普通高中教科书·物理必修 第三册.pdf

第三章电磁场与电 磁波初步1.磁场磁感线 1122.磁感应强度磁通量 1173.电磁感应现象及其应用 1234.电磁波的发现及其应用 1305.微观世界的量子化 136反思小结交流 139本章复习题 140第四章能源与可持续 发展1.能量能量守恒定律 1422.能源 1473.环境保护与可持续发展 152反思小结交流 156本章复习题 156第二章电路及其应用1.电流电压电阻 602.实验：练习使用多用电表 653.电阻定律电阻率 674.实验：测量金属的电阻率 735.实验：描绘I-U特性曲线 776.电源的电动势和内阻 闭合电路欧姆定律 827.实验：测量电池的电动势和内阻 898.焦耳定律电路中的能量转化 939.家庭电路 100反思小结交流 108本章复习题 109附录 长度的测量及其 测量工具的选用 157附录 中英文索引 163第一章静电场1.电荷电荷守恒定律 22.库仑定律 83.静电场电场强度和电场线 144.电场力的功电势能 215.电势电势差 276.电势差与电场强度的关系 347.静电的利用和防护 398.电容器电容 449.带电粒子在电场中的运动 50反思小结交流 56本章复习题57疾风暴雨，电闪雷鸣，此时如果你正走在田间小路上，会有什么样的危险？在北方寒冷的冬季，你匆匆归来，抬手伸向家门的金属把手，是否也曾被突如其来的电击所惊吓？在黑暗的房间里脱下毛衣时，你是否看到过电火花闪耀，并听到“啪啪”的声响？这些现象有联系吗？它们都是静电现象。我们如果掌握了静电的相关知识，就可以防止它对人的伤害，并使它为人类服务。广泛使用的静电复印机、用于保护环境的静电除尘器都是对静电的利用。下面就让我们系统地认识静电吧！第 一 章第 一 章静 电 场 电荷电荷守恒定律 库仑定律 静电场电场强度和电场线 电场力的功电势能 电势 电势差 电势差与电场强度的关系 静电的利用和防护 电容器电容 带电粒子在电场中的运动主题一电荷间的相互作用 主题二电场的描述主题三静电的应用物理 必修 第三册2观察思考 摩擦起电两种电荷1.将两根用丝绸摩擦过的玻璃棒相互靠近，如图1-1-4（a）所示，你会看到什么现象？2.将两根用毛皮摩擦过的硬橡胶棒相互靠近，如图1-1-4（b）所示，你会看到什么现象？3.将用丝绸摩擦过的玻璃棒与用毛皮摩擦过的硬橡胶棒相互靠近，如图1-1-4（c）所示，你会看到什么现象？本章首页的图片，是天空中的云层向大地放出闪电瞬间的情形。放电的同时，伴随着巨大的声响，即所谓的“电闪雷鸣”。自古以来，人们对闪电十分敬畏，并由此形成了许多神话传说。现在人们已经清楚，这是天空中的静电现象。在科技馆里，可以模拟出令人震撼的闪电过程；而在学校的实验室里，我们也可以利用感应起电机制造出小型的“人工闪电”，如图1-1-1所示。其实，如图1-1-2和图1-1-3所示的我们在初中已经学习过的摩擦起电现象，跟天空中的轰雷掣电，在本质上是相同的。图1-1-1 实验室里的“人工闪电”图1-1-2用丝绸摩擦过的玻璃棒能吸引轻小物体 图1-1-3把彩色塑料袋剪成细长条并捆紧，用手捋几下，就成了一束“塑料花”电荷电荷守恒定律1第一章 静电场3大量电荷相互作用的实验表明，自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷的多少叫作电荷量（electric quantity)，常简称为电荷。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑，简称库，用字母表示。通常正电荷的电荷量用正数表示，负电荷的电荷量用负数表示。1C的电荷量很大。常用的电荷量单位还有微库（C）和纳库（nC）。1C10-6C，1nC10-9C。正负电荷美国科学家富兰克林（B.Franklin，17061790）在1747年把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫作正电荷，把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷叫作负电荷。4.把用丝绸摩擦过的玻璃棒及用毛皮摩擦过的硬橡胶棒分别悬挂起来，用任意一个带电体分别接近它们，你能看到带电体既与玻璃棒排斥又与硬橡胶棒排斥的情况吗？这说明了什么？说说你的看法。摩擦起电的解释丝绸和玻璃棒（毛皮和硬橡胶棒）本来都不带电，经过相互摩擦就带电了，这些电荷是从哪里来的？1.是创造出来的吗？如果是，那么是由谁创造的？2.是物体自身微观结构变化引起的吗？如果是，那么是怎样变化的？谈谈你的看法。图1-1-5原子模型我们已经知道，物质是由原子组成的，原子由带正电的原子核和带负电的电子构成，如图1-1-5所示。一般情况下，原子核所带电荷总量与电子所带电荷总量相等，因此物体通常对外不显电性。图1-1-4电荷间的相互作用讨论交流元电荷一个电子所带电荷量的绝对值为1.61019C，它是电荷的最小单元，称为元电荷，记作e=1.61019C。实验发现，任何带电体所带电荷量都是元电荷的整数倍。物理 必修 第三册4活动 电荷守恒定律 静电感应导体和绝缘体常见物体中，容易导电的物体称为导体，很不容易导电的物体称为绝缘体。而金属导体原子的外层电子很容易脱离原子核的束缚，在导体内部自由地运动，成为自由电子。绝缘体内部由于电子受原子核很强的束缚，基本不存在自由电子。绝缘体也常称为“电介质”或“介质”。发展空间 课外阅览“电荷守恒定律的现代表述”。不同种类的两个不带电的物体相互摩擦之后会带电，是因为两物体相互摩擦时，一个物体的原子中有一些外层电子挣脱原子核的束缚并转移到另一个物体上去，所以总体效果是一个物体失去电子，另一个物体得到电子。失去电子的物体内部正电荷的总量大于负电荷的总量，因而显示出带正电，如图1-1-6所示。同样的道理，得到电子的物体就显示出带负电，而且相互摩擦后两个物体所带的电荷必然等量异号。大量实验表明，电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。也就是说，在任何自然过程中，电荷的代数和是守恒的。这就是通常所说的电荷守恒定律（law of conservation of charge）。电荷守恒定律是自然界的基本规律之一。事实证明，它对现代科学实践领域也具有重大意义。将一对固定在绝缘底座上的枕形导体A与B紧紧靠在一起，这时它们都不带电，所以贴在导体下端的金属箔是闭合的。1.将带有电荷的绝缘导体球靠近枕形导体A但不接触，如图1-1-7所示，观察枕形导体A 与 B 下方的金属箔，你会看到什么现象？2.保持 B 和 A 接触，移开带电导体球，你会看到什么现象？图1-1-7静电感应 图1-1-6电荷的转移第一章 静电场5观察思考如图1-1-8所示的装置叫作验电器，观察它的结构，了解其工作原理，思考下列问题：1.不带电的验电器的两个金属箔片是合拢的，当带电体靠近而没有接触它的金属小球时，两箔片就会张开，这是为什么？2.怎样借助于验电器判断上一个“活动”中感应起电的枕形导体A与B 所带电荷的电性？还需要哪些器材？操作步骤如何？试试看。图1-1-8把用丝绸摩擦过的玻璃棒靠近验电器的金属小球，也能使验电器下面的金属箔片张开当带正电的玻璃棒靠近验电器的金属球时，会发生静电感应，金属杆上端的金属球带负电，下端的金属箔片带正电，两片带正电的金属箔片由于相互作用而张开。将带正电的玻璃棒接触验电器的金属球，验电器就带上了正电，再将待检验的带电体靠近验电器的金属球，在上面的实验中，当带电导体球靠近不带电的枕形导体时，由于同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，导体中可以自由移动的电荷将会重新分布，以至于枕形导体靠近带电导体球的 a 端将带上与带电导体球电性相反的电荷，而远离带电导体球的 b 端带上与带电导体球电性相同的电荷，这种现象称为静电感应（electrostatic induction）。保持带电导体球不动，将枕形导体分开后，导体 A 与导体B 就会带上等量的异种电荷。3.恢复带电导体球的位置（即靠近 a 端但不接触），将枕形导体 B 与 A 分开，观察枕形导体 A 与B 下方的金属箔，你会看到什么现象？4.如果此时再移开带电导体球，你估计会发生什么现象？做一做，你的设想对吗？5.将枕形导体 A 与 B 再紧靠在一起（接触），你又看到什么现象？试着用原子结构模型解释以上现象。物理 必修 第三册6自我评价1.甲、乙两个金属小球相互作用。已知甲球带正电荷，在下面两种情况下，判断乙球是否带电，如果带电，带哪种电荷？（1）两小球相互排斥；（2）两小球相互吸引。2.不带电的金属导体A与带正电的金属导体B接触之后也带正电，原因是（）A.B有部分正电荷转移到A上 B.A有部分正电荷转移到B上C.A有部分电子转移到B上 D.B有部分电子转移到A上3.如图1-1-7所示，带电小球靠近（不接触）枕形导体的一端，下面的金属箔片都张开，这种现象叫作“静电感应”，而不能叫作“感应起电”，为什么？4.使18世纪电学家们感到困惑的一个现象是所谓的“吸引接触排斥”现象：将带电棒移近一悬挂在绝缘线上的轻质导体小球，可观察到球被吸引，若小球与棒接触后，它就立即被弹开。你如何解释这一现象？如果它的金属箔片张开角度变大，则它带的是正电荷，反之，则带的是负电荷。发展空间实验室1.自制一个静电验电器：把一张薄纸片剪成长10 cm、宽2 cm 的长方形，沿长的方向对折，把它平衡地放在铅笔尖上（图1-1-9）。铅笔尖要稍插入纸片中，但不要戳破它，使纸片能自由转动。将一把梳子在头发或羊毛织品上摩擦，使之带电，并将它靠近这一验电器的一端。观察发生的现象，并试着对这一现象进行解释。2.中国科技馆中有一个实验项目：实验员站在绝缘地板上，用手摸范德格拉夫起电机（Van der Graaff generator）的金属球，随着对地电压的升高，她的头发会竖起来（图1-1-10）！你知道这是为什么吗？图1-1-10 图1-1-9自制验电器第一章 静电场7课外阅览感应起电机是怎么起电的如图1-1-11所示是一台手摇感应起电机，它的核心部件是两个玻璃圆盘，套在同一根轴上。手柄通过传动装置带动两个圆盘朝相反的方向旋转。圆盘靠外一侧贴有若干对扁圆形的导电膜，两边各有一根放电杆，放电杆的上端制成球形。使两根放电杆上端的两个金属小球分开一定的距离，用手摇动手柄，很快就会看到两金属小球间发生火花放电，同时会听到“啪啪”声。你知道它是怎么起电的吗？图1-1-11手摇感应起电机 图1-1-12感应起电机的原理电荷守恒定律的现代表述近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生和湮没。例如，一个光子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子；一对正、负电子相遇时可以同时湮没，转化为光子。不过在这些情况下，带电粒子总是成对产生或湮没，两个粒子电荷量相等但电性相反，而光子不带电，所以电荷的代数和仍保持不变。因此，电荷守恒定律现在的表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。它是物理学中重要的基本规律之一。带电体为什么能吸引绝缘体绝缘体内部基本没有可以自由移动的电荷，每个分子也是电中性的，但分子内的正、负电荷分布一般不均匀，使得分子的一端显正电性，另一端显负电性。平时这些分子是杂乱无章的，对外不显电性。把它放在带电体旁边时，绝缘体内的分子在带电体的作用下按照一定的规则排列，使得靠近带电体的一端带有与带电体电性相反的电荷，从而产生相互吸引的作用（这与铁质物体在磁体附近被磁化的现象相似）。物理 必修 第三册8库仑定律2 探究影响点电荷之间相互作用力的因素两个带电物体之间存在相互作用力，力的大小可能和哪些因素有关呢？你可能会认为，跟带电物体的形状、所带电荷的多少以及电荷的分布等都有关系。面对如此复杂的问题，我们该怎么研究呢？图1-1-12所画出的是感应起电机的一个玻璃圆盘，在它的外侧有一根金属导电杆，两端安有由软金属丝制成的电刷，它固定在与水平面成45角的位置上，并与另一盘面的金属导电杆垂直。金属导电杆把玻璃圆盘上的两个导电膜（图中的a和a）连接在一起。由于对面玻璃圆盘上与a和a相对的导电膜上带有很少量的电荷这是由于大气中有许多带电粒子（例如宇宙射线粒子等），它们与导电膜的碰撞而使导电膜带少量电荷，于是导电膜a和