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3-1 人民教育出版社课程教材研究所编著 物理课程教材研究开发中心 率⑧人人点A社
目录 致同学们 1 笫一章静电场 1电荷及其守恒定律 2库仑定律 5 3电场强度 10 4电势能和电势 5电势差 20 6电势差与电场强度的关系 7静电现象的应用 24 8电容器的电容 9带电粒子在电场中的运动 33 第二章恒定电流 1电源和电流 41 2电动势 3欧姆定律 4串联电路和并联电路 48 5焦耳定律 6电阻定律 7闭合电路的欧姆定律 8多用电表 9实验:测定电池的电动势和内阻 10简单的逻辑电路 71 笫三章磁场 1磁现象和磁场 2磁感应强度 83 3几种常见的磁场 4磁场对通电导线的作用力 5磁场对运动电荷的作用力 6带电粒子在匀强磁场中的运动 课题研究霍尔效应 103 张录游标卡尺和螺旋测微器 104 课外读物 107
致局学们 欢迎大家遗入《物理》(选3系列)的学习。个系列大家呈旎比软完壑 和綜合的物理学内容,示物理学发展中克满窨智和灵气的科学思非,扬首菜物 理学家寻真理的坚强意志和科学神。 在必臂物理中,大家学习了力学的主要内容。诚然,力学是物理学的基, 是在物理学和其他学科中进行科学研的與范。但是羹定墨融是訪了突旎更高和更 强的目标,学习范是了追求翅和到新的理想。在这一过翟中,一定公嗜意 不到的坎坷和曲折,但探索未知的诱和越已知的冀,却恙在首面向我们括 从这种意义上说,物理课程的学习与物理学自身的发展具￠懔人的一歎性。 部是N55年4月∥日,一个星期日的下年, 爱因斯坦从櫚上笙起来,开始了他一生的最 后一次计算。他以自己特嚯的干净利蔫的笔速, 写下了一行行算式。在壑理了一些数宇之后,他 休息了。几个小时之后,20世纪最伟大的物理 学家之一去世了。床旁边放着他最后的,也 是失歟的一項努力的记录:他要剑一个“统 一场理论”,以便对宇宙中已知的几种相互作用 做出统一的辞释。 爱因斯坦 因斯坦的研究潲源于阳世纪宁首期沽拟苇和麦克斯韦的工作。当奥斯特发规 电液产生炀的兢之后,沽推第知 道,相反的情况是否可能发生——碰能 够产生电吗? 在失了多次之后,他取得了成 ,揭示了自然界一个具宙深远意义的 奥私—尽管表而象不同,但是电和 磁仅仅是同一墨本兢象的不同方而。这 向人们暗示:字宙中的事物舆￠甚种基 本的统一性。 法拉第在英国皇家学会澳讲
虽然沽拉苇以其高蝇的实验能警見这种筑一性,但他缺乏 统一辉煌成界所常的数学工果。麦克斯韦用数学语言成功 地把濟推第的发规纳入了一饣完美的馨,阚明了电与磁实 质上的统一性。 然而,他们没宙考鳶一个明显的问裹:宇宙的种犹 一性是否包括人们录熟选的引力呢?这正是叠因斯坦智慧 的歙角措向的地方。也许是这个问裹太罗地趣了科学的 年轮,爱因斯坦穷30多年之力,却只能還慨地把一科学 重任留后人 克斯韦 在受因斯坦忙于枃建自己的统一场理论的同时,人们发观了另外雨种墨本的 力——凝聚原予被的强相互作用力和逍成放射的弱相互作問力。从20世纪50 年代开嫣,物理学家的注意如转向了电力与弱相互作用力的犹一。到60年代东, 伯袼、袼拉背和萨拉分别在理诠上表明,这雨种力仅仅是闷一种力的不冏方 而,由此预言的一些兢象在70年代被实验证卖。这让他们共同荻得了阳q7q年诺 貝尔物理学类。 7心年代首期,格拉背还提出了把电磁力、鬆作用力和强作用力犹一起来的教 学公式,并称为“大统一场裡”,但他的预言诞实起表却￠困难。 阳q84年,瓦茨和袼林等人于宣布,能够扎最后的局 外者一一引力和其他的力琵一起来。条件是不吾把芋看做“ 点状物,而是看嫩称“”的小物体,它们像一些“琴 弦”,存在于10犟的时空之中。 管区是一項重大进展,但理似乎仅仅是暴种更 加根本的东西的一个影乎。Nq5年,威藤把这个“东西”我 到了,并称它为“N理”,或说是“理论”。以往的弦 仅仅成动日獐的展的“边体”而已,这Ⅱ獐时空中称了4獐超弦理论认为,各种粒子 之外全都晏曲起来,以默我们无沽“看到”。 从一个基本超弦的不间派 这就是爱因斯坦追求的目标喝?它可以通过实验证实 荡状态产生,就像一根弦 振动形成不同的音调 吗?除了4獐之外的其他獐度是如何曲的,以数我们看不 见?尚存的其他许多獐的谜底在畔里? “M”除代表“ Mem bran(朕)”之外,可以代表“Mote(受亲了,也可以代 “wyty(神和之物)”,还可以代表“wag(產求門,那么,它到底代什么 呢?素只能存在于未来的握索之中,也许它正在向你们手呢! 科学是人类物质文明和精神文明进步的伟大阶梯,它也映射出一个民蔟和国家」 2
发尽壮大的坚实脚步。中因是个13亿人口的发尽中 的大国,无论多么可观的财力、物力,考到巨大的人 口,就成了很低的水平。但是,事情也嗜另外一面。如 界3亿人都果奇了软高的科学素度,以科学的释神和 思方沽面对挑战和机遇,宁国人难道不可以自己 乃至全人类的发尽和进步,承扭起元与伦比的重大量 任鸣? 同学们,学好科学,增长智慧和才干,并把个人 价值的实与福国的崇富强联系起来,那么人生就 神舟飞船 定是克实而精豸的! 曾嚯一位游人在游桃州西后写过一首打油: 昔年曾见此湖图, 不信人间有此湖。 今日打从湖上过, 画工还欠费功夫 如罪你在读了首面那些文宇之后,对于物理学的博大深及影响之巨仍然哥信 脊疑,那也没系,还是芫学下去吧,或许宙一天你会拍打着表科书说:“编者 还欠賈功夫。” 万里长城 3
科学是可以解答的艺术。科学的前语是介 于可解与难解、已知与未知之间的全新醱城。数 力于这个领城的科学家们竭尽全力将可解的边 界朝难解方向推进,尽其所能揭示表知领蜮。 皮持·梅达瓦① 第一章静电场 牛顿曾经说:“我认为自己不过绿在海滩上玩要的男弦,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。”是的,牛颖并没有发现值得我们知道的每 样东西,其中包括电现象、磁珋象 其实,人类研究电现象和磁现象的历史比起研究力学的历史要更加丰富多彩,电和磁的世界也比机 械运动的世界更加综复杂。 从这章开始,我们将进入更有的电和磁的世界。 ①梅达瓦( Sir Peter B. Medawar,1915-1987),阿拉伯商英国兔疫学家,因组织移植方面的研究获1960年诺贝尔生 理学或医学奖。梅达瓦有许多科学和哲学方面的优秀著作
高中物理c选修3 公元前600年左右,希腊人泰勒斯( Thales,前624 前546)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” 语,指的是用玳瑁的壳吸引轻小物体。16世纪,英王御医 吉尔伯特(W. Gilbert.1544-1603)在研究这类现象时首 先根据希腊文“nλeKτpuvo”(琥珀)创造了英语中的 “ electricity"(电)这个词,用来表示虢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),后 来,人们发现很多物质都会由于摩擦而带电,并且带电物体 古代人发现摩擦过的驼 之间存在着相互排斥或相互吸引的作用。 珀能够吸引轻小物体 摩擦后的物体所带的电荷有两种:用丝绸摩擦过的玻璃 棒所带的电荷是一种,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷是另一种。同种电荷相斥,异种 电荷相吸。人们没有发现对上述两种电荷都排斥或都吸引的电荷。这表明,自然界的电荷只 有两种。美国科学家富兰克林(B. Franklin,1706-1790)把前者命名为正电荷( ositive charge),把后者命名为负电荷( negative charg) 到了20世纪,物理学解开了物质分子、原子内部结构之谜,人们对电现象的本质又有 了更深入的了解。 本章将从物质微观结构的角度认识物体带电的本质、电荷相互作用的基本规律,以及 与静止电荷相联系的静电场的基本性质。 电荷及其守恒定律 电荷现在我们已经知道,构成物质的原子本身就包括了带电粒子:带正电的质子和不 带电的中子构成原子核,核外有带负电的电子。原子核的正电荷的数量与电子的负电荷的数 量一样多,所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。 原子核内部的质子和中子被核力紧密地束缚在一起。核力来源于强相互作用,所以原子 核的结构一般是很稳定的。核外的电子靠质子的吸引力维系在原子核附近。通常离原子核较 远的电子受到的束缚较小,容易受到外界的作用而脱离原子。当两个物体互相摩擦时,一些 束缚得不紧的电子往往从一个物体转移到另一个物体,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( electrification by friction)的原因。 例如,用丝绸摩擦玻璃棒时,玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了,玻璃棒因缺少电子而带正电, 丝绸因有了多余的电子而带负电。 不同物质的徽观结构不同,原子中电子的多少和运动状况也不相同。不仅如此,当大量 原子或分子组成大块物质时,由于原子或分子间的相互作用,原子中电子的运动状况也会有 2
所变化。例如,金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核 金属中原子核、电子所 的束缚而在金属中自由活动,这种电子叫做自由电子(free 处的状恋及其运动,要比这 electron)。失去这种电子的原子便成为带正电的离子(ion),它 里描述的复尕得多,这里描 们在金属内部排列起来,每个正离子都在自己的平衡位置上振 述的情景是闻化了的,但它 可向次地新释号属导电章 动而不移动,只有自由电子穿梭其中。这就使金属成为导体 有关的现象,所以也是一个 物理模型。 静电场 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,贴在下部的全易箔是闭合的 (图1.1-1)。 把带正电荷的物体C移近导体A,金属箔有什么变化? 这时把A和B分开,然后移去C,金属箔又有什么变化? 再让A和B接触,又会看到什么现象? 利用上面介绍的金属结构的模型,解释看到的现象。 图1,1-1静电感应 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号电荷,远离带电体的一端带同号电荷。这 种现象叫做静电感应( electrostatic induction)。利用静电感应使金属导体带电的过程叫做 感应起电 做 验电器 为了判断物体是否带电以及所带电荷的种类和多少,从18世 纪起人们经常使用一种叫做验电器的简单装置:玻璃瓶内有两 片金属箔,用金属丝挂在一条导体棒的下端,棒的上端通过瓶塞 从瓶口伸出(图1.1-2甲),如果把金属箔换成指针,并用金属做 外壳,这样的验电器又叫静电计(图1.12乙)。 制作一个验电器,并描述如何用验电器检测带电体带电的种 类和相对数量 注意观察:是否只有当带电体与导体棒的上端直接接触时 金属箔片才开始张开?解释看到的现象 图1,1-2验电器和静电计 ①本书中,“做一做”栏目和“说一说”栏目,其中的内存是扩展性的,不是基本教学内容。同学们可根据自己的条 件在老师的指导下选择学习
高中物理c选修3 电荷守恒定律无论是摩擦起电还是感应起电,本质上都是使微观带电粒子《如电子) 在物体之间或物体内部转移,而不是创造出了电荷。 大量事实表明,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。这个结论叫做 电荷守恒定律( law of conservation of electric charge) 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,由一个高能光子 可以产生一个正电子①和一个负电子;一对正、负电子可同时湮没,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,两个粒子带电数量相等但正负相反,而光子又不 带电,所以电荷的代数和仍然不变。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。它是自然界重要的基本规律之 元电荷电荷的多少叫电荷量( electric quantity),在国际单位制中,它的单位是库仑 ( coulomb),简称库,用C表示。正电荷的电荷量为正值,负电荷的电荷量为负值。 迄今为止,科学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,但符号相反。人们把这个最小的电荷量叫做元电荷( elementary charg),用 e表示。实验还指出,所有带电体的电荷量或者等于e,或者是e的整数倍。这就是说,电荷 量是不能连续变化的物理量 电荷量e的数值最早是由美国物理学家密立根(RA. Millikan,1868-1953)测得的。 这是他获得诺贝尔物理学奖的重要原因。在密立根实验之后,人们又做了许多测量。现在公 认的元电荷的值为 =1.60217733×10-C 在我们的计算中,可取 e=1.60×10-C 电子的电荷量e与电子的质量m之比,叫做电子的比荷( specific charge)。它也 是一个重要的物理量。电子的质量m=0.91×10-kg,所以电子的比荷为 =1.76×10Ckg n e 问题与练习 1.在我国北方天气干燥的季节,脱掉外衣后再去摸金禹门把手时,常常会被电击。这 是为什么 2.在图1.11所示的实验中、最终A带上了-10C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.A为带正电的小球,B为原来不带电的导体。把B放在A附近,A、B之间存在吸 ①正电子与电于质量相间,与电子的电荷量相等但符号相反,1932年首次发现
引力还是排斥力? 4如图1.1-1样,把A、B在带电休C旁边相碰一下后分开,然后分别接触一个小 电动机的两个接线糕,如罘小电动机非常灵敏、它便会开始转动。当咆动机还没 有停止时,又立刻把A、B在C孛边相碰一下分开,再和小电动机两接线柱接触。 知此下去,小电动机便能不停地转动。这不是成了永动机而违背能量宁恒定律吗? 说说你的看法 章静电场 库仑定律 如前所述,人们最早是通过电荷之间的相互作用来认识电荷的。在牛顿力学成功地研究 了物体的机械运动之后,18世纪的物理学家们很自然地把带电物体在相互作用中的表现,与 力学中的作用力联系起来了。那么,电荷之间作用力的大小决定于哪些因素呢? 探究影响电荷间相互作用力的因素 O是一个带正电的物体。把系在丝线上的带正电的小球 先后挂在图1.21中P1、P、P等位置,比较小球在不同位置 所受带电体的作用力的大小。这个力的大小可以通过丝线偏 1.2-1探究影响电荷 离竖直方向的角度显示出来。 间相互作用力的因素 使小球处于同一位置,增大或减少小球所带的电荷量,比较小球所受作用力的 大小 哪些因素影响电荷间的相互作用力?这些国素对作用力的大小有什么影响? 实验表明,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。这隐约 使我们猜想: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,带电物体之 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引力的相似性早已引起当年一些研究者的注意,卡文迪许 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。 然而,他们也发现,引力与电荷间的力并非完全一样,而且我们上面的实验也仅仅是 定性的,并不能证实我们的猜想。这一科学问题的解决是由法国学者库仑(CA. Coulomb 1736-1806)完成的