普通高中教科书·物理必修 第三册.pdf

总主编束炳如何润伟上海科技教育出版社物 理必 修第 三 册普通高中教科书实验探究这里将要求你提出问题，设计实验方案，动手做一些有意义的实验，进行科学探究。亲爱的同学：欢迎你学习 物理（必修3）！学习物理是一项激动人心的探索活动。让我们继续携手，度过一段美好的时光。你周围世界发生的事情几乎都跟物理学有关，现代社会的许多技术进步都源于对物理规律的理解和应用。学习物理可以使你从事科学事业的愿望得以实现，甚至可以使你成为“专家”。作为现代社会的公民，我们要学会用物理学知识解决生活、生产中的许多问题。你已经学习了 物理（必修1）和 物理（必修2），初步领略了物理学的魅力。在 物理（必修3）中，你将经历探索电场、电路、电磁场、电磁波与能源的过程，体验物理学思想方法的威力，在科学探究和理论思维的过程中充分施展你的才智；你将比较全面地学习电磁学与能源的有关知识，了解电磁学的研究成果及其在现代科学技术中的广泛应用，认识物理学与社会发展以及人类文化的相互作用。为了让你在学习 物理（必修3）的过程中获得更大的成功，请浏览下面的本书栏目介绍。第1章 闪电撕裂了天空,雷霆震撼着大地。在这惊心动魄的自然现象背后，蕴藏着许多物理原理，吸引了不少科学家进行探究。美国的富兰克林（B.Franklin）、法国的达利巴尔（T.dAlibard）等科学家冒着生命危险去捕捉闪电，证实了闪电与实验室中的电是相同的。雷电是怎样形成的？物体带电是怎么回事？电荷有哪些特性？电荷间的相互作用遵循什么规律？人类应该怎样利用这些规律？本章不仅要探究并解答这些问题，还要从库仑（C.de Coulomb）巧妙设计的扭秤实验和点电荷模型的抽象过程，进一步体会科学思想与方法的价值。电荷的相互作用每章的开头都有一些情境，提出一些问题，让你明确本章研究的主要内容。实验探究模拟静电植绒 参照图 1-3-7 所示的装置准备器材，进行安装，然后进行如下模拟静电植绒的操作：（1）用蘸上胶水的毛笔在硬纸片上写字、作画，再用夹子将此硬纸片固定在金属圆板 A 下面（有字画的一面朝下）。（2）将各种颜色的细碎纸屑均匀撒在下方金属圆板 B 上，调整两块金属板之间的距离为 4 5 cm。（3）用导线将两块金属板分别接到感应起电机的两个放电球上，转动起电机，观察“静电植绒”的过程。图 1-3-7 静电植绒实验装置 感应起电机利用静电感应，使两个莱顿瓶（储存电荷的容器）不断集聚电荷，从而在两放电球之间形成极高的电压。把两块金属圆板分别接在两个放电球上，两块金属板就分别带上异种的电荷。要复印的原稿硒鼓复印纸送纸滚杆复印文稿加热器被带电荷的图像区吸引的墨粉携带电荷的图像区成品原稿镜头反射镜复印纸激光扫描原稿上的文字要复印的原稿有文字的地方保留正电荷扫描器先使硒鼓带上正电荷硒鼓硒鼓硒鼓硒鼓从复印纸上滚过复印出来的文稿硒鼓cbad硒鼓正电荷吸上墨粉AB课题研究这里提供了一些课题供你选择研究，这种研究将使你的才智得到充分的展示。信息浏览、STSE这里为你提供了各种有趣、有用的资料，包括物理学史上的经典事例、科学家小故事等，它们反映了物理学与科学、技术、社会、环境的紧密联系。你的视野将更开阔，你会更加热爱科学。学生必做实验这里为你提供了完整的实验活动，让你通过动手实验，探索物理规律，学习物理方法，形成物理观念，提高解决问题的能力，体验成功的喜悦。分析与论证这里你将进行分析、综合，并运用数学工具进行推理，得出物理学规律和公式。通过这一过程，你将体会科学思维的魅力。多学一点这里将介绍更多更深的奥秘，以开阔你的视野。你如果有兴趣，可以作进一步的探索。分析与论证串联、并联电路的总电阻 在图 3-2-6 所示的串联电路中，设通过电阻 R1、R2的电流为 I，R1、R2两端的电压分别为 U1、U2，R总为 R1、R2串联后的总电阻，它又叫做 R1、R2串联的等效电阻。R1、R2两端的电压跟总电压 U 有什么关系？请你利用欧姆定律，导出 R总跟 R1、R2的关系式 R总=R1+R2 假如将 n 个电阻串联，则 R总=i=1nRi 图 3-2-6 电阻串联电路图 数学中常用符号表示求和，即R总=i=1nRi=R1+R2+RnSTSE 超导现象 1911 年，荷兰物理学家卡末林-昂内斯（H.Kamerlingh-Onnes）发现，在很低温度下，水银的电阻率并不像预料的那样仍然随温度的降低逐渐减小，当温度降到 4.15 K（-269）附近时，水银的电阻会突然降到零。后来人们发现,某些金属、合金和化合物在温度降到绝对零度（-273.15）附近某一特定温度之下时，其电阻率会突然减小到测量不出。这种现象叫做超导现象（superconductivity），能够发生超导现象的物质叫做超导体（superconductor）。超导体由正常状态转变为超导状态的温度，称为这种物质的转变温度（或临界温度）TC。大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物，在不同条件下都显示出超导性。例如，钨、锌和铅的转变温度分别为0.012 K、0.75 K 和 7.193 K。经典物理理论对超导现象产生的原因无法解释。为了从微观上对这一现象进行解释，固体物理学家花费了近半个世纪的心血。直到 1957 年，巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.Cooper）和施里弗（J.Schrieffer）才建立了超导的 BCS 理论。为此，他们荣获 1972 年诺贝尔物理学奖。我们知道，在功率较大的电磁铁或电机中，通过线圈的电流很大。为了避免产生过多热量，就必须用较粗的导线绕制线圈并采用冷却措施。如果用超导体做线圈，就可以避免这种缺陷。目前用超导体制造电机方面的研究工作已取得较大的进展。超导现象在高能物理领域也有重要应用。用超导线圈制成的电磁铁能产生强大的磁场，在核聚变中的等离子体约束和粒子加速等方面都有很大的用处。阻碍超导现象大规模应用的主要困难是超导所要求的低温。1986 年起，科学家发现有些铜氧化物的超导转变温度比常规理论预言的温度更高，目前这类材料的转变温度已达到 164K。我们称这类超导现象为“高温超导”。2008 年以来，又有一类新的铁基高温超导材料被发现。当前，我国在高温超导材料研究方面走在世界前列。（1）用刻度尺测量金属丝的长度；（2）用螺旋测微器测量金属丝的直径，测算合金丝的横截面积；（3）用多用电表测量金属丝的电阻；（4）利用测量数据计算金属丝的电阻率。收集证据 根据实验方案，请设计实验数据记录表格，并进行实验和记录实验数据。分析论证 根据所记录的实验数据和测量原理，你求得的该金属丝的电阻率是多少？在网上搜索一下，看一看该金属丝是由哪种材料制成的？电势是标量，没有方向，但有高低及正负之分。可以证明，在任何电场中，某处电场线的指向就是该处电势降落的方向。案例分析 案例 在图 2-3-2 所示的匀强电场中，带电量q=4 10-9 C 的点电荷由上极板上A点移至B点时，电场力做的功为8 10-3 J；由 B 点移至下极板上 C 点，电场力做的功为 1 10-2 J。A、B、C 各点的电势分别为多大？分析 图中的下极板接地，表示取下极板电势为零，C 点在下极板上，C=0。根据电场力做功与电势差的关系，求出UBC、UAB就可确定B、A的大小。解答 由题知，q=4 10-9 C，WAB=8 10-3 J，WBC=1 10-2 J，C 点为接地的下极板上的一点，故C=0。对于 B、C 两点，UBC=WBCq=110-2410-9 V=2.5 106 V由 UBC=B-C得 B 点电势 B=UBC+C=2.5 106 V+0=2.5 106 V对于 A、B 两点，UAB=WABq=810-3410-9V=2.0 106 V由 UAB=A-B得 A 点电势 A=UAB+B=2.0 106 V+2.5 106 V=4.5 106 V 多学一点 电场的等势面 在地理学中，为了形象地表示地形的高低，常采用在地图上画等高线的方法。在电场中，我们也可以采用类似的方法表示电势的高低分布（图 2-3-3）。在物理学中，把电场中电势相等的点构成的线（面）叫做等势线（面）（equipotential line/surface）。同一等势线（面）上任意两点间的电势差为零，所以，在同一等势线（面）上移动电荷时，电场力不做功。因此，电场线一定跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。ABCE图 2-3-2 探究电场中各点的电势EqABAB=0mhAhBABh=0图 2-3-3 等势面与等高线EqABAB=0mhAhBABh=0课题研究验证电荷的分配规律 给你一只指针验电器、一台感应起电机（参见第 18 页旁批）和两个带有绝缘柄的大小相同的金属球，请你设计一个实验，粗略验证电荷在两个相同金属球之间等量分配的原理。（1）说明实验原理，写出实验步骤。（2）按实验步骤操作，并写出实验报告。将电源两极与电容器两极连接，电容器两块极板就分别带上等量的异种电荷。这个过程叫做充电（charging）。用电线将充电后的电容器两极板相连接，两块极板上的电荷就相互中和，电容器最终不再带电。这个过程叫做放电（discharging）。电容器的充电和放电过程有什么特点？某同学设计了如图2-4-3 所示的电路，试图通过手电筒小灯泡 H 的发光情况来观察电容器的充放电过程。第1章 电荷的相互作用61.1 静电现象与电荷守恒 71.2 电荷相互作用的规律 111.3 静电的应用和防护 16第2章 电场的性质 222.1 电场强度232.2 电场力做功的特点 电势能292.3 电势 电荷在电场中的运动 332.4 电容器 电容 38第3章 电路 463.1 多用电表 473.2 电流、电压和电阻523.3 影响电阻的因素 56目 录第4章 闭合电路欧姆定律 634.1 闭合电路欧姆定律 644.2 闭合电路欧姆定律的应用 694.3 电路中的能量转化与守恒 744.4 现代家庭电路 78第5章 电磁场与电磁波 865.1 磁与人类文明 87 5.2 磁场的描述 905.3 电磁感应 955.4 电磁波 101第6章 能源与可持续发展 1076.1 能量的转化与守恒 1086.2 能源利用与环境污染 1106.3 能源开发与环境保护 1156.4 节约能源、保护资源与可持续发展 121总结与评价 课题研究成果报告会 126研究课题示例 126评价表 127第1章 闪电撕裂了天空,雷霆震撼着大地。在这惊心动魄的自然现象背后，蕴藏着许多物理原理，吸引了不少科学家进行探究。美国的富兰克林（B.Franklin）、法国的达利巴尔（T.dAlibard）等科学家冒着生命危险去捕捉闪电，证实了闪电与实验室中的电是相同的。雷电是怎样形成的？物体带电是怎么回事？电荷有哪些特性？电荷间的相互作用遵循什么规律？人类应该怎样利用这些规律？本章不仅要探究并解答这些问题，还要从库仑（C.de Coulomb）巧妙设计的扭秤实验和点电荷模型的抽象过程，进一步体会科学思想与方法的价值。电荷的相互作用第1章电荷的相互作用7 实验表明，用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒（图 1-1-1）都能吸引轻小物体，我们通常说它们带了电或有了电荷（electric charge）。物理学中规定，用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷（positive charge）；用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷（negative charge）。自然界中只存在这两种电荷；同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。物体起电的原因分析与论证摩擦起电的原因 用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒都带了电，这是什么原因呢？原来，物体是由分子、原子组成的；原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。在两个不同物体相互摩擦的过程中，两个物体中都有一些电子脱离原子核的束缚而转移到对方。在通常情况下，两种不同材料的物体彼此向对方转移的电子数不相等。电子减少的物体就显示出带正电；电子增加的物体就显示出带负电。这就是说，摩擦起电并不是摩擦创生电荷，而是使两个物体中的电荷重新分配。物体是否带