物理高中二年级第二学期.pdf

责任编辑 伍唐生整体设计 陈 蕾经 上 海 市 中 小 学 教 材 审 查 委 员 会审查准予试用 准用号 -GB-2007024物 理高级中学课本高中二年级第二学期）试用本）高级中学课本上海科学技术出版社高中二年级第二学期（试用本）上海科学技术出版社高级中学课本物 理高中二年级第二学期（试用本）上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会(上海钦州南路71号，邮政编码200235)上海新华书店发行 上海中华印刷厂印刷开本 890 1240 1/16 印张5 字数00 0002007 年 12 月第 1版 2007 年 12 月第 1次印刷印数:1-00 000ISBN 978-7-5323-9145-5定价：5.80元上海市物价局价格审查批准文号：沪价商专（2007）57号全国物价举报电话：12358出版上海世纪出版股份有限公司上 海 科 学 技 术 出 版 社此书如有印、装质量问题，请径向本社调换上海科学技术出版社电话：6 4 0 8 9 8 8 8未经允许，不得翻印未经允许，不得翻印高级中学课本高中二年级第二学期（试用本）上海科学技术出版社未经允许，不得翻印未经允许，不得翻印第十二章物质的微观结构 A.电磁感应现象.2 B.感应电流的方向 右手定则.7 C.学习包电磁波.11电磁感应 电磁波第十一章目 录 微观和宇观世界第四篇 A.原子的核式结构.23 B.物质的放射性及其应用.27 C.原子核的组成.36 D.重核裂变 链式反应.42 E.反应堆 核电站.483目录 112122未经允许，不得翻印 A.万有引力定律.54 B.宇宙的基本结构.57 C.天体的演化.65第十三章宇宙 可爱的物理学结束语目录 25371未经允许，不得翻印11831年，英国物理学家、化学家法拉第（M.Farady，17911867）经过十年的努力，终于发现了电磁感应现象。应用电磁感应的原理，法拉第制作了世界上第一台发电机（图11-1）。只要摇动发电机手柄使圆盘旋转，就可以获得连续的电流了。从1832年起，接连出现了手摇交流发电机、直流发电机、工业用自激式发电机开始了电力革命的时代。图11-2所示是我国三峡工程的水轮发电机组安装现场。然而科学家们并不满足。英国物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell，18311879）在法拉第工作的基础上，进一步研究了电场与磁场之间的关系，建立了电磁场理论，并得到了广泛的应用。图11-3所示的超轻型“飞翼”无人机，利用电磁波的发射和接收原理，在军事上可作为无人侦察机、水面舰艇和地面指挥中心之间进行通信的中继站。在本章中，你将学习：磁能生电吗？在什么条件下可以产生感应电流呢？如何判断感应电流的方向？什么是电磁波？你知道日常生活中的电磁波吗？导 学第十一章电磁感应电磁波图 11-3图 11-2图 11-1未经允许，不得翻印21820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，揭示了电与磁的内在联系。这一发现使许多物理学家都在逆向思考：既然电能生磁，那么磁也能生电！瑞士物理学家科拉顿曾设计了一个利用磁铁在闭合线圈中获取电流的实验（图11-4）。他将一块磁铁放在螺线管中，试图在闭合线圈中产生电流，又在另一个小线圈中放一个小磁针，作为“灵敏电流计”。为了排除磁铁放入对“灵敏电流计”小磁针偏转的影响，他把“灵敏电流计”放到隔壁房间中去，用长导线把“灵敏电流计”和螺线管连接起来。实验开始了，科拉顿把磁铁插到螺线管中去以后，就跑到隔壁房间中去看有没有电流产生，但他十分痛心地看到“灵敏电流计”的小磁针静止在原位。科拉顿在两个房间之间来回跑，始终没有看到小磁针动一下。实验失败了！在同一时期，英国物理学家、化学家法拉第也在潜心研究“磁生电”的课题。为了有明显的实验效果，他设计了类似于图11-5所示的实验：在铁环上绕了约62 m长的铜线做成一个线圈，将它与100对极板组成的电池组相连接，在这个线圈外再放一个未接电池的线圈。他试图由第一个通电线圈产生的强磁场来使另一个线圈中产生电流。那么，实验结果究竟如何呢？电磁感应现象“磁能生电”吗？现在，我们自己动手来做一个“磁生电”的实验。把条形磁铁放在线圈中，将灵敏电流计和线圈按图11-6连接成闭合回路，观察灵敏电流计指针是否偏转？自主活动图 11-5图 11-4未经允许，不得翻印31.电磁感应(electromag-netic induction)现象闭合回路中产生感应电流的现象，叫做电磁感应现象。探索研究通过法拉第实验的启发，现在让我们利用现有实验器材（图11-7），来探究产生感应电流的条件。问题产生感应电流的条件是什么？猜想在图11-6实验中，磁铁在线圈中插入、拔出时，什么物理量发生了变化，从而导致感应电流产生？方案除了上述方法外，利用现有实验器材，根据你的猜想设计出几种实验方案，包括原理、电路和步骤。记录记录你在实验过程中观察到的现象，并与用磁铁插入、拔出2.产生感应电流的条件试试看，用什么办法可以使灵敏电流计的指针发生偏转？实验结果表明，当磁铁在线圈中运动（插入或拔出）时，闭合回路中会产生电流，这种电流叫做感应电流。图 11-6图 11-7AB产生感应电流的条件是什么？法拉第经过10年艰苦的实验探索，终于在接通电源的一刹那，发现了感应电流。他恍然大悟：以前做实验时都是接通电源以后才去看灵敏电流计的，这时通电线圈中的电流已处于稳定状态，第二个线圈所在的磁场不再有变化，也就不会有电流产生了。学生实验探究感应电流产生的条件实验目的探究感应电流产生的条件。实验器材条形磁铁、灵敏电流计、线圈A和B、滑动变阻器、电源、开关、导线等。实验结论未经允许，不得翻印4时产生的现象作比较：。结论由上述实验可知，对闭合回路来说，不管是磁铁插入、拔出，或电流产生的磁场发生变化，都会造成穿过闭合回路的磁通量改变。所以，当穿过闭合回路中的磁通量发生变化时，闭合回路中就会产生感应电流。示例 法拉第在 1831 年 9 月 24 日做了如下的实验，实验装置类似于图11-8(a)所示，两根条形磁铁摆成V形，软铁棒上绕着一组线圈，并串联了一只灵敏电流计。当其中一根磁铁上端与软铁棒接触或断开的瞬间，他看到了灵敏电流计的指针发生了偏转。法拉第又一次证实了他发现的电磁感应现象。如何解释这个实验现象？解答：图11-8(b)是实验示意图，在软铁棒中有磁感线穿过。当磁铁上端与它接触或断开的瞬间，穿过绕在软铁棒上的闭合线圈中的磁通量突然发生变化，产生感应电流，所以，灵敏电流计的指针发生了偏转。当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路中就有感应电流产生。（a）图 11-8（b）灵敏电流计软铁棒条形磁铁NNSSSN条形磁铁G未经允许，不得翻印5实验时，线圈所在平面与地面始终垂直。转动线圈，界面上的电流表指针会指示产生感应电流的情况。当线圈平面与磁子午线所在平面平行时，转动线圈，电流表的示数变化比较明显。图 11-9（b）演示实验：微弱磁通量变化时的感应电流A计算机环形线圈微电流传感器（a）数据采集器DIS 实验微弱磁通量变化时的感应电流地磁场较弱（在地面附近，磁感应强度大小的平均值为5 10 5 T）。应用DIS可观察到闭合线圈中由于穿过线圈平面的地磁场的磁通量发生变化而产生的感应电流。实验装置如图11-9(a)所示，将微电流传感器接入数据采集器，并与环形线圈的两端引出线相连。开启电源，运行DIS应用软件。点击实验条目中的“微弱磁通量变化时的感应电流”，软件界面如图 11-9(b)所示。未经允许，不得翻印61831年10月28日，法拉第的圆盘发电机诞生了。英国财政大臣格拉斯问他：“你的发明有什么用处？”法拉第回答说：“我现在还不知道，但是有一天你将从它身上去抽税。”谈谈你对这段对话的感想。家谈大图 11-10 法拉第1821年，法拉第在日记中写下了他的预见：“磁能转化成电！”并开始了“由磁产生电”的实验研究。可是实验探索的道路从来都是曲折的。开始，法拉第认为：用强磁铁靠近导线，导线中就会产生电流。实验证实这个设想是错误的。但法拉第并没有就此止步，而是坚持探索。在他口袋里装满了铁块、磁铁、导线和线圈，不断地进行着新的实验。1831年8月29日这天，他终于发现了电磁感应现象。一个月后，法拉第把进一步研究的结果进行了总结，并于 11 月 24 日在英国皇家学会上宣读了论文。有关电磁感应问题，还有相当多的物理学家同时在从事研究。美国物理学家亨利和俄国物理学家楞次，对电磁感应现象也作了深入的研究，取得了卓著的成绩。电磁感应现象的发现，丰富了人类对于电磁现象本质的认识，揭示了电与磁之间相互联系和转化的客观规律；同时，在实践上为电工技术、电子技术及电磁测量技术等打开了广泛应用之门。法拉第发现电磁感应，使人类第一次看到除利用电池以外获得电能的可能性。事实上，法拉第的“磁生电”装置就是发电机的始祖；他的电磁感应理论（1834年被命名为法拉第电磁感应定律）是发电机发电的基础理论。因而，“磁生电”被誉为19世纪最伟大的发现之一。法拉第经过10年艰苦努力，最终因偶然机会发现了电磁感应现象。正如恩格斯曾指出说：“在历史的发展中，偶然性起着自己的作用，而它在辩证的思维中，就像在胚胎的发育中一样包括在必然中。”历史回眸未经允许，不得翻印7据报道，1992年和1996年美国科学家在航天飞机上分别进行了一项卫星悬绳发电实验，取得了部分成功。实验是这样进行的：从航天飞机上释放一颗卫星，卫星与航天飞机之间用导电的缆绳相连，这种卫星称为绳系卫星（图11-11）。绳系卫星随航天飞机在太空中一起沿地球的东西方向（与地磁感线方向垂直）飞行。根据理论设计，导电缆绳中可产生约3 A的感应电流（导电缆绳两端物体通过向空间放电形成电流）。那么，导体在磁场中运动时也会有电磁感应现象吗？如果这颗绳系卫星在赤道上空由西向东，或由东向西飞行，在这两种情况下，导电缆绳上电流方向相同吗？按图 11-12 所示，在蹄形磁铁的磁场中悬挂一根直导线 AB，导线跟灵敏电流计相连接，组成一个闭合回路。让直导线在磁场中沿不同方向运动，观察灵敏电流计的指针的偏转情况。由实验现象可知，当闭合回路中部分导体在磁场中运动并切割磁感线时，会有感应电流产生。如果导体沿磁场方向运动，灵敏电流计的指针不发生偏转。1.导体切割磁感线时的电磁感应现象图 11-12NBSA感应电流的方向 右手定则导体做切割磁感线运动时，能否产生感应电流？图 11-11闭合回路中部分导体做切割磁感线运动时，有感应电流产生。未经允许，不得翻印8闭合回路中部分导体在磁场中运动时，闭合回路内的磁通量发生变化吗？家谈大事实上，从图 11-12 可以看出：闭合回路中部分导体做切割磁感线运动时，回路中磁通量发生了变化，因而同样会产生感应电流，与前面学习的结论是一致的。从上面的实验中还可以观察到，导线从不同方向切割磁感线，灵敏电流计的指针的偏转方向是不同的。那么，感应电流方向除了跟导线运动方向有关系之外，还与什么因素有关呢？现在我们再用一下图 11-12 所示的实验装置，来做如下探究。1.将直导线沿垂直于磁场的方向来回做切割磁感线的运动，观察灵敏电流计的指针的偏转情况。2.改变蹄形磁铁放置方向，即使磁场方向与刚才的相反，再重复上述步骤（来回切割），观察灵敏电流计的指针又是怎样偏转的。3.使直导线沿磁感线方向上下运动，观察灵敏电流计的指针的偏转情况。由实验可知，导体做切割磁感线运动时产生的感应电流方向与导线运动方向和磁场方向有关。那么，你能归纳出感应电流方向与导体运动方向、磁场方向三者之间的关系吗？导体做切割磁感线运动时，感应电流的方向与哪些因素有关？如何判定感应电流的方向？导体做切割磁感线运动时产生的感应电流方向，除了与导体运动方向有关，还与磁场方向有关。未经允许，不得翻印9示例1 如图11-15所示，让线圈abcd由位置1向右移动，经过磁场中的位置2和3而离开磁场到达位置4。线圈分别经历12、23和34三个过程时，有感应电流吗？若有电流，那么电流方向如何？用右手定则判定图11-14所示的四种情况中，闭合回路的一段导体里感应电流的方向。自主活动图 11-14（a）（b）（c）（d）vvvv图 11-15dabc1234如图11-13所示，我们可借用伸开五指的右手，来判断闭合回路中部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生的感应电流方向。具体作法：伸开右手，使拇指与四指垂直，并且与手掌处于同一平面内，拇指指向导体运动方向，让磁感线垂直穿过手心，则其余四指的指向就是感应电流方向。这就是右手定则。2.右手定则(right-handrule)伸开右手，让拇指与其余四指垂直，并且与手掌在同一平面内，让磁感线垂直穿入手心，拇指指向导体运动方向，则其余四指的指向就是感应电流的方向。图 11-13NS未经允许，不得翻印10若示例 2 中磁场方向相反，会得到相同的结论吗？请说明理由。家谈大图 11-16vacbd解答：导线ab向左滑动时切割磁感线，产生感应电流。用右手定则可判知 ab中的电流方向是 a 到 b，则闭合回路中导线cd中的电流方向是 d到c。通电导线 cd 在磁场中要受到磁场力的作用。用左手定则判断可知，导线cd所受磁场力的方向是向左的。所以导线 cd 也会向左运动。解答：线圈从位置1到2的过程中，bc边向右切割磁感线，闭合线圈中有感应电流产生，用右手定则可判定电流方向是c到b，线圈中有逆时针方向的电流。线圈从位置2到3的过程中，通过线圈的磁通量没有发生变化，线圈里电流为零。线圈从位置3到4的过程中，ad边向右切割磁感线，产生由d到a的感应电流，线圈中有顺时针方向的电流。示例2 如图11-16所示，在两根平行的光滑导轨上，垂直放置两条直导线，整个装置处在垂直于轨道平面向下的匀强磁场中。当导线ab向左滑动的过程中，cd导线也会向左运动，这是什么原因？未经允许，不得翻印11学习包电磁波本学习包主要学习电磁波的性质及其简单应用，学习过程建议分两个阶段进行：二第 阶段：展示交流实验展示、成果交流学习小结、自我评价课内总结学习包学习体会课外一第 阶段：问题探索听介绍、看演示实验分组、明确任务课内课外查阅资料、上网浏览实验探索、创新研究一第 阶段：问题探索通过对电磁感应现象的学习，我们已初步了解电与磁之间的相互联系和转化的客观规律。而且，在初中时已接触过一点关于电磁波的知识，知道电磁波有十分广泛的应用。那么，电磁波是怎样产生和传播的呢？电磁波怎样分类？在哪些场合不宜使用手机？在使用微波炉时要注意什么问题？电磁波对人体健康有哪些危害？总之，在这个“电磁波”学习包的学习中，你可以主动提出许多自己感兴趣的关于电磁波的问题，进行探讨和实验，进一步了解电磁波的应用和发展。我们已学过，机械振动的能量在介质中以波的形式进行传播。电场和磁场的能量能否传播呢？我们知道，如果在空间某处的电场发生了变化，就会在其周围空间产生磁场。如果磁场也是变化的，那么在它周围又会产生电场。变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场，如图11-17所示。英国物理学家麦克斯韦指出：变化的电场周围会产生磁场，而变化的磁场周围又会产生电场。这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，从而形成了一个不可分割的统一体，并从发生区域向周围空间传播，就形成了电磁波（electromagnetic wave）。电磁波在真空中的传播速度等于光速。未经允许，不得翻印12我们用图11-18所示的A、B两只莱顿瓶（请参阅本节“参考资料8”）来演示电磁波的发射和接收。将A的振子a、b接在感应圈（感应圈是产生高电压的装置）输出端，接通感应圈电源，使A的振子a、b间产生火花，并发射电磁波。将带有氖灯的莱顿瓶B靠近A，调节滑动杆的位置，当A和B的滑动杆位置相同时，可观察到氖灯发光。实验表明，尽管A和B 这两个电路之间没有导线相连，但B 的能量显然可由A 通过电磁波传播过来。图 11-17BEEBEB我们也可以使用DIS微电流传感器（图11-19）在通用软件上做实验，检测多种电磁波信号源（如电动机、电动剃须刀等）的电磁波发射与屏蔽的效果。图 11-18图 11-19电动剃须刀bABa金属滑动杆金属滑动杆氖灯电容器电动机未经允许，不得翻印13当电磁波发射源距微电流传感器较远时，可以在实验界面上看到有微弱的波形图11-20(a)。当两者相距较近时，可以看到波幅明显增大图11-20(b)。若将电磁波发射源用铝箔完全包住时，微电流传感器接收不到任何电磁波信号。图 11-20（b）电动剃须刀（电动机）距微电流传感器较近（a）电动剃须刀（电动机）距微电流传感器较远电磁波的传播速度与光速相等。光也是一种电磁波。电磁波有很宽的频率范围，能在真空中传播，并能穿透绝大多数介质。但不同波长的电磁波表现出的性质有明显差异，因而常把电磁波划分为若干波段。我们把电磁波按波长大小依次排列，就形成了电磁波谱。关于电磁波谱上各波段电磁波的性质和广泛用途，请同学们查阅本节“参考资料”和“英语角”中所提供的资料。有关的课外书籍或相关网站上也可以寻找到你所需要的相关资料，自己加以整理后，可以在课上进行交流。下述问题可供参考：1.为什么说人们都生活在电磁波的“海洋”里？举例说明。2.在电磁波谱中，若以波长从小到大依次排列，共有哪些种类的电磁波？3.为什么在地铁里也可以照常使用手机？在何种场合不宜使用手机？为什么？4.微波炉加热食品的原理是什么？使用中应注意哪些问题？5.你可以提出自己感兴趣的任何有关电磁波的问题，尝试进行探讨和表述。6.如何利用家用电器，动手实验探究电磁波的发射、接收、反射、屏蔽、干扰等现象？可参考下述课文中提供的相关小实验，尽可能创造性地做好这些小实验，并争取在课堂上展示。我们可以利用一些常见的家用电器，如电视机、遥控器、收音机、无绳电话、手机、微波炉、电动剃须刀、验钞器等，做许多关于电磁波的小实验。这些小实验可以显示电磁波的发射、接收、干扰、屏蔽、反射等现象，也可以反映出不同波长的电磁波如紫外线、红外线、微波、无线电波等的不同性质。现提供以下六个小实验作参考。未经允许，不得翻印14（3）紫外线的应用。有一种小型验钞器（图11-23），它能发射紫外线。若照在纸币上，能显示纸币上的荧光防伪标志。这个小实验说明了紫外线具有怎样一种特殊的性质？结论：_。（2）电磁波的反射。许多家用电器的遥控器都采用红外线（也属于电磁波）遥控的原理，但它有一个有效使用的角度范围。有时遥控器没对准电视机也可以调控电视。如图11-22所示，用一硬纸板作红外线的反射面，适当调节硬纸板平面与红外线信号方向间的位置关系，就可以实现电视遥控。为什么？结论：_。（4）微波的热效应。微波炉是利用微波对食品的加热功能来烹饪的。微波是一种高频电磁波，以每秒24亿次的频率振动，引起水分子的高速振动，从而产生极大的热量。试用微波炉加热一个小番茄，可以看到番茄由于温度升高而发生爆裂的情况（图11-24），这又说明了什么？结论：_。图 11-21图 11-22图 11-23图 11-24（1）电磁波的屏蔽。打开小收音机，调谐至某一电台以便能听到清晰的播音。然后，找一金属饭盒、金属锅或金属薄膜袋之类的容器，把收音机放入其中（图11-21），直至其全部被覆盖，听听播音有什么变化。为什么？结论：_。未经允许，不得翻印15（5）电磁波的发射和接收。无绳电话（图11-25）或手机相当于一台电磁波发射机或接收器。使用它们，并研究它们发射或接收信号时，什么情况下会产生障碍，是什么原因造成的？结论：_。图 11-25（6）电磁波干扰。打开收音机，在收音机旁放置一个正在工作的手机或电动剃须刀，可以明显地听到原有的播音受到了干扰（图11-26）。手机的信号或电动剃须刀工作时会对收音机产生干扰。调节干扰源与收音机的方位和距离，看看有什么情况发生？结论：_。图 11-26除以上小实验外，你是否能利用身边现成的器材，再自行设计一些小实验，进行关于电磁波方面的探索研究？选择一些效果较好的实验在班上演示和交流。现在，我们一起对学习包的学习进行小结：1.在电磁波学习包中你做了哪几个家庭物理小实验？2.除了课文中提示的内容，你还创造性地设计了什么有趣的实验？有否在课堂上进行演示？3.通过小实验，是否对电磁波有新的感受和更深的理解？4.通过上网检索，获取了哪些比课本上更丰富、更灵活的相关知识？在检索中曾遇到什么困难？5.通过查询资料回答：电磁波在何种情况下对人体健康有一定的危害性？自己用物理语言简要地归纳一下。6.在高一、高二的物理学习中共经历了四个“学习包”（自由落体运动、太阳能的利用、自动控制与模块机器人、电磁波）的学习，你对“学习包”这种学习方式是否感兴趣？你认为有哪些好处？二第 阶段：展示交流未经允许，不得翻印16图 11-28参考资料1.无线电时代的诞生19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦在分析和总结前人对电磁现象研究的基础上，建立了经典电磁理论，并预言了电磁波的存在。1887年，德国物理学家赫兹（H.R.Hertz，18571894）用实验方法首次获得电磁波，证实了麦克斯韦的这一预言。人类从此进入了无线电时代。2.无线电通信发展简史1895年，马可尼和波波夫分别发明了用电磁波远距离传递信号的技术；1899年，美国的柯林斯造出了第一个无线电话系统；1906年，费森登在美国建立了第一座播送语言和音乐节目的无线电台；1921年，人类首次实现短波跨洋传播；1925年，英国的贝尔德发明第一台实用电视机；1930年，实现了微波通信现在，人类可以将文字、声音、数据、图像等信息通过电磁波传向四面八方。3.手机是如何实现通信的手机既是一个电磁波的接收器，同时也是一个电磁波的发射器。移动的手机与不移动的基站之间构成了一个可移动的无线通信系统。其工作过程（图11-28）大体是：移动的发话人对手机讲话，手机把声波经变换器转变为电信号，经天线发射出去，载有语音信息的电磁波被基站接收，经变换器转变为电信号发射给另一移动手机，接收方手机接收到电磁波信号，经转换器和发声器转变为声音，为收话人所听到。4.为什么在地铁里也能收到手机信号在地铁里一般是收不到广播和手机的电磁波信号的，这是因为地铁列车在地下隧道中穿行，空中的电磁波能量被厚厚的土壤层所吸收和阻隔，土壤和其中的水分会吸收电磁波的能量，而隧道中的金属框架也会对电磁波起到一定的屏蔽作用。但现在一般都在地铁中建立了相关的信号工作站，所以在地铁里也可以用手机清晰地通话了。5.何种场合不宜使用手机（1）飞行的飞机上。因为手机的高频信号会干扰飞机的通信控制系统，可能会引发飞行事故。所以乘客登机后，乘务员会一再关照大家：“请把您的手机关掉！”（2）汽车加油站。因手机使用时可能产生火花，会引发火灾。（3）在医院内。现代医院中有许多先进的电子医疗设备，如核磁共振仪、超声诊断仪、CT、心电图仪等，它们对手机发出的高频信号十分敏感，受到干扰后，可能会造成误诊。图 11-27 麦克斯韦未经允许，不得翻印17（4）危险地带。如爆破工地、有潜在爆炸危险的工矿地区等，手机高频信号可能会触发爆炸。（5）雷雨天。雷雨时的闪电会干扰手机信号，使手机工作频率不稳定，也容易引发雷击，造成事故。6.微波热效应的发现微波炉中产生大功率微波的元件叫磁控管，它是1940年英国伯明翰大学的斯潘塞教授发明的。1945年，正在工作的斯潘塞发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。这个一般人可能会轻易忽视的现象，却被富于创新意识的斯潘塞抓住了。他排除了巧克力是被体温所融化的可能，意识到使巧克力融化的能量可能来自磁控管发出的大功率微波。在当年10月，他以“处理食品的一种方法”为名申请了专利。当食品放在一个封闭的空间内，并有足够的时间对食品施加微波能量的话，就能对食品进行加工、烹饪，并达到预定的要求。现在，微波炉在我国已有很高的普及率，其安全、节能、方便、卫生等优点深受大众喜爱。图 11-29 家用微波炉的基本构造炉腔玻璃转盘外壳风机磁控管变压器门联锁开关功分器定时器启动开关炉门7.电磁波谱不同波长电磁波的产生原理和应用领域常常会有很大区别。因此，人们常把各类电磁波按波长大小依次排成一列，称为电磁波谱。若按其波长从小到大依次排列，其顺序为：射线、X射线、紫外线、可见光（紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红）、红外线、无线电波（微波、超短波、短波、中波、长波）等。由于它们的性质不同，因而也有许多不同的用途（图11-30)。未经允许，不得翻印18（1）射线（-ray）。其波长约在 2 1011 m 以下，是一种能量很大的光子流。在医疗上用射线作为“手术刀”来切除肿瘤，叫做刀（图11-31），有很好的治疗效果。（2）X 射线（X-ray）。波长范围约在 1013109 m 之间，X 射线对不同密度的物质有不同的穿透力。在医学上常用于医疗检查；在飞机场安全检查中，也常用X射线对行李进行透视查验（图11-32）。（3）紫外线（ultraviolet ray）。其波长范围约在 1 10 94 10 7 m 之间。太阳光中含有紫外线。紫外线能激发荧光，日光灯就是管内紫外线激发涂在灯管内壁上的荧光粉而发出的近似日光的照明灯。紫外线也常用在医学上杀菌和防伪技术上。（4）可见光（visible light）。它是能引起人的视觉感觉的电磁波，其波长范围约在0.391060.76106 m之间。太阳发出的可见光是由不同比例的七色光（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）所混合组成。（5）红外线（infrared ray）。其波长范围约在 0.8 10 60.75 10 3 m 之间，它们会导致物体温度的升高。红外线在特定的红外敏感胶片上能形成热成像，图11-33是人头部的热成像，其中，不同颜色代表不同温度。图 11-32滚动式X 光光源手提箱X 光图像X光探测器图 11-31 正准备接受刀手术的病人图 11-3010 1610 1410 1210 1010 810 610 410 210010210439010241022102010181016101410121010108106104450500550600650700760 nm可见光 射线X 射线紫外线红外线无线电波频率f/Hz波长/m未经允许，不得翻印19（6）无线电波（radio wave）。波长范围在 0.75 10 31 104 m。无线电波常用于通信（图11-34）。8.莱顿瓶莱顿瓶是荷兰莱顿大学的几位科学家在1746年研制成功的。莱顿瓶结构如图11-18所示，玻璃圆筒的内外壁都贴上一层银箔，构成一个电容器（一种能存储电荷的器件），能聚集大量电荷，与莱顿瓶的内外层银箔相连接的是两根金属棒，形成一个金属线框。在图11-18的情形中，当莱顿瓶A被充电达一定值后，金属球间会出现电火花放电，同时向周围空间发射电磁波。这时移动莱顿瓶B矩形线框中的带有氖灯的金属滑杆，使A、B两矩形框大小相同时，B就会接收到A发射的电磁波能量而导致氖灯发光。实验显示了电磁波能量的发射和接收的物理现象。9.蓝牙（Bluetooth）技术蓝牙技术是一种短距离数字化的无线电技术，它可以在一些小型终端设备（如移动电话、掌上计算机、笔记本计算机等）之间实现低成本、近距离的无线连接，消除了要用各种传输线和接口连接的麻烦，给使用者带来了方便。其通常的连接范围在0.110 m之间，如增大发送功率，几乎可以将距离延伸至 100 m。蓝牙技术是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，能较好地抗信号衰减和抗电磁波干扰，提高了通信的安全性。由于其高频无线电波可以穿透墙壁或玻璃窗，所以在各种小型通信设备之间可以方便而自由地实现无线连接。例如蓝牙手机可以使用语音拨号技术，不用动手只用蓝牙耳机（图11-35）就可以接听或拨打移动电话。用蓝牙数码相机则可随时将图像、声音信息传回家里的电脑中储存，免除连线和受相机存储器容量限制的困扰。随着蓝牙技术的发展，它的应用将拓展到银行、公交、购物等与人们生活密切相关的诸多方面。图 11-33图 11-34电离层通信卫星无线电波无线电波图 11-35未经允许，不得翻印20英语角The Electromagnetic SpectrumVisible light waves form a tiny part of the family of electromagnetic waveswhich also include radiowaves,microwaves,X-rays and gamma rays.All of thesewaves travel at the same speed,the speed of light,c,in a vacuum and in air.c3.0108 ms1.The waves differ in their frequency and wavelength.The waveformula vf can still be applied for electromagnetic waves.Find the wavelength of radiowaves transmitted from an FM station with atransmitting frequency of 98.2 MHz.Solution:v f,3.010898.2106,106 3.05m.3.010898.2未经允许，不得翻印第四篇微观和宇观世界线度大致大于107 m的物质常称为宏观物质。宏观物质世界中的物理现象可用经典物理学描述。线度大致小于108 m的粒子，如分子、原子、原子核等，常称为微观粒子。另一方面，线度大于星系的物质可称为超宏观或宇观物质。微观和宇观世界与我们生活的宏观世界一样丰富多彩，但其中的规律性却有很大的不同。20世纪物理学在这两个领域的进展极大地拓展了人们的视野，增强了人类认识和利用自然的能力。本篇中你将初步了解微观和宇观世界中客观物质的某些特性，了解人类对它们的探索历程。未经允许，不得翻印22天然放射性现象的发现，开创了人类探索微观世界的新时代。利用放射性，可以确定生物体遗骸的年代，这种方法称为放射性鉴年法。图12-1所示的这块琥珀中的小昆虫，用放射性鉴年法测出它大约生存在5 000年前。为了深入研究物质的微观构造，科学家们设法“撞开”了原子核，经过长期的努力，不仅揭示出原子核内部的奥秘，还发现了新的能量形式核能。核能是蕴藏在原子核内部的能量。核电站是利用核能转变为电能进行发电的发电厂。我国自行设计、建造的第一座核电站秦山核电站（图12-2），总装机容量达2.9106 kW。秦山核电基地的建成，结束了我国有核无电的历史，成为我国和平利用核能的典范。图 12-1在本章中，你将学到：原子的结构是怎样的？如何探测物质的放射性？原子核是由什么组成的？怎样获得核能？怎样和平利用核能？导 学图 12-2第十二章物质的微观结构未经允许，不得翻印23人类生活在丰富多彩的物质世界中，享受着大自然的“恩宠”。同时，人们也在不断地探索：物质究竟是由什么组成的？它的微观结构又是怎样的？很早以前，人们就有了物质组成的观念：物质由分子构成，分子又由原子组成。“原子”这一术语来自希腊文，它的涵义是“不可分割的”。但是，不管是在古希腊还是古代中国，都有人提出相反的观点，他们认为物质是无限可分的。1897 年，英国物理学家汤姆孙（J.J.Thomson，1856 1940）发现了电子，使人们进一步认识到原子不是组成物质的最小单位，它是有内部结构的。原子的核式结构阴极发射的是什么射线？科学家通过对这个实验现象的研究，拉开了探索物质微观结构的序幕。在图12-3所示的实验中，我们看到了在白色底板上的亮迹，这表明阴极发出了射线，并且射线是沿直线传播的。人们把这种从封装在真空玻璃管中的阴极发出的射线称为阴极射线，能产生阴极射线的管子称为阴极射线管。那么，阴极射线的本质又是什么呢？1897年，汤姆孙通过一系列关于阴极射线的实验，得出了如下的结论：阴极射线是由质量小于一个氢原子质量的千分之一、带负电的粒子组成的。他把这种粒子定名为“电子”。电子是原子的组成部分。家谈大将如图 12-3 所示的阴极射线管接通高压直流电源，可以看到管内阴极发射出一束射线，使涂有荧光物质的白色底板上出现一条亮迹。那么，阴极发射出的究竟是什么射线呢？图 12-31.电子(electron)的发现电子的发现证实了原子是可分的。电子是原子的组成部分。电子是质量m9.110 31 kg、电荷量大小e1.6 10 19 C、带负电的粒子。未经允许，不得翻印24原子的内部结构是怎样的？汤姆孙的发现打破了传统的“原子不可分割”的旧观念，并使人类认识了第一个比原子小的微观粒子 电子。从此，人类对原子内部结构的探索开始了新的历程。汤姆孙为此荣获了1906 年诺贝尔物理学奖。既然电子是原子的组成部分，带负电荷，而原子是呈电中性的，这表明原子内部还有带正电荷的物质，而且正、负电荷量大小是相等的。当然，原子的内部结构想用肉眼看是不可能的。在20世纪初，即使凭借当时最先进的显微镜也做不到。好在人类洞察自然的本领与手段并不只局限于一个“看”字，人们可以根据已知的实验事实，提出假说与物理模型，去模拟所研究的客体。20 世纪初期，科学家们对原子的结构提出了多种不同的原子结构模型。例如，1904年汤姆孙首先提出了原子的“葡萄干蛋糕模型”（图12-4），该模型提出：原子的正电荷和质量均匀分布于原子体内，带负电的电子镶嵌在原子体内。如果将原子比作蛋糕，那么电子就如同散布在蛋糕中的葡萄干。为了检验汤姆孙提出的原子结构模型，1909年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford，18711937）和他的同事们用高速飞行的粒子去轰击金箔，根据粒子飞行路径的改变，来探测靶2.原子(atom)核式结构模型的提出卢瑟福通过粒子散射实验，否定了汤姆孙的无核原子结构模型，提出了原子的核式结构模型。图 12-5v荧光屏金箔粒子源粒子束真空显微镜图 12-410-10 m未经允许，不得翻印25原子（金原子）的构造情况。图12-5是实验装置示意图。实验的结果是：（1）绝大多数粒子穿过金箔后，与原来的运动方向偏离不多（平均 2 3）。（2）少数粒子产生较大角度的偏转。（3）极少数粒子产生超过90 的大角度偏转，个别粒子甚至被弹回。粒子是带正电的，它的偏折是由于受到原子内正电荷的排斥而发生的。根据汤姆孙的“葡萄干蛋糕模型”，正电荷均匀地充满了原子内部，因此所引起粒子的偏转效果根本不可能产生大角度、甚至大于90的偏转（图12-6）；再说，粒子的质量约为电子质量的 7 300 倍，如果碰到原子中的电子，就好似一颗枪弹碰上了一粒灰尘，也不会引起明显的偏转。因而，卢瑟福的粒子散射实验使汤姆孙的模型陷入了困境。卢瑟福在相同条件下，用不同金属的箔片作为靶进行多次实验，观察到的实验结果基本相似。1911年，卢瑟福在粒子散射实验结果的基础上提出了原子核式结构模型（又称为“行星模型”）。根据他的理论，原子的正电荷集中在原子中央很小的体积内，这些集中的正电荷对粒子的排斥力可能非常大，以至粒子发生较大角度的偏转（图12-7）。他还定量计算了偏转角与入射粒子数、粒子能量的关系。3.卢瑟福的原子核式结构模型（1）在原子中心有一个很小的核，叫做原子核。（2）原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。（3）带负电荷的电子在核外不停地绕核运动（电子绕核运动所需的向心力就是原子核对它的电场力）。图 12-7图 12-6图 12-8 铍原子的核式结构模型图1913 年，他的学生盖革和马斯登用实验证实了这个关系。从此，卢瑟福的原子核式结构模型很快被人们所承认。从汤姆孙模型发展到卢瑟福模型，标志着人类对原子结构的认识迈出了一大步。未经允许，不得翻印26根据卢瑟福的原子核式结构模型可知，原子中绝大部分是空的，原子核显得非常小，其半径约为原子半径（原子半径数量级为10-10 m）的十万分之一至万分之一。原 子 光 谱原子的稀薄气体或金属的蒸气发出的光经色散后成为由一系列波长不同的单色光组成的细条纹，这就叫做光谱。光谱中每一条条纹叫做谱线。每一种游离状态的原子发射的光谱由特定的一系列不同波长的谱线组成，我们把这种光谱叫做原子光谱。点 击从核式结构模型到量子力学卢瑟福的核式结构模型较好地解释了少数粒子