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1、物理必 修第三册普 通 高 中 教 科 书物理普通高中教科书必 修第三册WULIPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU绿 色 印 刷 产 品 高中 物理必修3(16 V6)20190322.indd 12019/8/9 下午1:53普通高中教科书物理第三册必 修北京人民教育出版社 课程教材研究所物 理 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著2高中物理必修第三册普通高中教科书 物理 必修 第三册人民教育出版社 课程教材研究所物 理 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著出版（北京市海淀区中关村南大街 17 号院 1 号楼 邮编：100081）网址 http:/版权所有未经许可
2、不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与 联系调换。电话：-总 主 编：彭前程 黄恕伯本册主编：彭前程 秦建云编写人员：（以姓氏笔画为序）方贵荣 谷雅慧 黄恕伯 梁 旭责任编辑：彭 征 孙 新美术编辑：王 艾第7章 电能 能量守恒定律3第九章 静电场及其应用1.电荷2.库仑定律3.电场 电场强度4.静电的防止与利用第十章 静电场中的能量1.电势能和电势2.电势差3.电势差与电场强度的关系4.电容器的电容5.带电粒子在电场中的运动第十一章 电路及其应用1.电源和电流2.导体的电阻3.实验：导体电阻率
3、的测量4.串联电路和并联电路5.实验：练习使用多用电表第十二章 电能 能量守恒定律1.电路中的能量转化2.闭合电路的欧姆定律3.实验：电池电动势和内阻的测量4.能源与可持续发展第十三章 电磁感应与电磁波初步1.磁场 磁感线2.磁感应强度 磁通量3.电磁感应现象及应用4.电磁波的发现及应用5.能量量子化课题研究索引目录126111825263135384452535762687278798389931031041091141191241311364高中物理必修第三册第九章 静电场及其应用1第九章静电场及其应用9牛顿曾经说：“我认为自己不过像在海滩上玩耍的男孩，不时地寻找比较光滑的卵石或比较漂亮的
4、贝壳，以此为乐，而我面前，则是一片尚待发现的真理的大海。”真理的大海中包括电现象、磁现象其实，人类研究电现象和磁现象的历史与力学研究同样丰富多彩，但电和磁的世界比机械运动的世界更加错综复杂。从这章开始，我们将进入更有趣的电和磁的世界。2高中物理必修第三册图9.1-1 雷电电荷电荷公元前600年左右，古希腊学者泰勒斯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”一语。此语意为摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。16世纪，英国科学家吉尔伯特在研究这类现象时首先根据希腊文的琥珀创造了英语中的“electricity”（电）这个词，用来表示琥珀经过摩擦
5、以后具有的性质，并且认为摩擦过的琥珀带有电荷（electric charge）。人们发现，很多物体都会由于摩擦而带电，并称这种方式为摩擦起电（electrification by friction）。美国科学家富兰克林通过实验发现，雷电（图9.1-1）的性质与摩擦产生的电的性质完全相同，并命名了正电荷（positive charge）和负电荷（negative charge）。迄今为止，人们没有发现对这两种电荷都排斥或都吸引的电荷。自然界的电荷只有两种。电荷的多少叫作电荷量（electric quantity），用Q表示，有时也可以用q来表示。在国际单位制中，它的单位是库仑（coulomb），
6、简称库，符号是C。正电荷的电荷量为正值，负电荷的电荷量为负值。1直到库仑定律发表的时候，电学才进入科学的行列。劳厄摩擦可以使物体带电。摩擦过的琥珀能够吸引羽毛。为什么有的物体容易带电，而有的物体很难带电呢？问题 1881年第1届国际电学大会确定库仑（C）为电荷量的国际单位，定义为1 A恒定电流在1 s时间间隔内所传送的电荷量为1 C。？第九章 静电场及其应用3图9.1-3 静电感应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，贴在下部的两片金属箔是闭合的（图9.1-3）。手握绝缘棒，把带正电荷的带电体C移近导体A，金属箔有什么变化？这时手持绝缘柱把导体A和B分开，然后移开C，
7、金属箔又有什么变化？再让导体A和B接触，又会看到什么现象？利用金属的微观结构模型，解释看到的现象。观察静电感应现象AB实验我们知道，原子是由带正电的质子、不带电的中子以及带负电的电子组成的。每个原子中质子的正电荷数量与电子的负电荷数量一样多，所以整个原子对外界表现为电中性。原子内部的质子和中子被紧密地束缚在一起构成原子核，原子核的结构一般是很稳定的。通常离原子核较远的电子受到的束缚较弱，容易受到外界的作用而脱离原子。当两种物质组成的物体互相摩擦时，一些受束缚较弱的电子会转移到另一个物体上。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。这就是摩擦起电的原因。不同物质的微观结
8、构不同，由于原子或分子间的相互作用，原子中电子的多少和运动状况也不相同。例如，金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动，这种电子叫作自由电子（free electron）。失去自由电子的原子便成为带正电的离子（ion），它们在金属内部排列起来，每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动，只有自由电子穿梭其中（图9.1-2），这就使金属成为导体。绝缘体中几乎不存在能自由移动的电荷。静电感应摩擦可以使物体带电，那么，还有其他方法可以使物体带电吗？关于金属中原子核、电子所处的状态及其运动，这里的情景是一种简化描述，但它可以有效地解释与金属导电有关的现象，所以也是一个物理模型。图
9、9.1-2 金属的微观结构模型+C4高中物理必修第三册从18世纪起，人们开始经常使用一种叫作验电器的简单装置来检测物体是否带电。玻璃瓶内有两片金属箔，用金属丝挂在一根导体棒的下端，棒的上端穿过绝缘的瓶塞从瓶口伸出（图9.1-4甲）。如果把金属箔换成指针，并用金属制作外壳，这样的验电器又叫作静电计（图9.1-4乙）。制作一个验电器，并用验电器检测不同带电体所带电荷的种类和相对数量。观察：当带电体靠近导体棒的上端时，金属箔片是否张开？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种电荷，远离带电体的一端带同种电荷。这种现象叫作静电
10、感应（electrostatic induction）。利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电。验电器图9.1-4 验电器甲乙做一做电荷守恒定律静电感应过程中导体中的自由电荷只是从导体的一部分转移到另一部分。也就是说，无论是摩擦起电还是感应起电都没有创造电荷，只是电荷的分布发生了变化。大量实验事实表明，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。这个结论叫作电荷守恒定律（law of conservation of charge）。近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生或湮没。例如，一个高能光
11、子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子；一对正、负电子可以同时湮没，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的，两个粒子带电数量相等但电性相反，而光子又_ 正电子与电子质量相同，与电子的电荷量相等但符号相反，1932 年被首次发现。追寻守恒量是物理学研究物质世界的重要方法之一，它常使人们揭示出隐藏在物理现象背后的客观规律。电荷守恒定律是物理学中守恒思想的又一具体体现。第九章 静电场及其应用51.在天气干燥的季节，脱掉外衣后再去摸金属门把手时，常常会被电一下。这是为什么？2.在图9.1-3所示的实验中，导体分开后，A带上了1.010-8 C的电荷。实验过程中，是电子由A转移
12、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.如图9.1-5，将带正电荷Q的导体球C靠近不带电的导体。若沿虚线1将导体分成A、B两部分，这两部分所带电荷量分别为QA、QB；若沿虚线2将导体分成两部分，这两部分所带电荷量分别为QA 和QB。（1）请分别说出以上四个部分电荷量的正负，并简述理由。（2）请列出以上四个部分电荷量（绝对值）之间存在的一些等量关系，并简述理由。4.关于电荷，小明有以下认识：A.电荷量很小的电荷就是元电荷。B.物体所带的电荷量可以是任意的。你认为他的看法正确吗？请简述你的理由。图9.1-5CBA12+练习与应用不带电，所以电荷的代数和仍然不变。因此，电荷守恒
13、定律更普遍的表述是：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一。元电荷迄今为止，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，电性相反。人们把这个最小的电荷量叫作元电荷（elementary charge），用e表示。实验还发现，所有带电体的电荷量都是e的整数倍。这就是说，电荷量是不能连续变化的物理量。元电荷e的数值，最早是由美国物理学家密立根测得的，他因此获得诺贝尔物理学奖。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e的值为e1.602 176 63410-19 C在计算中，可取e1.6010-19 C电子的电荷
14、量e与电子的质量me之比，叫作电子的比荷（specific charge）。比荷也是一个重要的物理量。电子的质量me9.1110-31 kg，所以电子的比荷为 mee 1.761011 C/kg6高中物理必修第三册库仑定律电荷之间的作用力通过上面的实验可以看到，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。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，电荷之间的相互作用力，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万有引力是否相似的问题早已引起当年一些研究者的注意，英国科学家卡文迪什和普里斯特利等人都确信“平方反比”规
15、律适用于电荷间的力。不过，最终解决这一问题的是法国科学家库仑。他设计了一个十分精妙的实验（扭秤实验），对电荷之间的作用力开展研究。最后确认：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫作库仑定律（Coulombs law）。这种电荷之间的相互作用力叫作静电力（electrostatic force）或库仑力。那么，什么是点电荷呢？实验事实说明，两个实际的带电体间的相互作用力与2带正电的带电体C置于铁架台旁，把系在丝线上带正电的小球先后挂在P1、P2、P3等位置。带电体C与小球间的作用力会随距离的不同怎样改变
16、呢？在同一位置增大或减小小球所带的电荷量，作用力又会怎样变化？电荷之间作用力的大小与哪些因素有关？问题库仑（Charles-Augustin Coulomb，17361806）类比在库仑定律的建立过程中发挥了重要作用。类比会引起人们的联想，产生创新。但是类比不是严格的推理，不一定正确，由类比而提出的猜想是否正确需要实践的检验。P1P2P3CF？第九章 静电场及其应用7它们自身的大小、形状以及电荷分布都有关系。任何带电体都有形状和大小。当带电体之间的距离比它们自身的大小大得多，以致带电体的形状、大小及电荷分布状况对它们之间的作用力的影响可以忽略时，这样的带电体可以看作带电的点，叫作点电荷（poi
17、nt charge）。图9.2-1 扭秤实验装置库仑的实验库仑做实验用的装置叫作库仑扭秤。如图9.2-1，细银丝的下端悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个小球A，另一端通过物体B使绝缘棒平衡，悬丝处于自然状态。把另一个带电的金属小球C插入容器并使它接触A，从而使A与C 带同种电荷。将C和A分开，再使C靠近A，A和C之间的作用力使A远离。扭转悬丝，使A回到初始位置并静止，通过悬丝扭转的角度可以比较力的大小。改变A和C之间的距离r，记录每次悬丝扭转的角度，就可以找到力F与距离r的关系，结果是力F与距离r的二次方成反比，即F r21 在库仑那个年代，还不知道怎样测量物体所带的电荷量，甚至连电荷量的单位都没
18、有。不过两个相同的金属小球，一个带电、一个不带电，互相接触后，它们对相隔同样距离的第三个带电小球的作用力相等，因此，可以断定这两个小球接触后所带的电荷量相等。这意味着，如果使一个带电金属小球与另一个不带电的完全相同的金属小球接触，前者的电荷量就会分给后者一半。多次重复，可以把带电小球的电荷量q分为，2q4q8q这样又可以得出电荷之间的作用力与电荷量的关系：力F与q1和q2的乘积成正比，即 Fq1q2_ 库仑最初的实验是用带电木髓小球进行的，并非金属小球。这个关系式是由库仑作为假设提出的。文中所说的实验可以看作对这个假设的检验。点电荷类似于力学中的质点，也是一种理想化模型。ABC8高中物理必修第
19、三册综合上述实验结论，可以得到如下关系式Fkr2q1q2式中的k是比例系数，叫作静电力常量。当两个点电荷所带的电荷量为同种时，它们之间的作用力为斥力；反之，为异种时，它们之间的作用力为引力。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）。k的数值是k9.0109 Nm2/C2静电力计算根据库仑定律，两个电荷量为1 C的点电荷在真空中相距1 m时，相互作用力是 9.0109 N。差不多相当于一百万吨的物体所受的重力！可见，库仑是一个非常大的电荷量单位，我们几乎不可能做到使相距1 m的两个物体都带1 C的电荷量。通常，一把梳子和衣袖摩擦后所带的电荷量不到百万分
20、之一库仑，但天空中发生闪电之前，巨大的云层中积累的电荷量可达几百库仑。【例题1】在氢原子内，氢原子核与电子之间的最短距离为5.310-11 m。试比较氢原子核与电子之间的静电力和万有引力。分析 氢原子核与质子所带的电荷量相同，是1.610-19 C。电子带负电，所带的电荷量也是1.610-19 C。质子质量为1.6710-27 kg，电子质量为9.110-31 kg。根据库仑定律和万有引力定律就可以求解。解 根据库仑定律，它们之间的静电力 F库kr2q1q2 （5.310-11）2（1.610-19）（1.610-19）9.0109N 8.210-8 N根据万有引力定律，它们之间的万有引力第九
21、章 静电场及其应用9可见，微观粒子间的万有引力远小于库仑力。因此，在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。库仑定律描述的是两个点电荷之间的作用力。如果存在两个以上点电荷，那么，每个点电荷都要受到其他所有点电荷对它的作用力。两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。库仑定律是电磁学的基本定律之一。库仑定律给出的虽然是点电荷之间的静电力，但是任何一个带电体都可以看成是由许多点电荷组成的。所以，如果知道带电体上的电荷分布，根据库仑定律就可以求出带电体之间的静电力的大小和方向。实验表明，两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。F引
22、Gr2m1m2 （5.310-11）2（1.6710-27）（9.110-31）N6.710-11 3.610-47 N F引F库2.31039 氢原子核与电子之间的静电力是万有引力的2.31039倍。【例题2】真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长为 50 cm 的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是2.010-6 C，求它们各自所受的静电力。分析 根据题意作图（图9.2-2）。每个点电荷都受到其他两个点电荷的斥力，因此，只要求出一个点电荷（例如 q3）所受的力即可。图9.2-2 一个点电荷所受的静电力F1F2q3Fq1q210高中物理必修第三册图9.2-31.有三个完全相同的
23、金属球，球A带的电荷量为q，球B和球C均不带电。现要使球B带的电荷量为83q，应该怎么操作？2.半径为r 的两个金属球，其球心相距3r，现使两球带上等量的同种电荷Q，两球之间的静电力Fk 9r2Q2吗？说明道理。3.真空中两个相同的带等量异种电荷的金属小球A和B（均可看作点电荷），分别固定在两处，两球之间的静电力为F。现用一个不带电的同样的金属小球C先与A接触，再与B接触，然后移开C，此时A、B之间的静电力变为多少？若再使A、B之间距离增大为原来的2倍，则它们之间的静电力又为多少？4.在边长为a的正方形的每个顶点都放置一个电荷量为q的同种点电荷。如果保持它们的位置不变，每个电荷受到其他三个电荷
24、的静电力的合力是多少？5.两个分别用长13 cm的绝缘细线悬挂于同一点的相同小球（可看作质点），带有同种等量电荷。由于静电力F的作用，它们之间的距离为10 cm（图9.2-3）。已测得每个小球的质量是0.6 g，求它们各自所带的电荷量。g取10 m/s2。练习与应用10 cmFFF1F2k r2q2 0.5 29.0109（2.010-6）2N0.144 N解 根据库仑定律，点电荷q3 共受到F1 和F2 两个力的作用。其中q1 q2 q3 q每两个点电荷之间的距离r 都相同，所以 根据平行四边形定则可得F 2 F1 cos 30 0.25 N点电荷q3所受的合力F的方向为q1 与q2连线的垂
25、直平分线向外。每个点电荷所受的静电力的大小相等，数值均为0.25 N，方向均沿另外两个点电荷连线的垂直平分线向外。第九章 静电场及其应用11电场 电场强度电场19 世纪 30 年代，英国科学家法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着由它产生的电场（electric field）。电场是看不见、摸不着的，但人们却可以根据它所表现出的性质来认识它，研究它。处在电场中的其他电荷受到的作用力就是这个电场给予的。例如，电荷A对电荷B的作用力，就是电荷A的电场对电荷B的作用；电荷B对电荷A的作用力，就是电荷B的电场对电荷A 的作用（图9.3-1）。3通过起电机使人体带电，人的头发会竖起散开。为什么会出现
26、这样的现象？你能解释产生这一现象的原因吗？问题法拉第（Michael Faraday，17911867）物理学的理论和实验证实并发展了法拉第的观点。电场以及磁场已被证明是一种客观存在。场像分子、原子等实物粒子一样具有能量，因而场也是物质存在的一种形式。应该指出，只有在研究运动的电荷，特别是运动状态迅速变化的电荷时，上述场的物质性才突显出来。本章只讨论静止电荷产生的电场，这种场叫作静电场（electrostatic field）。图9.3-1 电荷之间通过电场相互作用?A?B_ 法拉第提出的是“力线”的概念，“场”是由麦克斯韦等人完善后形成的概念。？12高中物理必修第三册电场强度电场是在与电荷的
27、相互作用中表现出自己的特性的。因此，在研究电场的性质时，应该将电荷放入电场中，从电荷所受的静电力入手。这个电荷应该是电荷量和体积都很小的点电荷。电荷量很小，是为了使它放入后不影响原来要研究的电场。体积很小，是为了便于用它来研究电场各点的性质。这样的电荷常常叫作试探电荷。激发电场的带电体所带的电荷叫作场源电荷，或源电荷。如果把一个很小的电荷 q1 选为试探电荷，它在电场中某个位置受到的静电力是F1，另一个同样的电荷在同一位置受到的静电力一定也是F1；我们可以推测，假如有一个电荷量为 2q1的电荷放在这里，它受到的静电力就是 2F1。依此类推，电荷量为 3q1的电荷放在这里，受到的静电力是 3F1
28、也就是说，我们推测试探电荷在电场中某点受到的静电力F 与试探电荷的电荷量q 成正比。或者说，试探电荷在电场中某点受到的静电力F 与试探电荷的电荷量q 之比是一个常量。你认为这样的推测是否正确？这里的分析是一种猜想和假设，它的正确性有待进一步的检验。我们可以用点电荷的电场来进行分析。如图9.3-2，在点电荷Q的电场中的P点，放一个试探电荷q1，它在电场中受到的静电力是F1，根据库仑定律，有 （1）F1k r2Qq1 同理，如果把试探电荷换成q2，它在电场中受到的静我们不能直接用试探电荷所受的静电力来表示电场的强弱，因为对于电荷量不同的试探电荷，即使在电场的同一点，所受的静电力也不相同。那么，用什
29、么物理量能够描述电场的强弱呢？试探电荷是为了研究源电荷电场的性质而引入的，它的引入不改变源电荷的电场。思考与讨论图9.3-2 场源电荷和试探电荷rPq1试探电荷Q场源电荷第九章 静电场及其应用13电力是 F2，有 （2）F2k r2Qq2 由（1）（2）两式可以看出q1F1 q2F2 k r2Q 放在P点的试探电荷受到的静电力与它的电荷量之比，跟该点的试探电荷的电荷量无关，而与产生电场的场源电荷的电荷量Q及P点与场源电荷之间的距离r有关。实验表明，无论是点电荷的电场还是其他电场，在电场的不同位置，试探电荷所受的静电力与它的电荷量之比一般说来是不一样的。它反映了电场在各点的性质，叫作电场强度（e
30、lectric field strength）。电场强度常用E来表示，根据分析可以知道E qF 按照上式，电场强度的单位应是牛每库，符号为 N/C。如果1 C的电荷在电场中的某点受到的静电力是1 N，那么该点的电场强度就是1 N/C，即1 N/C 1 C1 N 电场强度是矢量。物理学中规定，电场中某点的电场强度的方向与正电荷在该点所受的静电力的方向相同。按照这个规定，负电荷在电场中某点所受静电力的方向与该点电场强度的方向相反。点电荷的电场电场强度的叠加点电荷是最简单的场源电荷，一个电荷量为Q的点电荷，在与之相距r处的电场强度Ek r2Q 根据上式可知，如果以电荷量为Q的点电荷为中心作一个球面，
31、则球面上各点的电场强度大小相等。当Q为正电荷 电场强度也是通过物理量之比定义的新物理量。14高中物理必修第三册时，电场强度E的方向沿半径向外（图9.3-3甲）；当Q为负电荷时，电场强度E的方向沿半径向内（图9.3-3乙）。图9.3-4 电场强度的叠加PEE1E21Q2Q图9.3-5 球形带电体与点电荷的等效QQrrE=kr2Q甲乙图9.3-3 与点电荷相距r的球面上各点的电场强度QQ我们知道，两个或两个以上的点电荷对某一个点电荷的静电力，等于各点电荷单独对这个点电荷的静电力的矢量和。由此可以推理，如果场源是多个点电荷，则电场中某点的电场强度等于各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和。例如，
32、图9.3-4中P点的电场强度E，等于点电荷Q1在该点产生的电场强度E1与点电荷Q2（为负电荷）在该点产生的电场强度E2的矢量和。在一个比较大的带电体不能看作点电荷的情况下，当计算它的电场时，可以把它分成若干小块，只要每个小块足够小，就可以看成点电荷，然后用点电荷电场强度叠加的方法计算整个带电体的电场。可以证明，一个半径为R的均匀带电球体（或球壳）在球的外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同（图9.3-5），即Ek r2Q 式中的r是球心到该点的距离（r R），Q为整个球体所带的电荷量。电场线除了用数学公式描述电场外，形象地了解和描述电场中各点电场强度的大小和方
33、向也很重要。法拉第采用了一个简洁的方法来描述电场，那就是画电场线（electric field line）。第九章 静电场及其应用15电场线的形状可以用实验来模拟。把头发碎屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，碎屑就按电场强度的方向排列起来，显示出电场线的分布情况。图9.3-9 是模拟正电荷电场线的照片。电场线不是实际存在的线，而是为了形象地描述电场而假想的线。这个实验只是用来模拟电场线的分布。模拟电场线电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向（图9.3-6）。在同一幅图中，电场强度较大的地方电场线较密，电场强度较小的地方电场线较疏，因此在同一幅图中可以用电场线
34、的疏密来比较各点电场强度的大小。从图9.3-7和图9.3-8可以看出，电场线有以下两个特点：（1）电场线从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷；（2）电场线在电场中不相交，这是因为在电场中任意一点的电场强度不可能有两个方向。演示图9.3-6 电场线上各点的切线方向与该点的电场强度方向一致EAEBEC图9.3-8 等量异种点电荷的电场线和等量同种点电荷的电场线图9.3-9 模拟电场线图9.3-7 点电荷的电场线呈辐射状16高中物理必修第三册用物理量之比定义新物理量在物理学中，常常用物理量之比表示研究对象的某种性质。例如，用质量 m 与体积 V 之比定义密度，用位移 l 与时间t 之比定义速度
35、 v，用静电力F与电荷量 q 之比定义电场强度 E，等等。这样定义一个新的物理量的同时，也就确定了这个新的物理量与原有物理量之间的关系。比值定义包含“比较”的思想。例如，在电场强度概念建立的过程中，比较的是相同电荷量的试探电荷受静电力的大小。科学方法图9.3-10 模拟平行金属板间电场线的分布匀强电场如果电场中各点的电场强度的大小相等、方向相同，这个电场就叫作匀强电场。由于方向相同，匀强电场中的电场线应该是平行的；又由于电场强度大小相等，电场线的疏密程度应该是相同的。所以，匀强电场的电场线可以用间隔相等的平行线来表示。例如，相距很近的一对带等量异种电荷的平行金属板（图9.3-10），它们之间的
36、电场除边缘外，可以看作匀强电场。1.关于电场强度，小明有以下认识：A.若在电场中的P点不放试探电荷，则P点的电场强度为0。B.点电荷的电场强度公式Ekr2 Q 表明，点电荷周围某点电场强度的大小，与该点到场源电荷距离r的二次方成反比，在r减半的位置上，电场强度变为原来的4倍。C.电场强度公式EqF 表明，电场强度的大小与试探电荷的电荷量q成反比，若q减半，则该处的电场强度变为原来的2倍。练习与应用D.匀强电场中电场强度处处相同，所以任何电荷在其中受力都相同。你认为他的看法正确吗？请简述你的理由。2.把试探电荷q放到电场中的A点，测得它所受的静电力为F；再把它放到B点，测得它所受的静电力为nF。
37、A点和B点的电场强度之比EBEA 是多少？再把另一个电荷量为nq的试探电荷放到另一点C，测得它所受的静电力也是F。A点和C点的电场强度之比ECEA 是多少？第九章 静电场及其应用173.场是物理学中的重要概念，除了电场和磁场，还有重力场。地球附近的物体就处在地球产生的重力场中。仿照电场强度的定义，你认为应该怎样定义重力场强度的大小和方向？4.有同学说，电场线一定是带电粒子在电场中运动的轨迹。这种说法对吗？试举例说明。5.某一区域的电场线分布如图9.3-11所示。A、B、C是电场中的三个点。（1）哪一点的电场强度最强？哪一点的电场强度最弱？（2）画出各点电场强度的方向。（3）把负的点电荷分别放在
38、这三个点，画出它所受静电力的方向。球，小球质量为1.010-3 kg，所带电荷量为2.010-8 C。现加水平方向的匀强电场，平衡时绝缘绳与竖直方向夹角为30（图9.3-12）。求匀强电场的电场强度。图9.3-11 ABC图9.3-12E30q图9.3-13 x/cm0123456Q1Q27.如图9.3-13，真空中有两个点电荷，Q1为4.010-8 C、Q2为1.010-8 C，分别固定在x轴的坐标为0和6 cm的位置上。（1）x轴上哪个位置的电场强度为0？（2）x轴上哪些位置的电场强度的方向是沿x轴的正方向的？6.用一条绝缘轻绳悬挂一个带正电小18高中物理必修第三册静电的防止与利用静电平衡
39、如图9.4-1甲，把一个不带电的金属导体ABCD放到电场强度为 E0 的电场中。由于静电感应，在导体 AB 侧的平面上将感应出负电荷，在 CD 侧的平面上将感应出正电荷。导体两侧出现的正、负电荷在导体内部产生与电场强度E0 方向相反的电场，其电场强度为 E（图9.4-1乙）。这两个电场叠加，使导体内部的电场减弱。在叠加后的电场作用下，仍有自由电子不断运动，直到导体内部各点的电场强度E0 为止（图9.4-1丙），导体内的自由电子不再发生定向移动。这时我们说，导体达到静电平衡（electrostatic equilibrium）状态。处于静电平衡状态的导体，其内部的电场强度处处为0。尖端放电静电平
40、衡时，导体内部没有净剩电荷，电荷只分布在导体的外表面。并且在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，周围的电场强度越大。4自然界到处都有静电。生产中的搅拌、挤压、切割等活动，生活中的穿衣、脱衣、运动等过程都可能产生静电。在加油站给车加油前，为什么要触摸一下静电释放器？问题图9.4-1 静电场中的导体丙E0E?E0ACBD?乙E0E?E0ACBDACBDACBD?甲E0ACBDACBDACBD?？第九章 静电场及其应用19在一定条件下，导体尖端周围的强电场足以使空气中残留的带电粒子发生剧烈运动，并与空气分子碰撞从而使空气分子中的正负电荷分离。这个现象叫作空气的电离。中性的分
41、子电离后变成带负电的自由电子和失去电子而带正电的离子。这些带电粒子在强电场的作用下加速，撞击空气中的分子，使它们进一步电离，产生更多的带电粒子。那些所带电荷与导体尖端的电荷符号相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷（图9.4-2）。这种现象叫作尖端放电。将尖锐的金属棒安装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板连接，保持与大地的良好接触，就成为避雷针（图9.4-3）。当带电的雷雨云接近建筑物时，由于静电感应，金属棒出现与云层相反的电荷。通过尖端放电，这些电荷不断向大气释放，中和空气中的电荷，达到避免雷击的目的。尖端放电会导致高压设备上电能的损失，所以
42、高压设备中导体的表面应该尽量光滑。夜间高压线周围有时会出现一层绿色光晕，俗称电晕，这是一种微弱的放电现象。静电屏蔽处于静电平衡状态的导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。如果放入静电场中的是一个空腔导体，电荷分布又有什么特点呢？我们讨论带空腔的导体（图9.4-4）。静电平衡时，内表面没有电荷，导体壳壁W 内的电场强度为 0，即电场线只能在空腔C 之外，不会进入空腔之内。所以导体壳内空腔里的电场强度也处处为。也就是说，无论导体外部电场是什么样的，导体内部都不会有电场。导体壳的这种性质在技术上很有实用价值。把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，但由于壳内电场强度保持为 0，外电场
43、对壳内的仪器不会产生影响。金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。图9.4-3 避雷针图9.4-2 尖端放电图9.4-4 导体腔内的电场为0WCE020高中物理必修第三册实现静电屏蔽不一定要用密封的金属容器，金属网也能起到屏蔽作用。野外高压输电线受到雷击的可能性很大，所以在三条输电线上方还有两条导线，它们与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”，把高压线屏蔽起来（图9.4-6），使其免遭雷击。静电的危害可能随时发生。例如，医院手术台上，静电火花有可能引起麻醉剂爆炸；煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸因此，静电的危害必须引起人们的警惕。图9.4-5 静电屏蔽图9.4-6 高压线屏蔽使带电的金属球靠近验电器，但不接
44、触，箔片是否张开？解释看到的现象。用金属网把验电器罩起来，再使带电金属球靠近验电器，观察箔片是否张开（图9.4-5）。这个现象说明什么？静电屏蔽+演示武当山位于湖北省西北部，其主峰天柱峰屹立着一座光耀百里的金殿（图9.4-7），全部为铜铸鎏金。雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球，来回滚动。雨过天晴时，大殿金光灿灿，像被重新炼洗过一般，这就是人们所说的“雷火炼殿”奇观。武当山重峦叠嶂，气候多变，云层常带大量电荷。金殿屹立峰巅，是一个庞大的优良导体。当带电的积雨云移来时，云层与金殿顶部之间形成巨大的电压，使空气电离，产生电弧，也就是闪电。强大的电弧使周围空气剧烈膨胀而爆炸，看似火雷火炼殿图9
45、.4-7 武当山金殿球，并伴有雷鸣。金殿顶部，除海马等屋脊上的装饰外，很少有带尖的结构，不易放电，所以能使电压升得比较高，保证“炼殿”之需。如此，金殿五百年灿烂地屹立在天柱峰之巅。近些年来因为金殿周围的一些建筑物常遭雷击，金殿也安装了避雷设施。此后，雷火炼殿的奇观消失了。没有水火的炼洗，金殿的色泽暗淡了许多。科学漫步第九章 静电场及其应用21_ 20 世纪90 年代以前没有有机光导体，那时金属圆柱表面镀硒，具有同样的功能，圆柱叫作硒鼓。现在仍然有人沿用这个名称。静电吸附静电虽然会有危害，但也可以利用。在电场中，带电粒子受到静电力的作用，向着电极运动，最后会被吸附在电极上。这一原理在生产技术上被
46、广泛应用。静电除尘 设法使空气中的尘埃带电，在静电力作用下，尘埃到达电极而被收集起来，这就是静电除尘。如图9.4-8，静电除尘器由板状收集器A和线状电离器B组成。A接到几千伏高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，电场强度越大。B附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电。粉尘被吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。静电喷漆 接负高压的涂料雾化器喷出的油漆微粒
47、带负电，在静电力作用下，这些微粒向着作为正极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆工作。静电复印 复印机也应用了静电吸附。复印机的核心部件是有机光导体鼓，它是一个金属圆柱，表面涂覆有机光导体（OPC）。没有光照时，OPC 是绝缘体，受到光照时变成导体。复印机复印的工作过程如图9.4-9所示。图9.4-8 静电除尘原理AAB尘埃图9.4-9 静电复印的工作流程充电曝光显影转印放电22高中物理必修第三册1.静电给人们带来很多方便，但有时也带来很多麻烦，甚至造成危害。例如：印刷厂里，纸张之间摩擦带电，会使纸张吸附在一起，给印刷带来麻烦；印染厂里，染织物上带静电，会吸附空气中的尘埃，使印染质量下降；
48、制药生产中静电吸引尘埃，使药品达不到预定纯度。要采取措施防止以上事例中静电的影响，你会怎么做？2.在一次科学晚会上，一位老师表演了一个“魔术”：如图9.4-10，一个没有底的空塑料瓶上固定着一根铁锯条和一块易拉罐（金属）片，把它们分别跟静电起电机的两极相连。在塑料瓶里放一盘点燃的蚊香，很快就看见整个透明塑料瓶里烟雾缭绕。摇动起电机，顿时塑料瓶清澈透明，停止摇动，又是烟雾缭绕。起电机摇动时，塑料瓶内哪里电场强度最大？是锯条附近还是金属片附近？若锯条接电源负极，金属片接正极，这些烟尘最终到哪里去了？5.当我们使用有线话筒扩音时，有些由于周围环境中的静电现象或其他原因产生的电信号会通过话筒线混入功率
49、放大器中进行放大，影响扩音的效果。因此，很多优质的话筒线在构造上都采取了防备措施。请观察图9.4-13的话筒线，说明它采用了什么方法防止干扰信号从话筒线上侵入。图9.4-10练习与应用图9.4-11图9.4-123.超高压输电线周围存在很强的电场，带电作业的工人穿戴的工作服（图9.4-11）为什么要用包含金属丝的织物制成？4.在燃气灶和燃气热水器中，常常安装电子点火器，接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体。点火器的放电电极是钉尖形（图9.4-12）。这是为什么？与此相反，验电器的金属杆上端却固定一个金属球而不做成针尖状，这又是为什么？图9.4-13第九章 静电场及其应用23
50、4.有两个带正电小球，电荷量分别为Q和9Q，在真空中相距0.4 m。如果引进第三个带电小球，正好使三个小球仅在静电力的作用下处于平衡状态，那么第三个小球应放在什么地方？带的是哪种电荷？电荷量是Q的几倍？1.当验电器带电时，为什么两片金属箔会张开一个角度？为什么两片金属箔张开一定的角度后就不变了？2.如图9-1，在带电体C的右侧有两个相互接触的金属导体A和B，均放在绝缘支座上。若先将A、B分开，再移走 C，试分析A、B的带电情况；若先将C移走，再把A、B分开，试分析A、B的带电情况。3.如图9-2，用两根同样长的细绳把两个带同种电荷的小球悬挂在一点。两小球的质量相等，球A所带的电荷量大于球B所带