山東科學技術出版社同學們，本書將引領你暢游物理世界，成為你探索物理的好朋友。本書倡導自主、合作、探究式的學習，強調科學與實際、科學與社會的聯系。為了方便同學們對物理課程的學習，我們設計了以下欄目：觀察與實驗展示一些物理現象及事實，構架動手、動腦、動口的平臺。想想議議設計課堂學習活動，促進同學們的思考與討論、交流與合作。科學世界有關物理知識的拓展性內容。科學技術社會介紹和探討科學、技術與社會之間相互關聯的問題。相關鏈接提供形式多樣的科學信息，擴大同學們的視野，提高自主學習的能力。動手動腦學物理設計有助于完成學習任務的探究活動和作業，深化對知識的鞏固和理解、遷移和運用。做中學提供動手動腦的學習機會，學習應用物理知識解決生活實際問題的方法，增強創新意識和探究能力。學到了什么引導同學們學會梳理、反思和整合。致同學們設計這些欄目的目的，是希望同學們掌握打開科學殿堂大門的金鑰匙，學到科學知識，體驗科學方法，提高科學素養，逐步樹立科學的價值觀。祝同學們快樂學習，健康成長！山東科學技術出版社目錄第十六章電磁現象.1第一節.磁現象.2第二節.電生磁.9第三節.電磁鐵.12第四節.電動機.17第五節.磁生電.20第六節.發電機.23第十七章電磁波.29第一節.電.話.30第二節.電磁波的產生與傳播.34第三節.無線電通信.37第四節.現代通信.42第十八章物態變化.49第一節.溫.度.50第二節.熔化和凝固.55第三節.汽化和液化.60第四節.升華和凝華.65山東科學技術出版社第十九章熱和能.71第一節.物質的分子構成.72第二節.分子熱運動.74第三節.內能及其改變.78第四節.比熱容.81第五節.熱.機.85第六節.能量的轉化和守恒.90第二十章能源與可持續發展.96第一節.能.源.97第二節.核.能.100第三節.太陽能.104第四節.能源革命.108第五節.能源與環境.109電磁現象第十六章中國，上海。一條高架軌道上，列車疾駛而來，轉瞬而去，像傳說中的神龍一樣。坐在車廂里向外望去，工廠、樓房、田野，向后飛逝，眨眼間便退出了視野。它，就是會“飛”的列車有“零高度飛行器”美譽的磁浮列車。如果說汽車的出現讓人們的短途出行變得舒適而快捷，火車的發明讓人們的長途旅行不再無奈，那么，磁浮列車的問世則徹底改變了人們對車的認識：車，也可以不用車輪跑，而是“飛”。磁浮列車是電磁理論應用的又一輝煌成就。在未來的社會中，電磁理論應用的成就將會更加輝煌。第十六章電磁現象2山東科學技術出版社第一節磁現象觀察基本的磁現象圖16-1-1的一組實驗演示了基本的磁現象。做一做，并與其他同學交流。圖16-1-1基本的磁現象磁性磁極在2000多年前的春秋時期，我們的祖先就發現了天然磁鐵礦石吸鐵的現象。物體吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質叫做磁性（magnetism），具有磁性的物體叫做磁體（magnet）。人類最先認識的天然磁鐵礦石屬于天然磁體，后來又學會了制造人造磁體。天然磁體稱為“磁石”，人造磁體稱為“磁鐵”，它們都能夠長期保持磁性，通稱永磁體。人們可以根據需要將人造磁體制成各種形狀，通常我們看到的蹄形磁鐵、條形磁鐵、磁針等都是人造磁體。觀察與實驗3第一節磁現象山東科學技術出版社圖16-1-3形形色色的磁體圖16-1-2磁石中含有磁鐵礦石任何一個磁體，不管形狀如何，它上面總有兩個部位磁性最強。磁體上磁性最強的部位叫做磁極（magneticpole）。能夠自由轉動的磁體，如懸吊著的磁針，靜止時總是一端指南，一端指北。指南的那個磁極叫做南極（southpole），又叫S極；指北的那個磁極叫做北極（northpole），又叫N極。同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。磁化鋼棒、鐵棒被磁化如圖16-1-4所示，用條形磁鐵的一端靠近一根原來沒有磁性的鐵棒，觀察所發生的現象。再用鋼棒、銅棒替換鐵棒，觀察現象。圖16-1-4磁化我們看到，銅棒沒有獲得磁性，不能吸起鐵屑，而鐵棒、鋼棒獲得了磁性，能吸起下面的鐵屑。這種使原來沒有磁性的物體獲得磁性的過程叫做磁化（magnetization）。觀察與實驗鐵棒銅棒第十六章電磁現象4山東科學技術出版社我國古代的磁學成就指南針是我國古代四大發明之一，它的產生經歷了很長的歷史過程。最早的指南儀叫司南。公元1世紀，東漢學者王充在論衡中對司南做了比較具體的描述。圖16-1-5是按古代記載仿制的司南模型：用天然磁石琢磨而成的勺子放在刻有方位的銅盤上，勺子可以轉動，當勺子靜止時，勺柄指南。由于存在較大的摩擦阻力，司南的準確性較差。到公元4世紀的西晉時代，有了指南魚（最早見于西晉崔豹古今注）。指南魚是將剪成魚形的薄鐵片燒熱后放在地磁場中磁化制成的，可以浮在平靜的水面上，魚頭指南。指南魚轉動的靈活性比司南好，但磁性較弱，不易保存。之后，人們又用磁石磨針的方法來制作指南針。11世紀末北宋學者沈括在他的著作夢溪筆談中介紹了指南針的人工磁化方法、磁偏角的發現等，還總結了四種指南針的裝置方法。我國發明指南針后，很快將之應用到航海上，并發明了航海羅盤。宋代，中國的商船經常往返于東亞、東南亞和印度洋航線上，商船常搭載有阿拉伯人。中國的航海羅盤技術大約在12世紀末被阿拉伯人學會，又通過他們傳給歐洲人。從此，羅盤被許多國家采用，推動了航海事業的發展，促進了世界經濟和文化的交流，為人類的進步做出了巨大貢獻。相關鏈接圖16-1-6小磁針的N極在哪一端圖16-1-5司南模型磁場磁場如圖16-1-6所示，一根條形磁體外面包著一塊布放在桌面上。它的N極在哪端？用一只磁針探測一下。如果把幾只小磁針放在條形磁體周圍不同的地方，磁針所指的方向相同嗎？觀察與實驗5第一節磁現象山東科學技術出版社條形磁體周圍的小磁針都發生了偏轉，不再指南北，而是有了新的指向，這是怎么回事？原來，磁體周圍存在著一種物質，能使磁針偏轉。這種物質看不見、摸不著，我們把它叫做磁場（magneticfield）。磁體間的相互作用就是通過磁場發生的。在物理學中，對于許多看不見、摸不著的物質，可以通過它們對其他物體的作用來認識。比如，電流看不見、摸不著，我們可以根據電流產生的效應來認識它。像磁場這種物質，我們可以通過小磁針的偏轉來感知它，從而知道磁場是真實存在的。磁場的方向在一塊玻璃板上均勻地撒一些鐵屑，把玻璃板放在條形磁體上，然后在條形磁體的周圍放置一些小磁針。連續地輕輕敲擊玻璃板，觀察鐵屑的排列情況和小磁針N極的指向。換用蹄形磁體，重復上述實驗，觀察鐵屑的排列情況和小磁針N極的指向。觀察與實驗在條形磁體周圍的不同地方，小磁針指示著不同的方向。為了形象地描述磁場，可以用鐵屑和小磁針顯示磁體周圍磁場的分布和方向。在物理學中，把小磁針靜止時北極所指的方向定為該點磁場的方向。如果在磁體周圍沿鐵屑排列形狀放許多小磁針，這些小磁針在磁場的作用下發生偏轉，這樣我們就能知道磁體周圍各點的磁場方向了。圖16-1-7條形磁體和蹄形磁體的磁場分布第十六章電磁現象6山東科學技術出版社圖16-1-9地球是一個巨大的磁體（示意圖）圖16-1-8條形磁體和蹄形磁體的磁感線分布甲條形磁體乙蹄形磁體我們把小磁針在磁場中的偏轉情況用一些帶箭頭的曲線畫出來，可以方便、形象地描述磁場，這樣的曲線叫做磁感線（magneticinductionline）。磁感線可以方便地描述磁場的強弱和方向，但磁體周圍并不存在這樣的線，就像人們用光線表示光的傳播方向，但實際并不存在光線，用經線、緯線定位，但地球表面并沒有這樣的線一樣。圖16-1-8是用磁感線描述的條形磁體和蹄形磁體的磁場。由圖16-1-8可以看出，在用磁感線描述磁場時，磁體外部的磁感線都是從磁體的N極出發，回到S極。地磁場能水平轉動的磁針就能指示方向。拿來幾個小磁針放在桌面上，你可以發現，靜止時它們都指向同一方向，即磁針的N極總是指向北方。這是什么原因呢？原來，地球周圍存在著磁場地磁場（geomagneticfield）。在地球表面及空中的不同位置測量地磁場的方向，畫出的地磁場的磁感線如圖16-1-9所示。我們發現地磁場跟條形磁體的磁場很相似。不過，地理的兩極和地磁的兩極并不重合，磁針所指的南北方向與地理的南北方向稍有偏離。世界上最早記述這一現象的人是我國北宋學者沈括（1031-1095），這個發現比西方早了400多年。磁軸地軸SN7第一節磁現象山東科學技術出版社科學世界動物羅盤大家都知道，信鴿具有卓越的飛行本領，它能從2000km以外的地方飛回家。實驗證明，如果把一塊小磁鐵綁在鴿子身上，它就會驚慌失措，立即失去定向的能力；而把銅棒綁在鴿子身上，卻看不出對它有什么影響。當發生強烈磁暴的時候，或者在強大無線電發射臺附近，鴿子也會失去定向的能力。這些事實說明了鴿子是靠地磁場來導航的。綠海龜是著名的航海能手。在巴西，有一種綠海龜，每到春季產卵時，它們就從巴西沿海向坐落在南大西洋的“滄海一粟”阿森松島游去。這座小島很小，距非洲大陸1600km，距巴西2200km。但是，綠海龜卻能準確無誤地遠航到達。產卵后，它們又渡海而歸，踏上返回巴西的征途。據研究，綠海龜也是利用地磁場進行導航的。魚兒能在波濤洶涌的海洋中按一定的方向航行，這比鳥的遷徙能力更為奇特。海水是導電的，在地球的磁場中，海水流動的時候會產生電流，于是，魚兒便利用這種電流信號，敏感地校正自己的航行方向。有人對鰻鱺（mnl）進行了細致的觀察，初步發現，其大腦能對微弱的電磁場做出反應，地磁場是為鰻鱺提供信息的信息源。因此，美洲的鰻鱺能夠航行很遠的距離后到達產卵場所，產卵后又返回它原來的“基地”。雖然人們已經知道鳥類、魚類等動物能夠利用地磁場導航，但是還沒有弄清楚這個“導航系統”究竟是怎樣工作的，迄今為止還沒有從這些動物身上找到與“指南針”作用相似的器官。第十六章電磁現象8山東科學技術出版社圖16-1-12標出磁極的名稱和A、B兩點的磁場方向圖16-1-10哪一塊是磁鐵圖16-1-11小指南針3.請找兩根縫衣針、一個按扣、一根大頭針和一塊橡皮，做一個指南針。用橡皮和大頭針制作指南針的底座。將兩根縫衣針磁化后，分別穿過按扣的兩個孔，放在底座的針尖上，這就是一個小指南針，如圖16-1-11所示。如果圖中指南針靜止下來后針尖指北，針尖是N極還是S極？4.圖16-1-12中的兩個圖分別畫出了兩個磁極間的磁感線。請在圖中標出磁極的名稱，并畫出位于圖中A點和B點的小磁針靜止時N極所指的方向。1.關于磁場和磁感線，下列說法中正確的是（）。A.磁場看不見、摸不著，所以是不存在的B.磁感線是由鐵屑組成的C.磁體周圍的磁感線都是從磁體的N極出發，回到S極D.小磁針在磁場中靜止時，S極所指的方向就是該點的磁場方向2.如圖16-1-10所示，兩塊外形完全相同的長方體，其中一塊是鐵塊，另一塊是磁鐵，怎樣將它們區分開？和同學交流你所用的方法和依據的道理。動手動腦學物理按扣9第二節電生磁山東科學技術出版社第二節電生磁電流的磁效應在相當長的一段時間里，人們認為電和磁是互不相關的。到了19世紀初，一些科學家意識到各種自然現象之間存在著相互聯系，并進行了長期的探索。1820年，丹麥物理學家奧斯特（HansChristianOersted，1777-1851）在做實驗時偶然發現：當導線中通過電流時，它旁邊的磁針發生了偏轉。這個意外的現象引起了奧斯特極大的興趣。他又繼續做了許多實驗，終于證實電流的周圍存在著磁場，他也因此成為世界上第一個發現電與磁之間聯系的科學家。圖16-2-1奧斯特實驗示意圖觀察與實驗電流的磁效應如圖16-2-2所示，在磁針上面放一根平行于磁針的直導線，當直導線觸接電池通電時，你能看到什么現象？改變電流的方向，又能看到什么現象？圖16-2-2導線通電時，磁針會動嗎實驗表明：導線通電時，磁針發生偏轉；導線中的電流方向改變時，磁針向相反的方向偏轉。通電導線的周圍有磁場，磁場的方向跟電流的方向有關。這種現象叫做電流的磁效應。甲通電乙斷電丙改變電流方向觸接觸接10第十六章電磁現象山東科學技術出版社通電螺線管的磁場是什么樣的如圖16-2-4所示，在螺線管的兩端各放一個小磁針，并在硬紙板上均勻地撒滿鐵屑。通電后觀察小磁針的指向，輕敲紙板，觀察鐵屑的排列情況。改變電流方向，再觀察一次。跟圖16-1-7對比，通電螺線管外部的磁場跟哪種磁體的磁場相似？把通電螺線管看做一個磁體，根據你的實驗結果，在下面兩幅圖上分別標出通電螺線管的N極和S極，并畫出磁感線的方向。圖16-2-5通電螺線管有兩種可能的電流方向甲乙觀察與實驗圖16-2-4通電螺線管的磁場實驗結果表明，通電螺線管外部的磁場和條形磁體的磁場一樣。通電螺線管的兩端相當于條形磁體的兩個極，它們的極性可以根據實驗中小磁針的指向確定。改變電流方向，通電螺線管的N極、S極正好對調，這說明，通電螺線管兩端的極性跟螺線管中電流的方向有關。通電螺線管的磁場把導線均勻、規則地繞在圓筒上，就做成了螺線管（solenoid，圖16-2-3）。給螺線管通電時，各條導線產生的磁場疊加在一起，磁場就會強得多。我們已經通過磁感線的分布了解了條形磁體、蹄形磁體周圍的磁場，那么，通電螺線管的磁場是什么樣的？圖16-2-3一種螺線管11第二節電生磁山東科學技術出版社圖16-2-6螺帽的前進方向和它的旋轉方向有什么關系圖16-2-6是通常見到的正旋絲螺栓，螺帽的前進方向和它的旋轉方向有什么關系？這與螺線管中電流的方向與其N極方向的關系是否相同？圖16-2-7安培定則想想議議通電螺線管的極性跟電流方向的關系，可以用安培定則來判定。如圖16-2-7所示，用右手握螺線管，讓四指指向螺線管中電流的方向，則大拇指所指的那端就是螺線管的N極。1.請你根據圖16-2-8所示通電螺線管中的電流方向判定螺線管的極性。動手動腦學物理2.如圖16-2-9所示，按小磁針的指向判定螺線管的極性、電流的方向和電源的“+”“-”極。3.如圖16-2-10所示，開關閉合后，位于螺線管右側的小磁針的狀態將怎樣變化？圖16-2-9圖16-2-10圖16-2-8甲乙12第十六章電磁現象山東科學技術出版社第三節電磁鐵在通電螺線管中插入軟鐵棒，就做成了電磁鐵（electromagnet）。有電流通過時，電磁鐵就有了磁性；沒有電流時，電磁鐵就失去磁性。電磁鐵在實際中的用途很多，電磁起重機（圖16-3-1）是其中的一種。把電磁鐵安裝在吊車上，通電后電磁鐵會吸起大量廢鋼鐵，移動到另一個位置后切斷電流，就可把廢鋼鐵放下。大型電磁起重機一次可以吊起幾噸甚至幾十噸廢鋼鐵。在電動機、發電機和電磁繼電器里也用到電磁鐵。全自動洗衣機的進水、排水閥門，衛生間里感應式沖水器的閥門，也都是由電磁鐵控制的。圖16-3-1電磁起重機影響通電螺線管磁性強弱的因素4.圖16-2-11是牽牛花莖的照片。觀察自然界中纏繞植物的莖和攀緣植物的卷須，它們的纏繞方向和生長方向有什么關系？這跟螺線管中電流的方向與其N極方向的關系是否相同？對于不同的植物，這種關系都一樣嗎？我們已經知道，通電螺線管外部的磁場和條形磁體的磁場一樣，那么，通電螺線管的磁性強弱跟哪些因素有關呢？圖16-2-11牽牛花的莖13第三節電磁鐵山東科學技術出版社觀察與實驗探究影響通電螺線管磁性強弱的因素把電源、開關、滑動變阻器、電流表和一定匝數的線圈串聯起來，組成如圖16-3-2所示的電路。閉合開關，線圈會把大頭針吸起來，通過觀察線圈吸起的大頭針的多少，我們可以判斷線圈磁性的強弱。圖16-3-2探究影響通電螺線管磁性強弱因素的電路比較線圈中有鐵芯與無鐵芯時磁性的強弱；用滑動變阻器改變電路中電流的大小，比較線圈磁性的強弱；改換不同匝數的線圈，比較線圈磁性的強弱。將探究結果填入下表中：保持不變的因素變化的因素吸起大頭針的多少磁性強弱匝數、電流鐵芯有無匝數、有鐵芯電流大小電流、有鐵芯匝數多少實驗表明，鐵芯的有無、電流的大小、線圈的匝數都會影響通電螺線管的磁性強弱。電流越大，匝數越多，插入鐵芯，通電螺線管的磁性越強；電流越小，匝數越少，抽去鐵芯，通電螺線管的磁性越弱。14第十六章電磁現象山東科學技術出版社電磁繼電器驅動巨大機器的電流可能達到幾十安、幾百安。在工廠里，我們常常看到工人師傅利用按鈕來控制機器。用手直接控制強大電流或操作高壓電路是很危險的，工人師傅按下的只是繼電器的開關，而電源的接通和斷開是由繼電器控制的。圖16-3-3工人師傅手中的按鈕是繼電器的開關繼電器是利用低電壓、弱電流電路的通斷，來間接地控制高電壓、強電流電路通斷的裝置。電磁繼電器就是利用電磁鐵來控制工作電路的一種開關。電磁繼電器是由電磁鐵、銜鐵、彈簧等組成的，它的結構如圖16-3-4所示。某種電磁繼電器的外形如圖16-3-5所示。圖16-3-4電磁繼電器的構造圖16-3-5一種電磁繼電器15第三節電磁鐵山東科學技術出版社磁浮列車列車運行的阻力有一大部分來自車輪與軌道之間的摩擦。如果能使列車從軌道上“浮”起來，就可以避免這種摩擦，從而大幅度提高列車速度。磁浮列車利用磁極間的相互作用規律實現了車體的懸浮（圖16-3-7）。磁浮列車消除了車體與軌道之間的摩擦，所以突破了輪軌列車的速度極限，最高速度可達500kmh，幾乎達到了短程飛機的航速。磁浮列車具有噪聲低、穩定性高等優點，目前許多國家都在進行磁浮列車的研制。電磁繼電器的電路由低壓控制電路和高壓工作電路構成（圖16-3-6）。閉合低壓控制電路中的開關，使線圈中有了較小的電流時，電磁鐵把銜鐵吸下，使B、C兩個接線柱所連的觸點接通，較大的電流就可以通過B、C帶動機器工作了。低壓控制電路中的開關只控制電磁鐵線圈中電流的通斷，而高電壓、強電流電路的通斷則由B、C兩個觸點間的電路通斷控制。這樣，工人師傅就可以安全方便地操縱大型機械了。圖16-3-6電磁繼電器的工作電路圖16-3-7吸引式磁浮列車如果在繼電器控制電路中接入對溫度或光照敏感的元件，用這些元件操縱低壓控制電路的通斷，還可以實現溫度自動控制或光自動控制。高壓工作電路低壓控制電路直流電源電動機電源ABC16第十六章電磁現象山東科學技術出版社科學技術社會磁記錄鐵棒本來不能吸引鐵，當磁體靠近它或者與它接觸時，它便有了吸引鐵的性質，也就是被磁化了。軟鐵磁化后，磁性很容易消失，稱為軟磁性材料。而碳鋼等物質被磁化后，磁性能夠保持，稱為硬磁性材料。硬磁性材料可以做成永磁體，還可以用來記錄信息。錄音機的磁帶上就附有一層硬磁性材料制成的小顆粒。錄音時，聲音先轉變成強弱變化的電流，這樣的電流通過錄音圖16-3-9自動取款機（ATM）放音時，磁帶貼著放音磁頭運動，磁性強弱變化的磁帶使放音磁頭中產生變化的感應電流，電流經放大后使揚聲器發聲，便“讀”出了磁帶中記錄的信息。隨著技術的不斷進步，磁記錄與人們的關系越來越密切。錄音帶、電腦中的磁盤、打電話的磁卡、銀行卡以及磁卡式車票等，都是用磁來記錄信息的。磁記錄技術提高了工作效率，給我們的生活帶來了很大的方便。圖16-3-8錄音磁頭的工作原理1.圖16-3-10是一種水位自動報警器的原理圖。水位沒有到達金屬塊A時，綠燈亮；水位到達金屬塊A時，紅燈亮。請說明它的工作原理。（注意：純凈的水是不導電的，但一般的水都能導電。）動手動腦學物理磁頭，產生了強弱變化的磁場。磁帶劃過磁頭時，磁帶上的小顆粒被強弱不同地磁化，于是記錄了一連串有關磁性變化的信息（圖16-3-8）。17第四節電動機山東科學技術出版社圖16-3-10水位自動報警器圖16-3-11溫度自動報警器磁場對通電導線的作用我們知道，磁體在磁場中會受到力的作用。通電的螺線管有磁性，這是不是意味著通電導線也會受到磁場的作用力？第四節電動機我們的生活已經離不開電動機了，工廠、田野、學校、商場電動機無處不在。同學們，你能找出身邊的電動機嗎？為什么給電動機通電它就能轉動？2.圖16-3-11是一種溫度自動報警器的原理圖。制作水銀溫度計時，在玻璃管中封入一段金屬絲，并有導線與水銀柱相連。當溫度達到金屬絲下端所指的溫度時，電鈴就響起來，發出報警信號。請說明它的工作原理。圖16-3-12巨磁電阻特性原理電磁鐵指示燈GMRPS1S23.法國科學家阿爾貝費爾和德國科學家彼得格林貝格爾由于發現了巨磁電阻（GMR）效應而榮獲2007年度諾貝爾物理學獎。巨磁電阻效應是指某些材料的電阻在磁場中急劇減小的現象，這一發現大大提高了磁、電之間信號轉換的靈敏度，從而引發了現代硬盤生產的一場革命。圖16-3-12是說明巨磁電阻特性原理的示意圖，圖中GMR代表巨磁電阻。如果閉合S1、S2并使滑片P向左滑動，指示燈的亮度會有什么變化？18第十六章電磁現象山東科學技術出版社觀察與實驗通電線圈在磁場中轉動換向器如果把一個通有電流的線圈放到磁場中，它會怎樣運動？實驗表明，通電導線在磁場中會受到力的作用，力的方向跟電流的方向、磁場的方向都有關系。當電流的方向或者磁場的方向反向時，通電導線受力的方向也變得相反。如果電流的方向和磁場的方向都變得相反，通電導線受力的方向則不變。如圖16-4-2所示，使線圈位于磁體兩極間的磁場中。使線圈靜止在圖16-4-2乙所示位置上，閉合開關，觀察線圈的轉動情況。使線圈靜止在圖16-4-2甲所示位置上，閉合開關，觀察線圈的轉動情況。使線圈靜止在圖16-4-2丙所示位置上，閉合開關，觀察線圈的轉動情況。觀察與實驗通電導線在磁場中受力如圖16-4-1所示，把導線ab放在磁場里，瞬間接通電路，讓電流通過導線ab，觀察它的運動。把電源的正、負極對調后接入電路，使通過導線ab的電流方向與原來相反，觀察導線ab的運動方向。保持導線ab中的電流方向不變，把蹄形磁體上下磁極調換一下，使磁場方向與原來相反，觀察導線ab的運動方向。同時改變導線ab中的電流方向和磁場方向，觀察導線ab的運動方向。圖16-4-1通電導線在磁場中受力瞬間通斷19第四節電動機山東科學技術出版社使線圈靜止在圖乙位置，閉合開關，會發現線圈并沒有運動。這是因為線圈上下兩個邊受力大小一樣、方向卻相反。這個位置是線圈的平衡位置。使線圈靜止在圖甲位置，閉合開關，線圈受力沿順時針方向轉動，能靠慣性越過平衡位置，但不能繼續轉下去，最后要返回平衡位置。使線圈靜止在圖丙位置，這是剛才線圈沖過平衡位置以后所能到達的位置。閉合開關，線圈沿逆時針方向轉動，說明線圈在這個位置所受到的力是阻礙它沿順時針方向轉動的力。線圈不能連續轉動，是因為線圈越過了平衡位置以后，受到磁場對它的力阻礙了它的轉動。如果在越過了平衡位置后及時改變電流方向，線圈不就能連續轉動下去了嗎？那么，用什么方法改變電流方向呢？直流電動機是通過換向器來實現這項功能的。換向器的構造如圖16-4-3所示，兩個銅半環E和F跟線圈兩端相連，它們彼此絕緣，并隨線圈一起轉動。A和B是電刷，它們跟半環接觸，使電源和線圈組成閉合電路。這樣，無論線圈的哪個邊，只要處于靠近磁體S極的一側，其中的電流都是從左向右流去，這時它的受力方向總是相同，線圈就可以不停地轉動下去了。直流電動機有多個線圈，每個線圈都接在一對換向片上。有的直流電動機還用電磁鐵來產生強磁場。圖16-4-2通電線圈在磁場中轉動乙線圈在平衡位置甲線圈受到的力使它順時針轉動丙線圈受到的力使它逆時針轉動AEFB圖16-4-3換向器NS+-20第十六章電磁現象山東科學技術出版社第五節磁生電奧斯特的實驗表明，電流的周圍存在著磁場。既然電可以生磁，那么磁能否生電呢？英國物理學家法拉第經過10年的探索，在1831年發現了利用磁場產生電流的條件和規律。法拉第的發現進一步揭示了電和磁之間的聯系。下面，我們就沿著法拉第的腳印來探究磁怎樣生電。動手動腦學物理1.電動機有哪些組成部分？它的工作原理是什么？2.一臺直流電動機的額定電壓是220V，額定功率是5.5kW，它正常工作時的電流有多大？連續工作2h耗電多少？3.設計一個電路，使電動機在人的操作下既能正轉，也能反轉。電動機的符號是“”。M生活中的電動機觀察電動機，可以看到它由兩部分組成：能夠轉動的線圈和固定不動的磁體。在電動機里，能夠轉動的部分叫做轉子，固定不動的部分叫做定子。電動機工作時，轉子在定子中飛快地轉動，電能轉化為機械能。圖16-4-4電動機和轉子電動機構造簡單、控制方便、體積小、效率高、功率可大可小，廣泛應用在社會生活中。電灌站、機床都由電動機提供動力；電車、電力機車也都以電動機為動力。電動機不像內燃機那樣污染環境，應該提倡以電為動力。目前，由太陽能或蓄電池提供能源的電動汽車的研究已經進入實用階段。隨著科學技術的發展和社會的進步，電動機和人類的關系將越來越密切。21第五節磁生電山東科學技術出版社探究什么情況下磁可以生電如圖16-5-1所示，在蹄形磁體的磁場中懸掛一根導線，導線的兩端跟電流表連接，組成閉合電路。1.保持導線在磁場中靜止，觀察電流表指針是否偏轉；換用靈敏電流表，觀察電流表指針是否偏轉；換用強磁體，觀察電流表指針是否偏轉；換用多匝線圈，觀察電流表指針是否偏轉。2.讓導線在磁場中上下運動、左右運動、斜向運動，觀察電流表指針是否偏轉。若偏轉，偏轉的方向是否相同？3.保持磁場方向不變，改變導線運動方向，觀察電流表指針的偏轉方向是否相同；保持導線運動方向不變，改變磁場方向，觀察電流表指針的偏轉方向是否相同；同時改變磁場方向、導線運動方向，觀察電流表指針的偏轉方向是否變化。圖16-5-1什么情況下在磁場中的導體能夠產生電流觀察與實驗什么情況下磁能生電上述實驗表明，導線在磁場中靜止、上下運動時不產生電流，左右運動或傾斜運動時產生了電流。導線中電流的方向，跟導線運動的方向、磁場的方向有關。如圖16-5-2所示，如果把磁感線想象成一根根實實在在的線，把運動導線AB想象成一把刀，描述起來就方便了。因此，當閉合電路的一部分導線在磁場中做切割磁感線的運動時，導線中就會產生電流。圖16-5-2導線在磁場中怎樣運動才能產生感應電流電磁感應現象閉合電路的一部分導線在磁場中做切割磁感線運動而產生電流的現象，叫做電磁感應（electromagneticinduction）現象，產生的電流叫做感應電流（inductioncurrent）。電磁感應現象中，機械能轉化為電能。22第十六章電磁現象山東科學技術出版社相關鏈接法拉第邁克爾法拉第（MichaelFaraday，1791-1867），英國物理學家、化學家，是自學成才的科學家。法拉第生于薩里郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭，僅上過小學。1831年，他發現了電磁感應現象，極大推動了人類文明的進程。法拉第專心從事科學研究，淡泊名利。許多大學欲授予他名譽學位，他均婉言拒絕，也謝絕封爵。圖16-5-3法拉第科學技術社會地磁場能發電嗎閉合電路的一部分導線只要在磁場中做切割磁感線的運動就會產生電流。地球是一個大磁體，在地磁場中運動的導線會不會也能產生電流呢？答案是肯定的。但是由于地磁場太微弱，產生的電流很小，人們感覺不到。有的海魚游動時能感知海水在地磁場中流動產生的微弱電流，依靠這種電流確定洄游的方向。1992年7月31日，美國“亞特蘭蒂斯”號航天飛機升空成功，并于升空后的第四天（8月4日）進行了一次衛星懸繩發電試驗。宇航員從航天飛機上釋放了一顆衛星，這顆衛星像風箏一樣，被一根長長的導體系繩拴著，在太空中飄游。導線在切割磁感線時，必須將這一導線構成一個閉合電路，電路中才會出現感應電流。怎樣才能構成閉合電路呢？航天飛機上裝有一個電子槍，把電子發射到電離層，這樣就形成一個閉合電路，導體系繩中就不斷有電流流過，電流的大小可由電子槍發射電子的多少來控制。這是人類首次利用繩系衛星實現在太空發電的夢想。然而，試驗的過程并不像預想的那樣順利。由于繩索纏繞，航天員不得不終止了試驗，并于8月6日上午安全返回地面。盡管試驗未能完成預定的任務，但系繩放出250m時，在系繩上已產生了40V的電壓，至少證明利用繩系衛星發電是可能的。23第六節發電機山東科學技術出版社圖16-5-4甲乙丙丁1.圖16-5-4中的a表示垂直于紙面的一根導線，它是閉合電路的一部分。它在磁場中按箭頭方向運動時，在哪種情況下會產生感應電流？2.閉合電路中，有電源才有電流。在電磁感應現象中，你認為哪一部分電路相當于電源？動手動腦學物理第六節發電機法拉第發現的電磁感應現象，進一步揭示了電現象和磁現象之間的聯系。之后，人們發明了各種發電機。現在，電能已經廣泛應用在社會生活的方方面面。那么，發電機是怎樣發電的呢？手搖發電機圖16-6-1是實驗室用的手搖發電機，觀察它的構造。把手搖發電機跟燈泡連接起來，使線圈在磁場中轉動，觀察燈泡是否發光。把手搖發電機跟電流表連接起來，使線圈在磁場中轉動，觀察電流表的指針怎樣擺動。觀察與實驗圖16-6-1手搖發電機發電機原理圖16-5-2是一個最簡單的發電裝置的示意圖。當導線向右運動時，電流表指針偏轉，表明電路中產生了電流；當導線向左運動時，電流表指針向另一方向偏轉，表明產生了另一方向的電流。如果導線左右往復運動，電流表指針來回擺動，就產生了交變電流（alternatingcurrent）。交變電流簡稱交流（AC）。24第十六章電磁現象山東科學技術出版社實驗表明，搖動發電機時，燈泡發光，表明電路中有了電流；電流表的指針隨著線圈的轉動而左右擺動，表明發電機發出的電流的方向是變化的。為了把線圈中產生的感應電流輸送給用電器，還要用銅環和電刷把線圈和用電器連接起來（圖16-6-2）。圖16-6-2交流發電機原理圖16-6-3交流發電機的工作過程交流發電機的工作過程如圖16-6-3所示。甲圖中，線圈開始轉動時，ab邊向左運動，cd邊向右運動，導線不切割磁感線，電路中沒有電流。乙圖中，線圈轉動的前半周中，ab邊向下運動，cd邊向上運動，導線切割磁感線，電路中有電流，這時外部電路中的電流由A到B。丙圖中，線圈轉到12周時，ab邊向右運動，cd邊向左運動，導線不切割磁感線，電路中沒有電流。丁圖中，線圈轉動的后半周中，ab邊向上運動，cd邊向下運動，導線切割磁感線，電路中有電流，這時外部電路中的電流由B到A。甲丁乙丙dNcbaABScdbaABNScdbaABNScdbaABNS25第六節發電機山東科學技術出版社圖16-6-4發電機生活中的發電機實際的發電機比模型式發電機復雜得多，但總體上仍是由轉子（轉動部分）和定子（固定部分）兩部分組成。大型發電機產生的電壓很高、電流很強，一般采取線圈不動、磁極旋轉的方式來發電，為了得到較強的磁場，還要用電磁鐵代替永磁體（圖16-6-4）。發電機發電的過程是能量轉化的圖16-6-5各種發電機水力發電機組家用小型發電機汽輪發電機組柴油發電機過程。實際的發電機靠內燃機、水輪機、汽輪機等機械帶動，把其他形式的能轉化為電能。26第十六章電磁現象山東科學技術出版社相關鏈接第一臺發電機1.發電機的工作原理是什么？2.發電機有哪些組成部分？發電機工作時能量怎樣轉化？3.電池產生的電流方向不變，稱為直流。觀察手搖發電機燈泡的發光與手電筒燈泡的發光，能看出它們有什么不同嗎？動手動腦學物理圖16-6-6法拉第演示圓盤發電機指針偏向一邊，說明電路中產生了持續的電流。法拉第圓盤發電機結構簡單，有人說它像一個簡陋的兒童玩具，產生的電流甚至不能讓一只小燈泡發光。但這是世界上第一臺發電機，它揭開了機械能轉化為電能的序幕。后來，人們根據法拉第圓盤發電機的基本原理電磁感應原理，制成了功率較大的、各種各樣的發電機。當法拉第在英國皇家學會上表演他的發電機時，一位貴夫人問他：“這玩意兒有什么用呢？”法拉第回答：“夫人，您不應當問一個剛出生的嬰兒會有什么出息，誰也不能預料嬰兒長大成人之后會怎么樣。”近兩個世紀過去了，正是當初這簡陋的、不成熟的圓盤發電機把人類帶入了電氣時代。1831年，法拉第發現了電磁感應現象之后不久，又發明了世界上第一臺發電機法拉第圓盤發電機。這臺發電機的構造跟現代的發電機不同，在磁場中轉動的不是線圈，而是一個紫銅做的圓盤。圓心處固定一個搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個黃銅電刷緊貼，用導線把電刷與電流表連接起來；紫銅圓盤放置在蹄形磁鐵的磁場中（圖16-6-6）。當法拉第轉動搖柄，使紫銅圓盤旋轉起來時，電流表的27做中學山東科學技術出版社讓線圈轉起來！工具與材料漆包線1.5m，小刀1把，硬金屬絲約1m，木板1塊，干電池2節，電池盒1個，導線2條，條形磁鐵1塊。制作方法1.把一段漆包線繞成3cm2cm的矩形線圈，漆包線在線圈的兩端各伸出約3cm（圖16-1甲）。然后，用小刀刮兩端引線的漆皮，一端全部刮掉（圖16-1乙），另一端只刮上半周或下半周（圖16-1丙）。2.用硬金屬絲做兩個支架，固定在木板上。兩個支架分別與電池的兩極相連（圖16-2）。做中學3.把線圈放在支架上，磁鐵放在線圈下。用手輕推一下線圈，線圈就會不停地轉下去。交流與思考為什么漆包線的一端只刮掉半圈呢？圖16-1小小電動機的線圈圖16-2小小電動機甲乙丙28第十六章電磁現象山東科學技術出版社學到了什么奧斯特法拉第磁現象電生磁磁場對通電導線的作用磁生電電磁現象瞬間通斷從古至今，人類的活動離不開信息的收集、傳遞與使用。從烽火狼煙到驛站快馬，從鴻雁傳書到電報電話，從收音機到電視機，這些是信息傳播手段、方式、內容的一次次革命。而這一切，離不開物理學研究的重大突破，也離不開科學技術的飛速發展。電磁波第十七章第十七章電磁波30山東科學技術出版社在我國古代，曾經流傳著“順風耳”的神話傳說，反映了人們想要沖破空間的阻隔互通信息的美好向往。1876年，貝爾發明了電話（圖17-1-2），人們的這一愿望得以實現。100多年來，電話技術有了很大的發展。現在，我們的生活已經離不開“現代順風耳”電話了。第一節電話想想議議圖17-1-1信息傳遞方式的演變電流把信息傳到遠方最簡單的