普通高中课程标准实验教科书 物理 选修12 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 人杂表“社
目 录 致同学们 第一章分子动理论内能 、分子及其热运动………………………2 二、物体的内能…… 固体和液体……………………………10 四、气体 16 第二章能量的守恒与耗散 、能量守恒定律…………………………………21 二、热力学第一定律 三、热机的工作原理……… 四、热力学第二定律……………32 五、有序、无序和熵………………………34 六、课题研究:家庭中的热机 第三章核能 、放射性的发现 42 二、原子与原子核的结构……………47 、放射性衰变……………………50 四、裂变和聚变 五、核能的利用… 第四章能源的开发与利用 、热机的发展与应用 二、电力和电信的发展与应用… 新能源的开发 四、能源与可持续发展……………80 五、课题研究:太阳能综合利用的研究
致同学们。 致同学们 同学们!在学完共同必修模块后,你们已经领略了物理学冰山的一角。选修1系列的两个 模块将继续向你们展示物理学的其他有趣的内容。在这个系列里我们将侧重物理学与杜会科学 和人文学科的融合,强调物理学对人类文明的影响。希望你们在本书的学习中,能主动地、生 动活泼和富有个性地学习物理知识与技能,提高科学思维能力,发扬创新精神,为你们的终身 发展及科学世界观、科学价值观的形成打下基础。 结合本教材的特点,先和同学们谈几个有关的话题。 物理学与人炎文明 几千年的历史表明,物理学是人类文明的重要源泉。从茹毛饮血的原始社会到高度文 明的现代社会,人类是伴随着包括物理学在内的科学技术的一次次突破,一步步地走过来 的。在远古蛮荒的文明之初,投掷、尖劈、杠杆等知识帮 助原始人群度过了漫长的旧石器时代。由于能力的低下 人类创造了听命于自然的图腾文化。弓箭、钻木取火的发 明,是最早的技术革命,它催生了畜牧业以及制陶和治金 技术。金属农具的普遍使用,使人类进入到农业社会,产 生了具有田园意趣、以自然启示人格和艺术的人文文化。 从近代欧洲的文艺复兴开始,科学实验开辟了科学革命 的道路,理性精神深深地渗透到文化当中,把人类推进到科 学文化的时代。17世纪的牛顿力学和18世纪中叶的量热学, 导致了蒸汽动力的普遍应用,推动了近代第一次产业革命, 人类进入到“蒸汽时代”,产生了资本主义的工业文明。19世 纪40-60年代,能量转化和守恒定律的建立及电磁场理论的 发展促进了“蒸汽时代”向“电气化时代”的转变。20世纪 以来,以相对论和量子力学为理论支柱的微观物理学的发 元代耕织图 铁路通车典礼
致同学们 展,引发了现代科学革命,推动了今日高科技社会的诞生。 科学技术的高速发展,使人类改造自然的能力空前增强。 在古典神话小说《封神演义》中,作者幻想了许多超人 的能力:雷震子肋生双翅翱翔长空,土行孙缩身入地日行千 里,哼哈二将怒射白光杀敌制胜,千里眼顺风耳探事千里之 外。今天,飞机、地铁、激 光、电视、互联网等技术已 实现飞行的梦想 经使这些幻想变为现实。 上天入地、腾空泛海、生光驭电、变幻万物,人类几乎达到 了无所不能的地步。而这一切成就,都是基于科学技术的进 展,可以说,物理学与其他学科一起创造了现代文明。 但是,一切技术应用,既可以成为打开自然宝库的钥匙, 也可以成为对自然肆意施虑和毁灭人类文明的魔剑。今天, 人们在惊叹高科披的辉煌成就的同时,似乎又听到了英国作 全球定位系统嵌收器能够显示经度 纬度和海拔高度,能够引导飞机和船 家狄更斯( Charles Dickens,1812-1870)在《双城记》中 只辨别它们的确切位置 发出的警世哲言: 这是最好的时候,这是最坏的时候 这是智慧的年代,这是愚蠡的年代; 这是信仰的新纪元,这是怀疑的断纪元; 这是光明的季节,这是黑暗的季节; 这是希望之春,这是失望之冬; 我们将拥有一切,我们将一无所有; 环境污染造成大气上层 的臭氧空涓 今天,环境污染,生态破坏,新疾病不断发生,自然资源匮乏,人口爆炸……如果这些问 题得不到控制,人类的前途就会陷入困境。 人是有理智、有感情的。在这种危机面前,我们必须重新思考人与自然的关系,重新评估 科学技术的社会功能,重新规划科技发展的路线图,更多地考虑自然与人的关系,从人类文明 史的经验教训和社会发展的未来出发,把自然文化、人文文化和科学文化整合起来,创造出 人、社会与自然生态共荣,和谐发展的新的文化模式。 物理学之美 在一些人的心目中,物理学是那样枯燥,那样难懂,哪有什 速 么“美”可言?事实并非如此。 美的源泉是大自然。美为什么会在物理学中泄露芳容呢? 那是因为物理学之美源于自然美。 大自然一英的源泉
致同学们。 大自然拥有丰富多彩、十分绚丽的环境,有色彩之美、风格之美、对称之美、音韵之美 奇特之美、奧秘之美。物理学研究的对象,正是这样一个自然界。自然界所拥有的各种美的 品格,当然会在物理学的内容和理论形式中反映出来。 简单、普适、和谐、统一是物理学之美的最普遍特征。尽管自然万物五彩缤纷、斑驳陆 离、瞬息万变,然而它们的存在状态和变化却遵从一定的规律。为数不多的规律支配着自然 界的一切,体现了自然界质朴的统一与和谐之美,赋予了科学理论的审美价值。爱因斯坦说: “从那些看来同直接真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的 感觉。”牛顿定律、万有引力定律、库仑定律、嫡增加原理等,都以其简洁性、普适性与和 谐性给人以美的震撼。它们既向人们展示出一个个未知王国如何在杂乱中包含有序、在繁杂 中包含简单、在对立中包含统一,又给人们一种美的冲动,启迪人们的灵感和智慧,去创造 更为壮丽的科学杰作 自然界存在多种多样的对称美。对称性不仅体现在绘画、建 筑、园林、城市规划中,物理学中同样反映出大自然的这种对称 性。很多物理学理论都有一种赏心悦目的对称美,本书中,我们 可以通过电与磁的规律领略一二,而在微观领域,还将看到更 多、更深刻的对称性。 物理学中美的特点,在绘画、音乐,甚至诗歌,舞蹭等各种 艺术中都有相似的对应物。物理学中那种看不见、摸不着、充满 智慧的理性之美,正是艺术中那种见得着、听得到的感性之美的 相似物;物理学家和艺术家通过不同途径追求的正是相同的目标。 京剧脸谱中的对称美 物理学与科学文化素养 有一个看法:如果一个人没有读过唐诗宋词、《红楼梦》和莎士比亚的作品,会被认为文 化素养不高;但是一个人不知道牛顿、爱因斯坦的理论,却不被看做缺少文化。20世纪下半 叶波澜壮阔的现代科技革命,极大地冲击了这种偏见物理学家拉比(1.I.Rabi,1898-1988) 指出:“只有把科学和人文学科融为一体,我们才能期望达到与我们时代相称的智慧的顶点。” 或许你将来从事与物理学没有直接关系的工作,但是也应该对物理学有一定的认识。这不 是要求你死记硬背物理定律和公式,而是要求你了解一些重要概念和规律的科学实质,经厉 些物理学的探素过程,体会一些物理学的思维方式和研究方法,知道一些与物理学相关的基本 知识。这对你分析和处理间题能力的提高,甚至你的日常生活,都是十分重要的。今天,物理 学已经深入到社会生活的各个方面,无论你从事何种职业,都离不开与物理学相关的技术和产 品。汽车、飞机、电视、空调、电脑、网络、手机、磁卡……不具备基本的物理学知识和技能, 如何能更好地适应这种现代生活呢? 当代物理学发展的特点之一,是它与社会科学之间的沟通与渗透。人类生活在大自然中, 人类社会的发展不能不受制于自然的法则,因而社会领域的许多问题,也可以借用物理学的概 念、规律、思想和方法来研究和处理。近年来,在社会科学中广泛采用了自然科学的研究方 法,我们必须造就具有较高自然科学素养的一代公民
假如在一次浩动中所有的科学知识都被报毁,只剩下一 句话留给后代,什么语句包舍最多的信息?我相信,这是原 子假说,即万物由原子(微小粒子)组成,它们永恒地运动 着,并在一定距离以外互相吸引,而被挤压在一起时则互相 排斥,在这句话里包含了有关这世界巨大数量的信息 费恩曼① 第一章分子动理论内能 在融化的浮冰 春天到来,冰雪消融,大地复苏。残雪、浮冰、春水,还有看不见的弥漫在空中 的水汽,形成一幅美丽的画卷 水,为什么会以如此不同的形式存在?壮丽的大自然背后隐藏着什么秘密呢? ①费恩曼( Richard Phillips Feynman,1918-1988),美国物理学家,杰出的物理教育家,由于在量子电动力学方面的贡 献获1965年诺贝尔物理学奖
(第一章分子动理论内能 分子及其热运动 自古以来,人们就不断地探素物质组成的 秘密。两千多年以前,古希腊的著名思想家德漠 克利特( Democritus,约前460一前370)认为, 万物都是由极小的不可分的微粒构成的,并把 这种微粒叫做原子①,在古希腊学者提出古原子 论观点的同一时期,我国古代的墨家学派也曾 提出原子的观点,认为对物质进行分割时,分割 到“端”就不能再分割下去了。这些古代的学说 虽然没有实验根据,却包含着原子理论的萌芽 科学技术发展到今天,人们逐渐揭开了物 质组成的秘密。现在,原子的存在早已得到实验 的证实。科学研究还表明,一方面,原子也不是 不可再分的;另一方面,原子还能够结合成分 子,分子是具有一定化学性质的最小物质微粒。 实际上,构成物质的单元是多种多样的:或 是原子(如金属),或是离子(如盐类),或是分 子(如有机物)。在热学中,由于这些微粒做热量然古希腊人不可能直接观察到原子,但是德漠克利特 运动时遵从相同的规律,所以在这里把它们统有他的思考,他认为人可以到花香,那是因为花的原 称为分子( molecule) 子飘到人的鼻子里的缘故。 ■「分子的大小分子是很小的,不但用肉眼不能 直接看到它们,就是在光学显微镜下也看不到。现在有 了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜,我们已经能用它观 察到物质表面的分子。图1.1-1是我国科学家用扫描隧 道显微镜拍摄的石墨表面原子的照片,图中每个亮斑都 是一个碳原子。 怎样才能知道分子的大小呢?下面介绍一种粗略测 图1.1-1扫描隧道显微镜拍摄 定分子大小的方法。 的石墨表面的原子 ①古代学者所说的原子与现代物理学中的原子不间,现代物理学中的原子是有结构的
第一章分子动理论内能 实验》 用油膜法估测分子的大小 1选择油酸分子为估测对象 把很小体积的油酸滴在水面上时,水面上会形成一 油酸分子 层油酸薄膜,薄膜是由单层油酸分子纽成的①,其示意图 包电 如图1,1-2所示。粗略地把油酸分子看做球状,测出油膜 的厚度σ,就是油酸分子的直径。 油膜的厚度等于水面上这一小滴油酸的体积跟它在图1,1-2水面上单分子油膜的示意图 水面上摊开的面积之比,因此,要估测油酸分子的直径, 就要解决两个问題:一是茯得极小的一滴油酸并测量其体积,二是测量这滴油酸在水面上 形成的油膜面积。 2.如何获得极小的一滴油酸并测量它的体积 配制好一定浓度的油酸酒精溶液(例如油酸加酒精至200m)。用注射器嗄入 定体积的这种溶液,把它一淌一滴地滴入小量綺中,计下液淌的总數,便知道每淌 溶液的体积。由此,便可以计算出每1淌这种溶液中所含纯油酸的体积。 如果把滴这样的溶液淌入水面,溶液中的酒精将很快挥发,水面上的油膜便是这淌 溶液中的纯油酸所形成的。 3.如何测量油膜的面积 先往边长30~40ⅷm的浅盘里倒入约2cm深的 浮在水面上的炸子粉油酸膜 水,然后将癖子粉或石膏粉均匀地撒在水面上。用注 射器向水面滴入滴油酸酒精溶液,油酸立即在水面 散开,形成一块薄膜(图1.1-3)。待薄膜形状稳定后 在浅盘上放一块玻璃板,将油酸膜的形状用彩笔描在 玻璃板上 图1.1-3水面上形成一块油膜 将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,计 算轮廓范围内正方形的个数(不足半个的舍去,多于 半个的算一个)。这个数目乘以单个正方形的面积就得到油膜的面积,这样,根据1滴油 酸的体积V和油膜面积S,就可以算出油膜的厚度σ 即油酸分子的直径 S 物理学中测定分子大小的方法有许多种。用不同方法测出的分子大小并不完全相同,但数 量级是一致的。测定结果表明,除了一些有机物质的大分子外,一般物质分子直径的数量级为 10-0m。例如水分子的直径约为4×100m,氢分子的直径约为2.3×10-0m ①油酸的分子式为C1 HcOoH,它的一部分是羧基一COOH,对水有很强的亲合力而与水分子结合,另一部分C1H3 对水没有亲合力,要冒出水,因此油酸分子就一个个直立在水面上形成单分子厚度的油膜
(第一章分子动理论内能 阿伏加德罗常效]我们在化学课中已经学过,1mol 的任何物质都含有相同的粒子数,这个数目用阿伏加德罗 把分子看儆小球,是 常数( Avogadro constant)NA来表示。1986年用X射线 对分子做出的简化模型 法测得的阿伏加德罗常数是 实际上,分子并不真的都 是小球,分子还有复杂的 N=6.021367×103mo 内部结构 通常可取 说到分子的大小, NA=6.02×103mo 般情况下知道分子直径的 分子很小很小,所以常见物体中所含的分子数很多很 数量级就可以了。分子直 径的数量级可以使我们了 多。1cm3水中含有的分子数约为3.3×102个,假如全世 解分子是多么微小。 界60亿人不分男女老少都来数这些分子,每人每秒数1 个,也需要17万年左右的时间才能数完。把1g酒精倒入 贮存100亿立方米水的水库中,酒精分子均匀分布在水中以后,每1cm3水中的酒精分子仍然 在100万个以上! 「分子的热运动]我们在初中已经学过,一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。随 处可见的扩散现象,就是物质分子永不停息地做无规则运动的证明。 思考与讨论 扩散现象 什么是扩散现象?如果记不清楚了可以看看初中的物理课本。通过扩散现象,我们 可以对分子的运动做出什么猜测? 空气 玻璃板 二氧化氮 甲把空的广口瓶扣在装有棕色二氧化 乙蓝色的硫酸铜溶液逐 氮的瓶子上面的玻璃板上,抽去玻璃板, 渐扩到无色的清水中 过一会儿上面的瓶中也出现了棕色气体 图1.1-4这些现象说明了什么? 温度越髙,扩散进行得越快。这表示温度越高,分子的无规则运动就越剧烈。正因为分子 的无规则运动跟温度有关系,所以通常把分子的这种运动叫做热运动( thermal motion)。制 遣晶体管和集成电路时,要在某些纯净物质中掺入其他元素,这样的工艺就是在高温条件下通 过扩散完成的
第一章分子动理论内能 」「布翊运动]1827年英国植物学家布朗(R. Brown,1773-1858)在研究植物授粉的过 程中,无意间在显微镜下发现,悬浮在水中的花粉在不停地做无规则的运动。这是不是因为植 物有生命而造成的?布朗用当时保存了上百年的植物标本,取其微粒进行实验,并另取一些没 有生命的无机物粉末进行实验。布朗发现,不管什么徽粒,只要足够小,就会发生这种运动, 而且微粒越小,运动就越明显。这说明这种运动不是生命现象。为了纪念布朗的这个发现,人 们把液体或气体中悬浮微粒的无规则运动叫做布朗运动( Brown motion)。 实验 观察布朗运动 显微镜物镜 把墨汁用水稀释后取出一滴放在 昱微镜下观察(图1.1-5),可以看到悬 聋玻璃 的 浮在液体中的小炭粒在不停地做无規则 运动,炭粒越小,这种运动越明显。 载物玻璃 悬浊液 甲实验装置示意图 乙显微镜下看到的微粒 图1.1-5观察布朗运动 在显微镜下追踪一个小炭粒的运动,每隔30s记录一次 炭粒的位置,然后用直线把这些位置依次连接起来,就得到 类似图1.1-6所示的炭粒位置的连线。可以看出,炭粒的运动 是无规则的。实际上,就是在短短的30s内,炭粒的运动也 是极不规则的。 图1,1-6显微镜下看到的三颗傲粒运 动位置的违线 ? 思考与讨论 布朗运动的原因 图1,1-6中所示的几个小颗粒的运动情况并不相同。想想看,布朗运动产生的原因 可能是什么? 起初,人们认为布朗运动是由外界影响,如振动、液体的对流等引起的。但实验表明,在 尽量排除外界影响的情况下,布朗运动仍然存在,只要傲粒足够小,在任何悬浊液中都可以观 察到布朗运动,而且可以连续观察许多天甚至几个月,这种运动也不会停下来。可见布朗运动