普通高中教科书·物理必修 第三册.pdf

物理必 修第三册普 通 高 中 教 科 书物理普通高中教科书必 修第三册WULIPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU绿 色 印 刷 产 品 高中 物理必修3(16 V6)20190322.indd 12019/8/9 下午1:53普通高中教科书物理第三册必 修北京人民教育出版社 课程教材研究所物 理 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著2高中物理必修第三册普通高中教科书 物理 必修 第三册人民教育出版社 课程教材研究所物 理 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著出版（北京市海淀区中关村南大街 17 号院 1 号楼 邮编：100081）网址 http:/版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与 联系调换。电话：-总 主 编：彭前程 黄恕伯本册主编：彭前程 秦建云编写人员：（以姓氏笔画为序）方贵荣 谷雅慧 黄恕伯 梁 旭责任编辑：彭 征 孙 新美术编辑：王 艾第7章 电能 能量守恒定律3第九章 静电场及其应用1.电荷2.库仑定律3.电场 电场强度4.静电的防止与利用第十章 静电场中的能量1.电势能和电势2.电势差3.电势差与电场强度的关系4.电容器的电容5.带电粒子在电场中的运动第十一章 电路及其应用1.电源和电流2.导体的电阻3.实验：导体电阻率的测量4.串联电路和并联电路5.实验：练习使用多用电表第十二章 电能 能量守恒定律1.电路中的能量转化2.闭合电路的欧姆定律3.实验：电池电动势和内阻的测量4.能源与可持续发展第十三章 电磁感应与电磁波初步1.磁场 磁感线2.磁感应强度 磁通量3.电磁感应现象及应用4.电磁波的发现及应用5.能量量子化课题研究索引目录126111825263135384452535762687278798389931031041091141191241311364高中物理必修第三册第九章 静电场及其应用1第九章静电场及其应用9牛顿曾经说：“我认为自己不过像在海滩上玩耍的男孩，不时地寻找比较光滑的卵石或比较漂亮的贝壳，以此为乐，而我面前，则是一片尚待发现的真理的大海。”真理的大海中包括电现象、磁现象其实，人类研究电现象和磁现象的历史与力学研究同样丰富多彩，但电和磁的世界比机械运动的世界更加错综复杂。从这章开始，我们将进入更有趣的电和磁的世界。2高中物理必修第三册图9.1-1 雷电电荷电荷公元前600年左右，古希腊学者泰勒斯就发现摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象。公元1世纪，我国学者王充在论衡一书中也写下“顿牟掇芥”一语。此语意为摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。16世纪，英国科学家吉尔伯特在研究这类现象时首先根据希腊文的琥珀创造了英语中的“electricity”（电）这个词，用来表示琥珀经过摩擦以后具有的性质，并且认为摩擦过的琥珀带有电荷（electric charge）。人们发现，很多物体都会由于摩擦而带电，并称这种方式为摩擦起电（electrification by friction）。美国科学家富兰克林通过实验发现，雷电（图9.1-1）的性质与摩擦产生的电的性质完全相同，并命名了正电荷（positive charge）和负电荷（negative charge）。迄今为止，人们没有发现对这两种电荷都排斥或都吸引的电荷。自然界的电荷只有两种。电荷的多少叫作电荷量（electric quantity），用Q表示，有时也可以用q来表示。在国际单位制中，它的单位是库仑（coulomb），简称库，符号是C。正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。1直到库仑定律发表的时候，电学才进入科学的行列。劳厄摩擦可以使物体带电。摩擦过的琥珀能够吸引羽毛。为什么有的物体容易带电，而有的物体很难带电呢？问题 1881年第1届国际电学大会确定库仑（C）为电荷量的国际单位，定义为1 A恒定电流在1 s时间间隔内所传送的电荷量为1 C。？第九章 静电场及其应用3图9.1-3 静电感应取一对用绝缘柱支持的导体A和B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在下部的两片金属箔是闭合的（图9.1-3）。手握绝缘棒，把带正电荷的带电体C移近导体A，金属箔有什么变化？这时手持绝缘柱把导体A和B分开，然后移开C，金属箔又有什么变化？再让导体A和B接触，又会看到什么现象？利用金属的微观结构模型，解释看到的现象。观察静电感应现象AB实验我们知道，原子是由带正电的质子、不带电的中子以及带负电的电子组成的。每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多，所以整个原子对外界表现为电中性。原子内部的质子和中子被紧密地束缚在一起构成原子核，原子核的结构一般是很稳定的。通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱，容易受到外界的作用而脱离原子。当两种物质组成的物体互相摩擦时，一些受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。于是，原来电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电。这就是摩擦起电的原因。不同物质的微观结构不同，由于原子或分子间的相互作用，原子中电子的多少和运动状况也不相同。例如，金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动，这种电子叫作自由电子（free electron）。失去自由电子的原子便成为带正电的离子（ion），它们在金属内部排列起来，每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动，只有自由电子穿梭其中（图9.1-2），这就使金属成为导体。绝缘体中几乎不存在能自由移动的电荷。静电感应摩擦可以使物体带电，那么，还有其他方法可以使物体带电吗？关于金属中原子核、电子所处的状态及其运动，这里的情景是一种简化描述，但它可以有效地解释与金属导电有关的现象，所以也是一个物理模型。图9.1-2 金属的微观结构模型+C4高中物理必修第三册从18世纪起，人们开始经常使用一种叫作验电器的简单装置来检测物体是否带电。玻璃瓶内有两片金属箔，用金属丝挂在一根导体棒的下端，棒的上端穿过绝缘的瓶塞从瓶口伸出（图9.1-4甲）。如果把金属箔换成指针，并用金属制作外壳，这样的验电器又叫作静电计（图9.1-4乙）。制作一个验电器，并用验电器检测不同带电体所带电荷的种类和相对数量。观察：当带电体靠近导体棒的上端时，金属箔片是否张开？当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。这种现象叫作静电感应（electrostatic induction）。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。验电器图9.1-4 验电器甲乙做一做电荷守恒定律静电感应过程中导体中的自由电荷只是从导体的一部分转移到另一部分。也就是说，无论是摩擦起电还是感应起电都没有创造电荷，只是电荷的分布发生了变化。大量实验事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它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；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫作电荷守恒定律（law of conservation of charge）。近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生或湮没。例如，一个高能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的，两个粒子带电数量相等但电性相反，而光子又_ 正电子与电子质量相同，与电子的电荷量相等但符号相反，1932 年被首次发现。追寻守恒量是物理学研究物质世界的重要方法之一，它常使人们揭示出隐藏在物理现象背后的客观规律。电荷守恒定律是物理学中守恒思想的又一具体体现。第九章 静电场及其应用51.在天气干燥的季节，脱掉外衣后再去摸金属门把手时，常常会被电一下。这是为什么？2.在图9.1-3所示的实验中，导体分开后，A带上了1.010-8 C的电荷。实验过程中，是电子由A转移到B，还是由B转移到A？A、B得到或失去的电子数各是多少？3.如图9.1-5，将带正电荷Q的导体球C靠近不带电的导体。若沿虚线1将导体分成A、B两部分，这两部分所带电荷量分别为QA、QB；若沿虚线2将导体分成两部分，这两部分所带电荷量分别为QA 和QB。（1）请分别说出以上四个部分电荷量的正负，并简述理由。（2）请列出以上四个部分电荷量（绝对值）之间存在的一些等量关系，并简述理由。4.关于电荷，小明有以下认识：A.电荷量很小的电荷就是元电荷。B.物体所带的电荷量可以是任意的。你认为他的看法正确吗？请简述你的理由。图9.1-5CBA12+练习与应用不带电，所以电荷的代数和仍然不变。因此，电荷守恒定律更普遍的表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。它是自然界重要的基本规律之一。元电荷迄今为止，实验发现的最小电荷量就是电子所带的电荷量。质子、正电子所带的电荷量与它相同，电性相反。人们把这个最小的电荷量叫作元电荷（elementary charge），用e表示。实验还发现，所有带电体的电荷量都是e的整数倍。这就是说，电荷量是不能连续变化的物理量。元电荷e的数值，最早是由美国物理学家密立根测得的，他因此获得诺贝尔物理学奖。在密立根实验之后，人们又做了许多测量。现在公认的元电荷e的值为e1.602 176 63410-19 C在计算中，可取e1.6010-19 C电子的电荷量e与电子的质量me之比，叫作电子的比荷（specific charge）。比荷也是一个重要的物理量。电子的质量me9.1110-31 kg，所以电子的比荷为 mee 1.761011 C/kg6高中物理必修第三册库仑定律电荷之间的作用力通过上面的实验可以看到，电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。电荷之间的作用力会不会与万有引力具有相似的形式呢？也就是说，电荷之间的相互作用力，会不会与它们电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比？事实上，电荷之间的作用力与万有引力是否相似的问题早已引起当年一些研究者的注意，英国科学家卡文迪什和普里斯特利等人都确信“平方反比”规律适用于电荷间的力。不过，最终解决这一问题的是法国科学家库仑。他设计了一个十分精妙的实验（扭秤实验），对电荷之间的作用力开展研究。最后确认：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫作库仑定律（Coulombs law）。这种电荷之间的相互作用力叫作静电力（electrostatic force）或库仑力。那么，什么是点电荷呢？实验事实说明，两个实际的带电体间的相互作用力与2带正电的带电体C置于铁架台旁，把系在丝线上带正电的小球先后挂在P1、P2、P3等位置。带电体C与小球间的作用力会随距离的不同怎样改变呢？在同一位置增大或减小小球所带的电荷量，作用力又会怎样变化？电荷之间作用力的大小与哪些因素有关？问题库仑（Charles-Augustin Coulomb，17361806）类比在库仑定律的建立过程中发挥了重要作用。类比会引起人们的联想，产生创新。但是类比不是严格的推理，不一定正确，由类比而提出的猜想是否正确需要实践的检验。P1P2P3CF？第九章 静电场及其应用7它们自身的大小、形状以及电荷分布都有关系。任何带电体都有形状和大小。当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷（point charge）。图9.2-1 扭秤实验装置库仑的实验库仑做实验用的装置叫作库仑扭秤。如图9.2-1，细银丝的下端悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个小球A，另一端通过物体B使绝缘棒平衡，悬丝处于自然状态。把另一个带电的金属小球C插入容器并使它接触A，从而使A与C 带同种电荷。将C和A分开，再使C靠近A，A和C之间的作用力使A远离。扭转悬丝，使A回到初始位置并静止，通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小