高中物理电和磁的知识

第二单元电与磁的初步知识一、电荷电荷之间的相互作用二、静电感应放电现象三、导体和电流四、电功、电功率五、电路的简单连接六、闭合电路的欧姆定律七、安全用电八、有关磁的知识九、电动机是怎样工作的第二单元电与磁的初步知识十、交流电十一、日光灯的工作原理十二、变压器十三、电磁波十四、电磁波的发射和接收十五、电磁波在现代科技方面的应用十六、DVD数字影碟机的使用方法十七、移动电话机常识十八、电磁学方面的小制作1.简单电路的有关知识；2.电功与电热；3.电路的简单连接；4.磁场及其对电流的作用力；5.电磁感应现象；6.所有的小实验和小制作。1.对于电源的认识；2.电动机为什么会转动？3.电磁感应现象。一、电荷电荷之间的相互作用知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考1.电荷2.点电荷和元电荷3.电荷之间的相互作用4.电场电场线1.电荷人们对于电的认识，最初来自人工的摩擦起电现象和自然界的雷电现象。事实上两种不同质地的物体，经过互相摩擦后，都具有吸引轻小物体的能力。这时我们说这些物体处于带静电状态，或说它们带有电荷，用摩擦的方法使物体带电叫做摩擦起电。处于带电状态的物体称为带电体，两个带电体相互靠近时，可能出现火花，并伴有响声。1.电荷实验证明，物体所带的电荷有且只有两种，即正电荷和负电荷。物体所带电荷的多少叫做电荷量。在国际单位制中，电荷量的单位为库仑，用符号C表示。摩擦为什么会使物体带电呢？这是由物质本身的电结构决定的。两物体摩擦之后总是同时带电，并分别带有等量的异种电荷。2.点电荷和元电荷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。形状大小与距离相比小到可以忽略不计的带电体叫做点电荷，点电荷是一种理想化模型。质子所带电荷叫做“元电荷”。电子带负电，其电荷量与质子相同，所以电子电荷记为“－e”。3.电荷之间的相互作用使一个用铝箔纸包着的塑料小球B带电，并使它靠近带电体A，带电小球会受到力的作用（见图2-1）。图2-1电场力图2-2库仑3.电荷之间的相互作用定量地研究电荷之间的相互作用，是在人们发现静电现象2000多年之后，由法国物理学家库仑（1736—1806年，见图2-2）在1785年完成的。他通过实验总结出点电荷之间相互作用的规律：两个点电荷之间的作用力跟它们电荷量的乘积成正比，跟它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在它们之间的连线上。这一规律被称为库仑定律。4.电场电场线理论研究和实践都表明，电荷周围存在着一种叫做电场的物质。电场对放在其中的电荷有力的作用，这种力叫做电场力。为了形象地描述电场中各点电场强度的分布情况，英国物理学家法拉第（1791—1867年）首先提出可以在电场中用从正电荷出发到负电荷终止的一系列曲线把各处的电场表示出来。规定曲线上每一点的切线方向都与这一点的电场方向一致（见图2-3），这样的曲线叫做电场线。4.电场电场线图2-4、图2-5、图2-6、图2-7依次表示正电荷、负电荷、两个等量异种电荷和两个等量同种电荷电场线。图2-3图2-4图2-5图2-7图2-6小实验1.小纸人跳舞（见图2-8）。图2-8小纸人跳舞小实验2.摩擦发光实验材料：8W或6W的废旧日光灯管一根，干燥的丝绸（或毛料布）一块。实验方法：一只手拿着灯管的一端，另一只手拿着丝绸，在灯管上迅速地来回摩擦（注意用力不要太大，以免灯管破裂）。过一会儿，灯管会发出微弱的白光。周围环境越暗，灯管就显得越亮。实验原理：当你用丝绸摩擦灯管时，由于摩擦起电，灯管的玻璃外壳便带上了正电；灯管两端电极上的一部分电子便会被吸引出来，使灯管内的水银气体发生电离，从而辐射出可见光线。小制作自制验电器（见图2-9）。图2-9自制的验电器1.自然界中存在两种电荷，同种电荷相互，异种电荷相互。2.电荷之间的相互作用是通过实现的，当我们说电荷A受到电荷B的作用时，实际上是说电荷A受到的作用。3.有两个点电荷，它们之间的静电力是F。如果保持它们之间的距离不变，将其中之一的电荷量增大为原来的2倍，它们之间作用力的大小为A.FB.2FC.F/2D.F/44.有两个点电荷，它们之间的静电力是F。如果保持它们所带的电荷量不变，将它们的距离增大为原来的2倍，它们之间作用力的大小等于A.FB.2FC.F/2D.F/4二、静电感应放电现象知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考据2004年7月25日《京华时报》消息：2004年7月23日居庸关长城部分游客遭雷击。数十名游客冒着雷雨天气登长城，本想体验雨中游览长城的别样感受。孰料，一道闪电之后，他们纷纷被雷电击倒。翌日，气象专家共赴现场考察后认为，游客中有人在雷雨天气拨打手机是游客遭受雷击的直接原因一个小小手机如何能“招来雷电”呢？1.静电感应2.感应起电3.尖端放电现象4.火花放电5.雷电1.静电感应把两个不带电的枕形绝缘导体A、B对接在一起，放在桌子上，在它们的旁边放一个带正电的物体C（见图2-10）。这时导体AB处在带电体C的电场中，导体AB中的自由电子在电场力作用下移动。于是在靠近带电体C的一端出现异种电荷，在远离带电体C的一端出现同种电荷。这种现象叫做静电感应。图2-102.感应起电在静电感应中，如果在移去带电体C之前，先使A、B分开，那么导体A、B就分别保持自己的带电状态（见图2-11）。这种利用静电感应使导体带电的方法叫做感应起电。图2-113.尖端放电现象导体带电以后，它的电荷只分布在导体的外表面上，导体的内部是不带电的。导体表面电荷的分布是不均匀的，与导体表面的弯曲程度有关。由于导体尖端部位电荷密集，所以导体尖端附近的电场特别强，强到能把周围空气电离，从而向周围空间释放电荷。这种现象叫做尖端放电现象（见图2-12）。图2-124.火花放电当高压带电体与导体距离很近时，强大的电场会使它们之间的空气迅速电离，电荷通过电离的空气形成电流。由于电流非常大，产生大量的热，使空气发声、发热，产生电火花，这种放电现象叫做“火花放电”。5.雷电在闷热的夏天，在重力作用和猛烈上升气流的冲击下，会使云中的雨滴、冰晶等发生互相碰撞、摩擦而带上电荷，形成雷雨云。由于雷雨云中聚集着大量的电荷，当雷雨云之间或雷雨云与地面之间发生强烈放电时，会产生“闪电”和“雷鸣”。图2-13避雷针手机使用时，在手机天线附近会聚集大量的电荷，会在手机天线与带电云层之间形成强烈的尖端放电，而“引雷伤身”。所以，在雷雨天气时，在野外不要使用手机，使用户外天线或公用天线的电视用户也要把电视机关掉。小制作“转花”（见图2-14）。图2-14转花1.用来运输燃油或液化气罐的汽车尾部都有一条铁链拖在地上，它的作用是要避免油罐车上电荷的积累。其实不仅油罐车这样，就连小汽车也有一条导电的带子拖在地面，你知道为什么这样做吗？图2-15三、导体和电流知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考舞台上的灯光可以从暗逐渐变亮，电风扇的转速可以由慢变快，空调器的温度可以由高变低，这些变化都与通过用电器的电流大小有关。可是，电流看不见、也摸不着，我们怎样才能知道导体中有电流，又怎样改变导体中电流的大小呢？1.电流电流强度2.导体电阻定律3.欧姆定律4.超导现象1.电流电流强度电荷的定向移动形成电流。实验证明，导体内存在大量可以移动的自由电荷。自然状态下，导体中没有电流（见图2-16）。图2-161.电流电流强度通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用时间的比值，叫做电流强度，简称电流，用符号I表示。qIt国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，用符号A表示。习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向。1mA＝10－3A，1μA＝10－6A2.导体电阻定律2.导体电阻定律实验证明，在温度不变时，导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比，这就是电阻定律。如果用R表示导体的电阻，L表示它的长度，S表示它的横截面积，电阻定律可表示为：LRS其中ρ叫做电阻率。3.欧姆定律德国物理学家欧姆（1787—1854）最先通过实验研究了电流跟电压、电阻的关系，并得出结论：导体中的电流跟加在导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，这就是欧姆定律。UIR电阻的单位是欧姆，简称欧（Ω）。1kΩ＝103Ω1MΩ＝106Ω4.超导现象1911年，荷兰物理学家昂尼斯（1853—1926）用液态氦把汞冷却到零下268℃时，发现汞的电阻变为零；后来又发现，铝和锡也具有这种在极低温度下电阻消失的特性。人们把这种现象叫做超导现象，具有这种特性的材料叫做超导材料，使非超导材料转变为超导材料的温度叫做临界温度。电流虽然看不见摸不着，但人们可以根据电流的各种效应（如热效应、磁效应和机械效应）来感知它的存在。灯光的亮度、电风扇的转速以及空调器的温度都可以通过改变电流大小来实现由欧姆定律可知，电流与导体两端的电压成正比，与用电器的电阻成反比。实际应用中常常通过改变电路中的电阻来实现对电流的控制。小实验温度对导体电阻的影响从废旧日光灯管上拆下一个灯丝没断的灯头，将它接入由干电池、小灯泡和开关组成的电路中。闭合开关小灯泡发光后，将电吹风开到热风挡对着日光灯的灯丝吹，会看到小灯泡迅速变暗。这是由于日光灯灯丝的温度升高使电阻增加，导致电路中电流减小的缘故。你还可以试着用电吹风的冷风重复上面的实验，并解释出现的现象。1.习惯上规定，移动的方向为电流方向。在金属导体中，自由电子定向移动的方向与导体中电流的方向。2.导体对电流的作用叫做电阻，用符号表示，其单位是。3.一根均匀的铜导线，其电阻为2Ω，当加在它两端上的电压增加了一倍时，它的电阻为。A.4ΩB.1ΩC.2ΩD.0.5Ω4.给灯泡加220V的电压，通过灯丝的电流是0.5A，灯丝的电阻是多少？四、电功、电功率知识提出问题解释问题实践与探索练习与思考电使电灯发光、电风扇转动、电梯升降…，电使我们的生活丰富多彩。如果我们的生活没有了电，会是什么样子？那简直不可想象！可是，你知道“电”是怎样完成这些工作的吗？1.电能的转化——电功2.电功率3.焦耳定律1.电能的转化———电功1.电能的转化———电功我们把自由电荷定向移动时电场力做功叫做电流做功。电能转化成其他形式的能的过程，实际上也是电流做功的过程。电流在一段电路上所做的功，跟这段电路两端的电压、电路中的电流及通电时间成正比，即W＝UIt式中W、U、t的单位分别为焦（J）、伏（V）、安（A）、秒（s）。1.电能的转化———电功将灯泡接在B、C之间，闭和开关，电路中有电流做功，电灯就会发出热和光；在B、C之间接入电动机，当电流做功时，电动机就会旋转；同样，在B、C之间接入电解槽，当电流做功时，电解槽中就产生化学反应，析出物质（见图2-17）。图2-172.电功率电流所做的功跟做功所用时间的比值叫做电功率，用P表示，即WPUIt式中P、U、I的单位分别为瓦（W）、伏（V）、安（A）。22UPIRR3.焦耳定律英国物理学家焦耳（1818—1889）通过实验总结出电流热效应所遵循的规律：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体的电阻和通电的时间成正比，这就是著名的焦耳定律。其表达式为2QIRt式中Q、I、R、t的单位分别为J、A、Ω、s。电能转化为其他形式的能是通过电流做功实现的。电流通过电动机做功，使电机转动，电能转化为机械能；电流通过灯丝做功，使灯丝发亮，电能转化为光能。电流做功还可以使电能转化为导体的内能，这就是电流的热效应。电流的热效应除在生产和生活中有着广泛的应用外，也有许多消极的作用。例如，电视机、收音机等家用电器有一定的电阻，工作时会产生热量使温度升高，影响它们的正常工作，严重时还会损坏家用电器。因此，在使用过程中要注意通风散热，并且不要让家用电器连续工作的时间过长。小实验将长度和横截面完全相同的镍铬合金和铁丝下面用蜡粘上几根火柴杆，通电后，哪些火柴杆会先掉下来（见图2-18）？图2-18实验1.电炉丝热得发红时，跟电炉丝连接的铜导线却不怎么热，为什么？2.一只标有“220V45W”的电烙铁，在额定电压下使用时，每分钟产生多少热量？3.平均一次雷电的电流强度为2万安，电压约10亿伏，放电时间约千分之一秒，