经全国中小学教材审定委员会 2004年初审通过 普通高中课程标准实验教科书 物理 选修2-1 人民教育出版社课程教材研究所绵著 物理课程教材研究开发中心 人点A社
目录 致同学们 第1章电场直流电路 第1节电场 127 第2节电源 第3节多用电表.,, ,,,,,,,,,,,,..14 第4节闭合电路的欧姆定律 ...18 第5节电容器 第2章磁场 第1节磁场磁性材料 第2节安培力与磁电式仪表..34 第3节洛伦兹力和显像管 第3章电磁感应 第1节电磁感应现象 第2节感应电动势 第3节电磁感应现象在技术中的应用 50 第4章交变电流电机 第1节交变电流的产生和描述 55 第2节变压器 第3节三相交变电流
第5章电磁波通信技术 第1节电磁场电磁波,,, 第2节无线电波的发射、接收和传播 70 第3节电视移动电话 75 第4节电磁波谱 第6章集成电路传感器 83 第1节晶体管 第2节集成电路 第3节电子计算机 92 第4节传感器 课题研究 102 课外读物及网站推荐
致同学们 欢迎大家进入《物理》选修2系列的学习。这一系列的选修模块,侧重从 技术应用的角度展示物理学,强调物理学与技术的结合,着重体现物理学的实 践性、应用性。 包括物理学在内的自然科学以认识自然、探索未知为目的;而技术则以对 自然界的认识为根据,利用得到的认识来为人类服务。 尽管如此,人们还是习惯于把科学和技术联在一起,统称“科技”。这说明 二者之间有着密切的联系。历史已经表明,没有科学发现,就没有技术进步; 没有技术进步,科学也不能发展。真可谓“你中有我,我中有你” 17世纪末叶出现的巴本锅和蒸汽泵,主要是一种技术发明。18世纪技术工 人瓦特给燕汽机增添了冷凝器、活塞阀、飞轮、离心节速器等,使蒸汽机真正 成为一种广泛应用于纺织、轮船和火车的动力机,更是一种技术的进步。但那 时的热机效率只有5%^8%,如何提高热机效率成为技术进步向科学发展提出 的问题。它促使卡诺定理的提出和热力学第一、二定律的建立,推动了物理学 的发展,并使热机效率得以大幅度提高。这就是近代史上第一次产业革命所反 映出的科学与技术的联系。 19世纪70年代,在电磁理论的基础上,具有实用价值的电动机和发电机 先后问世,继而又实现了电力的远距离传输。不久,马可尼和波波夫发明了无 线电通信技术。这一切开创了第二次产业革命,使人类进入了电气化时代 20世纪以来,以原子核能、电子计算机和空间技术的发展为标志,开始了 第三次产业革命,即现代技术革命。特别是20世纪70年代以来,微电子技术 的发展以及材料、激光、遥感、人工智能、多媒体信息技术等的长足进步,极 大地拓展了人类利用、控制和保护自然的能力 科学技术作为生产力的要素,它的发展和进步是同社会生产力的整体水平 密切相关的。这也是不同国家和地区在科学技术发展上不平衡的重要原因。正 是由于这种不平衡性,导致了科学技术中心在世界范围内的转移。所谓科学技 术中心,是指这样的国家和地区,其开创性的科学技术成果超过全世界总量的
四分之一。归纳起来,近五百年来科学技术中心转移的顺序和时间大致是: (1)意大利1540~1640 (2)美国166-1730 (3)法国1770-1830 (4)德国1870-1920 (5)美国1920 历史上东方文明尤其是中国古代文明曾远远领先于西方,在近代科学技术 兴起之前,中国的科学发现与技术发明也曾在世界范围产生巨大影响。有人曾 经预言:中国再度觉醒之时,世界将会震颤。还有人说,中国近年的发展变化 正预示这一时刻的到来。不管这些说法的本意何在,无可否认的事实是,我国 科学技术的发展不仅表明我们继承了中华传统文化的精华,而且在21世纪的初 期,我们已经向着先进国家的行列迈出了坚实的步伐。中国科学技术的昔日风 采再度展现在世人面前的日子正向我们走来 我是昆仑的云, 我是黄河的浪 我是涅粲的风凰再飞翔。 我是屈原的梦, 我是李白的唱, 我是涅粲的风凰再飞翔。” 讴歌中华民族伟大复兴的诗句,正在我们耳边回响、回响 其实,诗在心中。不是吗? 心■2
第 章 电场直流电路 电视机中的电路板 我们生活在电气化时代 清展醒来,只需一两分钟,徽波炉就会为我们做好热腾腾的早饭;晚上回家,洗衣机会自 动把脏衣服洗得千千净净;在酷热难酎的盛夏,空调给我们送来阵阵清凉;在久旱的农田,抽 水机浇灌着千渴的禾苗;电视机前,我们观看新闻、足球比赛,对国内外大事发表意晃… 微波炉、洗衣机、抽水机、电视机……它们的工作原理虽然不同,但是最基本的电磁学規 律是一样的。如果看看各种电器的电路板,你就会发现它们是由许许多多电阻、电容、集成电 路等元器件組成的 要想知道这些电器以及飊成它们的元器件是怎样工作的,就要对电磁学的基本知识有所了 解。电场和直流电路的规律是电磁学的重要基础
第1节电场 电荷及其相互作用在空气干燥的时候,用塑料梳子梳头,头发会随着梳子飘起来;夜 晚脱毛衣,有时会看到闪光,这些现象都是摩擦起电造成的。 摩擦起电是指用摩擦的方法使物体带上电荷( electric charge)的过程。这些电荷静止在 物体上,这种现象就叫做静电现象。在自然界只存在着两种电荷:正电荷和负电荷。用丝绸摩 擦过的玻璃棒上所带的电荷是正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒上所带的电荷是负电荷。 摩擦为什么能使物体带电呢?这是因为物体都是由原子组成的,原子由带负电的电子和带 正电的原子核组成。通常,原子核带的正电荷与核外所有电子带的负电荷在数量上相等,原子 呈电中性,由原子组成的物体看起来不带电。但是不同物质的原子核束缚电子的本领不同,两 种不同的物体相互摩擦时,一个物体的一部分电子会转移到另一个物体上,这样,得到电子的 物体因获得多余的电子而带负电荷,失去电子的物体因缺少电子而带等量的正电荷。所以物体 带电实际上就是物体失去电子或获得多余电子的过程。 电荷的多少叫做电荷量( quantity of electricity),用符号Q或q表示。电荷量有时简称 电荷。电子所带电荷量是电荷的基本单元,叫做元电荷( elemantary charge)。物体所带的电 荷量都是电子所带电荷量的整数倍。在国际单位制中,电荷量的单位是库仑 coulomb),简称 库,用符号C表示。1C的电荷量相当于625×10个电子所带的电荷量,一个普通大小的 物体很难保持多于千分之一库仑的净电荷。 图111电荷之间的相互作用 「演示「 如图1.1-1甲所示,将两个小通草球(或表面涂有石墨的泡沫塑料小球)用丝线悬 第一章电场直流电 挂起来,用丝绸摩擦玻璃棒,使玻璃棒带电,并把玻璃棒上带的电传给一个小球,然 后使两个小球接触,带上同种电荷。可以看到什么现象? 如图11-1乙所示,将另外两个小球悬挂起来,并使它们分别带上正电荷和负电 蘅,又可以看到什么现象? 心■2
大量的实验告诉我们,电荷之间有相互作用:同种电荷相互排斥.异种电荷相互吸引。电 荷之间的相互作用力.随着距离的增大而减小.随着电荷量的增大而增大 电场电场强度我们过去学过的弹力、摩擦力都是当一个物体与另一个物体接触时产 生的,但是,电荷之间的作用力并不要求带电体相互接触。那么,带电体到底通过什么发生相 互作用呢? 实际上,就像我们初中学过的磁体周围存在磁场一样,电荷周围存在着一种叫做电场 ( electric field)的物质,电荷通过电场发生相互作用。 电场的一个重要的性质就是对置于其中的电荷有力的作用,这个力称为电场力。 把一个带正电的物体放在A处,然后把挂在 图112电场力 丝线上的带正电的小球先后挂在B、P、P等位 置(图1.1-2)比较小球在不同位置所受电场力 的大小,(小球所受电场力的大小可以通过丝线 偏高竖直方向的角度显示出来,偏角越大,表示 小球受到的电场力越大,) 通常,同一个电荷在电场中不同位置所受的电场力往往是 在物理学中,常常 不同的。这说明电场中不同位置的电场强弱是有差别的。物理 用比值定义一个物理 学中,用单位电荷在电场中不同位置所受的电场力来比较这些 量,用来表示研究对象 位置电场的强弱。或者说,用电荷所受的电场力大小与电荷所 的某种性质,例如,用 带电荷量的比值来表示某点电场的强弱。 质量m和体积V的比值 电场中某点处电荷所受的电场力F跟它所带的电荷量q的 定义密度p、用位移△x 比值叫做该点的电场强度( electric field strength),用符号E 与时间△t的比值定义 表示 速度,等等 电场强度的单位是NC,或Vm。如果1C的电荷在电场中的某图113电场强 点受到的电场力是1N,这一点的电场强度就是1NC。 度具有方向性 电场强度不仅有大小,而且有方向。如图1.13所示,同一正电 荷q在电荷Q所产生的电场中不同位置所受的电场力方向不同,说明 电场强度的方向也不同。物理学中规定:正电荷在电场中某点的受力 方向为电场强度E的方向。因此,电场强度E是描述电场强弱和方向 B 的矢量,反映的是电场自身的特性。 F ②例题一个电荷量为4.0×10-8C的正电荷在电场中某点 所受的电场力为6.0×10-4N,求该点的电场强度。若将一电荷量
为2.0×10-C的负电荷置于该点,该点电场强度是否变化?求它所受的电场力大小和方向 解:根据电场强度的定义式有 =:810=8 =1.5×104NC 该点电场强度大小、方向与该处是否放电荷以及电荷的大小、正负均无关,所以该点电场 强度不变。负电荷在该点所受电场力大小为 F=Eq=1.5×104N/C×2.0×10-8C=3.0×10-4N 力的方向与该点电场强度方向相反。 电场线电场看不见,摸不着怎么能形象地来表示它呢? 图114电场线上每一点的切线 还记得初中我们怎样形象地描述磁场吗? 方向都跟这点电场强度的方向 我们是用磁感线来形象地描述磁场的。类似地,也可以用电 一致。A、B、C各点的电场强 场线( electric field line)来形象地 度的方向分别如图中箭头所示。 电场线是形象 描述电场。 化描述电场的一种手 电场线是这样一些曲线,它上 段,实际电场中丹不 B 面每一点的切线方向都跟电场中 存在这样的线 这一点的电场强度的方向一致 (图1.1-4)。 「演示 用实验模拟电场线的分布 如图115,在玻璃或塑料容器中盛一些蓖15电场分布 麻油,将两个电极分别连到感应起电机的正、负 导电杆上.把头发屑撒在蓖麻油表面,转动感应 起电机,在电场中头发屑会排列起来,显示出电 场线的分布, 从图1.1-6可以看出,离电荷越近的地方,也就是电场越强的地方,电场线越密。所以,电 场线不仅可以表示电场强度的方向,而且,在同一个电场线分布图上 可以大致表示出 电场线分布 图116两个等量点电荷間图的电场线分布 各处电场强度的具有这样的特点 第一章电场直流电 大小。电场线越密从正电荷(或者从 的地方,电场强无限远)出发到负 度越大,电场线 电荷(或者延伸到 越稀的地方,电 无限远)终止 场强度越小。看到
某一区域的电场线分布情况,我们就可以比较具体地对这一区域 图L1-7电场线越密 的电场情况有个形象的了解 的地方电场强度越大 图1.1-7中的A、B、C三点相比,A点的电场强度最大,C点 的电场强度最小 在图1.1-冲的D点没画出电场线,是否该点电场强度为0?为什么?若把一个电 荷分别放在A、B、C三点,请画出它所受的电场力的方向 匀强电场在电场的某个区域如果各点电场强度的大小和方向 图118匀强电场 都相同,这个区域的电场就叫做匀强电场( uniform electric field) 匀强电场是最简单的电场,也是很常见的电场。两块分别带等量正、 负电荷,靠得很近的平行金属板之间的电场,除边缘附近外就是匀强 电场(图1.18)。 因为匀强电场中各点电场强度的方向都相同,所以电场线一定是 相互平行的直线;又因为各点的电场强度大小都相同,所以电场线的疏 密程度处处相同。因此,匀强电场的电场线是间距相等的平行直线。 广角 放电现象的防止 当电荷在物体上大量积累时,在物体周图就会产 图L19起电机导电杆之间的电火花 生很强的电场。如果电场足够强,原来是绝体的空 气被强电场击穿变为导体,这一现象称为空气的电离 强大的电流遜过电离的空气时发声、发光、产生电火 花并发出大量的热。实验室中感应起电机两个导电杆 之间的电火花(图1.1-9)云层之间和云层与地面之间 产生的闪电和雷鸣、生活中由于毛衣积累了静电而发 生的电击和火花,这些都是强电场使空气电离而产生 的放电现象 生产和生活中、放电火花会引爆易然物,例如,矿井中的火花放电会引起可然气体爆炸,威熏大矿 难;在石油运输过程中产生的静电,积到一定程度就会产生大花放电,引起爆炸.因此,油罐车都拖着 报铁链,它可以把车上的静电导入大地(图1.1-10飞机降落时,它与空气摩镲而产生的静电必颁通过