《中小學(xué)生課外閱讀初中物理學(xué)習(xí)詞典》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
前言為了配合我國(guó)的基礎(chǔ)教育和九年制義務(wù)教育的推廣普及工作，幫助中小學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)、做作業(yè)、復(fù)習(xí)和考試提供一套高質(zhì)量有特色、方便實(shí)用并相對(duì)穩(wěn)定的工具書，以利于全面提高學(xué)生的素質(zhì)，我們?cè)趶V泛調(diào)查，并征詢教委領(lǐng)導(dǎo)部門意見的基礎(chǔ)上，編寫了《九年制義務(wù)教育暨高中學(xué)生系列學(xué)習(xí)詞典》。本書按科設(shè)卷，其中小學(xué)四卷：語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、自然常識(shí)、思想品德；初中、高中各九卷：語(yǔ)文、英語(yǔ)、政治、歷史、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地理，全書共計(jì)22卷，二萬(wàn)多個(gè)詞條，七百萬(wàn)字。作為專門為學(xué)生而編寫的與教學(xué)大綱、教材相配套的多卷系列學(xué)習(xí)詞典，這在我國(guó)基礎(chǔ)教育史上還是首創(chuàng)。本書是專為中小學(xué)生而編，處處考慮學(xué)生的實(shí)際需要。因此框架編排、收詞范圍緊扣國(guó)家教委頒布的新教學(xué)大綱，參照使用面廣的各種版本教材。小學(xué)、初中各卷的編寫側(cè)重知識(shí)技能，注意全面提高學(xué)生的素質(zhì)。條目的篩選不僅覆蓋了教學(xué)大綱規(guī)定的全部知識(shí)，而且根據(jù)大綱的新精神，增加一定量的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)新思路，以及聯(lián)系社會(huì)生活、生產(chǎn)實(shí)際方面的詞條。高中各卷還兼顧了高考的需要，收錄了總復(fù)習(xí)、高考指導(dǎo)等方面的內(nèi)容；釋文盡量做到科學(xué)性、啟發(fā)性和實(shí)用性的統(tǒng)一。內(nèi)容的縱深介紹針對(duì)小學(xué)、初中、高中學(xué)生的不同接受能力和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，力求做到遞次解析，深入淺出，重點(diǎn)知識(shí)還論及了其發(fā)展過(guò)程，以利于學(xué)生的理解和運(yùn)用；適度采用了部分有科學(xué)根據(jù)的新觀點(diǎn)、新資料；文字表述力求簡(jiǎn)潔、鮮明、準(zhǔn)確、生動(dòng)；為便于學(xué)生按教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行學(xué)習(xí)和查閱，目錄按知識(shí)塊分類設(shè)計(jì)，并比照大綱和教材的順序，書后附有漢語(yǔ)拼音索引。本書由全國(guó)人大常委、北京師范大學(xué)副校長(zhǎng)許嘉璐任主編，各分卷主編大多為國(guó)家教委教材審查委員、專家學(xué)者。撰稿人都是學(xué)術(shù)上有造詣，對(duì)中學(xué)教學(xué)有研究的北京師范大學(xué)、北京教育學(xué)院、北京市教育局系統(tǒng)、北京海淀教師進(jìn)修學(xué)校、北京市重點(diǎn)中小學(xué)以及其它部分省市的教授、副教授、高級(jí)教師、講師、基礎(chǔ)教育專家，共計(jì)100余人。幾經(jīng)運(yùn)籌，勤奮筆耕，歷一年半而成。我們衷心希望全國(guó)的中小學(xué)生以及老師和家長(zhǎng)喜歡此工具書，誠(chéng)懇希望讀者在使用過(guò)程中給我們提出寶貴意見，以便通過(guò)不斷修訂再版，使之日臻完美，成為中小學(xué)生的良師益友?？偩幬瘯?huì)1993年9月于北京
1編者的話本詞典由北京師范大學(xué)中學(xué)教學(xué)研究中心主任閻金鐸教授為主編，以特級(jí)教師和高級(jí)教師王杏村、梁敬純、周譽(yù)藹、胡祖康為核心，并聘請(qǐng)一批有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的專家、教師共同編寫而成。《初中物理學(xué)習(xí)詞典》，是緊扣現(xiàn)行初中物理教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容和要求編寫的。共收詞目421條，釋文力求簡(jiǎn)明扼要，重點(diǎn)突出，以利于初中學(xué)生理解物理知識(shí)，掌握科學(xué)方法和技能，提高運(yùn)用物理知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。根據(jù)編者多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)的疑點(diǎn)及犯的錯(cuò)誤，在相應(yīng)的釋文中都做有明確的解釋。具體來(lái)說(shuō)，①對(duì)基本概念、基本規(guī)律和基本方法都專列詞條進(jìn)行詳盡解釋，并舉例說(shuō)明；②能聯(lián)系實(shí)際的條目都舉了生產(chǎn)、生活中的實(shí)例，既鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，又闊寬了學(xué)生的眼界；③本詞典講求實(shí)效，立足于幫助學(xué)生提高思維能力及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。我們希望本辭典對(duì)初中學(xué)生學(xué)習(xí)物理有所幫助，并忠心地希望廣大師生對(duì)本書提出修改建議，以期日臻完善。編者1993年9月
2一、力和常見的運(yùn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)一個(gè)物體相對(duì)于別的物體的位置的改變。如：一列火車從北京出發(fā)開往上海，在不同的時(shí)刻依次通過(guò)天津、濟(jì)南、南京，最后抵達(dá)上海，這列運(yùn)動(dòng)著的火車相對(duì)于地球上的位置是隨著時(shí)間而變化的，這就可以說(shuō)火車在做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。鳥兒在飛翔，河水在流動(dòng)，汽車在奔馳，輪船在航行，它們相對(duì)出發(fā)地點(diǎn)的位置都在隨著時(shí)間而發(fā)生變化，它們都在做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是一種最簡(jiǎn)單、最基本的運(yùn)動(dòng)形式。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是各種各樣的，有的物體沿直線運(yùn)動(dòng)，并且時(shí)快時(shí)慢，如百米賽跑中運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)。有的物體沿曲線運(yùn)動(dòng)，如地球環(huán)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)等，盡管它們的路線多種多樣，但總可以把機(jī)械運(yùn)動(dòng)分為直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)，而直線運(yùn)動(dòng)又可以分為勻速直線運(yùn)動(dòng)和變速直線運(yùn)動(dòng)。參照物研究任何物體是否運(yùn)動(dòng)和怎樣運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，總是先選定一個(gè)物體做標(biāo)準(zhǔn)，看被研究的物體對(duì)于這個(gè)被選定的標(biāo)準(zhǔn)物體的位置是否變化，來(lái)判斷被研究的物體是否在運(yùn)動(dòng)，這個(gè)被選定的標(biāo)準(zhǔn)物體就叫參照物。參照物是可以任意選擇的。為了研究問(wèn)題方便，應(yīng)選擇最合適的參照物。若要研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，最方便的是選擇地面或地面上靜止不動(dòng)的物體做參照物，要研究正在行駛的船艙里的人的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以以艙內(nèi)的物體為參照物，要研究地球和各行星對(duì)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，最好選擇太陽(yáng)作參照物。事實(shí)上被選為參照物的物體也是運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)榈孛嫔系乃形矬w都隨著地球?qū)μ?yáng)的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)而一起運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，地面上的所有物體都是運(yùn)動(dòng)的，太陽(yáng)是環(huán)繞銀河系中心以一定的速度運(yùn)動(dòng)著，而銀河系本身也在太空中不斷運(yùn)動(dòng)。所以，當(dāng)研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，被當(dāng)做不動(dòng)的物體即參照物實(shí)際上也都在運(yùn)動(dòng)著。運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性當(dāng)物體相對(duì)于參照物的位置隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，物體是運(yùn)動(dòng)的；位置沒有變化時(shí)，物體是靜止的。由于參照物是任意選取的，所以物體的運(yùn)動(dòng)和靜止就具有相對(duì)性。例如，乘客靜坐在行駛的車廂里，把車廂作為參照物，乘客是靜止的，因?yàn)樗蛙噹南鄬?duì)位置沒有變化；若以地面上的樹木、房屋為參照物，乘客就是運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)樗S著車廂相對(duì)樹木、房屋的位置發(fā)生了變化。所以同一物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從不同的參照物來(lái)觀察，結(jié)果可以是不同的?？ㄜ囕d著機(jī)器在公路上行駛，坐在卡車上的人看到機(jī)器是靜止的，站在公路旁的人看到這機(jī)器正在駛近或離開他運(yùn)動(dòng)著，而對(duì)面開來(lái)的另一卡車的駕駛員就認(rèn)為這機(jī)器是迎面飛駛而來(lái)的。這三種說(shuō)法哪一種是正確的呢？應(yīng)該說(shuō)，它們都是正確的。因?yàn)樗麄円匀齻€(gè)不同參照物來(lái)觀察同一機(jī)器的運(yùn)動(dòng)，所以得出不同的結(jié)果。因此，所有物體的運(yùn)動(dòng)和靜止都是相對(duì)的。只有在先選定一個(gè)參照物的情況下，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才能夠確定。
3路程和距離在一段時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過(guò)的路線的長(zhǎng)度，叫做物體在這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程。路程用長(zhǎng)度的單位——米，來(lái)計(jì)量。物體沿一定的路線，從一地到達(dá)另一地，其路線可能有直有曲，物體在這段時(shí)間里經(jīng)過(guò)的路程，就是它所經(jīng)過(guò)的這些直的、曲的路線長(zhǎng)度的總和。我們?cè)诘貓D上測(cè)京——廣鐵路線路程時(shí)，就是先用一條棉線，按照鐵路的彎曲變化附著在地圖的鐵路線上，然后取下棉線拉直后，測(cè)出其長(zhǎng)度，按比例尺放大后，就是實(shí)際京——廣鐵路線的路程。距離是兩個(gè)位置間所連線段的長(zhǎng)度。用長(zhǎng)度的單位——米，來(lái)計(jì)量。如圖假如你家住在圖上A點(diǎn)，學(xué)校你家東北方向600米處的B，從你家到學(xué)校可能有不同的幾條路（ACB、ADB、AEB等），如果只考慮A、B兩位置間距離，則就是AB線段的長(zhǎng)度。不論你走哪條路，只不過(guò)是通過(guò)了不同長(zhǎng)度的路程，A、B兩位置之間的距離始終是600米。我們?cè)跍y(cè)兩地距離時(shí)，測(cè)的就是兩地連線的直線長(zhǎng)度。路程和距離雖然都是長(zhǎng)度，但兩地間距離一定時(shí)，兩地間的路程因走的路線不同而各異。路程一般不等于距離，只有物體在做直線運(yùn)動(dòng)（且沒有往復(fù)）時(shí)，從一位置到另一位置的路程才等于距離。勻速直線運(yùn)動(dòng)物體在一條直線上運(yùn)動(dòng)，如果在相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程都相等，這種運(yùn)動(dòng)叫做勻速直線運(yùn)動(dòng)。勻速直線運(yùn)動(dòng)是物體做的各種運(yùn)動(dòng)中最簡(jiǎn)單、最基本的運(yùn)動(dòng)。做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體，首先應(yīng)當(dāng)在一直線上運(yùn)動(dòng)。并且嚴(yán)格地說(shuō)，在任何相等的時(shí)間間隔內(nèi)，通過(guò)的路程都應(yīng)該是相等的。例如，汽車在平直的公路上運(yùn)動(dòng)，如果它每隔1小時(shí)的時(shí)間間隔，通過(guò)的路程都是60千米，可是還不能斷定它做的就是勻速直線運(yùn)動(dòng)。只有在任意選擇的相等的時(shí)間間隔內(nèi)，這些時(shí)間間隔可以任意長(zhǎng)短，當(dāng)其通過(guò)的路程都相等時(shí)，我們才能說(shuō)汽車做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)。勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度在勻速直線運(yùn)動(dòng)中，速度的大小等于運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程。用s表示路程，t表示通過(guò)這段路程所用的時(shí)間，速度公式sv=t速度的單位是米／秒，常用單位有千米／小時(shí)，換算關(guān)系為1千米/小時(shí)=0.28米／秒。物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在任意相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)相等的路程，物體運(yùn)動(dòng)所通過(guò)的路程隨時(shí)間均勻增大。例如，一輛做勻速直線運(yùn)動(dòng)的汽車，每秒鐘內(nèi)通過(guò)的路程是10米，那么，它在1、2、3??秒內(nèi)的路程就是10米20米30米10、20、30??米。路程和時(shí)間的比值===?=10米/秒，1秒2秒3秒這個(gè)比值正好反應(yīng)了物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其快慢程度是均勻的。不同勻速直線運(yùn)
4動(dòng)的物體，這個(gè)比值不同，這反應(yīng)了不同物體運(yùn)動(dòng)的快慢程度不一樣，比值的大小，表示了物體的運(yùn)動(dòng)快慢程度，所以，速度是表示物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體，如果知道了其通過(guò)的路程和所用的時(shí)間，就可以由速度公式求出其速度大小。知道勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的速度，就可以求出物體在給定時(shí)間里通過(guò)的s路程s=vt；或者可以求出通過(guò)某段路程所用的時(shí)間t=。例如，在測(cè)地——v月距離時(shí)，從地球向月球發(fā)射一束激光（光速為3.00×105千米／秒），2.56秒鐘后收到反射回來(lái)的信號(hào)，地——月距離為：153.00×10千米／秒××2.56秒2＝3.84×105千米。變速直線運(yùn)動(dòng)物體在一條直線上運(yùn)動(dòng)，如果在相等的時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程并不相等，這種運(yùn)動(dòng)叫變速直線運(yùn)動(dòng)。做直線運(yùn)動(dòng)的物體，大多數(shù)并不是勻速的，可能是先慢后快或先快后慢，也可能是時(shí)快時(shí)慢的運(yùn)動(dòng)。如，公共汽車在平直公路上運(yùn)動(dòng)，就時(shí)停時(shí)走，有時(shí)加速有時(shí)減速；彈簧下吊著的物體的上下振動(dòng)，物體的運(yùn)動(dòng)則是往復(fù)的，不但速度的大小，而且速度的方向都在改變。變速運(yùn)動(dòng)是更普遍的運(yùn)動(dòng)。做變速直線運(yùn)動(dòng)的物體的速度是隨時(shí)在變化的，或者說(shuō)，在相等的時(shí)間間隔內(nèi)通過(guò)的路程并不相等。平均速度反應(yīng)物體在一段路程或一段時(shí)間內(nèi)大體上運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。由于做變速直線運(yùn)動(dòng)的物體速度的大小，一般是隨時(shí)在變化的，所以為了粗略地描述其運(yùn)動(dòng)的快慢，把物體在這段時(shí)間里（或這段路程上）的運(yùn)動(dòng)看作為勻速直線運(yùn)動(dòng)，從而用求勻速直線運(yùn)動(dòng)速度的辦法來(lái)求其速度。用v表示做變速直線運(yùn)動(dòng)物體的平均速度，用s表示路程，用t表示通過(guò)這段路程所用的時(shí)間。物體在這段時(shí)間（或這段路程上）的平均速度sv=t做變速直線運(yùn)動(dòng)的物體，在不同時(shí)間內(nèi)（或不同路程上）的平均速度一般是不同的。如：賽車從靜止出發(fā)，第1秒內(nèi)前進(jìn)了1米，第2秒內(nèi)走(1+3+6)米了3米，第3秒內(nèi)走了6米。賽車在這3秒內(nèi)的平均速度是=3．33秒(1+3)米米／秒；賽車在前2秒內(nèi)的平均速度是=2米/秒；而后2秒內(nèi)的平均2秒(3+6)米速度是=4.5米/秒。因此，要明確物體是在哪段時(shí)間內(nèi)或哪段路2秒程上的平均速度。一輛汽車開始以30千米/小時(shí)的速度行駛了30千米，然后又以60千米/小時(shí)的速度勻速行駛了30千米，這輛汽車在這60千米路程中的平均速
530千米+30千米度v=40千米/小時(shí)。如果把求平均速度30千米30千米+30千米/小時(shí)60千米/小時(shí)1寫成v=（30千米/小時(shí)＋60千米/小時(shí)）=45千米/小時(shí)，顯然是錯(cuò)2誤的。測(cè)量利用儀器采用不同的方法獲得各物理量量值的過(guò)程。物理量的測(cè)量可分成兩類：直接測(cè)量與間接測(cè)量。凡是直接用測(cè)量?jī)x器可以量出結(jié)果的，叫做直接測(cè)量。用刻度尺來(lái)量長(zhǎng)度，用表來(lái)測(cè)量時(shí)間，用天平來(lái)稱質(zhì)量，用溫度計(jì)來(lái)測(cè)溫度，都是直接測(cè)量。但是大多數(shù)物理量的測(cè)定，需要先用儀器測(cè)出有關(guān)的物理量，然后再根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算出結(jié)果來(lái)，這種測(cè)量叫做間接測(cè)量。如測(cè)出立方體的邊長(zhǎng)求體積，測(cè)出質(zhì)量和體積求密度等等，都是間接測(cè)量。測(cè)量所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度由測(cè)量?jī)x器的最小刻度決定。測(cè)量需要達(dá)到的準(zhǔn)確程度與測(cè)量的要求有關(guān)，如量體裁衣時(shí)，準(zhǔn)確到厘米就夠了，而發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，各種數(shù)據(jù)要相當(dāng)精確，若由于各種因素的影響，致使最后一級(jí)火箭的速度差千分之二，衛(wèi)星就會(huì)偏離預(yù)定軌道十萬(wàn)米，發(fā)射將不能成功。誤差對(duì)任何一個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量都不可能得出一個(gè)絕對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值，即使用測(cè)量技術(shù)所能達(dá)到的最完善的方法，測(cè)出的數(shù)值也與真實(shí)值存在差異，這種測(cè)量值與真實(shí)值的差異稱為誤差。誤差可分系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差是由于儀器本身不精確或?qū)嶒?yàn)原理不夠完善而引起的誤差。如天平的兩臂應(yīng)是等長(zhǎng)的，然而它們不可能完全沒有差別，天平配備的砝碼質(zhì)量應(yīng)該是準(zhǔn)確的，但也不可能一點(diǎn)不差。使用天平時(shí)，待稱物體和砝碼的體積一般不等，它們受到空氣的浮力就不等，所以實(shí)際上天平平衡時(shí)，被測(cè)物體的質(zhì)量不能絕對(duì)的等于砝碼的總質(zhì)量。但對(duì)一般測(cè)量，系統(tǒng)誤差不大，都能滿足實(shí)驗(yàn)精確的要求。偶然誤差是由于實(shí)驗(yàn)中的各種偶然因素而產(chǎn)生的誤差。如用刻度尺測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，讀出的數(shù)值總是有幾位準(zhǔn)確數(shù)字，后面還有一個(gè)估計(jì)數(shù)字，這個(gè)估計(jì)數(shù)就可能偏大或偏小，這就是偶然誤差。誤差是不可避免的，但是可以盡可能的減小，系統(tǒng)誤差可以通過(guò)完善實(shí)驗(yàn)原理或采取恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法來(lái)減小。減小偶然誤差最常用的方法是多次測(cè)量取平均值的方法。長(zhǎng)度的測(cè)量測(cè)量長(zhǎng)度的基本工具有刻度尺，鋼卷尺，游標(biāo)卡尺，螺旋測(cè)微器等，測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，要先根據(jù)實(shí)際情況確定測(cè)量需要達(dá)到的準(zhǔn)確程度，然后再根據(jù)要求選用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量工具。測(cè)量長(zhǎng)度的讀數(shù)方法如下頁(yè)圖。圖(1)中的刻度尺只有厘米刻度，叫厘米刻度尺，用這種刻度尺測(cè)量出來(lái)的長(zhǎng)度只精確到厘米，厘米下一位的毫米數(shù)是估計(jì)值，是不精確的。圖(1)的測(cè)量值為2.8厘米。圖(2)中刻度尺的最小刻度是毫米，稱為毫米刻度尺。其測(cè)量值是2.75厘米，其中2.7
6厘米是精確值，0.05厘米是估計(jì)值?？潭炔煌目潭瘸咂渚_程度不同。需要注意的是，在記錄測(cè)量結(jié)果時(shí)，必須在數(shù)值后面寫出所用的單位。長(zhǎng)度的特殊測(cè)量方法對(duì)于不能直接用刻度尺測(cè)出的長(zhǎng)度，如較短的曲線、微小的長(zhǎng)度等，可根據(jù)具體情況采用一些特殊的方法達(dá)到測(cè)量的目的。在精確度要求不高的情況下，可采用以下方法：第一，把曲線變?yōu)橹本€，再用刻度尺測(cè)量。如要測(cè)量一圓筒的外徑，可用一條彈性不大的細(xì)線繞圓筒外壁一周，在相重合點(diǎn)做出標(biāo)記，然后將細(xì)線拉直，用刻度尺量l出二標(biāo)記之間的長(zhǎng)度即為圓筒的周長(zhǎng)l，再利用公式d=算出圓筒外徑。π第二，利用幾何學(xué)知識(shí)，測(cè)量圓錐體的高或球體的直徑如下頁(yè)圖。由圖可知：球的直徑D=2.80厘米，圓錐體的高h(yuǎn)=2.80厘米。第三，對(duì)于微小長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，可把n個(gè)相同的微小長(zhǎng)度累積起來(lái)，用刻度尺測(cè)出總長(zhǎng)度，用其測(cè)量值除以n即為所求。例如要測(cè)金屬絲的直徑，如圖所示：ld=，l是總長(zhǎng)度，n為所繞金屬絲的圈數(shù)。n量筒和量杯實(shí)驗(yàn)室里用來(lái)測(cè)液體體積的儀器，在使用之前，先要弄清量筒或量杯壁上的刻度，（甲）圖量杯和（乙）圖量筒的每小格刻度都是2厘米3，（丙）圖量筒每小格刻度為5厘米3。有的量筒或量杯上經(jīng)?？逃小癿l”，讀作毫升，1毫升=1厘米3。由于量杯上粗下細(xì)，量杯上的刻度是不均勻的，由下至上刻度越來(lái)越密。用量杯測(cè)量液體體積時(shí)，由于不同液體的浸潤(rùn)情況不同，液面可能呈凹形或凸形。測(cè)量過(guò)程讀數(shù)時(shí)，應(yīng)以凹面的最凹處或凸面的最凸處所對(duì)的刻度讀數(shù)。（丙）圖、（?。﹫D量筒中液體體積分別為“65cm3”和“75cm3”。用量筒和量杯還可以間接測(cè)量不溶于水的固體的體積。測(cè)量時(shí)，先在量杯或量筒中倒入一定量的水，記下水面所達(dá)到的刻度，然后把用細(xì)繩系好的被測(cè)物浸沒水中，再觀察水面達(dá)到的刻度，兩次測(cè)量的差值就是被測(cè)物體的體積。如果被測(cè)物在水中漂浮，可以采用系上重物助沉的方法測(cè)量它的體積，其過(guò)程應(yīng)該是，先將系在被測(cè)物下邊的助沉物浸沒水中，記下水面刻度，然后將被測(cè)物也浸沒水中，再記下水面刻度。兩次測(cè)量的差值就是被測(cè)物的體積。在使用量筒和量杯測(cè)量體積時(shí)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程中量筒始終應(yīng)放在水平桌面上，不要移動(dòng)。被測(cè)物體要用細(xì)繩系住輕放水中，養(yǎng)成正確使用儀器的良好習(xí)慣。時(shí)間的測(cè)量為了測(cè)量時(shí)間，首先確定時(shí)間的單位，在國(guó)際單位制中，時(shí)間的主單位是秒。比秒大的單位有分、時(shí)、日、年，比秒小的單位
7是毫秒，1秒=1000毫秒。測(cè)量時(shí)間的工具有鐘、表、秒表、節(jié)拍器、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等。一般的鐘表可以精確到秒。秒表可以精確到0．1秒。實(shí)驗(yàn)室中常用秒表測(cè)量時(shí)間。如圖：秒表與普通表不同的是，普通表的時(shí)針、分針、秒針總是不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，而秒表上的分針和秒針不用時(shí)都停在零刻度線上，按一下表上端的鈕頭，指針開始轉(zhuǎn)動(dòng)，再按一下指針就停止，繼續(xù)按一下，兩針又都回到零線。實(shí)驗(yàn)時(shí)，要開始計(jì)時(shí)就按下鈕頭，完畢時(shí)再按一下，這時(shí)讀出分針、秒針的讀數(shù)，就是所測(cè)量的時(shí)間。賽跑時(shí)也經(jīng)常用秒表計(jì)時(shí)。時(shí)間與時(shí)刻量度兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔長(zhǎng)短的物理量叫做時(shí)間，時(shí)間表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的持續(xù)性和順序性。把過(guò)程短暫到幾乎接近于零的時(shí)間叫時(shí)刻，也叫即時(shí)。時(shí)刻是衡量一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)先后順序所不可缺少的，時(shí)刻沒有長(zhǎng)短，只有先后。兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔長(zhǎng)短，表示一段時(shí)間。時(shí)間是一個(gè)只有長(zhǎng)短沒有方向的物理量。所以應(yīng)注意區(qū)別第幾秒初、第幾秒末等時(shí)刻的概念和第幾秒內(nèi)，前幾秒內(nèi)，后幾秒內(nèi)等時(shí)間的概念。例如，第2秒內(nèi)的位移和第2秒末的速度是指，第二個(gè)1秒內(nèi)即1秒的時(shí)間內(nèi)物體通過(guò)的位移，第2秒末的速度是指第2秒末的時(shí)刻物體所具有的速度。前者對(duì)應(yīng)著一段時(shí)間過(guò)程，后者對(duì)應(yīng)著一個(gè)時(shí)刻物體所具有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。質(zhì)量物體本身的一種屬性，它不隨物體的形狀、溫度、位置的改變而改變。把一塊燒紅的鐵塊軋成鐵板，形狀變了，質(zhì)量不變，一杯水降溫到零攝氏度以下，凝結(jié)成冰，物態(tài)變了，質(zhì)量不變；把一張桌子移到月球上去，位置變了，質(zhì)量仍不變。這就是說(shuō)質(zhì)量反映了物體自身的一種性質(zhì)。一個(gè)物體慣性的大小與質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量大的物體慣性大，質(zhì)量小的物體慣性小。質(zhì)量的測(cè)量為了測(cè)量物體的質(zhì)量，國(guó)際上要規(guī)定質(zhì)量的單位。1升純水在4℃時(shí)的質(zhì)量規(guī)定為1千克。根據(jù)這個(gè)規(guī)定，國(guó)際上用鉑銥合金做成一個(gè)圓柱體，使它的質(zhì)量與4℃時(shí)的1升純水的質(zhì)量相等，即為1千克，這個(gè)鉑銥合金的圓柱體叫做國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)千克，所以在國(guó)際單位制中，質(zhì)量的主單位就是千克。測(cè)量質(zhì)量的儀器有天平、桿秤、托盤秤、磅秤等。物理實(shí)驗(yàn)室常用天平測(cè)量質(zhì)量，因?yàn)樘炱降木_度較高。（天平的使用方法見物理天平）測(cè)量質(zhì)量除用天平直接測(cè)量外，還可以用其它儀器結(jié)合物理公式而間接測(cè)定。如：利用彈簧秤可測(cè)出物體的重量G，然后利用公式G=mg變形得m=G／g而確定m的大?。ㄊ街術(shù)為測(cè)量地的重力加速度）。如果知道被測(cè)物體的物質(zhì)密度，想辦法測(cè)出該物體的體積，利用ρ＝m／V公式變形得m＝ρ·V也可測(cè)定物體的質(zhì)量。利用物理規(guī)律和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，還可以測(cè)得大到天體小到分子、原子和電子的質(zhì)量。托盤天平測(cè)量物體質(zhì)量的儀器。其構(gòu)造如圖示。這種天平的稱量一
8般是200克，感量為0.1克，它沒有1克以下的微量砝碼，但裝有游碼。小于1克的質(zhì)量數(shù)可由游碼讀出。用托盤天平稱量前，要將天平放在平整的桌面上，使游碼指零，調(diào)節(jié)托盤下的兩個(gè)螺母使橫梁指針指在正中，然后開始稱量質(zhì)量，其稱量方法和注意事項(xiàng)和物理天平相同。物理天平測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量的較為精密的儀器。它是利用杠桿的平衡原理制造而成。天平的構(gòu)造如圖。W為底板，E為止動(dòng)旋鈕，P和Q為底板螺釘，K為標(biāo)尺，F(xiàn)為支柱，H為游碼。J為橫梁。A、B、C為橫梁上三個(gè)刀口，D為指針，a、b為平衡螺母。天平的使用可按以下步驟進(jìn)行：首先要對(duì)天平進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)分兩步：第一步是調(diào)節(jié)天平底板水平。實(shí)驗(yàn)室中的學(xué)生天平大部分是根據(jù)水準(zhǔn)儀中氣泡的位置調(diào)節(jié)底板螺釘。若氣泡偏左，說(shuō)明底板的左邊高，應(yīng)放低左螺釘或升高右螺釘直至氣泡移到中央為止。第二步是調(diào)節(jié)橫梁平衡。先將游碼對(duì)準(zhǔn)橫梁標(biāo)尺的零刻度線，然后調(diào)節(jié)橫梁螺母a、b，若指針偏右，即應(yīng)調(diào)節(jié)b螺母使其向外側(cè)移動(dòng)，或調(diào)節(jié)a螺母使其向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，直至指針指在標(biāo)尺的中央為止。其次天平稱量時(shí)，先使橫梁制動(dòng)，將待測(cè)物體放在左盤，砝碼放在右盤，再轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕E使橫梁升起，觀察指針是否指在中間，如不在中間，則放下橫梁增減砝碼，再升起橫梁，觀察指針的擺動(dòng)，直到平衡為止。這時(shí)所放砝碼的總質(zhì)量就是被稱物體的質(zhì)量。使用天平稱量時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：第一，被稱物體的質(zhì)量絕對(duì)不能超過(guò)天平的測(cè)量范圍。第二，放入和取走物體或砝碼，應(yīng)在天平橫梁被制動(dòng)的情況下進(jìn)行。第三，不要用手直接拿取砝碼，要用鑷子夾持砝碼。不要把化學(xué)藥品、濕的物體以及過(guò)冷過(guò)熱的物體直接放在盤上。物質(zhì)的密度單位體積的某種物質(zhì)的質(zhì)量，用m代表物體的質(zhì)量，V代表體積，物體的密度mρ=V密度的單位是千克／米3，常用單位有克／厘米3。換算關(guān)系：1克／厘米3=1000千克／米3。不同物質(zhì)的密度一般是不相同的，在通常條件下，每種物質(zhì)都有確定的密度值，所以，密度是物質(zhì)的一種特性。物質(zhì)的密度一般不隨其外部形狀、體積和質(zhì)量的大小、所處的環(huán)境等而改變。如：金屬被鍛壓、拉伸等加工后；一桶水中取出的一杯水；一塊物質(zhì)被帶到月球上去等，其物質(zhì)的密度是不變的。但是，物質(zhì)的密度與溫度是密切相關(guān)的，由于一般物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，物體的體積要發(fā)生變化。由密m度公式ρ=，當(dāng)溫度升高時(shí)，物體的質(zhì)量不變，其體積變大，則其密度V
9相應(yīng)減小。反之，溫度降低時(shí)其密度要增大。教科書上所列的一般物質(zhì)密度表，是在通常條件下溫度約20℃左右時(shí)，物質(zhì)的密度值。物體的平均密度物體有的是由不同物質(zhì)合成的，也有的是空心的，如果把由不同物質(zhì)合成的，或空心的物體當(dāng)作是由某種物質(zhì)構(gòu)成的均m勻物體，常常需要求這個(gè)物體的平均密度，仍用公式ρ=。但是求得的密V度值，一般不是構(gòu)成物體的物質(zhì)的密度。而是這個(gè)物體的平均密度值。鋼鐵這種物質(zhì)的密度值是7.8×103千克／米3，如果我們把1千克的鐵塊做成體積是10分米3的空心鐵球，這個(gè)鐵球的平均密度為0.1×103千克／米3，其意義是，這個(gè)空心鐵球相當(dāng)于由密度為0.1×103千克／米3的物質(zhì)構(gòu)成的均勻?qū)嵭捏w。顯然，這個(gè)空心鐵球的平均密度小于水的密度，這也正是鋼鐵制造的輪船浮在水面上的原因。利用某種物質(zhì)制成的空心物體的平均密度，一定小于這種物質(zhì)的密度。再如，體育課上用的鉛球，質(zhì)量是4千克，體積為0.57分米3，算出其平均密度為7.0×103千克／米3，而鉛這種物質(zhì)的密度為11.3×103千克／米3，顯然，“鉛球”并不是用鉛做的，而實(shí)際上是空心的鐵球。我們居住的地球的平均密度是5.5×103千克/米3，但是地球的密度并不是均勻的，由地殼到地核密度逐漸增大，太陽(yáng)的密度只有1.41×103千克／米3。m密度的測(cè)量根據(jù)密度公式ρ=，要測(cè)某種物質(zhì)的密度，需測(cè)量由V這種物質(zhì)構(gòu)成的物體的質(zhì)量和體積，這個(gè)物體稱做測(cè)量樣品。測(cè)量物質(zhì)密度的主要步驟如下：1．選擇樣品。2．測(cè)量樣品的質(zhì)量和體積。3．用密度公式計(jì)算物質(zhì)的密度。實(shí)驗(yàn)室里常用天平測(cè)物體的質(zhì)量，用量筒或量杯測(cè)物體的體積。在實(shí)際測(cè)量物質(zhì)密度時(shí)，還應(yīng)注意如下具體的測(cè)量手段和方法。(1)形狀規(guī)則的均勻物體，除用排液法用量筒或量杯測(cè)其體積外，還可用刻度尺測(cè)出有關(guān)的長(zhǎng)度，例如，長(zhǎng)方體測(cè)出長(zhǎng)、寬、高；圓柱體測(cè)出底面直徑和柱體的高，球體測(cè)出直徑，代入有關(guān)公式可算出體積。(2)測(cè)液體體積時(shí)，為減少因從玻璃杯中倒出樣品時(shí)不易倒凈，而造成的誤差，可直接用量筒代替玻璃杯。(3)如果樣品在水中漂浮，可用助沉法測(cè)量其體積。如圖，將助沉物系在樣品下邊，先將助沉物浸沒水中，記下刻度V1，再將助沉物和樣品都浸沒水中，記下刻度V2，兩次差值V2－V1就是樣品的體積。在測(cè)密度的實(shí)驗(yàn)里，所記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)該是直接測(cè)量的原始數(shù)據(jù)，要注
10意數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計(jì)，下表為測(cè)量食鹽水密度的數(shù)據(jù)記錄表格，供參考。力和常見的運(yùn)動(dòng)密度的應(yīng)用密度的應(yīng)用有以下幾方面：m①鑒別物質(zhì)。通過(guò)測(cè)量一定物質(zhì)的質(zhì)量和體積，根據(jù)密度公式ρ=，V求出其密度值，對(duì)照密度表就可以查出它是什么物質(zhì)。②計(jì)算不便稱量的物體的質(zhì)量。如天安門廣場(chǎng)上的紀(jì)念碑不能直接稱量其質(zhì)量，可以先測(cè)出它的體積，查表找出它所用石料的密度，由公式m=ρv計(jì)算質(zhì)量。巨形油罐的儲(chǔ)油量也是用此方法計(jì)算。③計(jì)算形狀復(fù)雜，不便測(cè)量的物體體積。制做形狀復(fù)雜的工件（如齒m輪）所需物質(zhì)的體積，可以根據(jù)公式V=，把體積的測(cè)量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的測(cè)ρ量。最后算出物體體積的大小。④計(jì)算合金成分：例如，用金、銅兩種金屬制成的合金工藝品，質(zhì)量為0．2千克，體積為18厘米3，其金、銅含量可以如下計(jì)算。合金質(zhì)量m=0.2千克=200克，合金體積V=18厘米3，金的密度ρ1=19.3克/厘米3，銅的密度ρ2=8.9克/厘米3。金、銅含量為m1和m2。設(shè)金、銅體積分別為V1和V2，由題意：V=V1+V2①m=m1+m2②∵m1=ρ1V1m2=ρ2V2∴m=ρ1V1+ρ2V2③由①V1=V-V2代入③得：m=ρ1（V-V2）+ρ2V2ρV-m1∴V=2ρ-ρ123319.3克/厘米×18厘米-200克=3319.3克/厘米-8.9克/厘米=14.2厘米3∴m2=ρ2V2=8.9克/厘米3×14.2厘米3=126.4克m1=m-m2=200克-126.4克=73.6克應(yīng)用密度，在工業(yè)選材方面，經(jīng)常用密度較小的材料做為飛機(jī)的制作
11材料，或建筑的裝飾材料，以減輕整體質(zhì)量；用密度較大的物質(zhì)做機(jī)器的飛輪、底座等，來(lái)加大物體的質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)上，應(yīng)用飽滿的種子密度大在水中下沉，干癟的種子和其它雜草的種子密度小浮在水面來(lái)選種。密度還是天文學(xué)探索天體性質(zhì)的重要依據(jù)。力力是物體對(duì)物體的作用。力產(chǎn)生于相互作用的物體之間，當(dāng)一個(gè)物體受到力的作用時(shí)，一定有另一個(gè)物體對(duì)它施加這種作用。沒有物體，就不會(huì)有力的作用。所以不論是直接接觸的物體間的力作用，還是不直接接觸物體間的力作用；不論是宏觀物體間的力作用，還是微觀物體間的力作用，都不能脫離物體而單獨(dú)存在。力的作用是相互的。人用手推車時(shí)，會(huì)感到手也受到車的作用力，即手給車一個(gè)推力的同時(shí)，車也給手一個(gè)推力，所以當(dāng)一個(gè)物體受到力的作用時(shí)，一定也對(duì)別的物體施加這種力的作用，即物體施力的同時(shí)也受力，受力的同時(shí)也施力。力不僅有大小，還有方向，對(duì)物體施以不同方向的力，將產(chǎn)生不同的效果。既有大小又有方向的物理量叫矢量。力是矢量。力的單位在國(guó)際單位制中，力的主單位是牛，它是根據(jù)力使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的效果來(lái)規(guī)定的。當(dāng)質(zhì)量為1千克的物體，受一個(gè)力作用時(shí)，如果它的速度在1秒內(nèi)改變了1米/秒，那么，規(guī)定該物體所受的這個(gè)力的大小為1牛。牛頓英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、經(jīng)典物理學(xué)的創(chuàng)始人（1642—1727）。1642年12月25日生于林肯夏郡沃斯索普村一個(gè)農(nóng)民家庭。少年時(shí)期的牛頓，便顯示出了出眾的才能。他所專心精制的許多小機(jī)械，如風(fēng)車、風(fēng)箏、滴漏時(shí)針、日圭儀等，引起了多人的注重和好評(píng)。牛頓的一生大部分時(shí)間從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)和理論研究。他在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)等多方面創(chuàng)造了驚人的奇跡。在數(shù)學(xué)方面，牛頓是微積分的創(chuàng)始人之一，他在23歲時(shí)便發(fā)現(xiàn)了“二項(xiàng)式定理”和“流數(shù)法”及“流數(shù)法”反演，即微分法和積分法。為近代科學(xué)發(fā)展提供了最有效的工具，開辟了數(shù)學(xué)上的一個(gè)新紀(jì)元。在物理學(xué)方面，牛頓取得了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等多方面的巨大成就。牛頓三定律構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的理論基礎(chǔ)。這些定律是在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，在宏觀、低速情況下可以很精確地反應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的客觀實(shí)際。是解決機(jī)械運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的基本理論依據(jù)。牛頓在力學(xué)方面另一個(gè)巨大貢獻(xiàn)是m·m12發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律：F=G。該定律是自然界的普遍規(guī)律之一，r2它適用于宏觀和微觀世界中任何物體之間。牛頓還在力學(xué)發(fā)展中，首先確定了一系列的基本概念，如質(zhì)量、動(dòng)量、慣性和力等。使力學(xué)形成了嚴(yán)密、完整、系統(tǒng)的科學(xué)體系。在熱學(xué)方面，牛頓確立了冷卻定律。在光學(xué)方面，他同樣取得了巨大的成果。他利用三棱鏡進(jìn)行了著名的色散實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)白
12光可以分解為多種顏色的光譜帶。同時(shí)他還作出了多色光合成白色光的實(shí)驗(yàn)，精確分析了色散現(xiàn)象的本質(zhì)。他是白光組成的最早發(fā)現(xiàn)者。在天文學(xué)方面，牛頓可以稱為近代偉大天文學(xué)家。他的杰出貢獻(xiàn)是制作了反射式望遠(yuǎn)鏡，這是天文學(xué)史上的一項(xiàng)重大革新。他在天文學(xué)上的另一重要貢獻(xiàn)是對(duì)行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了全面考察，他證實(shí)了開普勒的行星運(yùn)行的橢圓形軌道以及彗星的拋物線軌道。牛頓是科學(xué)發(fā)展史上舉世聞名的巨人。他奠定了近代科學(xué)理論基礎(chǔ)，是以正確的思維方法指導(dǎo)科學(xué)研究的代表。他是一位自強(qiáng)、勤奮的“天才”，為世界自然科學(xué)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，成為近代科學(xué)的象征。1927年3月20日逝世于肯辛頓村，終年85歲，終生未娶。因?yàn)樗麨樗膰?guó)家作了巨大貢獻(xiàn)，死后葬于威斯敏斯特教堂。力的三要素力的大小、方向和作用點(diǎn)。靜止在光滑平面上的一輛車，用一較大力推車時(shí)，車就較快地運(yùn)動(dòng)起來(lái)，即車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變較快，反之，改變較慢。如果力的作用方向向左，車就從靜止開始向左運(yùn)動(dòng)。反之，向右運(yùn)動(dòng)?？梢娏Φ淖饔眯Ч坏c力的大小有關(guān)，也與力的作用方向有關(guān)。除此之外，力作用在物體上的位置也可直接影響力的作用效果。如開門時(shí)，雖然向同一方向用等大的力，但是若握住把手推門就可以將門推開，而在門軸的邊緣上推，門就很難被推開。力作用在物體上的位置叫力的作用點(diǎn)。可見，力的大小、方向和作用點(diǎn)直接影響到力的作用效果。因此，要準(zhǔn)確地表示力就必須同時(shí)表示出力的大小、方向和作用點(diǎn)，即力的三要素。力的圖示表示力的大小、方向和作用點(diǎn)的圖示。用一根帶箭頭的線段來(lái)表示力，線段的長(zhǎng)短表示力的大小，箭頭的方向表示力的方向，箭尾表示力的作用點(diǎn)。用力的圖示法作圖時(shí)，首先選定一個(gè)標(biāo)度（又叫比例尺），然后從力的作用點(diǎn)起，沿作用力的方向按比例畫出線段，最后在線段末端畫出箭頭方向。如圖：物體重力30牛，拖車受到500牛的牽引力。重力由于地球的吸引而使物體受到的力。重力的方向是豎直向下的，力的單位是牛。一個(gè)物體所受的重力跟這物體的質(zhì)量成正比。即質(zhì)量大的物體它所受的重力也大。嚴(yán)格地講，一個(gè)物體所受的重力還跟它所處的地理位置有關(guān)。因?yàn)榈厍驅(qū)ξ矬w的吸引作用的大小決定于物體離地心的遠(yuǎn)近。地球是一個(gè)橢圓形球體。如圖，一個(gè)物體，如果把它放在赤道地帶，距離地心遠(yuǎn)，吸引作用小，如果把它放在南極或北極地帶，離地心近，吸引作用就大。所以說(shuō)同一個(gè)物體所受的重力的大小隨著該物體所在的地理位置的不同而改變。此外，地球的自轉(zhuǎn)也對(duì)物體的重量產(chǎn)生微小的影響。
13重心重力的作用點(diǎn)。每一個(gè)物體都可以看成是由很多的微小部分所組成的。每一個(gè)微小部分都受到豎直向下的重力的作用，如圖甲：因?yàn)橹亓Φ姆较蚩偸秦Q直向下的，所以這些微小部分所受的重力是彼此平行的。如果把這些力集中于O點(diǎn)，則這些力的總和就是物體所受的重力G，O點(diǎn)就是物體的重力作用點(diǎn)即重心。確定重心的方法質(zhì)量均勻，形狀有規(guī)則的物體的重心與它的幾何1中心重合。例如，棒的重心在其全長(zhǎng)的處；薄圓板和圓環(huán)的重心在圓心2處；正方形、長(zhǎng)方形、平行四邊形薄板的重心在它們的對(duì)角線的交點(diǎn)處；三角形薄板的重心在它的三根中線的交點(diǎn)處；球的重心在它球的心處。如果物體的形狀是不規(guī)則的，或者質(zhì)量是不均勻的，若用計(jì)算法來(lái)確定它們的重心較為復(fù)雜?？梢圆捎脩覓旆▉?lái)確定重心。例如，圖是一塊不規(guī)則形狀的薄板，把線拴在薄板的任何一點(diǎn)如A點(diǎn)上，把它懸掛起來(lái)，因?yàn)楸“逶趦蓚€(gè)力的作用下處于平衡狀態(tài)，它受到的重力G與線的拉力F必在一條直線上，也就是說(shuō)，它的重心一定在懸線AF的延長(zhǎng)線上，然后再用另一個(gè)點(diǎn)D作為懸點(diǎn)，把薄板再懸掛起來(lái)，同理，重心一定在DE的延長(zhǎng)線上，則AB和DE兩根直線的交點(diǎn)C即為薄板的重心。物體的重心可以在物體上面，也可以在物體外面。如圖，C點(diǎn)為該物體的重心。彈力物體與其它物體接觸發(fā)生形變，當(dāng)物體要恢復(fù)形變時(shí)，會(huì)對(duì)跟它接觸的物體產(chǎn)生力的作用。這種力叫彈力。用手壓縮或拉伸彈簧，彈簧發(fā)生了形變，彈簧就對(duì)手有一個(gè)推或拉的力，人手受到的這個(gè)力就是彈簧的彈力。吊繩吊起重物，拉緊的繩和重物同時(shí)發(fā)生微小形變，重物對(duì)繩產(chǎn)生向下的彈力，繩對(duì)重物產(chǎn)生向上的彈力（圖2）。放在水平桌面上的書（圖1），桌面與書互相壓緊，同時(shí)發(fā)生微小形變，桌面產(chǎn)生垂直桌面對(duì)書向上的彈力，書產(chǎn)生對(duì)桌面垂直的彈力。彈力在直接接觸的物體發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生。常說(shuō)的壓力、拉力、支持力都是彈力。支持面的彈力方向總是與支持面垂直，輕繩的彈力總是沿繩繃緊的方向。應(yīng)當(dāng)注意，接觸物體間是否有彈力，取決于是否存在形變，由于形變很小時(shí)，不易判斷，可以采用分析物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法來(lái)判斷彈力是否存在。圖3中物體AB相互接觸，在水平面上以共同速度勻速運(yùn)動(dòng)，A、B之間沒有彈力，否則物體A或B的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就要改變。胡克定律彈簧在彈性限度內(nèi)，彈力的大小f跟彈簧伸長(zhǎng)（或縮短）的長(zhǎng)度x成正比，即：f=k·x。式中k為彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，單位為牛/米，
14它表示彈簧的彈性程度，不同彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)一般不相同。如圖：倔強(qiáng)系數(shù)為k的彈簧受到拉力F1時(shí)，彈簧的彈力也是F1，彈簧伸長(zhǎng)為x1則F1=k·x1；彈簧受到拉力為F2時(shí)，彈簧的彈力也是F2，彈簧的伸長(zhǎng)為x2，則F2=k·x2。在彈性限度內(nèi)，彈力分別為F1、F2、FFF123F3??時(shí)，彈簧的伸長(zhǎng)為x1、x2、x3??則胡克定律為==??xxx123=k彈簧秤測(cè)量力的工具，是根據(jù)在彈性限度內(nèi)彈簧的伸長(zhǎng)（或壓縮）量跟拉力（或壓力）成正比的原理制成的。在制作彈簧秤刻度時(shí)，只要畫出若干主要刻線，其它刻線可在主要刻線中間均勻分格得到。彈簧秤的刻度是均勻的，常見彈簧秤有圖中幾種。圖(1)，彈簧秤的刻度標(biāo)在外殼上，彈簧的下端附有指針，從指針位置讀出力的大小。圖(2)，彈簧秤的內(nèi)部也是一根彈簧，彈簧下端連著一有刻度的圓柱，測(cè)量時(shí)，從柱上露出的刻度來(lái)讀出力的大小。圖(3)是壓縮式彈簧秤，通過(guò)指針在刻度盤上的讀數(shù)讀出重物所受重力的大小。使用彈簧秤時(shí)應(yīng)注意它的測(cè)量范圍，調(diào)整零點(diǎn)（或估讀零點(diǎn)）。還應(yīng)注意彈簧秤的單位和正確讀數(shù)。靜摩擦和靜摩擦力兩個(gè)相互接觸的物體，在外力作用下，物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但又保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，產(chǎn)生的摩擦叫靜摩擦。在接觸面上產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，就是靜摩擦力。靜摩擦存在的條件是物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。用力拉地面上物體，物體沒有被拉動(dòng)，放在斜面上的物體但沒有下滑，物體和接觸面之間都存在著靜摩擦。圖(1)中物體A放在小車上以共同的速度v勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體A與車之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，故不存在靜摩擦。物體受靜摩擦力的方向，總是與物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反，并且沿接觸面。圖(2)中，斜靠在墻壁上的木棒，接觸點(diǎn)A、B受到的靜摩擦力方向如圖所示。靜摩擦力跟使物體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的外力是一對(duì)平衡力，靜摩擦力的大小總是跟這個(gè)外力大小相等。外力大些，靜摩擦力也大些，但是，靜摩擦力隨外力增大到一定數(shù)值時(shí)，物體就要產(chǎn)生滑動(dòng)，這時(shí)的靜摩擦力稱為最大靜摩擦力。在數(shù)值上，最大靜摩擦力等于靜止物體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的最小外力。靜摩擦力總是阻礙物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但靜摩擦力并不總是作為阻力，汽車之所以能夠?qū)④嚿系闹匚镞\(yùn)走，就是因?yàn)槲矬w受到車廂施與它的靜摩擦力作用。滑動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦力兩個(gè)接觸的物體，當(dāng)一個(gè)物體在另一個(gè)物
15體表面上滑動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的摩擦叫滑動(dòng)摩擦。在接觸面上，阻礙相對(duì)滑動(dòng)的力，叫滑動(dòng)摩擦力。物體受滑動(dòng)摩擦力的方向沿接觸面，且總是跟物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反。滑動(dòng)摩擦力對(duì)物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用?；瑒?dòng)摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，與正壓力的大小有關(guān)。當(dāng)壓力一定時(shí)，接觸面越粗糙，物體受的摩擦力越大；當(dāng)物體在一定粗糙程度的接觸面上滑動(dòng)時(shí)，正壓力越大，滑動(dòng)摩擦力也越大。當(dāng)物體間接觸面粗糙程度和正壓力都一定時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的大小還與接觸面的干濕程度有關(guān)。如表面抹上潤(rùn)滑油，可以大大地減小滑動(dòng)摩擦力。實(shí)驗(yàn)證明，滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面積的大小無(wú)關(guān)，與物體運(yùn)動(dòng)速度的大?。ㄔ诘退贂r(shí)）幾乎無(wú)關(guān)。關(guān)于摩擦力產(chǎn)生的原因大概有兩種主要說(shuō)法，一是摩擦的凹凸嚙合說(shuō)，認(rèn)為摩擦產(chǎn)生原因是由于物體表面的粗糙不平，兩物體互相接觸時(shí)，凹凸不平部分互相嚙合，使物體運(yùn)動(dòng)受阻引起摩擦。二是分子粘合說(shuō)，認(rèn)為滑動(dòng)摩擦是由緊壓著的接觸面上分子的引力，引起表面的吸附作用所致?；瑒?dòng)摩擦力的測(cè)量利用彈簧秤沿水平接觸面的方向拉物體做勻速運(yùn)動(dòng)，物體在水平方向上受到的滑動(dòng)摩擦力和彈簧秤對(duì)物體的拉力是一對(duì)平衡力，彈簧秤上的讀數(shù)即等于滑動(dòng)摩擦力的大小。實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)保證底面水平，且拉力也是水平的。否則，拉力與摩擦力將不為平衡力關(guān)系，彈簧秤的示數(shù)也就不是摩擦力的大小了。利用此實(shí)驗(yàn)，當(dāng)把砝碼下斷地加在物體上，或改變底面的粗糙程度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，就可以考查滑動(dòng)摩擦力與正壓力大小、表面粗糙程度的關(guān)系。滾動(dòng)摩擦一個(gè)物體在另一個(gè)物體表面上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦。滾動(dòng)摩擦是滾動(dòng)著的物體所受到的對(duì)滾動(dòng)的阻礙作用。滾動(dòng)摩擦形成的原因不同于滑動(dòng)摩擦，當(dāng)物體在平面上向前滾動(dòng)時(shí)，支承面因受壓而變形，接觸前方的支承面隆起，滾動(dòng)的物體在滾動(dòng)的過(guò)程中，始終處于一種“爬坡”狀態(tài)，使物體的滾動(dòng)受阻，形成滾動(dòng)摩擦。由于滾動(dòng)摩擦形成的原因完全不同于滑動(dòng)摩擦，滾動(dòng)物體受到的滾動(dòng)阻礙作用和摩擦力是兩個(gè)完全不同的概念。滾動(dòng)摩擦比滑動(dòng)摩擦要小得多，滾動(dòng)11軸承的摩擦約是滑動(dòng)軸承摩擦的～。2030增大和減小摩擦的方法我們可以通過(guò)改變正壓力的大小、接觸面的粗糙程度和干濕程度以及使用不同的摩擦方式——滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦方式，來(lái)改變摩擦的大小。在生產(chǎn)、生活中無(wú)處不存在摩擦，有時(shí)候摩擦給我們?cè)黾勇闊?；有時(shí)摩擦又是我們不可缺少的助手。這兩方面，需要增大的是有利摩擦，減小的是有害摩擦。在一些情況下摩擦是不利的，如機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦，造成機(jī)件的磨損，
16摩擦生熱又造成無(wú)益能耗而降低機(jī)械效率。鋸片鋸木頭時(shí)，在鋸片上抹些油；鑰匙孔里撒些石墨粉，這些是用加潤(rùn)滑劑的方法來(lái)減小摩擦。機(jī)器或車輛的轉(zhuǎn)軸部分使用滾動(dòng)軸承，可以大大地減小摩擦。很多情況下要增大摩擦，加大摩擦力的方法常用以下幾種。一種是增大壓力：握住一件東西要用力；騎自行車要迅速停下來(lái)，就要用力捏閘。都是用增大壓力以使摩擦力增大。另一種方法是使接觸面變得粗糙：工具把手、車輪上的花紋；冬天在北方冰雪封凍的路上行車，汽車輪上要帶上防滑鏈，或路面上撒些渣土；體操運(yùn)動(dòng)員在器械上做動(dòng)作，手上要抹些鎂粉。都是使接觸面粗糙，而使摩擦增大。還有一種常用的方法：就是用增大包角（實(shí)際上是增大壓力）的方法來(lái)增大摩擦。利用皮帶輪傳遞動(dòng)力時(shí)，防止皮帶在輪上打滑，就要增加包角；如輪船靠岸時(shí)，人們要把纜繩在纜樁上多繞幾圈；有時(shí)提重物時(shí)，我們也經(jīng)常把繩子在手上多繞上幾圈。合力如果一個(gè)力單獨(dú)作用在物體上產(chǎn)生的效果，與幾個(gè)力共同作用在這個(gè)物體上產(chǎn)生的效果相同，這個(gè)力就叫做那幾個(gè)力的合力。求這幾個(gè)力的合力叫做力的合成。幾個(gè)力共同作用在物體上，可以用它們的合力來(lái)等效代替，是因?yàn)檫@一個(gè)力的作用效果和這幾個(gè)力共同作用的效果是相同的。但是應(yīng)該注意，這個(gè)物體實(shí)際受到的還是這幾個(gè)力的作用，只不過(guò)物體受這幾個(gè)力的作用其最后效果，無(wú)論是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，還是發(fā)生形變，可以用合力完全代替。同一條直線上二個(gè)力的合成當(dāng)兩個(gè)力沿同一條直線作用在同一個(gè)物體上時(shí)，這樣的兩個(gè)力的合成方法如下：如果兩個(gè)力的方向相同，合力的大小等于這兩個(gè)力的大小之和，合力的方向與這兩個(gè)力的方向相同，見圖(1)；如果這兩個(gè)力的方向相反，合力的大小等于這兩個(gè)力的大小之差，合力的方向與這兩個(gè)力中數(shù)值大的那個(gè)力的方向相同。見圖(2)。物體在這兩個(gè)力F1和F2的共同作用下，與它們的合力F單獨(dú)作用產(chǎn)生的效果一樣?；コ山嵌鹊亩€(gè)力的合成求作用在同一物體上互成角度的兩個(gè)力的合力，用力的平行四邊形法則。用表示這兩個(gè)力的線段為兩個(gè)鄰邊作平行四邊形，它的對(duì)角線就表示合力的大小和方向。如圖。求合力可用作圖法，按比例和按兩個(gè)力的夾角做出力的圖示，然后按互成角度兩個(gè)力合成的平行四邊形法則，做出平行四邊形，其對(duì)角線F就是合力。量出對(duì)角線的長(zhǎng)度，按比例算出合力的大小。另外，也可以用計(jì)算法更精確的求出合力的大小和方向。二力平衡一個(gè)物體在兩個(gè)力的作用下，如果保持靜止?fàn)顟B(tài)，或勻速直線運(yùn)動(dòng)，這二力就是平衡的。作用在物體上的兩個(gè)力的平衡條件是：作用在一個(gè)物體上的兩個(gè)力，如果在同一直線上，大小相等，方向相反，這
17兩個(gè)力就平衡。在兩個(gè)力的作用下，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這兩個(gè)力一定是一對(duì)平衡力，如果知道其中一個(gè)力的大小和方向，根據(jù)二力平衡條件，就可以確定另一個(gè)力的大小和方向。一對(duì)平衡力的合力一定為零。慣性物體具有的保持其原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性。一切物體不論在什么情況下都是有慣性的。當(dāng)物體不受力時(shí)，慣性表現(xiàn)為原來(lái)靜止的物體仍然靜止，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體受外力作用時(shí)，慣性表現(xiàn)為物體不容易改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與慣性有關(guān)的物理現(xiàn)象，在日常生活中我們是經(jīng)常遇到的。如，正在前進(jìn)的汽車突然停下來(lái)，乘客要向前傾倒；賽跑的人跑到終點(diǎn)，要繼續(xù)向前沖一段距離；靜止的小車，在人的推力作用下，不能立即達(dá)到一定速度，等等，這些都是物體具有慣性的表現(xiàn)。在外力作用下，質(zhì)量不同的物體其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度是不一樣的。要推動(dòng)一輛裝滿貨物的重車比推動(dòng)一輛空車費(fèi)力，這是因?yàn)榭哲囐|(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變，重車質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不容易改變。反之，要使一輛重車停下來(lái)要比讓一輛空車停下來(lái)難。所以，物體的慣性是有大小的，質(zhì)量大的物體慣性也大，質(zhì)量小的物體慣性就小。慣性是物體本身的屬性，力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的外因。有人說(shuō)：“物體從靜止到運(yùn)動(dòng)時(shí)才有慣性”、“物體從運(yùn)動(dòng)到靜止時(shí)才有慣性”等，都是把力的概念和慣性的概念混淆不清的錯(cuò)誤說(shuō)法。慣性定律（即牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律）一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這是英國(guó)物理學(xué)家牛頓概括了伽利略等人的研究成果，總結(jié)出來(lái)的規(guī)律。慣性定律首先提出了慣性的概念，慣性是物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的屬性。定律又描述了物體不受外力時(shí)，由于慣性而表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，正如伽利略所描述的，“任何速度一但施加給一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，只要除去加速或減速的原因，此速度就可保持下去”?？梢?，物體的運(yùn)動(dòng)并不需要力去維持，因而亞里士多德“力是物體運(yùn)動(dòng)原因”的觀點(diǎn)，在這里受到了批判。定律還明確提出了力的概念，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。也就是說(shuō)，物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變?cè)谟谖矬w之間的相互作用力。可見，力是與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變存著因果聯(lián)系，這就給我們進(jìn)一步研究物體運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。慣性定律是實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律性的抽象?？偨Y(jié)。由于不受其它物體作用的孤立物體實(shí)際上并不存在，我們是不能簡(jiǎn)單地按字面意義用實(shí)驗(yàn)直接加以證明的。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律（見“慣性定律”）
18慣性的應(yīng)用慣性是一切物體都具有的屬性，慣性現(xiàn)象屢見不鮮。坐在汽車座位上的人，在汽車突然開動(dòng)時(shí)，人要后仰；在汽車突然停止時(shí)，人要前傾。人從行駛的車上跳下來(lái)，由于慣性，人容易向車行駛的方向上摔倒。這些慣性現(xiàn)象中，運(yùn)動(dòng)或靜止的物體，受到力的作用，使原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，物體的慣性就突出地表現(xiàn)出來(lái)。生產(chǎn)和生活中，很多地方都應(yīng)用到慣性。錘頭與錘柄榫的接合松動(dòng)了，工人把錘柄豎起來(lái)在地上磕幾下就緊了。這是因?yàn)殄N子整體向下運(yùn)動(dòng)，錘柄受力突然停止，錘頭由于慣性繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。這樣錘頭就緊套在錘柄上。根據(jù)這個(gè)道理，我們采用圖（乙）、圖（丙）的方法，用另外的錘子去擊松動(dòng)的錘子的錘柄，同樣可以使松動(dòng)的錘子磕緊。氣功表演的演員把大又重的石板壓在身上，另一演員掄起鐵錘猛擊石板，石板砸斷而石板下的人卻一點(diǎn)也沒傷，這是因?yàn)槭遒|(zhì)量很大，鐵錘作用在石板上，力很大，但作用時(shí)間短，石板來(lái)不及運(yùn)動(dòng)，就被砸斷。再加上石板與演員身體接觸面積很大，壓強(qiáng)很小，石板砸斷，人身很安全。如果換用一小塊薄石板，危險(xiǎn)性是可想象的。建筑工人把整塊磚砍成兩半，用一只手托住磚，另一只手用瓦刀猛然向磚砍去，磚被砍為兩半，而托磚的手卻不會(huì)受傷，也是應(yīng)用了上述道理。實(shí)際生活中，衣服沾上了灰塵，用手拍拍衣服；用鐵鍬鏟土；古代戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的絆馬索，等等，都是慣性的應(yīng)用。伽利略（1564—1642）意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，科學(xué)革命的先驅(qū)，歷史上他首先在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上融會(huì)貫通了數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)三門知識(shí)，改變了人類對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和宇宙的認(rèn)識(shí)，為了傳播N·哥白尼的日心說(shuō)，受到了教會(huì)的迫害。并被終生監(jiān)禁。伽利略17歲時(shí)，遵父命進(jìn)比薩大學(xué)學(xué)醫(yī)，其間對(duì)歐幾里德幾何學(xué)和阿基米德力學(xué)產(chǎn)生濃厚興趣，1853年在比薩教堂里注意到一盞吊燈的擺動(dòng)，隨后用線懸鋼球做模擬實(shí)驗(yàn)，確證了微小擺動(dòng)的等時(shí)性，由此創(chuàng)制出用脈搏計(jì)來(lái)測(cè)短時(shí)間間隔。此后，他主要精力轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)和物理。他發(fā)明了測(cè)合金成分的秤，先后被聘為比薩大學(xué)教授，帕杜瓦大學(xué)數(shù)學(xué)教授，發(fā)明了空氣溫度計(jì)，從理論上論證了落體運(yùn)動(dòng)和拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，還發(fā)明了比例儀等儀器。望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后，伽利略又致力研究天文學(xué)，在天文學(xué)上取得了驚人的成就。他的貢獻(xiàn)是極其巨大的，伽利略通過(guò)天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)月球表面有深谷和平原，發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)黑子活動(dòng)和太陽(yáng)自轉(zhuǎn)，觀測(cè)到金星的盈虧和土星光環(huán)，還發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，認(rèn)識(shí)到銀河是由無(wú)數(shù)星宿組成的??。在可靠事實(shí)的基礎(chǔ)上，伽利略認(rèn)識(shí)到地球并非一切天體繞之運(yùn)動(dòng)的中心。1632年伽利略出版了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》，從理論上支持了哥白尼日心說(shuō)，尖銳地抨擊了托勒密體系、亞里士多德學(xué)派的物理
19學(xué)和經(jīng)院哲學(xué)。因此，伽利略遭到了羅馬宗教裁判所長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的審訊和威脅后，被關(guān)進(jìn)監(jiān)獄。伽利略通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的觀察，運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的分析、推理，準(zhǔn)確地尋求物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從方法論上把力學(xué)研究引上了正確方向。為了證實(shí)落體定律，伽利略從一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)亞里士多德重物比輕物下落快的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)說(shuō)法提出置疑，利用小球沿斜面滾動(dòng)的方法即小球滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了落體定律，進(jìn)而又推出了慣性定律，后來(lái)被牛頓完善為牛頓第一定律。伽利略一生貢獻(xiàn)巨大，開創(chuàng)了近代物理的研究方法，奠定了牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，這說(shuō)明他是偉大的科學(xué)家和思想家。運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。或者說(shuō)，力是使物體加速、減速或做曲線運(yùn)動(dòng)的原因。慣性定律告訴我們，在沒有力作用于物體時(shí)，物體保持靜止或以恒定的速度永遠(yuǎn)持續(xù)地運(yùn)動(dòng)下去，物體的運(yùn)動(dòng)是永恒的，并不需要力去推動(dòng)或去維持。我們平時(shí)見到的，運(yùn)動(dòng)物體停止用力它最終要停下來(lái)，是什么原因呢？我們通過(guò)行駛的自行車停止蹬踏會(huì)慢慢停下來(lái)進(jìn)行分析，由于地面對(duì)行駛的自行車有與它運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦和空氣阻力作用，停止蹬踏時(shí)，摩擦和空氣阻力就是使自行車減速，以至最后停下來(lái)的原因。用力蹬車，就是要克服這些阻力對(duì)自行車的減速作用，如果沒有摩擦和空氣阻力的作用，也就根本不需要蹬力去維持其運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，維持自行車的勻速運(yùn)動(dòng)，并非是缺乏蹬力。和自行車的運(yùn)動(dòng)相同，一切物體的運(yùn)動(dòng)并不需要力去維持。物體的運(yùn)動(dòng)和力之間沒有因果關(guān)系，力只是和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變相聯(lián)系。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般是指物體運(yùn)動(dòng)速度的大小及運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)物體處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，物體就處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。不論物體運(yùn)動(dòng)速度的大小發(fā)生改變，或運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，或運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向同時(shí)改變，我們都說(shuō)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變。做變速直線運(yùn)動(dòng)的物體，速度大小隨時(shí)在改變，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也在改變。曲線運(yùn)動(dòng)物體，不管其運(yùn)動(dòng)速度大小是否改變，其運(yùn)動(dòng)速度的方向是隨時(shí)改變的。例如，撐開淋濕的雨傘，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，我們見到雨滴沿傘邊緣的切線方向飛出；用砂輪磨工具時(shí)，火星沿砂輪的切線方向飛出?？梢娮鰣A周運(yùn)動(dòng)物體的速度方向總是沿圓周的切線方向。大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)還可以說(shuō)明物體在做任意的曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體在任何位置的速度方向總是沿曲線的切線方向。所以，曲線運(yùn)動(dòng)物體的速度方向總是不斷改變的，因而其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)總是隨時(shí)在改變。物體在平衡力作用下的運(yùn)動(dòng)物體在平衡力作用下，保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
20靜止在水平桌面上的物體，受到重力和桌面的支持力互相平衡，物體仍保持靜止。若用力F拖著這個(gè)物體沿水平桌面做勻速運(yùn)動(dòng)，除了在豎直方向上物體受到的一對(duì)平衡力外，在水平方向上，拉力F與摩擦力f也是一對(duì)平衡力。物體所以保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是由于平衡的幾個(gè)力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變所起的作用互相抵消，物體表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與不受力情況相同，但區(qū)別是，“不受外力”是理想情況，實(shí)際中是沒有的，受平衡力作用則在現(xiàn)實(shí)生活中和實(shí)際生產(chǎn)中是可見的。至于物體在平衡力作用下是靜止還是做勻速直線運(yùn)動(dòng)，取決于物體原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果物體原來(lái)是靜止的，受到平衡力作用后，仍舊保持靜止?fàn)顟B(tài)；如果物體原來(lái)是運(yùn)動(dòng)的，受到平衡力作用后，將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物體的平衡狀態(tài)物體在平衡力的作用下，將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。物體的平衡狀態(tài)有兩類：(1)靜平衡，靜止的物體在平衡力的作用下保持靜止?fàn)顟B(tài)。(2)動(dòng)平衡，運(yùn)動(dòng)的物體在平衡力的作用下做勻速直線運(yùn)動(dòng)。需要注意的是，平衡狀態(tài)指的是物體保持原有狀態(tài)，不要認(rèn)為處于平衡狀態(tài)的物體一定是靜止的。
21二、壓強(qiáng)和浮力壓力垂直作用在物體表面上的力?；ハ嘟佑|的兩個(gè)物體之間，如果發(fā)生相互擠壓，兩個(gè)物體都會(huì)發(fā)生形變，因而兩個(gè)物體間就有壓力作用。壓力的方向總是與互相擠壓的接觸面垂直，并且指向受壓物體。如圖，物體A在水平桌面上靜止放置，A與桌面之互相擠壓，產(chǎn)生形變，桌面要恢復(fù)形變對(duì)A產(chǎn)生垂直桌面向上的壓力（支持力）N；物體A要恢復(fù)形變對(duì)桌面產(chǎn)生垂直桌面的壓力N′。它們是一對(duì)作用和反作用力，并且此時(shí)壓力等于物體的重力。如圖，當(dāng)物體放在斜面上時(shí)，物體與接觸面之間的壓力，也是大小相等的，但此時(shí)物體對(duì)斜面壓力的大小與物體重力的大小并無(wú)等量關(guān)系，方向垂直于支持面，壓力的大小只與物體由于擠壓而產(chǎn)生的形變的大小有關(guān)。壓強(qiáng)物體的單位表面積上受到的壓力。用F表示壓力。S表示受力面積，壓強(qiáng)Fp=s壓強(qiáng)的單位是牛/米2，專有名稱叫帕斯卡。1帕斯卡=1牛/米2壓強(qiáng)是表示壓力作用效果的物理量，在壓力相同時(shí)，壓力的作用效果不一定相同。我們用兩只手的食指分別去按壓有一端被削尖的鉛筆兩端，按筆尖的手指感到強(qiáng)烈的刺痛時(shí)，而另一只手指卻毫無(wú)痛感。這是因?yàn)樵诨ハ喟磯簳r(shí)兩手指受到筆的作用力是相同的。在尖端，全部力量集中在大約0.05毫米2的面積上，對(duì)手指發(fā)生作用，在末端，全部力量卻集中在大約100毫米2的面積上，對(duì)另一只手指發(fā)生作用。假如互相按壓的作用力5牛4為5牛，則筆尖對(duì)手指的壓強(qiáng)為=10帕斯卡；筆末端對(duì)另一-620.05×10米5牛4只手指的壓強(qiáng)為=5×10帕斯卡。-62100×10米兩手指所受壓強(qiáng)相差約10000倍。顯見，在壓力相同時(shí)，作用面積越小，則壓強(qiáng)越大，作用效果也越明顯。實(shí)際生產(chǎn)和生活中，采用把工具做得尖銳、鋒利，減小受力面積增大壓強(qiáng)；用增大受力面積減小壓強(qiáng)。我們?cè)谡劦綁毫Φ淖饔眯Ч麜r(shí)，要同時(shí)注意壓力的大小和壓力作用面積的大小。如圖，面積為S的水平桌面上疊放著重力為G1和G2底面積為S1和S2的兩個(gè)長(zhǎng)方體物體A和B。B對(duì)A的壓強(qiáng)pB-A：
22因?yàn)锽對(duì)A的壓力的大小等于B的重力的大小G2，B對(duì)A的壓力的作用面積等于B的底面積S2，G2∴pB-A=S2A對(duì)桌面的壓強(qiáng)pA-桌：因?yàn)锳對(duì)桌面的壓力大小等于A和B的重力之和G1+G2，A對(duì)桌面壓力的作用面積等于A的底面積S1，G+G12∴p=A-桌S1注意：在解此問(wèn)題時(shí)，要把作用面積和物體的表面積加以區(qū)別。F壓強(qiáng)的定義式p=，對(duì)固體、液體、氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)均適用，液體內(nèi)S部壓強(qiáng)公式和氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)都是由這個(gè)基本定義式導(dǎo)出的。帕斯卡法國(guó)著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，同時(shí)對(duì)哲學(xué)和天文學(xué)也極有造詣。1623年6月19日出生于法國(guó)，1662年8月19日逝世，終年39歲。帕斯卡從小伶俐聰穎，善于思考。他的父親對(duì)數(shù)學(xué)頗有研究，母親也受過(guò)良好的教育，在這種環(huán)境中，帕斯卡從小就對(duì)數(shù)學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并在16歲時(shí)就參加了巴黎數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家小組（巴黎科學(xué)院前身）。帕斯卡在物理學(xué)方面的主要成就在于對(duì)流體靜力學(xué)和大氣壓強(qiáng)的研究，其最重要的成果，是在1653年首先提出了帕斯定律。即液體把它受到的壓強(qiáng)向各個(gè)方向傳遞的規(guī)律?，F(xiàn)代的一切應(yīng)用著的液壓機(jī)械，都是帕斯卡定律的具體應(yīng)用。帕斯卡還為證實(shí)液體壓強(qiáng)的規(guī)律做了“幾杯水壓裂木桶”的實(shí)驗(yàn)，曾轟動(dòng)整個(gè)巴黎。驗(yàn)證了液體壓強(qiáng)公式的正確性。1648年，他設(shè)想了通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證大氣壓隨高度增加而減小的規(guī)律。他還發(fā)明注射器，水壓機(jī)，改進(jìn)了托里拆利的氣壓計(jì)等。帕斯卡同他的合作者皮埃爾詳細(xì)地測(cè)量了同一地點(diǎn)大氣壓變化情況，成為利用氣壓計(jì)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的先驅(qū)。帕斯卡在數(shù)學(xué)方面也有杰出的貢獻(xiàn)，17歲時(shí)就寫出了有關(guān)錐線的論文，初顯才華。隨后設(shè)計(jì)出了加數(shù)器，此后在代數(shù)、三角學(xué)及概率論等方面又有所發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新，取得了一個(gè)又一個(gè)的成果。壓強(qiáng)的國(guó)際單位制單位是以帕斯卡的名字命名的，壓強(qiáng)單位：1帕斯卡=1牛/米2。帕斯卡取得上述一系列的科學(xué)成就時(shí)，年僅30歲左右。但從1653年底開始，他的興趣轉(zhuǎn)向神學(xué)方面，從此，他在科學(xué)事業(yè)上不再有新的進(jìn)展。增大壓強(qiáng)和減小壓強(qiáng)的方法由于物體的材料、形狀、結(jié)構(gòu)等的不同，物體表面能承受的最大壓強(qiáng)是不同的，生產(chǎn)和生活中常常根據(jù)實(shí)際的需要，來(lái)改變對(duì)物體表面壓強(qiáng)的大小。壓強(qiáng)大小與壓力和受力面積兩個(gè)因素有關(guān)，改變壓力大小和受力面積大小都能引起壓強(qiáng)的變化。我們可以用增大壓力和減小受力面積的方法來(lái)增大壓強(qiáng)；用減小壓力和增大受力面積的辦法來(lái)減小壓強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，壓力的大小有時(shí)并不易改變，因此更多的是采用改變受力面積來(lái)改變壓強(qiáng)。
23挑東西的扁擔(dān)，總是盡量做的寬一點(diǎn)；大型拖拉機(jī)和坦克要安裝履帶；火車的鋼軌固定在枕木上，枕木又安裝在石子路基上，等等，都是用增大受力面積來(lái)減小壓強(qiáng)。像針、刀子、錐子、斧子等，做得尖銳、鋒利，都是利用減小受力面積來(lái)增大壓強(qiáng)的。有一種不帶針頭的注射器，外形像一支手槍，“槍口”細(xì)小，注射時(shí)，從“槍口”射出一束纖細(xì)而高速的藥液流，對(duì)肌膚產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)，迅速注入體內(nèi)，病人毫無(wú)痛苦。帕斯卡原理加在密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地被液體向各個(gè)方向傳遞。帕斯卡原理是流體力學(xué)中一條重要規(guī)律，在生產(chǎn)技術(shù)中有很廣泛的應(yīng)用，液壓機(jī)及機(jī)械中的液壓傳動(dòng)裝置，都是根據(jù)這一原理制成的。由17世紀(jì)法國(guó)科學(xué)家帕斯卡通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法首先提出來(lái)的。我們可以通過(guò)如圖所示裝置來(lái)驗(yàn)證此定律。在瓶中裝多半瓶水，瓶口用橡膠塞子密封，塞子上插入四根玻璃管，其中三根插入水中不同深度，管口朝不同方向，此時(shí)瓶里的水面與三根玻璃管中水面相平。由打氣球通過(guò)管A向瓶?jī)?nèi)水面加壓，我們可以見到各管中水面上升的高度相同。這個(gè)現(xiàn)象表明，被壓縮的空氣對(duì)水面產(chǎn)生的壓強(qiáng)，由液體大小不變地傳遞到液體不同深度、不同方向上去。帕斯卡原理對(duì)所有的流體都是適用的。液體內(nèi)部的壓強(qiáng)液體具有流動(dòng)性，因?yàn)槭苤亓?，?dāng)液體存放在容器中時(shí)，液體內(nèi)相鄰各部分之間會(huì)發(fā)生相互擠壓作用，因而液體內(nèi)部存在著由于重力而產(chǎn)生的、向各方向的壓強(qiáng)。液體內(nèi)部壓強(qiáng)可以用壓強(qiáng)計(jì)來(lái)測(cè)量，還可以用公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。如圖中，設(shè)想在密度為ρ的液體內(nèi)h深處有一水平小液片，面積為S，其上面所承受的壓力F的大小，就是以S為底，h為高的液柱的重力ρShg，根據(jù)壓強(qiáng)公式，則S上所承受的壓強(qiáng)FρShgp===ρgh（g=9.8牛/千克）sS所以，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)為p=ρgh，隨液體的深度增加而增大，只與液體的深度和密度有關(guān)，而與容器中液體總量無(wú)直接關(guān)系。而且由于液體具有流動(dòng)性，當(dāng)液體處于平衡態(tài)時(shí)，在液體內(nèi)同一水平面上前、后、左、右各個(gè)方向上壓強(qiáng)必然相等。如圖，甲、乙、丙三個(gè)形狀各異的容器，但它們的高度和底面積相同，當(dāng)把它們裝滿水，雖然各容器中水量不同，但容器底所受壓力卻都相同。甲容器側(cè)壁向外傾斜，水對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生壓力作用，同時(shí)，器壁對(duì)水也產(chǎn)生反作用的壓力A，A的作用產(chǎn)生兩個(gè)效果，B的作用效果支持斜壁上方的水，而C的作用效果只是產(chǎn)生水平方向的壓力。所以，甲容器底受到的壓力，等于容器底所對(duì)豎直上方水柱的重力。乙容器側(cè)壁向內(nèi)傾斜，器壁對(duì)水的壓力D的兩個(gè)效果，其中E向下，經(jīng)過(guò)水傳到容器底，使容器底受到的總壓力，等于底面所對(duì)豎直上方水柱的重力。同樣，丙容器“肩部”水平頂壁對(duì)水的壓力H，也傳到容器底。
24總之，不同形狀容器底面上所受液體的壓力，等于以這個(gè)容器的底為底，與所裝液體深度一樣高的液柱的重力。連通器幾個(gè)容器它們的上部與大氣相通，而底部互相連通所構(gòu)成的容器叫連通器（如圖）。在連通器里如果只有一種液體，在液體不流動(dòng)的情況下，各容器中的液面總保持相平。U形管是一種連通器，假若底部A處裝有閥門，兩管中裝有不同高度的、密度為ρ的同種液體，打開閥門后，兩管中的液面將如何變化呢？設(shè)想在A處有一小液柱，則小液柱將受到左管中液體向右的壓強(qiáng)p1=ρgh1＋p0，和右管中液體向左的壓強(qiáng)p2=ρgh2+p0，p0為大氣壓強(qiáng)，顯然h1＞h2，則p1＞p2，液柱受到不平衡壓強(qiáng)的作用將向右移動(dòng)，所以液體將從左管向右管中流動(dòng)。只有當(dāng)h1=h2時(shí)，則p1=p2，這時(shí)U形管內(nèi)的液體將靜止不動(dòng)，液面相平。如果連通器各容器中，分別盛有密度不同且不相混合的液體，在液體靜止時(shí)，各容器中液面不再相平。這是由于在連通器底部選取的小液柱受到各容器中液體的壓強(qiáng)相同，但由于各容器中液體密度不同，產(chǎn)生相同的壓強(qiáng)，其高度也不相同，所以各容器中液面不相平。在實(shí)際生活中，茶爐、鍋爐水位計(jì)，自來(lái)水裝置，過(guò)路涵洞，船閘等都是利用了連通器原理。噴泉在如圖所示的容器中，裝滿水后把中間管口的塞子拔掉，水就會(huì)從這里噴出來(lái)，中間管口與兩邊容器水面高度差越大，水也就噴得越高。根據(jù)連通器原理，底部相連通的各容器中水面應(yīng)保持相平，而三個(gè)管中水面高度不同。當(dāng)拔掉中間管口塞子后，水要向中間流動(dòng)而從低管口噴出，就形成了噴泉。自然界形成噴泉的地方，地勢(shì)一般都較低，附近含水層的水位較高，當(dāng)?shù)貏?shì)低處有逢隙時(shí)，就有水從逢隙處噴出，形成噴泉。人造噴泉，則是利用水泵加壓的辦法使水噴出，不是根據(jù)連通器原理制成的。壓力噴霧器農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用來(lái)消滅病蟲害的植保器械，它的工作過(guò)程利用了氣體的壓強(qiáng)和體積的關(guān)系。氣體的體積在改變時(shí)，它的壓強(qiáng)也隨著改變。實(shí)驗(yàn)表明，在溫度保持不變的情況下，一定量的氣體，體積減小，壓強(qiáng)就增大，體積增大，壓強(qiáng)就減小。如圖，是常用的背負(fù)式噴霧器構(gòu)造。當(dāng)通過(guò)手柄提起唧筒內(nèi)的活塞時(shí)，貯液筒內(nèi)的藥液就在大氣壓的作用下，推開唧筒下方的鋼球進(jìn)入唧筒內(nèi)。壓下活塞時(shí)，活塞下的藥液把唧筒
25下方的鋼球壓緊，藥液不能回到貯液筒，液體推開空氣室下方的鋼球，進(jìn)入空氣室里。如此反復(fù)壓動(dòng)手柄，就可使空氣室里的藥液逐漸增多，空氣室上方空氣體積減小，壓強(qiáng)增大。打開噴頭的開關(guān)，藥液在壓縮空氣壓強(qiáng)作用下，就從噴頭噴出來(lái)。實(shí)際生產(chǎn)中，還可用汽油機(jī)帶動(dòng)的高壓水泵代替手工操作的唧筒，可以使噴霧器排液量更大，射程更遠(yuǎn)，適合在果園、農(nóng)田等地廣泛使用。自來(lái)水設(shè)備城市里日常用水及工業(yè)給水都是自來(lái)水，自來(lái)水廠把水從河、湖、井中抽出來(lái)以后，通過(guò)管子引到過(guò)濾池，經(jīng)過(guò)凈化、消毒等程序，使其達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)，然后再用高壓水泵送到水塔的水箱里，再通過(guò)總水管和分水管，把水送到家庭或用水單位。自來(lái)水設(shè)備實(shí)質(zhì)上就是應(yīng)用了連通器原理而制成的，水塔和復(fù)雜的分支管構(gòu)成大型連通器，水塔一般都要建得高于供水的建筑物，當(dāng)用戶打開水龍頭時(shí)，由于水塔內(nèi)的水面比水龍頭處高，而產(chǎn)生壓力差，水將從水龍頭流出。水塔水面與水龍頭處高度差越大，則水產(chǎn)生的壓力也越大，出水就越急。虹吸現(xiàn)象由于大氣的作用，液體從液面較高的容器，通過(guò)曲管越過(guò)高處流入液面較低的容器的現(xiàn)象，曲管稱為虹吸管。在日常生產(chǎn)、生活中，虹吸現(xiàn)象應(yīng)用廣泛，如：給魚缸換水；汽車司機(jī)用橡膠管從油桶中吸出汽油或柴油；我國(guó)黃河的中、下游的水面大都高出堤外的地面，在河南、山東一帶就應(yīng)用虹吸現(xiàn)象來(lái)引黃河水灌溉農(nóng)田。船閘人們?cè)谛藿ㄋ畮?kù)和水利發(fā)電站時(shí)，往往要修建高高的大壩來(lái)提高水位，這樣，就隔斷了大壩上、下游船只的航行。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們就利用連通器原理，在大壩旁修建了船閘。船閘主要由和上、下游連通的閘門、輸水閥門和閘室構(gòu)成。當(dāng)上游處的輸水閥門打開時(shí)，上游和閘室就構(gòu)成了一個(gè)連通器，當(dāng)閘室水面上升到與上游水面相平時(shí)，打開上游的閘門，上游的船只就可進(jìn)入閘室。關(guān)閉上游處的輸水閥門和閘門，再打開下游處的輸水閥門，閘室和下游就又構(gòu)成了一個(gè)連通器，閘室中水順輸水閥門進(jìn)入下游，當(dāng)水面下降到與下游水面相平時(shí)，打開與下游連通的閘門，閘室中的船只就可以開到下游去了。同理，下游的船只也可以航行到上游去。我國(guó)的葛洲壩船閘是世界上少有的巨型船閘之一。馬德堡半球?qū)嶒?yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在1654年5月8日，德國(guó)科學(xué)家奧托·格里克，在他做市長(zhǎng)的馬德堡地方做了一次公開的實(shí)驗(yàn)。他用的是直徑約37厘米的兩個(gè)銅制半球，兩個(gè)半球能完全吻合，把皮圈壓在兩個(gè)半球之間；同時(shí)涂上蠟和松節(jié)油的混合物，防止漏氣。在一個(gè)半球上裝了一個(gè)活栓，可以抽掉里邊的空氣，并防止外面的空氣鉆進(jìn)球里。兩個(gè)半球上還安裝了四個(gè)環(huán)，穿上繩子，繩子再縛在馬的駕具上就可對(duì)拉。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首
26先抽出球里的空氣，然后用16匹馬，其中八匹拉向一面，另八匹拉向另一面，用盡全力也沒能將合在一起的兩個(gè)半球拉開。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大氣壓對(duì)物體表面壓力之強(qiáng)大。可是只要把活塞轉(zhuǎn)一下，使空氣進(jìn)入球內(nèi)，兩個(gè)半球就很容易被手拉開。那么，作用在兩半球表面上的壓力有多大呢？我們知道空氣作用在每平方厘米表面積的壓力大約為9.8牛，大氣壓作用在半球上的有效面積（這里指圓面積，而不是半球的表面積）約1070厘米2，即每平方厘米表面積上的壓力在9800牛以上，所以，每一邊都應(yīng)用9800牛以上的拉力，才能將球拉開。應(yīng)該弄清的是，馬沿水平方向的拉力是由馬和地面的摩擦而產(chǎn)生的，估算一下，一匹健壯的馬體重約400千克，而摩擦力大約是馬體重的30％，約1176牛。那么，要獲得9800牛的拉力，每邊至少要用9匹馬對(duì)拉，才能將馬德堡半球拉開。覆杯實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先要選取杯口平滑的玻璃杯，杯中灌滿水以溢出為準(zhǔn)，然后選用類似明信片質(zhì)地的硬紙片蓋嚴(yán)杯口，一只手拿杯，另一只手按住紙片迅速倒置，緩慢松開按紙片的手。紙片連同杯中的水在大氣壓強(qiáng)的作用下而被支持住。這個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了大氣壓的存在。杯口紙片不會(huì)掉下來(lái)的原因，是由于空氣對(duì)紙片的壓強(qiáng)大于杯中水對(duì)紙片的壓強(qiáng)。常用玻璃茶杯的杯口（直徑8厘米）面積約5.0×10-3米2，裝水約0.5千克，倒置后，水由于重力對(duì)紙片產(chǎn)生的壓強(qiáng)約1.0×103牛／米2，而大氣壓的值約1.0×105牛／米2，大氣的壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于杯中水對(duì)紙片的壓強(qiáng)，所以，紙片連同水在大氣壓強(qiáng)的作用下而被支持住（如圖甲）。實(shí)驗(yàn)中，若杯中水不滿，或倒置時(shí)漏水，則杯中由于還有空氣實(shí)驗(yàn)不能成功。（如圖乙）由于杯中水柱和杯中存有的大氣對(duì)紙片的壓強(qiáng)p水＋p0，大于外界大氣對(duì)紙片的壓強(qiáng)p0的原因。托里拆利實(shí)驗(yàn)測(cè)定大氣壓數(shù)值的著名實(shí)驗(yàn)。把長(zhǎng)約1米、一端封閉另一端開口的玻璃管裝滿水銀，用手指堵住管口，倒置于水銀槽中，放開手指，發(fā)現(xiàn)無(wú)論玻璃管長(zhǎng)度如何，粗細(xì)和傾斜程度如何，管內(nèi)水銀柱的垂直高度是76厘米（如圖甲）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)由意大利物理學(xué)家托里拆利在1642年首先完成，后人稱這一實(shí)驗(yàn)為“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，完成這一實(shí)驗(yàn)用的玻璃管為“托里拆利管”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是如何測(cè)出大氣壓值的呢？如圖乙，在托里拆利實(shí)驗(yàn)水銀槽內(nèi)，有一U型管連通器，左接托里拆利管口，右接大氣。在連通器底部選一小液柱，小液柱受到向右壓強(qiáng)，由托里拆利管內(nèi)h高水銀柱和槽內(nèi)h1高水銀柱產(chǎn)生（托里拆利管上端為真空），有p1=ρgh＋ρgh1，向左的壓強(qiáng)，由大氣壓強(qiáng)p0和槽內(nèi)h1高水銀柱產(chǎn)生，有p2=p0＋ρgh1，由于小液柱平衡，p1=p2則ρgh＋ρgh1=p0＋ρgh1ρgh＝p0
27空氣的壓強(qiáng)p0與管內(nèi)水銀柱高度所產(chǎn)生的壓強(qiáng)ρgh是相等的，使管內(nèi)水銀柱具有一確定的高度，利用水銀柱的高度測(cè)得大氣壓強(qiáng)ρ=ρgh=13.6×103千克／米3×9.8牛／千克×0.76米=1.01×105牛／米2=1.01×105帕斯卡由于液體壓強(qiáng)只與液體高度和密度有關(guān)，在大氣壓保持不變時(shí)，換用粗細(xì)不同的玻璃管、或改變管子的傾斜程度，管內(nèi)水銀柱豎直高度總是不變的。托里拆利意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1608年托里拆利出生在意大利的一個(gè)貴族家庭，1628年去羅馬學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，1641年在他的數(shù)學(xué)教師開斯脫里的建議下，去佛羅倫薩拜訪了大名鼎鼎的伽利略，并成了伽利略的助手，幫助整理著作。不久，伽利略去世，托里拆利接替伽利略任佛羅倫薩學(xué)院物理學(xué)和數(shù)學(xué)教授，后被委任為宮庭數(shù)學(xué)家，直到1647年逝世，終年只有39歲。托里拆利的科學(xué)研究主要是在1644年以后進(jìn)行的，雖然只有短短的五六年時(shí)間，但所取得的成果卻有重大的意義。他在物理學(xué)方面最有成效的工作，是對(duì)空氣壓強(qiáng)問(wèn)題的研究，他做了著名的、后人稱之為“托里拆利實(shí)驗(yàn)”的研究，并獲得了“托里拆利真空”，這是世界上首次人工獲得的真空狀態(tài)，他從實(shí)驗(yàn)上解決了空氣是否受重力作用和真空是否可能存在的兩個(gè)重大課題。并根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)，提出了可以利用水銀柱高度來(lái)測(cè)量大氣壓，于1644年與他人合作，制成了世界上第一個(gè)水銀氣壓計(jì)。托里拆利在數(shù)學(xué)方面也頗有造詣，他成功地結(jié)合力學(xué)問(wèn)題來(lái)研究幾何學(xué)，解決了很多十分復(fù)雜的幾何難題。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大氣壓的值是通過(guò)在托里拆利實(shí)驗(yàn)中水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)P=ρgh來(lái)測(cè)算的，而不同地區(qū)的大氣壓能支持的水銀柱高為760毫米上下，通常把等于760毫米汞柱的大氣壓叫做標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。而由于水銀柱的密度ρ與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)，水銀的密度小些，溫度低時(shí)，水銀的密度大些；g值也與測(cè)量地點(diǎn)的緯度和海拔高度有關(guān)。所以，不同地區(qū)、不同氣候條件下，大氣壓同樣支持760毫米汞柱，還是不能準(zhǔn)確地規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值。1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決議聲明，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓定義為：1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325牛／米2準(zhǔn)確地說(shuō)，只有在緯度45°的海平面上，溫度是0℃的時(shí)候，760毫米汞柱的壓強(qiáng)才相當(dāng)于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。大氣壓的變化大氣壓不是固定不變的，不但在不同的地方大氣壓可能不同，即使在同一地方大氣壓也隨氣候等因素在變化。大氣壓是由大氣的重力產(chǎn)生的，離地面越高的地方，空氣越稀薄，空氣密度越小，那里的大氣壓也越小。實(shí)驗(yàn)表明，在海拔兩千米以內(nèi)，平均每升高12米，大氣壓約降低1毫米汞柱。利用大氣壓隨高度變化的規(guī)律可
28以估測(cè)高度的變化。如，測(cè)得一棟樓的最下層大氣壓為755毫米汞柱，最頂層大氣壓為751毫米汞柱，說(shuō)明大氣壓降低了4毫米汞柱，這座樓房大約有48米高。一般在海拔較高的高原地區(qū)，大氣壓比海拔較低的平原或沿海地區(qū)要低，大氣較稀薄，大氣含氧量缺少，長(zhǎng)期生活在平原地區(qū)的人，體內(nèi)器官、血液、細(xì)胞等已完全適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境，而在高原低壓缺氧的環(huán)境下，人就會(huì)出現(xiàn)呼吸困難、心跳加劇、頭暈、步履艱難等所謂“高原反應(yīng)”的癥狀。另外，同一地方的大氣壓還隨著溫度、濕度等因素而變化。一般情況下，冬天的氣壓比夏天高，晴天氣壓比陰雨天高。所以，大氣壓的變化也是天氣預(yù)報(bào)的重要依據(jù)之一。大氣壓的應(yīng)用地球被空氣包圍著，空氣隨處都在對(duì)人和物體施與壓強(qiáng)的作用。我們的生活和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程也需要大氣壓的幫助。做實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的滴管；護(hù)士用注射器吸取藥液；抽水機(jī)抽水；用吸管喝汽水等等，都是借助大氣壓的作用完成的。有一種吸盤式簡(jiǎn)易掛鉤（如圖甲），它是用圓盤狀橡皮，上附有一掛物的鉤，把橡皮圓盤用水浸濕后，壓在門窗的玻璃上，因?yàn)橄鹌づc玻璃之間沒有空氣，外界大氣的壓力把它緊緊壓在玻璃上，下邊即可掛物體。工廠里還有一種“真空吊”也是利用這種原理工作的機(jī)器（如圖乙），如果直徑為40厘米的吸盤，大氣在其上面約可產(chǎn)生1.2噸的壓力。利用“真空吊”可以用來(lái)吊起玻璃板、鋼板等表面光滑的物體，工作時(shí)，使吸盤與物體表面緊密接觸，只要抽出吸盤中間的空氣就可工作。抽水機(jī)也叫水泵，它是利用大氣壓工作的。主要有活塞式抽水機(jī)和離心式水泵?；钊匠樗畽C(jī)，根據(jù)構(gòu)造上的區(qū)別，有兩種（如圖甲、乙），一種活塞上有閥門，一種活塞上沒有閥門。圖甲中，當(dāng)把握柄帶動(dòng)活塞下降時(shí)，活塞下邊的水受壓，入水閥門關(guān)閉，同時(shí)推開出水閥門，使水達(dá)到活塞上部。當(dāng)活塞再提起時(shí)，出水閥門關(guān)閉，在活塞下邊的筒內(nèi)形成低壓，井水在大氣壓的作用下，沖開進(jìn)水閥門進(jìn)入筒內(nèi)，活塞往復(fù)提起，水就被提升到高處。圖乙中，活塞上沒有出水閥門，出水閥門裝在出水管底部，當(dāng)把握柄帶動(dòng)活塞上升時(shí)，因筒內(nèi)壓強(qiáng)降低，水跟著升起，而活塞下降時(shí)，其壓力使進(jìn)水閥門關(guān)閉，同時(shí)推開出水閥門，從水管流出。離心式水泵則是利用葉輪的旋轉(zhuǎn)，造成葉輪附近出現(xiàn)低壓區(qū)，使水在大氣壓的作用下，推開底下進(jìn)水閥門進(jìn)入泵體。葉輪的旋轉(zhuǎn)可以由電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)（如圖丙）。各類抽水機(jī)以及注射器等，事實(shí)上都是要首先造成真空（或低壓區(qū)），
29以便使管外的大氣壓把液體壓入管內(nèi)。水銀氣壓計(jì)測(cè)量大氣壓的儀器。其原理構(gòu)造，就是將托里拆利管裝在金屬殼內(nèi)，并在上邊刻上刻度，全部構(gòu)造如圖，其下端有水銀槽E，在螺旋A的控制下可以改變槽內(nèi)水銀面的位置，水銀面上方有一象牙針B，氣壓計(jì)的上端有刻度尺C，為同時(shí)測(cè)溫度，還附有一個(gè)溫度計(jì)D。使用時(shí)，先旋轉(zhuǎn)下面的螺旋A，使槽內(nèi)水銀面剛好與象牙針B接觸，因?yàn)榭潭瘸呱纤锌潭仁菑南笱泪樀尼樇馑闫鸬?。然后從刻度尺處就可讀出管中水銀柱的高度，也就是當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?。無(wú)液氣壓計(jì)常用的無(wú)液氣壓計(jì)是金屬盒氣壓計(jì)。它的主要構(gòu)造是一個(gè)波紋狀表面的金屬盒，盒內(nèi)的空氣被抽出，為了不使金屬盒被大氣壓壓扁，用彈性鋼片向外拉著它。當(dāng)大氣壓增大時(shí)，盒蓋就被壓得凹進(jìn)去一些，大氣壓減小時(shí)，彈性鋼片就把盒蓋拉出來(lái)一些。盒蓋的變化通過(guò)傳動(dòng)裝置傳給指針，使指針偏轉(zhuǎn)，指針下標(biāo)有刻度，從刻度盤上讀數(shù)，就可以知道當(dāng)時(shí)的大氣壓值。因?yàn)榇髿鈮弘S高度的變化有一定的規(guī)律，按照這個(gè)規(guī)律，在無(wú)液氣壓計(jì)刻度盤上刻上相應(yīng)的高度，就變成了高度計(jì)，為航空、登山提供了方便。無(wú)液氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但測(cè)量結(jié)果不如水銀氣壓計(jì)準(zhǔn)確。阿基米德定律浸在液體里的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體所受的重力。阿基米德定律是由古希臘學(xué)者阿基米德經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)格的邏輯方法論證的。若用F浮表示物體在液體里受到的浮力，G排表示物體排開的液體所受的浮力，ρ液表示液體的密度，V排表示物體排開液體的體積，則有F浮=G排=ρ液V排g（g=9.8牛／千克）如圖，在彈簧秤下掛一金屬塊，把金屬塊由水面逐漸浸入水中，彈簧秤的示數(shù)逐漸變小，因?yàn)榻饘賶K在浸入過(guò)程中，V排增大，所以金屬塊所受的浮力逐漸增大。但當(dāng)金屬塊全部浸沒水中以后，無(wú)論金屬塊在哪個(gè)深度，彈簧秤的示數(shù)卻不再改變。如果把同一金屬塊再浸沒在酒精中，會(huì)見到彈簧秤的示數(shù)比把它浸沒在水中時(shí)大，這是因?yàn)榫凭拿芏刃∮谒拿芏?，雖然V排相同，金屬塊浸沒在酒精中受到的浮力比浸沒在水中受到的浮力小，彈簧秤的示數(shù)則大些。物體所受浮力的大小只與G排有關(guān)，即只與ρ液、V排有關(guān)，與物體本身形狀、質(zhì)量等因素?zé)o關(guān)。阿基米德定律還適用于氣體，浸在氣體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開氣體所受的重力。阿基米德公元前287年至公元前212年，古希臘著名學(xué)者、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和發(fā)明家。生于敘拉古國(guó)的一個(gè)數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家的貴族家庭。11歲時(shí)，曾在埃及的文化中心亞歷山大里亞學(xué)習(xí)，是歐幾里德的學(xué)生。他一生熱愛科學(xué)，在物理、數(shù)學(xué)、機(jī)械和建筑等方面都作出了貢獻(xiàn)。
30阿基米德在力學(xué)方面的成就尤為突出，是公認(rèn)的古代最偉大的力學(xué)家，著名的浮力定律就是他發(fā)現(xiàn)的。并設(shè)計(jì)制造了稱為“尤里卡”的儀器，即實(shí)驗(yàn)室通常所用的溢水杯。他還定量地總結(jié)出杠桿定律，巧妙地利用和發(fā)明了滑輪和螺旋器。他是一位重視實(shí)驗(yàn)的發(fā)明家。曾創(chuàng)造了許多儀器和機(jī)械，特別是在軍事上的發(fā)明甚多。以阿基米德的名字命名的阿基米德螺線，在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛。在光學(xué)方面，他描述過(guò)光的直線傳播和光的反射定律，并研究了凹鏡把反射光會(huì)聚在一點(diǎn)的特性。110阿基米德在數(shù)學(xué)上也頗有建樹，他證明了圓周率在3到3之間，研771究了曲線長(zhǎng)度，球和圓錐的表面積及體積的計(jì)算方法。在天文學(xué)方面，他曾制作一具行星儀，并制成了一架測(cè)算太陽(yáng)對(duì)向地球角度的儀器。正因?yàn)樗倪@些杰出貢獻(xiàn)，因此科學(xué)史上稱阿基米德“站在整個(gè)希臘、羅馬古代科學(xué)家的最高峰而為亞歷山大里亞時(shí)期增添了光彩”，“是理論天才實(shí)踐天才集中于一人的理想化身，與近代的偉大人物相匹比在一切領(lǐng)域都有巨大的獨(dú)創(chuàng)和真正的發(fā)現(xiàn)。”公元前212年敘拉古國(guó)淪陷的時(shí)候，他悲慘地犧牲在一個(gè)羅馬士兵的手下，當(dāng)時(shí)他正在專心研究問(wèn)題。真假皇冠的識(shí)別傳說(shuō)阿基米德是在洗澡時(shí)，頭腦里突然閃現(xiàn)出解決希羅王的金冠內(nèi)是否摻了銀的正確方法，立即跳出浴缸，在回家的路上邊跑邊喊：“尤利卡！尤利卡！”（意思是：我找到答案了?。┗氐郊液?，他分別利用和王冠同重的一塊金子和一塊銀子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一種說(shuō)法是，他利用洗澡時(shí)，浴缸里水外溢找到的測(cè)體積的辦法，分別測(cè)出王冠、金塊和銀塊所排出來(lái)的水的體積，也就得出王冠，金塊和銀塊的體積。據(jù)此算出王冠的比重：王冠的重力王冠比重=與金的比重進(jìn)行比較，判斷王冠中的金同體積水的重力含量是否純。一種說(shuō)法是，先稱出王冠的重力，再稱出王冠在水中的重力，由此再測(cè)定它減少的重力，也就是水對(duì)王冠的浮力，算出王冠的比重：王冠在空氣中重王冠比重=王冠在空氣中重-王冠在水中重從這些數(shù)據(jù)中找到了答案。也可能阿基米德解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)用了這兩種方法。我們現(xiàn)在試驗(yàn)浮力的儀器（如圖），就叫“尤利卡”，是用玻璃制成的。阿基米德當(dāng)時(shí)使用的“尤利卡”，并不是用玻璃做的。現(xiàn)在國(guó)際上有一種創(chuàng)造發(fā)明獎(jiǎng)，是用“尤利卡”命名的。叫“尤利卡”發(fā)明獎(jiǎng)。科學(xué)的發(fā)展和發(fā)明是和人們的生產(chǎn)、生活實(shí)踐分不開的，而且要經(jīng)過(guò)反復(fù)地實(shí)驗(yàn)和周密的思考論證。至于阿基米德由洗澡而發(fā)現(xiàn)了“阿基米德定律”，就像牛頓見到蘋果落地發(fā)現(xiàn)了有引力定律一樣，只能是一種傳說(shuō)。但是阿基米德確實(shí)給我們提供了測(cè)不規(guī)則物體體積的方法。浮力的計(jì)算常用的計(jì)算浮力的方法有以下幾種。
31(1)根據(jù)浮力產(chǎn)生的原因浸在液體中的物體所受的浮力等于物體上下表面受到的壓力差：F浮=F向上-F向下。用此方法可以用來(lái)計(jì)算形狀規(guī)則的物體所受的浮力。(2)利用彈簧秤測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算這屬于實(shí)驗(yàn)的方法。把物體掛在彈簧秤下端，測(cè)得物體在空氣中的重力G，物體浸在液體中時(shí)，彈簧秤的示數(shù)G＇（又稱做視重），則有：F浮＝G—G＇。(3)根據(jù)阿基米德定律浸在液體里的物體受到的浮力F浮=G排=ρ液V排g，若浸在液體里的物體不存在上、下表面的液體壓力差，則不能使用此方法。(4)根據(jù)物體的浮沉條件漂浮在液面、懸浮在液體中的物體，受到的浮力與物體的重力平衡：F浮=G物，也可以求出物體所受的浮力。在解決有關(guān)浮力問(wèn)題時(shí)，采用哪種方法，要根據(jù)具體情況，分析清楚物體所處狀態(tài)及物理過(guò)程，再選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ胁豢蓙y套公式。例如，直徑為0.8分米的實(shí)心鐵球，浸入一個(gè)高4厘米、底面積為10×10厘米2裝滿水銀的容器中，求鐵球受到的浮力時(shí)，若根據(jù)鐵球的漂浮條件：F浮=G鐵球=ρ鐵V球g計(jì)算就錯(cuò)了。仔細(xì)分析可知，鐵球若漂浮，則應(yīng)有大半以上的體積浸在水銀中，由于水銀容器的高度限制，鐵球在其中并不處于漂浮狀態(tài)，而與水銀容器底部接觸有相互作用，計(jì)算浮力應(yīng)該用133阿基米德定律：F浮=G排汞=ρ汞·V*g·（V*=πR）2球球4浮力的應(yīng)用利用浮力可以幫助我們做很多事情。我國(guó)古代三國(guó)時(shí)期曹沖稱象、孔明燈，宋朝懷丙撈鐵牛等，就是利用水和大氣浮力的例證。到了現(xiàn)代，人們已用輪船進(jìn)行水上運(yùn)輸，用熱氣球、充氦飛艇作為重要的運(yùn)輸、空中攝影等的工具。利用水路運(yùn)輸可以大量節(jié)省能源。木材和竹材運(yùn)輸，就可以扎成木排、竹排放入水中靠水的浮力順流而下，還可免去用船裝運(yùn)，大量節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用。利用空氣浮力，氣象部門用探測(cè)氣球來(lái)獲取高空氣象資料?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中制成空飄雷封鎖天空。地質(zhì)勘探隊(duì)員，常帶的一種輕便儀器——“浮力秤”，就是利用水的浮力測(cè)礦石密度的工具。如圖所示，浮力秤是中空而上下兩端呈圓錐狀的圓筒，筒的下端掛有一金屬筐，上端連接直棒，直棒中腰刻有一條“中腰線”，突出水面的一端有一盤，可放砝碼。要測(cè)礦石密度時(shí)，首先（如圖甲）把浮力秤放入水中，在頂盤里放入適量砝碼，使它下沉到“中腰線”與水面平齊，記下盤中砝碼總質(zhì)量。然后（如圖乙）拿去全部砝碼，放上礦石后再放上適量砝碼，使它再下沉到“中腰線”與水面平齊。與前次比較，減少的砝碼質(zhì)量就是礦石質(zhì)量。最后（如圖丙）把礦石再放入下邊金屬筐里，浮力秤會(huì)上浮一些，此時(shí)在盤中加些砝碼再次使它下沉到“中腰
32線”與水面平齊，根據(jù)阿基米德定律，所加入的砝碼質(zhì)量等于礦石排開水的質(zhì)量，因此可以算出礦石的體積。礦石的質(zhì)量和體積被測(cè)出后，礦石的密度即可算出來(lái)。物體的浮沉條件浸入液體中的物體都受到浮力，木塊在水中上浮，而鐵塊在水中卻要下沉。如圖，分析浸沒在液體里的物體受力情況可知，物體受到浮力和重力的作用，重力方向豎直向下，浮力方向豎直向上。物體的浮沉，就決定于物體受到這兩個(gè)力的大小關(guān)系。如果F浮＞G物，物體就上浮，直到物體露出液面后，由于V排逐漸減小，物體受到液體的浮力也逐漸減小，當(dāng)F浮減小到等于G物時(shí)，物體就漂浮在這個(gè)位置。如果F?。糋物，物體就下沉，直至物體沉到容器底。如果F浮=G物，物體受到的浮力和重力平衡，物體可以在液面下任何地方停留。對(duì)于均勻的實(shí)心物體，浸沒在液體中F浮=ρ液V排gG物=ρ物V物g而V排=V物，所以實(shí)心物體的浮沉，可以通過(guò)比較液體密度ρ液。和物體密度ρ物的大小關(guān)系，來(lái)加以判斷，若ρ液＞ρ物，物體上浮若ρ液＜ρ物，物體下沉若ρ液=ρ物，物體懸浮一般木頭的密度小于水的密度，浸在水中的木頭上浮，而有的木頭質(zhì)地緊密，其密度大于水的密度，也是能沉入水中的；鐵塊的密度大于水的密度，鐵塊在水中下沉，而鐵塊密度比水銀密度小，鐵塊在水銀中上浮，最后將漂浮在水銀表面。對(duì)于一般質(zhì)量不均勻（可能空心）的物體，就要比較該物體的平均密度與液體密度的大小關(guān)系，來(lái)判斷它在其中的浮沉情況。物體的浮沉，無(wú)論是比較浮力與重力的關(guān)系，還是比較其密度關(guān)系，都是一致的。物體的浮沉條件也適用于氣體。船的排水量輪船裝滿貨物后排開的水重。也就是船在滿載時(shí)，所受到的浮力，如果扣去船身自重，就可算出船的載貨量。如，排水量為22100噸的船身重8700噸，它能裝貨13400噸。通常用排水量來(lái)表示輪船的大小，小型輪船的排水量約為幾百噸，遠(yuǎn)洋巨輪的排水量可以達(dá)到幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)噸。在輪船的船舷上都有一條“吃水線”，“吃水線”上面漆成一種顏色，下面漆成另一種顏色，兩種顏色的分界線就是“吃水線”。輪船裝貨越多，船身越往下沉，船也就“吃水”越深，當(dāng)裝貨到“吃水線”與水面齊時(shí)，
33就不能再裝了，否則“吃水”過(guò)深，船在航行中遇到大風(fēng)浪就有沉沒的危險(xiǎn)。曹沖稱象相傳1700多年前的三國(guó)時(shí)期，孫權(quán)送給曹操一頭大象。曹操心血來(lái)潮，很想知道大象有多重，就問(wèn)同來(lái)觀看的人，誰(shuí)有辦法稱出大象有多重？當(dāng)大家無(wú)計(jì)可施時(shí)，曹操有個(gè)兒子，叫曹沖，年僅7歲。提出了一個(gè)妙法：只要把大象趕到一艘大船上，看船身下沉了多少，在齊水面的船舷上刻下標(biāo)記，再把大象趕上岸，把一筐一筐的石頭抬到船上，一直裝到原來(lái)標(biāo)記的吃水深度為止，把船上的石頭逐筐過(guò)秤，加起來(lái)就是大象重。按曹沖的方法去做，果然稱出了大象的重。船上載的貨物越重，船身就越往下沉，同一條船，前后兩次載貨重相等，船身沒入水中的部分就相等。幼年的曹沖就是根據(jù)這些知識(shí)巧妙地解決了稱大象這個(gè)難題?，F(xiàn)在我們知道，浮在水面上的船的重力，與船受到的浮力是一對(duì)平衡力。由阿基米德定律知道，浮力又等于船排開水的重力。所以，船載貨時(shí)，船重增加，船的排水量也就增加，船身也就越往下沉些，前后兩次載貨重相等，船身兩次吃水深度也必然相等。如果把船載不同重力時(shí)的吃水深度刻上標(biāo)記，船也就可以作為稱重物的測(cè)量工具了。浮沉子用來(lái)觀察物體浮沉現(xiàn)象的一種儀器，由法國(guó)科學(xué)家迪卡爾首先創(chuàng)造的。它的構(gòu)造如圖，在一端開口的小瓶中裝些水，但不要裝滿，然后把它倒放在盛了水的玻璃筒里，使小瓶恰好剛可以浮在水面，并用橡皮膜把筒口蒙住扎緊。當(dāng)用手向下按橡皮膜時(shí)，筒內(nèi)水面上的空氣被壓縮，對(duì)水面的壓強(qiáng)增大，密封在筒中的水把這個(gè)壓強(qiáng)向水中各個(gè)部分傳遞，水被壓入小瓶中，把小瓶中的空氣壓縮，這時(shí)浮沉子的重力大于它受到的浮力而下沉，手脫離橡皮膜，筒內(nèi)水面上的空氣體積增大，壓強(qiáng)減小，浮沉子里面的壓縮空氣把水壓出來(lái)，它的重力小于它受的浮力，因此就上浮。利用浮沉子可以很方便地觀察物體上浮、下沉、勻速運(yùn)動(dòng)、停留在液體任何深度的地方等，各種浮沉現(xiàn)象。大氣壓的變化跟天氣有密切的關(guān)系，晴天的氣壓比陰天的要高，適當(dāng)調(diào)節(jié)橡皮膜的繃緊程度，使浮沉子在晴天氣壓時(shí)沉入水中，陰天氣壓時(shí)浮出水面，這樣就可以用它來(lái)預(yù)報(bào)天氣變化。自制浮沉子，可利用一個(gè)大塑料飲料瓶，裝上水，再找一個(gè)小玻璃瓶裝一部分水，及一塊氣球膜，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)安裝可制成浮沉子。氣球、飛艇氣球和飛艇都是利用空氣的浮力升入高空的，它們的主要部分是氣囊，氣囊中充有密度比空氣小的氣體：氫氣、氦氣或熱空氣。氣球、飛艇的升降是通過(guò)“充氣”或“放氣”來(lái)控制的。充氣時(shí)，氣囊體積增大，當(dāng)空氣浮力大于氣球或飛艇自重時(shí)，就上升。放氣時(shí)，氣囊體積縮小，當(dāng)空氣浮力減小到小于氣球或飛艇自重時(shí)，就下降。在充、放氣過(guò)
34程中，氣球、飛艇的自重的變化，遠(yuǎn)小于其受到浮力的變化，所以，氣球、飛艇都是靠調(diào)節(jié)浮力大小來(lái)控制升降的。氣球的發(fā)明可以追溯到古代，在我國(guó)公元前二世紀(jì)《淮南子》一書中，就記載有利用熱空氣升空的燈籠，相傳是諸葛亮發(fā)明用來(lái)傳遞軍事信號(hào)的，稱為“孔明燈”。最早的載人熱氣球是1783年法國(guó)蒙特哥菲爾兄弟制成的，同年法國(guó)人夏勒耳制做了氫氣球，后又改為氦氣球，使之更加安全可靠。近代，氣球廣泛用于高空觀測(cè)、空中運(yùn)輸及通訊轉(zhuǎn)播等。飛艇的優(yōu)點(diǎn)是，消耗能量少、載重量大、飛行平衡、沒有污染、能垂直起落和懸浮在空中。法國(guó)“大力神號(hào)”飛艇一次就可以吊起上千噸的貨物。飛艇在生產(chǎn)、生活中仍有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。潛水艇在軍事上，可作為進(jìn)行偵察和作戰(zhàn)的一種重要戰(zhàn)爭(zhēng)裝備，在生產(chǎn)和生活中，還可以用做海底考察、游覽及水下運(yùn)輸。潛水艇的浮沉是靠改變自身的重力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它的兩側(cè)裝有水艙，通過(guò)水艙的“喝水”或“吐水”的辦法，就可改變自身重力。當(dāng)潛水艇需要從水面下沉?xí)r，就向水艙里充水，于是潛水艇自重增加而潛入水中，充入適量的水，潛水艇就可以在水中任意深度停留。當(dāng)潛水艇需要上浮時(shí)，就用壓縮空氣排出水艙中的水，于是潛水艇的自重減小而浮出水面。潛水艇從水面下沉的過(guò)程中，在沒有完全浸沒水中時(shí)，其所受浮力是隨著浸入體積的增大而逐漸增大的，而當(dāng)潛水艇全部浸沒在水中以后，浮力就不再改變。所以，潛水艇完全浸沒水中，只有靠改變自身重，而不是靠改變浮力來(lái)控制其浮沉的。因?yàn)闈撍У耐砟艹惺艿膲簭?qiáng)有一定的值，潛水艇下潛的深度有一定的限制，現(xiàn)代的潛水艇至多能承受住25～30個(gè)大氣壓，這就決定它們至多只能下沉到250米～300米的深處。
35三、簡(jiǎn)單機(jī)械功和能杠桿在力的作用下，能繞固定點(diǎn)（或軸）轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒?！稗D(zhuǎn)動(dòng)”是杠桿的特點(diǎn)?！霸诹Φ淖饔孟隆敝械牧κ侵缸饔迷诟軛U上的動(dòng)力和阻力。動(dòng)力使杠桿繞固定點(diǎn)朝某一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)；阻力則阻止杠桿繞固定點(diǎn)朝某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)?！坝舶簟笔侵甘芰笮巫兛梢院雎圆挥?jì)的物體。這里說(shuō)的棒是廣義的，不僅僅是直棍，外形可以是多種多樣的。例如：筷子是直的，剪刀是彎的，獨(dú)輪車、自動(dòng)卸貨汽車的翻斗從外形上看根本不是“棒”，但是它們?cè)诹Φ淖饔孟露寄芾@某一固定點(diǎn)（或軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它們都是杠桿。構(gòu)成杠桿一般有五個(gè)要素：支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂。如圖，是一支桿秤，O為支點(diǎn)，稱錘F是動(dòng)力，稱鉤上的重物G為阻力，BO是動(dòng)力臂，AO是阻力臂。支點(diǎn)杠桿上的固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸就是杠桿的支點(diǎn)，或者說(shuō)，在外力的作用下杠桿可以繞杠桿上某一點(diǎn)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這一點(diǎn)就是支點(diǎn)。有的杠桿的支點(diǎn)直觀、固定。例如，鉗子的軸，門的軸等。有些情況下，杠桿上沒有直觀的、固定的轉(zhuǎn)軸，例如開啟瓶蓋的起子、釣魚桿、筷子等。根據(jù)使用情況，可以判斷支點(diǎn)的位置。特殊情況下，杠桿上有明顯的轉(zhuǎn)軸，但這個(gè)軸不一定是杠桿的支點(diǎn)。當(dāng)把獨(dú)輪車整體看成是一個(gè)杠桿時(shí)，車輪可以繞車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但這不是整個(gè)獨(dú)輪車的支點(diǎn)。車輪與地面的接觸點(diǎn)才是獨(dú)輪車整體的支點(diǎn)。如圖2。另一類特殊情況是支點(diǎn)可以移動(dòng)。例如羊角錘在起釘子時(shí)，起初羊角錘的支點(diǎn)如圖3（甲）所示：隨著釘子的拔出，支點(diǎn)后移，如圖3（乙）所示。力臂從支點(diǎn)到力的作用線的距離叫力臂?！傲Φ淖饔镁€”就是通過(guò)力的作用點(diǎn)，沿著力的方向所引的直線。圖中，過(guò)動(dòng)力F1的作用點(diǎn)B，引直線PQ，過(guò)阻力F2的作用點(diǎn)A引直線MN。PQ、MN分別是力F1、F2的作用線。從支點(diǎn)O到動(dòng)力F1作用線PQ的垂直距離OD，就是動(dòng)力F1的動(dòng)力臂；從支點(diǎn)O到阻力F2的作用線MN的垂直距離OC，就是阻力F2的阻力臂。畫力臂的具體步驟為：①明確支點(diǎn)所在位置；②畫出力的作用線；③用幾何的方法過(guò)支點(diǎn)向力的作用線引垂線；④支點(diǎn)到垂線垂足的距離就是這個(gè)力的力臂。如下圖。力臂不是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)間的連線距離。圖（甲）中，動(dòng)力F1的動(dòng)力臂是L1而不是OB，阻力F2的阻力臂是L2而不是OA。只有當(dāng)如圖（乙）
36所示的特殊情況下，F(xiàn)1⊥OB、F2⊥OA才有L1=OB，L2=OA．杠桿的平衡條件（杠桿原理）當(dāng)杠桿靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，杠桿為平衡狀態(tài)。要使杠桿平衡須使作用在杠桿上的動(dòng)力和阻力的大小跟它們的力臂成反比：阻力動(dòng)力臂=動(dòng)力阻力臂用F1表示動(dòng)力，F(xiàn)2表示阻力，L1表示動(dòng)力臂，L2表示阻力臂，上式可記作FL21=FL12也可以改寫成：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂即F1·L1=F2·L2這就是杠桿平衡的條件，又叫做“阿基米德杠桿原理”，當(dāng)杠桿受力滿足杠桿平衡條件時(shí)，杠桿必處于平衡狀態(tài)。杠桿的應(yīng)用人類經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，在生產(chǎn)、生活的實(shí)踐中大量應(yīng)用杠桿原理，使用了各式各樣的杠桿。盡管杠桿的式樣紛繁復(fù)雜，但從省力費(fèi)力的原則可以大致分為：1．省力杠桿根據(jù)杠桿平衡條件：F1L1=F2L2可知，動(dòng)力臂大于阻力臂，則動(dòng)力小于阻力。在搬運(yùn)重物時(shí)用撬棍，剪鐵片的剪子，鉗子等都屬于這類省力杠桿。這類杠桿的動(dòng)力作用點(diǎn)的移動(dòng)距離大于阻力作用點(diǎn)的移動(dòng)距離，省力不省功。2．費(fèi)力杠桿根據(jù)杠桿平衡條件F1L1=F2L2可知，動(dòng)力臂小于阻力臂，則動(dòng)力大于阻力。這類費(fèi)力杠桿中比較典型的有：鑷子、理發(fā)用剪子、釣魚桿。這類杠桿的動(dòng)力作用點(diǎn)的移動(dòng)距離小于阻力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離，省距離也不省功。3．等臂杠桿動(dòng)力臂等于阻力臂的杠桿，如天平、定滑輪等。這類杠桿不省力也不省距離。我國(guó)古代的杠桿我國(guó)古代杠桿的使用可以追溯到遠(yuǎn)古原始人用棍棒與野獸搏斗?？脊虐l(fā)現(xiàn)石器時(shí)代（距今200～300萬(wàn)年）人們所用的石刃、石斧等都以天然繩索將它們和木柄捆在一起或在石器上鑿孔，裝上木把。這表明古代的人們已經(jīng)懂得杠桿的經(jīng)驗(yàn)法則：延長(zhǎng)力臂，節(jié)省動(dòng)力。杠桿在中國(guó)古代的典型應(yīng)用是秤的發(fā)明及廣泛使用。迄今為止，考古發(fā)現(xiàn)最早的秤是長(zhǎng)沙左家公山上楚墓中的天平，它是公元前第四到第三世紀(jì)的物品，是個(gè)等臂桿秤。到了春秋時(shí)期（孔子的時(shí)代，距今2千多年）產(chǎn)生了不等臂桿秤。古代中國(guó)人民還發(fā)明有兩個(gè)支點(diǎn)的秤，俗稱銖（zhū）秤。使用這種秤，變動(dòng)支點(diǎn)，而不需要換秤桿就可以秤量較重的物體。這是中國(guó)人在衡器上的重大發(fā)明之一，同時(shí)表明中國(guó)人在實(shí)踐中完全掌握了
37西方人阿基米德發(fā)現(xiàn)的杠桿原理。我國(guó)古代的勞動(dòng)人民還發(fā)明了桔槔，用作從井中汲水的工具。人們?cè)诰詷渖匣蚣茏由蠏煲桓軛U，一端系水桶，一端墜大石塊，杠桿的一起一落，汲水可以省力。桿秤我國(guó)古代勞動(dòng)人民發(fā)明的一種測(cè)量物體質(zhì)量的工具。它的結(jié)構(gòu)如圖甲所示。桿秤由秤桿、秤鉤（盤）、秤砣，提紐（支點(diǎn)）組成。桿秤以提紐O為支點(diǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)軸），支點(diǎn)O的左側(cè)B點(diǎn)是桿秤的重力作用點(diǎn)即重心，將秤砣P左右移動(dòng)找到一個(gè)合適的位置A使桿秤水平平衡。根據(jù)杠桿原理有G·OB=P·OA①A點(diǎn)叫稈秤的定盤星。如果用桿秤稱物體W，將秤砣移到A′點(diǎn)，使桿秤再度平衡，如圖（乙）所示。于是有杠桿平衡方程：W·OC+G·OB=P·(OA+AA′)②整理①、②式可得AA′PW=P=AA′OCOCP和OC是定值，所以被稱物體W的質(zhì)量m正比于AA的長(zhǎng)度，A′的刻度就是W的相應(yīng)的質(zhì)量數(shù)。定滑輪一個(gè)可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，周圍有槽的輪子。輕質(zhì)繩子穿在有槽的輪子上，繩的兩端分別掛重物或者用手（或機(jī)械）牽拉。定滑輪在使用過(guò)程中，滑動(dòng)輪的中心軸固定不動(dòng)。定滑輪可以看成是一個(gè)杠桿，定滑輪的中心軸就是杠桿的支點(diǎn)，跨過(guò)滑動(dòng)輪的繩子兩端分別施加動(dòng)力和阻力。動(dòng)力、阻力的方向都與滑動(dòng)輪的邊緣相切，所以動(dòng)力臂與阻力臂都是滑動(dòng)輪的半徑R。因此，定滑輪實(shí)質(zhì)上是等臂杠桿，如圖所示。定滑輪不省力也不費(fèi)力，它的作用是改變力的方向。動(dòng)滑輪中心軸與重物可以一起移動(dòng)的滑輪，如圖甲所示。動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它以輪子的邊緣O′作為瞬時(shí)支點(diǎn)，而滑輪的中心軸是阻力的作用點(diǎn)。動(dòng)力F作用在滑輪的另一側(cè)邊緣。由此可見，動(dòng)滑輪是一個(gè)動(dòng)力臂為滑輪的直徑，阻力臂為滑輪的半徑，支點(diǎn)在一側(cè)的省力杠桿，如圖乙。GR＝2R·F1F=G2當(dāng)動(dòng)滑輪的質(zhì)量及各部分之間摩擦忽略不計(jì)時(shí)，動(dòng)滑輪省力一半。但
38是提升繩子的距離是重物提升距離的2倍，動(dòng)滑輪不省功。動(dòng)滑輪在使用中不能改變力的方向，為了使用方便，常與定滑輪組合成滑輪組使用，既省力又方便?；喗M由于一個(gè)動(dòng)滑輪可以省力一半，但不能改變力的方向；而定滑輪雖然不省力也不費(fèi)力，卻可以改變力的方向，所以把兩個(gè)或兩個(gè)以上的滑輪組合起來(lái)，一部分充當(dāng)動(dòng)滑輪，另一部分充當(dāng)定滑輪，這就是滑輪組。圖是由一個(gè)動(dòng)滑輪和一個(gè)定滑輪組成的最簡(jiǎn)單的滑輪組。在使用滑輪組時(shí)，只能省力，不能省功。省力就要多移動(dòng)距離。在給滑輪組繞線時(shí)，不同的繞線方法省力的多少不同，圖甲中，承擔(dān)重物的重力的有兩段繩子，所以甲圖所示的連線方式省力一半；圖乙中，1承擔(dān)重物重力的有三段繩子，所以F′＝G，但是沒有改變力的方向。3需要注意的是，上述分析中都沒有考慮滑輪和繩子的質(zhì)量，也沒有考慮輪與軸之間的摩擦，在實(shí)際應(yīng)用中需要的力要大一些。判斷滑輪組省力情況的方法是：將動(dòng)滑輪組與定滑輪組“隔離”開，然后數(shù)一數(shù)與動(dòng)滑輪相連的繩子有多少股。設(shè)股數(shù)為n，則拉動(dòng)滑輪組繩G的自由端所需的力為F＝。n輪軸輪軸由輪和軸組合而成，凡能繞共同軸線旋轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單機(jī)械都叫做輪軸。圖為輪軸的示意圖。其中半徑較大的是輪，半徑較小的是軸。當(dāng)動(dòng)力和阻力分別作用于輪和軸的邊緣時(shí)，起著力臂作用的分別是它們的半徑。所以輪軸的實(shí)質(zhì)是可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿。常見的輪軸有：農(nóng)村中提水的轆轤、汽車的方向盤、自行車的車把，收音機(jī)的旋紐??輪軸裝置中，輪和軸不一定由整個(gè)輪子組成，例如發(fā)動(dòng)機(jī)車用的搖把，就只是如圖所示的一根金屬棒。只要力臂由半徑來(lái)代替并保持連續(xù)旋轉(zhuǎn)，就叫輪軸。輪軸的中軸線是它的支點(diǎn)，動(dòng)力F1和阻力F2分別作用在輪和軸的邊緣上。動(dòng)力臂、阻力臂分別是輪半徑R和軸半徑r。在輪軸靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每時(shí)每刻都滿足杠桿平衡條件：Fr1F1R1=F2r或=FR2這表明輪半徑R是軸半徑的幾倍，作用在輪上的動(dòng)力就是作用在軸上的阻力F2的幾分之一。同時(shí)，動(dòng)力作用點(diǎn)在輪邊緣轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)是阻力作用在軸上的作用點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)的幾倍。
39當(dāng)阻力作用在輪上，動(dòng)力作用在軸上時(shí)，輪軸費(fèi)力而省弧長(zhǎng)，例如自行車后輪上的飛輪與后輪所構(gòu)成的輪軸就是費(fèi)力輪軸。組合機(jī)械在實(shí)際生活、生產(chǎn)中，人們?yōu)榱俗畲笙薅鹊乩酶鞣N簡(jiǎn)單機(jī)械的功能，常常根據(jù)需要和可能將滑輪、杠桿、輪軸以及斜面等簡(jiǎn)單機(jī)械組合起來(lái)，去完成某一特定的工作。這種簡(jiǎn)單機(jī)械的組合稱作組合機(jī)械。自行車就是一個(gè)很典型的組合機(jī)械。如圖所示。自行車的傳動(dòng)系統(tǒng)中使用了輪軸（腳蹬和輪盤大腿，飛輪和后輪），自行車的前輪的車把以及剎車系統(tǒng)多次利用杠桿傳遞剎車動(dòng)作。如果你把自行車車鈴蓋打開，按動(dòng)車鈴，車鈴內(nèi)也多次利用杠桿傳動(dòng)。生活中使用的機(jī)器，盡管很復(fù)雜，但是從原理上看，很多部分都是由簡(jiǎn)單機(jī)械組合而成。起重機(jī)起重機(jī)用途廣泛，種類繁多，不同的起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能各異，但是從根本上說(shuō)，它是一種組合機(jī)械，即由簡(jiǎn)單機(jī)械組合而成。圖為一塔臺(tái)起重機(jī)的示意圖。從圖中可知，起重機(jī)至少要包括：滑輪組、杠桿和輪軸三種簡(jiǎn)單機(jī)械。重物G、起重臂AO、拉索AC構(gòu)成以O(shè)為軸的杠桿。BC是一組滑輪組，在起重機(jī)的下端有一組由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的輪軸，它的工作使起重機(jī)的起重臂上下活動(dòng)；使起重機(jī)吊鉤上下移動(dòng)。功物體在力F作用下，沿力的方向移動(dòng)了一段距離s，就是力F對(duì)物體做了功。功的大小W等于力和沿力的方向上移動(dòng)的距離的乘積，記作W＝Fs功的國(guó)際單位制單位是焦。1焦＝1牛·1米＝1?！っ?。做功有兩個(gè)不可缺少的因素：一是有力作用在物體上；二是物體沿力的方向移動(dòng)了距離。在判斷一個(gè)力是否對(duì)物體做功時(shí)，這兩個(gè)條件缺一不可。人提著水桶沿水平方向運(yùn)動(dòng)了一段距離，人對(duì)桶的拉力的方向豎直向上，人提水桶運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，拉力對(duì)桶不做功；用水平力F推（或拉）物體沿水平方向前進(jìn)一段距離，力F對(duì)物體做了功；物體在粗糙的水平面上運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦力作用在物體上，滑動(dòng)摩擦力的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反。我們就說(shuō)物體克服滑動(dòng)摩擦力做了功。如果力的方向與物體移動(dòng)方向不在一直線上，例如物體在與水平面成θ角的拉力作用下沿水平方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，拉力對(duì)物體也做了功，但功的計(jì)算方法要到高中物理中再學(xué)習(xí)。力對(duì)物體做功所產(chǎn)生的效果是改變物體的狀態(tài)，使物體發(fā)生位置或速度的改變，如果力的方向與物體移動(dòng)的方向相同或大致相同，即力與物體移動(dòng)方向的夾角小于90°，力對(duì)物體做的功起著增加物體運(yùn)動(dòng)的作用。如
40果力的方向與物體移動(dòng)的方向相反或大致相反，即力與物體移動(dòng)方向的夾角大于90°，力對(duì)物體做的功起著阻礙物體運(yùn)動(dòng)的作用，一般常說(shuō)物體克服這個(gè)力做功。如果力的方向與物體移動(dòng)的方向垂直，即力與物體移動(dòng)方向的夾角為90°時(shí)，力對(duì)物體不做功。功的原理又稱機(jī)械功的原理。動(dòng)力對(duì)機(jī)械做的功等于機(jī)械克服阻力的功，任何機(jī)械都不省功。在使用機(jī)械時(shí)，凡是省力的機(jī)械動(dòng)力都要多移動(dòng)距離；凡是省距離的機(jī)械都要費(fèi)力。既省力又少移動(dòng)距離的機(jī)械是不存在的。在理想情況下，W動(dòng)力＝W有用或者說(shuō)輸入功等于輸出功。但是實(shí)際情況下，在動(dòng)力對(duì)機(jī)械做功的同時(shí)總會(huì)有能量的損失，所以輸入功應(yīng)該等于輸出功與損失功的和記作：W輸入＝W輸出＋W損失或W動(dòng)力＝W有用＋W無(wú)用動(dòng)力功等于有用功與無(wú)用功之和。例如，一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)輪軸提升重物，電動(dòng)機(jī)輸出給輪軸的功對(duì)輪軸來(lái)講叫輸入功，輪軸在提升重物時(shí)要克服摩擦，在實(shí)際情況下繩子的重力也不能忽略，只有提升重物的功才是有用功，所以輪軸的功能原理的表達(dá)式可寫作W輸入＝W摩擦＋W繩＋W有用斜面一種簡(jiǎn)單機(jī)械，如圖所示，它可以用來(lái)減少垂直提升重物帶來(lái)的困難。圖中，設(shè)斜面光滑，長(zhǎng)為l，高為h。用沿斜面方向向上的力F把重力為G的物體A沿斜面從底端C出發(fā)勻速地拉到頂端B。力F所做的功為W1＝Fl。豎直將重物A勻速地提高h(yuǎn)到達(dá)頂端B點(diǎn)，需要克服重力做功W2＝Gh。根據(jù)功的原理任何機(jī)械都不省功，W1＝W2Fl＝GhhF=Glh由幾何知識(shí)可知＜1l所以F＜G使用斜面省力，但不省功，將物體沿斜面拉上斜面，做功的距離增加，要想更省力，就應(yīng)使l更長(zhǎng)，也就是減小斜面的坡度。詹天佑先生在京張鐵路設(shè)計(jì)中采用人字型爬坡的方案就是減小斜面坡度，增大牽引距離的實(shí)例。有用功在使用機(jī)械做功時(shí)，對(duì)機(jī)械要施加動(dòng)力，機(jī)械要克服阻力。
41動(dòng)力做的功稱為總功、輸入功、動(dòng)力功。機(jī)械克服阻力做的功叫阻力功。阻力功在通常的情況下可分為兩部分：一部分是克服有用的阻力做的功，叫做有用功，或者叫輸出功，另一部分是克服無(wú)用阻力做的功叫額外功或叫無(wú)用功。所以功的原理可以寫成W總功＝W有用＋W額外例如，在利用不光滑的斜面提升重物時(shí)，沿斜面方向向上的拉力做的功是輸入功，克服重力做的功是有用功，克服物體與斜面之間摩擦力所做的功是額外功。總功參看“有用功”。機(jī)械效率有用功與總功的比值叫做機(jī)械效率，用η表示機(jī)械效率，則WWP有有有η＝×100％＝×100％＝×100％WW+WP總有額總當(dāng)額外功等于零時(shí)，機(jī)械的機(jī)械效率為100％，這是一種理想狀況，實(shí)際情況中無(wú)用功都大于零，有用功都比總功小，所以機(jī)械的機(jī)械效率都小于100％。機(jī)械效率是一個(gè)小于1的百分?jǐn)?shù)，無(wú)單位。機(jī)械效率表示有用功在總功中所占的百分比，要提高機(jī)械效率的辦法是減少額外功在總功中的百分比。通常人們采用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，加潤(rùn)滑油，改進(jìn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)，減輕機(jī)械的自重等方法來(lái)減少額外功，提高機(jī)械效率。不能認(rèn)為單純?cè)黾佑杏霉騿渭兊販p少額外功就可以提高機(jī)械的機(jī)械效率。因?yàn)榕c此同時(shí)總功也會(huì)相應(yīng)地增加或減少，機(jī)械效率可能不會(huì)改變。功率表示做功的快慢的物理量。它不但與力做功的多少有關(guān)，而且與做這些功時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。做相同的功所用時(shí)間短的力做功快；在相同時(shí)間內(nèi)做功多的力，做功快。物理學(xué)中定義，每秒鐘做功的多少叫做功率，用符號(hào)P表示功率，W表示功，t表示做功時(shí)間則WP=t在國(guó)際單位制中功率的單位是瓦。1瓦＝1焦／秒。常用的功率的單位有：馬力、千瓦。1馬力＝735瓦，1千瓦＝1000瓦。若將W＝F·s代入功率的定義式WF·sP＝＝＝F·vtt這就是說(shuō)計(jì)算某一力的在某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率可用這個(gè)力乘以物體在該時(shí)刻的速度。對(duì)比之下P＝W/t所求出的功率，是一段時(shí)間內(nèi)的平均功率，當(dāng)F為平均作用力、v為平均速度時(shí)，P＝F·v算出的也是平均功率。額定功率按照設(shè)計(jì)的要求，使機(jī)械在正常的工作條件下所能達(dá)到的最大功率叫做機(jī)械的額定率，也就是平常說(shuō)的機(jī)械的功率。機(jī)械的額定功
42率出廠前，將它刻在機(jī)器的銘牌上。根據(jù)P＝F·v，F(xiàn)代表牽引力，v代表機(jī)械的運(yùn)行速度。在速度一定時(shí)，增大實(shí)際功率，可獲得較大牽引力。在機(jī)械達(dá)到額定功率之后要想再增加機(jī)械的牽引力，就必須降低運(yùn)行速度。汽車在上坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)到額定功率，速度很慢，牽引力卻非常大?？吭龃髾C(jī)械的功率、降低運(yùn)行速度來(lái)取得強(qiáng)大的牽引力是有限度的，超過(guò)了機(jī)械的額定功率或機(jī)械所能發(fā)出的最大作用力會(huì)縮短機(jī)械的壽命，甚至損壞機(jī)械。當(dāng)汽車在平直公路上只需要較小的牽引力速度可以很大，但是汽車的牽引不能小于阻力，否則汽車就會(huì)減速。當(dāng)牽引力等于阻力f，汽車獲得最大速度vm＝p額／f阻。所以人們稱P＝F·v為“牛馬公式”，意思是說(shuō)牽引力大速度就小好似“老?！?，速度大了，牽引力就減小了，好似“快馬”。焦耳（1818—1889）英國(guó)物理學(xué)家。他是發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律的代表人物之一。他的一系列精密的實(shí)驗(yàn)為能量守恒的原理提供了可靠的根據(jù)。焦耳在1840測(cè)量了電流通過(guò)電阻絲的發(fā)熱情況總結(jié)出焦耳定律Q＝I2Rt。焦耳用漿輪在水中旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)的方法直接進(jìn)行機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膶?shí)驗(yàn)，證實(shí)了熱不是一種物質(zhì)而是能量的一種形式，熱傳遞是能量傳遞的一種形式。焦耳還相當(dāng)精確地測(cè)定了產(chǎn)生單位熱量所需功的量值。為紀(jì)念焦耳的貢獻(xiàn)，以他的名字命名了能量的單位。1焦＝1?！っ祝?瓦·秒。瓦特（1736—1819）英國(guó)發(fā)明家、工程師。他是世界公認(rèn)的蒸汽機(jī)發(fā)明家，蒸汽機(jī)的使用導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命的興起，極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。在瓦特之前蒸汽機(jī)就已經(jīng)發(fā)明了，但是那種蒸汽機(jī)笨重、效率低、不實(shí)用。瓦特總結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)發(fā)明了冷凝器，發(fā)明了利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)把直線運(yùn)動(dòng)改變成轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，發(fā)明了利用飛輪解決轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。使得蒸汽機(jī)的效率大大提高，實(shí)用性大大加強(qiáng)，很快在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的推廣和應(yīng)用。瓦特為人虛心好學(xué)，刻苦鉆研，十分重視理論的研究，并且將理論和實(shí)踐相結(jié)合，這是他獲得成功的根本原因。為了紀(jì)念瓦特的貢獻(xiàn)，以他的名字命名了功率的單位，規(guī)定1瓦＝1焦／秒。動(dòng)能物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量或者說(shuō)物體由于具有速度而具有的能量。運(yùn)動(dòng)著的物體能做功。流水可以推動(dòng)河里的小船做功，流水具有動(dòng)能；風(fēng)可以吹動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，風(fēng)具有動(dòng)能。靜止在槍膛里的子彈沒有速度，不具
43有殺傷能力，當(dāng)開槍后，子彈以很大的速度從槍口飛出來(lái)，高速運(yùn)動(dòng)的子彈具有強(qiáng)大的殺傷能力，運(yùn)動(dòng)的子彈具有動(dòng)能。物體的動(dòng)能大小由物體的質(zhì)量（m）和物體運(yùn)動(dòng)的速度大小v來(lái)決定。質(zhì)量越大，物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，物體的動(dòng)能就越大。不能說(shuō)運(yùn)動(dòng)的物體具有的能量叫做動(dòng)能。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的物體除具有動(dòng)能之外還具有其它形式的能，例如勢(shì)能、內(nèi)能、原子核能等。重力勢(shì)能物體由于被舉高也具有能量，這種能叫重力勢(shì)能，因?yàn)橹匚飶母咛幝湎聲r(shí)，重力能夠做功。物體的重力勢(shì)能的大小由物體的質(zhì)量（m）、和物體被舉高的高度（h）等所決定。在地球上同一個(gè)高度上，質(zhì)量大的物體重力勢(shì)能大，同一物體重力勢(shì)能大小與參考水平面的選取有關(guān)，因?yàn)檫x取不同的水平面物體相對(duì)各水平的高度是不同的。由于相對(duì)高度不一樣，同一物體的重力勢(shì)能是不同的，在處理重力勢(shì)能問(wèn)題務(wù)必要弄清楚，以那一個(gè)平面為參考水平面。彈性勢(shì)能物體由于發(fā)生了彈性形變而具有的能叫做彈性勢(shì)能。因?yàn)槲矬w在恢復(fù)彈性形變的時(shí)候能夠做功。例如被拉長(zhǎng)的橡皮筋被釋放可以做功，被壓縮的彈簧、張開的弓都具有做功的本領(lǐng)，它們具有彈性勢(shì)能。動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化自然界中物質(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)著不同的能量形式。運(yùn)動(dòng)著的物體具有動(dòng)能，被舉高的物體具有重力勢(shì)能。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生變化的時(shí)候，其能量的存在形式也就發(fā)生了變化。被舉高的物體具有重力勢(shì)能，當(dāng)它自由落下時(shí)，就會(huì)在重力的作用下運(yùn)動(dòng)。隨著高度越來(lái)越低，重力勢(shì)能越來(lái)越??；速度越來(lái)越快，動(dòng)能越來(lái)越大。在這個(gè)進(jìn)程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。一輛關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車沖上斜坡時(shí)，隨著高度的增加，重力勢(shì)能越來(lái)越大，隨著速度的不斷減少，汽車的動(dòng)能越來(lái)越小，在這個(gè)過(guò)程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。機(jī)械能中的動(dòng)能和勢(shì)能之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。機(jī)械能是指物體在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中所具有的能量。機(jī)械能包括動(dòng)能和勢(shì)能兩種不同的形式。勢(shì)能又分為重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能等。在力學(xué)中動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒定律機(jī)械能中動(dòng)能可以轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，勢(shì)能也可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。如果沒有摩擦和周圍物質(zhì)的阻力，而且物體只發(fā)生動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能的總量保持不變。如圖用一細(xì)繩拎著一個(gè)小球懸在一定點(diǎn)，當(dāng)它在豎直平面擺動(dòng)時(shí)，在擺動(dòng)的過(guò)程中小球在到達(dá)弧線的頂點(diǎn)時(shí)具有重力勢(shì)能，而動(dòng)能為零。隨著擺球的高度的下降，擺球的動(dòng)能增加，勢(shì)能減小，當(dāng)擺球下降到最低點(diǎn)時(shí)，擺球的動(dòng)能最大，重力勢(shì)能的減少使得擺球的動(dòng)能增加，重力勢(shì)能的減少量等于擺球動(dòng)能的增加量。擺球繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)另一側(cè)弧線的頂點(diǎn)，動(dòng)能的減少又全部轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能的增加?；【€的兩頂點(diǎn)在同一水平面上，也就是兩點(diǎn)等高。根據(jù)機(jī)械能守恒
44定律，如果沒有阻力，如此往復(fù)過(guò)程將永遠(yuǎn)進(jìn)行下去。這種裝置的名稱叫單擺。滾擺又稱麥克斯韋擺。它是在學(xué)習(xí)機(jī)械能時(shí)，用來(lái)演示重力勢(shì)能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化的儀器。其裝置如圖所示。一個(gè)質(zhì)量較大的，中心穿有一根軸的均勻擺輪用兩根很輕的線懸于固定在同一水平面的兩點(diǎn)上。演示前，先調(diào)整懸繩，使擺輪處于水平最低位置。然后轉(zhuǎn)動(dòng)擺輪，使懸繩均勻地繞在擺輪的軸上，直至擺輪上升到懸繩的最上部，并且保持?jǐn)[輪的軸與水平地面平行。此時(shí)擺輪相對(duì)于最低位置具有一定的重力勢(shì)能，動(dòng)能為零。當(dāng)由靜止釋放擺輪，在重力和懸繩拉力的共同作用下，擺輪邊旋轉(zhuǎn)，邊下降。隨著擺輪的下降，擺輪的重力勢(shì)能不斷減少，轉(zhuǎn)化成擺輪的動(dòng)能，擺輪越轉(zhuǎn)越快，而且擺輪向下運(yùn)動(dòng)的速度也越來(lái)越快，擺輪的動(dòng)能越來(lái)越大。當(dāng)懸繩全部伸開時(shí)，擺輪的重力勢(shì)能不再減少，動(dòng)能達(dá)到最大值。由于慣性，擺輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，擺輪軸又開始把懸線繞在軸上，使得擺輪開始上升。在上升的過(guò)程中，隨著重力勢(shì)能的不斷增加，擺輪越轉(zhuǎn)越慢，擺輪的上升的速度也越來(lái)越慢。直到擺輪上升到出發(fā)位置時(shí)，擺輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，停止上升。接著又開始新的一輪下降、上升??實(shí)際上，擺輪每次下降后再上升都不會(huì)上升到原來(lái)的高度。這是摩擦力等作用的結(jié)果，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。如果沒有摩擦等阻力的作用，滾擺擺輪每次上升的高度都應(yīng)與最初高度相同。即滾擺的動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量保持不變。這樣滾擺的運(yùn)動(dòng)不但說(shuō)明了動(dòng)能勢(shì)能之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，而且還驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。張衡生于公元78年，卒于公元139年，是我國(guó)東漢時(shí)代偉大的天文學(xué)家。張衡青少年時(shí)期刻苦學(xué)習(xí)，十幾歲的時(shí)候就已經(jīng)讀了很多書，文章寫得很出色。為求新知，17歲那年，他離開了家，先到了西京長(zhǎng)安（現(xiàn)在西安），后來(lái)又到了東京洛陽(yáng)。這階段，他潛心日夜用功讀書，跟一些學(xué)者和朋友研究學(xué)問(wèn)。他花費(fèi)了10年的功夫，在29歲時(shí)，完成了兩篇著名的文學(xué)作品《東京賦》和《西京賦》。在這兩篇文章中，描寫了洛陽(yáng)和長(zhǎng)安的繁華，同時(shí)諷刺了那些過(guò)著荒淫無(wú)恥生活的官僚貴族。34歲時(shí)，張衡在京里做了郎中。此期間，他讀了不少書，其中西漢末年學(xué)者楊雄寫的《太玄經(jīng)》中，文學(xué)和數(shù)學(xué)方面的問(wèn)題，使張衡產(chǎn)生了濃厚的興趣，他開始精心鉆研天文學(xué)。他先后兩次擔(dān)任東漢王朝的太史令，主要職責(zé)是管轄天文學(xué)、地學(xué)和其它奇異自然現(xiàn)象的觀測(cè)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期對(duì)日月星辰的觀察，探索它們?cè)谔炜绽锏倪\(yùn)行規(guī)律，張衡提出了“渾天論”假說(shuō)，認(rèn)為天好像雞蛋殼，包在地的外面，地好像雞蛋黃在天的中央。張衡根據(jù)他的“渾天說(shuō)”，創(chuàng)造了世界上第一架自動(dòng)的天文儀器——漏水轉(zhuǎn)動(dòng)渾天儀，也叫天球儀，上面刻著恒星、南極北極、經(jīng)度緯度、赤道黃道
45等。人們?cè)谖葑永锞涂梢灾滥念w星星在什么位置?，F(xiàn)在北京建國(guó)門觀象臺(tái)上的天球儀，是清朝鑄造的，與張衡所造的大體相仿。張衡還巧妙地運(yùn)用慣性原理，設(shè)計(jì)制造了“候風(fēng)地動(dòng)儀”。創(chuàng)造了世界上第一架觀測(cè)氣象的儀器“候風(fēng)鳥”（又叫相風(fēng)銅鳥），也就是風(fēng)向儀。對(duì)我國(guó)天文學(xué)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。他在數(shù)學(xué)和繪畫等方面也有很深的造詣，是世界史中罕見的全面發(fā)展的人物。聲音的產(chǎn)生各種振動(dòng)著的物體，能使它周圍的空氣發(fā)生疏密的變化，形成疏密相間的波動(dòng)向外傳播，這種振動(dòng)傳入人耳，帶動(dòng)人的耳膜振動(dòng)，人們就感覺到了聲音。聲音的產(chǎn)生有兩個(gè)重要的條件：第一需要有聲源，即振動(dòng)的物體；第二需要有傳播振動(dòng)的媒質(zhì)，如空氣。（正常的）人耳一般能感受到的聲音頻率范圍是：20赫茲至2×104赫茲。這個(gè)范圍以外的聲音不能引起人耳膜的共振，人是聽不到的。聲音的傳播、聲速聲源的振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的方式基本有兩種，第一種是媒質(zhì)的振動(dòng)方向和聲音的傳播方向垂直；另一種是媒質(zhì)的振動(dòng)方向和聲音的傳播方向在一條直線上。例如，空氣中聲音的傳播是第二種形式；而聲音在鋼鐵中則兩種傳播形式都存在。由于媒質(zhì)不同，傳播方式不同及溫度不同，聲音在不同媒質(zhì)中傳播的速度不一樣。聲音在0℃的空氣中傳播的速度是332米／秒，在20℃是344米／秒。聲音在水中的速度是1450米／秒，在玻璃中的速度是5500米／秒。聲音的反射如圖，聲音沿直線AO方向傳播，在傳播過(guò)程中，如果遇到障礙物PQ，PQ的表面就把聲音反射回來(lái)。并且反射角∠BON等于入射角∠AON。反射回來(lái)的聲音再傳入人耳，人感覺到的就是回聲，如果在幾個(gè)障礙物之間喊一聲，就可以聽到多次反射回聲。北京天壇公園的回音壁、三音石都是著名的產(chǎn)生回聲的人造環(huán)境。聲音的繞射聲音在空氣中傳播，一般沿直線傳播，遇到障礙物，如果障礙物的長(zhǎng)度不太大，聲音就要繞過(guò)障礙物的現(xiàn)象?！奥勂渎暡灰娖淙恕本褪堑湫偷穆曇衾@射現(xiàn)象。如果障礙物太大，如高大的樓房，聲音的繞射現(xiàn)象就不明顯，所以在高大的建筑物后面，一般聽不到前邊的聲音。樂音好聽、悅耳的聲音。各種樂器發(fā)出的聲音都是樂音，語(yǔ)言的元音也是樂音。樂音是做周期性振動(dòng)的聲源發(fā)出的。樂音的三個(gè)特征是：音調(diào)、響度和音品。音調(diào)決定著樂音的高低；響度決定個(gè)人對(duì)樂音強(qiáng)弱的感覺；音品的不同使我們能夠區(qū)別不同樂器發(fā)出的聲音。音調(diào)聲音的高低。它是由發(fā)聲物體振動(dòng)頻率的高低決定的，頻率高，音調(diào)就高；頻率低，音調(diào)就低。樂音的頻率范圍在30赫～5000赫。C調(diào)“1”的頻率是256赫，“2”的頻率是288赫，“3”的頻率是320赫，??
46“i”的頻率是512赫。音調(diào)低，聽起來(lái)深沉有力；音調(diào)高，聽起來(lái)高亢激躍。音品（音質(zhì)）同一音調(diào)用不同的樂器演奏，人的感覺不同，并能分辨出不同樂器的聲音，這是由于樂器的音品不同。樂器發(fā)出的樂音并非單一頻率的純音，而是由不同純音組成，它是由一個(gè)頻率最低的基音和其它不同頻率的泛音組成，音品是由泛音的多少、泛音的頻率和泛音的強(qiáng)弱來(lái)決定的。同樣奏出“1”這個(gè)音符，鋼琴演奏時(shí)，泛音多，則聽起來(lái)豐滿。而用笛子演奏，泛音少，則聽起來(lái)單調(diào)。響度和聲強(qiáng)空間的某一點(diǎn)的聲強(qiáng)由1秒鐘通過(guò)垂直聲音傳播方向的單位面積的聲能來(lái)確定。它是表示聲音客觀強(qiáng)度的物理量，單位是：“瓦／米2”。人對(duì)聲音強(qiáng)弱的感覺客觀上決定于聲強(qiáng)。所謂響度是人感覺到的聲音的強(qiáng)弱，它在客觀上決定于聲強(qiáng)大小，同時(shí)還與聲音的頻率有關(guān)，因?yàn)槿硕鷮?duì)不同頻率的聲音敏感程度不一樣，人耳對(duì)3000赫茲的聲音最敏感。噪聲及其防治聲源做無(wú)規(guī)則的非周期性的振動(dòng)，或由不同頻率和不同強(qiáng)度的聲音無(wú)規(guī)律地組合在一起，這樣的聲音傳入人耳，使人產(chǎn)生嘈雜、刺耳的感覺，人們常稱這種聲音為噪聲。但是，一般噪聲是指一切對(duì)人們生活和工作有妨礙的聲音。例如，電鋸鋸木頭，飛機(jī)起飛和降落等發(fā)出的聲音。噪聲對(duì)人們生活和身心健康都有影響。它可引起厭煩、影響休息，還可引起心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系的統(tǒng)疾病，強(qiáng)烈的噪聲會(huì)使人頭昏、頭暈，極強(qiáng)的噪聲甚至?xí)苯游＜叭说纳踩?。噪聲作為?guó)際公害，防治方法有很多種，但從原理上看不外乎有兩類，一類是減少或控制產(chǎn)生噪聲的聲源。如，飛機(jī)場(chǎng)建在遠(yuǎn)離城市的地方，改進(jìn)機(jī)器及操作方法等。另一類是防止噪聲的傳播。如，公路旁種樹，人戴上耳塞、耳罩等。
47四、溫度和熱量溫度表示物體冷熱程度的物理量。溫度的高低可以憑感覺來(lái)判斷，但往往不可靠。準(zhǔn)確、客觀地判斷和測(cè)量溫度需要使用溫度計(jì)。確切地說(shuō)，溫度是“溫標(biāo)”上的標(biāo)度，具體體現(xiàn)在選定溫標(biāo)的溫度計(jì)的刻度上。譬如，某一時(shí)刻的室溫是15攝氏度，水在一個(gè)大氣壓下沸騰的溫度是100攝氏度等等，這些溫度值就表示說(shuō)，用選定攝氏溫標(biāo)的溫度計(jì)測(cè)量上述環(huán)境下的溫度，當(dāng)溫度計(jì)與其周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)，從溫度計(jì)的刻度上反映出的溫度是15℃、100℃等等。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，物體溫度的高低反映了組成物體的大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)——分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。因此，溫度是組成物體的大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，溫度高就表示大量分子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈，盡管這時(shí)有少數(shù)分子的熱運(yùn)動(dòng)速率較小，但大量分子的平均動(dòng)能大；相反，溫度低，盡管這時(shí)有少數(shù)分子的熱運(yùn)動(dòng)速率仍較大，但大量分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能小。所以，對(duì)于單個(gè)分子來(lái)說(shuō)，不論它運(yùn)動(dòng)的速率快慢如何，溫度對(duì)它來(lái)說(shuō)是沒有意義的。溫標(biāo)溫度的數(shù)值表示法——為了量度物體溫度的高低而對(duì)溫度的零點(diǎn)和分度方法所作的一種規(guī)定，也就是溫度的單位制。歷史上曾出現(xiàn)過(guò)攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)等多種溫標(biāo)?，F(xiàn)在許多國(guó)家采用的國(guó)際單位制（我國(guó)統(tǒng)一實(shí)行的法定計(jì)量單位也是以國(guó)際單位制單位為基礎(chǔ)）中，作為基本溫標(biāo)是熱力學(xué)溫標(biāo)（又稱“開氏溫標(biāo)”、“絕對(duì)溫標(biāo)”）。為了建立溫度數(shù)值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際間規(guī)定以熱力學(xué)溫度為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一確定了與其它溫標(biāo)的溫度之間的量值關(guān)系?，F(xiàn)在所用的攝氏溫度、華氏溫度都已在這個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下重新做了規(guī)定。攝氏溫度一種使用廣泛的溫度。最初它是按攝氏溫標(biāo)確定的溫度。1742年攝爾西烏斯提出的攝氏溫標(biāo)（又稱“百分溫標(biāo)”）規(guī)定在一個(gè)大氣壓下水的冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度，中間分為100等份，每等份代表1攝氏度（規(guī)定溫度的變化跟玻璃水銀溫度計(jì)中水銀柱的高度變化成正比）。攝氏溫度用℃表示，例如20攝氏度記作“20℃”。在國(guó)際間規(guī)定以熱力學(xué)溫度建立溫度數(shù)值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后，上述的“攝氏溫標(biāo)”已不再使用?？紤]到人們長(zhǎng)期以來(lái)的使用習(xí)慣，仍然保留“攝氏溫度”這一名詞，但它有了新的意義。攝氏溫度t（℃）和熱力學(xué)溫度T（K）的關(guān)系是t＝T－273.15，一般可表示為：t＝T－273。作為溫度差1攝氏度（℃）等于1開爾文（K）。華氏溫度歷史上華氏溫度是按華氏溫標(biāo)確定的溫度。18世紀(jì)初華倫海特提出的華氏溫標(biāo)規(guī)定在一個(gè)大氣壓下水的冰點(diǎn)為32度。沸點(diǎn)為212度，中間分為180等份，每等份代表1華氏度（規(guī)定溫度數(shù)值根據(jù)玻璃水銀溫度計(jì)的水銀柱的高度進(jìn)行均分）。華氏溫度用F表示，例如68華氏度記作“68F”。在國(guó)際間規(guī)定以熱力學(xué)溫度建立溫度數(shù)值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后，
48上述的“華氏溫標(biāo)”已不再使用?，F(xiàn)在有些國(guó)家在某些情況下仍然繼續(xù)使用華氏溫度，它的含義是按與攝氏溫度值t的下述關(guān)系確定的：9華氏溫度值t=t=32F55作為溫度差1華氏度（F）的大小等于攝氏度。零攝氏度相當(dāng)于32華氏9度，100攝氏度相當(dāng)于212華氏度，人的正常體溫37攝氏度則相當(dāng)于98.6華氏度。熱力學(xué)溫度由熱力學(xué)溫標(biāo)所確定的溫度。1848年英國(guó)物理學(xué)家開爾文根據(jù)熱力學(xué)有關(guān)規(guī)律提出了熱力學(xué)溫標(biāo)（又稱“開氏溫標(biāo)”或“絕對(duì)溫標(biāo)”）。1954年和1967年兩屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)先后規(guī)定了熱力學(xué)溫度單位的定義和單位名稱，并于1960年國(guó)際計(jì)量大會(huì)決議規(guī)定將熱力學(xué)溫度單位作為國(guó)際單位制的七個(gè)基本單位之一。國(guó)際單位制中確定熱力學(xué)溫度的單位名稱叫做開爾文（代號(hào)的中文符號(hào)為開，國(guó)際符號(hào)為K）。按照規(guī)定，在一個(gè)大氣壓下水的冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度是273.15K，水的沸點(diǎn)是373.15K。作為溫度差，1開爾文（K）等于1攝氏度（℃）。熱力學(xué)溫度T（K）和攝氏溫度t（℃）的關(guān)系是T＝t＋273.15，一般可表示為：T＝t＋273。最低的熱力學(xué)溫度零開（OK）叫做絕對(duì)零度（相當(dāng)于－273.15℃），根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，絕對(duì)零度不可能達(dá)到，人們只能設(shè)法盡量接近它?，F(xiàn)在的超低溫技術(shù)已經(jīng)陸續(xù)獲得毫開（mK）級(jí)甚至微開（μK）級(jí)的超低溫度。開爾文英國(guó)卓越的物理學(xué)家。原名威廉·湯姆孫（1824～1907），1892年被封為開爾文男爵，以后就改名為開爾文。他22歲起擔(dān)任格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)（物理學(xué)）教授達(dá)53年之久。開爾文的科學(xué)活動(dòng)是多方面的。他對(duì)物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)在電磁學(xué)和熱力學(xué)方面。是熱力學(xué)的主要奠基者之一。1848年創(chuàng)立并在1854年修改的絕對(duì)熱力學(xué)溫標(biāo)是現(xiàn)在科學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，在100年后的1954年由國(guó)際計(jì)量大會(huì)確定為基本的溫標(biāo)。他在電磁學(xué)的工程應(yīng)用上也做出了重要的貢獻(xiàn)，最出名的一項(xiàng)工作是裝設(shè)大西洋海底電纜。開爾文終生不懈地致力于科學(xué)事業(yè)，他不怕失敗，總是保持著樂觀的戰(zhàn)斗精神。關(guān)于如何對(duì)待困難，他說(shuō)：“我們都感到，對(duì)困難必須正視，不能回避；應(yīng)當(dāng)把它放在心里，希望能夠解決它。無(wú)論如何，每個(gè)困難一定有解決的辦法，雖然我們可能一生沒有能找到?！睖囟扔?jì)的工作原理不論用哪種溫度計(jì)對(duì)物體的溫度進(jìn)行定量的測(cè)量，總是選擇一種物理量作為溫度的標(biāo)志，即作為測(cè)量溫度的一種參照物，并確定相應(yīng)的溫度單位。這種物理量在一定的溫度范圍內(nèi)，按一定的物理規(guī)律隨溫度變化。溫度測(cè)量所依據(jù)的原理有許多種，譬如有利用膨脹測(cè)溫法的玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)；利用電學(xué)測(cè)溫法的電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)等。
49膨脹測(cè)溫法根據(jù)物體的熱膨脹規(guī)律，采用體積、長(zhǎng)度作為溫度的標(biāo)志。最常見的是利用液體的體積變化來(lái)指示溫度的玻璃液體溫度計(jì)。雙金屬溫度計(jì)則是利用兩種膨脹程度不同的金屬組合在一起時(shí)，隨溫度的變化伸長(zhǎng)率不同來(lái)指示溫度的。電學(xué)測(cè)溫法采用某些隨溫度變化的電學(xué)量（如金屬導(dǎo)體的電阻、半導(dǎo)體器件的電阻等）作為溫度的標(biāo)志。液體溫度計(jì)的制作以玻璃水銀溫度計(jì)的制作為例，一般有制管、吹泡、灌充水銀、封口、定點(diǎn)和刻度等幾道主要工序。首先要控制厚壁玻璃毛細(xì)管，要保證管的內(nèi)、外徑均勻（尤其是內(nèi)徑）；第二步是在高溫下吹制薄壁測(cè)溫泡；第三步是應(yīng)用真空技術(shù)灌充水銀；第四步是在高于預(yù)定最大刻度溫度值的環(huán)境下，水銀膨脹從上口溢出，同時(shí)燒熔上端封口，保證在一般溫度條件下，水銀柱上方?jīng)]有空氣；第五步是確定0℃和100℃兩點(diǎn)位置，一般是在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下分別置于冰水混合物及沸水的蒸氣中標(biāo)定水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)位置；第六步是在已標(biāo)定的兩點(diǎn)間按溫標(biāo)規(guī)定均勻刻度（如等分100份，每?jī)上噜徔叹€間為1攝氏度）并向上、下延續(xù)一定范圍，若直接在外管壁上刻度，可先用熔化的石蠟涂一薄層，按要求刻劃蠟層至玻璃，再用氟氫酸腐蝕刻線部分的玻璃，然后去蠟清洗、刻線上色；最后經(jīng)檢驗(yàn)合格，即可應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)用液體溫度計(jì)這種溫度計(jì)的主要組成部分有：一根內(nèi)徑很細(xì)而且均勻的玻璃毛細(xì)管，與管下端相連的薄壁玻璃測(cè)溫泡，在管和泡中裝有適量的測(cè)溫液體，液面上方?jīng)]有空氣，管的上端封閉，指示溫度的標(biāo)度一般直接刻在厚壁毛細(xì)管的外壁上，常稱為棒式溫度計(jì)（還有標(biāo)度封在玻璃套管中的內(nèi)標(biāo)式溫度計(jì)和標(biāo)度固定在玻璃毛細(xì)管之外的外標(biāo)式溫度計(jì)）。最常用的測(cè)溫液體為水銀、酒精、煤油和甲苯等，根據(jù)所用測(cè)溫液體可稱為水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)??。這種溫度計(jì)是利用物體的熱膨脹規(guī)律，當(dāng)溫度變化時(shí)毛細(xì)管內(nèi)液面高低變化直接指示出溫度的。精密的實(shí)驗(yàn)溫度計(jì)幾乎都采用水銀作測(cè)溫液體。玻璃水銀溫度計(jì)的測(cè)量范圍可以低到－30℃，高可達(dá)600℃。某些有機(jī)液體的測(cè)溫下限可低達(dá)－150℃。中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中所用的溫度計(jì)測(cè)溫范圍常為－25℃～105℃，最小刻度值有0.5℃、1℃、2℃幾種。寒暑表用來(lái)測(cè)量氣溫的溫度計(jì)。家庭用的寒暑表大多是玻璃煤油溫度計(jì)，由測(cè)溫泡、玻璃毛細(xì)管和標(biāo)度尺組成。一般是標(biāo)度尺固定在玻璃毛細(xì)管之外的外標(biāo)式溫度計(jì)。為了觀察液面位置明顯，常把煤油染成紅色。寒暑表上的標(biāo)度有的只標(biāo)攝氏溫度，有的同時(shí)標(biāo)有攝氏溫度和華氏溫度，兩者互相對(duì)應(yīng)。標(biāo)度范圍因地區(qū)而異。以北京地區(qū)常用的寒暑表為例，它·的標(biāo)度范圍是－15～50℃（對(duì)應(yīng)的是5～122°F），最小刻度值為1℃（另一側(cè)是2°F）。而在我國(guó)最北部的黑龍江省漠河鎮(zhèn)的最低氣溫達(dá)到過(guò)－52．3℃，測(cè)氣溫就要用低凝固點(diǎn)的酒精溫度計(jì)了（純酒精的凝固點(diǎn)為－
50117℃）。醫(yī)用溫度計(jì)也叫體溫計(jì)，是用來(lái)測(cè)人體溫度的玻璃水銀溫度計(jì)。由于人體的溫度通常在35℃到42℃之間變化，所以體溫計(jì)的標(biāo)度范圍也是35～42℃。由于體溫計(jì)的測(cè)溫泡的容積要比相連的玻璃毛細(xì)管的容積大得多，因此泡內(nèi)水銀受熱后的微小膨脹就能使毛細(xì)管內(nèi)水銀柱的長(zhǎng)度發(fā)生顯著的增長(zhǎng)。這樣就使體溫計(jì)的測(cè)量能精確到十分之一攝氏度，即最小刻度值為0.1℃。體溫計(jì)跟一般的玻璃水銀溫度計(jì)比較還有一個(gè)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在它的測(cè)溫泡與毛細(xì)管相連處有一段做得非常細(xì)的縮口。測(cè)體溫時(shí)水銀膨脹能從泡內(nèi)通過(guò)縮口升到上面的毛細(xì)管里，讀體溫計(jì)示數(shù)時(shí)一般要使體溫計(jì)離開人體，水銀遇冷收縮，就在縮口處斷開，使上面毛細(xì)管里的水銀退不回來(lái)，所以體溫計(jì)在離開人體后還能表示出人體的溫度。測(cè)量后要使已經(jīng)升上去的水銀再回到測(cè)溫泡里，可以拿著體溫計(jì)用力向下甩（或用離心機(jī)代替人力）。但不是醫(yī)用的普通溫度計(jì)不能甩，因?yàn)樗臏y(cè)溫泡的壁較體溫計(jì)的薄容易破裂。近年來(lái)半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)也加入了醫(yī)用溫度計(jì)的行列（參見“半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)”）。雙金屬溫度計(jì)把兩種熱膨脹程度不同的金屬（譬如銅和鐵）組合成雙金屬片，將雙金屬片卷成螺線形，一端固定，另一端用一金屬絲繞過(guò)轉(zhuǎn)軸拉在彈簧上，如圖所示。轉(zhuǎn)軸上裝有一個(gè)指針，從指針的示數(shù)可以讀出周圍環(huán)境的溫度。這就是雙金屬溫度計(jì)。圖示的雙金屬片外層是鐵、內(nèi)層是銅，當(dāng)溫度升高時(shí)，由于銅的伸長(zhǎng)程度比鐵的大，雙金屬片的活動(dòng)端將發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)金屬絲帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸，使指針沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)溫范圍不同的雙金屬溫度計(jì)可分別用來(lái)測(cè)量氣溫或監(jiān)測(cè)工業(yè)生產(chǎn)流程的溫度變化。工業(yè)用的這種溫度計(jì)，測(cè)溫范圍可有－80～600℃，它適用于工業(yè)上精度要求不高時(shí)的溫度測(cè)量。電阻溫度計(jì)是根據(jù)導(dǎo)體電阻隨溫度的變化規(guī)律來(lái)測(cè)溫的溫度計(jì)。最常用的電阻溫度計(jì)都采用金屬絲繞在云母或陶瓷做的鋸齒狀十字形架上，而后裝在玻璃管或石英管中制成的感溫元件。使用時(shí)將感溫元件插入待測(cè)物體中，根據(jù)電路有關(guān)原理測(cè)量金屬絲的電阻，從而得出物體的溫度。主要有鉑電阻溫度計(jì)和銅電阻溫度計(jì)。低溫下還使用銠鐵、碳和鍺電阻溫度計(jì)。其中，精密鉑電阻溫度計(jì)目前是測(cè)量準(zhǔn)確度最高的溫度計(jì)，最高準(zhǔn)確度可達(dá)萬(wàn)分之一攝氏度，往往用作溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，可用于－260～630℃范圍內(nèi)。半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)利用半導(dǎo)體器件的電阻隨溫度變化的規(guī)律來(lái)測(cè)溫的溫度計(jì)。它的靈敏度很高，感溫部分體積小，可用來(lái)測(cè)定人體或動(dòng)、植物的局部溫度。用溫度計(jì)測(cè)液體溫度的方法在使用溫度計(jì)以前，應(yīng)該①觀察它的量程——能測(cè)量的溫度范圍，如果估計(jì)待測(cè)的溫度超出它能測(cè)的最高溫
51度，就要換用一只量程合適的溫度計(jì)，否則溫度計(jì)里的液體可能將溫度計(jì)脹破。②認(rèn)清它的最小刻度值，以便用它測(cè)量時(shí)可以迅速讀出溫度值（一般應(yīng)估讀到最小刻度的下一位）。在用溫度計(jì)測(cè)液體溫度時(shí)，正確的方法是：①溫度計(jì)的測(cè)溫泡全部浸入被測(cè)液體中，不要碰到容器底或容器壁。②溫度計(jì)測(cè)溫泡浸入被測(cè)液體后要稍候一會(huì)兒，待溫度計(jì)的示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)。③讀數(shù)時(shí)測(cè)溫泡要繼續(xù)留在被測(cè)液體中，視線與溫度計(jì)中液柱的上表面相平。各種動(dòng)物的體溫魚類、兩棲類和爬行類動(dòng)物都是變溫動(dòng)物，它們的體溫隨水溫和氣溫的變化而變化。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，體溫隨著降低，往往不食不動(dòng)進(jìn)入冬眠。哺乳類動(dòng)物是恒溫動(dòng)物，一般地說(shuō)它們的體溫不因環(huán)境溫度的變化而大幅度地變化，但低等和高等哺乳動(dòng)物仍有所不同。體溫調(diào)節(jié)，包括有生物能轉(zhuǎn)化為熱和向周圍散熱兩個(gè)方面。高等哺乳動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，體溫變化幅度小比較穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)；相反，低等哺乳動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)能力較差，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，體溫變化幅度大，為了適應(yīng)寒冷環(huán)境，就要降低體溫，也有冬眠現(xiàn)象。而且低等哺乳動(dòng)物的體溫一般比高等的低。如在15℃的氣溫條件下，鴨嘴獸體溫為30℃，袋鼠和刺猬為35℃，而貓和兔為39℃。最低溫度和最高溫度根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，溫度是有下限的，這個(gè)下限就是絕對(duì)零度——即最低的熱力學(xué)溫度零開（OK），相當(dāng)于－273.15℃。這個(gè)溫度不可能達(dá)到，人們只能設(shè)法盡量接近它?，F(xiàn)在的超低溫技術(shù)已經(jīng)陸續(xù)獲得毫開（mK）級(jí)甚至微開（μK）級(jí)的超低溫度。在超低溫技術(shù)中常用到的液態(tài)氦，它在一個(gè)大氣壓下的沸點(diǎn)是－268.9℃，凝固點(diǎn)是－272.2℃。在某一溫度范圍內(nèi)都有最高和最低溫度值。例如地球上出現(xiàn)過(guò)的最低氣溫是－88.3℃（南極大陸），最高氣溫是63℃（非洲的索馬里）。就高溫區(qū)域來(lái)說(shuō)，發(fā)光的白熾燈絲約2500℃，電弧可達(dá)5000℃，太陽(yáng)表面約6000℃，太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)可達(dá)2.0×107℃，人類大規(guī)模地獲得的最高溫度是用氫彈爆炸，它的中心可達(dá)5.0×107℃（五千萬(wàn)攝氏度）。要實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)需要數(shù)千萬(wàn)甚至上億攝氏度才能持續(xù)進(jìn)行。人類對(duì)超高溫和超低溫領(lǐng)域都在不斷深入地進(jìn)行探索。擴(kuò)散現(xiàn)象不同的物質(zhì)在互相接觸時(shí)，彼此進(jìn)入對(duì)方的現(xiàn)象。這是由于微粒（分子、原子等）的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移。主要是由于微粒的濃度不均勻而引起，一般從濃度較高的區(qū)域向較低的區(qū)域擴(kuò)散，直到各部分的濃度達(dá)到均勻?yàn)橹?。例如氯氣或二氧化氮?dú)庠陟o止空氣中的散播，墨水或硫酸銅溶液在靜水中的混合，鋼件表面的滲碳，壓緊的鉛和金之間的相互滲透等等。擴(kuò)散速度以氣體中最大，液體中其次，固體間最小。并且濃度差越大、微粒質(zhì)量越小、溫度越高，擴(kuò)散也越快。擴(kuò)散現(xiàn)象說(shuō)明了一切物體里的分子都在永不停息地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，溫度越高，分子的無(wú)規(guī)
52則運(yùn)動(dòng)越激烈。通常把大量分子的這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)叫做熱運(yùn)動(dòng)。分子間的作用力分子與分子相當(dāng)接近時(shí)所顯示的相互作用力。分子間同時(shí)存在著引力和斥力的作用，而引力和斥力的大小都是隨分子間距離的增大而減小、隨距離的減小而增大的，但斥力比引力隨距離變化得快。在某一瞬時(shí)分子間究竟表現(xiàn)為相互推斥還是相互吸引，取決于它們之間的合力，這個(gè)合力就叫分子力。當(dāng)分子引力和斥力相等，合力等于零時(shí)，分子間的距離稱做平衡距離γ0，不同物質(zhì)的γ0值略有不同，一般都在10-10米數(shù)量級(jí)。當(dāng)分子間的距離γ＜γ0時(shí)，由于引力和斥力都增大，而斥力比引力增長(zhǎng)得更大，斥力大于引力，分子間表現(xiàn)為推斥。當(dāng)分子間的距離γ＞γ0時(shí)，由于引力和斥力都減小，而斥力比引力減弱得更小，斥力小于引力，分子間表現(xiàn)為吸引。但當(dāng)分子間的距離大于分子直徑的10倍以上（γ＞10-9米）時(shí)，分子間的吸引作用已經(jīng)減小到十分微弱，這時(shí)可以認(rèn)為分子間沒有作用力了。分子運(yùn)動(dòng)論人類在長(zhǎng)期實(shí)踐探索中形成并不斷發(fā)展完善的對(duì)物質(zhì)①的微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。它的基本內(nèi)容是：物體是由大量分子組成的，分子永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子之間存在著相互作用的引力和斥力。按照分子運(yùn)動(dòng)論，熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，溫度表示分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的激烈程度，物體的內(nèi)能是大量做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子具有的能。用分子運(yùn)動(dòng)論可以說(shuō)明很多熱現(xiàn)象和物質(zhì)的性質(zhì)。首先詳細(xì)地研究了氣體，建立了氣體分子運(yùn)動(dòng)論，說(shuō)明了氣體的宏觀性質(zhì)。隨后又用分子運(yùn)動(dòng)論研究了液體和固體，也獲得了很大的成果。氣體的分子結(jié)構(gòu)氣體很容易被壓縮，說(shuō)明氣體中分子間的距離比較大，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下，氣體分子間的距離大約是分子直徑的10倍。由于氣體分子間的距離比較大，分子間的相互作用力十分微弱，通常可以近似地認(rèn)為，氣體分子除了相互碰撞或跟器壁碰撞外不受力的作用。因此，氣體分子可以在空間里做勻速直線運(yùn)動(dòng)，只是在跟器壁或者別的分子碰撞時(shí)才改變速度的大小和方向。雖然比起固體和液體來(lái)，氣體中的分子分布比較稀疏，但在單位體積中的分子數(shù)還是相當(dāng)大的（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1厘米3氣體中仍含有2.7×1019個(gè)分子），因此分子間的相互碰撞十分頻繁（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，一個(gè)空氣分子在1秒內(nèi)跟其它空氣分子的碰撞竟達(dá)65億次之多）。頻繁的碰撞造成氣體分子做雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)。由于氣體分子可以在空間里到處移動(dòng)，因此氣體能充滿它所能達(dá)到的空間，既沒有一定的形狀也沒有一定的體積。固體的分子結(jié)構(gòu)固體中分子間的距離很?。ㄔ?0-10米數(shù)量級(jí)），它們間的作用力很大，在常溫下，絕大多數(shù)的分子只能在各自的平衡位置①構(gòu)成物質(zhì)的單位是多種多樣的，或是原子（如金屬）或是離子（如鹽類）或是分子（如有機(jī)物）。為了簡(jiǎn)化，這里把構(gòu)成物質(zhì)的單位統(tǒng)稱為分子。
53附近做無(wú)規(guī)則的振動(dòng)，很不容易脫離自己的位置。因此，固體能保持一定的形狀和體積。根據(jù)固體中分子的排列情況，固體可分為晶體和非晶體兩類。液體的分子結(jié)構(gòu)液體變成氣體時(shí)，體積增大一千倍左右，而變成固體時(shí)，體積變化不大?？梢?，介于氣體和固體之間的液體的分子結(jié)構(gòu)比較接近于固體。也就是說(shuō)，液體中分子間的距離一般比固體略大些，分子間的作用力比固體的小，但分子也是密集在一起的，因而液體具有一定的體積，不易壓縮。液體分子也像固體分子那樣可以在平衡位置附近做無(wú)規(guī)則的振動(dòng)，不過(guò)振動(dòng)很短的時(shí)間后，就移動(dòng)到另一個(gè)位置上去。正是由于液體分子運(yùn)動(dòng)的這個(gè)特點(diǎn)，使液體容易流動(dòng)，沒有一定的形狀。氣體的熱膨脹一般來(lái)說(shuō)，一定質(zhì)量的某種氣體（譬如空氣或氧氣、氮?dú)狻錃獾龋?dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，它的體積和壓強(qiáng)都將發(fā)生變化。如果設(shè)法使氣體的壓強(qiáng)保持不變，那么溫度升高，氣體的體積將增大；溫度降低，氣體的體積將減小。19世紀(jì)初，法國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家蓋·呂薩克精細(xì)地研究了在上述條件下氣體升溫膨脹、降溫收縮的規(guī)律，1802年發(fā)表了以他的名字命名的蓋·呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，在氣體壓強(qiáng)不變的情況下，溫度每升高（或降低）1℃，增加（或減?。┑捏w積等于它在10℃時(shí)體積的。如果用熱力學(xué)溫度來(lái)表達(dá)，蓋·呂薩克定律可以改寫為：273一定質(zhì)量的氣體，在氣體壓強(qiáng)不變的情況下，它的體積跟熱力學(xué)溫度成正比。氣體壓強(qiáng)跟體積的關(guān)系一般來(lái)說(shuō)，一定質(zhì)量的某種氣體（譬如空氣或氧氣、氮?dú)?、氫氣等），?dāng)氣體的體積發(fā)生變化時(shí)，它的壓強(qiáng)和溫度都將發(fā)生變化。如果設(shè)法使氣體的溫度保持不變，那么減少氣體的體積，它的壓強(qiáng)將增大；增大氣體的體積，它的壓強(qiáng)將減小。17世紀(jì)的六七十年代英國(guó)科學(xué)家玻意耳和法國(guó)科學(xué)家馬略特各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了在上述條件下氣體壓強(qiáng)跟體積關(guān)系的規(guī)律——玻意耳-馬略特定律：一定質(zhì)量的氣體，在氣體溫度不變的情況下，它的壓強(qiáng)跟體積成反比。抽氣機(jī)、打氣筒、空氣壓縮機(jī)等都是利用氣體壓強(qiáng)跟體積的關(guān)系制成的。液體的熱膨脹由于溫度的改變，液體發(fā)生體積變化的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，液體在溫度升高的時(shí)候體積膨脹，在溫度降低的時(shí)候體積收縮。液體體積隨溫度變化的膨脹程度用體積膨脹系數(shù)表示。體膨脹系數(shù)γ為單位體積的某種液體溫度升高1攝氏度時(shí)體積的增加量。在同樣的外界壓強(qiáng)條件下，液體的γ值一般來(lái)說(shuō)比氣體的小、比固體的大。不同液體的γ值不同，譬如在20℃時(shí)水為0.21×10-3/℃、酒精為1.12×10-3/℃、水銀為0.18×10-3/℃。液體的γ值與壓強(qiáng)近似無(wú)關(guān)，主要取決于溫度。一些液體的γ值可以在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)取作定值，但也有反常情況，例如溫度從0℃到4℃的水有反常膨脹情況。水的反常膨脹溫度從0℃升到4℃的過(guò)程中，水的體積縮小，稱為
54水的反常膨脹。在4℃以上，水又隨溫度上升而膨脹。質(zhì)量1克的純水，0℃時(shí)的體積為1.0002厘米3，4℃時(shí)的體積為1.0000厘米3，10℃時(shí)的體積則為1.0003厘米3?？梢娂兯拿芏仍?℃時(shí)最大，為1.0000克／厘米3。這些情況說(shuō)明，水的熱膨脹有它的特殊性。水在4℃以上，跟一般的物體一樣，是熱脹冷縮的，但是在0℃到4℃之間，卻是熱縮冷脹的。固體的熱膨脹由于溫度的改變，固體發(fā)生長(zhǎng)度、面積或體積變化的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，固體在溫度升高的時(shí)候膨脹，在溫度降低的時(shí)候收縮。固體的熱膨脹的程度可分別用線膨脹系數(shù)α、面膨脹系數(shù)β和體膨脹系數(shù)γ表示。例如固體的長(zhǎng)度隨溫度變化的規(guī)律為ιt=ι0（1+αt），其中ι0為0℃時(shí)的長(zhǎng)度，ι1為溫度t（℃）時(shí)的長(zhǎng)度。對(duì)于各向同性的固體，α、β、γ之間的關(guān)系為β=2α、γ=3α。從微觀看，固體的熱膨脹是固體中相鄰分子（原子）間的平均距離增大。溫度越高，分子（原子）無(wú)規(guī)則振動(dòng)的能量越大，它們的平均距離也就越大，結(jié)果使整塊固體脹大。雙金屬片把長(zhǎng)和寬都相同的兩種不同金屬片（例如銅片和鐵片）緊緊地鉚在一起，就做成雙金屬片。深入研究熱膨脹現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，組成物體所用的材料不同，它們的熱膨脹程度一般也不相同。譬如在環(huán)境溫度25℃時(shí)，銅的線膨脹系數(shù)為16.6×10-6／℃，而鐵的則為12.0×10-6/℃，顯然前者的值較大。當(dāng)使雙金屬片的兩種金屬同樣受熱時(shí)，由于銅片膨脹得比鐵片大，雙金屬片就將向鐵片那邊彎曲；反之，使雙金屬片同樣降溫時(shí)，由于銅片收縮得比鐵片大，雙金屬片則將向銅片那邊彎曲。利用雙金屬片的這種現(xiàn)象，可以用于自動(dòng)控制電路（如恒溫箱中的自動(dòng)控溫裝置）、日光燈起輝器電路以及測(cè)量溫度等。利用雙金屬片控制的恒溫箱用雙金屬片制成開關(guān)，依據(jù)溫度高低自動(dòng)控制電路的恒溫設(shè)備。以用電熱元件供熱的恒溫箱為例，圖示為簡(jiǎn)化的電路原理。其中雙金屬片的下側(cè)金屬較上側(cè)的熱體膨脹系數(shù)大。接通電路使電熱元件供熱，箱內(nèi)溫度逐漸升高。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)計(jì)要求溫度變化范圍的最高值時(shí)，雙金屬片將因受熱膨脹向上彎曲離開觸點(diǎn)K切斷電路，電熱元件停止工作。隨著周圍溫度的降低，雙金屬片的形狀將逐漸復(fù)原，在不低于設(shè)計(jì)要求溫度變化范圍的最低值時(shí)接通電路，使電熱元件繼續(xù)供熱。由于雙金屬片開關(guān)的自動(dòng)控制，可使箱內(nèi)的溫度只在較小變化范圍起伏，達(dá)到恒溫的效果。熱膨脹在技術(shù)上的意義固體的熱膨脹程度比液體的小，比氣體的更小，但它在膨脹或收縮時(shí)，對(duì)周圍約束它的物體會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的力。在技術(shù)上需充分注意或加以利用，或防止它的破壞作用。譬如火車輪上加套硬度大、耐磨損的輪箍，把滾珠軸承裝到鋼軸上，用鉚釘鉚接金屬零件時(shí)，都需要將輪箍、軸承、鉚釘預(yù)先加熱使之膨脹，趁熱套裝或鉚接，冷卻后會(huì)緊固在相關(guān)機(jī)件上。鋪設(shè)鐵軌要預(yù)留縫隙，鐵橋要有自由端，樓體建筑
55間要有伸縮縫，油、氣管道要有伸縮管等等都是為了防止熱脹冷縮產(chǎn)生的破壞作用。由于不同材料的線膨脹系數(shù)不同，對(duì)于進(jìn)行精密測(cè)量的量具如游標(biāo)卡尺、千分尺、塊規(guī)等都需要用殷鋼（含36%的鎳和64％的鐵）等線膨脹系數(shù)很小的材料制造，必要時(shí)還需在保持適當(dāng)溫度的恒溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。雙金屬片也是對(duì)不同的材料的線膨脹系數(shù)不同加以利用的一例。液體的熱膨脹程度比固體顯著，而且液體的體膨脹系數(shù)在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)可取作定值，因此可以作為膨脹式溫度計(jì)的工作物質(zhì)，例如玻璃液體溫度計(jì)，就是根據(jù)上述規(guī)律利用液體的體積變化來(lái)指示溫度的。氣體的體積變化跟溫度、壓強(qiáng)有密切的關(guān)系。應(yīng)用高溫高壓的燃?xì)庠跉飧變?nèi)急劇膨脹推動(dòng)活塞做功，是內(nèi)燃機(jī)工作的主要原理。在做功中燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為活塞、機(jī)軸運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能。壓縮空氣在風(fēng)鎬、風(fēng)鉆中膨脹做功，壓縮空氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為鎬頭、鉆頭工作的動(dòng)能。存貯壓縮氣體的鋼瓶（如氧氣瓶、液化石油氣瓶等）在儲(chǔ)運(yùn)使用中，對(duì)環(huán)境溫度的變化范圍有一定的要求。如果溫度過(guò)高（如在日光下曝曬、高溫加熱等），將有氣體壓強(qiáng)過(guò)大超過(guò)鋼瓶耐壓界限膨脹爆炸的危險(xiǎn)。熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式之一，另一種方式是做功。在沒有做功而只有溫度差的條件下，能量——熱——從溫度高的物體轉(zhuǎn)移到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分的過(guò)程叫做熱傳遞。熱傳遞過(guò)程一直持續(xù)到溫度相同時(shí)為止。在熱傳遞過(guò)程中，一般用熱量來(lái)衡量物體內(nèi)能改變的多少。由于種種原因，物體之間或同一物體的不同部分，溫度常常是不同的。所以熱傳遞是一種普遍存在的自然現(xiàn)象。熱傳遞的方式有三種：對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射。對(duì)流靠液體或者氣體的流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的熱傳遞過(guò)程，是液體或者氣體中熱傳遞的主要方式。它的特點(diǎn)是，在熱量傳遞的同時(shí)，伴隨著大量分子的定向運(yùn)動(dòng)。其中較熱部分和較冷部分之間通過(guò)循環(huán)流動(dòng)相互攙和，使溫度趨于均勻。對(duì)流往往自然發(fā)生——自然對(duì)流，例如煮水時(shí)水的上下循環(huán)流動(dòng)，大氣因下層受熱而產(chǎn)生的上下循環(huán)流動(dòng)等。造成自然對(duì)流的原因是溫度不均勻所引起的密度或壓強(qiáng)的差別。一般來(lái)說(shuō)，高溫處的密度小于低溫處的密度（水在0～4℃的反常膨脹等除外），如果最初高溫且密度小的處于低處，則在重力作用下，密度小的高溫部分上升，密度大的低溫部分下降填補(bǔ)，不斷循環(huán)，從而出現(xiàn)了熱量由高溫處傳向低溫處的情況，最終溫度趨于一致。另外一種是強(qiáng)迫對(duì)流，依靠外來(lái)作用使液體或者氣體做循環(huán)流動(dòng)，從而發(fā)生熱傳遞過(guò)程。例如在量熱器的小筒里用攪動(dòng)器攪動(dòng)水，就可以使原來(lái)的冷水和投進(jìn)的較熱物體的溫度很快變得相同。熱傳導(dǎo)靠大量分子、原子或電子等粒子之間的相互碰撞作用，使熱量由高溫物體傳向低溫物體，或由物體的高溫部分傳向低溫部分的熱傳遞過(guò)程。熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中都能夠發(fā)生，是固體中熱傳遞的主要方式，在液體和氣體中熱傳導(dǎo)往往與對(duì)流同時(shí)發(fā)生。同一物體在確定的兩
56端之間，溫度差越大，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量越多。不同的物質(zhì)，導(dǎo)熱性能不同。善于傳熱的物質(zhì)叫做熱的良導(dǎo)體。各種金屬雖都是熱的良導(dǎo)體，但其導(dǎo)熱性能也有差異，其中最善于傳熱的是銀，其次按序是銅、金、鋁等。不善于傳熱的物質(zhì)叫做熱的不良導(dǎo)體。羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、軟木和一些松軟物質(zhì)都是很好的絕熱材料。液體，除水銀（是金屬）外都不善于傳熱，氣體比液體更不善于傳熱。熱輻射借助電磁波傳遞能量的方式，物體經(jīng)常以電磁輻射的形式放出熱量，是熱傳遞的方式之一。它和對(duì)流、熱傳導(dǎo)不同，它能把熱量以光速（3.00×103米/秒）穿過(guò)真空從一個(gè)物體傳給另一個(gè)物體。任何物體均會(huì)因自身的溫度而向外輻射熱量，不問(wèn)自身的冷熱程度和周圍情況。溫度越高，輻射越強(qiáng)。而且輻射能量最強(qiáng)的波段也隨溫度而變，如溫度較低時(shí)主要是不可見的紅外輻射——紅外線又叫熱線，在500℃以至更高時(shí)則逐漸發(fā)射較強(qiáng)的可見光以至紫外輻射。輻射源表面發(fā)射能量的本領(lǐng)還跟表面的性質(zhì)有關(guān)，表面越黑暗粗糙，發(fā)射本領(lǐng)就越強(qiáng)。反之作為接收輻射來(lái)的能量的物體，表面越黑暗粗糙，吸收輻射能的本領(lǐng)也越強(qiáng)。而表面白亮光滑的物體，發(fā)射和吸收輻射能的本領(lǐng)都較弱。保溫瓶（杜瓦瓶）是盡可能減少熱量傳遞保持一定溫度的容器。由英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家杜瓦設(shè)計(jì)，最初用于低溫現(xiàn)象的研究（約在1892年）。它是一個(gè)有雙層玻璃壁的瓶子，夾層里的空氣已經(jīng)抽得非常稀薄，接近真空。夾層內(nèi)的玻璃壁上鍍了銀，光亮如鏡。瓶口蓋著軟木塞。玻璃和軟木都是熱的不良導(dǎo)體；夾層里幾乎沒有空氣，瓶口又蓋著塞子，對(duì)流很難發(fā)生；鍍銀的光亮表面可以把從里面或外面輻射來(lái)的熱量盡量反射回去。因此，保溫瓶把熱傳遞的三種方式都盡可能避免了，使它能具有一定的保溫功能。它既可以保持較周圍環(huán)境溫度高的物體的溫度，如作為熱水瓶用；也可以保持比環(huán)境溫度低的物體的溫度，在超低溫技術(shù)中用它來(lái)儲(chǔ)存液化氣體。由于保溫瓶不能完全避免熱傳遞，所以它的保溫作用是相對(duì)的。水暖設(shè)備是綜合利用熱傳遞的幾種方式取暖的常用裝置，如圖所示。給左下方的鍋爐A加熱，熱水就順著豎直的管子上升到膨脹池B和各支管里，再?gòu)闹Ч芰鞯礁鱾€(gè)屋子的散熱器C，熱水把熱傳給散熱器以后，它的溫度降低，就順著管子流回鍋爐里再受熱。這樣，通過(guò)水的對(duì)流，鍋爐的熱就傳給了散熱器。散熱器是用金屬制成的（或用鑄鐵鑄造，或用鋼管、鋼板等組裝，其中有多條管道，有的外部裝有散熱片），表面積相當(dāng)大，并且通常表面很粗糙，所以熱很容易傳導(dǎo)和輻射出去。散熱器通常安裝在窗戶下面，當(dāng)有冷空氣進(jìn)來(lái)時(shí)，從散熱器上升的熱氣流可將其托向上方，以避免冷空氣直接沖進(jìn)屋子下部?？梢?，水暖設(shè)備將熱傳遞的三種方式都利用到了。
57土暖氣即家用小型水暖設(shè)備。跟大型水暖設(shè)備比較，同樣要有鍋爐、膨脹箱、上行水管、散熱器和下行水管等主要部分。只是根據(jù)取暖房間的面積、墻壁厚度、門窗大小以及周圍環(huán)境等在家用規(guī)模范圍內(nèi)，選用合適的專用爐具和散熱器等。其中專用爐具帶有加熱水箱和出、入水管口，還可兼做燒水，炊事兩用。取暖使用原理可參見“水暖設(shè)備”。散熱器①又名“暖氣片”，是供暖系統(tǒng)中的散熱設(shè)備。都是具有多條管道的空心容器，有進(jìn)、出兩個(gè)管口。常用鑄鐵制成，或用鋼管、鋼板等組裝，外表面一般比較粗糙。有的裝有散熱金屬片以增大散熱面積。內(nèi)部通過(guò)熱水（水暖）或蒸氣（氣暖），由器壁及連帶的散熱片向室內(nèi)散發(fā)熱量?？筛鶕?jù)取暖面積改變散熱器的片數(shù)或規(guī)格。參見“水暖設(shè)備”。②俗你“水箱”。是水冷式內(nèi)燃機(jī)和空氣壓縮機(jī)上用來(lái)把冷卻水的熱量散發(fā)到空氣中的設(shè)備。由上、下水室和與它們連通的許多薄壁金屬管及管外的金屬片組成。從發(fā)動(dòng)機(jī)水套流來(lái)的熱水由上而下通過(guò)金屬管時(shí)，經(jīng)傳導(dǎo)把熱傳給金屬管和金屬片，管、片再把熱向外輻射和用風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流傳給空氣。冷卻后的水由下方流回水套供循環(huán)使用。熱傳遞的利用和防止熱傳遞過(guò)程在自然界廣泛存在。在生產(chǎn)、生活中無(wú)論是利用還是防止熱傳遞，對(duì)它的三種方式——對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射，均應(yīng)全面考慮，因?yàn)橥咄瑫r(shí)起作用。在需要利用熱傳遞散熱時(shí)，往往采用熱的良導(dǎo)體——例如某些金屬做導(dǎo)熱材料；設(shè)備的表面積盡可能大一些、粗糙些，以利于輻射散熱；有時(shí)還要應(yīng)用某些液體或氣體的對(duì)流循環(huán)加快散熱。譬如日常取暖用的水暖設(shè)備、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷卻散熱設(shè)備、大型變壓器的油冷卻散熱措施、大型發(fā)電機(jī)的氫冷卻或水內(nèi)冷卻等散熱措施都要全面應(yīng)用熱傳遞的三種方式。在需要防止熱傳遞保溫時(shí)，就要采用相反的措施：用熱的不良導(dǎo)體——絕熱材料包裹物體，盡可能減小物體表面積并使表面光亮些，還可避免對(duì)流的形成。譬如保溫瓶的應(yīng)用，北方農(nóng)田冬春季塑料地膜覆蓋的保溫措施、東北地區(qū)居室雙層玻璃窗的冬季保溫措施、極地居民用冰塊建房抵御嚴(yán)寒的功能也都要盡可能使熱傳遞的三種方式減少到最低限度。物體的內(nèi)能物體內(nèi)部大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量和分子間的相互①作用能的總和。其中，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量（分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能）同溫度有關(guān)系，物體溫度越高，表明分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量越大，溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志；分子間的相互作用能（分子勢(shì)能）同物體的體積有關(guān)系。因此，物體內(nèi)能的多少同物體的溫度和體積都有關(guān)系。譬如對(duì)一般物體來(lái)說(shuō)，吸收熱量溫度升高，同時(shí)體積膨脹，這表明物體的內(nèi)能有所增加。①初中教科書中講：“物體內(nèi)部大量分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的能的總和，叫做物體的內(nèi)能”。這是由于初中知識(shí)準(zhǔn)備不足，對(duì)內(nèi)能的初步講述，不要把它絕對(duì)化了。
58在討論熱學(xué)問(wèn)題中，所涉及的總是內(nèi)能的變化。能夠改變物體內(nèi)能的物理過(guò)程有兩種：做功和熱傳遞。通過(guò)一些相應(yīng)的過(guò)程，物體的內(nèi)能可以跟機(jī)械能、電能等其它形式能相互轉(zhuǎn)化。做功可以改變物體的內(nèi)能克服摩擦力做功、在某些碰撞中做功、將氣體壓縮時(shí)做功??都會(huì)使相關(guān)物體的溫度升高，表明這些物體的內(nèi)能增加。譬如，用鋸條鋸木頭、用錘頭砸鐵釘、壓縮打氣筒中的氣體都會(huì)導(dǎo)致有關(guān)物體的溫度升高，內(nèi)能增加。相反，有些做功過(guò)程，譬如內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)高溫高壓的燃?xì)馀蛎洉r(shí)對(duì)活塞做功，燃?xì)獾臏囟冉档?，?nèi)能減少。這些都說(shuō)明做功可以改變物體的內(nèi)能。在做功過(guò)程中，有的是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如克服摩擦力做功生熱；也有的是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體膨脹對(duì)外做功氣體溫度降低。熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能在熱傳遞過(guò)程中，高溫物體放熱，溫度降低，表明它的內(nèi)能減少；低溫物體吸熱，溫度升高，表明它的內(nèi)能增加。熱傳遞實(shí)質(zhì)上就是內(nèi)能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。跟做功使物體內(nèi)能發(fā)生變化的情況比較，熱傳遞只是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，而做功過(guò)程則是內(nèi)能與其它形式能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。從改變物體內(nèi)能的效果看：對(duì)一杯水，可以用熱傳遞的方式傳給它一定的熱量，使它升高一定的溫度；也可以用做功的方式，比如用攪拌水的方法，可使它升高同樣的溫度。兩種方式不同，得到的結(jié)果卻相同。除非事先知道，我們將無(wú)法區(qū)別是哪種方式使這杯水的內(nèi)能增加的?？梢姡龉蜔醾鬟f對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。熱量物體同外界或物體各部分之間存在溫度差發(fā)生傳熱時(shí)所傳遞的能量。一般地說(shuō)也就是，在熱傳遞過(guò)程中，物體吸收或放出的熱的多少。這里所說(shuō)的“吸收或放出的熱”實(shí)質(zhì)上指的是在只有熱傳遞沒有做功的情況下，物體增加或減少的內(nèi)能。因此，熱量是在熱傳遞過(guò)程中，量度物體內(nèi)能變化的物理量。熱傳遞的條件是物體同外界或物體各部分之間存在溫度差。熱量總是由高溫物體（或高溫部分）向低溫物體（或低溫部分）傳遞，直到溫差消失，溫度趨于一致。要認(rèn)清：①熱量和內(nèi)能不同。內(nèi)能是由物體的狀態(tài)決定的，一定質(zhì)量物體的溫度、體積一定，狀態(tài)就確定，它的內(nèi)能也就一定。要使物體內(nèi)能發(fā)生變化，可以通過(guò)熱傳遞和做功兩種過(guò)程實(shí)現(xiàn)。而熱量只是在熱傳遞過(guò)程中衡量物體內(nèi)能變化多少的量。因此不能說(shuō)“物體含有多少熱量”。②熱量和溫度不同。溫度是描述物體狀態(tài)的一個(gè)物理量，它反映了物體中分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。雖然熱傳遞的發(fā)生條件是溫度差，但傳遞的是能量而不是溫度。熱傳遞不僅可以使物體溫度變化，還可以使物體在溫度不變的情況下發(fā)生物態(tài)變化。因此不能說(shuō)“物體吸收熱量多，溫度變化一定大”。即使不發(fā)生物態(tài)變化，物體吸收或放出的熱量，也不僅和物體前后溫度變化量的大小有關(guān)，還跟物體的比熱[容]
59和質(zhì)量有關(guān)。因此不能說(shuō)，“不同的物體比較，只要溫度變化大的，吸收或放出的熱量一定多”。③熱量和功不同。它們都可以衡量物體內(nèi)能變化的多少，熱量和功還有確定的當(dāng)量關(guān)系。它們的區(qū)別在于：通過(guò)做功過(guò)程改變物體內(nèi)能，是機(jī)械能或其它形式能與內(nèi)能之間發(fā)生轉(zhuǎn)化的過(guò)程；而通過(guò)熱傳遞過(guò)程改變物體內(nèi)能，則是內(nèi)能在溫度不同的物體之間或一物體的兩部分之間轉(zhuǎn)移的過(guò)程。熱量的計(jì)算，在不發(fā)生物態(tài)變化時(shí)，物體吸收或放出的熱量Q=cm（t高—t低）。其中c為物質(zhì)的比熱[容]，m為物體的質(zhì)量，（t高—t低）是先后的溫度差。有物態(tài)變化過(guò)程時(shí)還需計(jì)算相關(guān)的熱量（熔化熱、汽化熱等）。熱量的單位在國(guó)際單位制中與功、能單位相同，都是焦（J）；非國(guó)·際制單位是卡，1卡=4.187焦=4.2焦。燃料的燃燒值燃料在燃燒過(guò)程中，燃料的化學(xué)能通過(guò)化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，也就是通常所說(shuō)的釋放出熱量。1千克某種燃料完全燃燒放出的熱量，叫做這種燃料的燃燒值，燃燒值的國(guó)際制單位是焦／千克。幾種燃料的燃燒值（焦／千克）干木柴（約）1.2×107柴油3.3×107煙煤（約）2.9×107煤油4.6×107無(wú)煙煤（約）3.4×107汽油4.6×107焦炭3.0×107氫1.4×108木炭3.4×107煤氣（焦/米3）（約）3.9×107酒精3.0×107天燃?xì)猓ń?米3）7.1～8.8×107比熱[容]單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高1℃吸收的熱量。各種物質(zhì)的比熱[容]不同。同樣的物質(zhì)在同樣環(huán)境中，單位質(zhì)量的這種物質(zhì)溫度降低1℃放出的熱量和它的比熱[容]值相等。比熱[容]的國(guó)際制單位是焦/（千克·℃）比熱[容]是物質(zhì)的一種特性，每種物質(zhì)都有自己的比熱[容]。但對(duì)氣體來(lái)說(shuō)，在體積恒定時(shí)和壓強(qiáng)恒定時(shí)的比熱[容]不同，對(duì)于固體和液體則影響很小不作區(qū)分。由于物態(tài)變化，同一種物質(zhì)在不同物態(tài)下比熱[容]也不同。例如冰與水的比熱[容]不同，見下表。幾種物質(zhì)的比熱[容][焦/（千克·℃）]水4.2×103蓖麻油1.8×103鐵、鋼0.46×103酒精2.4×103砂石0.92×103銅0.39×103煤油2.1×103鋁0.88×103水銀0.14×103冰2.1×103干泥土0.84×103鉛0.13×103在上表所列物質(zhì)中，水的比熱[容]最大。因此，對(duì)于同等質(zhì)量的物質(zhì)，
60在吸收或放出同樣熱量的情況下，水的溫度變化最小。沿海地區(qū)不像內(nèi)陸地區(qū)的氣溫變化顯著，就是這個(gè)道理。熱量的計(jì)算參見“熱量”和“比熱[容]的測(cè)定”。熱平衡方程溫度不同的兩個(gè)物體互相接觸時(shí)，高溫物體就要放出熱量，低溫物體就將吸收熱量，發(fā)生熱傳遞，一直繼續(xù)到兩個(gè)物體的溫度相同時(shí)為止。如果在熱傳遞過(guò)程中沒有熱量的散失（即在絕熱的條件下，熱傳遞只在所述兩物體之間進(jìn)行），則低溫物體吸收的熱量Ｑ吸等于高溫物體放出的熱量Ｑ放，即Ｑ吸＝Ｑ放，這就是所述過(guò)程的熱平衡方程。實(shí)際上如果周圍還有其它物體并存在著溫差，在這種情況下，所述物體與周圍還會(huì)有熱傳遞發(fā)生。這時(shí)則需要在更大范圍內(nèi)建立一個(gè)絕熱的“系統(tǒng)”。在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)仍可以建立起熱平衡方程。應(yīng)用熱平衡方程可以進(jìn)行熱量以及與熱量有關(guān)的各物理量的定量計(jì)算。參見“比熱[容]的測(cè)定”。比熱[容]的測(cè)定一般采用混合法測(cè)定物質(zhì)的比熱[容]，在量熱器中進(jìn)行。量熱器的主要部分是兩個(gè)圓柱形金屬筒A和B，小筒A通常用鋁或銅制作，大筒B也可以作成陶瓷的。小筒A放在大筒B內(nèi)，中間用木支架C和空氣將兩筒隔開，如圖所示。大筒B上有帶兩小孔的木蓋?？煞謩e插溫度計(jì)和攪動(dòng)器。量熱器的構(gòu)造使它能夠盡量減少因熱傳遞而出現(xiàn)的熱量散失。以測(cè)定銅的比熱[容]為例。先分別測(cè)出所用銅塊（或銅柱）的質(zhì)量m1、鋁制小筒A（包括鋁攪動(dòng)器）的質(zhì)量m3和筒中所放適量的冷水質(zhì)量m2，然后將銅塊加熱（可放在沸水中進(jìn)行）并測(cè)出其最高溫度t1，同時(shí)測(cè)出小筒A及其中冷水的較低溫度t2。迅速將被測(cè)銅塊投進(jìn)小筒水中，蓋好木蓋，用攪動(dòng)器攪動(dòng)水，使水、銅塊以及小筒（包括攪動(dòng)器）的溫度很快地趨于一致。從溫度計(jì)讀出它們混合后的共同溫度t。假定量熱器的絕熱性能良好，則應(yīng)有銅塊降溫所放出的熱量Q放跟冷水升溫所吸收的熱量Q吸1與小筒A與攪動(dòng)器升溫所吸收的熱量Q吸2之和相等的熱平衡關(guān)系，即可建立熱平衡方程Q放=Q吸1+Q吸2代入已測(cè)定的各量數(shù)據(jù)，為：ccum1(t1-t)=(cH2om2+cAlm3)(t-t2)由此可計(jì)算出銅的比熱[容]cHom+cAlm)·(t-t)2232cc=um(t-t)112其中水和鋁的比熱[容]可查表記取。地?zé)崮茉诘厍騼?nèi)部，由于放射性元素在衰變時(shí)不斷地放出大量熱，
61使地球成為一個(gè)大熱庫(kù)。它主要通過(guò)火山爆發(fā)、噴泉、溫泉等途徑，源源不斷地把內(nèi)部釋放的能量帶到地表上來(lái)，這就是地?zé)崮?。?jù)估計(jì)，每年從地球內(nèi)部傳到地表的熱量大約相當(dāng)于1000億桶石油燃燒放出的熱量。僅地表以下10千米范圍的地?zé)醿?chǔ)量，就相當(dāng)于現(xiàn)在世界能源年消耗量的400多萬(wàn)倍。在目前條件下，地?zé)崮芸衫玫闹饕堑責(zé)嵴魵夂偷叵聼崴?，稱為“地?zé)豳Y源”。我國(guó)地?zé)豳Y源十分豐富，已發(fā)現(xiàn)的天然溫泉就有2000處以上，溫度大多在60℃以上，個(gè)別地方達(dá)100～140℃（過(guò)熱水）。在西藏、云南等省區(qū)還發(fā)現(xiàn)了地?zé)釢裾魵馓?。地?zé)崂玫男问胶芏?，地?zé)岚l(fā)電是重要的一種形式。地?zé)岚l(fā)電，它同火力發(fā)電的原理是一樣的，所不同的是，它不需要消耗燃料，它的能源來(lái)自地?zé)?。地?zé)岚l(fā)電方式根據(jù)熱源種類基本上可分為地?zé)嵴魵獍l(fā)電和地下熱水發(fā)電。在西藏拉薩西北的羊八井地?zé)崽铿F(xiàn)已開發(fā)利用，建成了地?zé)岚l(fā)電站。能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。它的內(nèi)容是：能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)創(chuàng)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其它形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另外的物體，而能的總量保持不變。這一規(guī)律是在19世紀(jì)中葉由德國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家邁爾、英國(guó)物理學(xué)家焦耳等很多科學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)和論證的，特別是邁爾的深入研究和焦耳的大量實(shí)驗(yàn)，為定律的確立作出了重要貢獻(xiàn)。下面以物體內(nèi)能的改變?yōu)槔?，說(shuō)明能的轉(zhuǎn)化和守恒的規(guī)律。我們知道，改變物體的內(nèi)能有兩種過(guò)程，即做功和熱傳遞。做功使物體內(nèi)能發(fā)生變化時(shí)，其它形式的能和內(nèi)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。譬如，在摩擦生熱的現(xiàn)象中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能?？朔Σ磷隽硕嗌俟?，就有多少機(jī)械能轉(zhuǎn)比為等量的內(nèi)能。在氣體膨脹做功的現(xiàn)象中，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。氣體膨脹做了多少功，就有多少內(nèi)能轉(zhuǎn)化為等量的機(jī)械能。熱傳遞使物體內(nèi)能發(fā)生變化時(shí)，只是內(nèi)能在物體之間的轉(zhuǎn)移，而沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。一個(gè)物體從外界吸收了多少熱量，就有多少內(nèi)能從外界轉(zhuǎn)移給這個(gè)物體。反之，一個(gè)物體向外界放出了多少熱量，就有多少內(nèi)能從這個(gè)物體轉(zhuǎn)移給外界?？偲饋?lái)說(shuō)，外界對(duì)物體做功和熱傳遞提供給一個(gè)物體多少能量，物體的內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外界做功和熱傳遞轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移了多少能量，物體的內(nèi)能就減少多少，能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移中是守恒的。不但機(jī)械能，其它形式能也可以和內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化。譬如，通電導(dǎo)線變熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；燃料燃燒生熱，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：熾熱的燈絲發(fā)光，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能；??大量實(shí)驗(yàn)證明，在這些轉(zhuǎn)化中能量也是守恒的。從物理、化學(xué)到地質(zhì)、生物，大到宇宙天體，小到原子核內(nèi)部，只要有能的轉(zhuǎn)化，就一定服從能量守恒的規(guī)律。從日常生活到科學(xué)研究、工程技術(shù)，這一規(guī)律都發(fā)揮著重要的作用。人類利用各種能源，如煤、石油等燃料以及水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、原子能等，都是通過(guò)能的轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
62能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器。熱機(jī)把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能——即利用內(nèi)能來(lái)做功的機(jī)器。例如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等都是熱機(jī)。所有熱機(jī)都具有的共同點(diǎn)是：燃料燃燒化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能釋放出熱量，使工作物質(zhì)——水蒸氣或燃?xì)狻膬?nèi)能增加，工作物質(zhì)膨脹做功，把一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)工作物質(zhì)的內(nèi)能減少，溫度降低。內(nèi)燃機(jī)這種熱機(jī)的基本特點(diǎn)是讓燃料在機(jī)器的氣缸內(nèi)燃燒，生成高溫高壓的燃?xì)?，利用這種燃?xì)庾鳛楣ぷ魑镔|(zhì)去推動(dòng)活塞做功。內(nèi)燃機(jī)有兩種：一是汽油機(jī)，二是柴油機(jī)。它們分別以汽油和柴油作燃料。在結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程也各有它們的異、同點(diǎn)。四沖程汽油機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)由四個(gè)沖程組成，以汽油作燃料的內(nèi)燃機(jī)。是由德國(guó)工程師奧托發(fā)明、改進(jìn)，并于1876年制成第一臺(tái)四沖程循環(huán)內(nèi)燃機(jī)。它的構(gòu)造如圖所示。主要部分有氣缸、活塞、進(jìn)氣門、排氣門、火花塞，活塞用連桿跟曲軸相連，軸上裝有質(zhì)量很大的飛輪?；钊跉飧字型鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，從一端運(yùn)動(dòng)到另一端為一沖程。一個(gè)循環(huán)的四個(gè)沖程工作情況是：吸氣沖程（見圖Ⅰ）：進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞被曲軸帶動(dòng)下行，氣缸內(nèi)氣壓降低，由汽化器形成的汽油與空氣組成的燃料混合物從進(jìn)氣門被吸入氣缸。壓縮沖程（見圖Ⅱ）：進(jìn)、排氣門都關(guān)閉，活塞繼續(xù)11被曲軸帶動(dòng)上行，燃料混合物被壓縮到原來(lái)體積的～，壓強(qiáng)達(dá)到6～4615個(gè)大氣壓。溫度升高到250～300℃左右。做功沖程（見圖Ⅲ）：在壓縮沖程末尾，火花塞高壓放電產(chǎn)生電火花，使燃料猛烈燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?，溫度高達(dá)2000～2500℃，壓強(qiáng)可達(dá)30～50個(gè)大氣壓。高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞下行做功，通過(guò)連桿帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。排氣沖程（見圖Ⅳ）：進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，活塞被曲軸帶動(dòng)上行，把廢氣排出氣缸。接著又周而復(fù)始進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，使汽油機(jī)連續(xù)工作。四個(gè)沖程中只有做功沖程是燃?xì)鈱?duì)活塞做功。其它三個(gè)沖程要靠飛輪的慣性運(yùn)轉(zhuǎn)通過(guò)機(jī)軸帶動(dòng)來(lái)完成，是為做功沖程做準(zhǔn)備的工作過(guò)程。在開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要靠外力（電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或手搖起動(dòng)等）先使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活塞運(yùn)行，直到汽油機(jī)正常運(yùn)行。在四沖程內(nèi)燃機(jī)中每一個(gè)工作循環(huán)的四個(gè)沖程中，機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩周，燃?xì)庵辉谝粋€(gè)沖程中對(duì)外做功。在內(nèi)燃機(jī)中，汽油機(jī)重量輕、轉(zhuǎn)速高、起動(dòng)方便、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。常用在汽車、飛機(jī)和小型農(nóng)機(jī)設(shè)備上。四沖程柴油機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)由四個(gè)沖程組成，以柴油作燃料的內(nèi)燃機(jī)。是由德國(guó)工程師狄塞耳在1892～96年發(fā)明。柴油機(jī)的構(gòu)造和汽油機(jī)相似（圖），主要的不同是柴油機(jī)氣缸頂部沒有火花塞，而有一個(gè)噴油嘴。四沖程柴油機(jī)的工作過(guò)程在一個(gè)循環(huán)中也分為吸氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)沖程。跟汽油機(jī)不同的是：在吸氣沖程中，吸進(jìn)氣缸的只是空氣；11在壓縮沖程中，活塞把空氣的體積要壓縮到原來(lái)的～（比汽油機(jī)壓縮1518
63得更?。趬嚎s沖程之末，空氣的壓強(qiáng)可高達(dá)35～45個(gè)大氣壓，溫度則升高到500～700℃，這時(shí)從噴油嘴噴出的霧狀柴油遇到高溫空氣立即燃燒，燃?xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)1700～2000℃，壓強(qiáng)則達(dá)50～100個(gè)大氣壓，大大高于汽油機(jī)中燃?xì)獾膲簭?qiáng)。一般來(lái)說(shuō)柴油機(jī)的效率要比汽油機(jī)高出8～10％。柴油機(jī)與汽油機(jī)比較，用油便宜而且效率高，但較笨重。主要用在載重汽車、拖拉機(jī)、坦克、內(nèi)燃機(jī)車、輪船上，還可用來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。外燃機(jī)高溫?zé)嵩春凸ぷ鞑糠址謩e設(shè)置的熱機(jī)。這是相對(duì)于將高溫?zé)嵩春凸ぷ鞑糠趾显谝黄鸬膬?nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)的。譬如蒸氣機(jī)、蒸氣輪機(jī)的高溫?zé)嵩词清仩t。工作物質(zhì)——高壓過(guò)熱蒸氣——從鍋爐中吸收熱量（是來(lái)自于燃料燃燒所釋放出熱量的一部分），在工作部分——即通常所說(shuō)的“蒸氣機(jī)”、“蒸氣輪機(jī)”——膨脹降溫對(duì)外做功，最后排放到低溫的冷凝器中（最簡(jiǎn)單的冷凝器就是大氣）。熱機(jī)效率在熱機(jī)里，用來(lái)做有用功的能量跟燃料完全燃燒放出的能量之比。它由燃燒效率、熱效率和機(jī)械效率幾部分組成。燃燒效率是指工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩矗窗l(fā)熱器）實(shí)得熱量Q1與燃料在Q1發(fā)熱器中完全燃燒放出的熱量Q之比。即燃燒效率η=×100％。它反燃Q應(yīng)了燃料完全燃燒放出的熱量被工作物質(zhì)吸收的程度。熱效率是指工作物質(zhì)在熱機(jī)的工作部分做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱量（為工作物質(zhì)從發(fā)熱器所得熱量Q1與做功后工作物質(zhì)傳給冷凝器的熱量即熱損耗Q2之差）Q1—Q2與其從發(fā)熱器所得熱量Q1之比。即熱效率η熱=Q-Q12×100%。它反映了工作物質(zhì)所獲得的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的程度。Q1機(jī)械效率是指熱機(jī)對(duì)外所做有用功（為轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱量Q1—Q2與機(jī)械損耗的熱量Q3之差）Q1-Q2-Q3與轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱量Q1—Q2Q-Q-Q123之比。即機(jī)械效率η=×100％。它反映了在機(jī)械傳動(dòng)中能量可機(jī)Q-Q12利用的程度。Q-Q-Q123熱機(jī)效率η=η·η·η=×100％。燃熱機(jī)Q提高熱機(jī)效率的途徑使燃料充分燃燒減少燃燒不完全損失的能量，采取絕熱措施減少散熱損失的能量，以提高燃燒效率；提高熱源（發(fā)熱器）的溫度、降低冷源（冷凝器）的溫度，盡量減少?gòu)U氣帶走的能量，以提高熱效率；改進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減少機(jī)件磨損，降低因克服摩擦損失的能量，以提高機(jī)械效率。熱機(jī)與環(huán)境保護(hù)熱機(jī)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的提高，但熱機(jī)的大量應(yīng)用，也造成環(huán)境污染，給人類帶來(lái)危害。熱機(jī)造成的環(huán)境污染有煙塵廢氣污染和噪聲污染等。煤、石油制品等然料所含雜質(zhì)在熱機(jī)應(yīng)用燃料燃燒過(guò)程中，會(huì)隨之形
64成二氧化硫、氮的氧化物、某些碳?xì)浠衔锏?，燃料的不充分燃燒還會(huì)產(chǎn)生粉塵和一氧化碳，這些煙塵廢氣直接排放到大氣中，就成為污染大氣的重要原因。例如大量汽車排放的廢氣在日光作用下，會(huì)形成光化學(xué)煙霧，能導(dǎo)致眼睛紅腫、流淚、喉痛、胸痛和呼吸衰弱等現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)造成死亡。大氣污染不但直接有害人體健康，還會(huì)影響動(dòng)、植物的正常生長(zhǎng)，造成對(duì)金屬材料的腐蝕、古跡建筑材料的侵蝕，甚至影響全球的氣候。熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形成的噪聲對(duì)城市環(huán)境的污染也是一大公害，輕者使人厭煩、分散注意力影響工作休息，重者會(huì)引起耳聾、心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的疾病，極強(qiáng)的噪聲甚至直接造成死亡。保護(hù)環(huán)境，控制和消除大氣污染、噪聲污染等公害，已成為現(xiàn)代化進(jìn)程中需要解決的重要迫切課題。對(duì)于熱機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)改進(jìn)燃燒設(shè)備和技術(shù)，使燃料充分燃燒，盡力消除燃燒不充分的污染物；加裝消煙除塵裝置，減少煙塵的排放量。應(yīng)改進(jìn)熱機(jī)運(yùn)行中的消聲技術(shù)措施，合理布局使應(yīng)用大型熱機(jī)設(shè)備的工廠遠(yuǎn)離人口密集區(qū)等等。蒸汽機(jī)是利用高壓過(guò)熱蒸氣在氣缸內(nèi)膨脹，推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)而做功的熱機(jī)。1782年英國(guó)工人技師瓦特發(fā)明的往復(fù)式蒸汽機(jī)被廣泛應(yīng)用，圖（Ⅰ）是往復(fù)式蒸汽機(jī)的構(gòu)造示意圖。由鍋爐來(lái)的高壓過(guò)熱蒸氣進(jìn)入氣缸右側(cè)，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)。活塞左側(cè)的廢氣經(jīng)左側(cè)的氣路從排氣管排出。當(dāng)活塞運(yùn)行到左端時(shí)，滑動(dòng)閥遮住右側(cè)的氣路，高壓過(guò)熱蒸氣進(jìn)入氣缸的左側(cè)，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，活塞右側(cè)的廢氣經(jīng)右側(cè)氣路從排氣管排出（見圖（2））。這樣，蒸氣使活塞不停地做往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿、曲柄，使機(jī)軸的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)滑動(dòng)閥配合動(dòng)作，適時(shí)開閉左、右氣路，使蒸汽機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。蒸氣機(jī)的發(fā)明對(duì)18世紀(jì)的工業(yè)發(fā)展起了巨大的作用。但它需要龐大的鍋爐生產(chǎn)水蒸氣，還需要曲柄連桿機(jī)構(gòu)把往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)，這就使蒸汽機(jī)十分笨重，而且效率很低，只有6～15%，現(xiàn)在，我國(guó)和世界上的許多國(guó)家，都不再生產(chǎn)蒸汽機(jī)。只有部分蒸汽機(jī)車還運(yùn)行在一些鐵路線上。蒸汽輪機(jī)是利有高壓過(guò)熱蒸氣經(jīng)過(guò)膨脹獲得動(dòng)能，直接高速?zèng)_擊輪機(jī)的葉片以帶動(dòng)葉輪機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的熱機(jī)（見圖（1））。于1884年由英國(guó)的查爾斯首先制造。對(duì)于單級(jí)蒸汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，離開葉輪以后的蒸氣，還有很大的能量未被利用。為了充分利用蒸氣的能量，機(jī)軸上裝有多個(gè)葉輪，相鄰葉輪之間裝有固定的噴嘴（見圖（2））。蒸氣從第一級(jí)噴嘴噴出膨脹做功推動(dòng)第一級(jí)葉輪后，進(jìn)入第二級(jí)噴嘴，再?gòu)乃鼑姵鲈倥蛎涀龉ν苿?dòng)第二級(jí)葉輪，然后再進(jìn)入第三級(jí)噴嘴??，蒸氣逐級(jí)膨脹做功，內(nèi)能多次釋放轉(zhuǎn)化為由同一機(jī)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)所輸出的機(jī)械能。這種多級(jí)蒸汽輪機(jī)的功率可達(dá)幾十萬(wàn)千
65瓦。轉(zhuǎn)速可達(dá)3000周／分，熱效率為25～30％。主要用來(lái)帶動(dòng)大型發(fā)電機(jī)發(fā)電，是大型火電站、原子能電站等必用的動(dòng)力機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是近幾十年來(lái)，人們吸取內(nèi)燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)的特點(diǎn)，研制成的一種熱機(jī)。它是讓高溫高壓的燃?xì)庵苯記_擊葉輪的葉片而做功的。因此它的構(gòu)造和工作原理都與蒸汽輪機(jī)類似。由于它沒有笨重的鍋爐設(shè)備（采用燃燒室），也不用曲軸連桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所以燃?xì)廨啓C(jī)的體積小、重量輕、效率高（可以達(dá)到50～60％）。由于高溫高壓的燃?xì)庵苯記_擊葉片，這就要求使用高性能的耐熱材料來(lái)制造葉片，而且要有很好的冷卻設(shè)備，以保證機(jī)器在工作中不致過(guò)熱。燃?xì)廨啓C(jī)首先應(yīng)用在飛機(jī)上，現(xiàn)已逐步用于火車、高速艦船和火力發(fā)電站上。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)本身高速噴出的燃?xì)獾姆醋饔昧ν苿?dòng)飛行器前進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總稱。這種發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、重量輕、迎面尺寸小，適于高空高速飛行。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為兩大類：空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：工作過(guò)程中須要從大氣中吸入燃料燃燒所必須的助燃氧氣，因此只能在大氣中工作，不能到大氣層以外的空間里去。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的種類很多，其中渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用較廣?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：它既帶燃料，又帶氧化劑，不需要空氣中的氧氣助燃。適用于超高空（包括真空）和超高速飛行器。它又分液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兩類?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)射導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的動(dòng)力，是人類飛向太空的有力工具。液氫、液氧是目前世界上最先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料和氧化劑。我國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭的第三級(jí)就是采用液氫為燃料、液氧為氧化劑的；最新一代大推力的長(zhǎng)征二號(hào)E捆綁式運(yùn)載火箭有兩級(jí)也裝有液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并有四個(gè)捆綁助推器共同組成，有效載荷可達(dá)7.7噸?？諝鈬姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)見“噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)”。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)見“噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)”。
66五、物質(zhì)的三態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換物質(zhì)的三態(tài)物質(zhì)在一定的溫度、壓強(qiáng)條件下所處的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)稱為物態(tài)。在一般條件下，主要是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)這三種分子或原子集團(tuán)的聚集狀態(tài)。當(dāng)分子或原子在相互作用的影響下，只能圍繞各自的平衡位置做微小的無(wú)規(guī)則振動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)為固態(tài)；當(dāng)分子或原子運(yùn)動(dòng)得比較劇烈，使它沒有固定的平衡位置，但還不致分散遠(yuǎn)離時(shí)，就表現(xiàn)為液態(tài)；如果不但分子或原子的平衡位置沒有了，也不能維持一定的距離，分子或原子之間的相互作用除了相互碰撞時(shí)以外幾乎可以忽略，就表現(xiàn)為氣態(tài)。因此，固體狀態(tài)能夠保持一定的體積和形狀，液體狀態(tài)雖能保持一定的體積但沒有一定的形狀，具有流動(dòng)性，而氣體則能充滿它所能達(dá)到的空間，既沒有一定的體積，也沒有一定的形狀。有人認(rèn)為除了上述三種狀態(tài)外，還應(yīng)增加等離子態(tài)和超固態(tài)兩種物態(tài)。當(dāng)氣體中的分子或原子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，就充分電離成離子與電子的混合集團(tuán)，這種狀態(tài)稱為等離子態(tài)，這是宇宙中普遍存在的一種物質(zhì)的聚集狀態(tài)；當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到百萬(wàn)級(jí)大氣壓時(shí)，原子結(jié)構(gòu)被破壞，原子外圍的電子殼層被擠壓到原子核范圍，這種狀態(tài)稱為超固態(tài)。晶體是固體中的一大類，組成固體的粒子（原子、離子或分子）在空間有規(guī)則排列（呈空間周期性排列）的是晶體。有時(shí)晶體也可以從幾何外形上來(lái)辨認(rèn)。許多天然晶體如石英、方解石等，呈規(guī)則的多面體外形。但外形不一定是可靠的標(biāo)志，往往由于生長(zhǎng)條件的限制，規(guī)則的晶面未能充分顯露。在物理性質(zhì)上，晶體在不同方向上的性質(zhì)（如力學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等）是不同的——各向異性。譬如云母晶體在不同方向上的導(dǎo)熱性不同。晶體還具有確定的熔點(diǎn)。這些都是內(nèi)在結(jié)構(gòu)的周期性在宏觀物理性質(zhì)上的表現(xiàn)。晶體又分為單晶體和多晶體。單晶體指整塊物體是一個(gè)晶體。上述的晶體就是指單晶體。如果整塊物體是由許多雜亂無(wú)章地排列著的小晶體（晶粒）組成，該物體就是多晶體。一般的金屬材料即是，晶粒大小約有10-5～10-3厘米，每個(gè)晶粒都是小的單晶體，具有各向異性，但整塊多晶體除仍有確定的熔點(diǎn)外，既沒有天然規(guī)則的幾何形狀，在物理性質(zhì)上也不顯示各向異性，而是各向同性的。非晶體是固體中的又一大類，組成固體的粒子在空間的分布是混亂的，在長(zhǎng)距離上沒有規(guī)則性（內(nèi)部不具有周期性結(jié)構(gòu)）的是非晶體。從外觀上來(lái)看，它的天然狀態(tài)沒有規(guī)則的形狀。在物理性質(zhì)上，非晶體在不同方向上性質(zhì)相同——各向同性。譬如非晶體玻璃在不同方向上的導(dǎo)熱性相同。非晶體沒有確定的熔點(diǎn)，溫度升高，逐漸軟化，流動(dòng)性隨之增加。這些都是內(nèi)在結(jié)構(gòu)不具有的周期性在宏觀物理性質(zhì)上的表現(xiàn)。非晶體的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)跟液體非常類似，可以看作是粘滯性極大的液
67體。所以嚴(yán)格說(shuō)來(lái)只有晶體才能叫做真正的固體。熔化現(xiàn)象物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的現(xiàn)象。晶體和非晶體由固態(tài)熔化為液態(tài)時(shí)的情況不同。在外界一定壓強(qiáng)的條件下，晶體有一定的熔化溫度——熔點(diǎn)。給晶體加熱，當(dāng)溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，晶體開始熔化，在熔化吸熱過(guò)程中，溫度保持不變，直到全部熔化完以后，溫度才繼續(xù)上升。譬如，在一個(gè)大氣壓下，冰在它的熔點(diǎn)0℃，外界持續(xù)均勻供熱，冰開始熔化為水，直到完全熔化成水以前一直是冰、水混合狀態(tài)，溫度保持0℃。非晶體沒有一定的熔點(diǎn)。在加熱過(guò)程中溫度持續(xù)升高，非晶體先是由硬變軟，再逐漸變成粘稠狀液體，最終變成流動(dòng)性好的液體。在整個(gè)熔化吸熱過(guò)程中，溫度不停地上升，沒有固定的熔化溫度。譬如石蠟、松香、瀝青在吸熱熔化過(guò)程都有這種變化過(guò)程。大多數(shù)物質(zhì)在熔化時(shí)體積膨脹，也有少數(shù)物質(zhì)正好相反，例如冰、灰鑄鐵、銻、鉍等，它們?cè)谌刍瘯r(shí)體積縮小。凝固現(xiàn)象物質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)的現(xiàn)象。晶體和非晶體由液體凝固為固態(tài)時(shí)的情況不同。在外界一定壓強(qiáng)的條件下，晶體有一定的凝固溫度——凝固點(diǎn)。同一種物質(zhì)的凝固點(diǎn)跟它的熔點(diǎn)相同。使液體散熱，當(dāng)溫度降到凝固點(diǎn)時(shí)，液體開始凝固，在凝固放熱過(guò)程中溫度保持不變，直到全部凝固成晶體以后，溫度才繼續(xù)下降。譬如，在一個(gè)大氣壓下，水在它的凝固點(diǎn)0℃，持續(xù)向外均勻散熱，水開始凝固成冰，直到完全凝固成冰以前一直是冰、水混合狀態(tài)，溫度保持0℃，非晶體沒有一定的凝固點(diǎn)，它的液態(tài)在放熱過(guò)程中溫度不斷降低，液體由稀變稠，由軟變硬，最后成為固態(tài)。在整個(gè)凝固放熱過(guò)程中，溫度不斷下降，沒有固定的凝固溫度。大多數(shù)物質(zhì)在凝固時(shí)體積收縮，也有少數(shù)物質(zhì)正好相反，它們?cè)谀虝r(shí)體積脹大，用灰鑄鐵澆鑄成的工件，表面紋理清晰；冬季水管和盛水容器常會(huì)在凍冰時(shí)被脹裂，都是這個(gè)道理，須分別加以利用或防止。熔點(diǎn)晶體物質(zhì)熔化時(shí)的溫度，也就是該物質(zhì)的固態(tài)和液態(tài)可以平衡共存的溫度，同一種物質(zhì)的凝固點(diǎn)跟它的熔點(diǎn)在同樣的外界壓強(qiáng)下相同。晶體物質(zhì)的熔點(diǎn)跟壓強(qiáng)有關(guān)系。熔化時(shí)體積膨脹的物質(zhì)，外界壓強(qiáng)增大，熔化將受阻，熔點(diǎn)將升高；熔化時(shí)體積縮小的物質(zhì)則相反，外界壓強(qiáng)增大，會(huì)促進(jìn)熔化，所以熔點(diǎn)降低，冰的熔點(diǎn)就是隨增壓而降低的，但變化不大。如每增加1個(gè)大氣壓，冰的熔點(diǎn)僅降低0.0075℃，因而在336個(gè)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)將降為—2.5℃。一般來(lái)說(shuō)，純物質(zhì)中摻進(jìn)另一種物質(zhì)，熔點(diǎn)要降低。例如海水比淡水的熔點(diǎn)低。冰和食鹽的混合物，熔點(diǎn)可降到零下二十多攝氏度。若為冰和氯化鈣的混合物，熔點(diǎn)可降到零下五十多攝氏度。某些合金的熔點(diǎn)較其中的純金屬的熔點(diǎn)要低。一些低熔點(diǎn)合金在生產(chǎn)技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。如焊接電路用錫鉛合金、保險(xiǎn)絲用鉛銻合金等。幾種晶體物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的熔點(diǎn)（℃）
68碳3550金1064萘80固態(tài)甲苯-102鎢3410銀962海波48固態(tài)酒精-117純鐵1535鋁660冰0固態(tài)氮-210鑄鐵～1200鉛327固態(tài)水銀-39固態(tài)氫-259銅1083錫232固態(tài)氨-77.7加鹽改變冰的熔點(diǎn)見“熔點(diǎn)”。熔化熱單位質(zhì)量的某種晶體物質(zhì)在熔點(diǎn)熔化成同溫度的液體時(shí)吸收的熱量。單位是焦/千克。單位質(zhì)量的某種晶體的液態(tài)物質(zhì)在凝固點(diǎn)凝固成同溫度的晶體時(shí)放出的熱量等于該物質(zhì)在同一溫度的熔化熱。物質(zhì)的熔點(diǎn)跟壓強(qiáng)有關(guān)系，同一種物質(zhì)在不同的熔化溫度下，它的熔化熱也不同。幾種晶體物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的熔化熱（焦/千克）鋁3.96×105鐵2.67×105干冰(CO2)1.81×105錫0.6×105冰3.35×105銅2.05×105萘1.51×105鉛0.25×103鎳299×105鎢1.92×105金0.64×105固態(tài)水銀0.11×105熔化熱常用字母λ表示。知道了熔化熱，就可以算出質(zhì)量為m的晶體在熔化時(shí)吸收的熱量Q：Q＝λ·m。熔化圖象和凝固圖象用以表示物質(zhì)的熔化和凝固過(guò)程的溫度—時(shí)間關(guān)系圖象。如圖所示，在直角坐標(biāo)系中橫軸表示吸熱或放熱的時(shí)間，縱軸表示溫度。在觀察某種物質(zhì)的吸熱熔化、放熱凝固的過(guò)程中，記錄下相隔相等時(shí)間的各個(gè)時(shí)刻物質(zhì)的溫度值，將各組溫度、時(shí)間數(shù)據(jù)標(biāo)入坐標(biāo)圖中（每一坐標(biāo)點(diǎn)與一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)），然后用平滑曲線把這些點(diǎn)連接起來(lái)，就得到熔化圖象和凝固圖象。從圖象中可以形象地觀察熔化、凝固的全過(guò)程，對(duì)比晶體與非晶體在物態(tài)變化過(guò)程中的不同和各自的特點(diǎn)，不同晶體的熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）以及過(guò)程所需時(shí)間的數(shù)值。圖甲表示海波的熔化圖象。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中觀察到的狀態(tài)和溫度變化，可知：圖象中AB段表示固態(tài)海波的溫度隨加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸升高；到達(dá)48℃開始熔化，BC段表示熔化過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中雖然繼續(xù)加熱，但溫度保持不變——熔點(diǎn)為48℃，直到固態(tài)海波全部熔解為液態(tài)；CD段則表示完全成為液態(tài)的海波吸熱繼續(xù)升溫的過(guò)程。乙圖為海波的凝固圖象，可知液態(tài)海波放熱降至48℃開始凝固，凝固放熱過(guò)程中溫度保持不變，它的凝固點(diǎn)與其熔點(diǎn)相同。丙圖表示石蠟的熔化圖象。在它由固態(tài)先變軟，然后逐漸變稀，最后成為液態(tài)的吸熱全過(guò)程中，溫度不斷上升，沒有一定的熔化溫度。丁圖為石蠟的凝固圖象，表明非晶體也沒有一定的凝固點(diǎn)。使水冷卻的方法冷卻熱水是加0℃的水還是加等質(zhì)量的0℃的冰效
69果明顯？我們知道，1千克水溫度升高1℃吸收4.2×103焦的熱量，而1千克冰在0℃熔化成同溫度的水則能吸收3.35×105焦的熱量，是前者的80倍。因此冷卻熱水如果加0℃的冰比加等質(zhì)量的0℃的水效果明顯。不僅降溫時(shí)間短，而且加足夠數(shù)量的0℃冰可以使熱水降溫到0℃，但加再多的0℃的水，與熱水的混合溫度也一定高于0℃，不可能降為0℃。這是因?yàn)楸谌刍^(guò)程盡管吸收大量的熱，但溫度總保持0℃不變，直到完全熔化為止。而0℃的水只要吸熱必定升溫。水在凝固時(shí)放熱的應(yīng)用由于水在0℃結(jié)冰時(shí)，每1千克水要放出3.35×105焦的熱量，這是1千克水溫度下降1℃所放出熱量（4.2×103焦）的80倍。因此，北方冬天菜窖里放上幾桶水，可以利用水凝固時(shí)放的熱使窖內(nèi)溫度不致降低得很多，防止把菜凍壞。譬如在窖內(nèi)放入200千克10℃的水，當(dāng)這些水降溫到0℃并結(jié)成0℃的冰的過(guò)程中一共可放出的熱量Q＝cm（t高—t低）＋λm，即Q＝[4.2×103×200×（10—0）＋3.35×105×200]焦＝7.54×107焦。如果是用燃燒干木柴（燃燒值為1.26×107焦/千克）獲得這些熱量，那77.54×10焦么需要燒掉干柴的質(zhì)量是=6.0千克。71.26×10焦/千克與此相反，冰在熔化時(shí)要吸熱，而且在0℃千克冰熔化成水要從周圍吸收3.35×105焦的熱量。因此，天氣諺語(yǔ)“下雪不冷化雪冷”，道理就在于雪熔化時(shí)盡管溫度保持在0℃，但需要從周圍吸收大量的熱的緣故?！跋卵┎焕浠├洹币姟八谀虝r(shí)放熱的應(yīng)用”。汽化現(xiàn)象物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的現(xiàn)象。汽化有兩種方式：蒸發(fā)和沸騰。無(wú)論哪種方式的汽化過(guò)程，物質(zhì)都需要吸收熱量，在任何溫度下，液體表面都有蒸發(fā)現(xiàn)象，溫度越高，蒸發(fā)越快。在外界一定的壓強(qiáng)下，當(dāng)溫度升高到某一特定值——沸點(diǎn)——時(shí)，液體發(fā)生劇烈的汽化，這時(shí)的汽化過(guò)程不僅發(fā)生在液面，也發(fā)生于液體內(nèi)部，不斷出現(xiàn)飽含蒸氣的氣泡上升液面，這就是沸騰。蒸發(fā)是液體汽化的兩種方式之一，是液體在任何溫度下都能發(fā)生的、并且只從液體表面發(fā)生的汽化現(xiàn)象。液體中分子的熱運(yùn)動(dòng)總是有快有慢，它們的平均動(dòng)能隨溫度的升降而增減。在任何溫度下，總有一部分分子的動(dòng)能大于平均動(dòng)能。那些處在液體表面附近的、動(dòng)能足夠大的分子，能夠掙脫周圍分子的引力，飛出液面，形成蒸氣，這就是蒸發(fā)的微觀原因。在蒸發(fā)過(guò)程中，從液體中飛出的總是動(dòng)能較大的分子。這些分子飛出液體后，留在液內(nèi)的分子的平均動(dòng)能勢(shì)必有所減小，因此在蒸發(fā)過(guò)程液體的溫度下降。這時(shí)它就要從周圍的物體吸收熱量?？梢?，液體蒸發(fā)有致冷作用。利用這個(gè)道理可以獲得低溫。電冰箱、空調(diào)器中，氟利昂作為制冷劑，當(dāng)它在蒸發(fā)器中迅速蒸發(fā)時(shí)就會(huì)大量吸熱獲得相當(dāng)?shù)偷臏囟?。在超低溫技術(shù)中，利用液氦的絕熱蒸發(fā)，可獲得
70僅有0.7K左右的低溫（約—272℃）。影響蒸發(fā)快慢的因素對(duì)同一種液體來(lái)說(shuō)，影響蒸發(fā)快慢的因素有三個(gè)，即液體溫度的高低、液體與氣體間接觸的表面積大小以及液面上氣體流動(dòng)的快慢。在同樣條件下，不同液體蒸發(fā)的快慢不同。液體溫度越高，分子的平均動(dòng)能就越大，其中具有足夠大的動(dòng)能且能飛出液面的分子也就越多。因而蒸發(fā)得越快。液體與氣體間接觸的表面積越大，處在液面附近的分子數(shù)就越多，能夠從液面飛出的分子也就越多。因而蒸發(fā)得越快。飛出液面的分子如果停留在液面附近，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，有的分子會(huì)撞到液面，被液體分子重新拉回到液體中去，這樣蒸發(fā)將變慢。如果設(shè)法把液面上形成的蒸氣吹散，使蒸氣的密度減小，使蒸氣分子回到液體中的數(shù)量比同時(shí)從液面跑出的分子數(shù)量少得多，蒸發(fā)就可以加快。在同樣條件下，比較不同液體的蒸發(fā)情況，容易蒸發(fā)的液體——揮發(fā)性大。這種差別跟分子間的作用力有關(guān)。分子間作用力小的液體容易蒸發(fā)。坎兒井是新疆維吾爾等族人民利用地下水通過(guò)地下渠道灌溉農(nóng)田的水利設(shè)施。主要分布在吐魯番、哈密一帶干旱地區(qū)。從山地水源挖一地下暗渠（最長(zhǎng)可達(dá)二三十千米），每隔二三十米有一通地面的豎井，還配合一些明渠使水流出地面，灌溉農(nóng)田。由于是利用地下渠道暗渠引水，減少了輸水過(guò)程中水的蒸發(fā)?？矁壕?，早在西漢司馬遷所著《史記》中就有記載，古稱“井渠”。蒸發(fā)致冷在蒸發(fā)過(guò)程中，從液體中飛出的是動(dòng)能較大的分子，這些分子飛出后，留在液體中的分子的平均動(dòng)能必然減小，所以蒸發(fā)時(shí)液體的溫度降低，這時(shí)它就要從周圍的物體吸收熱量，這就是液體的蒸發(fā)致冷作用。譬如水在50℃的溫度下，每蒸發(fā)1克需從周圍吸收2380焦的熱量，是1克水溫度升高1℃所吸收熱量4.18焦的570倍。蒸發(fā)致冷作用在日常生活、科技生產(chǎn)的實(shí)際中有許多現(xiàn)象和應(yīng)用。如穿濕衣服比穿干衣服感到冷，夏天扇扇子感到?jīng)隹欤龊购笳驹谕L(fēng)處容易著涼，都是日常生活中的例證。用火車運(yùn)送容易腐爛變質(zhì)的食品時(shí)，常用液態(tài)氨等的蒸發(fā)來(lái)降低車廂內(nèi)的溫度。在醫(yī)療中可用液氮迅速蒸發(fā)時(shí)的冷卻作用使病灶處的細(xì)胞組織冷凍壞死。航天飛機(jī)或衛(wèi)星回收艙在返回大氣中高速飛行時(shí)，由于跟空氣劇烈摩擦?xí)_(dá)到極高溫度。為了保護(hù)機(jī)身或回收艙，常在它們的表面涂上防護(hù)層，防護(hù)層的物質(zhì)受熱熔化并蒸發(fā)時(shí)，要吸收大量的熱量，從而降低了航天飛機(jī)、回收艙等表面的溫度。（參見“蒸發(fā)”。）沸騰是液體汽化的兩種方式之一，給液體加熱，當(dāng)液體升高到一定溫度時(shí)，液體內(nèi)部涌現(xiàn)出大量的氣泡，升到液面破裂開，放出氣。這時(shí)，不僅在液面，而且在液內(nèi)，即整個(gè)液體發(fā)生劇烈的汽化現(xiàn)象叫做沸騰。液體在沸騰過(guò)程中要吸熱，在外界確定的壓強(qiáng)條件下，液體的沸騰在一定的溫度下進(jìn)行，這個(gè)溫度叫做沸點(diǎn)。外部壓強(qiáng)改變時(shí)，液體的沸點(diǎn)也隨著改
71變。當(dāng)外部壓強(qiáng)增大時(shí)，沸點(diǎn)升高；外部壓強(qiáng)減小時(shí)，沸點(diǎn)降低。譬如，高壓鍋內(nèi)的壓強(qiáng)可以達(dá)到2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其中水的沸點(diǎn)約為120℃；而在1珠穆朗瑪峰頂?shù)臍鈮捍蠹s只有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在那里水燒到約72℃就沸騰3了。在相同的壓強(qiáng)下，各種物質(zhì)的沸點(diǎn)不同。利用這一性質(zhì)，可對(duì)液體混合物進(jìn)行分餾。如對(duì)石油進(jìn)行分餾，按照沸點(diǎn)由低到高，先后可得汽油、煤油、柴油等等不同的產(chǎn)品。一些物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)（℃）液態(tài)氦-268.9液態(tài)二氧化碳-78.5酒精78水銀357液態(tài)氫-253液態(tài)氨-33水100液態(tài)鉛1740液態(tài)氧-196乙醚35甲笨110液態(tài)鐵2750液態(tài)氧-183溴59液態(tài)海波218液態(tài)鎢5900水的沸騰過(guò)程給盛水的容器底部加熱，原來(lái)吸附在容器底和壁上的空氣以及溶解在水里的空氣就分離出來(lái)，形成小氣泡。由于周圍的水向氣泡里蒸發(fā)，所以氣泡里包含的是水蒸氣和空氣。容器底受熱溫度升高時(shí)，氣泡膨脹，當(dāng)體積大到一定程度時(shí)，氣泡就脫離容器底浮起。在達(dá)到沸點(diǎn)前，氣泡在上升過(guò)程中體積是逐漸縮小的。這些小氣泡升到液面破裂時(shí)，放出的主要是空氣。當(dāng)容器內(nèi)水的溫度都升高到沸點(diǎn)，氣泡內(nèi)的蒸氣壓強(qiáng)等于外界壓強(qiáng)時(shí)，氣泡在上升過(guò)程中體積就不再縮小。并且由于在上升過(guò)程中周圍的水還不斷向泡內(nèi)蒸發(fā)，所以體積還會(huì)繼續(xù)增大，直到升到液面破裂開。這時(shí)從氣泡里放出的主要是水蒸氣。這樣水就沸騰了。沸騰時(shí)，在液體表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生汽化。水沸騰過(guò)程要不斷吸收熱量，但溫度——沸點(diǎn)保持不變。沸騰圖象用以表示物質(zhì)的液態(tài)沸騰過(guò)程的溫度—時(shí)間關(guān)系圖象。如圖所示，在直角坐標(biāo)系中橫軸表示吸熱的時(shí)間，縱軸表示溫度。在觀察某種物質(zhì)的液態(tài)吸熱沸騰的過(guò)程中，記錄下相隔相等時(shí)間的各個(gè)時(shí)刻物質(zhì)的溫度值，將各組溫度、時(shí)間數(shù)據(jù)標(biāo)入坐標(biāo)圖中（每一坐標(biāo)點(diǎn)與一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)），然后用平滑曲線把這些點(diǎn)連接起來(lái)，就得到沸騰圖象。從圖象中可以形象地觀察沸騰的全過(guò)程，不同物質(zhì)液態(tài)的沸點(diǎn)以及過(guò)程所需時(shí)間的數(shù)值。以水在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸騰過(guò)程為例。結(jié)合觀察到的狀態(tài)和溫度變化可知，圖象中AB段表示水的溫度隨加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸升高，并伴有蒸發(fā)現(xiàn)象：到達(dá)100℃開始沸騰，BC段表示沸騰過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中雖然繼續(xù)加熱，但溫度保持不變——沸點(diǎn)100℃，直到水全部沸騰汽化為水蒸氣；CD段則表示完全成為水蒸氣后繼續(xù)吸熱導(dǎo)致溫度升高的過(guò)程。水浴實(shí)驗(yàn)室的加熱用器具中的一種。一般用銅等金屬制成。大小容
72器A和B套在一起，中間以水為傳熱物質(zhì)，如圖所示。將被加熱的物質(zhì)置于小容器B中，使大容器A底部受熱。由于容器B及其中物質(zhì)是間接受熱（從水中吸熱），而水的溫度至多在100℃（1個(gè)大氣壓下）沸騰而保持溫度恒定，因此適用于100℃及其以下溫度加熱之用。常用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中。有一種粘木料的膠，需要在100℃左右的溫度下熬化后才能使用、溫度再高就會(huì)熬焦，失去粘性，所以熬這種膠就要用一種特殊的雙層鍋，在兩層鍋之間盛水。實(shí)際上這就是一種“水浴”。汽化熱一定壓強(qiáng)下，單位質(zhì)量的某種物質(zhì)的液態(tài)，變?yōu)橥瑴囟鹊臍鈶B(tài)時(shí)吸收的熱量。單位是焦/千克。一定壓強(qiáng)下單位質(zhì)量的某種物質(zhì)的氣態(tài)，變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)時(shí)放出的熱量等于該物質(zhì)在同樣壓強(qiáng)、同一溫度的汽化熱。不同物質(zhì)的汽化熱不同，同一種物質(zhì)在不同溫度下的汽化熱也不同。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水在不同溫度下的汽化熱（焦/千克）0℃2.50×105200℃1.94×10650℃2.38×106300℃.1.40×106100℃2.26×106370℃0.44×106汽化熱常用宇母L表示。知道了汽化熱，就可以算出質(zhì)量為m的液體在給定溫度和壓強(qiáng)條件下汽化時(shí)吸收的熱量Q：Q＝L·m沸點(diǎn)見“沸騰”。沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系見“沸騰”。液體沸點(diǎn)與外部壓強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)外部壓強(qiáng)增大時(shí)，液體的沸點(diǎn)將隨著升高；外部壓強(qiáng)減小時(shí)，沸點(diǎn)則隨著降低，下表所列為不同外部壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)的數(shù)值。0.023標(biāo)準(zhǔn)大氣壓20℃1.959標(biāo)準(zhǔn)大氣壓120℃0.073標(biāo)準(zhǔn)大氣壓40℃3.567標(biāo)準(zhǔn)大氣壓140℃0.197標(biāo)準(zhǔn)大氣壓60℃6.100標(biāo)準(zhǔn)大氣壓160℃0.467標(biāo)準(zhǔn)大氣壓80℃9.895標(biāo)準(zhǔn)大氣壓180℃1.000標(biāo)準(zhǔn)大氣壓100℃15.34標(biāo)準(zhǔn)大氣壓200℃高壓鍋又稱“壓力鍋”。可使鍋內(nèi)蒸氣壓強(qiáng)達(dá)到2～2.3標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓炊事或消毒用具。通常用鋁合金或不銹鋼制造。鍋蓋與鍋體用膠圈密封，蓋上有控制鍋內(nèi)蒸氣壓強(qiáng)的限壓閥和保障安全的易熔塞。裝配好后當(dāng)對(duì)鍋內(nèi)的水加熱，水蒸氣不斷增加時(shí)，由于蒸氣不容易泄出，致使鍋內(nèi)氣壓逐漸增大，在超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時(shí)，蒸氣將把限壓閥頂開噴出一些，使鍋內(nèi)壓強(qiáng)略有減小，使鍋內(nèi)總處于或略小于設(shè)計(jì)壓強(qiáng)值的工作狀態(tài)。如果鍋內(nèi)蒸氣壓為2個(gè)大氣壓時(shí)，鍋內(nèi)的水沸點(diǎn)將提高到約120℃；如果蒸
73氣壓達(dá)到2.3個(gè)大氣壓時(shí)，鍋內(nèi)的最高溫度可達(dá)124℃左右。使用高壓鍋，既可節(jié)省燃料、時(shí)間，做出的飯菜還有特殊風(fēng)味。是被廣泛使用的炊事用具。液化物質(zhì)從氣態(tài)變成液態(tài)的現(xiàn)象。液化過(guò)程物質(zhì)放出熱量。所有的氣體，在溫度降到足夠低的時(shí)候都可以液化。氣體的液化溫度跟壓強(qiáng)有關(guān)系。氣體的壓強(qiáng)越大，它的液化溫度越高（如水蒸氣在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液化溫度是100℃；而在3標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液化溫度是134℃）。有些氣體在常溫下用增大壓強(qiáng)的方法就可以使它們液化。譬如乙醚蒸氣和液化石油氣等。而有些氣體必須使它溫度降到一定溫度以下，再經(jīng)壓縮才能液化。例如氧必須低于—119℃（～154K），氮必須低于—147℃（～126K），氫必須低于—240℃（～33K），再加大壓強(qiáng)才能液化，這就促進(jìn)了低溫技術(shù)的發(fā)展，到19世紀(jì)末，這些氣體都已被液化。最后一種被液化的氣體是氦。這是由于氦必須低于—268℃（即僅約5K）才能加壓液化，是在世紀(jì)初（1908年）才實(shí)現(xiàn)的。電冰箱致冷原理液體汽化時(shí)有致冷作用，電冰箱等致冷設(shè)備就是根據(jù)這種作用（通常利用一種既容易汽化又容易液化的氟利昂作為工作物質(zhì)）制成的。電冰箱主要由電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器三部分組成。電動(dòng)壓縮機(jī)把氟利昂蒸氣壓入冰箱外面的冷凝器的管里，這時(shí)蒸氣變成液態(tài)氟利昂。放出的熱被周圍的空氣帶走。冷凝器里的液態(tài)氟利昂，經(jīng)過(guò)一段很細(xì)的毛細(xì)管緩慢地進(jìn)入冰箱內(nèi)冷凍室壁的蒸發(fā)器的管里，在這里迅速汽化、吸熱，使冰箱內(nèi)溫度降低。生成的氟利昂蒸氣又被壓縮機(jī)抽走，壓入冷凝器，液化，把從冰箱內(nèi)帶來(lái)的熱放出。氟利昂這樣循環(huán)流動(dòng)，冰箱冷凍室里就可以保持相當(dāng)?shù)偷臏囟取？照{(diào)器液體汽化時(shí)吸熱有致冷作用，蒸氣液化時(shí)放熱有“致熱”作用?？照{(diào)器就是根據(jù)這種作用（通常利用一種既容易汽化又容易液化的氟利昂作為工作物質(zhì)）制成的調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的設(shè)備。工作原理跟電冰箱的原理相同?？照{(diào)器主要由電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)四部分組成。以分體式空調(diào)器為例，室內(nèi)機(jī)組有蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)，室外機(jī)組有電動(dòng)壓縮機(jī)和冷凝器，用管道將室內(nèi)、外兩部分聯(lián)系起來(lái)。從功能上看，空調(diào)器有單一致冷型和冷熱兩用型。對(duì)于致冷功能，可參見“電冰箱致冷原理”。它的工作原理示意圖如圖甲所示?？墒故覂?nèi)溫度低于室外（溫差5℃較為合適）如果是冷熱兩用型，想獲得暖風(fēng)時(shí)，可通過(guò)變換壓縮機(jī)進(jìn)出口的導(dǎo)向閥（如圖示中的Ⅰ與Ⅲ、Ⅱ與Ⅳ相接變換為Ⅱ與Ⅲ、Ⅰ與Ⅳ相接），使致冷系統(tǒng)反向工作，把原來(lái)室外的冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器，讓氟利昂在室外蒸發(fā)吸熱；將原來(lái)室內(nèi)的蒸發(fā)器變?yōu)槔淠?，氟利昂蒸氣則在室內(nèi)液化放熱，經(jīng)風(fēng)機(jī)使室內(nèi)得到暖風(fēng)，它的工作原理如圖乙所示?？墒故覂?nèi)溫度高于室外（溫差也是5℃較為適宜）。升華物質(zhì)從固態(tài)不經(jīng)過(guò)液態(tài)而直接變成氣態(tài)的現(xiàn)象。升華過(guò)程物質(zhì)
74要吸收熱量。升華的實(shí)際現(xiàn)象有：冬天，晾在室外冰凍的濕衣服由于冰直接變成了水蒸氣而使衣服變干；衣箱中的衛(wèi)生球（萘制品）由于升華而體積漸??；對(duì)燒瓶中的少量固態(tài)碘微微加熱，就會(huì)升華成為紫色的碘蒸氣。在科研、生產(chǎn)中可利用升華吸熱現(xiàn)象來(lái)取得低溫。如常用固態(tài)二氧化碳（干冰）的升華吸熱來(lái)獲得低溫。凝華物質(zhì)從氣態(tài)不經(jīng)過(guò)液態(tài)而直接變成固態(tài)的現(xiàn)象。凝華過(guò)程物質(zhì)要放出熱量。凝華的實(shí)際現(xiàn)象有：冬夜，室內(nèi)的水蒸氣常在窗玻璃上凝華成冰晶，集聚成冰花；使已有碘蒸氣的燒瓶降溫散熱，碘蒸氣將直接凝華成固態(tài)碘；用久的電燈泡會(huì)顯得黑，是因?yàn)殒u絲受熱升華形成的鎢蒸氣又在燈泡壁上凝華成極薄的一層固態(tài)鎢。干冰、萘的升華見“升華”。云由高空水蒸氣在空中冷卻凝結(jié)成大量懸浮的小水滴或（和）凝華成的大量小冰晶組成的可見聚合體。霧由近地氣層中水蒸氣冷卻凝結(jié)成大量懸浮的小水滴或（和）凝華成大量小冰晶組成的可見聚合體。霧的形成常以空中的浮塵為水蒸氣的凝結(jié)（或凝華）的核心。雨由云中大量懸浮的小水滴，經(jīng)碰撞、合并，不斷增大；或云中大量懸浮的小冰晶，經(jīng)碰撞、合并，不斷增大，直到上升氣流支持不住時(shí)下降或在下降中融化而形成雨。雪在較低氣溫下，由高空水蒸氣凝華成具有六角形的大量白色冰晶，從云中降落成雪。露在無(wú)風(fēng)的夜間或清晨，地表或草木、石塊等物的溫度較低（一般在0℃以上），空氣中的水蒸氣在它們表面上凝結(jié)成的小水珠。霜和霜凍在無(wú)風(fēng)的夜間或清晨，地表或草木、石塊等物的溫度很低（在0℃以下），空氣中的水蒸氣在它們表面上凝華成的冰晶叫做霜。有霜時(shí)，往往伴有霜凍。即在冷暖過(guò)渡季節(jié)因植物周圍氣溫短時(shí)間降到0℃或0℃以下而遭受凍害的現(xiàn)象。但出現(xiàn)霜凍時(shí)不一定伴有霜。
75六、電路和電流摩擦起電用摩擦方法使物體帶電的現(xiàn)象。許多材料如：玻璃、塑料、硬橡膠、水晶、硫磺等，經(jīng)過(guò)摩擦都能吸引輕小物體，我們說(shuō)物體帶了電。使物體帶電叫做起電。公元前五百多年，古希臘時(shí)代就發(fā)現(xiàn)用毛皮摩擦過(guò)的琥珀能吸引輕小物體。我國(guó)東漢時(shí)王充在《論衡》一書中，記載了琥珀的摩擦起電。摩擦起電是十分廣泛的現(xiàn)象，在塑料、橡膠、化纖紡織、印刷、石油、食品、溶劑等生產(chǎn)中和交通運(yùn)輸中都廣泛存在。我們?nèi)粘Ｉ罾?，黑暗中梳干燥的頭發(fā)、脫毛衣會(huì)看見小火花、聽見劈啪聲，這都是摩擦起電后產(chǎn)生的現(xiàn)象。液體或氣體在固體上流動(dòng)也能起電。摩擦起電產(chǎn)生的火花能引起爆炸、火災(zāi)造成巨大損失。我們應(yīng)注意防止。富蘭克林規(guī)定，用絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電叫正電荷，用毛皮摩擦的硬橡膠棒所帶的電叫負(fù)電荷。摩擦起電的原因：物體中本來(lái)就存在正電荷和負(fù)電荷，通常情況下正負(fù)電荷的數(shù)量相等，物體是中性的。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，電子從束縛較弱的物體轉(zhuǎn)移到另一物體。缺少電子的物體帶正電，多余電子的物體帶負(fù)電。兩個(gè)物體帶等量的正負(fù)電荷。摩擦起電是一個(gè)很復(fù)雜的現(xiàn)象，物體摩擦后帶什么電，與物體表面雜質(zhì)、溫度、表面光滑程度等有關(guān)。同種材料的兩個(gè)物體摩擦?xí)r也能起電。導(dǎo)體也能摩擦起電，因?yàn)槿梭w能導(dǎo)電，導(dǎo)體帶電后電荷通過(guò)人體與地球上的電荷中和，導(dǎo)體就未呈現(xiàn)帶電。摩擦起電時(shí)都是帶負(fù)電的電子的轉(zhuǎn)移，而不是帶正電的正離子或質(zhì)子等的轉(zhuǎn)移。兩種電荷實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，自然界中只存在兩種電荷：正電荷和負(fù)電荷。同種電荷互相推斥，異種電荷互相吸引。通常情況下，用綢子摩擦的玻璃棒帶正電，用毛皮摩擦的硬橡膠棒帶負(fù)電。原子由原子核和核外電子組成，原子核帶正電，電子帶負(fù)電。通常情況原子中正負(fù)電荷的數(shù)量相等，原子是中性的，原子組成的物體是中性的。中性的物體失去電子就帶正電，得到電子就帶負(fù)電。兩個(gè)帶等量異種電荷的物體接觸時(shí)，電子從帶負(fù)電的物體轉(zhuǎn)移到帶正電的物體上，兩個(gè)物體都不缺少電子，也不多余電子，物體恢復(fù)中性狀態(tài)，這叫正負(fù)電荷的中和。組成物質(zhì)的粒子如：質(zhì)子、中子、電子、介子、光子、夸克??，有的帶正電，有的帶負(fù)電，有的不帶電。根據(jù)電荷間的相互作用，我們能解釋許多自然現(xiàn)象，能區(qū)分正、負(fù)電荷。如用絲綢摩擦兩條塑料薄膜，兩條塑料薄膜就帶上同種電荷，兩條塑料薄膜靠近時(shí)會(huì)互相推斥，絲綢和一條塑料薄膜靠近時(shí)，由于帶異種電荷會(huì)互相吸引。又如，四個(gè)同樣的通草球A、B、C、D，用絲線吊著。已知A吸引B，B
76排斥C，C吸引D，還知道C帶負(fù)電。要求判定A和D靠近時(shí)是相互吸引還是相互排斥。為作出正確判斷，我們首先應(yīng)該弄清楚A和D是帶同種電還是異種電。從帶負(fù)電的C排斥B知B一定帶負(fù)電。從C吸引D知D可能帶正電，也可能不帶電。從B吸引A知A可能帶正電，也可能不帶電。當(dāng)A帶正電，如D帶正電則A、D排斥，如D不帶電則A、D吸引。當(dāng)A不帶電時(shí)，如D帶正電則A、D吸引，如D不帶電則無(wú)電的相互作用。所以，A、D靠近時(shí)，可能出現(xiàn)互相排斥、吸引和無(wú)相互作用三種情況。驗(yàn)電器檢驗(yàn)物體帶不帶電的儀器。最簡(jiǎn)單的一種是金箔驗(yàn)電器，構(gòu)造如圖所示，金屬桿上端有一金屬球，下端有一對(duì)金屬箔。金屬桿與容器是絕緣的。驗(yàn)電器不帶電時(shí)，兩片金屬箔下垂。當(dāng)帶電體與金屬球接觸時(shí)，兩片金屬箔帶上同種電荷，互相推斥而張開。金箔驗(yàn)電器能檢驗(yàn)物體是否帶電和帶什么電。為了測(cè)量物體的帶電量，可把金屬箔改為能轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬針，如圖所示叫靜電計(jì)。靜電計(jì)根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的角度能測(cè)量電量。驗(yàn)電器是電學(xué)中常用的一種儀器。電量電荷的數(shù)量，符號(hào)是Q，單位是庫(kù)（C）。庫(kù)是一個(gè)很大的單位，較小的單位是微庫(kù)（μC），1庫(kù)＝106微庫(kù)。通常情況，一個(gè)物體所帶電荷不到1微庫(kù)。1個(gè)電子所帶負(fù)電荷的數(shù)量與1個(gè)質(zhì)子所帶正電荷的數(shù)量相等，都是1.60×10-19庫(kù)。這是到現(xiàn)在為止，我們?cè)谧匀唤缰兴l(fā)現(xiàn)的最小的電量。大到物體、小至粒子所帶電量都是這最小電量的整數(shù)倍。我們還不能解釋自然界為什么會(huì)有最小的電量。物體的帶電量可用靜電計(jì)測(cè)量。電路中通過(guò)導(dǎo)體截面的電量Q，如已知電流I和通電時(shí)間t，則Q＝It。庫(kù)侖法國(guó)工程師和物理學(xué)家（1736～1806）。庫(kù)侖在中學(xué)時(shí)就愛好數(shù)學(xué)和物理，成年后先到軍隊(duì)任技術(shù)軍官、工程師，后來(lái)從事科學(xué)研究。庫(kù)侖研究磚石結(jié)構(gòu)、梁的斷裂、物體的摩擦力等，是18世紀(jì)歐洲偉大的工程師之一。庫(kù)侖發(fā)明了精確測(cè)量微小力的扭秤，庫(kù)侖用扭秤做實(shí)驗(yàn)，分析歸納得到了磁力和電力的公式。其中特別是關(guān)于電荷間相互作用力的庫(kù)侖定律，是電學(xué)中的基本定律。電量的單位“庫(kù)侖”是為紀(jì)念庫(kù)侖的偉大成就而命名的。電現(xiàn)象的應(yīng)用和防護(hù)電荷間相互作用力比萬(wàn)有引力、重力大得多。我們可使微粒帶電，利用電荷間的作用力為我們服務(wù)。如：靜電除塵是利用使煤粉帶負(fù)電被吸引到帶正電的電極上工作的；靜電復(fù)印是使墨粉帶負(fù)電被吸引到帶正電的像上，再印到紙上。其它應(yīng)用如靜電造紙、靜電紡紗、靜電植絨、靜電噴漆等等。物體由于摩擦起電會(huì)引起災(zāi)難。如：1956年，日本一艘油輪在將煤油輸送到陸地上過(guò)程中，煤油與機(jī)器管道等摩擦起電，放電火花引起爆炸，
77死亡多人，損失幾億元；1985年駐歐美軍用液壓起重機(jī)取出潘興Ⅱ式導(dǎo)彈時(shí)，導(dǎo)彈突然爆炸，3人死亡，16人受傷，后證實(shí)是靜電作用造成。其它如印刷過(guò)程中的靜電使紙張粘住不易分開，塑料和橡膠制造過(guò)程中的靜電會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)，食品工業(yè)中的制粉車間因靜電放電產(chǎn)生粉塵爆炸等。生產(chǎn)中的靜電作用還能引起故障，降低效率，降低產(chǎn)品質(zhì)量等。為了克服靜電的危害，我們可采取的措施有：①應(yīng)用消電器，在空氣中生成離子，使帶電體的電荷得到中和；②應(yīng)用抗靜電劑，在纖維和塑料表面涂上抗靜電劑（非導(dǎo)電材料）以降低表面電阻，可消除靜電；③應(yīng)用導(dǎo)電材料，在橡膠中加入金屬微粒、碳黑等導(dǎo)電材料可制成導(dǎo)電橡膠，在塑料中加入金屬薄片、金屬纖維或碳黑粉末等制成導(dǎo)電塑料；④增加空氣中的濕度，用噴霧法和調(diào)整濕度裝置增加空氣中的水氣可消除靜電；⑤采用保護(hù)接地，油罐車上裝一鐵鏈與地接觸使車上電荷通過(guò)鐵鏈與地上電荷中和。電路由電源、用電器、控制設(shè)備（開關(guān)）、導(dǎo)線組成的通過(guò)電流的路徑。電路由四部分組成：①電源，如電池、發(fā)電機(jī)等，它的作用是把其它形式能轉(zhuǎn)化為電能，供給用電器需要；②用電器，如電燈、電視機(jī)、電冰箱等，是消耗電能的器件，把電能轉(zhuǎn)化為其它形式能；③控制設(shè)備，如電鍵、開關(guān)等，控制電能的輸送；④導(dǎo)線，把電能從電源傳輸?shù)接秒娖?。電源、用電器、控制設(shè)備等叫電路的元件。電路中各個(gè)元件用統(tǒng)一規(guī)定的符號(hào)表示，表示電路各個(gè)元件連接情況根據(jù)電路中通過(guò)電流的種類，電路分為直流電路和交流電路等。實(shí)用的電路一般用一個(gè)開關(guān)控制一個(gè)用電器，但有時(shí)需要用兩個(gè)開關(guān)控制同一個(gè)用電器，這時(shí)應(yīng)用兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)，電路的連接如圖所示。通路和斷路由電源、用電器、控制設(shè)備、導(dǎo)線組成的一個(gè)完整電路，如果處處都是連通的叫通路，如果有一處或幾處斷開了叫斷路。由一個(gè)或幾個(gè)電路元件組成的一段電路，如果這段電路處處都是連通的，這段電路叫做通路，如果有一處或幾處斷開了，這段電路叫做斷路。電路元件和連接導(dǎo)線都良好時(shí)，我們用電鍵來(lái)控制一個(gè)完整電路的通路和斷路。用電器是電燈的一個(gè)完整電路，電鍵閉合則整個(gè)電路都是連通的，電路中有電流，電燈亮。在日常生活中，我們把電鍵閉合叫“開燈”。電鍵斷開則整個(gè)電路斷路，電路中無(wú)電流，電燈不亮，我們把電鍵斷開叫做“關(guān)燈”。短路某一段電路的兩端用導(dǎo)線直接連接起來(lái)，使這段電路的電阻為零。如圖所示，電阻R2兩端用導(dǎo)線直接連接，這一段電路的電阻為零，我們說(shuō)電阻R2的一段電路短路。這時(shí)電路中電流不通過(guò)電阻R2，而是直接從短路導(dǎo)線中通過(guò)。
78在實(shí)際應(yīng)用中要特別注意不要讓電源短路。如果蓄電池短路會(huì)形成很大的電流，損壞電池。發(fā)電機(jī)短路也會(huì)損壞發(fā)電機(jī)。串聯(lián)電路把電路元件一個(gè)接一個(gè)地聯(lián)接起來(lái)，使電流只有一條通路。串聯(lián)電路的最大特點(diǎn)是通過(guò)各個(gè)電路元件的電流相等。串聯(lián)電路應(yīng)用廣泛，如右圖所示電路，通過(guò)燈L1與L2的是同一個(gè)電流，這是串聯(lián)電路。又如：右圖中A、B、C、D是四個(gè)接線柱，要求把電鈴和燈連接成串聯(lián)電路。我們可把接線柱B與C連接在一起，則電流從電池正極出發(fā)，過(guò)燈與電鈴回到負(fù)極，這是串聯(lián)電路。并聯(lián)電路把各個(gè)電路元件的一端聯(lián)在一起，另一端也聯(lián)在一起，使電流有多條通路（支路）。并聯(lián)電路的最大特點(diǎn)是各支路兩端的電壓都相等。并聯(lián)電路應(yīng)用廣泛。如：街道上的路燈總是同時(shí)發(fā)光，同時(shí)熄滅。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)有人認(rèn)為路燈是串聯(lián)。這是錯(cuò)誤的看法。路燈如果是串聯(lián)，則一盞路燈損壞不亮，其它路燈也都不能亮。實(shí)際上，我們觀察到某盞路燈壞了，其它路燈仍照常發(fā)光。路燈不是串聯(lián)而是并聯(lián)，它們共用一個(gè)開關(guān)控制，電路如圖所示，這里應(yīng)用了并聯(lián)電路的特點(diǎn)：各支路的電壓相等?；炻?lián)電路由串聯(lián)電路與并聯(lián)電路組成的電路。如圖（1）所示電路，燈L2與L3并聯(lián)后再與燈L1串聯(lián)。圖（2）所示電路是電鈴與燈串聯(lián)后再與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)。這都是簡(jiǎn)單的混聯(lián)電路。混聯(lián)電路的串聯(lián)電路部分具有串聯(lián)電路的特點(diǎn)，并聯(lián)電路部分具有并聯(lián)電路的特點(diǎn)?；炻?lián)電路應(yīng)用廣泛。如右圖電路中有兩只燈泡，一只電鈴，一個(gè)電池組，導(dǎo)線若干根，三個(gè)電鍵。要求：（1）按下K1、K2時(shí)電路中有一盞燈亮，同時(shí)電鈴響；（2）按下K2、K3時(shí)兩盞燈都不亮；（3）按下K1、K3時(shí)另一盞燈亮。根據(jù)（2）知道電源放在A處，根據(jù)（1）知一盞燈和電鈴接到B、C處構(gòu)成串聯(lián)電路，根據(jù)（3）知道D、E處接上一盞燈和一根導(dǎo)線。導(dǎo)體能夠傳導(dǎo)電荷的物體。金屬、石墨、酸、堿、鹽的水溶液等都是導(dǎo)體。導(dǎo)體能夠?qū)щ姷脑蚴?，?dǎo)體中存在大量能夠自由移動(dòng)的電荷。當(dāng)導(dǎo)體兩端存在電壓時(shí)，這些自由電荷能夠向一定方向運(yùn)動(dòng)形成電流。金屬導(dǎo)體中的自由電荷是自由電子，金屬導(dǎo)體中的電流是自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成的。酸、堿、鹽的水溶液中的自由電荷是正離子和負(fù)離子，正、負(fù)離子的定向運(yùn)動(dòng)形成電流。電離氣體中有自由移動(dòng)的電子和正、負(fù)離子，也能夠?qū)щ姟?dǎo)體是重要的電工材料，用來(lái)傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線要求電阻值很小，不同
79用途的電阻器有的要求電阻值大，有的要求電阻值小。絕緣體不能傳導(dǎo)電荷的物體。電的絕緣體又叫電介質(zhì)。玻璃、橡膠、塑料、陶瓷、絲綢、云母、琥珀、絕緣漆、礦物油、氣體等都是絕緣體。真空是最理想的絕緣體。絕緣體之所以不導(dǎo)電是因?yàn)槠渲械淖杂呻姾蓸O少，導(dǎo)電性能極差。絕緣體是重要的電工材料。電線的芯線是用來(lái)導(dǎo)電的，要用導(dǎo)體來(lái)做。電線外面包有塑料、橡膠、絕緣漆（漆包線）等絕緣體，這是為了防止漏電或觸電。大功率斷路器和變壓器要浸在絕緣的礦物油中。電容器的兩個(gè)極板要用非常薄的絕緣體隔開。絕緣體不能導(dǎo)電不是絕對(duì)的。在加熱、加高壓等條件下，絕緣體可以轉(zhuǎn)化成導(dǎo)體。平常的氣體不導(dǎo)電，如果加的電壓很高，氣體也會(huì)變成導(dǎo)體，閃電就是導(dǎo)電空氣中通過(guò)電流產(chǎn)生的。干燥的木棒是絕緣體，木棒潮濕后就變成了導(dǎo)體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物體。半導(dǎo)體一般是固體。如：鍺、硅及某些化合物等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)是：加入微量雜質(zhì)或外界條件（溫度、光照、壓力等）變化時(shí)，半導(dǎo)體的電阻會(huì)發(fā)生顯著的變化。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為半導(dǎo)體用途不大。二次大戰(zhàn)后，由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我們能夠控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，半導(dǎo)體獲得重要的應(yīng)用。用半導(dǎo)體做的半導(dǎo)體管、集成電路、熱敏電阻、光敏電阻、壓敏電阻等，廣泛用于半導(dǎo)體收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)、電子計(jì)算機(jī)及許多電子儀器中。工業(yè)上和科研中用的半導(dǎo)體大多是晶體。所以，半導(dǎo)體管又叫晶體管。超導(dǎo)體在溫度低到一定程度時(shí)，某些電阻為零和具有排斥磁力線性質(zhì)的物質(zhì)。1911年，發(fā)現(xiàn)水銀在溫度低到—269℃時(shí)電阻為零，這是第一次發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象?，F(xiàn)在，已知的超導(dǎo)體有幾十種元素和幾千種化合物。1986年，發(fā)現(xiàn)溫度較高的超導(dǎo)氧化物。1987年，世界掀起了超導(dǎo)熱，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)變溫度為—170℃左右的超導(dǎo)材料。超導(dǎo)研究進(jìn)入了一個(gè)新階段，我國(guó)的超導(dǎo)研究達(dá)到世界一流水平。超導(dǎo)體有重要應(yīng)用。現(xiàn)在已用來(lái)制造產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的超導(dǎo)電磁鐵。用超導(dǎo)電線輸電可避免損失。超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等都是超導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。人們正努力尋求轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到室溫（20℃）的高溫超導(dǎo)體。電線傳輸電能的導(dǎo)線。我們常見的電線有裸導(dǎo)線、絕緣電線、屏蔽電線等。裸導(dǎo)線沒有絕緣層，只用銅、鋁做成的導(dǎo)線。無(wú)軌電車的架空線、架空的輸電線、工廠中的匯流排等用裸導(dǎo)線。我們?nèi)粘Ｓ玫米疃嗟氖墙^緣電線，絕緣電線的芯線是單股或多股的銅線、鋁線，芯線外面或涂上絕緣漆（漆包）、或繞上紗線（紗包）、或包上塑料、橡皮等絕緣材料。實(shí)驗(yàn)室常用塑料電線。
80饋線電視機(jī)天線與電視機(jī)信號(hào)輸入端或天線與發(fā)射機(jī)之間的連線。饋線是傳送高頻信號(hào)的導(dǎo)線。我們平常用的饋線有平行饋線和同軸電纜兩種。平行饋線叫扁饋線，構(gòu)造如圖，適用于工業(yè)干擾不大的地區(qū)接收1～12頻道的電視臺(tái)。同軸電纜的結(jié)構(gòu)如圖，同軸電纜的損耗小，能屏蔽外界干擾，所以適合于干擾大的地區(qū)接收高頻道（12頻道以上）的電視臺(tái)。電流[強(qiáng)度]電荷的定向移動(dòng)。金屬導(dǎo)體中自由電子的定向移動(dòng)形成電流，電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的定向移動(dòng)形成電流。我們規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?。?fù)電荷移動(dòng)的方向與電流的方向相反。應(yīng)該注意，金屬導(dǎo)體中電流的方向與自由電子定向移動(dòng)的方向相反。要在導(dǎo)體中得到持續(xù)的電流必須有電源產(chǎn)生的持續(xù)的電壓。電流的效應(yīng)：電流通過(guò)導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，電流通過(guò)電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)（電解），電流通過(guò)氣體在一定條件下會(huì)發(fā)聲、發(fā)光（如閃電）。電流引起的各種效應(yīng)中，磁效應(yīng)是無(wú)論什么情況下都要產(chǎn)生的效應(yīng)。所以，磁效應(yīng)是電流產(chǎn)生的最重要的效應(yīng)。電流在磁場(chǎng)里要受到磁場(chǎng)的作用力。Q電流的大小用1秒鐘內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量來(lái)量度。定義是I=，tI表示電流。單位是安（A），Q表示通過(guò)的電量，單位是庫(kù)，t表示通1庫(kù)電時(shí)間，單位是秒（s）。1安=。常用的電流單位還有毫安（mA），1秒微安（μA）。1安=1000毫安，1安=106微安。普通家庭用的白熾燈、電視機(jī)的電流約為（1～3）×10-1安，閃電的電流約幾十萬(wàn)安。電流可用電流表測(cè)量，也可用歐姆定律、電功率公式等計(jì)算。根據(jù)歐姆定律，通過(guò)電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比，與電阻的阻值成反比。直流電流電路中電流的方向不隨時(shí)間變化。平時(shí)說(shuō)的直流電流不僅指電流方向不變，還指電流的大小不變。這種大小、方向都不隨時(shí)間變化的電流叫恒定電流。通過(guò)手電筒電路中的電流，在電池完好、時(shí)間不太長(zhǎng)時(shí)可認(rèn)為是恒定電流。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室所用的低壓直流電源，電流大小沒有變化，是直流電流。直流電流應(yīng)用很廣，許多用電器如：直流電動(dòng)機(jī)、玩具電動(dòng)機(jī)、電解槽、收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等都要用直流電流。電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生直流電流。我們常通過(guò)一定的裝置（叫整流器）把交流電流變化為直流電流，市場(chǎng)上賣的電子琴電源、錄音機(jī)電源就是這種裝置，電視機(jī)內(nèi)部也有這種裝置。交流電流電路中電流的大小、方向都隨時(shí)間變化。交流電較直流電容易大規(guī)模產(chǎn)生、容易輸送到遠(yuǎn)處、容易變換電壓以適應(yīng)不同用電器的需要，許多電氣設(shè)備要用交流電流等，所以，交流電應(yīng)用極為廣泛。我們?cè)趯W(xué)校、家庭、機(jī)關(guān)、工廠等處所用的電大都是交流電。電冰箱、洗衣機(jī)中
81的電動(dòng)機(jī)必須用交流電，白熾燈、日光燈中的電流也是交流電流。我國(guó)的交流電的頻率是50赫。電流的方向1秒種變化100次。安培法國(guó)物理學(xué)家（1775～1836）。安培少年時(shí)代就表現(xiàn)出卓越的數(shù)學(xué)才能和驚人的記憶力。安培沒有進(jìn)過(guò)正式的學(xué)校，他通過(guò)自學(xué)、博覽群書獲得了豐富的知識(shí)。安培興趣廣泛，學(xué)問(wèn)淵博，擔(dān)任大學(xué)各種教授和法蘭西科學(xué)院院士。安培對(duì)數(shù)學(xué)和化學(xué)都有貢獻(xiàn)。他的主要成就是對(duì)電磁現(xiàn)象的研究。1820年7月21日，奧斯特宣布發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。同年9月4日，阿喇戈在法國(guó)報(bào)告了奧斯特實(shí)驗(yàn)，立即引起安培的注意。安培緊接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，兩個(gè)星期后，從1820年9月18日開始發(fā)表他的研究結(jié)果：通電線圈與磁鐵相似；兩個(gè)電流之間有相互作用；分子電流假設(shè)等。安培所做的四個(gè)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)奇巧，一直為后人稱贊。由于安培對(duì)電學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)，被麥克斯韋稱贊為“電學(xué)中的牛頓”。為紀(jì)念安培，國(guó)際上把電流的單位命名為安（A）。電流表測(cè)量電流大小和方向的電學(xué)儀器。實(shí)驗(yàn)室常用的電流表是根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)電流的作用制成，是磁電式電流表。它的構(gòu)造如圖聽示，永磁體磁極間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，用很細(xì)的漆包線繞制的線圈（動(dòng)圈）放在磁場(chǎng)中。當(dāng)線圈中通進(jìn)電流時(shí)，由于電流受磁場(chǎng)的作用線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)。根據(jù)指針偏角的大小能測(cè)量電流的大小，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的方向能判定電流的方向。電流表線圈的導(dǎo)線很細(xì)，只能通過(guò)很小的電流。為了測(cè)量更大的電流，我們?cè)诰€圈兩端并聯(lián)不同阻值的電阻，構(gòu)成不同量程的電流表。測(cè)量電路中電流時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)電流大小選擇電流表的量程，電流表要串聯(lián)接入電路。測(cè)量直流電流時(shí)，電流應(yīng)該從電流表的正接線柱流入，負(fù)接線柱流出。靈敏電流計(jì)檢測(cè)微弱電流的有無(wú)、大小和方向的電學(xué)儀器。中學(xué)用的靈敏電流計(jì)的構(gòu)造與電流表基本相同。外形如圖所示，指針在刻度盤正中間，示數(shù)為0處。靈敏電流計(jì)不是用來(lái)測(cè)量微弱電流大小的準(zhǔn)確值的儀器。它是用來(lái)檢驗(yàn)有無(wú)微弱電流，如有則檢測(cè)微弱電流的方向和大小的大致情況。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，我們用靈敏電流計(jì)檢測(cè)感生電流的有無(wú)、方向、大小。串并聯(lián)電路中的電流電路元件連接成串聯(lián)電路時(shí)，通過(guò)電路各處、各元件的電流都相等，這是串聯(lián)電路的最大特點(diǎn)。電路元件連接成并聯(lián)電路時(shí)，電流出現(xiàn)分支，各支路的電流一般不相等，干路中電流等于各支路電流之和。如圖所示，干路電流I=I1+I2+I3。
82例如：電燈和電鈴連接成串聯(lián)電路，如已知通過(guò)電燈的電流是0.3安，則通過(guò)電鈴的電流也一定是0.3安。又如：電燈和電鈴連接成并聯(lián)電路，如已知干路的電流為0.5安，電燈的電流為0.3安，則通過(guò)電鈴的電流為0.2安。電壓使自由電荷發(fā)生定向移動(dòng)形成電流的原因。導(dǎo)體中自由電荷定向運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到導(dǎo)體的阻礙，要維持導(dǎo)體中電流大小一定，就要在導(dǎo)體兩端加一定的電壓。用電器正常工作需要加一定的電壓。電壓的單位是伏（V）。某段電路通過(guò)1庫(kù)電量時(shí)，電流做的功是1焦，則該段電路兩端的電壓是1伏。比伏大的單位是千伏（kV），比伏小的單位是毫伏（mV）、微伏（μV）。1千伏=103伏，1伏=103毫伏，1伏=106微伏。我們用電源來(lái)產(chǎn)生和維持一定的電壓，如干電池兩端的電壓一般是1.5伏，其意義是：通過(guò)1.5庫(kù)電量時(shí)電流做的功是1.5焦。當(dāng)我們需要6伏電壓時(shí)，可把4節(jié)干電池串聯(lián)起來(lái)。伏打意大利物理學(xué)家（1745～1827）。伏打在青年時(shí)代就開始電學(xué)實(shí)驗(yàn)。30歲時(shí)發(fā)明了起電盤（靜電起電機(jī)），42歲時(shí)發(fā)明了麥秸靜電計(jì)。45歲時(shí)伏打讀了伽伐尼的文章，伽伐尼發(fā)現(xiàn)在解剖青蛙、用解剖刀接觸蛙的神經(jīng)時(shí)，蛙腿肌肉發(fā)生強(qiáng)烈的收縮，伽伐尼用“動(dòng)物電”來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象，并認(rèn)為動(dòng)物電與普通電不同。伏打經(jīng)過(guò)研究否定了動(dòng)物電的存在，提出了電的接觸學(xué)說(shuō)，發(fā)明了伏打電堆。伏打電堆是由一片片潮濕的紙板隔開的一對(duì)鋅板和銅板組成的，伏打電堆能產(chǎn)生持續(xù)的電流。伏打又發(fā)明了伏打電池。在鹽水或稀酸中插入兩種不同的金屬片就組成伏打電池。阿喇戈贊揚(yáng)伏打電堆、伏打電池是“人類發(fā)明的最神奇的儀器”。從此，人們利用伏打電堆、伏打電池產(chǎn)生的電流開拓了電學(xué)研究的新領(lǐng)域。伏打是偉大的電學(xué)實(shí)驗(yàn)家。伏打還發(fā)現(xiàn)了沼氣。為了紀(jì)念伏打，國(guó)際上把電壓的單位命名為伏（V）。高壓和低壓一般把1千伏以上的電壓叫高壓，1千伏以下的電壓叫低壓。發(fā)電站往外輸電的電壓為幾百千伏，送到城市里的電壓為10千伏，這都是高壓。經(jīng)過(guò)城市的低壓變電所送到用戶的電壓是220伏、380伏，這都是低壓。所以，我們平時(shí)用的電大都是低壓電。低壓電比較安全，空氣、電木、橡膠、塑料、干燥木材和紙等對(duì)低壓電都是絕緣的。我們常用的用電器、開關(guān)、燈頭、插座、電工工具等都是在低壓下使用的。在高電壓下，一些絕緣體的絕緣性能會(huì)受到破壞變成導(dǎo)體。因此，高電壓是很危險(xiǎn)的，高壓下的電氣設(shè)備都有特殊的要求。一般工廠中把36伏以下的電壓叫安全電壓。家用電器中通常把220伏的電壓叫高壓（這是相對(duì)安全電壓而言），把36伏以下的電壓叫低壓。電壓表測(cè)量電壓大小的電學(xué)儀器。電壓表是在電流表的基礎(chǔ)上，在動(dòng)圈電路里串聯(lián)電阻而改裝制成的。電壓表的外形如圖所示。
83用電壓表測(cè)量某段電路兩端的電壓時(shí)，應(yīng)注意選擇好量程和把電壓表并聯(lián)在該段電路的兩端。測(cè)量直流電壓時(shí)，還應(yīng)注意電壓表的“＋”接線柱要接到與電源的正極相連的一端。串并聯(lián)電路中的電壓電路元件連接成串聯(lián)電路時(shí)，各元件的電壓一般不相等，但串聯(lián)電路兩端電壓U等于各元件上電壓之和，如圖所示U=U1+U2+U3。電路元件連接成并聯(lián)電路時(shí)，各支路兩端的電壓與并聯(lián)電路兩端的電壓相等，這是并聯(lián)電路最大的特點(diǎn)。例如：一個(gè)電鈴正常工作時(shí)的電壓為12伏，電流為0.6安。要把電鈴接到36伏電壓上，我們應(yīng)該串聯(lián)多大阻值的一個(gè)電阻？電鈴和電阻串聯(lián)，故通過(guò)電阻的電流為0.6安。電阻的電壓為36伏—2412伏=24伏。所以，電阻的阻值R=歐=40歐。即應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)阻值為400.6歐的電阻，電阻分擔(dān)了24伏電壓，電鈴上的電壓就是12伏。常用用電器的電壓各個(gè)用電器都只有在一定的電壓下才能正常工作。加在用電器上的電壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)損壞用電器或使用電器不能正常工作。所以，我們應(yīng)該特別注意用電器上注明的需要的電壓值。送到家庭、學(xué)校等的電壓大都是220伏，許多用電器也設(shè)計(jì)為220伏，如：家用電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電熨斗、電吹風(fēng)機(jī)等。但不是所有的用電器都需要220伏電壓，有的電燈泡的電壓是36伏或12伏，晶體管收音機(jī)的電壓為3～6伏直流電壓，電子石英鐘用1.5伏直流電壓，電子門鈴用3伏的直流電壓，電子點(diǎn)火器用3伏直流電壓。U電阻描述導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的物理量，定義為R=，R表示導(dǎo)體I的電阻，U是加在導(dǎo)體兩端的電壓，I是通過(guò)導(dǎo)體的電流。導(dǎo)體的電阻值越大說(shuō)明導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越強(qiáng)。1伏電阻的單位是歐（Ω）。1歐=，即加在導(dǎo)體兩端的電壓為1伏，通1安過(guò)導(dǎo)體的電流為1安時(shí)，導(dǎo)體的電阻是1歐。常用的電阻單位還有千歐（kΩ）和兆歐（MΩ），1千歐=103歐，1兆歐=106歐。電流通過(guò)電阻要發(fā)熱，從能量轉(zhuǎn)化角度看，電阻是把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的電路元件。電阻可通過(guò)伏安法測(cè)量，即用電壓表測(cè)量電阻兩端的電壓U，用電流U表測(cè)量通過(guò)電阻的電流I，則電阻R=。應(yīng)該注意，電阻值是由導(dǎo)體本I身決定的，不能認(rèn)為電阻與電壓成正比、與電流成反比，因?yàn)殡妷捍髸r(shí)電流也大，它們的比值對(duì)一個(gè)導(dǎo)體說(shuō)是恒定的。
84歐姆德國(guó)物理學(xué)家（1787～1854）。大學(xué)哲學(xué)博士、教授，曾擔(dān)任過(guò)中學(xué)數(shù)學(xué)、物理教師。歐姆獨(dú)立地進(jìn)行科學(xué)研究，他最重要的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了歐姆定律，這是電路的基本定律。1826年，歐姆采用溫差電偶做電源，利用電流磁效應(yīng)和庫(kù)侖扭秤結(jié)合制成電流扭力秤以測(cè)量電流。歐姆用a不同材料的導(dǎo)體分別接入電路測(cè)量電流的關(guān)系，總結(jié)得到X=。后來(lái)他b+xA又簡(jiǎn)化得到X=，X是電流，A是電壓，L是電阻，這就是歐姆定律。1827L年歐姆發(fā)表《伽伐尼電路：數(shù)學(xué)研究》一書，從理論上論證了歐姆定律。歐姆的研究成果當(dāng)時(shí)未受到重視，在德國(guó)歐姆受到冷遇，他還受到一些人的攻擊，一個(gè)教授說(shuō)：“歐姆的理論被稱之為純屬空調(diào)的編造，永遠(yuǎn)不能發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)那怕是最膚淺的事實(shí)觀測(cè)支持的樣子。”七八年后歐姆的成就逐漸受到重視，1841年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授與歐姆科普利獎(jiǎng)?wù)?，這是當(dāng)時(shí)科學(xué)界的最高榮譽(yù)，歐姆的工作得到了普遍的承認(rèn)。為紀(jì)念歐姆，國(guó)際上把電阻的單位命名為歐。決定電阻大小的因素導(dǎo)體的電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)，它的大小決定于導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度、材料、溫度等因素。溫度一定時(shí)，橫截面積均勻的導(dǎo)體的電阻R與導(dǎo)體的長(zhǎng)度L成正比，與導(dǎo)體的橫截面積S成LL反比，即R∝。寫成等式是R=ρ，ρ反映導(dǎo)體材料的性質(zhì)，對(duì)一定的SSL材料ρ有一定的值，不同材料ρ的值不同。R=ρ就是電阻定律的公式。S導(dǎo)體的電阻還與導(dǎo)體的溫度、光照、壓力等因素有關(guān)。例如：一根粗細(xì)均勻的導(dǎo)線電阻為R，如果把導(dǎo)線的長(zhǎng)度拉長(zhǎng)為原來(lái)的2倍，問(wèn)導(dǎo)線的電阻變?yōu)槎嗌?？?dǎo)線拉長(zhǎng)時(shí)體積不變，所以導(dǎo)線橫截面積減小為原來(lái)的1/2。長(zhǎng)度為原來(lái)的2倍，電阻就變?yōu)樵瓉?lái)的2倍。橫截面積為原來(lái)的1/2，電阻又變?yōu)樵瓉?lái)的2倍。故導(dǎo)線的電阻變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，即為4R。用電阻定律公式L′2LL考慮是，R＇=ρ=ρ=4ρ=4R。S′S/2S電阻與溫度的關(guān)系導(dǎo)體的電阻與溫度有關(guān)。純金屬的電阻隨溫度的升高電阻增大，溫度升高1℃電阻值要增大千分之幾。碳和絕緣體的電阻隨溫度的升高阻值減小。半導(dǎo)體電阻值與溫度的關(guān)系很大，溫度稍有增加電阻值減小很大。有的合金如康銅和錳銅的電阻與溫度變化的關(guān)系不大。電阻隨溫度變化的這幾種情況都很有用處。利用電阻與溫度變化的關(guān)系可制造電阻溫度計(jì)，鉑電阻溫度計(jì)能測(cè)量—263℃到1000℃的溫度，半導(dǎo)體鍺溫度計(jì)可測(cè)量很低的溫度?？点~和錳銅是制造標(biāo)準(zhǔn)電阻的好材料。例如：電燈泡的燈絲用鎢絲制造，燈絲正常發(fā)光時(shí)的電阻要比常溫下的電阻大多少？鎢的電阻隨溫度升高而增大，溫度升高1℃電阻約增大千分之五。燈
85絲發(fā)光時(shí)溫度約2000℃，所以，電阻值約增大10倍。燈絲發(fā)光時(shí)的電阻比不發(fā)光時(shí)大得多，剛接通電路時(shí)燈絲電阻小電流很大，用電設(shè)備容易在這瞬間損壞。定值電阻電阻值一定的電阻。定值電阻用電阻值與溫度變化的關(guān)系不大的材料制造。實(shí)驗(yàn)室用的電阻圈就是一種定值電阻。如圖所示，電阻絲繞制成螺旋形嵌在底板中，電阻絲兩端裝有接線柱。這種定值電阻的特性用阻值和電流值表示，電流值告訴我們使用時(shí)電流不能超過(guò)多大。電子技術(shù)中用的定值電阻有碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等。電阻箱一種箱式電阻器。由若干個(gè)不同阻值的定值電阻，按一定的方式連接而成。電阻箱中的定值電阻一般用康銅和錳銅絲繞制，使電阻值基本不隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)室用的電阻箱有插頭式和開關(guān)式（又叫筒式）兩種。電阻箱是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電學(xué)測(cè)量的重要儀器，應(yīng)用電阻箱可提高讀數(shù)的精確度。使用電阻箱時(shí)要特別注意通過(guò)電阻的電流不能超過(guò)允許的數(shù)值。滑動(dòng)變阻器一種線繞可變電阻器。構(gòu)造如圖所示，在瓷管上密繞絕緣的康銅絲或其它絕緣電阻絲，在線繞電阻上端裝有金屬滑桿，滑動(dòng)塊通過(guò)磷銅片與電阻絲緊密接觸（接觸部分的絕緣層被磨掉），滑動(dòng)塊可在滑桿上滑動(dòng)。滑桿兩端和線繞電阻兩端各有一個(gè)接線柱。移動(dòng)滑塊可改變接入電路中的電阻絲長(zhǎng)度從而改變電阻值?；瑒?dòng)變阻器是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的儀器，應(yīng)用時(shí)除了注意阻值外，還要注意允許通過(guò)的最大電流是多少?；瑒?dòng)變阻器有多種用法。例如：把滑動(dòng)變阻器的B、D接線柱用導(dǎo)線連接，然后將A、B接線柱接入電路中，則當(dāng)滑動(dòng)片向左移動(dòng)時(shí)，我們實(shí)際用到的是AP間的電阻，故電阻要減小。因?yàn)锽、D連接就是把BP一段電阻短路了。
86七、歐姆定律和電功、電功率歐姆定律導(dǎo)體中的電流I，跟這段導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，跟這U段導(dǎo)體的電阻R成反比。用公式表示是I=。在國(guó)際單位制中I、U、RR的單位分別是安（A）、伏（V）、歐（Ω）。歐姆定律對(duì)金屬導(dǎo)體和電解質(zhì)溶液適用。歐姆定律是歐姆于1826～1827年間，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和理論研究總結(jié)歸納出來(lái)的。實(shí)驗(yàn)證明：導(dǎo)體中的電流I跟導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，IU∝U。即導(dǎo)體兩端電壓U與導(dǎo)體中電流I的比值為一恒量，=恒量。實(shí)驗(yàn)I發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同導(dǎo)體恒量的值一般不同。恒量的值表示導(dǎo)體的電阻，即UU=R，所以得到公式I=。IR歐姆定律是電路的基本定律之一。一般說(shuō)，導(dǎo)體有電阻，根據(jù)歐姆定律導(dǎo)體兩端有電壓，導(dǎo)體中才能有電流。但是，如果導(dǎo)體無(wú)電阻（超導(dǎo)體或電阻不計(jì)的導(dǎo)線），導(dǎo)體兩端沒有電壓也可以有電流。應(yīng)用歐姆定律解決問(wèn)題的思路歐姆定律說(shuō)明電壓U、電流I、電阻R之間的關(guān)系，任意知道其中兩個(gè)量可求出第3個(gè)量。例如：已知電壓UU和電阻R，可求出電流I=；已知電阻R和電流I，可求出電壓U=IR；RU已知電壓U和電流I，可求出電阻R=。在串聯(lián)、并聯(lián)等復(fù)雜電路中應(yīng)用I歐姆定律時(shí)，要注意電壓U、電流I、電阻R三個(gè)量都是對(duì)同一段電路的電阻說(shuō)的，不要犯張冠李戴的錯(cuò)誤。例如：右圖所示電路，R1=5Ω，R2=10Ω。已知通過(guò)R1的電流I1=0.5A，要求通過(guò)R2的電流I2=？U2根據(jù)歐姆定律知道I2=。由并聯(lián)電路特點(diǎn)知R1、R2兩端電壓相R2I1R10.5×5等。R兩端電壓U=IR，所以，I==A=0.25A。11112R102又如：我們要測(cè)量一個(gè)未知電阻的阻值RX，能找到的儀器、材料是一個(gè)電壓表、一組電池、一個(gè)已知阻值的電阻R和若干根導(dǎo)線。Ux根據(jù)電阻定義Rx=，電壓表能測(cè)出Rx的電壓Ux。為測(cè)量Ix我Ix們可連接如圖所示電路。用電壓表分別測(cè)量Rx和R上電壓Ux和UR。由歐UR姆定律知通過(guò)R的電流I=。串聯(lián)電路特點(diǎn)是各處電流相等，R中電流xRUUxURRx也等于。所以，Rx==。RUR/RUR
87U電阻的測(cè)量根據(jù)定義電阻R=，測(cè)量電阻R兩端的電壓U和通過(guò)R的I電流I可求出電阻R。這種測(cè)量電阻的方法叫伏安法測(cè)電阻，電路如圖所示。當(dāng)待測(cè)電阻值不太大時(shí)，用這電路測(cè)量電阻較好。平常我們測(cè)量電阻還有一個(gè)更簡(jiǎn)便的方法，就是用萬(wàn)用表的歐姆擋。把萬(wàn)用表扳到歐姆擋，選擇好量程，經(jīng)過(guò)調(diào)零后用紅黑表筆與電阻兩端接觸，指針的示數(shù)就直接讀出電阻值。伏安法和歐姆表測(cè)電阻都不夠精確，準(zhǔn)確測(cè)量電阻值的方法是用標(biāo)準(zhǔn)電阻，采取比較的方法測(cè)量，即用電橋法測(cè)量。萬(wàn)用表測(cè)量交直流電流、電壓及電阻等多種用途的電學(xué)測(cè)量?jī)x器。萬(wàn)用表由電流表（俗稱“表頭”）和電阻、電位器、晶體二極管、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電池等組成。萬(wàn)用表實(shí)際上是把電流表、電壓表、歐姆表綜合在一起，使用方便，應(yīng)用廣泛。測(cè)量電流、電壓時(shí)，先通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇好電流擋、電壓擋和量程。測(cè)電流時(shí)要把萬(wàn)用表串聯(lián)入電路，測(cè)電壓時(shí)把表筆分別連接在待測(cè)電路兩端。如果是測(cè)量直流電流、電壓，要注意紅黑表筆的接法。測(cè)電流時(shí)電流應(yīng)從紅表筆流入，測(cè)電壓時(shí)紅表筆要接到與電源正極相連的一端。測(cè)量電阻時(shí)，除把轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到歐姆擋的適當(dāng)量程外，還要注意調(diào)整歐姆擋的零點(diǎn)。指針式萬(wàn)用表在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在數(shù)字式萬(wàn)用表也逐漸應(yīng)用得越來(lái)越多。電阻的串聯(lián)若干個(gè)電阻連接成串聯(lián)電路的特點(diǎn)是：①通過(guò)各個(gè)電阻的電流相等；②總電壓等于各個(gè)電阻上電壓之和，各個(gè)電阻上分得的電壓UUU123與電阻值成正比，即U=U1＋U2＋U3＋??，===??；③總電RRR123阻等于各個(gè)電阻之和，即R=R1＋R2＋R3＋??；④總電功率等于各個(gè)電阻電功率之和，各電阻的電功率與電阻值成正比，即P=P1＋P2＋P3PPP123＋??，===??。RRR123例如：三個(gè)電阻R1、R2、R3串聯(lián)后接在電源上。已知電源電壓是R2兩端電壓的2倍，R2兩端電壓是R3兩端電壓的1.5倍，R1=20歐。求R2和R3的阻值。根據(jù)題意U=2U2，U2=1.5U3。串聯(lián)電路的U=U1＋U2＋U3。1∴U＝U—U—U＝U123231串聯(lián)電路中，電阻上的電壓與電阻值成正比。故R=R，即R1223
88=3R1=3×20歐=60歐。R602又由U=1.5U知R=1.5R，故R==歐=40歐。233331.51.5又如：有若干個(gè)彩色小燈泡，每個(gè)燈泡的電阻均為23歐，正常發(fā)光時(shí)的電流強(qiáng)度為0.28安，應(yīng)把多少只相同的小燈泡串聯(lián)起來(lái)才能接到220伏的照明電路中去？每個(gè)小燈泡的電壓U1=0.28×23伏=6.44伏。串聯(lián)電路的總電壓等于各燈泡電壓之和，設(shè)燈泡有n個(gè)，則U＝nU1。U220∴n==≈34.2U6.441∴應(yīng)該用35只燈泡串聯(lián)。電阻的并聯(lián)若干個(gè)電阻連接成并聯(lián)電路的特點(diǎn)是：①干路電流等于各支路電流之和，通過(guò)各支路電阻的電流與電阻值成反比，即I=I1+I2+I3+??，I1R1=I2R2=I3R3=??；②并聯(lián)電路兩端電壓與各支路兩1端電壓相等；③并聯(lián)電路總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻倒數(shù)之和，即=R111+++??；④總電功率等于各支路電阻電功率之和，各支路電RRR123阻的電功率與電阻值成反比，即P=P1＋P2＋P3＋??，P1R1=P2R2=P3R3=??。并聯(lián)電路的總電阻小于每一支路的電阻。兩個(gè)電阻R1、R2并聯(lián)后的總RR12電阻R=，R小于R1，也小于R2。R+R12例如：電阻R1=600歐，允許通過(guò)的最大電流為I1=0.1安，要把R1接在I=3安的電路中使用應(yīng)該怎樣辦？我們可在R1兩端并聯(lián)電阻R2，使R2上分得的電流I2=I—I1=3安—0.1安=2.9安。IRIR1211并聯(lián)電路中，支路電流與電阻值成反比，故=，所以R==2IRI2120.1×600歐≈20.7歐2.9又如：電阻R1、R2、R3并聯(lián)，干路中電流是R1中的6倍，R2中電流是R3中的3倍，R1=30歐。求R2、R3的阻值。根據(jù)題意I=6I1，I2=3I3.并聯(lián)電路中I=I1＋I(xiàn)2＋I(xiàn)3．4∴I=I-I-I==I12321544∴R=R=×30歐=8歐211515由I2=3I3得R3=3R2=3×8歐=24歐電能與電相聯(lián)系的能量。能量有多種形式，電能是應(yīng)用最廣泛的一
89種能量，這是因?yàn)殡娔芫哂幸恍┩怀龅奶攸c(diǎn)：容易由其它能量形式轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生，容易傳輸?shù)竭h(yuǎn)處，容易轉(zhuǎn)化為其它能量形式，電壓容易變換以適應(yīng)不同的需要。如：火力、水力、風(fēng)力、原子電站等，分別把內(nèi)能、機(jī)械能、原子能轉(zhuǎn)化為電能。電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)電熱器轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，通過(guò)照明電器轉(zhuǎn)化為光能等等。電能與其它形式能的轉(zhuǎn)化通過(guò)電流做功實(shí)現(xiàn)。電流做多少功就有多少電能與其它形式能發(fā)生轉(zhuǎn)化。電功電流做的功。電流在某段電路上做的功W，等于這段電路兩端的電壓U與電路中的電流I以及通電時(shí)間t的乘積，即W=IUt。電壓、電流、時(shí)間的單位為伏、安、秒，電功的單位是焦。電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其它形式能的過(guò)程，電流做了多少功就有多少電能轉(zhuǎn)化為其它形式能。例如：加在電動(dòng)機(jī)上的電壓為380伏，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流是10安，則電動(dòng)機(jī)工作1小時(shí)電流做的功W=UIt=380×10×3600焦=1.37×107焦。又如：電阻R1、R2串聯(lián)在電路中，R1=4R2，在相同時(shí)間t內(nèi)，由于通過(guò)R1、R2的電流相等，所以，通過(guò)R1、R2的電量q1、q2也應(yīng)相等。電流在R1、R2上做的功W1、W2不相等，由于U1=4U2，所以，W1=4W2。電能表（瓦時(shí)計(jì)）計(jì)量電能的儀表，俗稱“火表”。電能表的計(jì)量單位常用千瓦時(shí)（kWh），1千瓦時(shí)通常叫做1度電。1千瓦時(shí)=3.6×106焦=1度。家用電能表根據(jù)電路感應(yīng)原理制成，用電度數(shù)由表盤上的計(jì)數(shù)器讀出。電能表的主要性能指標(biāo)是額定電流，它表示允許通過(guò)的電流大小。家用電能表的實(shí)際電流如果超過(guò)額定電流的2倍，就容易燒壞電能表。電功率單位時(shí)間內(nèi)電流做的功。電功率P等于電壓U與電流I的乘1焦積，即P=UI。電功率的單位是瓦（W），1瓦==1伏·1安。電功率的1秒單位還常用千瓦（kW），1千瓦=1000瓦。從能量角度看，電功率表示電能轉(zhuǎn)化為其它形式能量的快慢。電流在單位時(shí)間內(nèi)做了多少功，就消耗了多少電能，也就有多少電能轉(zhuǎn)化為其它形式能。根據(jù)電功率P和時(shí)間t可求得電功W=Pt。例如：一次雷電平均電流大小約2×104安，電壓約1×109伏，放電時(shí)間約1×10-3秒。求平均電功率和電流做的功。根據(jù)公式知平均電功率P=UI=1×109×2×104瓦=2×1013瓦=2×1010千瓦。電流做的功W=Pt=2×1013×1×10-3焦=2×1010焦=5.56×103度。如果用電器是一個(gè)電阻，則電功率P也等于I2R和U2／R。但要注意，P=I2R=U2／R僅對(duì)電阻適用。P=UI對(duì)所有用電器都適用。例如：把標(biāo)有“6V、
9010W”和“6V、6W”的兩個(gè)燈泡串聯(lián)起來(lái)接到12V的電源電壓上，22U6則由于“6V、10W”燈泡的電阻為R==歐=3.6歐，“6V、6W”1P10122U6的燈泡電阻R==歐=6歐。結(jié)果R上的電壓要大于6V，R上電2221P6壓小于6V，都不能正常發(fā)光。要讓兩燈正常發(fā)光需要R2上并聯(lián)電阻R3，111使R、R的并聯(lián)電阻為3.6歐。根據(jù)并聯(lián)電阻公式+=，即23RR3.623111+=，我們求出R=9歐。把9歐的電阻并聯(lián)到R上，則R、R32126R3.63上的電壓都是6伏，都能正常發(fā)光。用電器的銘牌說(shuō)明用電器主要特性的標(biāo)牌。用電器銘牌上通常要標(biāo)明：額定電壓、額定功率、額定電流等。普通白熾燈泡上標(biāo)明“220V40W”，說(shuō)明燈泡的額定電壓是220伏，在額定電壓下的電功率是40W。電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明：“600伏60千瓦”。說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的額定電壓是600伏，在600伏電壓下的電功率是60千瓦。小電珠上標(biāo)明：“2.5V0.3A”，說(shuō)明額定電壓是2.5伏，額定電流是0.3安。電子元件電阻上標(biāo)明：“2Ω1W”，說(shuō)明這個(gè)電阻的阻值是2歐，額定功率是1瓦。用電器只有在額定電壓下才能正常工作，因此，我們要特別注意銘牌上的額定電壓。電功率的測(cè)定根據(jù)電功率公式P=UI知道，我們用電壓表測(cè)出用電器兩端的電壓U，用電流表測(cè)出通過(guò)用電器的電流I，就可計(jì)算出電功率P。測(cè)量電動(dòng)機(jī)電功率的電路如圖所示，串聯(lián)入滑動(dòng)變阻器是為了調(diào)整電動(dòng)機(jī)上的電壓為額定電壓。我們還可以用電能表來(lái)測(cè)定用電器的電功率。先了解電能表的一個(gè)特性：N轉(zhuǎn)／千瓦時(shí)。記錄用電器工作時(shí)間t秒（其它用電器不工作），轉(zhuǎn)6n×3.6×10盤轉(zhuǎn)數(shù)為n。則用電器的功率P=瓦。Nt生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中可用功率表直接測(cè)量電功率。焦耳定律確定電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的定律。英國(guó)物理學(xué)家焦耳做了大量實(shí)驗(yàn)，于1840年提出：電流流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電的時(shí)間成正比。這就是焦耳定律，用公式表示是Q=I2Rt。電流、電阻、時(shí)間的單位是安、歐、秒，熱量的單位是焦。從能量轉(zhuǎn)化上看，電流I通過(guò)電阻R在時(shí)間t內(nèi)做的功W=UIt。根據(jù)歐姆定律得U=IR，故電流做的功W=I2Rt。電流通過(guò)電阻要產(chǎn)生熱量，說(shuō)明電阻具有把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的特性，電流做了多少功就有多少電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以，熱量Q=W=I2Rt。例如：一臺(tái)電阻是44歐的電烘箱，每分鐘產(chǎn)生6.6×104焦的熱量。
91求電烘箱的電功率和通過(guò)電阻絲的電流。4WQ6.6×103電功率P===瓦=1.1×10瓦tt60Q2由Q=IRt得I=Rt46.6×10所以I=安=5安44×60電熱器的工作原理利用電流的熱效應(yīng)制成的加熱設(shè)備。電熱器的主要部分是發(fā)熱體。發(fā)熱體有的用電阻大的合金絲繞在絕緣體上制成，有的用半導(dǎo)體材料做成。發(fā)熱體的形狀根據(jù)需要可做成線狀、管狀、片狀等。常用的電熱器有：電熨斗、電烙鐵、電熱杯、電烘箱、電飯鍋、電熱毯等。電熨斗熨燙衣服使之平整、挺括的電熱器。電熨斗按結(jié)構(gòu)和功能大致分為：普通型、自動(dòng)調(diào)位型、噴氣型、噴霧型四類。普通電熨斗的基本部件是：電熱元件、底板、外殼、手柄等。在普通型上加調(diào)溫器和控溫指示燈就構(gòu)成調(diào)溫型，在調(diào)溫型上加噴氣裝置就構(gòu)成噴氣型，加上噴霧裝置就成為噴氣噴霧型。電熱元件是電熨斗的核心部件。一種是在云母板上均勻繞上電熱絲叫云母電熱芯。另一種是在金屬管內(nèi)裝入螺旋形電熱絲，再填充氧化鎂粉作為絕緣材料制成，又叫電熱管。紅外線電熨斗則是把電熱絲嵌在碳化硅板的槽內(nèi)，碳化硅輻射紅外線。熨燙衣服關(guān)鍵在于掌握好電熨斗底板的溫度。電烙鐵用來(lái)焊接電子元件的電熱器。構(gòu)造如圖所示。發(fā)熱體與電熨斗相似，有云母電熱芯和電熱管兩種形式，為減少腐蝕銅焊頭是用紫銅制造的。電飯鍋利用電能的煮飯鍋。電飯鍋種類很多，常見的有：保溫式自動(dòng)電飯鍋，定時(shí)啟動(dòng)保溫式自動(dòng)電飯鍋，低壓定時(shí)啟動(dòng)式自動(dòng)電飯鍋，電子電飯鍋等。保溫式電飯鍋由電熱元件、磁鋼限溫器、雙金屬片恒溫器等組成。當(dāng)電飯鍋內(nèi)溫度達(dá)到103℃時(shí)，磁鋼限溫器切斷電路，停止加熱。103℃是煮飯的最佳溫度。電飯鍋溫度下降到60℃左右，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入保溫過(guò)程，雙金屬片恒溫器使鍋內(nèi)米飯溫度保持在60℃。電子式電飯鍋是帶有微電腦控制器的電飯鍋，整個(gè)燒煮燜飯等過(guò)程按預(yù)定程序自動(dòng)進(jìn)行。
92八、電磁現(xiàn)象磁體具有磁性的物體。也叫做“磁鐵”。通常指能產(chǎn)生一定磁場(chǎng)的裝置。可分為永磁體、電磁體和超導(dǎo)磁體。永磁體是能長(zhǎng)期保持磁性的物體，一般由鋁鎳鈷合金和鋇鍶鐵氧體等制成。永磁體常應(yīng)用在電表、揚(yáng)聲器、耳機(jī)、拾音器、永磁發(fā)電機(jī)等設(shè)備中。電磁體由線圈和軟磁材料制成的鐵芯組成。線圈通過(guò)電流，鐵芯被磁化產(chǎn)生磁場(chǎng)。切斷電流時(shí)磁場(chǎng)也隨之消失。電磁體常應(yīng)用于繼電器、電鈴、起重和選礦設(shè)備等。超導(dǎo)磁體由超導(dǎo)材料繞制的線圈組成，線圈中無(wú)鐵芯。當(dāng)線圈中通過(guò)強(qiáng)電流時(shí)能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。超導(dǎo)磁體應(yīng)用于磁流體發(fā)電、磁懸浮、高能加速器、超導(dǎo)電機(jī)等。天然永磁體自然界存在的永磁體。天然磁鐵礦石（Fe3O4）就是一種天然永磁體，是人類最早發(fā)現(xiàn)的永磁體。中國(guó)古代把磁鐵礦石叫“慈石”，后逐漸轉(zhuǎn)叫“磁石”，俗名“吸鐵石”。中國(guó)古代用天然永磁體制造司南勺、指南車、指南針等。人造永磁體人工制造的永磁體。制造永磁體的材料有：鋁鎳鈷系合金、釤鈷系合金、錳鋁系合金、鐵鉻鈷系合金以及鋇鐵氧體、鍶鐵氧體等。這些材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生磁化具有磁性，撒去磁場(chǎng)后仍長(zhǎng)期保留磁性成為永磁體。人造永磁體的磁性比天然永磁體強(qiáng)得多，現(xiàn)在應(yīng)用的永磁體基本上都是人造永磁體。磁極磁體磁性最強(qiáng)的部分。如條形磁鐵兩端的磁性最強(qiáng)，兩端就是兩個(gè)磁極。條形或針形磁鐵懸掛起來(lái)，靜止時(shí)，總是一個(gè)磁極指南，另一個(gè)磁極指北。指南的磁極叫S極（南極），指北的磁極叫N極（北極）。同名磁極互相推斥，異名磁極互相吸引。磁體的磁極是成對(duì)出現(xiàn)的。指南針利用條形磁鐵指南北的性質(zhì)制成。指南針是我國(guó)古代的四大發(fā)明之一。大約公元前3世紀(jì)，我國(guó)制成了世界上最早的指南工具“司南”。司南是用天然磁石琢磨而成的勺子，放在刻有方位的銅盤上。用手撥動(dòng)一下勺子，勺子靜止時(shí)，勺柄指北，勺頭指南。公元11世紀(jì)我國(guó)人民把鋼做成針狀，用天然磁石使它磁化，制成了指南針。指南針的發(fā)明推動(dòng)了航海事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)、文化的交流，對(duì)人類進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)。現(xiàn)在的指南針（羅盤）是用人造磁鐵制成的，如圖所示。磁化使原來(lái)沒有磁性的物體在磁場(chǎng)中獲得磁性的過(guò)程。最容易磁化的物質(zhì)是鐵、鋼等鐵磁性物質(zhì)。鐵棒、鋼棒靠近磁鐵時(shí)，被磁化而具有磁性。如果拿走磁鐵，鐵棒磁性幾乎消失，鋼棒仍有磁性，所以，用鋼來(lái)做永磁體。強(qiáng)電流能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，我們常利用電流的強(qiáng)磁場(chǎng)使鐵磁性物
93質(zhì)磁化。去磁使具有磁性的物體失去磁性的過(guò)程。去磁又叫“退磁”。加熱和捶打磁體能使磁性減弱或去掉。我們要保持永磁體的磁性，就不要對(duì)永磁體加熱或敲擊。要使鐵磁性物質(zhì)失去磁性，應(yīng)該把它們放在方向不斷變化、不斷減弱的磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)減弱到零時(shí)，磁性能完全消除。錄音機(jī)磁頭使用一段時(shí)間后就需要退磁。磁場(chǎng)磁體和電流周圍空間存在磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的基本性質(zhì)，就是對(duì)放入其中的磁體和電流產(chǎn)生磁力的作用。磁場(chǎng)有方向，某一點(diǎn)磁場(chǎng)的方向就是磁針N極在該點(diǎn)受力的方向。或者說(shuō)，一個(gè)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)的小磁針，在磁場(chǎng)中某點(diǎn)靜止時(shí)，小磁針N極所指的方向就是該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向。磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，可以用細(xì)鐵屑顯示出來(lái)。磁感[應(yīng)]線在磁場(chǎng)中畫出的一些有方向的曲線，任何一點(diǎn)的曲線方向都踉放在該點(diǎn)的磁針N極所指的方向一致。磁感線形象、方便、明確地表示了線上各點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。條形磁鐵和蹄形磁鐵的磁感線如圖所示。由圖可知，磁鐵周圍的磁感線都是從磁鐵N極出來(lái)，回到磁鐵的S極。知道磁場(chǎng)中磁感線的方向，就可以知道磁極、電流在磁場(chǎng)中各點(diǎn)所受磁力的方向。N極在某點(diǎn)所受的感磁力方向跟該點(diǎn)的磁線方向一致，S極所受的感磁力方向跟該點(diǎn)的磁感線方向相反。地磁場(chǎng)地球的磁場(chǎng)。地球本身是一個(gè)巨大的磁體。地磁的北極在地理南極附近，地磁的南極在地理北極附近。因此，地球周圍空間存在磁場(chǎng)，叫地磁場(chǎng)。磁針靜止時(shí)指南北，就是受到地磁場(chǎng)的作用。地磁兩極與地理兩極的位置并不重合，據(jù)1970年測(cè)定，地磁北極在地理南極附近，南緯66°、東經(jīng)140°。地磁南極在地理北極附近，北緯76°、西經(jīng)101°。水平放置的磁針的指向，跟地理子午線不一致，磁針指向與子午線的交角叫磁偏角。我國(guó)宋代科學(xué)家沈括是世界上第一個(gè)清楚、準(zhǔn)確地論述磁偏角的科學(xué)家。地磁兩極的位置并不固定，而是緩慢移動(dòng)。幾千年來(lái)地磁場(chǎng)的方向曾經(jīng)改變了幾次。沈括（1031～1095）北宋科學(xué)家、政治家、軍事家。沈括注重實(shí)踐，細(xì)微觀察事物，刻苦學(xué)習(xí)，知識(shí)廣博。沈括所著《夢(mèng)溪筆談》，內(nèi)容豐富、見解精到，無(wú)論在中國(guó)還是世界科學(xué)史上都享有很高的聲譽(yù)。沈括在數(shù)學(xué)、天文、氣象、地質(zhì)、地理、地圖、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)??都有研究，在許多方面取得重大成就。沈括對(duì)物理學(xué)的磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)幾方面都有創(chuàng)見。沈括最早記載了人工磁化的簡(jiǎn)便方法，即“以磁石磨針鋒”，造指南針。他詳細(xì)討論了指南針的四種裝置方法：水??；放在指甲上；放在碗沿
94上；懸吊。他指出，浮在水面容易搖動(dòng)不定，放在指甲或碗沿上容易滑掉，用單根蠶絲懸掛最為方便。沈括在歷史上第一個(gè)指出了地磁場(chǎng)存在磁偏角，是世界上第一個(gè)清楚地、準(zhǔn)確地論述磁偏角的科學(xué)家。他明確指出，磁針?biāo)浮俺Ｎ⑵珫|，不全南也”。這比哥侖布橫渡大西洋時(shí)才觀察到磁偏角現(xiàn)象早了400多年。奧斯特實(shí)驗(yàn)顯示電流周圍存在磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)。1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)：在靜止的磁針上方拉一根與磁針平行的導(dǎo)線，給導(dǎo)線通電時(shí)，磁針立刻偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，切斷電流時(shí)，磁針又回到原來(lái)位置。奧斯特實(shí)驗(yàn)表明：電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于磁針使磁針偏轉(zhuǎn)。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起很大反響。由此導(dǎo)致電與磁關(guān)系的一系列發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用廣泛的電磁鐵的出現(xiàn)。直線電流的安培定則確定直線電流周圍的磁感線方向跟電流方向之間關(guān)系的定則。直線電流周圍的磁感線是一些以導(dǎo)線上各點(diǎn)為圓心的同心圓，這些同心圓都在跟導(dǎo)線垂直的平面上。直線電流的安培定則可判斷電流方向與磁感線方向間的關(guān)系。用右手握住導(dǎo)線，讓大拇指所指的方向跟電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。通電螺線管的磁性把導(dǎo)線繞成螺線管，通電以后螺線管周圍的磁感線跟條形磁鐵的磁感線相似。通電螺線管的一端跟N極相吸引，另一端跟S極相吸引。從通電螺線管外部看，兩端的磁性最強(qiáng)。通電螺線管兩端是兩個(gè)異名磁極，即一對(duì)磁極。螺線管電流的安培定則確定通電螺線管兩端磁極性質(zhì)跟電流方向之間關(guān)系的定則。如圖所示，用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，那么大拇指所指的那端就是通電螺線管的N極。電磁鐵利用電流的磁效應(yīng)使鐵芯磁化產(chǎn)生磁力的裝置。通常由線圈、鐵芯、銜鐵組成。當(dāng)線圈通電時(shí)鐵芯和銜鐵都被磁化，線圈、鐵芯產(chǎn)生的較強(qiáng)磁場(chǎng)把銜鐵吸向鐵芯。電磁鐵常做成U形，使它的兩個(gè)磁極同時(shí)吸引物體而增強(qiáng)磁力。有的電磁鐵沒有銜鐵，這時(shí)被吸引的工作物起銜鐵作用。電磁鐵種類很多，但都是利用電流的磁效應(yīng)來(lái)工作的。根據(jù)通過(guò)線圈中電流是直流電和交流電，可分為交流電磁鐵和直流電磁鐵，交流電磁鐵的鐵芯用硅鋼片疊制而成，直流電磁鐵的鐵芯用整塊鋼制成。電磁鐵的特點(diǎn)是：(1)能產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)；(2)它的磁性的有無(wú)、強(qiáng)弱和N、S極位置可通過(guò)電流大小、方向的改變來(lái)控制。因此，電磁鐵獲得廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代用超導(dǎo)體制成的電磁鐵能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。超導(dǎo)電磁鐵沒有鐵芯。超導(dǎo)體電磁鐵的強(qiáng)磁場(chǎng)已用于高能加速器、核聚變研究等方面。
95電磁起重機(jī)利用電磁鐵搬運(yùn)鋼材的裝置。電磁起重機(jī)的電磁鐵鐵芯做成盤式，當(dāng)線圈中通進(jìn)直流電后，鐵芯被磁化產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，一次能吸起幾噸鋼材。切斷線圈電流就可放下鋼材。被吸引的鋼板、鐵塊、鋼鐵制品等起銜鐵的作用。電磁選礦機(jī)利用電磁鐵把礦石中的鐵磁性物質(zhì)與其它物質(zhì)分開的裝置。如圖所示，電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)?shù)V石從漏斗落到滾筒上時(shí)，含有鐵磁性物質(zhì)被吸附在滾筒上，用刷子把它們刷落下來(lái)。其它礦石不會(huì)被滾筒吸附而落到另一個(gè)槽中。一種新的磁選機(jī)可分離小而弱的磁性顆粒，可處理污水，很有發(fā)展前途。電磁繼電器利用電磁鐵控制工作電路的通斷的裝置。利用電磁繼電器可以用低電壓、弱電流控制高電壓、強(qiáng)電流的工作電路，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱和自動(dòng)控制。如圖所示是利用電磁繼電器控制電動(dòng)機(jī)的電路。虛線框內(nèi)是電磁繼電器，由電磁鐵、銜鐵、彈簧、觸點(diǎn)組成。電磁鐵、低壓電源、電鍵構(gòu)成控制電路。電動(dòng)機(jī)、高壓電源、電磁繼電器觸點(diǎn)構(gòu)成工作電路。閉合電鍵，電磁鐵線圈中通過(guò)不強(qiáng)的控制電流，電磁鐵吸引銜鐵，使工作電路接通，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。斷開電鍵，彈簧把銜鐵拉起，切斷工作電路，電動(dòng)機(jī)停止工作。防汛報(bào)警器原理如圖所示，K是觸點(diǎn)開關(guān)，B是一個(gè)漏斗形的竹片圓筒，里面有個(gè)浮子A。當(dāng)水位上漲超過(guò)警戒線時(shí)，浮子A上升，使控制電路接通，電磁鐵吸下銜鐵，報(bào)警器指示燈電路接通，指示燈亮報(bào)警。水位自動(dòng)報(bào)警器原理如圖所示，當(dāng)水位沒有達(dá)到金屬塊B時(shí)，繼電器控制電路不導(dǎo)通，銜鐵沒有被吸下，綠燈電路閉合，綠燈亮，表示水位在正常范圍內(nèi)。水位達(dá)到金屬塊時(shí)，由于水導(dǎo)電，A、B之間導(dǎo)通。繼電器控制電路閉合，電磁鐵吸下銜鐵，使綠燈電路斷開，接通紅燈電路，紅燈發(fā)光，自動(dòng)報(bào)警。溫度自動(dòng)報(bào)警器原理如圖所示，1是電磁鐵，2是彈簧片，3是觸點(diǎn)，4是水銀溫度計(jì)，在水銀溫度計(jì)的管里封入一段金屬絲。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，水銀溫度計(jì)中水銀面上升到金屬絲處，水銀是導(dǎo)體，因此將電磁鐵電路接通，電磁鐵吸引彈簧片2，使電鈴電路閉合，電鈴響，報(bào)警。當(dāng)溫度下降后，水銀面離開金屬絲，電磁鐵電路斷開，彈簧片2恢復(fù)原狀，電鈴電路斷開，電鈴不再發(fā)聲。電鈴利用電磁鐵打鈴的裝置。構(gòu)造如圖所示，1是電磁鐵。2是彈簧片，3是螺釘，4是銜鐵，銜鐵與螺釘?shù)募舛司o靠著。當(dāng)按下電鍵的時(shí)候，
96電路接通，電磁鐵把彈簧片上的銜鐵吸過(guò)來(lái)，彈簧片下端的小錘就在鈴上打一下。當(dāng)銜鐵被吸過(guò)來(lái)時(shí)，它和螺釘尖端放開，電路被切斷，彈簧片彈了回去。銜鐵一接觸螺釘，電路又通了，又把銜鐵吸過(guò)來(lái)，小錘又敲擊鈴，鈴又響了一下。只要電鍵閉合著，電流就這樣一斷一通地循環(huán)下去，鈴聲也就響個(gè)不停。有線電話由話筒、聽筒、電源和導(dǎo)線、交換機(jī)等組成的通話裝置。話筒把聲音變成相應(yīng)的電流信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳入聽筒中，聽筒再把電信號(hào)變成聲音。交換機(jī)起接通我們所需要的用戶的電話的作用。有線電話的電信號(hào)是通過(guò)電線傳輸?shù)摹Ｂ犕舶央娦盘?hào)還原為聲音的裝置。聽筒的構(gòu)造如圖所示，M是永磁鐵，在磁鐵的兩極上套著螺線管E，螺線管兩頭連到電路里。在磁極前面有一薄鐵片N是振動(dòng)膜。當(dāng)忽強(qiáng)忽弱信號(hào)電流通過(guò)螺線管E時(shí)，磁鐵對(duì)振動(dòng)膜的吸力就發(fā)生忽大忽小的變化。振動(dòng)膜在這種忽大忽小的吸力作用下振動(dòng)起來(lái)。聽簡(jiǎn)振動(dòng)膜的振動(dòng)情況跟話振動(dòng)膜的振動(dòng)情況一樣。所以我們聽到跟話筒前講話相同的聲音。聽筒又叫受話器。話筒把聲音變成電信號(hào)的裝置。話筒的構(gòu)造如圖所示，A是一個(gè)圓形的金屬盒，盒上面有一個(gè)碳精薄片——振動(dòng)膜C。盒里面裝一個(gè)碳精盤B，在碳精盤和振動(dòng)膜中間裝滿了碳粒。碳精盤跟一個(gè)露出盒外的金屬柱D連著，金屬柱D跟金屬盒A是絕緣的。話筒里的碳粒接觸不緊密，有較大電阻，如果被壓緊，電阻將減小。我們對(duì)著振動(dòng)膜說(shuō)話時(shí)，聲帶的振動(dòng)通過(guò)空氣使振動(dòng)膜做相應(yīng)的振動(dòng)。振動(dòng)膜的振動(dòng)使碳粒發(fā)生忽松忽緊的變化，它的電阻就發(fā)生忽大忽小的變化，這時(shí)電路中通過(guò)忽強(qiáng)忽弱的電流就是電信號(hào)。話筒又叫送話器。磁場(chǎng)力磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用力。磁場(chǎng)力又叫安培力。磁場(chǎng)力方向和磁力線方向、電流方向之間的關(guān)系，可以用左手定則來(lái)判定：伸開左手，使大拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把左手放入磁場(chǎng)中，讓磁力線垂直穿入手心，并使伸開的四指指向電流的方向，那么，拇指所指的方向，就是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向。通電導(dǎo)體受磁場(chǎng)力作用而運(yùn)動(dòng)時(shí)，消耗電能，得到機(jī)械能。直流電動(dòng)機(jī)工作原理用直流電源供電、把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器叫直流電動(dòng)機(jī)。它的構(gòu)造和工作原理如圖所示。線圈abcd和換向器E、F都裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。換向器E、F是兩個(gè)鋼制的半環(huán)，它們彼此絕緣，并且都跟轉(zhuǎn)動(dòng)軸絕緣。A、B是電刷，它們跟換向器接觸，使電源和線圈組成閉
97合電路。電流由直流電源經(jīng)過(guò)電刷、換向器流入線圈。線圈在圖甲位置時(shí)，線圈中電流從E流向F，根據(jù)左手定則知道線圈沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)到圖乙平衡位置時(shí)，電刷與兩半環(huán)間的絕緣部分接觸，線圈由于慣性還能轉(zhuǎn)過(guò)一些，兩半環(huán)接觸的電刷調(diào)換了，線圈中電流變成從F流向E，線圈繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈就這樣不停地轉(zhuǎn)動(dòng)下去。電磁感應(yīng)現(xiàn)象閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。如果導(dǎo)體不閉合，導(dǎo)體做切割磁力線運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生感生電流，而是在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感生電壓。感生電流方向和導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向、磁力線方向之間的關(guān)系，可以用右手定則來(lái)判定：伸開右手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把右手放入磁場(chǎng)中，讓磁力線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其余四指所指的方向就是感生電流的方向。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象里，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。法拉第（1791～1867）偉大的英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家。出身于貧苦的鐵匠工人家庭，從小受教育很差。法拉第13歲進(jìn)一家書店當(dāng)學(xué)徒工，后來(lái)裝釘書籍。他通過(guò)自學(xué)讀了許多書，激起了對(duì)科學(xué)的興趣。他利用一切機(jī)會(huì)刻苦學(xué)習(xí)，22歲時(shí)經(jīng)戴維介紹進(jìn)皇家研究所任實(shí)驗(yàn)室的助手，在戴維的指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作。法拉第從不滿足現(xiàn)成的結(jié)論。不盲從，喜歡追根究底。法拉第具有廣闊的視野，豐富的想象力，深刻的批判精神和高超的實(shí)驗(yàn)才能。在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，不少人認(rèn)為：利用磁場(chǎng)能獲得電流。有的人進(jìn)行了研究，但沒有取得成功。法拉第經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了全面的、深刻的研究。電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律的發(fā)現(xiàn)有重要的科學(xué)意義和很大的實(shí)用價(jià)值。法拉第在電學(xué)和化學(xué)方面都有許多發(fā)現(xiàn)，是19世紀(jì)偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。法拉第在科學(xué)上最偉大的貢獻(xiàn)是提出磁場(chǎng)和電場(chǎng)的概念，這是物理學(xué)自牛頓以來(lái)的一次最深刻和最富有成效的變革。法拉第一生工作勤奮，熱心科普工作。他追求科學(xué)真理，淡薄名利，拒絕優(yōu)厚報(bào)酬，拒絕擔(dān)任皇家學(xué)會(huì)主席，拒絕接受爵士稱號(hào)。法拉第的高尚品德和偉大貢獻(xiàn)已成為人類的共同財(cái)富。交流電的產(chǎn)生線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生交流電。如圖所示，矩形線圈abcd可以繞軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)，ab邊和cd邊分別接到銅滑環(huán)K、L上，兩個(gè)滑環(huán)又分別跟電刷A、B接觸。電流表接到A、B組成閉合電路。當(dāng)線圈逆時(shí)針方向從圖甲經(jīng)圖乙轉(zhuǎn)到圖丙的半周內(nèi)，根據(jù)右手定則，ab邊向下運(yùn)動(dòng)、感生電流方向由b→a，cd邊向上運(yùn)動(dòng)、感生電流方向由d→c。外部電路的電流由A→B。當(dāng)線圈由圖丙經(jīng)圖丁轉(zhuǎn)到圖甲的半周內(nèi)，ab邊向上運(yùn)動(dòng)、電流由a→b，cd邊向下運(yùn)動(dòng)、電流由c→d。外部電路的電流由B→A。線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，電流就這樣周期性地改變方向，這就是交流電。
98交流電的頻率交流電流、交流電壓每秒重復(fù)的次數(shù)。頻率的符號(hào)是f，單位是赫（HZ）。我們的照明用電和電力供電的頻率是50赫，有的國(guó)家是60赫，這又叫做工頻。我們用的交流電頻率是50赫說(shuō)明，交流電流、交流電壓的變化1秒內(nèi)重復(fù)50次，從電流方向的變化說(shuō)1秒內(nèi)變化100次。有的工業(yè)部門應(yīng)用的交流電的頻率有200赫、400赫的。交流電的電壓交流電的電壓隨時(shí)間做周期性變化，每時(shí)每刻交流電電壓的大小、方向不同，我們平常說(shuō)的交流電的電壓是一個(gè)定值，它的含義是：交流電壓加在某一電阻上產(chǎn)生的效果與這樣大的直流電壓加在同一電阻上產(chǎn)生的效果相同。例如，我們說(shuō)照明電路的交流電壓是220伏的意思是，220伏的交流電壓加在某一燈泡上與220伏的直流電壓加在同一燈泡上發(fā)光的情況相同。實(shí)際上，220伏的交流電壓某一時(shí)刻的電壓值最大可達(dá)311伏，最小可以是零。交流電的電流交流電的電流隨時(shí)間周期性變化，我們平常說(shuō)的交流電流是一個(gè)定值，它的含義是：交流電流通過(guò)某一電阻在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量與同樣大小的直流電流通過(guò)同一電阻在同樣長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等。例如，我們說(shuō)交流電流是0.5安，意思是0.5安的交流電通過(guò)電阻在一定時(shí)間產(chǎn)生的熱量，與0.5安的直流電通過(guò)同一電阻在同樣長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等。即0.5安的交流電流與0.5安的直流電流對(duì)電阻產(chǎn)生的效果相同。實(shí)際上，0.5安的交流電流某一時(shí)刻電流的最大值可達(dá)到0.707安，最小值可為零。交流發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生交流電的發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單的工作原理見“交流電的產(chǎn)生”。實(shí)際的交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由定子（不動(dòng)部分）和轉(zhuǎn)子（運(yùn)轉(zhuǎn)部分）兩部分組成。大型交流發(fā)電機(jī)要發(fā)出很高的電壓和很強(qiáng)的電流，要使巨大的線圈高速旋轉(zhuǎn)有很大困難，因此采用線圈不動(dòng)而磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方式。大型交流發(fā)電機(jī)的定子是嵌在定子鐵心槽里的線圈，轉(zhuǎn)子是電磁鐵（為了得到比永磁鐵更強(qiáng)的磁場(chǎng)），由直流電源經(jīng)電刷、滑環(huán)給電磁鐵供電。家庭電路家庭用電的電路。家用電器主要是電燈、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、電扇等??。家用電器設(shè)計(jì)的電壓是交流220伏，每個(gè)電器都要能夠單獨(dú)使用。所以家用電器間都是并聯(lián)，每個(gè)電器都有個(gè)開關(guān)（電鍵）控制通電或斷電。一個(gè)簡(jiǎn)單的家庭電路如下圖所示，圖中畫了兩盞電燈和一個(gè)插座，每盞電燈都有個(gè)開關(guān)，插座是給臺(tái)燈、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)等用電器供電的。有的家庭不止兩盞燈。有的家庭用電器較多，需要多裝幾個(gè)插座應(yīng)用起來(lái)才方便。兩根進(jìn)戶線間電壓是交流220伏，電能表是為了測(cè)量用戶用了多少電能。保險(xiǎn)盒內(nèi)裝有保險(xiǎn)絲是為了安全，當(dāng)用電電流過(guò)大超過(guò)規(guī)定值或用電器短路產(chǎn)生很大的電流時(shí)，保險(xiǎn)絲燒斷，自動(dòng)切斷電路，可避免發(fā)生火災(zāi)、
99損壞設(shè)備。閘刀開關(guān)是為了在檢修電路、更換保險(xiǎn)絲時(shí)，應(yīng)該先切斷電源、避免觸電而設(shè)置的。閘刀開關(guān)應(yīng)安裝在用電器和保險(xiǎn)盒前面。火線和地線家庭電路、照明電路的兩根導(dǎo)線中有一根連著地，叫零線，俗稱“地線”。在正常情況下，零線與地之間沒有電壓。另一根導(dǎo)線與零線之間有220伏電壓，這根線叫相線，俗稱“火線”。相線與地之間也有220伏電壓。我們可用測(cè)電筆來(lái)辨別零線和火線，用手觸筆尾的金屬體，筆尖觸電線，氖管發(fā)光時(shí)表明接觸的是相線，氖管不發(fā)光時(shí)表明接觸的是零線。相線與地之間有220伏電壓，站在地上的人觸到相線會(huì)造成觸電。正常情況下零線與地之間沒有電壓，但有時(shí)零線與地之間也存在電壓，這時(shí)站在地上的人觸到零線也可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。為了安全，檢修電路時(shí)閘刀開關(guān)同時(shí)切斷相線和零線。接地將電氣設(shè)備的金屬外殼與接地導(dǎo)線連接。接地是為了防止電氣設(shè)備絕緣破壞使金屬外殼帶電時(shí)，站在地上的人接觸金屬外殼而觸電，這叫接地保護(hù)，又常叫做保護(hù)接地。應(yīng)該注意，接地導(dǎo)線不是零線?，F(xiàn)在新建的住宅已經(jīng)規(guī)范化、安全化，家庭供電線路的進(jìn)戶線，除了相線和零線外，還有保護(hù)地線。通常情況下保護(hù)地線與零線是分開的，進(jìn)戶線采用三芯電源線。三芯線中，綠、黃雙色線是專門連結(jié)用電器金屬外殼與保護(hù)地線用的。三芯插頭、插座如圖所示，插頭中較長(zhǎng)的插頭接保護(hù)地線端，與電源插座的保護(hù)地線相連。當(dāng)金屬外殼帶電時(shí)，電流經(jīng)保護(hù)地線入地，人觸摸用電器外殼也不會(huì)觸電。接零將電氣設(shè)備的金屬外殼與零線連接。這是為了防止電氣設(shè)備絕緣損壞使金屬外殼帶電，站在地上的人能摸到外殼時(shí)發(fā)生觸電事故。有的地方?jīng)]有專用的保護(hù)地線，只好采用接零保護(hù)，即把三芯插座的地線端與零線相接。采用接零保護(hù)時(shí)，一定要注意分辨清楚相線和零線。如果接錯(cuò)了，電氣設(shè)備的金屬外殼將帶電，非常危險(xiǎn)。自制測(cè)電筆測(cè)電筆是一種檢驗(yàn)電路是否帶電的工具，其構(gòu)造和用法如下圖所示。主要由氖管、電阻、筆尖、彈簧、兩個(gè)筆桿等組成。構(gòu)造簡(jiǎn)單可以自制。自制時(shí)需要一個(gè)長(zhǎng)為33毫米的氖管，一個(gè)阻值不小于2兆歐的電阻。筆尖金屬體插在絕緣筆桿中，筆尖、電阻、氖管、彈簧串在一起，放進(jìn)另一絕緣筆桿中。測(cè)電筆的原理是利用氖管兩端間電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)產(chǎn)生輝光。電阻的作用是限制流過(guò)人體的電流，以免發(fā)生危險(xiǎn)。自制測(cè)電筆的電阻不可小于2兆歐。筆桿的絕緣性能要好，整個(gè)測(cè)電筆的長(zhǎng)度約十幾厘米，能測(cè)量100～500伏內(nèi)的電壓。測(cè)電筆的用途很多，可用來(lái)分辨相線和零線（見“火線和地線”）?？煞直嬷绷麟姾徒涣麟姡缒使軆啥硕及l(fā)光則為交流電，如一端發(fā)光則為
100直流電，且發(fā)光的一端是負(fù)極?？煞直骐姎庠O(shè)備的外殼是否帶電，用測(cè)電筆接觸外殼，如氖管亮則外殼帶電，如氖管不亮則說(shuō)明不帶電。保險(xiǎn)絲串聯(lián)在電路中保護(hù)供電用電設(shè)備、器件的金屬絲或薄片。當(dāng)電路中出現(xiàn)短路或其它故障造成電流超過(guò)允許值時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，切斷電路，起到保護(hù)作用。通常用的保險(xiǎn)絲是用鉛、錫、銻等制成合金絲或合金片，保險(xiǎn)絲熔點(diǎn)低。直徑額定電流（毫米）（安）0.2810.5220.7130.9851.0261.51101.98152.4020保險(xiǎn)絲的規(guī)格常用它的額定電流表示。常用鉛銻合金保險(xiǎn)絲的直徑和額定電流如表所示。選用保險(xiǎn)絲時(shí)，應(yīng)使它的額定電流等于或稍大于電路最大的正常工作電流。保險(xiǎn)絲通常裝在保險(xiǎn)盒里。常用的插入式保險(xiǎn)盒如圖所示，更換保險(xiǎn)絲時(shí)將盒蓋拔下，操作很安全。閘刀開關(guān)下方也裝有保險(xiǎn)絲，更換保險(xiǎn)絲時(shí)必須拉開閘刀，切斷電源，再進(jìn)行操作。安全用電確保用電安全的常識(shí)和措施。在我們平時(shí)用電過(guò)程中，造成觸電的原因都是由于人體直接或間接跟相線（火線）連通造成的。站在地上的人觸到相線，或站在絕緣體上而同時(shí)觸到兩根電線，就有電流流過(guò)人體造成觸電。高壓線路和高壓設(shè)備引起的觸電，有高壓電弧觸電和跨步電壓觸電。當(dāng)人體靠近高壓帶電體一定距離時(shí)，發(fā)生放電現(xiàn)象，電流通過(guò)人體造成高壓電弧觸電。高壓輸電線落在地面上，當(dāng)人體走近斷頭時(shí)，兩腳之間存在電壓，電流流過(guò)人體，造成跨步電壓觸電。安全用電的原則是：不接觸低壓帶電體，不靠近高壓帶電體。要特別警惕本來(lái)不應(yīng)帶電的物體帶了電，本來(lái)應(yīng)該絕緣的物體導(dǎo)了電。具體應(yīng)該注意：(1)防止絕緣部分破損。(2)保持絕緣部分干燥。不要濕手扳開關(guān)，不要用濕布擦電燈泡等。(3)電氣設(shè)備的金屬外殼要接地。(4)避免電線跟其它金屬物接觸。(5)電線斷頭落地時(shí)不要靠近。(6)定期檢查、及時(shí)修理。(7)發(fā)現(xiàn)有人觸電要立即切斷電源，或用干木棍、竹桿將電線挑開。安全電壓人體與電接觸時(shí)不致造成人體組織明顯損害的電壓。各國(guó)對(duì)安全電壓的規(guī)定不完全相同，我國(guó)的規(guī)定是：(1)在無(wú)高度觸電危險(xiǎn)的建
101筑物中為65伏；(2)在有高度觸電危險(xiǎn)的建筑物中為36伏；(3)在有特別觸電危險(xiǎn)的建筑物中為12伏。人觸電時(shí)有電流流過(guò)人體，電流的大小決定造成人體組織的傷害程度。電流不超過(guò)10毫安時(shí)，觸電人自己可擺脫電源。0.1～0.2安的電流對(duì)人體是最危險(xiǎn)的。通過(guò)人體的電流由電壓和人體電阻決定。人皮膚的電阻從濕皮膚的1000歐左右到干皮膚的500000歐左右。人體內(nèi)的電阻小，約100～500歐。不同人電阻不同，接觸相同電壓的帶電體時(shí)造成的傷害不同。經(jīng)驗(yàn)證明，一般說(shuō)不高于36伏的電壓是安全的。人體大部浸于水中，安全電壓為2.5伏以下，人體淋濕或人體一部分經(jīng)常接觸電氣裝置的金屬外殼，安全電壓為25伏以下。電子保安器用來(lái)防盜、保護(hù)財(cái)產(chǎn)和人身安全的電子系統(tǒng)。電子保安器又叫防盜報(bào)警器，它由三部分組成：傳感檢測(cè)器；控制器；報(bào)警器。傳感檢測(cè)器好像人的耳朵、眼睛、鼻子等，用來(lái)檢測(cè)小偷等侵入的信息。有的利用門窗的振動(dòng)、有的利用光束、有的利用超聲波、微波、熱輻射等。控制器相當(dāng)人的大腦，它把檢測(cè)器送來(lái)的信息及時(shí)通知報(bào)警器。報(bào)警器能發(fā)出清晰的警報(bào)聲、鈴聲及顯眼的燈光信號(hào)。漏電保安器又叫漏電保安開關(guān)，它能防止人觸電造成的生命危險(xiǎn)和防止電氣設(shè)備漏電引起的火災(zāi)。漏電保安器由漏電檢測(cè)、信號(hào)放大、執(zhí)行開關(guān)三部分組成。漏電檢測(cè)部分檢測(cè)出漏電信號(hào)送到晶體管電路組成的信號(hào)放大部分放大，執(zhí)行開關(guān)一般是高靈敏繼電器，執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)切斷電路。漏電保安器的動(dòng)作電流小于30毫安，動(dòng)作時(shí)間小于0.1秒。干電池鋅錳干電池是一種低壓直流電源，是非充電電池。干電池的外殼是一個(gè)鋅筒，鋅筒是干電池的負(fù)極，也是干電池的容器，里面裝有氯化銨溶液等化學(xué)藥品。鋅筒中央的碳棒是干電池的正極。按電池的大小分為一號(hào)、二號(hào)、五號(hào)等電池。干電池?zé)o論大小電壓都是1.5伏，只是容量大小不同，放電電流不同。干電池利用化學(xué)變化供電，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是化學(xué)電池的一種。干電池適合于斷續(xù)放電，用久了電流減弱就要換新的。充電電池化學(xué)反應(yīng)可逆的電池，又叫二次電池。常用的充電電池是鉛蓄電池和鎳鎘電池。鉛蓄電池是把許多塊鉛板放在稀硫酸里做成的。鉛板分為兩組，一組是正極，一組是負(fù)極，正負(fù)極間電壓是2伏。鎳鎘電池的鎳是正極，鎘是負(fù)極，正負(fù)極間電壓是1.2伏。充電電池使用時(shí)需要先充電，把電池的正、負(fù)極分別接到另一電源的正、負(fù)極上，電流通過(guò)電池，使電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)蓄在電池里。電池向外供電叫放電，放電時(shí)儲(chǔ)蓄的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
102充電電池應(yīng)用很廣，交通工具的照明、收音機(jī)、照相機(jī)上都有應(yīng)用。使用充電電池時(shí)絕不允許電池短路，用過(guò)一段時(shí)間后要及時(shí)充電。太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。太?yáng)能電池大多是用半導(dǎo)體材料制成，除硅太陽(yáng)電池外，還有硫化鎘太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池。硅太陽(yáng)電池用得多。硅太陽(yáng)電池的電壓與太陽(yáng)光照的強(qiáng)度有關(guān)，一般約0.5伏左右。太陽(yáng)能電池在人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、星際電站中作為電源得到重要的應(yīng)用。太陽(yáng)能電池性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、不污染環(huán)境，在地面上也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如作為航標(biāo)燈、鐵路信號(hào)燈、黑光燈等的電源。太陽(yáng)能電池的汽車正在實(shí)驗(yàn)中。鈕扣電池鈕扣式結(jié)構(gòu)的電池。直徑從幾毫米到幾十毫米，厚度隨直徑相應(yīng)變化。鈕扣電池的外殼為金屬，通常與正極連接，中間是負(fù)極，電極之間充滿電解液等。負(fù)極與外殼之間有塑料密封圈，起絕緣和防止電解液外流的作用。鈕扣電池有的是一次電池，有的是充電電池（二次電池）。鈕扣電池的體積一般很小，容量和放電電流也很小，多應(yīng)用于電子手表、計(jì)算器等小型電器。低壓電源中學(xué)應(yīng)用的低壓電源是提供物理實(shí)驗(yàn)用的低壓交、直流和直流穩(wěn)壓電源。J1201型低壓電源輸出交流電壓的范圍是2～24伏，分12擋。輸出交流電流不大于6安，大于6安時(shí)過(guò)載指示燈亮。直流輸出電壓也是2～24伏，最大輸出電流是6安，也有過(guò)載指示燈。直流穩(wěn)壓輸出電壓6伏、9伏、12伏，輸出電流不大于1安，有過(guò)載保護(hù)裝置。變壓器用來(lái)改變交流電壓和電流的電器設(shè)備。變壓器由鐵芯和線圈兩部分組成。鐵芯一般用硅鋼片疊合做成，也可用鐵氧體做鐵芯。線圈有兩個(gè)或多個(gè)繞組，接電源的叫初級(jí)線圈或原線圈，是變壓器的輸入端。其余的叫次級(jí)線圈或副線圈，是變壓器的輸出端。當(dāng)在初級(jí)線圈加交流電壓U1時(shí)，次級(jí)線圈產(chǎn)生交流電壓U2。電壓U1與U2與初次級(jí)線圈的匝數(shù)成正Un11比，即=。當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)n2小于初級(jí)線圈匝數(shù)n1時(shí)，變壓器輸出Un22電壓降低，U2＜U1。若n2＞n1則輸出電壓升高，U2＞U1。白熾燈靠電流通過(guò)燈絲使燈絲加熱至白熾而發(fā)光的光源。常見的白熾燈是將熔點(diǎn)高的鎢絲封入玻璃泡殼內(nèi)，電流通過(guò)引線傳到支架上的鎢絲，使鎢絲溫度達(dá)2000℃以上而發(fā)光。為了防止鎢在高溫下氧化，小功率燈泡抽成真空。60瓦以上燈泡充入氮、氬等氣體，可阻礙鎢絲在高溫下的升華，燈絲溫度能提高到2400～2700℃，發(fā)光效率因而提高。如果在燈泡內(nèi)充入微量鹵族元素，燈絲溫度還可再提高，這叫鹵鎢燈，發(fā)光效率更高。常用的白熾燈有螺絲口和卡口兩種。如上圖所示，螺絲口燈泡燈絲兩頭通過(guò)金屬絲分別焊在燈泡尾部中心的金屬塊和螺旋上，燈座的螺旋套只準(zhǔn)接在零線上?？跓襞莸臒艚z兩頭通過(guò)金屬絲都從燈泡尾部伸出分別錫
103焊位。日光燈又叫熒光燈，是利用熒光來(lái)照明的光源。日光燈是應(yīng)用最廣的放電光源，它是靠管內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)與水銀原子碰撞，水銀原子發(fā)射紫外線，紫外線照射到管壁的熒光粉上，熒光粉就發(fā)出可見光。熒光粉可根據(jù)需要選擇發(fā)出不同色調(diào)的光。通常選擇的熒光粉能發(fā)出近似日光顏色的光，所以常稱日光燈。日光燈發(fā)熱少、效率高、壽命長(zhǎng)、光線柔和，應(yīng)用廣泛。日光燈的缺點(diǎn)是需要鎮(zhèn)流器、啟動(dòng)器等附件，電路較復(fù)雜。另外就是體積大，功率不能太大。新型的節(jié)能日光燈，用電子電路代替了鎮(zhèn)流器、啟動(dòng)器，體積大大縮小，效率進(jìn)一步提高。電風(fēng)扇由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)以加速空氣流動(dòng)和交換的電器。電扇的種類很多，有臺(tái)扇、吊扇、箱式電扇等。我們常用的臺(tái)扇由電動(dòng)機(jī)、風(fēng)葉、網(wǎng)罩、搖擺機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)、底座等組成。有的臺(tái)扇還有定時(shí)開關(guān)、照明燈等。吊扇主要由電動(dòng)機(jī)、風(fēng)葉、懸吊裝置及獨(dú)立安裝的調(diào)速器組成。吊扇多用于禮堂、會(huì)場(chǎng)等需要送風(fēng)范圍廣、風(fēng)量大的場(chǎng)合。電吹風(fēng)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)吹出加熱空氣的電器。電吹風(fēng)主要用于頭發(fā)吹干和定型，也用于實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)等的干燥加熱，還用于對(duì)收錄機(jī)、電視機(jī)等儀器的干燥、驅(qū)潮、清除塵埃。電吹風(fēng)主要由電動(dòng)機(jī)、風(fēng)葉、電熱元件、選擇開關(guān)、外殼、手柄等組成。電熱元件一般為鎳鉻絲，近年來(lái)還用一種新型材料——鐵電半導(dǎo)體陶瓷（PTC）。洗衣機(jī)洗滌衣服的電器。家用洗衣機(jī)的種類很多，有滾筒式（歐洲式）、波輪式（日本式）、攪拌式（美國(guó)式）、噴流式等。我國(guó)目前用得最多的是波輪式洗衣機(jī)，它是利用洗滌缸底部波輪的定時(shí)正反旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)水流旋轉(zhuǎn)，使臟衣服受到水流的沖刷，吸附于衣服內(nèi)的洗滌液被排出，并帶走一部分污垢，衣服之間、衣服與洗滌缸壁間相互摩擦等，最后經(jīng)過(guò)漂洗把衣服洗干凈。從洗衣機(jī)的性能看有單缸普通洗衣機(jī)、普通雙缸洗衣機(jī)、全自動(dòng)套缸洗衣機(jī)。電子點(diǎn)火器利用電子技術(shù)點(diǎn)火的電器。電子點(diǎn)火器按結(jié)構(gòu)分有：壓電式、磁電式、電磁式、電爐式。壓電式電子點(diǎn)火器是利用壓電陶瓷受到機(jī)械開關(guān)的沖擊力后，產(chǎn)生電壓使兩電極間出現(xiàn)電火花，可點(diǎn)燃丙烷、丁烷、液化石油氣和煤氣等。這種點(diǎn)火器的電能來(lái)自機(jī)械能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)耐用，是目前燃?xì)鉅t灶常用的一種點(diǎn)火器。電磁式電子點(diǎn)火器是由電池提供電能，利用電子電路在兩電極間產(chǎn)生電火花來(lái)引燃?xì)鉅t。電磁式電子點(diǎn)火器火花大且火花大小可調(diào)，使用方便可靠，用得很多。電子鐘表以電池為能源采用電子技術(shù)的鐘表。電子鐘表走時(shí)準(zhǔn)確，使用方便、價(jià)格合宜。電子鐘表由兩部分組成：電路和時(shí)間指示。電子鐘表電路的核心是石英晶體訊號(hào)發(fā)生器。石英晶體產(chǎn)生的訊號(hào)（32768赫）推動(dòng)時(shí)間指示裝置顯示出時(shí)間。石英晶體產(chǎn)生的訊號(hào)非常穩(wěn)定，保證了電
104子鐘表走時(shí)的準(zhǔn)確，所以又叫石英鐘表。機(jī)械鐘表每天的誤差一般以分計(jì)算，電子鐘表一般則以秒計(jì)算。電子鐘表的時(shí)間指示裝置有的跟機(jī)械鐘表類似，通過(guò)齒輪傳動(dòng)用指針指示時(shí)間，這叫指針式電子鐘表。有的用數(shù)字顯示，叫數(shù)字式電子鐘表。電子鐘的電源一般用5號(hào)電池，通?？捎?年左右。電子表用鈕扣電池，可用1～2年。電子鐘表內(nèi)有電池、電路，使用時(shí)要注意防潮。電池要及時(shí)更換以防漏液損壞鐘表。石英晶體訊號(hào)發(fā)生器容易受溫度變化影響，石英鐘不要受太陽(yáng)曬或接近太熱、太冷的物體。電子表戴在手上能保證走時(shí)準(zhǔn)確。
105九、電磁波及其傳播電磁波在空間中傳播的變化電場(chǎng)、磁場(chǎng)。平靜的水面如果某處發(fā)生振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)會(huì)沿著水面?zhèn)鞑コ鋈バ纬伤??？臻g中某處的電場(chǎng)、磁場(chǎng)發(fā)生變化，這個(gè)變化會(huì)在空間中傳播開去形成電磁波。無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線等都是電磁波，只是它們的頻率、波長(zhǎng)不同，產(chǎn)生的方式不同。電磁波的頻率電場(chǎng)、磁場(chǎng)每秒內(nèi)重復(fù)變化的次數(shù)。電磁波在空間中傳播時(shí)，空間中某處的電場(chǎng)、磁場(chǎng)隨時(shí)間作周期性的變化，電磁波的頻率就是說(shuō)明電場(chǎng)、磁場(chǎng)變化的快慢的。頻率高變化快，頻率低變化慢。頻率的單位是赫（Hz），符號(hào)是f。常用的頻率單位還有千赫（kHz）、兆赫（MHz）。1千赫＝103赫，1兆赫＝106赫。無(wú)線電廣播中波的頻率為幾百到幾千千赫，短波的頻率為幾十兆赫，紅外線的頻率約1010～1014赫，可見光為1014赫，紫外線為1014～1016赫，X射線為1016～1018赫。電磁波的波長(zhǎng)電磁波前一個(gè)波峰和后一個(gè)波峰間的距離。在真空中和空氣中，電磁波的波長(zhǎng)與頻率成反比，頻率低的電磁波波長(zhǎng)長(zhǎng)，頻率高的電磁波波長(zhǎng)短。無(wú)線電廣播的中波波長(zhǎng)約幾百～幾千米，短波約幾十米，微波約幾毫米～幾米，可見光為10-6米。電磁波的速度電場(chǎng)、磁場(chǎng)變化傳播的速度。在真空各種頻率的電磁波傳播速度都是3×108米/秒，光速也是3×108米/秒，用符號(hào)c表示，這是我們已知的自然界最快的速度。在媒質(zhì)中電磁波的速度比真空中小。電磁波的頻率、波長(zhǎng)和傳播速度間的關(guān)系是：速度＝頻率×波長(zhǎng)。無(wú)線話筒利用無(wú)線電波把聲音發(fā)射出去的器件。話筒是把聲音變成相應(yīng)的電信號(hào)的器件，無(wú)線話筒則是把電信號(hào)加在無(wú)線電波上發(fā)射出去，接收機(jī)接收到無(wú)線電波后取出電信號(hào)再還原為聲音。無(wú)線話筒由話筒頭和發(fā)射機(jī)組成。話筒頭有駐極體式和電容式兩種，電容式話筒頭性能優(yōu)越、體型小，已廣泛應(yīng)用。發(fā)射機(jī)話筒頭傳送來(lái)的電信號(hào)放大后加到高頻電流上，通過(guò)天線發(fā)射的無(wú)線電波發(fā)射出去。無(wú)線話筒體積小、重量輕、使用方便，廣泛用于舞臺(tái)、教學(xué)、導(dǎo)游等場(chǎng)所。無(wú)線電話把聲音信號(hào)加到無(wú)線電波上傳播出去的電話。無(wú)線電話由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、送話器（話筒）、受話器（聽筒）等組成。送話器把聲音變成低頻電信號(hào)，加到高頻無(wú)線電波上由發(fā)射機(jī)發(fā)射出去。接收機(jī)接收到高頻無(wú)線電波后取出低頻電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后送到受話器中再還原為聲音。各無(wú)線電話用戶可用約定的頻率通話（如對(duì)講機(jī)），也可通過(guò)中繼站、基地臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，還可通過(guò)轉(zhuǎn)接裝置接入市話系統(tǒng)接通市內(nèi)電話。程控電話臺(tái)用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的程序來(lái)控制電話交換機(jī)的電話臺(tái)。這種電話交換機(jī)的全稱是“存儲(chǔ)程序控制自動(dòng)電話交換機(jī)”。電話交
106換機(jī)是把各用戶電話按用戶要求接通的裝置，程控電話交換機(jī)是用計(jì)算機(jī)程序控制的，控制程序是我們按一定要求事先編好并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的。用計(jì)算機(jī)來(lái)控制交換機(jī)有音量大、音質(zhì)好、接續(xù)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，除實(shí)現(xiàn)了控制自動(dòng)化外，還實(shí)現(xiàn)了維護(hù)管理自動(dòng)化，對(duì)裝置的故障也能自動(dòng)地判斷出來(lái)，又能夠開發(fā)出許多種新的業(yè)務(wù)（如長(zhǎng)途電話、綜合服務(wù)等）。BP機(jī)無(wú)線電尋呼機(jī)。BP機(jī)由接收機(jī)和呼叫器等組成。接收機(jī)接收發(fā)射臺(tái)發(fā)射出的無(wú)線電波，把無(wú)線電波上的信號(hào)顯示出來(lái)，并且通過(guò)呼叫器發(fā)出聲音，持有BP機(jī)的人就知道是誰(shuí)在呼叫他。我們通過(guò)電話說(shuō)明要呼叫的號(hào)碼，電話局把這個(gè)電信號(hào)送到發(fā)射臺(tái)，發(fā)射臺(tái)就發(fā)射出無(wú)線電波。BP機(jī)對(duì)需要各處活動(dòng)的人說(shuō)是很有效的工具。大哥大是無(wú)線移動(dòng)電話機(jī)的俗稱。無(wú)線移動(dòng)電話是無(wú)線電話的一種。大哥大由無(wú)線電發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和電話機(jī)組成。我們拿起話筒撥號(hào)和說(shuō)話時(shí)，電信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射出無(wú)線電波，基地臺(tái)收到無(wú)線電波后，經(jīng)過(guò)放大等再發(fā)射出去。另一臺(tái)無(wú)線電話機(jī)的接收機(jī)收到基地臺(tái)發(fā)射的無(wú)線電波后，取下電信號(hào)、放大。由聽筒還原為聲音。無(wú)線移動(dòng)電話擺脫了電話機(jī)固定在一個(gè)地方的束縛，在基地臺(tái)有效控制的范圍內(nèi)，拿著無(wú)線移動(dòng)電話機(jī)在任何地方都可通話。無(wú)線電廣播無(wú)線電波傳送的信息是語(yǔ)言和音樂。首先通過(guò)話筒把語(yǔ)言、音樂的聲音變成低頻電信號(hào)，再通過(guò)高頻電磁波帶著低頻電信號(hào)發(fā)射出去，這就是無(wú)線電廣播的過(guò)程。高頻電磁波叫載波，低頻電信號(hào)加到高頻電磁波上改變了高頻電磁波的振幅，這叫調(diào)幅。無(wú)線電臺(tái)發(fā)射出去的電磁波是調(diào)幅無(wú)線電波。收音機(jī)接收無(wú)線電廣播信號(hào)的電器。收音機(jī)由調(diào)諧電路、檢波器、放大器、揚(yáng)聲器等組成。收音機(jī)的天線接收無(wú)線電廣播電臺(tái)發(fā)射出的無(wú)線電波，調(diào)諧電路選擇出所要聽的電臺(tái)，檢波器從高頻調(diào)幅波中取出低頻電信號(hào)，放大器把低頻電信號(hào)放大，楊聲器把放大了的電信號(hào)還原成聲音。調(diào)頻廣播、接收用低頻電信號(hào)改變高頻無(wú)線電波的頻率的廣播、接收。無(wú)線電廣播一般用的是調(diào)幅波，調(diào)幅波容易受到干擾。調(diào)頻廣播用的是調(diào)頻波，調(diào)頻波抗干擾性能好，音質(zhì)優(yōu)美，應(yīng)用將越來(lái)越廣。調(diào)頻廣播頻率是88～108兆赫，比無(wú)線電廣播的頻率高得多，調(diào)頻波是直線傳播，傳播距離不大。調(diào)頻接收機(jī)構(gòu)造復(fù)雜。立體聲廣播、接收人的兩只耳朵能分辨從不同方向來(lái)的聲音，能辨別聲源的位置，這種具有空間立體感的聲音稱為立體聲。立體聲廣播是用一對(duì)相同性能的話筒接收左右方向的聲音，變成電信號(hào)后送到發(fā)射機(jī)中，先進(jìn)行立體聲編碼，再通過(guò)調(diào)頻立體聲廣播出去。立體聲接收機(jī)中有一個(gè)專門的電路即立體聲解碼電路，把左右聲道的聲音分開，通過(guò)左右兩路相同性能的揚(yáng)聲器（相隔一定距離）重放兩路聲音。電視發(fā)射電視發(fā)射的信號(hào)有聲音信號(hào)（伴音信號(hào)）和圖象信號(hào)。伴
107音信號(hào)用調(diào)頻波發(fā)射出去，圖象信號(hào)用調(diào)幅波發(fā)射出去。攝像機(jī)鏡頭將被援物體的像成在攝像管中的屏上，電子槍發(fā)射出電子束打到屏上，對(duì)圖象進(jìn)行掃描，把圖象各部分的明暗情況和色彩，逐點(diǎn)地變成相應(yīng)的電流，把被攝物體反射的光變成電信號(hào)，這就是圖象信號(hào)。電視接收先通過(guò)接收天線把伴音信號(hào)和圖象信號(hào)接收下來(lái)，伴音信號(hào)由揚(yáng)聲器還原為聲音，圖象信號(hào)由顯像管還原為圖象。彩色顯像管的彩色圖象是利用三原色原理來(lái)顯示的。三原色原理說(shuō)明，各種顏色都可分解為紅、綠、藍(lán)三種顏色的不同組合，紅、綠、藍(lán)三種顏色的不同比例的混合可組成任何顏色。電視發(fā)射的圖象信號(hào)中，有紅、綠、藍(lán)三種顏色的色度信號(hào)。彩色顯像管把這三種色度信號(hào)組合成一幅彩色畫面。高清晰度電視電視的清晰度決定于每幅畫面掃描的行數(shù)，掃描行數(shù)越多畫面越清晰。我國(guó)的電視制式，每幀畫面掃描625行。電影畫面相當(dāng)于電視每幀掃描2000行，所以電影畫面比電視清晰得多。高清晰高電視制式，把每幀畫面的掃描行數(shù)增加1倍左右，如增加到1125行，這樣就能提高電視的清晰度。高清晰度電視是下一代電視，現(xiàn)在雖已小批量生產(chǎn)，但成本太高，暫時(shí)無(wú)法普及。液晶電視用液晶屏顯示電視圖象的電視機(jī)。液晶電視機(jī)有體積小，重量輕，省電，圖象質(zhì)量好，白天收看效果好等特點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的新型電視機(jī)。錄音機(jī)把各種聲音錄到磁帶上，又能把磁帶上的聲音信息重放出來(lái)的電器。錄音機(jī)由話筒、磁帶、錄放磁頭、抹音磁頭、收錄音電路、電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)部分及揚(yáng)聲器等組成。錄音時(shí)，聲音經(jīng)話筒變成電信號(hào)，放大后送到錄音磁頭的線圈中，使磁頭產(chǎn)生隨信號(hào)變化的磁場(chǎng)，磁帶緊貼磁頭被磁化錄下了信號(hào)。放音時(shí)，磁帶通過(guò)磁頭在磁頭線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，信號(hào)放大后在揚(yáng)聲器中發(fā)出原來(lái)的聲音。錄像機(jī)把圖象、伴音信號(hào)錄到磁帶上，又能將磁帶上的圖象伴音信息取出送到電視機(jī)中顯示出圖象聲音的電器。通常由接收系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和重放系統(tǒng)構(gòu)成。接收系統(tǒng)接收?qǐng)D象信號(hào)和伴音信號(hào)，進(jìn)行處理、放大后送到記錄系統(tǒng)中。記錄系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行特殊的處理和放大，通過(guò)磁頭記錄到磁帶上。重放系統(tǒng)作用與記錄系統(tǒng)相反，從磁帶上讀出信息，經(jīng)過(guò)處理后送到電視機(jī)中。雷達(dá)利用無(wú)線電波測(cè)定物體位置的無(wú)線電設(shè)備。雷達(dá)是利用電磁波遇到障礙物要發(fā)生反射的特性制成的。雷達(dá)有一個(gè)特制的可轉(zhuǎn)動(dòng)的天線，天線向一定方向隔一定時(shí)間（約萬(wàn)分之一秒）發(fā)射一次無(wú)線電波，發(fā)射時(shí)間約百萬(wàn)分之一秒。無(wú)線電波遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)被天線接收。無(wú)線電波的傳播速度是c（=3×108米/秒），測(cè)出無(wú)線電波從發(fā)射到接收的時(shí)間1t，則障礙物與天線的距離s=ct。再根據(jù)無(wú)線電波的傳播方向，可確定2障礙物的位置。雷達(dá)發(fā)射的無(wú)線電波是微波。利用雷達(dá)可探測(cè)飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈等目
108標(biāo)，可為飛機(jī)、船只等導(dǎo)航。電磁輻射與環(huán)境污染各種用電設(shè)備工作時(shí)由于帶電量、電流發(fā)生變化會(huì)向周圍空間輻射電磁波。例如：家用電器的通電斷電，電氣設(shè)備的火花放電、弧光放電，熒光燈、電吹風(fēng)中的變化電流等都要輻射電磁波。我們生存的環(huán)境中存在著不同頻率、波長(zhǎng)的電磁波，其中波長(zhǎng)1毫米～1米（頻率300千兆赫～300兆赫）的電磁波對(duì)人體健康影響很大，造成對(duì)環(huán)境的電磁污染。1毫米～1米波長(zhǎng)的電磁波是微波，微波對(duì)人體危害大，能引起失眠、健忘、易怒、心律減慢、影響遺傳等疾病。微波爐的微波泄漏、無(wú)線電發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等是造成微波污染的重要來(lái)源，我們應(yīng)注意防護(hù)。
109十、光學(xué)現(xiàn)象光通常指能引起人視覺的電磁波。廣義上講，光指全部電磁波。至今為止，人們知道的電磁波最短波長(zhǎng)為10-15米左右，最長(zhǎng)為107米左右，整個(gè)波長(zhǎng)范圍稱為電磁波譜。其中，能引起人視覺的部分，頻率在3.9×1014赫到7.7×1014赫之間，稱為可見光。其余不能直接引起人的視覺，只能借助儀器來(lái)進(jìn)行觀察或測(cè)試，如紅外光（線），紫外光（線）等，叫不可見光。從頻率范圍看，可見光只是整個(gè)電磁波中很小的一部分（如圖）。發(fā)光體能夠發(fā)光的物體。通常指發(fā)出可見光的物體，也稱光源。在茫茫宇宙中，有無(wú)數(shù)星體在常年累月地發(fā)光，我們把這類發(fā)光體叫天然發(fā)光體。其中，對(duì)地球影響最大的是太陽(yáng)，它每時(shí)每刻給地球帶來(lái)光和熱。太陽(yáng)的總輻射能量約為3.83×1023千瓦，其中為地球吸收的約為1.74×1014千瓦。另一類發(fā)光體是人工發(fā)光體。最原始的人工發(fā)光體就是在人為控制下的燃燒物，如火把、油燈等。在人類發(fā)展史上，長(zhǎng)時(shí)期使用燃燒物作為照明用。直到19世紀(jì)70年代末，T.A.愛迪生發(fā)明了白熾燈，人工發(fā)光體才走過(guò)了漫長(zhǎng)的路程，向前跨進(jìn)了一大步。進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工發(fā)光體越來(lái)越先進(jìn)，使用也越來(lái)越廣泛。（見“光源”）光源能發(fā)光（電磁波）的物體。通常指能發(fā)出可見光的物體。可見光一般用于照明，不可見光一般用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通訊和科技方面。光源分天然光源和人造光源兩大類。人造光源的演變過(guò)程大致是：19世紀(jì)以前，主要是燃燒的物體，如火把、油燈、蠟燭、煤氣燈等。19世紀(jì)有了電光源，20世紀(jì)初制成氣體放電光源，50年代后，又制成放射性同位素光源和場(chǎng)致發(fā)光燈，60年代出現(xiàn)激光光源。常見的人造光源主要有：①熱輻射光源。利用熱能激發(fā)的光源。指原始的人工光源、弧光燈、白熾燈、碘鎢燈等，主要用于室內(nèi)、室外照明。②氣體放電光源。利用氣體放電發(fā)光。如低壓汞燈，高壓汞燈、氙燈、鈉燈等，主要用于室內(nèi)、室外照明及各種攝影等。③激光光源。由原子受激輻射產(chǎn)生，具有高單色性、高定向性、高亮度性、高相干性等優(yōu)點(diǎn)。如固體、液體、氣體激光器。主要用于工農(nóng)業(yè)、科技、醫(yī)療、通訊等方面。另外還有發(fā)光二極管等。在幾何光學(xué)中，能成像的物也稱為光源。它可以是自身發(fā)光的物體，也可以是其它光源照射而發(fā)光的物體，還可以是像。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的光源太陽(yáng)是一顆碩大、熾熱的星體，每時(shí)每刻都在輻射出巨大的光和熱，其中約有22億分之一為我們地球吸收，成為地球上光和熱的主要源泉。太陽(yáng)發(fā)出的驚人的光和熱已經(jīng)持續(xù)了幾十億年了，它使用的不是一般的可燃物，也不是一般的燃燒，而是太陽(yáng)上極為豐富的氫元素。在太陽(yáng)中心高溫（一千五百萬(wàn)度）、高壓下，這些氫元素的
110原子核發(fā)生熱核反應(yīng)，結(jié)合成氦，發(fā)出大量的熱。這種反應(yīng)從太陽(yáng)內(nèi)部到太陽(yáng)表面持續(xù)不斷，使整個(gè)太陽(yáng)成為一個(gè)巨大的火球。據(jù)推測(cè)，就是在太陽(yáng)表面，溫度也在6000℃以上。光是一種電磁波，是由物質(zhì)內(nèi)部原子的輻射產(chǎn)生的。任何物質(zhì)都有輻射現(xiàn)象，溫度越高，輻射越強(qiáng)。我們?nèi)粘Ｋ姷陌谉霟?，溫度超過(guò)1500℃時(shí)就可輻射出白光。太陽(yáng)表層的溫度高達(dá)6000℃以上，在這樣的高溫下，太陽(yáng)輻射十分激烈，產(chǎn)生耀眼的光芒。太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)所消耗的氫，在太陽(yáng)上極為豐富，還可以供太陽(yáng)持續(xù)使用幾十億年。即使太陽(yáng)上的氫全部使用完畢，人類總可以找到替代的光源。因此，大可不必為之擔(dān)憂。紅外線在電磁波譜中，可見光紅端與微波之間的電磁波。又稱紅外光。它的波長(zhǎng)范圍約在7.0×10-7～1.0×10-3米之間。由英國(guó)天文學(xué)家W．赫謝爾在1800年發(fā)現(xiàn)。一切物體都在向外發(fā)射紅外線。紅外線不能引起視覺，但它有極強(qiáng)的熱效應(yīng)，較強(qiáng)的穿透能力和化學(xué)效應(yīng)。紅外線的這些特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科技。如在一般的攝像機(jī)上加上一個(gè)紅外探測(cè)器，黑暗中、水中或被霧遮擋的物體發(fā)射出的紅外線被攝像機(jī)的探測(cè)器接收，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)就可得到物體的圖象或照片。這種攝像機(jī)甚至可以對(duì)人或物剛離開時(shí)留下的痕跡攝像或照相，在人體疾病診斷、材料探傷、敵情偵察上都有很高的實(shí)用價(jià)值?，F(xiàn)代生活中的紅外線烤箱就是利用紅外線的熱效應(yīng)制成的。紫外線在電磁波譜中，可見光紫端與X光線之間的電磁波。又稱紫外光。它的波長(zhǎng)范圍約在5.0×10-9～4.0×10-7米之間。紫外光不能引起人的視覺，它是1801年德國(guó)物理學(xué)家里特發(fā)現(xiàn)的。紫外線能使照像底片感光，對(duì)多種物質(zhì)有熒光作用，對(duì)生物有殺滅作用。利用它的熒光作用，能激發(fā)不同物質(zhì)發(fā)出不同顏色的光。如常見的日光燈就是利用紫外線激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光的光源。在醫(yī)療、保潔上利用紫外線來(lái)消毒，殺滅細(xì)菌。如醫(yī)院里將洗滌后的衣物、醫(yī)療器件等再用紫外線照射進(jìn)行消毒。養(yǎng)殖場(chǎng)所、食品加工部門也往往對(duì)人或物體用紫外線進(jìn)行短時(shí)照射，進(jìn)行消毒。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)上紫外線的用途也很多。一切高溫物體都能發(fā)射紫外線。太陽(yáng)是紫外線的主要發(fā)射源。過(guò)強(qiáng)的紫外線，對(duì)人體的皮膚和眼睛有害。因此不能用太強(qiáng)的紫外線照射人體。大氣層中的氧和臭氧幾乎全部吸收了太陽(yáng)紫外線。所以保護(hù)臭氧層是人類保護(hù)環(huán)境的重要任務(wù)。激光原子核受激輻射時(shí)發(fā)出的光束。原子核在受激輻射時(shí)，產(chǎn)生的光子性能（頻率、發(fā)射方向、初相位等）與入射光子相同。這樣一個(gè)入射光子在受激輻射時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)光子，如此反復(fù)，使光大大加強(qiáng)，形成強(qiáng)光束。
111激光的發(fā)現(xiàn)較晚，其理論是1917年科學(xué)家愛因斯坦提出的，50年代末得以實(shí)現(xiàn)，取名萊塞。1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器制成。此后相繼出現(xiàn)各種類型的激光器。激光有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)紊愿?，即激光的波長(zhǎng)一致。如紅光的波長(zhǎng)范圍為6.0×10-7～7.0×10-7米，差別為10-7米。一束激光的波長(zhǎng)差別只有10-17米；方向性強(qiáng)。激光發(fā)射時(shí)的發(fā)散角極小，把它射到月球上，仍然很集中；亮度高。由于激光波長(zhǎng)單一，發(fā)射集中，它在極小的范圍內(nèi)可以得到極高的亮度，目前已使用的大型脈沖激光，其亮度在太陽(yáng)亮度的1014倍以上。另外，激光在偏振性、相干性等方面也都具有突出的優(yōu)點(diǎn)。激光的上述優(yōu)點(diǎn)，使其在各行各業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。激光的應(yīng)用激光輻射具有高定向性、高單色性、高相干性、高亮度及可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，突破了以往光輻射的種種局限性，因而在科學(xué)、技術(shù)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。①在工農(nóng)業(yè)技術(shù)科學(xué)方面。利用激光的高功率密度進(jìn)行非接觸特種加工，如激光打孔、焊接、印刷及信息儲(chǔ)存等。利用其高單色性及可調(diào)諧性，化學(xué)上進(jìn)行光學(xué)合成、光學(xué)提純、同位素分離等。利用其高定向性可進(jìn)行準(zhǔn)直測(cè)量、軍事上進(jìn)行制導(dǎo)。激光是非常高頻率的相干電磁輻射，可用以作為載波進(jìn)行激光通訊。與無(wú)線電通訊比，它具有信息容量大、通訊距離遠(yuǎn)、保密性高及抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。使用光導(dǎo)纖維則不受氣候影響，直徑1厘米的光纖可同時(shí)傳送一萬(wàn)多個(gè)電話。激光雷達(dá)和精密測(cè)量已投入使用。激光全息術(shù)正在許多領(lǐng)域應(yīng)用。②在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)方面。激光手術(shù)刀、激光針灸及輻照燒灼已普遍使用。利用激光與生物體相互作用的各種效應(yīng)，可研究細(xì)胞的生長(zhǎng)變化規(guī)律，了解新陳代謝、遺傳、發(fā)育等生命過(guò)程。各種激光診斷儀器，如激光顯微光譜分析儀，激光顯微鏡，激光血球計(jì)數(shù)儀等正在醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)發(fā)展中表現(xiàn)出特殊效用。激光治療疑難病癥（如癌癥）也正在開展。③在軍事科學(xué)方面?，F(xiàn)在激光輻射武器的研制引起了各國(guó)注目。利用輸出能力很強(qiáng)的激光器，可摧毀敵方導(dǎo)彈、飛機(jī)、軍事衛(wèi)星等，還可用來(lái)干擾、破壞敵方偵察、監(jiān)視設(shè)備中的光學(xué)元件，使之失靈。目前正在研制的X射線激光作戰(zhàn)衛(wèi)星，不需精確瞄準(zhǔn)便可一次摧毀多個(gè)目標(biāo)。此外，激光可產(chǎn)生超高溫、超高壓、超高速、超高場(chǎng)強(qiáng)等極端物理?xiàng)l件，便于人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和研究新現(xiàn)象、新問(wèn)題，及驗(yàn)證科學(xué)上已有的結(jié)論。因此，激光在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面已被廣泛應(yīng)用。光的直線傳播光沿直線行進(jìn)的過(guò)程。光在真空中沿直線傳播，光在同一種介質(zhì)中也是沿直線傳播的。人類最早記載光的直線傳播是我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，著名自然哲學(xué)家墨翟，他在其著作《墨經(jīng)》中，對(duì)影、半影和小孔成像都作了完整的記載。一百年后，歐幾里德也指出光是直線傳播的。光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，在其交界面要發(fā)生反射和折射。反射光線和折射光線也是沿直線傳播的。
112在幾何光學(xué)中，我們用直線表示光線和光線沿直線傳播的方向。光速光在真空中的傳播速度，用字母c表示。它是物理學(xué)的基本常數(shù)之一。目前，國(guó)際上公認(rèn)的光速值是c=299792458±0.1米/秒。在一般的使用中，取c=3.0×108米/秒。光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其速度小于c，其大小與介質(zhì)的性質(zhì)即折射率有關(guān)。光速被認(rèn)為是宇宙間物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的極限。最早對(duì)光速進(jìn)行測(cè)定是17世紀(jì)初，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和測(cè)試手段的限制，測(cè)出的數(shù)值誤差較大。到1849年，法國(guó)物理學(xué)家A.H.L.斐索用齒輪法首次在地面實(shí)驗(yàn)室中成功地測(cè)出光速數(shù)值為3.12×108米/秒。1850年法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家傅科改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)得光速數(shù)值為2.98×108米/秒。1926年美國(guó)物理學(xué)家A．A．邁克爾孫測(cè)得的數(shù)值為2.99796×108米/秒。1927年，美國(guó)的埃文森通過(guò)激光頻率和在真空中的波長(zhǎng)，根據(jù)c=fλ得到光的速度值為c=299792458米/秒，這個(gè)數(shù)值被推薦為目前光速的公認(rèn)值。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量方法的改進(jìn)，光的速度c將越來(lái)越精確。由于光就是電磁波，所以電磁波在真空中的傳播速度也是c。廣播、通訊用的無(wú)線電波是電磁波中的一種。我們經(jīng)常講，通過(guò)廣播、電視、電話、傳真能把某一個(gè)信息在瞬息之間傳到世界上的任何一個(gè)地方，就是因?yàn)殡姶挪ㄒ詂這個(gè)極限速度在空中行進(jìn)的原因。影光源發(fā)出的光，照射到不透明物體時(shí)，在物體的后方形成的暗區(qū)。光源可以看作是由很多發(fā)光點(diǎn)組成的。每個(gè)發(fā)光點(diǎn)都在物體后面形成影區(qū)，所有發(fā)光點(diǎn)的共同影區(qū)叫本影（圖中的A區(qū)）。本影區(qū)完全沒有光線照射到。在本影區(qū)的外圍，有部分發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線照射到，部分發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線照射不到，這部分區(qū)域叫半影區(qū)（圖中的B區(qū)）。影在生產(chǎn)、生活中有很多應(yīng)用。在時(shí)鐘未發(fā)明之前，人們就是利用影來(lái)記錄時(shí)間和節(jié)氣的變化。在一個(gè)有刻度的石盤中心處置一指針，利用太陽(yáng)照射時(shí)，指針影子的指向，從刻度盤上得到時(shí)間或節(jié)氣的讀數(shù)。這種儀器叫日晷。晷就是太陽(yáng)影子的意思，我國(guó)故宮中還保存有不少這種古代的計(jì)時(shí)儀器。人們?cè)谌粘Ｉ钪杏靡哉陉?yáng)的傘、帽子就是影的應(yīng)用。照像、外科手術(shù)的無(wú)影燈也是影的應(yīng)用。日食太陽(yáng)被月球遮蔽的現(xiàn)象。用光的直線傳播可以解釋這種現(xiàn)象。如圖甲，月球在繞地球運(yùn)行的過(guò)程中，三者處于同一直線或接近同一直線時(shí)，太陽(yáng)上射來(lái)的光線，一部分被月球擋住，在地球上形成影（圖甲中的abcd，圖乙中的A區(qū)和B區(qū)）。其中，bc為本影區(qū)，ab、cd為半影區(qū)（相對(duì)應(yīng)的A區(qū)和B區(qū)）。這時(shí)處在地球上bc區(qū)域內(nèi)的人看不見太陽(yáng)射來(lái)的光線，太陽(yáng)完全被月球擋住，叫日全食。處于ab、cd區(qū)域內(nèi)的人，能看見太
113陽(yáng)的一部分，叫日偏食。顯然越靠近A區(qū)，偏食的程度越大。由于月球繞地球運(yùn)動(dòng)的道軌不是一個(gè)圓，它離地球的距離時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)。在月球離地球較遠(yuǎn)時(shí)，產(chǎn)生如圖所示的情況。這時(shí)，月球的本影未及地球，它的本影的延長(zhǎng)部分在地球上形成一陰影。這個(gè)陰影天文學(xué)上叫偽本影。處于偽本影區(qū)的觀察者，能看見太陽(yáng)的周邊部分，好像一個(gè)光環(huán)，這叫日環(huán)食。日全食、日偏食、日環(huán)食統(tǒng)稱為日食。可見，日食的產(chǎn)生，從現(xiàn)象上看，是直線傳播的太陽(yáng)光被月球遮擋而引起的。下表列出1992年后，將要發(fā)生的日食的情況。表1992～2010年我國(guó)所能看到的日食
114食甚時(shí)間日期食相可見地區(qū)（北京時(shí)間）1992.12.24偏食7時(shí)到7時(shí)半左右北京、哈爾濱、上海、武漢、廣州等地區(qū)1995.10.24偏食11時(shí)半到12時(shí)半左除東北部地區(qū)外，各地都右能看到1997.3.9偏食8時(shí)到9時(shí)左右全國(guó)各地都能看到1998.8.22偏食8時(shí)半左右上海、武漢、廣州、昆明、拉薩等地區(qū)1999.8.11偏食20時(shí)左右烏魯木齊、拉薩等地區(qū)2002.6.11環(huán)食6時(shí)到6時(shí)半左右北京、哈爾濱、蘭州、上海、武漢、廣州、昆明等地可以看到偏食2003.5.31環(huán)食11時(shí)半左右烏魯木齊地區(qū)可看到偏食2004.10.14偏食10時(shí)左右哈爾濱地區(qū)2005.10.3環(huán)食19時(shí)半左右拉薩地區(qū)可看到偏食2006.3.29全食20時(shí)左右烏魯木齊、拉薩地區(qū)可看到偏食2007.3.199時(shí)半到11時(shí)左右北京、哈爾濱、蘭州、烏魯木齊、上海、武漢、廣州、昆明、拉薩等地區(qū)2008.8.119時(shí)到19時(shí)半左右全國(guó)都可看到偏食，我國(guó)北部和西北某些地區(qū)可看到全食2009.7.22全食9時(shí)到10時(shí)左右全國(guó)各地都可看到偏食，全食帶從我國(guó)東海之濱橫貫到西部邊界2010.1.15環(huán)食16時(shí)到17時(shí)左右各國(guó)各地都可看到偏食，環(huán)食帶穿越我國(guó)西南到山東半島的廣大地區(qū)月食月球進(jìn)入地球的陰影，月面變暗的現(xiàn)象。用光的直線傳播可似解釋這一現(xiàn)象。如圖當(dāng)太陽(yáng)光直射地球時(shí)，在地球的另一面形成一條影帶。這條影帶分為本影和半影，本影區(qū)內(nèi)沒有太陽(yáng)射來(lái)的光，半影區(qū)內(nèi)有太陽(yáng)
115射來(lái)的部分光。當(dāng)月球沿軌道MN運(yùn)行進(jìn)入半影區(qū)時(shí)，叫半影月食。部分進(jìn)入本影區(qū)，叫月偏食。全部進(jìn)入本影區(qū)，叫月全食。半影月食、月偏食、月全食統(tǒng)稱為月食。下表列出1992年后，將要發(fā)生的月食的情況。表1992～2010我國(guó)所能見到的月食初虧到復(fù)圓的時(shí)間日期食相（北京時(shí)間）1992.12.10全食5:57～9:291993.6.4全食19:10～22:501995.4.15偏食19:38～20:561997.9.17全食1:02～4:321999.7.28偏食18:25～20:472000.7.16全食20:03～23:472001.1.10全食2:36～6:062001.7.5～6偏食21:41～0:152004.5.5全食2:43～6:172005.10.17偏食19:29～20:352007.3.4全食5:36～9:068.28全食16:45～20:252008.8.17偏食3:34～6:402010.1.1偏食2:52～3:586.26偏食18:18～20:54光的反射定律在光的反射現(xiàn)象中，確定反射光線方向的定律。是幾何光學(xué)的基本定律之一。光入射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，有部分返回原介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為光的反射現(xiàn)象。反射定律的內(nèi)容是：反射光線位于法線和入射光線所決定的平面內(nèi)；反射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)；反射角r等于入射角i。若將光線沿反射線射入，這時(shí)的入射角為r，根據(jù)反射定律，反射角為i，反射光線必然沿原入射光線射出?？梢?，在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的。鏡面反射光線經(jīng)光滑平面發(fā)生的有規(guī)則的反射現(xiàn)象。它遵循反射定律。如圖，當(dāng)一束平行光線入射到鏡面MN時(shí)，由于各點(diǎn)的法線是平行的，所以反射光線也是平行的。鏡面反射也叫鏡反射或規(guī)則反射。漫反射光線射到物體粗糙的表面時(shí)，無(wú)規(guī)則地向各個(gè)方向反射的現(xiàn)象。如圖，當(dāng)一束平行光線射到粗糙表面MN時(shí)，每條光線都遵循反射定律，由于粗糙表面上各點(diǎn)的法線方向不同，光線反射后，沿不同的方向射出，
116形成漫反射。大多數(shù)物體表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我們能從各個(gè)方向看到它。平面鏡反射面為平面的鏡。根據(jù)光的反射定律，平行光線經(jīng)平面鏡反射后仍為平行光線，會(huì)聚光線經(jīng)平面鏡反射后仍為會(huì)聚光線，發(fā)射光線經(jīng)平面鏡反射后仍為發(fā)射光線（如圖）。光點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散光線經(jīng)鏡面反射后，反射光線的反向延長(zhǎng)線相交于一點(diǎn)（如圖(3)），這一點(diǎn)是發(fā)光點(diǎn)S的像。物體（光源）通過(guò)平面鏡所成的像是虛像，與物等大、正立，左右倒置，并與鏡面距離相等。平面鏡成像可用作圖法求得。如圖。物體ABC置于平面鏡MN前。從A點(diǎn)引出任一光線AO交平面鏡于O，根據(jù)反射定律。AO的反射光線為OP，OP的反向延長(zhǎng)線為OQ。再?gòu)腁向鏡面作重直光線AR，由于垂直入射的光線它的反射線沿原路反射回來(lái)，其反向延長(zhǎng)線交OQ于A′，A′點(diǎn)就是A點(diǎn)的像。根據(jù)像、物與鏡面對(duì)稱等距的特點(diǎn)，分別作B點(diǎn)、C點(diǎn)的像B′、C′，連接A′、B′、C′，A′B′C′就是物ABC的像。當(dāng)光線入射到鏡面MN時(shí)，如果保持入射光線不變，將鏡面轉(zhuǎn)過(guò)θ角，反射光線將偏轉(zhuǎn)2θ角。這是因?yàn)殓R面轉(zhuǎn)過(guò)θ角時(shí)，法線也轉(zhuǎn)過(guò)θ角。設(shè)轉(zhuǎn)過(guò)θ角后，反射光線與原反射光線的夾角為x，設(shè)鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)前后的入射角、反射角分別為i、r，i′、r′。因：x=r＋θ—r′=r＋θ—（i—θ）=r—i＋2θ，由于r=i，所以x=2θ。利用這個(gè)特點(diǎn)，可將微小變化放大，光學(xué)上稱為光杠桿放大作用。使兩個(gè)以上的平面鏡固定保持一定的夾角叫角鏡?，F(xiàn)代建筑在房屋裝飾時(shí)，常用角鏡。物體通過(guò)角鏡可成多個(gè)像，改變鏡的夾角，像的個(gè)數(shù)可隨之改變，像個(gè)數(shù)n與鏡角的關(guān)系為n=360°／α—1（α為鏡夾角）。如角鏡的鏡角α=90°時(shí)，n=360°／90°—1=4—1=3，即像的個(gè)數(shù)為3。平面鏡成像見“平面鏡”。虛像反射光線或折射光線的反向延長(zhǎng)線相交而成的像。物體發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)（面鏡、透鏡、棱鏡或它們的組合）反射或折射后，或會(huì)聚或發(fā)散。當(dāng)光線發(fā)散時(shí)，其反向延長(zhǎng)線會(huì)聚形成與物體相似的圖景，這就是虛像。放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡所成的像都是虛像。虛像不能顯示在屏幕上，也不能使照像底片感光，只能用眼直接觀察。平面鏡成像規(guī)律見“平面鏡”。潛望鏡利用光的反射，改變光線的傳播方向，以觀察到人不能直接看到的物體虛像的儀器。最簡(jiǎn)單的潛望鏡是用兩塊鍍銀面相對(duì)平行的平面
117鏡組成（如圖）。用全反射棱鏡（直角棱鏡）代替平面鏡，其效果更好。如果將望遠(yuǎn)鏡與潛望鏡組合起來(lái)，效果和用途就更大了。潛望鏡主要用于軍事中。如潛伏在坑道中的軍事人員，將潛望鏡的一個(gè)反射鏡面伸出坑道，在坑道內(nèi)，通過(guò)另一個(gè)反射鏡面，就可以觀察到遠(yuǎn)處的人或物。如果在伸出坑道的反射鏡面前組合上望遠(yuǎn)鏡，還可提高觀察的效果和增大觀察的范圍。球面鏡反射面為球面的反射鏡?？捎靡猿上窕蚋淖児獾膫鞑シ较颉Ｎ覈?guó)古代對(duì)球面鏡就有認(rèn)識(shí)，其中，北宋科學(xué)家沈括對(duì)球面鏡的曲率和成像的大小關(guān)系有過(guò)詳細(xì)的論述。球面鏡中，反射面為凹面的稱為凹面鏡，簡(jiǎn)稱凹鏡；反射面為凸面的稱為凸面鏡，簡(jiǎn)稱凸鏡。如圖，過(guò)球面鏡頂點(diǎn)O和球面中心C的連線為球面鏡的主光軸，簡(jiǎn)稱主軸。一束平行于主軸的光線射向凹鏡時(shí)，根據(jù)反射定律，反射光線會(huì)聚于主軸上的一點(diǎn)F（圖乙），F(xiàn)稱為凹鏡的焦點(diǎn)。由于F點(diǎn)是反射光線交會(huì)而成，稱為實(shí)焦點(diǎn)。當(dāng)平行于主軸的光線射向凸鏡時(shí)，反射光線發(fā)散出去，但發(fā)散光線的反向延長(zhǎng)線相交于主軸上的F′點(diǎn)，F(xiàn)′點(diǎn)是凸鏡的焦點(diǎn)，由于是反向延長(zhǎng)線交會(huì)而成，故稱虛交點(diǎn)。實(shí)焦點(diǎn)和虛焦點(diǎn)統(tǒng)稱球面鏡的焦點(diǎn)，焦點(diǎn)到頂點(diǎn)O的距1離稱為焦距，通常用字母f表示，且f=r（r為球面鏡半徑）。2球面鏡的用途很廣。利用凹鏡對(duì)光線會(huì)聚的特點(diǎn)制成太陽(yáng)灶。由于光路是可逆的，將光源置于凹鏡的焦點(diǎn)處，光線經(jīng)凹鏡反射后，光線平行。手電筒、汽車頭燈就是根據(jù)這一原理制成的。利用凸鏡對(duì)光線的發(fā)散作用，將凸鏡安置在汽車上或馬路拐彎處，可以增大司機(jī)的后視面。凹面鏡見“球面鏡”。凸面鏡見“球面鏡”。球面鏡的焦點(diǎn)見“球面鏡”。太陽(yáng)灶把太陽(yáng)能作為能源的一種裝置。由于凹面鏡對(duì)光線有會(huì)聚，將凹鏡直對(duì)太陽(yáng)光時(shí)，經(jīng)反射后的光線會(huì)聚于一點(diǎn)這一點(diǎn)將產(chǎn)生很高的溫度。采用適當(dāng)?shù)难b置，就可以利用這一點(diǎn)的高溫。小的太陽(yáng)灶用于家庭生活，如燒水、做飯。一個(gè)反射面積為2m2的太陽(yáng)灶，在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)候，15分鐘，可使3千克左右的水（常溫水）沸騰。具估算，這樣的太陽(yáng)灶，如每年使用200天，5年內(nèi)，可省煤1500千克。探照燈一種用于遠(yuǎn)距離照明用的裝置。如圖，它是由拋物面反射鏡（面鏡的一種）、放在它焦點(diǎn)處的強(qiáng)光源、殼體、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和底座組成。從光源發(fā)出的光線，經(jīng)拋物面反射后成為平行光線射向空中，其照明距離可達(dá)萬(wàn)米以上。探照燈主要用于航空、航海、軍事中，小型探照燈在工礦、建筑等行業(yè)中也經(jīng)常使用。
118小孔成像光源（物體）通過(guò)小孔所成的像。公元前300多年，我國(guó)《墨經(jīng)》中就已經(jīng)對(duì)這種現(xiàn)象作過(guò)描述。它是光沿直線傳播的最好證明。小孔成像的原理如圖所示。在光源（圖中的蠟燭火焰）A和屏幕C之間放置一擋板B，B上有一小孔。在光源A上，a、b、c三點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)小孔后，射到屏幕上的a′、b′、c′三點(diǎn)，得到與光源同樣的像。從屏幕上可知，這個(gè)像是倒立的實(shí)像。光源通過(guò)小孔能否到清晰的倒立實(shí)像，取決于孔的大小?？滋笾荒艿揭粋€(gè)光斑，孔太小得到的不是像，而是其它圖樣。太陽(yáng)光照射樹木，有可在樹下看見許多圓形亮斑，這是太陽(yáng)通過(guò)樹葉之間的小孔在地面上所成像。墨翟又稱墨子，約公元前468年～前367年，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的思想家、治家，墨家學(xué)派的主要?jiǎng)?chuàng)始人。他及其弟子的代表著作甚多，在其重要著《墨經(jīng)》中，闡述了若干極其重要的自然科學(xué)成果。如在物理學(xué)方面，他初步闡明了運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，力和運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)系，杠桿原理等。墨翟對(duì)光學(xué)的主要貢獻(xiàn)是光的直線傳播、光與影的關(guān)系，小孔成像、平面鏡成像規(guī)律，凹面鏡成像現(xiàn)象、凸透鏡成像規(guī)律等。墨翟在光學(xué)上的貢獻(xiàn)是世界上最早對(duì)幾何光學(xué)的系統(tǒng)論述，比歐洲人早數(shù)百年。針孔照相機(jī)利用小孔成像原理制成的簡(jiǎn)易相機(jī)。一般認(rèn)為是照相術(shù)的先驅(qū)。其結(jié)構(gòu)和原理如下圖所示。直徑相當(dāng)?shù)膱A筒a、b，使a能吻合地插入b中。a的一端用黑色紙板（或塑料板）封閉，在其上打一個(gè)1～3毫米的小孔，另一端開口。b的一端開口，另一端粘接一個(gè)能插進(jìn)膠片的狹縫。將a的開口端插進(jìn)b的開口端，人眼通過(guò)b端的透明膠片觀看景物通過(guò)a端小孔在膠片上所成的像。只要調(diào)節(jié)a、b的長(zhǎng)度，可從b端膠片上觀察到前方物體在膠片上所成的清晰的倒立實(shí)像。如果把透明膠片換成感光膠片，只要控制好曝光時(shí)間，膠片上就可留下物體的像。針孔照相機(jī)沒有實(shí)用價(jià)值，但它所體現(xiàn)的小孔成像的原理早在我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就被古人發(fā)現(xiàn)并加以說(shuō)明，是我國(guó)古代對(duì)光學(xué)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。光的折射現(xiàn)象光入射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，部分光線從第一種介質(zhì)進(jìn)入第二種介質(zhì)，行進(jìn)方向發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象叫光的折射現(xiàn)象。如圖所示，折射現(xiàn)象遵循如下規(guī)律：(1)折射線位于入射線和法線決定的平面內(nèi)；(2)折射線與入射線分別位于法線的兩側(cè)；(3)入射角i的正弦值與折射角r的正弦值之比為一常數(shù)，即sini/sinr=n。常數(shù)n的大小取決于兩種介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)及光的波長(zhǎng)。光在折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。當(dāng)入射光線從真空（或空氣）射入任何介質(zhì)時(shí)，入射角i總大于折射角r，所以折射光線總是向法線偏折。根據(jù)光路的可逆性，當(dāng)光線從介質(zhì)射入真空（或空氣）時(shí)，入射角則小于
119折射角。光的折射現(xiàn)象在幾何光學(xué)中占有重要地位。棱鏡用透明材料（如玻璃、石英）制成的多面體。是重要的光學(xué)元件。棱鏡按形狀可分為三棱鏡、直角棱鏡、五棱鏡等；按性質(zhì)和用途可分為折射棱鏡和反射棱鏡。圖為棱鏡中最簡(jiǎn)單的三棱鏡。光線入射和出射的平面叫側(cè)面，與側(cè)面垂直的平面叫主截面，三棱鏡的主截面是三角形。兩個(gè)側(cè)面的夾角叫頂角。如圖，當(dāng)光線從空氣中經(jīng)M點(diǎn)射入棱鏡時(shí)，根據(jù)光的折射規(guī)律，∠1＞∠2，光線MN向棱鏡的底部偏折。從N點(diǎn)進(jìn)入空氣時(shí)，∠3＜∠4，光線再次向棱鏡底部偏折。偏折程度取決于組成棱鏡的物質(zhì)和入射光的波長(zhǎng)。同一棱鏡，對(duì)不同波長(zhǎng)的光偏折程度不同。因此，白光通過(guò)三棱鏡后，分解成各種色光，在屏幕上形成一條彩色光帶。透鏡兩個(gè)側(cè)面為折射面的透明體。透鏡是將光線折射成像的光學(xué)元件。如圖，透鏡的兩個(gè)側(cè)面或是球面，或一面是平面。中央部分比邊緣部分厚的叫凸透鏡，因?yàn)槟軙?huì)聚光線，又叫會(huì)聚透鏡。凸透鏡按其形狀分為雙凸、平凸和凹凸三種，常用如圖(1)中d的符號(hào)表示。凹透鏡按其形狀分為雙凹，平凹和凸凹三種，常用圖(2)中d的符號(hào)表示。透鏡中，連接兩個(gè)側(cè)面曲率中心的直線叫透鏡的主光軸，簡(jiǎn)稱主軸（圖中的C1C2）。兩個(gè)側(cè)面與主軸交點(diǎn)之間的距離叫透鏡的厚度。厚度與兩曲率半徑相比可以忽略的叫薄透鏡。常用的透鏡中，絕大多數(shù)為薄透鏡。當(dāng)光線通過(guò)薄透鏡的某一點(diǎn)時(shí)，方向不發(fā)生改變（如圖中的MN），這一點(diǎn)叫薄透鏡的光心（圖中的O），對(duì)雙凸或雙凹透鏡而言，光心位于它們的中心處。通過(guò)光心的光線，可以有無(wú)數(shù)條，它們稱為副光軸，簡(jiǎn)稱副軸（圖中的MN）。透鏡的用途很廣，大凡光學(xué)儀器中，都要使用它。凸透鏡對(duì)平行光線的會(huì)聚作用平行光線通過(guò)凸透鏡后，發(fā)生的會(huì)聚現(xiàn)象。如圖，凸透鏡是中央厚、兩頭薄的透明體。它可以看作是由棱鏡（兩頭是三棱鏡）和中間部分的透明柱體組成。當(dāng)平行光線射向凸透鏡時(shí)，相當(dāng)于光線分別射向棱鏡和柱體，由于棱鏡對(duì)光線有偏折作用，光線都要向底部偏折，射向柱體的光線，方向不改變。這樣，光線經(jīng)過(guò)凸透鏡偏折以后，將發(fā)生會(huì)聚。如果凸透鏡上下對(duì)稱，偏折以后的光線，將會(huì)聚于一點(diǎn)。凹透鏡對(duì)平行光線的發(fā)散作用平行光線通過(guò)凹透鏡后，發(fā)生的發(fā)散現(xiàn)象。如圖，凹透鏡是中央薄兩頭厚的透明體，它可以看作是兩頭的棱鏡和中央部分的透明柱體組成。當(dāng)平行光線射向凹透鏡時(shí)，相當(dāng)于光線分別射向棱鏡和柱體，由于棱鏡對(duì)光線有偏折作用，光線都要向底部偏折，射向柱體的光線，方向不發(fā)生改變。這樣，光線通過(guò)凹透鏡折射后，將發(fā)
120散出去。如果凹透鏡上下對(duì)稱，發(fā)散出去的光線也是對(duì)稱的，它們的反向延長(zhǎng)線，將會(huì)聚于一點(diǎn)。透鏡的焦點(diǎn)平行光線經(jīng)透鏡折射后，折射光線（或反向延長(zhǎng)線）的交點(diǎn)。折射光線的交點(diǎn)稱為實(shí)焦點(diǎn)，折射光線的反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為虛焦點(diǎn)。如圖，由于凸透鏡使平行光線會(huì)聚，所以凸透鏡有實(shí)焦點(diǎn)，凹透鏡使平行光線發(fā)散，所以凹透鏡的焦點(diǎn)為虛焦點(diǎn)。設(shè)想平行光線從透鏡的另一側(cè)（與圖相反的方向）射向透鏡，折射后的光線（或反向延長(zhǎng)線）仍會(huì)相交于一點(diǎn)，所以透鏡有兩個(gè)焦點(diǎn)。根據(jù)光路的可逆性，當(dāng)光線自凸透鏡焦點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)凸透鏡折射后，折射光線平行。同樣的道理，一束將會(huì)聚于凹透鏡焦點(diǎn)的光線，經(jīng)折射后，折射光線也是平行光線（如圖）。上面所說(shuō)的平行光線，是平行于主軸的光線，經(jīng)折射后，折射光線（或反向延長(zhǎng)線）的交點(diǎn)都在主軸上，這樣的焦點(diǎn)稱為主焦點(diǎn)。如果入射光線不與主軸平行，而與副軸平行，折射后的光線（或反向延長(zhǎng)線）仍會(huì)相交于一點(diǎn)，這一點(diǎn)不在主軸上，稱為透鏡的副焦點(diǎn)。（如圖）。透鏡的焦距在薄透鏡中，光心與主焦點(diǎn)之間的距離。通常用字母f表示。f是反映透鏡性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，它由組成透鏡材料的性能和透鏡兩個(gè)曲面的半徑所決定。凸透鏡的焦距為正值，凹透鏡的焦距為負(fù)值。透鏡成像物體（光源）發(fā)出的光線經(jīng)透鏡折射后，折射光線（或反向延長(zhǎng)線）會(huì)聚所成的與物體（光源）相似的圖樣。透鏡成像的大小、位置，由物體（光源）與透鏡的相對(duì)位置、及透鏡的光學(xué)性能（f）所決定。透鏡成像可用公式計(jì)算，也可用作圖法畫出像的位置和大小。如圖（1），透鏡的焦距為f。在焦點(diǎn)F的左側(cè)有一物體AB（AB垂直于主軸）。作圖時(shí)，可從B點(diǎn)引出三條特殊光線：①平行于主軸的光線折射后通過(guò)焦點(diǎn)；②通過(guò)光心O的光線，方向不變；③通過(guò)焦點(diǎn)的光線折射后與主軸平行。根據(jù)凸透鏡對(duì)光線的會(huì)聚作用，這三條光線折射后相交于一點(diǎn)B′，B′點(diǎn)就是B的像點(diǎn)。對(duì)薄透鏡而言，只需從B′向主軸作垂線，交主軸于A′，A′B′就是物體AB的像。運(yùn)用同樣的作圖方法，物體（光源）發(fā)出的光線經(jīng)凹透鏡折射后，也可得到像A′B′。如圖(2)。圖(1)中，物體AB所成的像是實(shí)像。如果將物體AB置于凸透鏡的焦點(diǎn)以內(nèi)，成像情況就不同了，如圖(3)。作圖情況表明，透鏡成像中，凹透鏡成虛像，凸透鏡可以成實(shí)像，也可以成虛像。
121實(shí)像反射光線或折射光線會(huì)聚而成的像。物體發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)（面鏡、透鏡、棱鏡或它們的組合）反射或折射后，或會(huì)聚或發(fā)散。當(dāng)光線會(huì)聚時(shí)，形成與物體相似的圖景，這就是實(shí)像?；脽魴C(jī)、照相機(jī)、電影放影機(jī)所成的像都是實(shí)像。實(shí)像可以使照像底片感光，也可以用眼睛直接看到。透鏡成像規(guī)律透鏡成像中，物體位置與像的位置、虛實(shí)、大小之間的變化規(guī)律。我們用作圖法來(lái)說(shuō)明透鏡的成像規(guī)律。圖(1)為凸透鏡成像規(guī)律示意圖，從圖中可見：①物體在焦點(diǎn)處（圖中“4”），不成像；②物體在焦點(diǎn)以內(nèi)（圖中“5”），成正立放大像；③物體在焦點(diǎn)以外二倍焦距之間（圖中“3”），成放大倒立實(shí)像；物體在二倍焦距處（圖中“2”），成等大倒立實(shí)像；⑤物體在二倍焦距外（圖中“1”），成縮小倒立實(shí)像?？梢娡雇哥R焦點(diǎn)是凸透鏡成像虛實(shí)分界。圖(2)為凹透鏡成像規(guī)律示意圖，從圖中可見：無(wú)論物體置于何處，始終成正立縮小的虛像。從圖(1)、(2)還可看出，透鏡成像中，與在鏡的異側(cè)；虛像與物在鏡的同側(cè)。照相機(jī)用感光膠片記錄物體實(shí)像光學(xué)器。主要部件有物鏡、快門、暗箱和感光底片等。物鏡使前方物體在感光片上成倒立實(shí)像，是照相機(jī)中最主要的部件，一般由一片或多片透鏡組成，多片透鏡可以減少像差，使其具有較高的分辨能力，成像質(zhì)量好。物鏡的焦距決定所取景物的大小，普通照相機(jī)的焦距是固定的，較好的照相機(jī)有廣角鏡頭、長(zhǎng)焦距鏡頭或變焦距鏡頭。照相機(jī)鏡頭上附有直徑可變的光圈，用來(lái)控制進(jìn)光量的大小，以取得需要的暴光。光圈的大小用光圈數(shù)f來(lái)表示，其計(jì)算方法是物鏡焦距除以光瞳直徑，所以光圈數(shù)越大，進(jìn)光量越小?，F(xiàn)在相機(jī)上通用的光圈數(shù)為1，1.4，2，2.8，4，5.6??。照相機(jī)的快門是用來(lái)控制暴光時(shí)間的，常見的由若干張金屬片組成，分別標(biāo)有“1”、“2”、“50”、“100”等數(shù)字，數(shù)字“1”是1秒，“2”是1/2秒，“50”是1/50秒，余類推。照相機(jī)的暗箱可以防止無(wú)關(guān)的光進(jìn)入。除此而外，較好的照相機(jī)還有取景器、測(cè)距器、定時(shí)器、閃光燈等附件。照相機(jī)的用途很廣，因而種類很多，其性能也越來(lái)越廣泛?；脽魴C(jī)能在屏幕上映出畫片、文字或物體放大實(shí)像的裝置。主要組成部分有光源、聚光器、物體（幻燈片）夾、物鏡和接收屏幕組成。如圖，光源S提供充分的照明，經(jīng)凹鏡M和透鏡組L1和組成的聚光器后，使光盡可能多地集聚起來(lái)對(duì)物體P均勻照射，物體P是有畫面或文字的透明膠片，光線透過(guò)膠片后，投射到物鏡L2上，由于物體P處在L2的焦距和二倍焦距之間，物體的像得到放大，在屏幕上呈現(xiàn)放大后的倒立實(shí)像。調(diào)節(jié)物體P
122或L2的位置，可以得到所需的像的大小。這種使用透明膠片的幻燈機(jī)叫透射式幻燈機(jī)。如果畫面或文字書寫在不透明的紙上，只需附加個(gè)平面鏡，就可改制成反射式幻燈機(jī)。電影放影機(jī)與幻燈機(jī)的原理相同，只需把幻燈機(jī)中的物體P換成以每秒25張膠片，在屏幕上就可以看到動(dòng)的畫面。當(dāng)然還需加上聲音系統(tǒng)。投影儀把透明膠片上的圖案或文字立即投影到屏幕上的一種裝置。多用于教學(xué)活動(dòng)。如圖，S為光源，M1為凹面鏡，L1為螺紋透鏡，L2為物鏡，M2為反射平面鏡、P為透明膠片，AB為屏幕。投影儀的光學(xué)原理與幻燈機(jī)相同，它的優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)，可以在膠片P上，直接書寫。螺紋透鏡一種表面形似螺紋的大孔徑聚光透鏡。在不少光學(xué)儀器中都要使用到大孔徑的透鏡，如圖，光線從一種介質(zhì)入射到透鏡的界面時(shí)，發(fā)生折射，折射后的光線在透鏡內(nèi)是沿直線傳播的（光在同一種介質(zhì)中沿直線傳播）。可見圖中透鏡內(nèi)劃斜線的部分對(duì)光的折射不產(chǎn)生任何影響。把它去掉，不會(huì)改變透鏡的焦距，這樣既省了材料，也減輕了重量。如果把它去掉后剩下的部分平移到一個(gè)平面上，只要保持原保留部分的焦距不變，還可以減少空間占地，使用時(shí)就又更加方便了。這就是螺紋透鏡。螺紋透鏡的條帶寬度（圖中的ab寬度）小于1毫米。如果大于1毫米，光學(xué)上稱為菲涅爾透鏡。放大鏡輔助人的眼睛觀察細(xì)小物體的透鏡或透鏡組。最簡(jiǎn)單的放大鏡由一個(gè)凸透鏡組成。如圖，將物體置放在凸透鏡焦距以內(nèi)時(shí)，凸透鏡使物體AB成正立放大的虛像，再通過(guò)人眼在視網(wǎng)膜上成為實(shí)像，這時(shí)人眼見到的不再是細(xì)小物AB，而是放大了的A′B′了。這就是放大鏡的工作原理。最簡(jiǎn)單的放大鏡在日常生活中經(jīng)常用到，如修表工人用的目鏡，集郵愛好者以及老年人用于閱讀細(xì)小文字的放大鏡等。放大鏡的焦距一般小于10厘米，如果人眼的明視距離為25厘米，那么這類放大鏡的放大倍數(shù)約為：25/f。f為放大鏡的焦距。如一個(gè)放大鏡的焦距為10厘米。則它的放大倍數(shù)約為25/10＝2.5倍。這個(gè)放大倍數(shù)只是一個(gè)近似數(shù)。因?yàn)榉糯蟊稊?shù)還跟人眼睛到鏡的距離有關(guān)。顯微鏡用來(lái)觀察細(xì)微物體或物體的精細(xì)結(jié)構(gòu)（如細(xì)菌、動(dòng)植物組織、物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)甚至原子、晶體結(jié)構(gòu)等）的光學(xué)儀器。它主要由兩組透鏡組成，每組透鏡都與一個(gè)凸透鏡相當(dāng)。如圖，靠近物體的叫物鏡，接近觀察者眼睛的叫目鏡。它的工作原理是：微小物體AB置于物鏡L1的焦點(diǎn)之外，L1是一個(gè)短焦距透鏡，通過(guò)L1得到放大的實(shí)像A′B′。L2是一個(gè)長(zhǎng)焦距透鏡，它與L1通過(guò)鏡體組裝在一起，使L1所成的實(shí)像A′B′正好落在L2的焦點(diǎn)以內(nèi)，通過(guò)L2成為放大的虛像A″B″，A″B″距目鏡的距離大約等于明視距離。利用顯微鏡可以得到很好的觀察效果，現(xiàn)在一般的顯
123微鏡，其放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍。電子顯微鏡的放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍。隨著科技的發(fā)展，顯微鏡的種類越來(lái)越多，被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。門鏡安裝在房門上用來(lái)供室內(nèi)人觀察來(lái)訪者的一種家用光學(xué)儀器。它由一組透鏡組裝在一個(gè)長(zhǎng)約5厘米左右的金屬管或塑料管內(nèi)。管中的透鏡一般是三個(gè)。如圖，物鏡是由兩個(gè)相同的平凹透鏡貼合而成，它相當(dāng)于一個(gè)凹透鏡，安裝時(shí)，對(duì)著門的外側(cè)。目鏡是一個(gè)平凸透鏡，在門的里側(cè)。安裝門鏡的目的是使室內(nèi)人能在室內(nèi)看清來(lái)訪者，而來(lái)訪者看不見室內(nèi)的情況。當(dāng)來(lái)訪者站在門外時(shí)，通過(guò)物鏡在遠(yuǎn)處成一虛像，使室內(nèi)人通過(guò)門鏡能看清來(lái)者的面貌。而室內(nèi)人在貼近門鏡時(shí)，只能通過(guò)目鏡成一個(gè)縮得很小的虛像，且落在兩鏡之間，由于室外人眼離門鏡太近，他無(wú)論如何也看不清這個(gè)虛像。因而起到單向觀察的作用。門鏡的視角一般設(shè)計(jì)較大，因此，不論來(lái)訪者高矮，在室內(nèi)都能看清來(lái)訪者的像。門鏡對(duì)制作材料的要求不高，用一般玻璃或透明塑料即可。白光的色散白光分解為單色光的現(xiàn)象。白光就是普通光源發(fā)出的光，它實(shí)際上是多種顏色的光復(fù)合而成，所以又稱復(fù)色光。白光的色散現(xiàn)象最早是牛頓于1672年用三棱鏡發(fā)現(xiàn)的。由于白光由多種顏色的光組成，各種顏色有各自不同的頻率。當(dāng)白光通過(guò)棱鏡時(shí)，棱鏡對(duì)不同頻率的光的偏折程度（折射角）不一樣，通過(guò)棱鏡后，在白色屏幕上形成一條彩色光帶（光譜）。白光的色散證明了白光是由色光組成的，同時(shí)說(shuō)明光在介質(zhì)中的速度隨光的頻率不同而不同。白光的色散可以用三棱鏡，也可用其它光學(xué)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。透明物體的顏色用光照射透明物體時(shí)，透明物體呈現(xiàn)的顏色。物體的顏色決定于照射它的光和對(duì)光的反射、吸收和透射情況。透明物體的顏色由照射光和它能吸收和透射的光決定的。當(dāng)用白光照射時(shí)，如果它能透過(guò)所有頻率的光，則它是無(wú)色的；如果它只能透射紅光，它則是紅色的??。不透明物體的顏色由照射光和它反射和吸收的光決定。當(dāng)白光照射時(shí)，物體若能反射所有頻率的光，則物體呈白色；若只能反射紅光，則呈紅色。一些物體呈黑色有多種可能，當(dāng)照射光照射透明物體時(shí)，如果照射光是它所不能透射的色光，則它呈黑色；當(dāng)照射光中各種頻率的光都被物體吸收時(shí)，物體也呈黑色；或當(dāng)照射光為物體所不能反射的色光時(shí)，物體也呈黑色。物體的顏色還與照射光的成分有關(guān)。在不同光下觀看同一物體，有時(shí)顏色往往不同。不透明物體的顏色見“透明物體的顏色”。三原色能混合成各種色光的三種基本顏色。又稱三基色。這三種基
124本顏色分別為紅色、綠色和藍(lán)色。實(shí)驗(yàn)表明，用這三種基本顏色，按不同的亮度比例相加混合后，可以得到任何一種顏色。彩色攝影和彩色電視中所呈現(xiàn)的各種顏色是三原色的疊加。畫家在給繪畫著色時(shí)，把品紅、黃色、青色作為三原色。通過(guò)調(diào)制，調(diào)出各種顏色。這種調(diào)配多憑經(jīng)驗(yàn)，難免有不當(dāng)之處?，F(xiàn)在市售的各種繪畫顏料，已事先由工廠按一定比例調(diào)制成成品了。海市蜃樓光線經(jīng)過(guò)不同密度的空氣層，發(fā)生折射（有時(shí)是全反射）時(shí)，把遠(yuǎn)處景物顯現(xiàn)在空中或地面上的虛幻景象。又稱蜃景。我國(guó)宋代科學(xué)家沈括在他的名著《夢(mèng)溪筆談》中，對(duì)這種自然現(xiàn)象就有所記載。蜃景分為上現(xiàn)蜃景、下現(xiàn)蜃景和測(cè)現(xiàn)蜃景三種。在夏季，氣溫較高，一般情況下是下層空氣密度大，上層空氣密度小?？墒钱?dāng)海面溫度降低（如冷水流的突然到來(lái)）時(shí)，本來(lái)密度就大的下層空氣因受較低溫度的影響，密度變得更大，使上下層空氣密度的差異變得特別明顯。這時(shí)，如果遠(yuǎn)方的海面上有一艘船或一小島，本來(lái)不在人的視線范圍，平時(shí)是看不見的。由于這時(shí)空氣下密上稀的差異特別大，來(lái)自船上或島上的光線先由密層空氣逐漸折射入稀層空氣，并在上層發(fā)生全反射，又折回下層密的氣層中來(lái)，經(jīng)過(guò)這樣彎曲的光路，最后投入我們的眼中。由于人的視覺總是感到物像來(lái)自直線方向，所看到的景物（像）比實(shí)物高出很多，這種蜃景叫上蜃景。1988年6月17日在山東蓬萊海面上出現(xiàn)的蜃景就是上蜃景。夏日灼熱的柏油路面和沙漠上空，空氣溫度隨著高度升高而降低，使空氣的密度由下而上不斷增加，即上層密度大，下層密度小。這時(shí)高處物體（如高大的樹木，建筑物）發(fā)出的光線經(jīng)氣層折射和全反射進(jìn)入人的視線范圍。在低處的路面或沙漠上出現(xiàn)高處物體的像，這種現(xiàn)象叫下蜃景。被太陽(yáng)光灼熱的墻壁也可出現(xiàn)蜃景叫側(cè)蜃景。蜃景的出現(xiàn)，只能在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的情況下，當(dāng)風(fēng)力大時(shí)，上下層空氣密度差異不大，空氣中折射和全反射的現(xiàn)象不明顯，景象一般不可能發(fā)生。
125十一、能源的利用和開發(fā)原子組成元素的最小微粒。它能單獨(dú)存在，也能和相同的原子結(jié)合成單質(zhì)，如氧氣。同不同的原子結(jié)合成化合物分子而存在，如水。在化學(xué)反應(yīng)中，原子的種類和數(shù)目不發(fā)生變化。原子能夠被擊穿，說(shuō)明原子有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不斷地運(yùn)動(dòng)。各種元素的原子具有不同的平均質(zhì)量和原子結(jié)構(gòu)。所有原子都由帶正電的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的、數(shù)目與核電荷相等的電子組成。原子的質(zhì)量幾乎全集中在原子核上。在一般的化學(xué)反應(yīng)中，原子核不發(fā)生變化。各種元素的原子都有一定的大小，可以用不同的方法求得，根據(jù)計(jì)算，原子的半徑不完全相同，但數(shù)量級(jí)都是10-10米。原子的核外電子分布是有一定規(guī)律的，穩(wěn)定時(shí)，處在一定的狀態(tài)能級(jí)上。原子核的組成原子核的構(gòu)成成分。目前一般認(rèn)為原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核的核子數(shù)用A表示，質(zhì)子數(shù)用Z表示，中子數(shù)用N表示，所以有A＝Z＋N。在物理學(xué)中，原子核用符號(hào)A4X表示，X表示元素的名稱。如He表示氦核，表明氦核有兩個(gè)中子，ZN2兩個(gè)質(zhì)子。原子的質(zhì)量幾乎集中在原子核上。原子核的質(zhì)量為原子質(zhì)量減去全部電子的質(zhì)量和電子的結(jié)合能。由于電子的質(zhì)量和結(jié)合能很小，所以原子核質(zhì)量可以用原子質(zhì)量代替。原子有大小，所以原子核也有大小。通過(guò)計(jì)算，原子核的半徑的數(shù)量級(jí)大約是10-15～10-14米，可見比原子（半徑為10-10米）小得多，其體積大約是原子體積萬(wàn)億分之一。放射性現(xiàn)象原子核自發(fā)地放射出各種射線的現(xiàn)象。原子核發(fā)射的射線主要有α射線、β射線、γ射線。放射現(xiàn)象是1896年法國(guó)科學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)的，此后一直成為物理學(xué)家研究的重要領(lǐng)域。大量的研究事實(shí)表明，α射線是一種高速運(yùn)動(dòng)的氦核的粒子束，它的電離作用大，穿透本領(lǐng)小；β射線是一種高速運(yùn)動(dòng)的電子束，電離作用較小，穿透本領(lǐng)比α射線大；γ射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，它的電離作用最小，穿透本領(lǐng)最大。放射性有天然放射性和人工放射性兩種，一些元素的原子核，如鈾、釷、鐳等能自發(fā)地放射射線，這叫天然放射性。另一類通過(guò)人工方法使其發(fā)生核反應(yīng)放出射線，叫人工放射性。放射性現(xiàn)象放射的射線有許多共同的特性：它們能使照相底片感光，能使周圍空氣電離產(chǎn)生電荷，能使某些化合物產(chǎn)生熒光，具有特殊的生理性等。放射性射線的這些特點(diǎn)，使其在科學(xué)技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療等方面得到廣泛應(yīng)用。射線的應(yīng)用把放射性元素產(chǎn)生的射線用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等方
126面。在工業(yè)中，利用β射線和γ射線的穿透性能，可以測(cè)量材料的厚度和探測(cè)材料內(nèi)部有無(wú)裂痕等傷跡。在農(nóng)業(yè)上，利用射線能引起植物遺傳結(jié)構(gòu)的變異這一特點(diǎn)，培養(yǎng)出新的品種。利用射線對(duì)生物有致死效應(yīng)的特點(diǎn)，使魚類、谷物、蔬菜在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保鮮。射線還可以導(dǎo)致昆蟲不育，恰當(dāng)?shù)氖褂每梢韵麥绾οx。在醫(yī)療方面，放射性診斷已在醫(yī)療上廣泛應(yīng)用。例如利用射線的性能，通過(guò)一定的儀器，可以使人體的臟器在膠片上顯像。醫(yī)生根據(jù)照片進(jìn)行分析，以診斷人體器官是否患病。利用射線的殺滅功能，可以直接殺死人體內(nèi)的病變組織和細(xì)菌。目前廣泛使用的放射性治療，多用鈷60以殺死人體上的癌細(xì)胞。另外，射線還被廣泛用于藥物消毒、分析和活性上。射線在軍事、核技術(shù)以及在其它科技領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。原子彈利用快速的、不可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制成的殺傷力很強(qiáng)的核武器。原子彈的裝置如圖所示。a、b為間隔封閉在彈殼內(nèi)的兩塊裂變物質(zhì)。一般是鈾235或钚239。其中a塊固定。c是普通炸藥TNT，d為引爆裝置。當(dāng)引爆裝置引起普通炸藥爆炸時(shí)，產(chǎn)生的高溫高壓氣體便把兩塊裂變物質(zhì)迅速壓在一起，使其成為一塊，立即產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成猛烈的爆炸。原子彈是一種威力很大的殺傷武器，它的殺傷力表現(xiàn)在四個(gè)方面：①光輻射。原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)度高溫的光輻射，這種輻射以光速傳播，足以使在爆炸點(diǎn)周圍相當(dāng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的范圍內(nèi)的人員灼傷死亡和引起可燃物形成大火。②沖擊波。爆炸產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓力，形成強(qiáng)大的沖擊波，足以摧毀地面上的建筑物和一切設(shè)施，造成間接殺傷。③放射輻射。爆炸時(shí)產(chǎn)生大量的γ射線，直接造成人身傷害。④放射性污染。原子彈爆炸時(shí)，本身的碎片帶有大量的放射性同位素，同時(shí)釋放的中子與周圍原子核發(fā)生核反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生更多的放射性同位素。這些放射性同位素隨同塵埃、空氣漂流，落到地面形成放射性粘染。通過(guò)接觸、呼吸、食物潛入人體，使人身喪失各種能力直到慢慢死亡。世界上第一顆原子彈是1945年7月美國(guó)人制造的。我國(guó)于1964年10月16日爆炸了第一顆原子彈。氫彈利用在極高溫度下輕核聚變釋放出大量能量制成的殺傷力極大的核武器。氫彈的構(gòu)造示意圖如下。在一個(gè)封閉的彈殼中，有兩個(gè)主要部分：一個(gè)是聚變物質(zhì)，一般主要用固態(tài)的氘化鋰和氚化鋰的混合物。它是氫彈的燃料，氫彈的巨大能量由這里釋放出去；另一部分是引爆裝置，它的作用是產(chǎn)生高溫高壓使聚變物質(zhì)發(fā)生聚變，氫彈的引爆裝置是一顆特制的原子彈，它所用的材料和原理與原子彈相同。原子彈引爆后產(chǎn)生高溫高壓使輕核聚變釋放出更大的能量引起更為巨大的爆炸。所以，氫彈的爆炸力比原子彈大得多。
127氫彈的殺傷機(jī)理與原子彈相同。世界上第一顆氫彈爆炸是1954年實(shí)現(xiàn)的，時(shí)隔13年，我國(guó)于1967年成功地爆炸了第一顆氫彈。從而打破了超級(jí)大國(guó)對(duì)核武器的壟斷和控制。核能發(fā)電站完成核能發(fā)電的全套裝置。簡(jiǎn)稱核電站。核電站和原子彈都是利用重核聚變時(shí)，釋放出的巨大能量，原子彈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是不受控制，使其產(chǎn)生巨大的爆炸力。核電站則要控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的能量，使其帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。所以核電站的關(guān)鍵設(shè)備是核反應(yīng)堆，使受控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在這里進(jìn)行。核能發(fā)電的示意如下圖。全套裝置可以分為三部分：第一部分是原子反應(yīng)堆，其中實(shí)現(xiàn)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生大量的能量；第二部分是熱交換系統(tǒng)，它通過(guò)水泵向反應(yīng)堆注入二三百個(gè)大氣壓的普通水，使其高速的從反應(yīng)堆中通過(guò)，帶走裂變時(shí)釋放的熱能；第三部分是發(fā)電系統(tǒng)，這一系統(tǒng)中的冷水從熱交換系統(tǒng)中獲取熱量，變成高溫高壓蒸氣，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)、帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。核能發(fā)電跟火力發(fā)電相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：①燃料用料少，免去了繁重的運(yùn)輸任務(wù)和龐大的附屬設(shè)備。一千克鈾235完全裂變后產(chǎn)生的能量與2500噸煤相當(dāng)，可見減輕多大的運(yùn)輸任務(wù)和附屬設(shè)施。因此，核電站可以建在煤和石油等資源匱乏的山區(qū)和交通不變的地方；②成本低。核電站只需要充足的水源。高原地區(qū)也可以建立，這就大大降低了成本；③污染少。核電站沒有滾滾的濃煙，因而可以建立在風(fēng)光秀麗的河邊和海濱；④核電站的廢料中可以提取若干有用物質(zhì)，如從廢料中提取的钚239，可用來(lái)制造原子彈和核電池。核能發(fā)電的上述優(yōu)點(diǎn)，使其在世界各國(guó)得到廣泛的重視和利用。世界上第一座核電站于1954年建成。到目前為止，全世界有數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)已建成核電站。我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的第一座核電站，已在浙江秦山并網(wǎng)發(fā)電。不久還將在廣東、江蘇、遼寧等地建成一批核電站。到本世紀(jì)末，核能發(fā)電將在人類能源中占據(jù)舉足輕重的地位。輕核聚變時(shí)，釋放出的巨大能量，從理論上講，也是可以控制的，但目前還有許多問(wèn)題不能解決，相信在不久的將來(lái)，人類將會(huì)攻破這一難關(guān)，為能源的開發(fā)和利用創(chuàng)建更加美好的未來(lái)。能源的開發(fā)和利用擁有某種形式能量的物質(zhì)叫能源。能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)行能源研究，開發(fā)和利用好能源，使其更好地為人類造福。我們通常所說(shuō)的能源是指人從自身和食物以外所獲取的擁有能量的物質(zhì)。能源的種類很多，從不同角度，可以分成不同的類別。一次能源指自
128然界中以天然形式存在的能量資源。其中來(lái)自地球以外的能量如太陽(yáng)能以及歸根結(jié)底源于太陽(yáng)能的化石燃料（煤、石油、天然氣）、水能、風(fēng)能、波浪能、海流能、海洋熱能和生物質(zhì)能；來(lái)自地球本身的能量如地?zé)崮?、核燃料；?lái)自天體相互作用的能量如潮汐能。二次能源由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來(lái)的能源，如電能、氫能、汽油、酒精、火藥等。從歷史上看，人類對(duì)能源的利用技術(shù)取得了四次重大的突破。即發(fā)現(xiàn)了火、發(fā)明蒸汽機(jī)、應(yīng)用電能和開發(fā)原子核能。相應(yīng)地，能源結(jié)構(gòu)的變革也經(jīng)歷了柴草時(shí)期、煤炭時(shí)期和石油時(shí)期，現(xiàn)在正向以核能和太陽(yáng)能為主體的綜合能源體系的新過(guò)渡時(shí)期。以往幾次過(guò)渡不是原有能源的枯竭，而是以完善的新技術(shù)作為前提的自然更替。目前經(jīng)歷的更替是人類面臨能源短缺的危機(jī)。就世界范圍來(lái)說(shuō)，煤的儲(chǔ)量較多，可供開采二三百年，其余如石油、天然氣、鈾的儲(chǔ)量最多使用到2060年，我國(guó)人口眾多，平均資源更為短缺。因此，新能源的開發(fā)更加迫在眉間。盡管能源短缺已是現(xiàn)實(shí)，但也不至于出現(xiàn)能源枯竭，造成不可克服的危機(jī)。這一方面是自然界蘊(yùn)藏著各種數(shù)量極為豐富的能源資源，另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類還將陸續(xù)開發(fā)更多的新能源，人類利用能源的前景始終是無(wú)限美好的。
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