普通高中教科书·物理必修 第三册.pdf

主编：廖伯琴核心编者：谢德胜邓磊蒋小平杨燕鸣张正严廖伯琴统稿：廖伯琴谢德胜定稿：廖伯琴编务联系：李富强李洪俊责任编辑：光奎杨文静邹淑红封面设计：孙佳版权所有请勿擅自用本书制作各类出版物违者必究如对教材内容有意见、建议或发现印装质量问题，请与山东科学技术出版社联系电话：0531-82098030电子邮箱：1目 录CONTENTS第 1 章静电力与电场强度 第 2 章电势能与电势差第 3 章恒定电流 导入神奇的静电 2第 1 节静电的产生及其微观解释 3第 2 节库仑定律7第 3 节电场与电场强度 12第 4 节点电荷的电场 匀强电场 17第 5 节静电的利用与防护 22导入静电力做功了吗 31第 1 节静电力做功与电势能 32第 2 节电势与等势面 36第 3 节电势差与电场强度的关系 40第 4 节带电粒子在电场中的运动 45第 5 节科学探究：电容器 50导入历史的回顾 62第 1 节电流63第 2 节电 阻67第 3 节电功与电热 72第 4 节串联电路和并联电路 78第 5 节科学测量：长度的测量及测量工具的选用 83第 6 节科学测量：金属丝的电阻率 89第 6 章能源与可持续发展导入开发新能源 155第 1 节能量的多种形式 156第 2 节能量的转化与守恒 160第 3 节珍惜大自然 1632第 4 章闭合电路欧姆定律与科学用电 第 5 章初识电磁场与电磁波导入从用电问题说起 96第 1 节闭合电路欧姆定律 97第 2 节科学测量：电源的电动势和内阻 103第 3 节科学测量：用多用电表测量电学量 107第 4 节科学用电113导入神奇的电磁波 125第 1 节磁场及其描述 126第 2 节电磁感应现象及其应用 135第 3 节初识电磁波及其应用 143第 4 节初识光量子与量子世界 1471 第 1 章导入神奇的静电第 1 节静电的产生及其微观解释第 2 节库仑定律第 3 节电场与电场强度第 4 节 点电荷的电场 匀强电场第 5 节静电的利用与防护 静电力与电场强度本章学业要求 能了解库仑定律、电场强度的内涵，会用电场线描述电场，知道电场是一种物质；能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象，能分析生产生活中的静电现象，有关于静电的利用与防护的实际行动。具有与静电力、电场强度相关的相互作用观念和物质观念。物理观念能在熟悉情境中运用点电荷、试探电荷和电场线等模型分析静电问题；能体会用物理量之比定义新物理量的方法，能体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法；能用与静电力、电场强度相关的证据解释常见的静电现象；能从不同的视角分析静电场的问题。科学思维能了解库仑扭秤实验，并能提出相关问题；能通过验电器、静电计等探索静电现象，获取信息；能分析实验信息，形成初步结论；能撰写与静电现象相关的小论文，能陈述并交流相关内容。科学探究通过了解库仑扭秤实验，能体会科学研究的一些共性与创新；能坚持实事求是，在合作中既能坚持观点又能纠正错误；能对公众利用和防护静电的一些行为发表自己的观点，有进行科学普及的兴趣和责任感。科学态度与责任2hysicsP P第 1 章 静 电 力 与 电 场强 度静电现象既神秘又常见。在天气干燥的日子里，你与人握手、触摸金属器具或脱化纤材料的衣服时，有时好像有股“魔力”会“猛击”你一下，或让你看见火花。其实，这些都是静电在作怪。在生产生活中，静电应用广泛。例如，激光打印、静电纺丝、静电喷涂、静电除尘等。静电也会给人类带来一些危害：长期处于静电环境中，人会有精神疲劳、头晕目眩等不良反应；静电可能造成设备失控、产品报废等问题；在加油站里或油罐车附近，静电还可能引发火灾、爆炸等严重事故。静电使薄膜有密封作用2导入神奇的静电静电使长发飘起来为何会产生静电？静电有怎样的作用规律？如何合理利用静电？通过本章的学习，我们将揭开静电的神秘面纱。3第 1 节静电的产生及其微观解释将梳过头发的塑料梳立刻靠近细小纸屑，纸屑会被吸起（图 1-1）。雷雨天，你能看到撕裂长空的闪电，听到震耳欲聋的雷声。这些都是静电现象。那么，静电是怎样产生的？为什么会产生？本节将学习产生静电的常见方式，并从微观角度对静电现象进行分析。1.静电的产生摩擦起电是常见的使物体带电的方式之一。例如，梳头发时起电，在地毯上行走时起电，脱毛衣时起电这类静电现象都是由摩擦引起的。我们知道，摩擦后的物体所带电荷有两种：用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷规定为正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷规定为负电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷的多少称为电荷量（electric quantity）。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑（coulomb），简称库，符号为 C。接触起电是使物体带电的又一种方式。例如，将一根用毛皮摩擦而带电的橡胶棒跟验电器的金属球接触（图 1-2），会发现验电器原来闭合的金属箔片张开了，表明接触后的验电器带电了。验电器是检验物体是否带电和估测物体带电多少的仪器。当带电的橡胶棒与验电器的金属球接触时，有一部分电荷转移到验电器上，与金属球相连的金属箔片带上同种电荷，因相互排斥而张开。金属箔片张开角度越大，物体所带电荷越多。还有一种使物体带电的方式感应起电。什么是感应起电呢？下面让我们先看一个实验。第1节静电的产生及其微观解释图 1-1 梳过头发的塑料梳可吸起细小纸屑图 1-2将带电橡胶棒与验电器接触4hysicsP P第 1 章 静 电 力 与 电 场强 度科学书屋实验与探究感应起电将一根用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近（不接触）验电器的金属球（图1-3），会观察到什么现象？为什么会出现这种现象？保持橡胶棒的位置不动，用手接触验电器的金属球（图 1-4），会观察到什么现象？这又是为什么？接着先把手移开，再把橡胶棒移开，又会观察到什么现象？由上面的实验可知，一个带电物体靠近导体时，也可使导体带电。受附近带电体影响而使导体上的电荷重新分布的现象称为静电感应（electrostatic induction）。利用静电感应使金属导体带电的方式称为感应起电。图 1-4 用手接触验电器的金属球图 1-3 将带电橡胶棒靠近验电器的金属球认识静电的历史人类对电的研究始于对静电现象的观察，静电的奇妙现象引发人们不断对其进行探索。公元前 600 年左右，古希腊的泰勒斯（Thales，约公元前 624前 547）发现，摩擦过的琥珀可吸引轻小物体，“electricity”（电）这个词就起源于希腊文的“琥珀”。成书于西汉末年的春秋纬考异邮载有“玳瑁吸”，意思是经过摩擦的玳瑁（一种海龟科海洋动物）背甲能吸引草屑等轻小物体。16 世纪，英国的吉尔伯特（W.Gilbert，15441603）发现能带电的不仅有琥珀，还有钻石、水晶等。1660 年，德国的格里克（O.Guericke，16021686）发明了摩擦起电机，推动了人们对静电现象的进一步探索。1882年，英国的维姆胡斯发明了圆盘式静电感应起电机，其两个同轴玻璃圆板可反向高速转动，感应起电的效率很高，能连续产生并积累较多正、负电荷。现在，我们在电学实验中经常用到感应起电机（图 1-5）。图 1-5 感应起电机5第 1 节静电的产生及其微观解释物质由分子、原子等微粒组成。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成（图 1-6）。原子核由呈电中性的中子和带正电的质子组成。一个电子的电荷量与一个质子的电荷量数值相同，约为 1.6010-19 C，原子的电子数与质子数相等，因此物体不显电性。但当物体受到外界影响，电子发生转移时，物体就会显电性。大量事实证明，电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能从物体的一部分转移到另一部分，或者从一个物体转移到另一个物体。在转移的过程中，电荷的总量不变。这个规律称为电荷守恒定律（law of conservation of charge）。摩擦为什么能使物体带电？这是因为，两个由不同物质组成的物体相互摩擦时，由于摩擦力做功，一个物体中某些原子的电子获得了能量，挣脱了原子核的束缚，转移到另一个物体上。根据电荷守恒定律，从整体上看，一个物体失去了电子带正电，另一个物体就得到了电子带负电。例如，用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒失去了电子带正电，丝绸获得了电子而带等量负电（图 1-7）。图 1-6 原子模型示意图电子原子核图 1-7 用丝绸摩擦玻璃棒使其带电电子转移感应起电的原因是什么呢？原来，带电体靠近导体时，导体内的自由电子会受到带电体上电荷的作用，向靠近或远离带电体的方向移动。在本节“实验与探究”中，当带负电的橡胶棒靠近验电器的金属球时，验电器的金属箔片张开，这是因为金属球上的自由电子受到负电荷作用，会向远离橡胶棒的方向移动，最终使靠近橡胶棒的金属球带正电，远离橡胶棒的两金属箔片带负电而相互排斥。保持橡胶棒的位置不动，用手接触验电器的金属球，金属箔片闭合，这是因为金属箔片上的电子通过人体从验电器移到了大地，而金属球上的正电荷继续保留。接着把手移开，使金属球与地面断开，再把橡胶棒移开，金属球和两金属箔片带正电，金属箔片相互排斥又会张开。因此，感应起电的实质是在带电体所带电荷的作用下，自由电荷从导体的一部分转移到了另一部分。2.产生静电的微观解释下面我们从物质的微观结构来认识静电现象的本质。拓展一步梳子为何能吸引纸片梳过头发的塑料梳子为何能吸引轻小纸片呢？如图 1-8 所示，当摩擦后带电的梳子靠近纸片时，纸片在梳子所带电荷的影响下，会出现如图所示的正、负电荷分布（这是电介质的极化现象，其表面出现的是极化电荷，图中仅近似画出纸片两端的极化电荷）。因为靠近梳子端的极化电荷与梳子所带电荷是异种电荷，它们之间相互吸引，所以轻小纸片便被梳子吸引过去了。图 1-8 梳子吸引轻小纸片原理示意图6hysicsP P第 1 章 静 电 力 与 电 场强 度4.某同学在研究静电感应时，用带电的金属球靠近不带电的验电器，验电器的金属箔片张开。验电器上感应电荷的分布情况正确的是A+B+-+-C-D-+5.现有三个相同的金属球，其中两个带正电，电荷量为 q，一个不带电。请设计使其中某一金属球带电荷量为 34q 的方案，并说明设计思路。请提问1.在比较干燥的环境中，将一段塑料绳分成许多细条，用一只手提起这些塑料细条，另一只手快速重复捋塑料细条，看能否观察到如图所示的现象，并解释原因。2.如图所示，在桌上间隔一定距离放两本书，将一块洁净的玻璃板放置于两书之上，使玻璃板离开桌面 23 cm。用宽 0.5 cm 的纸条剪出各种姿态的人形小纸片，放在玻璃板下面，然后用一块硬泡沫塑料在玻璃上摩擦，可见小纸人翩翩起舞。（1）小纸人为什么会翩翩起舞？（2）如果实验前把“舞区”烤一烤，实验效果会更好。这是为什么？3.某同学在探究静电感应时，进行了如图所示实验：将绝缘细线上端固定，下端悬挂一轻质小球A，A 的表面镀有铝膜，在 A 的近旁有一绝缘金属球 B，开始时 A、B 球都不带电。若使 B 带电，该同学会观察到什么现象？为什么？节 练 习BA第 3 题第 2 题第 1 题7第 2 节库仑定律方法点拨按如图 1-9 所示的方法做一做，你会发现：将气球充气后靠近较轻的金属筒，筒静止不动；将气球在头发上摩擦后再靠近筒，筒会滚动起来。气球没有接触筒，为什么筒却滚动起来了？本节将通过建立点电荷理想模型，学习两个点电荷间相互作用的规律。1.点电荷根据摩擦起电和静电感应的知识，我们知道气球摩擦后会带电，当其靠近金属筒时，静电感应会使筒的两侧带上异种电荷。气球上的电荷与筒上的电荷相互作用，筒因此滚动起来。电荷间的这种相互作用力称为静电力（electrostatic force）。通常，两个带电体之间的相互作用力与带电体的形状、大小、电荷量、电荷分布及二者之间的距离等因素有关。若同时考虑这些因素，会大大增加研究静电力作用规律的难度。为此，物理学中通过建立点电荷理想模型来进行相关研究。何为点电荷？当带电体本身的大小比它与其他带电体之间的距离小得多，以至于其形状、大小及电荷分布等因素对它与其他带电体之间相互作用的影响可忽略时，这样的带电体称为点电荷（point char