物理笔记6.docx

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物理笔记6

§8.3电功电功率

※能量守恒定律：

自然界中的能量既不会消失，也不可能创生，只能由一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体上。

电功：

电流所做的功。

实验证明，电流通过导体所做的电功等于导体两端的电压、通过导体的电流和通电时间的乘积。

电功=电压×电流×通电时间。

W=UIt

1J=1V∙A∙s

※电功率：

电功与做功时间的比值。

电功率=电功／做功时间

P=W/t

1W=1J/s=1V·A

∵W=UIt

∴P=UI（U&I∝P）

额定电压：

电器正常工作的电压值。

称为额定电压。

额定电流：

当用电器两端的电压为额定电压时，通过用电器的电流。

额定功率：

当用电器两端的电压为额定电压，通过用电器的电流为额定电流时的电功率。

拓展：

一些电器的电功率：

电器

电功率

电子手表

约1×10-5W

计算器

约0.001W

收音机

约0.03W

手电筒

约1W

白炽灯

约15~60W

电视机

约75W

电冰箱

约250W

电熨斗

约500W

电饭锅

约700W

电烤箱

约1000W

电力机车

约5×106W

※千瓦时（度）：

除了“焦”以外，在工程技术和生活中，电功或电能的常用单位还有“千瓦时”（俗称度），符号是kW∙h。

额定功率为1千瓦的用电器正常工作1小时，消耗的电能就是1千瓦时。

1kW∙h=3.6×106

电流的热效应：

电流通过导体时，导体发热的现象。

※焦耳定律：

电流通过电阻时产生的热量，跟电流的平方成正比，跟电阻成正比，跟通电时间成正比，这就是焦耳定律。

（I²Rt∝Q）

Q=W=UIt

根据欧姆定律U=IR，代入可得：

Q=I²Rt

§8.4电能的获得和传送

电源的历史：

1）1800年，意大利物理学家伏打发明了伏打电堆，这是人类历史上第一个能持续提供电能的电源。

2）18世纪中期至19世纪发明的热机（蒸汽机和内燃机）。

热机的广泛应用标志着人类大规模利用动力时代的到来。

热机将燃料燃烧时产生的内能转化成机械能，它使人类找到了从煤碳、石油等化石能源中获得动力的途径。

3）19世纪初英国物理学家法拉第发现的电磁感应规律。

这一科学发现给人类带来了大规模获取电能的曙光。

电磁感应现象表明：

当闭合电路的一部分导线在磁场中做切割磁感线运动时，导线中会产生电流（称为感应电流），机械能使转化为电能。

电站的类型：

热电站：

在热电站中，发电机由涡轮机驱动，而高温、高压的水蒸气是通过燃煤或燃油加热锅炉中的水获得的。

当然，燃烧化石燃料会产生大量废气。

核电站：

现代核电站用核燃料代替化石燃料，通过反应堆将核能转化为高温、高压水蒸气的内能，由水蒸气推动涡轮机转动，从而带动发电机转动发电。

因此不会造成废气污染。

如果海洋中的核燃料一旦开发利用，至少可用上千亿年。

水电站：

水电站中，发电机由水轮机驱动，而高速的水流是由大坝前后巨大的落差产生的。

风力发电站：

风力发电由风轮直接驱动小型发电机，因此单个风力发电机提供的电能有限，所以它们必须成群工作。

电能的输送和分配：

电能的一个优点是便于转化。

电能的另一个优点是便于输送和分配，它不需要车装船运就能风雨无阻地通过输电线路送到千家万户。

电能只要通过高压输电线路，就能从发电站输向远处。

拓展：

为什么远距离输电必须用高压？

这是由于电流的热效应，远距离输电时在导线上的电能损耗非常可观。

怎样减少这种损耗呢？

由焦耳定律Q=I²Rt可知：

导线的发热损耗跟电阻和电流的平方成正比。

输电导线的电阻一般是确定的，只能通过减小电流才能减少发热损耗。

因为发电站的输出功率是一定的，它等于输出电压和输出电流的乘积，即P=UI，所以要减小输出电流，必须升高输出电压。

如果电压变为原来的100倍，导线上损耗的功率只有原来的万分之一，所以只要将电压升得足够高，导线上的损耗就会很小。

如何变压，并将高压电送入普通百姓家中？

根据电磁感应原理制造的变压器解决了这一难题。

发电站的升压变压器可将交流电压升高至几十万伏的高压，然后通过高压输电线路送至远方的用电区。

到了用电区，先在一次高压变电所用变压器将电压降至110千伏，再由二次高压变电所的变压器降至10千伏。

其中一部分送到需要高压的工厂，另一部分送到低压变电所再降到380伏或220伏，供一般用户使用。

§8.5磁场

※磁性：

能够吸引铁、钴、镍等物质的性质。

※磁体：

具有磁性的物体。

永磁体：

天然磁体和人造磁体都能长久地保留磁性，它们都是永磁体。

磁极：

磁体上磁性最强的部分。

拓展：

任何磁体都有两个磁极（磁北极和磁南极），将磁体水平悬挂起来，当它静止时，指北的一端称为磁北极（N极），指南的一端称为磁南极（S极）。

将一块磁体分成若干块小磁体，发现不论分成多少块，每一块小磁体均有两个磁极。

※磁极的特性：

同名磁极之间相互排斥，异名磁极之间相互吸引。

磁化：

使原来没有磁性的物体获得磁性的过程。

磁场:

我们把磁体周围存在的这种看不见、摸不着的物质称为磁场。

※磁感线：

磁场中一条条带箭头的假想曲线。

NB:

磁感线总是从磁体的N极出来，由S极进入磁体。

事实上，磁体的内部也存在磁感线，而且内部的磁感线是从S极到N极，与磁体外部的磁感线连在一起，构成封闭曲线。

磁感线上任意一点的磁场方向就是小磁针在该处N极所指的方向。

（32）

（33）

地磁场：

地球本身也是一个巨大的磁体，它的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近，地球周围空间存在的磁场称为地磁场。

电流的磁效应：

电流周围存在磁场的现象。

电流的磁效应证明了电和磁之间存在着联系。

电流磁效应特点：

实验表明，通电直导线周围的磁感线都在与导线垂直的各个平面上，是以导线为圆心的许多同心圆。

当导线中的电流方向改变后，周围的磁场方向也会相应地发生变化。

我们把用导线绕成的螺旋形线圈称为螺线管。

实验表明，通电螺线管的磁感线分布情况与条形磁铁的磁感线分布情况十分相似。

（34）

※右手螺旋定则（安培定则）：

1）假设用右手握住通电导线，大拇指指向电流方向，那么弯曲的四指就表示导线周围的磁场方向，如图（35）所示。

（35）

2）假设用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向电流方向，那么大拇指的指向就是通电螺线管内部的磁场方向，如图（36）所示。

（36）

电磁铁：

内部带有铁芯的螺线管。

电磁铁特点：

1）电流越大，电磁铁的磁性就越强。

（I∝磁性）

2）电磁铁磁性的有无，完全可以由通断电来控制。

3）电磁铁磁性的强弱可以由电流的大小来改变。

4）电磁铁产生的磁场方向是由通电电流的方向决定的。

§8.6无线电波和无线通信

无线电波的特点：

21世纪人类的生活已经与无线电波密不可分。

广播和电视利用无线电波来传递声音和图像，移动电话利用无线电波来传递信息，飞机利用无线电波与地面建立联系。

无线电波可以在真空中传播。

无线电波在真空中的传播速度跟光速相同，等于3×108米/秒。

无线电波在空气中的传播速度与在真空中的传播速度几乎相同。

正如声波有不同的频率一样，无线电波也有不同的频率。

不同频率的无线电波对应不同的波长，频率越高，波长越短；反之，频率越低，波长越长。

不同频率范围（称为波段）的无线电波的传播方式和应用各不相同。

无线电波的四个波段：

长波、中波、短波和微波。

1）长波只能沿着地球表面传播，稳定性和抗干扰性好，可用于潜艇和远洋航行的通信。

2）中波和短波主要用于无线电广播，收音机上的中波段（MW）和短波段（SW）就是接收这两个波段的无线电波。

I.短波依靠大气层上部的电离层反射传播，可以进行远距离广播和通信，但稳定性和抗干扰性差。

II.中波在白天主要沿地表近距离（约几百千米范围内）传播，夜间还可靠电离层反射传播，所以昼夜信号强度差别比较大。

无线电通信：

无线电通信的整个过程可以广播电视为例简要说明。

在广播电台和电视台，声音通过拾音器转换成与声音变化相一致的电信号（音频信号），画面通过摄像机转换成与画面色彩、明暗变化相一致的电信号（视频信号）。

音频信号和视频信号称为模拟信号。

声音、图像等信息要用无线电波作为载体传至远方。

因此，必须使无线电波随模拟信号而改变。

一种技术是使无线电波的振幅随模拟信号而改变，这种方式称为调幅，用AM表示。

中波和短波波段的广播采用的就是调幅。

另一种技术是使无线电波的频率随模拟信号而改变，这种方式称为调频，用FM表示。

调频广播和电视伴音均采用调频技术，并使用微波中的甚高频（VHF）和超高频（UHF）频段传送信号。

不同的广播电台、电视台用不同频率的无线电波发射不同的模拟信号。

因此，接收设备首先必须将所需频率的无线电波从大量不同频率的电磁波中挑选出来，这一过程称为调谐。

选择不同频率的电台（或电视台）节目就是在进行调谐。

然后，接收设备还必须从所接收的无线电波中分离出所需的模拟信号，模拟信号经放大后，由扬声器和显像管还原成声信号和光信号。