagnetic field
electromagnetic wave
electromagnetic wave spectrum
electromagnetic induction
motor
electric power
electric energy
33
70
72
50
42
6
2
E
额定功率
rated power
7
F
发电机
generator
52
G
感应电流
光导纤维
induction current
optical fiber
50
78
H
核能
nuclear energy
90
112
词 汇
英文对照
页 码
J
焦耳定律
交变电流
Joule’s law
alternating current
14
54
K
可再生能源
renewable energy
87
L
螺线管
solenoid
37
N
能量守恒定律
law of conservation of energy
99
T
太阳能
solar energy
94
续 表
113
物理学名词中英文索引
后 记
本套教科书全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，以《义
务教育物理课程标准（2022 年版）》为依据，按物质、运动和相互作用、
能量三大主题构建逻辑结构，系统设计学生实验、探究活动、跨学科实践
活动，充分关注物理学与生活、社会的联系，关注弘扬中华优秀传统文化
和展现科技发展新成果，着力发展学生核心素养。
本套教科书充分汲取了国内外优秀教科书的编写经验和实践成果，凝
聚了众多课程专家、学科专家、教研人员和一线教师的智慧。祝世宁院士
担任本套教科书顾问，刘兵、李春密对本套教科书的编写给予了悉心指导，
朱文军、王思慧、徐小农、邵云等审读了整套教科书，一大批教研员、教
师和学生参与了教科书的试教试用。孙龙周、薛钰康、藤玉英、王增强、
翟应品、史文斌等对本册教科书进行了精心审读，顾炳峰专门为本册教科
书拍摄了大量插图。在此，我们对所有为本套教科书编写提供支持的社会
各界朋友表示衷心的感谢！
本套教科书主编为刘炳昇。本册教科书主编为杨树崤，编写人员有杨
树崤、许亚平，参与编写讨论的人员有朱文军、陈娴、仲扣庄、王文涛、
瞿晓峰、许帮正等。
本套教科书（2012 年版）主编为刘炳昇、李容，副主编为叶兵。其中，
九年级下册编写人员有杨树崤、周继中、陆建隆。
教材建设是一项长期的系统性工程，我们热切期望广大教师、学生及家长
参加到教材建设中来，与我们携手为打造培根铸魂、启智增慧的国家精品教
材而不懈努力。联系电话为（025）86633140，编读信箱为skwljc@126.com。
编 者
YIWU JIAOYU JIAOKESHU
物理
WULI
九年级下册
义
务
教
育
教
科
书
