義務教育教科書(五·四學制)義務教育教科書（五·四學制）)核心編寫人員：（以姓氏筆畫為序）義務教育教科書（五·四學制）物理九年級下冊上海世紀出版（集團）有限公司上海科學技術出版社·元版權所有·未經許可不得采用任何方式擅自復制或使用本產品任何部分·違者必究1第1節·磁場2第2節·電流的磁場10第3節·通電導線在磁場中受到的作用力第4節·電磁感應23跨學科實踐·風力發電28 第1節·電磁波35第2節·電磁波的應用40跨學科實踐·信息的編碼與傳遞46122第1節·原子原子結構53第2節·地球太陽系59第3節·銀河系宇宙64 第1節·能量的轉移和轉化74第2節·能源的開發與利用79第3節·能源與可持續發展84跨學科實踐·我國核科學技術的發展91羅盤是航海用的指南針，指南針的發明是中華民族對世界文明作出的重要貢獻。從天然磁石到以磁化方法制造的指南針，從發現電能生磁到磁也能生電，人類對電磁現象的認識不斷加深。本章我們將初步學習與電磁現象有通電導線在磁場中會受到力的作用；通過實驗探究，了解通電螺線管外部磁場的方向，了解導體在磁場中運動時產生感應電流的條件；感悟物理學的重2第第章·電與磁節圖14-1-1圖14-1-1鴿子識途歸巢密遮擋的籠子里運到千里以外的陌生地方放飛，早在2000多年前，我們的祖先就發現了一種能吸引鐵質物體的天然礦石—磁石。《淮南子·說山訓》記載“慈石能引鐵，及其于銅則不行也”。磁石可以吸引鐵，但不能吸引銅。我們把物體能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質叫做磁性（magnetism具有磁性的物體叫做磁體·第節1·第節1將一根條形磁體放在一堆回形針上，緩慢提起，如圖14-1-2所示，觀察條形磁體的兩端和中有的回形針下面還吸著其他回形針，將上面的回形針從條形磁體上取下來，觀察其下方的回圖14-1-2磁體間存在相互作用。同名磁極相互排斥， 拓展視野發現不論分成多少圖14-1-433第章·電與磁磁性，從而能夠吸引其他回形針。使原來沒有磁性的物體獲得磁性的過程叫做磁化（magneti-第章·電與磁很多含鐵、鈷、鎳的材料可以被磁化，有些材料磁化后的磁性不容易保留，另一些材料磁●圖14-1-5是生活中常用的門吸，安裝在地上的吸座具有磁性，當吸頭與吸座還有一段距離時，吸頭就會受到吸座的吸引向其靠近并被如圖14-1-6所示，用條形磁體接近小磁針，觀察小磁針是否會保持44第1磁場（magnetic?eld）。磁體之間正是通過磁體第1·節·節在條形磁體周圍的多個不同位置放置小磁針，如圖14-1-7所示。觀察不研究發現，放入同一磁場中同一點的小磁針N極所指的方向規定為該點磁場的方向。在磁場的不同位置，小磁針靜止時N極的指向不同，55第章·電與磁第章·電與磁把鐵屑均勻地撒在玻璃板上，將玻璃板放在條形磁體上，輕輕敲擊玻璃板，可以看到鐵屑有規則地排列起來，如圖14-1-8所示。試著在白圖14-1-8為了直觀地描述磁場，人們按照“小磁針”的排列在磁場中畫出一條條帶箭頭的假想曲線， 圖14-1-9止在該點時N圖14-1-9蹄形磁體周圍的鐵屑排列情況如圖14-1-10（a）所示。蹄形磁體周圍磁場的分布情況，用磁感線描述如圖14-1-10（b）所示。（a）（b）66第1體的N極出發，由S極進入磁體。在同一磁場第1·節實際上，磁體周圍的磁場分布在整個空間，·節將幾個可自由轉動的小磁針放在水平桌面上，可以發現，靜止時小磁針N極都指向北方，這是由于地球本身相當于一個巨大的磁體。地球周圍空間存在的磁場叫做地磁場。靜止的小磁針N極指北，說明地磁場的磁感線在地面附近是由南指向北的。研究表明，地磁場的N極在地理的南極附近，地磁場的S極在地理我國古代四大發明之一的指的作用下沿南北指向這一特點，載，我國在古代就制成了最早的指南工具—司圖14-1-1中，鴿子識途歸巢正是利用了地7不過，地理的兩極和地磁場的兩極并不完7第章·電與磁明刻本《夢溪筆談》8第章·電與磁明刻本《夢溪筆談》8練一練練一練2.有兩塊外形完全相同的長方體，其中一塊若在A處放置一個小磁針，在圖中標出小磁針的S極和N極。圖4.在圖14-1-15中標出蹄形磁體的N極和S極，并用箭頭指示節第·節第9191早在公元前3世紀，我國就發現了一種鐵礦石具有磁性。這種礦石的主要成分是四氧化三鐵（Fe3O4最初稱為“慈石”。我國有關“慈石”的記載最早見于春秋戰國時期的《管子·地數》篇。除了天然磁石外，我們可以通過磁化使某些物質獲得磁性。將一根縫衣針吸在條形磁體的磁極處一段時間，這根縫衣針就獲得了磁性。10第第章·電與磁運營的磁浮列車（圖14-2-1）在上海通車，其懸浮在軌道上，大大減小了列車前進過程中在歷史上，人們在相當長的一段時間里都認為電和磁是互不相關的。1820年，丹麥物理如圖14-2-2所示，將導線平行架設在小磁針的上方，閉合開關，觀察小磁針的偏轉情況。將電源的正、負極對調，閉合開關，觀察小磁針的偏轉科學與人文科學與人文奧斯特相信電、磁、光、熱等自然現象之間一定存在著某種內在聯系。美國科學家富蘭克林（B.Franklin，1706—1790）發現萊頓瓶放電能使鋼針磁化，使得奧斯特更堅信電與磁的轉化是可能的。奧斯特一邊實驗一邊思考，他從電流通過導線時所產生的熱現象想到磁的作用會不會像熱那樣是向四周擴展的呢？在1820年4月某天的一個晚上，奧斯特在做關于電和磁現象的講演時即興地把導線平行放置在小磁針的上方。當他接通電源的一瞬間，看到磁針發生了偏轉，這正是他苦苦探尋多年的神奇景象。此后的幾個月，他先后做了60多個實驗來確認電流的磁效應。雖然奧斯特發現這一現象有點偶然性，但在科學研究中，機電流的磁效應揭示了電和磁之間存在著聯系，打開了電磁學研究領第節·電流的磁場第節·電流的磁場2第章·電與磁究電流周圍產生的磁場。如圖14-2-第章·電與磁用小磁針和鐵屑來探究通電螺線管外部的磁場。在玻璃板上均勻地撒一些鐵屑，給螺線管通電圖14-2-4所示，可以看出通電螺線管外部的磁（a）（b）圖14-2-4通電螺線管、條形磁體周圍的鐵屑排列 學生實驗通電螺線管外部不同位置磁場的方向是怎樣的？通電螺線第節·電流的磁場第節·電流的磁場22用導線將螺線管與電源、開關串聯，在螺線管外部放置。閉為了研究通電螺線管的磁場方向與電流的環將本小組的實驗記錄和結論與其他小組交流，比較各小組的通電部磁場的方向。能否用一種簡單的方法，描述通電螺線管N極與電流環繞方情況與條形磁體的磁場相似；改變通電螺線管中發生改變。就像用磁感線描述條形磁體的磁場一樣，我們可以用磁感線描述通電螺線管的磁場，第第章·電與磁（a）（b）圖14-2-5條形磁體、通電螺線管周圍的法國物理學家安培又進一步做了大量實驗，研究了通電螺線管磁場方向與電流方向之間的關系，并總結出了右手螺旋定則（right-handed圖14-2-6右手螺旋定則用右手握住通電螺線管，彎曲的四指指向電流方向，那么大拇指所指的那端就是通電螺內部帶有鐵芯的螺線管在通電時磁性會更強，我們把內部帶有鐵芯的螺線管叫做電磁鐵，圖14-2-7所示的裝置就是最簡單的電磁鐵。實磁鐵安裝在吊車上，通電后一次可以吸起幾材，如圖14-2-8所示，移動到指定位置后切斷第節·電流的磁場第節·電流的磁場STSE2磁浮列車是科技創新和社會發展的產物，具有高速、舒適、噪聲小7月20日，具有我國完全自主知識產權的、速度可達600km/h的高速磁浮列車是依靠磁場懸浮起來的。圖14-2-1中的上海磁浮列車的磁場由電流產生，這種電磁懸浮系統耗能較大，且要靠復雜的控制技術來實現。采用永磁體產生磁場可避免以上問題，因此尋找磁性穩定、密度足夠高，能滿足列車懸用永磁體“懸掛”的永磁磁浮空軌列車“興國號”（圖14-2-9）成功運行，標志著全球首條永磁磁浮軌道交通工程試驗線順利建成。圖14-2-9“興國號”永磁磁浮空軌列車電器。如圖14-2-10所示，虛線框內的電磁鐵、合控制電路中的開關S時，有較小的電流通過全、智能的目的。變電站、電梯、數控機床里的練一練練一練2.根據圖14-2-12中小磁針N極的指向，標出圖中電源的正、3.為了較方便地判斷一段導線中是否有電流通過，在下列各物體A.帶電的小泡沫球B.鋁棒C.被磁化的 第章·電與磁2第節·電流的磁場2如圖14-2-14所示，在一個螺線管的兩端分別標示A、B，將螺線管與開關、電源串聯在一起，用線穿過螺線管將其水（2）如何使用該裝置判斷所處位置的（3）與上一節主題學習中判斷地磁場方向的方法相比，利用通電第第章·電與磁行探測任務。圖14-3-1是“祝融號”在火星表●通電導線在磁場中是否受到力的通過前面的學習，我們知道磁體周圍存在磁場，電流周圍也存在磁場；磁體在磁場中會受到力的作用。通電導線相當于磁體，在磁場中也應該受到力的作用，其運動狀態可能會發生如圖14-3-2所示，將直導線ab放在兩根平行的導體軌道上，并靜置于蹄形磁體中間，導體軌道與電源、開關串聯。閉合開關圖14-3-2實驗中觀察到直導線ab通電后由靜止變為●通電導線在磁場中的受力方向與哪道，磁場是有方向的，可以猜想：通電導線下面，我們利用圖14-3-2所示的實驗裝置1.保持圖14-3-2中蹄形磁體N極和S極位置不變，把電源的正、負極對調后重新接入電路，使通過直導線ab的電流方向與原來相反，2.保持圖14-3-2中電源的正、負極不變，把蹄形磁體N極和S極位置對換，使直導線ab所處磁場的方向與原來相反，接通電路后，觀第節·通電導線在磁場中受到的作用力第節·通電導線在磁場中受到的作用力3第章·電與磁第章·電與磁（a）聲音時，離不開通電導線在磁場中受到的力的作（a）（b）圖14-3-3部分組成：能夠轉動的線圈和固定不動的磁體。如圖14-3（b）圖14-3-3在電動機中，還需要通過換向器適時改變線圈中的電流方向，使線圈持續同方向轉動下第節·通電導線在磁場中受到的作用力第節·通電導線在磁場中受到的作用力33“祝融號”火星車的電動機通電后轉動的原實際使用的電動機是比較復雜的。如圖14-3-6所示，洗衣機中的電動機有多個線圈。有些電動機直徑只有幾毫米，圖14-3-7所示為用于智能手機的微型電動機。電動機具有效率第章第章·電與磁練一練練一練1.要改變通電導線在磁場中受到的作用力的方向 或改變來實現。如果同時改第第節·電磁感應44圖14-4-1是金沙江白鶴灘水電站首臺百萬千瓦水輪發電機組轉子的照片。2022年12月20日，白鶴灘水電站16臺百萬千瓦水輪發電機組全部投產發電，標志著世界最大清潔能源走廊全面建成。水電站的發電機是如何發電磁現象是有聯系的。許多科學家開始思考：既然于取得了突破，于1831年發現了利用磁場產生第章·電與磁第章·電與磁如圖14-4-2所示，用絕緣細線將直導線ab懸掛起來，使其置于蹄形磁體的磁場中，直導線ab與靈敏電流計、開關觀察靈敏電流計的指針是否發生偏轉；將直導線ab沿圖示箭頭方向來回移動，圖14-4-2在上述實驗中，閉合開關后，直導線ab沿圖示方向來回移動時靈敏電流計的指針發生偏在上述實驗中，我們還發現，閉合開關后， 學生實驗第節·電磁感應實驗裝置與圖14-4-2所示相同。閉合開關后，嘗試用不同方式移動直導第節·電磁感應4畫出實驗中蹄形磁體兩極間的磁感線，如果把直導線ab看作一把“小刀”的話，分析以上各實驗情況中，這把“小刀”有沒有切割磁感線？并根據實驗將本小組的實驗記錄、分析和結論，與其他小組交流。用條形磁形磁體，能否產生感應電流？感線運動時，導體中會產生感應電流。這種現象如圖14-4-3所示，導體在磁場中切割磁感線產生感應電流，這個裝置可以看作一個最圖14-4-3第章·第章·電與磁圖14-4-4是實驗室用的手搖發電機。線圈靜止時，觀察小燈泡是否發光？搖動手柄使線圈在磁場中轉動，觀察小燈上述實驗中，當搖動手柄使線圈在磁場中轉動時，連續轉動的線圈代替直導線切割磁感線產生的感應電流使小燈泡發光。發電機的原水力發電通過水流沖擊使轉輪轉動從而帶動發電機發電，圖14-4-6所示為水輪發電機的轉輪。風力發電中，風驅動風車帶動發電機第第節·電磁感應4練一練練一練2.圖14-4-7中的直導線ab是閉合回路的一部分，直導線ab在磁場中分別按圖中的箭頭方向運動時，是否會產生感應電流？為（a）（b）圖14-4-73.市場上有一種手搖式應急手電筒，可以通過搖動手柄點亮燈泡第章·電與磁第章·電與磁 跨學科實踐風力發電是將風所蘊含的動能轉換成電能的工程技電有利于促進人類社會可持續發展。從2010年起，我國風力發電累計裝機容任務1：以小組為單位，用微型發電機和小風扇葉片組裝成一個微型風力發電機組，連接好LED燈，用電吹風機吹小風扇葉片，模擬風力發電。使用電吹風不同擋位，從不同角度、不同距離吹動小風扇葉片時，比較LED燈的亮度。并思考在實際環境中還有哪些因素可能會影響LED燈的亮度？在班級任務2：查閱資料，了解目前我國風電項目的分布特點，分析風力發電的優缺點；了解上海海上風電的發展情況及規劃關物理知識，從節能、環保、生態等視角，分析發展風電對上海城市發展的影評價要點(☆☆☆)能闡述風力發電的基本原理，通過比較LED燈的亮暗能用控制變量的方法設計實驗方案，利用微型風力發電機點亮一盞LED燈，并對實驗結果進行解釋能列出風力發電的主要優缺點，結合相關學科知識，從節能、環保、生態的視角，分析發展海上風電對上信息搜集在完成各自任務的同時，能與其他成員團結協作，開評分方法：完全符合評價要點得☆☆☆,部分符合得☆☆,少量符合得☆第章·電與磁第章·電與磁回顧與復習右手螺旋定則：用右手握住通電螺線管，彎曲的四指指向電流方通電導線在磁場中受到的作用力：通電導線在磁場中受到的作用 1.圖1為一個磁懸浮小球。這個小球由磁性材料制成，給底座通電后，小球與底座不接觸而懸浮在半空中，這是因為磁體和電s—w國標出條形磁體的N極和S極，畫出三條磁圖2第章·電與磁第章·電與磁6.如圖5所示，閉合開關，直導線ab向右運動。如果要使直導7.工作時利用了通電導線在磁場中受到力的作用，發電機發電利用了和“探究導體在磁場中運動時產生感應電流的條件”的實驗示意圖，（a）（b）（a）學習了電磁感應現象后，甲、乙兩位同學嘗試利用閉合回路的一部分導體在地磁場中做切割磁感線運動，產生感應電流。現有如下實驗器材：靈敏電流計、較長的軟電線、導線若干。兩同學將以上實驗器材串聯連接后，分別手持軟電線的一端相隔一定距離站立，并甩動（1）甲同學站定后，乙同學應站在甲的（選填“東”或我國古代先民巧妙地以“光”為載體，利用烽燧傳遞信息。光是一種電通過本章內容的學習，你將了解電磁波以及描述電磁波的物理量，知道電磁波在真空中的傳播速度；感悟電磁波的應用對人類生活和社會發展的重第節·第節·電磁波11節守時自律的生活離不開準確的時間，而通京時間）由國家授時中心（圖15-1-1）負責發英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，他的研究成果深深地吸引了另一位英國物理學家—麥克斯韋，麥克斯韋經過潛心研究，用巧妙理論并預言了電磁波的存在。后來，德國物理學第第章·電磁波及其應用（a）電磁波發射裝置（b）電磁波發射和接收過程示意圖感影像等諸多應用都離不開電磁波理論這塊基石，同時電磁波的發現也為物理學發展開啟通過赫茲發現電磁波的實驗我們可以想到，收音機能接收不同電臺的廣播，說明這些電臺發送的電磁波經過長距離傳播到達了我們的收音機。如圖15-1-3所示，我們把一節干電池放在收音機旁，然后用導線的一端連接干電池負極，另一端與干電池正極快速摩擦，注意聽收音機發出的聲音，并記錄波峰之間的距離稱為波長，用λ表示，在國際單37第節·電磁波1第節·電磁波1如圖15-1-4所示，與聲波、水波類似，電磁波也是從波源向四周傳播。前面提到的充電器、無線路由器和微波爐，以及圖15-1-1所示甩動的繩子形成“繩波”如圖15-1-5所示，將繩子的一端固定，上下甩動繩子的另一端，觀察繩子的般的圖形，且波形在向前移動。如圖15-1-6所第章·電磁波及其應用位制中，波長的單位是米（m第章·電磁波及其應用速（wavevelocity我們也可以用波速來描述但與“繩波”、聲波不同，電磁波可以在真空中傳播。電磁波在真空中的傳播速度為3×108m/s，這就是光速，常用字母c表示，光想一想通過你所了解的電磁波的應用或現象來證明電磁波可以在真空中傳播，也可以設計一個甩動繩子越快，波形就越密，相同時間內向前傳播的波的個數就越多。我們把一定時間內波向前傳播的個數與所用時間的比叫做頻率電磁波也可以用頻率來描述，其常用單位有赫茲想一想通過你所了解的電磁波的應用或現象來證明電磁波可以在真空中傳播，也可以設計一個不同頻率的電磁波在真空中的傳播速度相第節·電磁波第節·電磁波1練一練練一練圖15-1-8圖15-1-8無線對講機和手機均依靠電磁波傳遞信息，電磁波的發射和接收都離不開天線。如圖15-1-9所示，無線對講機的天線在其頂端，而手機天線則短到可以隱藏在其內部，且手機通信的電磁波頻率遠高于 （a）無線對講機（b）手機圖15-1-9（1）無線對講機和手機比較，哪一個設備所使用的電磁波波長第第章·電磁波及其應用要了解電磁波的應用，首先要了解電磁波的“家族”非常龐大，頻率范圍很廣。如醫療檢測使用的X射線，各種顏色的可見光以及紅外線、紫外線等不可見光都是電磁波“家族”的成員。陽光讓人感覺溫暖，說明光可以傳遞能量。第節·電磁波的應用第節·電磁波的應用22圖15-2-2電磁波“家族”食物中的水分在微波作用下溫度會迅速升圖15-2-3微波爐圖15-2-4圖15-2-3微波爐遙感是一種遠距離非接觸式獲取目標特征第章·電磁波及其應用第章·電磁波及其應用STSE圖15-2-5遙感無人機監測作物生長STSE地球表面吸收陽光的能量后，會向外輻射波長較長的電磁波，大氣中的二氧化碳等溫室氣體則能阻礙這種電磁波繼續向外層空間輻射，進廣播電臺發出的中波或短波信號傳播距離第節·電磁波的應用第節·電磁波的應用2圖15-2-7 拓展視野（a）發射過程（b）接收過程圖15-2-9聲音信號傳遞過程第章·電磁波及其應用易被建筑物遮擋，所以，兩部手機A、B要通過包含基站在內的移動通信設備和線路才能進行通第章·電磁波及其應用目前，我國移動通信技術已居于世界領先人類對太空的探索也離不開電磁波。“神舟”載人飛船通過電磁波向地面接收站發回信息，“嫦娥”探測器通過電磁波把月球表面的圖像傳回地球，“中國天眼”射電望遠鏡通過接收星體輻射的微弱電磁波探測宇宙中極其遙遠的天體。電磁波的應用極大地改變了人們的生活方2第節·電磁波的應用2練一練練一練3.為保障考試公平，杜絕手機作弊，考有一種手機信號屏蔽器通過發射頻率和手機信號頻率相同的，使得手機無其上層裝有發射電磁波的天線。用于廣播的中波信號能繞過建筑物傳播，但是會有信號損耗；用于電視傳播的微波信號一般沿直線傳播，（2）一般情況下，距離波源越遠信號越弱。簡述廣播電視塔建設第章·電磁波及其應用第章·電磁波及其應用 跨學科實踐用聲波傳遞信息時易受到干擾，往往會導致信息失真（圖1用電磁波傳遞信息也會遇到類似問題。我國古代先民非常聰明，為了避免烽燧之間傳遞的信息走樣，常用類似燈籠的信標—“烽”、點燃后冒著濃煙的柴草堆—“積薪”等易于辨識的信號組合起來傳遞軍情（圖2這是一種古老的利用編碼傳遞信息的方式。發送信息時，通過按壓發報機的操控開關（圖4）產生長短不同的電流來表示任務1：兩人為一小組，一位同學作為發報員，另一位同學作為譯報員。設計一個由電源、導線、小燈泡和開關等器材組成的簡單發報機，畫出電路圖發報員在收到寫有單詞的紙條后，按照莫爾斯電碼將其轉化為“點”和間的長短，對照莫爾斯電碼翻譯出這個單詞。嘗試用莫爾斯電碼發送“SOS”這串字符，分析“SOS”為什么能成為國際公認的緊急呼救信號。討論在緊急情況下，如何利用手電筒等簡單設施發送任務2：小組討論，為什么莫爾斯電碼只用“點”和“橫”兩種符號對文任務完成后形成報告，并進行交流展示。報告應包含以下內容：①編碼傳遞信息的優勢。②計算機用二進制編碼存儲和傳遞信息的大致原因。③未第章·電磁波及其應用第章·電磁波及其應用評價要點(☆☆☆)能說明計算機用二進制編碼存儲和傳遞信息的大致信息搜集能有效搜索所需學習資源，注意數據的可靠性和時效性在完成各自任務的同時，能與其他成員團結協作，開評分方法：完全符合評價要點得☆☆☆,部分符合得☆☆,少量符合得☆回顧與復習波長頻率波速傳遞能量傳遞信息2.長波、中波和短波中，頻率最高的是罩中，抽走玻璃罩內的空氣。撥打該手機可以看到手機來電顯示，但是幾乎聽不到手機鈴聲。簡天可以用紅外線加熱器來取暖。這說明電磁波可5.北京航天飛行控制中心與遠在太空的神舟載人飛船之間的“天圍9～16MHz的短波。當該收音機接收到一個信號后，顯示的頻率我國移動通信業務發展迅猛，移動通信網絡覆蓋水平全球領先。第章·電磁波及其應用（abc）通過本章內容的學習，你將了解原子及原子的核式結構，太陽系及宇宙的演化；知道物質世界的大致尺度，初步形成物質觀念；感悟人類為探索物氧氣反應生成二氧化碳，但碳原子和氧原子在53第第節·原子原子結構11節之棰，日取其半，萬世不竭”，提出了物質無限可分的思想。而同時代的古希臘哲學家則認為，19世紀初，英國科學家道爾頓（J.Dalton， 1766—1844）在研究化學反應時發現，物質是由在化學反應中保持不變的最小單元構成的，或者說，構成物質的最小單元在化學反應中保持不變。道爾頓把這個最小單元稱為原子第章·從原子到星系燃燒前后都沒有發生變化。我們所知道的常見物質是由分子、原子構成的，而分子又是由原子構成的。道爾頓通過科學實驗將原子變成了第章·從原子到星系圖16-1-2碳和氧氣反應生成二氧化碳想一想條，每次都將其截成兩段，多少次后就到原子的尺度了提示：個原子緊密地排列成一行，長度也大約只有想一想條，每次都將其截成兩段，多少次后就到原子的尺度了提示： 拓展視野表16-1-1常用數量級前綴飛(f)12963-3-6-9-12-15么大。第節·原子原子結構1原子概念被提出后，人們一開始認為原子是沒有內部結構、不可再分的實心小球。1897得多的帶負電的粒子，稱為電子（electron這第節·原子原子結構1電子的發現說明原子并不是構成物質的最小微粒，原子是有結構的，電子是原子的構成部分。由于電子帶負電，而原子是電中性（對分。湯姆孫由此提出了原子的結構模型—棗糕模型，即原子中的正電荷均勻分布在整個原子這個模型雖然能解釋原子的電中性，但并沒有圖16-1-4 了原子的核式結構模型（nuclearstructuremodel也稱行星模型（圖16-1-4）。即原子的質量幾乎全部集中在尺度很小的核心區域，稱為原子核（nucleus原子核帶正電，半徑約為10-15m，而電子則在核外繞原子核運動。盧瑟福的核式結圖16-1-4原子的尺度要比原子核大近10萬倍，如果把原子比作體育場，那原子核就只有螞蟻那第章·從原子到星系最簡單的原子核—氫原子核。根據對質子質量和電荷的測量，盧瑟福預言原子核中一定還一種粒子—中子（neutron）。1932年，英國物第章·從原子到星系中子的發現不僅確立了原子核的結構，也大。α粒子實際上就是氦原子核，由2個質子和從1897年發現電子開始，經過30多年的外電子構成的，原子核又是由質子和中子構成的，其中質子的數量與核外電子數相同，以保證原子是電中性的。那么，質子和中子還有結認識也在不斷深入。1964年，美國物理學家蓋爾曼（M.Gell-Mann,1929—2019）又提出了夸克模型，認為質子和中子都是由更小的微粒—質的最小微粒。圖16-1-5是原子及原子核結構圖16-1-5原子及原子核結構示意圖科學與人文科學與人文圖16-1-6盧瑟福開創了原子物理學這一新的學科，物理學從此進入了原子時代。他也是核物理及現代核技術子散射實驗本來是想證明其導師湯姆孫的棗糕模型，實驗結果卻否定了棗糕模型。盧瑟福不迷信權威，而是進行了進一步研究，并由此提圖16-1-6盧瑟福盧瑟福的核式原子結構模型雖然取得了很大的成功，但也存在嚴重的缺陷，即無法解釋原子的穩定性。在這一模型的基礎上，丹麥物理學家玻爾（N.H.D.Bohr，1885—1962）在1913年提出了原子結構的玻爾模型，不僅解決了原子結構的穩定性問題，也為20世紀物理學最偉大的理論之一—量子力學的誕生奠定了基礎。第節·原子第節·原子原子結構 練一練1.原子、電子、質子和中子具有不同的質量，將第章·從原子到星系運行理論［圖16-2-2（a。波蘭天文學家哥白第第節·地球太陽系22圖16-2-1圖16-2-1太陽及八顆行星地球（Earth）是人類的家園，萬物生長的地方，也是到目前為止宇宙中唯一確切知道有生命存在的星球。地球從形成至今已經有46億年和春去秋來的四季變換是看起來很常見的現象，托勒密（C.Ptolemaeus，約90—168第章·從原子到星系想一想如果我們在北極或運行論》一書中建立了被稱為“日心說”的天體運行理論［圖16-2-2（b即太陽位于中心，第章·從原子到星系想一想如果我們在北極或（a）“地心說”（b）“日心說”圖16-2-2“地心說”和“日心說”示意圖實際上，所有天體都處于不斷地運動之中，日月星辰的東升西落是因為地球的自轉造成的。手段的提高，今天我們對太陽系（solarsystem）第節·地球太陽系想一想所謂“五星連珠”是指金、木、水、火、土五顆行星在公轉軌道上連成一線的現象。這一現象是如何形成2間是包含第節·地球太陽系想一想所謂“五星連珠”是指金、木、水、火、土五顆行星在公轉軌道上連成一線的現象。這一現象是如何形成2到連成一線時，就會發生日食或月食；而當月球處在其繞地球軌道的不同位置時就會造成不同的似珍珠月似弓”都是描寫月相的詩句。水星和金星是僅有的兩顆沒有衛星的行星，木星的衛星則是最多的，其中木衛一到木衛四是伽利略在1610年用自制望遠鏡發現的，這一發現對哥1755年提出了太陽系起源的星云假說，認為太第章·從原子到星系科學與人文第章·從原子到星系科學與人文20世紀50年代，一大批滿懷報國初心的知識分子，沖破阻力，回到祖國。從以錢學森為代表的老一輩航天事業開拓者，到趕超世界一流水平的新一代航天生力軍，幾代航天人使命相連，持續奮斗，不計得幾十年來，我國航天事業取得了舉世矚目的巨大成就。從第一顆人造地球衛星到載人航天，從月球、火星探測到中國空間站全面建成，中2第節·地球太陽系2練一練練一練1.從地球上看，月球幾乎和太陽一樣大。如果從2.太陽系八顆行星都繞太陽公轉，地球軌道以內有哪幾顆行星？地球軌道以外有哪幾顆行星？離太陽最近的是哪顆行星？離太陽最遠3.原子的核式結構與太陽系的結構有不少相似之處，請舉例4.夏至晚上看到的恒星與冬至晚上看到的恒星相同嗎？簡述第第章·從原子到星系有6000多顆，其中比較著名的有北極星、北斗七星、織女星、牽牛星、天狼星、比鄰星等。仰15m作為比較，日地距離約1.5×1011m，太陽光從第節·銀河系宇宙3由于視力所限，我們肉眼所見的恒星（圖16-3-2）大部分距離地球都在幾百光年以內，比離我們約8.6光年。伽利略在1609年首次使用望遠鏡觀測天體，開啟了天文學一個新的時代。第節·銀河系宇宙3STSESTSE望遠鏡是天文觀測的重要工具，望遠鏡的使用極大地提高了我們的觀測能力，不僅讓我們看得更遠，也讓我們看得更清。除了光學望遠鏡，還有用于其他波長的紅外望遠鏡、射電望遠鏡、X射線望遠鏡以及放置在太空的空間望遠鏡等。伽利略使用的第一架天文望遠鏡的口徑僅大型望遠鏡項目在立足自主建設的同時，積極參與國際合作。2016年第章·第章·從原子到星系在很長的一段時期內，人類對宇宙的認識實際上局限在太陽系內。1750年首次提出銀河系（Galaxy）的概念，太陽系以及我們肉眼可見200多年來經過無數天文學家和物理學家的不斷努力，我們對銀河系已經有了比較清晰的認識。銀河系是一個直徑約10萬光年，包含約3000億顆恒星的龐大盤狀恒星集團，中心是一個質量相當于400萬個太陽的巨型黑洞，太陽位于距離銀河系中心約27000光年的地方。太陽攜帶整個太陽系圍繞銀河系中心轉動，約2.5億年旋轉一周。銀河系形成至今已有約100 拓展視野銀河系只是宇宙中一個普通的星系，宇宙中還存在著無數個類似銀河系的星系，統稱為河超過1000億個。圖16-3-4所示為距離我們約250 拓展視野第第節·銀河系宇宙33圖16-3-5圖16-3-52000多年前的《尸子》一書中已經有“四方上下曰宇，往古來今曰宙”的說法。我們將時間、空間以及所有物質、能量構成的整體稱為宇宙（universe）。宇宙是物理學最大的研究對象。第章·從原子到星系第章·從原子到星系對一個均勻畫有小圓點的氣球緩慢吹氣。觀察氣球膨脹時，相鄰小圓點及相距較遠的小圓點之間的距離如何變化（圖圖16-3-6氣球膨脹前后美國天文學家哈勃（E.P.Hubble，1889—離的速度就越大。也就是說，隨著時間的流逝，很久以前，星系之間的距離一定比現在小得多，說明地球是宇宙的中心。站在任何一個星系上象地模擬了哈勃的發現。氣球上的每個小圓點都可看成一個星系；當氣球膨脹時，站在任何一個1968）在前人研究工作的基礎上，于1948年提第節·銀河系宇宙想一想3大爆炸之后約38萬年，質子、中子和電子爆炸留下的光就變成了今天探測到的宇宙微波背第節·銀河系宇宙想一想3圖16-3-7宙深處。圖16-3-7所示為韋伯空間望遠鏡拍攝圖16-3-7微觀粒子是物理學最小的研究對象，宇宙源。極大和極小在物理學中得到了絕妙的統一。無論是微觀還是宏觀或是宇觀（圖16-3-第章·第章·從原子到星系練一練練一練1.將地球、月球、太陽、銀河系、太陽系、原子、電子、質子、3.整個天空肉眼可見的恒星約有6000多顆，你能說出哪些恒星4.根據宇宙的演化，太陽系的形成比銀河系的形成更早還是回顧與復習核式結構模型：原子核集中了原子的絕大部分質量并處于原子中太陽系：太陽和圍繞太陽公轉的八顆行星、矮行星及其衛星以及銀河系：由包括太陽在內的約3000億顆恒星及其他物質組成的河外星系河外星系2.有人說，核外電子數相同的原子具有相同的質量，質量相同的3.畫出金星和地球繞太陽公轉的軌道示意圖，簡述為什么只5.有人說，冬天冷是因為地球離太陽遠了，夏天熱是因為地球離6.我們在地球上看到的銀河為什么是一條光帶（太陽在銀河系的8.如果我們給另外一個星系的智慧生物“打個招呼”，那么對方第章·從原子到星系崇山峻嶺間奔騰的水流通過發電機把機械能轉化為電能。合理地利用自然界中蘊藏的能量，是人類需要解決的重大課題。本章我們將學習能量轉移通過本章內容的學習，你將知道能量守恒定律；了解能量利用效率及能量轉移和轉化具有方向性；認識到人類面臨的能源危機，體會節約能源和可持續發展的重要性。73第第章·能量的轉移和轉化能源節圖17-1-1所示為小男孩在蕩秋千，只要用內能，與電荷運動對應的是電能……我們所熟悉第節·能量的轉移和轉化第節·能量的轉移和轉化如圖17-1-2所示，小球A靜止在軌道的底端，從某一高處釋放小球B，觀察兩小球的運動情況。兩小球運動過程中有BA小球B向下運動時，重力做功，小球B的重力勢能減小，動能增加，重力勢能轉化為動能。當小球B撞擊小球A時，小球B對小球A做功，小球A獲得動能，而小球B動能減小，動能從小球B轉移到小球A。這表明做功往往伴如圖17-1-3所示，我國神舟載人飛船返回內能。圖17-1-1中秋千的擺動幅度越來越小，圖17-1-3如圖17-1-4所示電路，把一根銅絲的兩端分別與兩根鐵絲相連接，兩根鐵絲的另一端再與一個電流傳感器用酒精燈給鐵絲與銅絲的一個連接點加熱。觀察電流傳感器示數的變化，圖17-1-4第章·能量的轉移和轉化能源第章·能量的轉移和轉化能源想一想想一想你還能舉出不同形式的能量之間相互轉化植物進行光合作用，將光能轉化為化學能；電流通過電風扇，將電能轉化為機械能；章首圖所示的水電站，可以將水的機械能轉化為電能。不同形式的能量在一定條件下都可以轉煤炭所具有的化學能是遠古植物將陽光的能只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體，或者從物體的一部分轉移到其他部分；在轉化或轉移的過程中，能量的總和保持不變。這就是能量守恒定律（lawof歷史上曾有很多人夢想制成不需要輸入任何能量卻能夠不斷對外輸出能量的機器—永動機。如圖17-1-5所示，無論他們的設計看起來能量守恒定律，但它們的逆過程不會自發發生。77第節·能量的轉移和轉化1第節·能量的轉移和轉化1圖17-1-6圖17-1-6將一滴墨水滴入清水中，可以觀察到墨水擴散的現象。這滴墨水會重新與清水分離嗎第章·第章·能量的轉移和轉化能源轉移時，并不是符合能量守恒定律的過程就練一練練一練1.夏天人們常用蚊香驅蚊。圖17-1-8是一種電熱液體蚊香，接通電源后，電子恒溫加熱器2.根據能量守恒定律，判斷以下情形是否能圖17-1-8第第節·能源的開發與利用22量可以轉化為帆船的動能，使帆船航行；也可以驅動風力發電機的葉輪進行發電。圖17-2-1所（圖17-2-2）。太陽的照射使地表的水蒸發形成雨和雪，雨雪降落到地面形成河流，流動的水具第章·第章·能量的轉移和轉化能源從自然界直接獲得，如風能、水能、地熱能（圖17-2-3）、核能、煤、石油、天然氣等能源，在圖17-2-4秸稈圖17-2-5焦炭圖17-2-4秸稈圖17-2-5焦炭想一想在能源加工的過程中，不可避免地伴隨要對能源加工后再利有些能源不能從自然界直接獲得，但可以17-想一想在能源加工的過程中，不可避免地伴隨要對能源加工后再利●能源的開發與利用經歷了怎樣的歷過。歷史上曾經歷多次重大能源變革，每一人類最早使用的能源是太陽能，原始時期，人類所能獲得的能源來源于太陽輻射所帶來的光熱。人類歷史上第一次意義重大的能源革命是對第節·能源的開發與利用2第節·能源的開發與利用217-2-6所示，漢代學者桓譚在《桓子新論》中記載了一種用水力舂米的機械—水碓。正是由圖17-2-6水碓在近代，能源的開發利用迅猛發展。18世紀蒸汽機（圖17-2-7）的發明，開啟了人類將值、分布廣的優點成為全球第一大能源。隨后，要能源。19世紀初電磁感應現象的發現，使人用于動力、照明、通信、廣播等各個領域，在我們的生產生活中起到重大的作用。20世紀近代第章·能量的轉移和轉化能源STSE當今社會，隨著能源開發利用新技術的不第章·能量的轉移和轉化能源STSE燃料電池是一種新型能量轉化裝置，它將燃料與氧化劑的化學能通際運行的各種燃料電池的轉換效率一般在45%～60%。燃料電池被譽研發和應用方面取得了許多重要成果。2023年3月2日，由我國自主研我國首艘氫燃料電池動力示范船“三峽氫舟1”號在湖北宜昌首航成功圖17-2-8圖17-2-9隨著科學技術的高速發展，燃料電池在固定電源、交通運輸和航空第節·能源的開發與利用2第節·能源的開發與利用2練一練練一練1.列舉家庭中使用的各種常見的能源。這些能源是自然界可以直2.隨著科技進步和社會發展，汽車可利用的能源種類不斷多樣址時，從能源利用的角度來看，選擇A址太陽是距離地球最近的恒星，它帶給地球光和熱，是地球最主要的能量來源。太陽能以輻射的方式把能量傳輸到地球表面，若利用效率達到10%，則整個地球表面上每年可利用的太陽能大約相當于（2）古人很早就利用太陽取暖，但效果有限。今天我們可以通過一定的技術手段提高太陽能的利用效率，比如用于水果和蔬菜種植的（3）太陽表面的溫度很高，為什么太陽和地球之間的廣袤空間卻第第章·能量的轉移和轉化能源內部的反應類似。“人造太陽”是解決人類能源人類活動需要不同形式的能量，不同能量低。機械在工作的時候，部件之間必然相互摩難以再被利用；發電廠生產的電能通過輸電線傳輸（圖17-3-2輸電線會發熱，部分電能轉化自然界中有些能源可以源源不斷地得到補充，或能在較短周期內再生，比如風能、水能、通過長期的地質變遷形成的，這類能源稱為不可作為人類生存和發展的重要物質基礎，煤炭、石油、天然氣等化石能源支撐了19世紀以能源是環境的一部分，節約能源本身就是水、節約用電、減少使用一次性餐具等力所能及染的主要因素。如圖17-3-3所示，大量化石能源的消耗，引起溫室氣體排放，使大氣中溫室氣想一想想一想圖17-3-3第節·能源與可持續發展第節·能源與可持續發展3第章·能量的轉移和轉化能源第章·能量的轉移和轉化能源圖17-3-4鈾核裂變示意圖從世界范圍看，今后相當長時期內，煤炭、石能源清潔發展，保護生態環境，應對氣候變核能核能是通過核反應使原子核發生變20世紀30年代，科學家們發現用中子轟擊圖17-3-5是江蘇連云港田灣核電站。核電核輻射一旦泄漏，會嚴重地污染環境，所以核電站都建有多層防護外殼，核廢料也要妥善地科學與人文原子核，同時會釋放巨大的能量。20世紀50年科學與人文當前，世界各國正在大力開展可控核聚變的研究，讓核聚變產生的能量為人類和平利用。可控核聚變之所以如此誘人，是因為核聚變的原料—氫的同位素氘廣泛地存在于海水中，而且與核裂變方式相比，核聚變的污染幾乎為零。但是，目前人類距離實現可控核聚變還有很長的路要走，這是因為可控核聚變需1964年，我國“兩彈一星”元勛、核物立地提出了用激光打靶實現核聚變的設想，是世界激光慣性約束核聚變理論和研究的創始人之一，使中國在這一領域的科研工作走第節·能源與可持續發展第節·能源與可持續發展3第章第章·能量的轉移和轉化能源目前我國在可控核聚變領域的研究處于世界領先水平。圖17-3-1所示的“東方超環”，是我國自主設計、研制并擁有完全知識產權的磁太陽能太陽（圖17-3-7）是一個巨大而目前，人類利用太陽能的方式主要是發電。太陽能發電的形式一般有光伏發電和光熱發電兩為電能。圖17-3-8是上海浦東新區地鐵龍陽路熱發電通過光學聚焦的方式將太陽能聚集起來，第節·能源與可持續發展3地熱能地球內部的溫度高達幾千攝氏度，如此高的溫度必然蘊藏著巨大的能量，這種來自地表下面的能量就是地熱能。地熱能除了可直接用于發電，發電后的熱排水還可實現供暖、第節·能源與可持續發展3是世界上首座利用地熱淺層熱儲進行工業性發電能減排、能源轉型、開發新能源等一系列措施綜加強全球合作，也是解決能源危機的關鍵，第章第章·能量的轉移和轉化能源練一練練一練1.我國太陽能資源十分豐富，它屬于能源。簡述開發光互補型光伏電站—浙江溫嶺潮光互補發電站，是我國首次將太陽能和潮汐能互補開發的