1、总主编束炳如何润伟上海科技教育出版社物 理必 修第 三 册普通高中教科书实验探究这里将要求你提出问题， 设计实验方案， 动手做一些有意义的实验， 进行科学探究。亲爱的同学：欢迎你学习 物理 （必修3） ！学习物理是一项激动人心的探索活动。让我们继续携手， 度过一段美好的时光。你周围世界发生的事情几乎都跟物理学有关， 现代社会的许多技术进步都源于对物理规律的理解和应用。学习物理可以使你从事科学事业的愿望得以实现， 甚至可以使你成为 “专家” 。作为现代社会的公民， 我们要学会用物理学知识解决生活、 生产中的许多问题。你已经学习了 物理 （必修1） 和 物理 （必修2） ， 初步领略了物理学的魅力
2、。在 物理 （必修3） 中， 你将经历探索电场、 电路、 电磁场、 电磁波与能源的过程， 体验物理学思想方法的威力， 在科学探究和理论思维的过程中充分施展你的才智； 你将比较全面地学习电磁学与能源的有关知识， 了解电磁学的研究成果及其在现代科学技术中的广泛应用， 认识物理学与社会发展以及人类文化的相互作用。为了让你在学习 物理 （必修3） 的过程中获得更大的成功， 请浏览下面的本书栏目介绍。第1章 闪电撕裂了天空 , 雷霆震撼着大地。在这惊心动魄的自然现象背后，蕴藏着许多物理原理，吸引了不少科学家进行探究。美国的富兰克林（B. Franklin）、法国的达利巴尔（T. dAlibard）等科学
3、家冒着生命危险去捕捉闪电，证实了闪电与实验室中的电是相同的。雷电是怎样形成的？物体带电是怎么回事？电荷有哪些特性？电荷间的相互作用遵循什么规律？人类应该怎样利用这些规律？本章不仅要探究并解答这些问题，还要从库仑（C. de Coulomb）巧妙设计的扭秤实验和点电荷模型的抽象过程，进一步体会科学思想与方法的价值。电荷的相互作用每章的开头都有一些情境， 提出一些问题，让你明确本章研究的主要内容。实验探究模拟静电植绒 参照图 1-3-7 所示的装置准备器材，进行安装，然后进行如下模拟静电植绒的操作： （1）用蘸上胶水的毛笔在硬纸片上写字、作画，再用夹子将此硬纸片固定在金属圆板 A 下面（有字画的一
4、面朝下）。 （2）将各种颜色的细碎纸屑均匀撒在下方金属圆板 B 上，调整两块金属板之间的距离为 4 5 cm。 （3）用导线将两块金属板分别接到感应起电机的两个放电球上，转动起电机，观察“静电植绒”的过程。图 1-3-7 静电植绒实验装置 感应起电机利用静电感应，使两个莱顿瓶（储存电荷的容器）不断集聚电荷，从而在两放电球之间形成极高的电压。把两块金属圆板分别接在两个放电球上，两块金属板就分别带上异种的电荷。要复印的原稿硒鼓复印纸送纸滚杆复印文稿加热器被带电荷的图像区吸引的墨粉携带电荷的图像区成品原稿镜头反射镜复印纸激光扫描原稿上的文字要复印的原稿有文字的地方保留正电荷扫描器先使硒鼓带上正电荷硒
5、鼓硒鼓硒鼓硒鼓从复印纸上滚过复印出来的文稿硒鼓cbad硒鼓正电荷吸上墨粉AB课题研究这里提供了一些课题供你选择研究， 这种研究将使你的才智得到充分的展示。信息浏览、 STSE这里为你提供了各种有趣、 有用的资料， 包括物理学史上的经典事例、 科学家小故事等， 它们反映了物理学与科学、技术、 社会、 环境的紧密联系。你的视野将更开阔， 你会更加热爱科学。学生必做实验这里为你提供了完整的实验活动， 让你通过动手实验， 探索物理规律， 学习物理方法， 形成物理观念， 提高解决问题的能力， 体验成功的喜悦。分析与论证这里你将进行分析、 综合，并运用数学工具进行推理， 得出物理学规律和公式。通过这一过程
6、， 你将体会科学思维的魅力。多学一点这里将介绍更多更深的奥秘， 以开阔你的视野。你如果有兴趣， 可以作进一步的探索。分析与论证串联、并联电路的总电阻 在图 3-2-6 所示的串联电路中，设通过电阻 R1、R2的电流为 I，R1、R2两端的电压分别为 U1、U2， R总为 R1、R2串联后的总电阻，它又叫做 R1、R2串联的等效电阻。 R1、R2两端的电压跟总电压 U 有什么关系？请你利用欧姆定律，导出 R总跟 R1、R2的关系式 R总 = R1 + R2 假如将 n 个电阻串联，则 R总=i=1nRi 图 3-2-6 电阻串联电路图 数学中常用符号表示求和，即R总=i=1nRi= R1+ R2
7、+ + RnSTSE 超导现象 1911 年，荷兰物理学家卡末林 - 昂内斯（H. Kamerlingh-Onnes）发现，在很低温度下，水银的电阻率并不像预料的那样仍然随温度的降低逐渐减小，当温度降到 4.15 K（-269 ）附近时，水银的电阻会突然降到零。后来人们发现 ,某些金属、合金和化合物在温度降到绝对零度（-273.15 ）附近某一特定温度之下时，其电阻率会突然减小到测量不出。这种现象叫做超导现象（superconductivity），能够发生超导现象的物质叫做超导体（superconductor）。超导体由正常状态转变为超导状态的温度，称为这种物质的转变温度（或临界温度）TC。大
8、多数金属元素以及数以千计的合金、化合物，在不同条件下都显示出超导性。例如，钨、锌和铅的转变温度分别为0.012 K、0.75 K 和 7.193 K。 经典物理理论对超导现象产生的原因无法解释。为了从微观上对这一现象进行解释，固体物理学家花费了近半个世纪的心血。直到 1957 年，巴丁 （J. Bardeen） 、 库珀 （L. Cooper） 和施里弗 （J. Schrieffer）才建立了超导的 BCS 理论。为此，他们荣获 1972 年诺贝尔物理学奖。 我们知道，在功率较大的电磁铁或电机中，通过线圈的电流很大。为了避免产生过多热量，就必须用较粗的导线绕制线圈并采用冷却措施。如果用超导体做
9、线圈，就可以避免这种缺陷。目前用超导体制造电机方面的研究工作已取得较大的进展。 超导现象在高能物理领域也有重要应用。用超导线圈制成的电磁铁能产生强大的磁场，在核聚变中的等离子体约束和粒子加速等方面都有很大的用处。 阻碍超导现象大规模应用的主要困难是超导所要求的低温。1986 年起，科学家发现有些铜氧化物的超导转变温度比常规理论预言的温度更高，目前这类材料的转变温度已达到 164K。我们称这类超导现象为“高温超导”。2008 年以来，又有一类新的铁基高温超导材料被发现。当前，我国在高温超导材料研究方面走在世界前列。 （1）用刻度尺测量金属丝的长度； （2）用螺旋测微器测量金属丝的直径，测算合金丝
10、的横截面积； （3）用多用电表测量金属丝的电阻； （4）利用测量数据计算金属丝的电阻率。 收集证据 根据实验方案，请设计实验数据记录表格，并进行实验和记录实验数据。 分析论证 根据所记录的实验数据和测量原理，你求得的该金属丝的电阻率是多少？在网上搜索一下，看一看该金属丝是由哪种材料制成的？电势是标量，没有方向，但有高低及正负之分。可以证明，在任何电场中，某处电场线的指向就是该处电势降落的方向。 案例分析 案例 在图 2-3-2 所示的匀强电场中，带电量q = 4 10-9 C 的点电荷由上极板上A点移至B点时， 电场力做的功为8 10-3 J；由 B 点移至下极板上 C 点，电场力做的功为 1
11、 10-2 J。A、B、C 各点的电势分别为多大？ 分析 图中的下极板接地，表示取下极板电势为零，C 点在下极板上，C = 0。根据电场力做功与电势差的关系，求出UBC、UAB就可确定B、A的大小。 解答 由题知，q = 4 10-9 C， WAB = 8 10-3 J，WBC = 1 10-2 J，C 点为接地的下极板上的一点，故C = 0。对于 B、C 两点，UBC = WBCq =110-2410-9 V = 2.5 106 V由 UBC = B - C得 B 点电势 B = UBC + C = 2.5 106 V + 0 = 2.5 106 V对于 A、B 两点，UAB = WABq=
12、 810-3410-9V = 2.0 106 V由 UAB = A - B得 A 点电势 A = UAB + B = 2.0 106 V + 2.5 106 V = 4.5 106 V 多学一点 电场的等势面 在地理学中，为了形象地表示地形的高低，常采用在地图上画等高线的方法。在电场中，我们也可以采用类似的方法表示电势的高低分布（图 2-3-3）。在物理学中，把电场中电势相等的点构成的线（面）叫做等势线（面）（equipotential line/surface）。同一等势线（面）上任意两点间的电势差为零，所以，在同一等势线（面）上移动电荷时，电场力不做功。因此，电场线一定跟等势面垂直，并且由
13、电势高的等势面指向电势低的等势面。ABCE图 2-3-2 探究电场中各点的电势EqABAB= 0mhAhBABh = 0图 2-3-3 等势面与等高线EqABAB= 0mhAhBABh = 0课题研究验证电荷的分配规律 给你一只指针验电器、一台感应起电机（参见第 18 页旁批）和两个带有绝缘柄的大小相同的金属球，请你设计一个实验，粗略验证电荷在两个相同金属球之间等量分配的原理。 （1）说明实验原理，写出实验步骤。 （2）按实验步骤操作，并写出实验报告。将电源两极与电容器两极连接，电容器两块极板就分别带上等量的异种电荷。这个过程叫做充电（charging）。用电线将充电后的电容器两极板相连接，两
14、块极板上的电荷就相互中和，电容器最终不再带电。这个过程叫做放电（discharging）。电容器的充电和放电过程有什么特点？某同学设计了如图2-4-3 所示的电路，试图通过手电筒小灯泡 H 的发光情况来观察电容器的充放电过程。第1章 电荷的相互作用61.1 静电现象与电荷守恒 71.2 电荷相互作用的规律 111.3 静电的应用和防护 16第2章 电场的性质 222.1 电场强度232.2 电场力做功的特点 电势能292.3 电势 电荷在电场中的运动 332.4 电容器 电容 38第3章 电路 463.1 多用电表 473.2 电流、 电压和电阻523.3 影响电阻的因素 56目 录第4章 闭
15、合电路欧姆定律 634.1 闭合电路欧姆定律 644.2 闭合电路欧姆定律的应用 694.3 电路中的能量转化与守恒 744.4 现代家庭电路 78第5章 电磁场与电磁波 865.1 磁与人类文明 87 5.2 磁场的描述 905.3 电磁感应 955.4 电磁波 101第6章 能源与可持续发展 1076.1 能量的转化与守恒 1086.2 能源利用与环境污染 1106.3 能源开发与环境保护 1156.4 节约能源、 保护资源与可持续发展 121总结与评价 课题研究成果报告会 126研究课题示例 126评价表 127第1章 闪电撕裂了天空 , 雷霆震撼着大地。在这惊心动魄的自然现象背后，蕴藏
16、着许多物理原理，吸引了不少科学家进行探究。美国的富兰克林（B. Franklin）、法国的达利巴尔（T. dAlibard）等科学家冒着生命危险去捕捉闪电，证实了闪电与实验室中的电是相同的。雷电是怎样形成的？物体带电是怎么回事？电荷有哪些特性？电荷间的相互作用遵循什么规律？人类应该怎样利用这些规律？本章不仅要探究并解答这些问题，还要从库仑（C. de Coulomb）巧妙设计的扭秤实验和点电荷模型的抽象过程，进一步体会科学思想与方法的价值。电荷的相互作用第1章电荷的相互作用7 实验表明，用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒（图 1-1-1）都能吸引轻小物体，我们通常说它们带了电或有了电荷
17、（electric charge） 。 物理学中规定，用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷（positive charge） ；用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷（negative charge） 。自然界中只存在这两种电荷；同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。物体起电的原因分析与论证摩擦起电的原因 用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒都带了电，这是什么原因呢？ 原来，物体是由分子、原子组成的；原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。在两个不同物体相互摩擦的过程中，两个物体中都有一些电子脱离原子核的束缚而转移到对方。在通常情况下，两种不同材料的物体彼此向对方转移的电子数不相等
18、。电子减少的物体就显示出带正电；电子增加的物体就显示出带负电。这就是说，摩擦起电并不是摩擦创生电荷，而是使两个物体中的电荷重新分配。 物体是否带电，可以用验电器来检验（图 1-1-2） 。验电器顶端的金属球通过金属杆跟可转动的金属指针相连。当带电的玻璃棒或橡胶棒接触金属球时，指针就会转过一定的角度。 你能用电荷间相互作用的知识，解释验电器带电后金属指针为什么偏转吗？1.1 静电现象与电荷守恒 电荷的正负性是相对的，哪一种叫做 “正” ， 哪一种叫做 “负” ，都是可以的。现行的这种命名是富兰克林首先提出的，国际上一直沿用至今。a 用丝绸摩擦过的玻璃棒吸引轻小物体b 用毛皮摩擦橡胶棒图 1-1-
19、1富兰克林 （B. Franklin，17061790），美国科学家和政治家。1752 年，他冒着生命危险在雨中进行“风筝实验”，证明闪电与摩擦起电的电是相同的。他还用“正电”和“负电”区分两种不同性质的电，为定量研究电现象打下了基础。上图描绘富兰克林正在进行“风筝实验”。8图 1-1-2 用验电器检验物体是否带电 物体所带电荷的多少叫做电荷量，简称电荷或电量。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑（coulomb），简称库，用 C表示。 正电荷的电荷量用正值表示， 负电荷的电荷量用负值表示。实验探究感应起电 在用验电器检验玻璃棒或橡胶棒是否带电的实验中，你会发现，只要带电棒靠近验电器的金属球，验
20、电器的指针就会发生偏转（图 1-1-3）。再用手接触一下验电器的金属球，然后移走带电棒，验电器的指针仍然保持某一偏转角度。这是怎么回事呢？ 实验表明，一个带电的物体靠近一个导体时，导体的电荷分布会发生变化，显示出带电现象。物理学中把这种现象叫做静电感应（electrostatic induction） 。利用静电感应使物体带电叫做感应起电。 在上述实验中，当带正电荷的物体靠近金属球时，金属杆和指针中的自由电子就被吸引过来，球上出现多余的负电荷；验电器金属杆和指针上则带有正电荷，使指针偏转。 当再用手接触一下验电器的金属球，大地中的负电荷会通过人体转移到金属球、 金属杆及指针上， 使它们都带负电
21、， 因此，移走带电棒后，验电器的指针因负电荷相互排斥而保持偏转状态。 请思考一下，当带有负电荷的物体靠近金属球时，指针上带什么电荷？为什么？ 在金属导体中，金属原子最外层的电子比较容易摆脱原子核的束缚在原子间自由运动，这种电子叫做自由电子。金属导体中存在着大量自由电子。图 1-1-3 静电感应第1章电荷的相互作用9电荷守恒电荷守恒 摩擦起电和感应起电的过程，都是电荷从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分的过程。 下面让我们做一个如图 1-1-4 所示的实验。 手持起电板的两根有机玻璃棒，用力将两块起电板快速摩擦后分开， 将其中一块板插入箔片验电器上端的空心金属球 （不要接触
22、金属球） ，接着抽出这块板，再将两块板同时插入空心金属球。你观察到怎样的现象？ 请你解释实验中所发生的现象。 大量事实表明，电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一个部分转移到另一个部分，在转移过程中，电荷的总量不变。这个结论叫做电荷守恒定律（the law of conservation of charge） 。 近代科学研究表明，电荷守恒定律不仅在一切宏观过程中成立，而且在微观过程中也成立。因此，电荷守恒定律是物理学中普遍适用的规律。 元电荷 自然界中电荷的总量是守恒的。原子核中的每个质子和核外每个电子所带的电荷量有多少？它们是不是自然界中最小的电荷单
23、元呢？ 美国实验物理学家密立根设计了如图 1-1-5 所示的实验。图 1-1-4电荷守恒实验 箔片验电器通常是在金属杆下挂两条金属箔片，其原理与指针验电器相同。有机玻璃板塑料板起电板密 立 根 （R. Millikan，18681953），美国物理学家。第一位在美国本土出生的诺贝尔物理学奖获得者。10家庭作业与活动将两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接，两板便带上异种电荷。用喷雾器喷入雾状带电油滴，当带电油滴进入两平板间时，调节两板间的电压，使带电油滴受到的电力与重力平衡，由此就可以求出油滴所带的电荷量。密立根不断改进实验方法，取得了上千组测量数据，发现这些油滴所带的电荷量总是某一元电
24、荷（elementary charge）的整数倍。进一步研究表明， 这种 “元电荷” 就是电子所带的电荷， 一般用e表示。1986年国际计量大会推荐的元电荷值为 e = 1.602 177 3310-19 C，通常取 e = 1.6 10-19 C。 电子的电荷量 e 跟电子的质量 me之比，叫做电子的比荷。它是一个重要的物理常量。电子的质量 me=9.110-31kg，因此，电子的比荷为eme=1.761011C / kg1.请你列举一些日常生活中摩擦起电和感应起电的事例。2.如果用验电器检验直接用手拿着经摩擦后的金属棒是否带电，那么金属棒带电吗？怎样才能使摩擦后的金属棒带电？3.算一算，
25、多少个电子所带的电荷量之和是1 C？4.A、B、C、D 四个球都带电，A 球能排斥 B 球，C 球能吸引 A 球，D 球又排斥 C 球。已知 D 球带正电，则 B 球应带何种性质的电？5.有 A、B、C 三个用绝缘柱支撑的相同导体球，A 球带正电，电荷量为 q，B 球和 C 球不带电。讨论用什么办法能使： （1） B 球、C 球都带等量的正电； （2） B 球、C 球都带负电； （3） B 球、C 球各带等量的异种电荷； （4） B 球带 38 的正电荷。图 1-1-5 密立根油滴实验示意图雾化剂带电平板显微镜带电平板电池油滴q第1章电荷的相互作用11图 1-2-1探究电荷相互作用规律的实验装
26、置 人类很早就发现了电现象。但长期以来，由于受社会生产力和科技发展水平的限制 , 对电的认识一直处于定性的水平。直到 18 世纪中叶，人们才开始对电荷之间的相互作用规律进行定量的研究。影响电荷相互作用的因素实验探究探究电荷相互作用规律 电荷间相互作用力的大小跟哪些因素有关？请你参照图1-2-1 所示装置，按以下步骤进行实验： （1） 分别让球形导体 A 和通草球 B 带上同种电荷，并使球形导体 A 与通草球 B 处在同一水平面上。 （2） 不断改变球形导体 A 的电荷量， 观察悬线与竖直方向偏角的变化。 （3） 保持球形导体 A 和通草球 B 上的电荷量不变， 改变球形导体 A 与通草球 B
27、之间的距离，观察悬线与竖直方向偏角的变化。 （4） 让球形导体 A 和通草球 B 带异种电荷，重复步骤（2）（3） ，观察悬线与竖直方向偏角的变化。 请根据你观察的现象，通过分析得出结论。电学中第一个定律库仑定律 定量研究的困难 18 世纪中叶以前，研究电荷间的作用力存在三大困难：一是这种作用力非常小，没有足够精密的测量器具；二是那时还没有电量的单位，当然就无法比较电荷的多少了；三是带电体上电荷的分布不清楚，难以确定相互作用的电荷之间的距离。 请思考一下，看看你有没有好的方法来解决这些困难。 库仑的探究 法国物理学家库仑经过长期研究，较好地解决了这些困难。 为测量电荷间微小的作用力，库仑发明了
28、一种扭秤，后人将这种扭秤称为库仑扭秤。1.2 电荷相互作用的规律AB12图 1-2-2 库仑扭秤a 库仑扭秤结构示意图b 库仑扭秤原理图 库仑扭秤的结构如图 1-2-2a 所示。其主要部件是一根弹性扭丝（细金属或石英丝） ，上端由悬头 G 固定，下端悬挂一根绝缘横杆。杆的一端装有用来带电的小球 A，另一端装一平衡小球 B。另外还有一固定小球 C。当扭丝处于自然状态时，调节悬头 G，使 A 球与 C 球接触。当 C 球带电时，A、C 球之间的斥力使横杆转动。当 A、C 球间斥力产生的转动作用与扭丝弹力的作用达到平衡时，横杆就静止在某一角度上（图 1-2-2b）。根据这一角度，便可测出带电小球间的
29、斥力。 为了使物体的电量按实验的需要而改变，库仑根据对称性原理， 用两个相同的金属球， 让其中一个带上电荷q， 另一个不带电，把它们接触后分开。由于 “对称” 关系，这两个金属球的电量均应为q2。若再用第三个相同的不带电金属球与带电荷q2的金属球接触，然后分开，这两个金属球的电荷均应为q4，依此类推。这样，就可以保证实验中不同金属球的电荷量从大到小成比例变化。 库仑根据电荷在金属球表面上均匀分布的特点，把金属球上的电荷想象成集中在球心的“点电荷” 。这样就解决了测量带电体之间距离的问题。 请归纳库仑设计的扭秤实验有哪些巧妙之处。 库 仑 （C. de Coulomb， 17361806） ，法
30、国物理学家、军事工程师。从事摩擦力和电磁力的研究，设计制作库仑扭秤并发现库仑定律。 库仑把球形带电体看作“点电荷”是一种理想化做法。当两个带电体之间的距离比它们本身的尺寸大得多时，带电体可看作是一个点，即“点电荷”。扭丝GBAC第1章电荷的相互作用13 库仑定律 1785 年，库仑在前人研究的基础上，通过实验得出结论：真空中两个静止的点电荷之间相互作用力的大小，跟它们的电荷量 q1与 q2的乘积成正比，跟它们距离 r 的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连线。这就是库仑定律（Coulomb s law） ，它的数学表达式为 F = kq1q2r2 式 中 k 是 一 个 常 量， 叫 做 静
31、电 力 常 量（electrostatic force constant） 。这种电荷间的相互作用力叫作库仑力或静电力。在国际单位制中，电荷量的单位是库 仑 （C）， 力的单位是牛 顿（N） ， 距离的单位是米（m） 。由实验可得出 k = 9.0 109 Nm2/C2 库仑定律虽仅适用于计算点电荷间的作用力，但对任意带电体来说，如果知道电荷的分布情况，利用库仑定律和力的合成法则即可求出带电体之间的作用力。 英国物理学家普里斯特利（J. Priestley）和卡文迪许 （H. Cavendish）也在实验的基础上推定，电荷的相互作用力跟距离的平方成反比。 库仑定律是电磁学中的一个基本定律，它的
32、建立使电磁学进入了定量研究的阶段，使电磁学真正成为了一门科学。从 18世纪末到 19 世纪初这一段时期，由于数学的应用，有关静电学和静磁学的研究取得了很有意义的进展。案例分析 案例 真空中有两个直径很小的完全相同的金属小球a、b，a 球带电量为 Qa= +5.010-9 C，b 球带电量为 Qb = -7.010-9 C，两球相距 1 m。问：它们之间的库仑力有多大？若把它们接触后放回原处，它们之间的相互作用力为多大？ 解答 根据库仑定律，两小球未接触时，小球带异种电荷，小球之间的库仑力为引力，库仑力的大小为 两小球分别受到的库仑力均指向对方（图 1-2-3 a），两球互相吸引。图 1-2-3
33、a接触前b接触后F = kQaQbr2=9.01095.010-97.010-91.02N=3.1510-7NF = kQaQbr2=9.01095.010-97.010-91.02N=3.1510-7NF = kQaQbr2=9.01095.010-97.010-91.02N=3.1510-7NF = kQaQbr2=9.01095.010-97.010-91.02N=3.1510-7N14课题研究 当两小球接触后， 部分电荷中和， 剩余净电荷为-2.010-9 C，由于两金属球完全相同，净电荷均分，各带-1.010-9 C。此时，小球带同种电荷，两小球之间的库仑力为斥力，库仑力的大小为 此
34、时两小球分别受到的库仑力的方向如图 1-2-3b 所示。多学一点电介质中的库仑定律 我们在初中学过 , 空气、煤油、玻璃、橡胶、瓷器等都是绝缘体。绝缘体的导电性能很差，但也并不是一点也不能导电。在物理学中，绝缘体又被称做电介质。如果把两个点电荷放在电介质中，电荷间的静电力将比在真空中小，而且放在不同的电介质中，力的大小也不同。在电介质中，库仑定律的表达式为 F = kq1q2r2式中 叫作相对介电常数。同一种电介质的 是固定的。下表是几种电介质的相对介电常数。电介质相对介电常数空气1.005煤油2石蜡2陶瓷6玻璃411云母68水81验证电荷的分配规律 给你一只指针验电器、一台感应起电机（参见第
35、 18 页旁批）和两个带有绝缘柄的大小相同的金属球，请你设计一个实验，粗略验证电荷在两个相同金属球之间等量分配的原理。 （1）说明实验原理，写出实验步骤。 （2）按实验步骤操作，并写出实验报告。F = kQaQbr2=9.01091.010-91.010-91.02N=9.010-9N F = kQaQbr2=9.01091.010-91.010-91.02N=9.010-9N F = kQaQbr2=9.01091.010-91.010-91.02N=9.010-9N F = kQaQbr2=9.01091.010-91.010-91.02N=9.010-9N 第1章电荷的相互作用15家庭作
36、业与活动1.有两个半径为 r 的金属球如图 1-2-4 放置，两球表面间最小距离也为 r。今使两球带上等量异种电荷Q， 两球间库仑力的大小为F， 那么 （ ） 。 A. F = k B. F k C. F 0），因此电荷的电势能减少。电势能的减少量为ACBLqE图 2-2-4研究匀强电场中的电势差BAq图 2-2-5 研究电势差BA图 2-2-6 非匀强电场中各点间的电势差q32家庭作业与活动 Ep A - Ep B = WAB = 810-3 J 由于移动的是负电荷（q 0），因此 A、B 两点间的电势差为 UAB = WABq = 810-3-110-5V = -800 V 在研究微观粒子
37、时，常用电子伏特（简称电子伏，符号是eV）作为能量的单位。如果两点间的电压为 1 V，电场力把一个电子由一点移动到另一点，电场力所做的功等于 1 eV，而已知电子的电荷量 e = 1.6 10-19 C，则 1 eV = 1.6 10-19 J1.下列说法中正确的是（ ）。A. 无论是正电荷还是负电荷，从电场中某点移到无限远处时，电场力做的正功越多，电荷在该点的电势能越大B. 无论是正电荷还是负电荷，从电场中某点移到无限远时，电场力做的正功越少，电荷在该点的电势能越大C. 无论是正电荷还是负电荷，从无限远移到电场中某点时，克服电场力做功越多，电荷在该点的电势能越大D. 无论是正电荷还是负电荷，
38、从无穷远移到电场中某点时，电场力做功越多，电荷在该点的电势能越大2.在某电场中，把带电量 q = -5 10-9 C 的点电荷由 A 点移动到 B 点，电场力所做的功为 1 10-7 J。A、B 两点间的电势差 UAB是多大？ B、 A 两点间的电势差 UBA是多大？3.电荷的电势能发生变化时，其减少量总是等于电场力对电荷所做的正功。在正电荷 Q 的电场中（图 2-2-7）， 把正电荷 q 从 A 点移到 B 点，电场力的方向与电荷移动的方向相同，电场力BAQq图 2-2-7对电荷 q 做什么功？电势能怎样变化？在正电荷 Q 的电场中，负电荷 q 在 A、B 间移动时电势能如何变化？你能得出什
39、么结论？4.如图 2-2-8 所示，在场强为 E 的匀强电场中有相距为 L 的 A、B 两点，连线 AB 与电场线的夹角为 。现将一电荷量为 q 的正电荷从 A 点移到 B 点。现若沿直线 AB 移动该电荷，电场力做的功 W1 = ；若沿路径 ACB 移动该电荷，电场力做的功 W2 = ；若沿曲线 ADB移动该电荷，电场力做功 W3 = 。由此可知，电荷在电场中移动时，电场力做功的特点是 。ABCDEL图 2-2-833第2章电场的性质 电势分析与论证电场中各点的电势我们从电场力做功与电势能变化的关系，可以推知同一电荷在电场中不同位置上的电势能一般不同，不同电荷在电场中同一位置上的电势能一般也
40、不同。进一步的研究指出，在一个确定的电场中，不同电荷（q1，q2，q3，qn）在电场中同一位置的电势能 （Ep1， Ep2， Ep3， ， Epn） 与其电荷量之比是一定的，即Ep1q1=Ep2q2=Ep3q3= =EpnqnEpnEp1Ep3Ep2这个比值仅由电场所决定，而跟放在该处的电荷无关。可见，这个比值可以客观地反映电场的能的特性。在物理学上，把电荷在电场中某一点的电势能与其电荷量的比，叫做这一点的电势（electric potential）。如果用 M 表示电场中任意一点 M 的电势，用 EpM表示电荷 q 在该处的电势能，则M=EpnqEpM 在国际单位制中，电势的单位也是伏特。电
41、势也具有相对的意义，电场中某点电势的大小跟零电势位置（称为零电势点）的选择有关。在理论研究中，常取离场源电荷无限远处的电势为零；在实际应用中，常取大地的电势为零。如果我们选定了零电势点，电场中 A、B 两点的电势分别为A、B，则 A、B 两点间的电势差就可表示为UAB = A - B在 A、B 两点间移动电荷时电场力做的功为WAB = qUAB = q（A - B）思考与讨论请根据电场力做功与电势差的关系，比较图 2-3-1 所示点电荷电场中 A、B 两点与 C、D 两点电势的高低。由此你能否找出比较点电荷场中各点电势高低的简单方法？2.3 电势电荷在电场中的运动 电荷在电场中的这个特性同样可
42、跟重力场类比：同一物体在重力场中不同位置上的重力势能一般不同，不同物体在重力场中同一位置上的重力势能一般也不同。 令B=0，q=1 C，可以看出，电场中某点 A 的电势A，数值上等于把单位正电荷从该点移到零电势点时电场力所做的功。 对点电荷的电场，我们通常选无限远处为零电势点。图 2-3-1 比较电势高低ABCD34电势是标量，没有方向，但有高低及正负之分。可以证明，在任何电场中，某处电场线的指向就是该处电势降落的方向。案例分析 案例 在图 2-3-2 所示的匀强电场中，带电量 q = 4 10-9 C 的点电荷由上极板上A点移至B点时， 电场力做的功为8 10-3 J；由 B 点移至下极板上
43、 C 点，电场力做的功为 1 10-2 J。A、B、C 各点的电势分别为多大？ 分析 图中的下极板接地，表示取下极板电势为零，C 点在下极板上，C = 0。根据电场力做功与电势差的关系，求出UBC、UAB就可确定 B、A的大小。 解答 由题知，q = 4 10-9 C， WAB = 8 10-3 J，WBC = 1 10-2 J，C 点为接地的下极板上的一点，故C = 0。对于 B、C 两点，UBC = WBCq =110-2410-9 V = 2.5 106 V由 UBC = B - C得 B 点电势 B = UBC + C = 2.5 106 V + 0 = 2.5 106 V对于 A、B
44、 两点，UAB = WABq= 810-3410-9V = 2.0 106 V由 UAB = A - B得 A 点电势 A = UAB + B = 2.0 106 V + 2.5 106 V = 4.5 106 V多学一点电场的等势面 在地理学中，为了形象地表示地形的高低，常采用在地图上画等高线的方法。在电场中，我们也可以采用类似的方法表示电势的高低分布（图 2-3-3）。在物理学中，把电场中电势相等的点构成的线（面）叫做等势线（面）（equipotential line/surface）。同一等势线（面）上任意两点间的电势差为零，所以，在同一等势线（面）上移动电荷时，电场力不做功。因此，电场
45、线一定跟等势面垂直，并且由电势高的等势面指向电势低的等势面。ABCE图 2-3-2探究电场中各点的电势EqABAB= 0mhAhBABh = 0图 2-3-3等势面与等高线EqABAB= 0mhAhBABh = 035第2章电场的性质 在定量研究电场时，由于测量电势比测量电场强度容易，所以常常先测绘出电场的等势面的形状和分布，再根据电场线跟等势面垂直的关系，绘出电场线的分布，就可以知道电场的总体情况了。 常见的几种电场的等势面如图 2-3-4 所示。a 点电荷电场的等势面b 等量异种点电荷电场的等势面图 2-3-4各种电场的等势面 电势差与电场强度的关系电场强度和电势差都是描述电场性质的物理量
46、，两者必然有内在的联系。为了研究电势差与电场强度之间的关系，我们以匀强电场为例进行分析。图 2-3-5 表示某一匀强电场的电场线分布情况。设 A、B 两点间的距离为 d，电势差为 U，场强为 E。把正电荷q 由 A 点移动到 B 点，电场力所做的功 W = Fd = qEd，而 W = qU，可见U = Ed这表明，在匀强电场中，沿场强方向的两点间的电势差等于场强与这两点间距离的乘积。上式可变换为E = Ud这表明，在匀强电场中，电场强度在数值上等于沿场强方向每单位距离上的电势差。 因此， 电场强度的另一个单位是V/m。请证明：1 N/C = 1 V/m。 探究电子束在偏转电极中的偏移示波管是
47、示波器的核心部件，它由电子枪、偏转电极和荧光屏等组成，管内抽成真空。在示波管工作过程中，通电灯丝发射的电子在电子枪阴极和阳极间受电场力的作用被加速，形成电子束，进入偏转电极AEBdEq图 2-3-5探究电势差与电场强度的关系F=c 带电导体周围的等势面，电场线垂直于导体表面a 点电荷电场的等势面b 等量异种点电荷电场的等势面36图 2-3-6示波管示意图vYYEFFq图 2-3-7电子在电场中的偏转图 2-3-8观察带电油滴在匀强电场中的偏移偏转电极偏转电极YYXX荧光屏灯丝阴极阳极电子枪YY 、 XX（图2-3-6） 。 电子束在YY 、 XX 中受到电场力的作用，发生偏转，打到荧光屏上形成
48、亮斑。亮斑的偏转情况跟电子束在 YY 、XX 的电场中受到的力有关。 示波管偏转电极 YY 实际上是两块靠近的、大小相等、互相正对的平行金属板。偏转电极 XX 的情况也是这样。 由于偏转电极的两块金属板靠得很近，可以认为，除了两板边缘外，电荷在板面中部均匀分布，电场线垂直于板面且均匀分布。 偏转电极两极板间的电场是匀强电场，电子在两极板间受到一个大小和方向都不变的电场力（图 2-3-7）。电子束进入偏转电极后是怎样运动的呢？下面用图 2-3-8 所示的模拟实验进行探究。实验探究观察带电油滴在匀强电场中的偏移 在图 2-3-8 所示的实验中，将两块金属板分别与起电机的37第2章电场的性质家庭作业
49、与活动1.在图 2-3-9 所示的匀强电场中，如果 A 板接地，M、N 两点中，哪一点的电势高？电势是正值还是负值？如果 B 板接地，哪一点的电势高？电势是正值还是负值？取大地的电势为零。2.如图 2-3-10 所示，M、N 为电场中两个等势面，直线 GH 是其中的一条电场线，则下列说法中正确的是（ ）。 A. EpG EpH B. 正电荷置于 G 点时电势能大于置于 H 点时的 电势能 C. G bc。一带正电的粒子射入电场中，其运动轨迹如图中实线 KLMN 所示，由图可知（ ）。 A. 粒子从 K 到 L 的过程中，电场力做负功 B. 粒子从 L 到 M 的过程中，电场力做负功 C. 粒子
50、从 K 到 L 的过程中，电势能增加 D. 粒子从 L 到 M 的过程中，动能减少5.在实验室完成下述实验（图 2-B-5）：将一只开口的空心金属球放在验电器 A 的导杆上，用与丝绸摩擦过的玻璃棒接触空心金属球，观察验电器 A 指针的情况。用绝缘小金属球分别与空心金属球外表和内壁接触，再分别与验电器B的金属球接触 （即把电荷转移到验电器B上） 。分别反复操作几次，观察两种情况下验电器 B指针的位置变化。你发现了什么？请完成实验报告。图 2-B-2图 2-B-4芯柱绝缘管导电液容器图 2-A-5喷雾器嘴显微镜Uq-图 2-B-1图 2-B-3cbaKLMNAB图 2-B-5研究带电空心金属球的电
