高中物理选修3—1课后习题答案及解释.pdf

第 1 页 共 9 页 第 一 章 第一节 1 答：在天气干躁的季节，脱掉外衣时，由于摩擦，外衣和身体各自带了等量、异号的电荷。 接着用手去摸金属门把手时，身体放电，于是产生电击的感觉。 2 答：由于 A、B 都是金属导体，可移动的电荷是自由电子，所以，A 带上的是负电荷，这是 电子由 B 移动到 A 的结果。其中，A 得到的电子数为，与 B 失 去的电子数相等。 3 答：图 14 是此问题的示意图。导体 B 中 的一部分自由受 A 的正电荷吸引积聚在 B 的左端，右端会因失去电子而带正电。A 对 B左端的吸引力大于对右端的排斥力， A、 B 之间产生吸引力。 4 答：此现象并不是说明制造出了永动机，也没有违背能量守恒定律。因为，在把 A、B 分开 的过程中要克服 A、B 之间的静电力做功。这是把机械转化为电能的过程。 第二节 1 答：根据库仑的发现，两个相同的带电金属球接触后所带的电荷量相等。所以，先把 A 球 与 B 球接触，此时，B 球带电；再把 B 球与 C 球接触，则 B、C 球分别带电；最后， B 球再次与 A 球接触，B 球带电。 2 答：（注意，原子核中的质子间 的静电力可以使质子产生的加速度！ ） 3 答：设A、B 两球的电荷量分别为、，距离 为， 则。 当用C 接触A 时， A 的电荷量变为， C的电荷量也是； C 再与接触后，B 的电荷量变为；此时，A、B 间的静电力变为： 。在此情况下，若再使 A、B 间距增大为原来的 2 倍，则它们之间的静电力变为。 4 答： 第四个点电荷受到其余三个点电荷的排斥力如图 1 6 所 示 。共 受 三 个 力 的 作 用 ， ， 由 于 ， 相互间距离分别为、 ，所以，。根据平行四 边形定则，合力沿对角线的连线向外，且大小是 。 由于对称性， 每个电荷受到其他三个电荷的静电力的合力的大小 都相等，且都沿对角线的连线向外。 5 答： 带电小球受重力、 静电斥力和线的拉力作用而平衡， 它的受力示意图见图 17。静电斥力 ，又， 所以， 第三节 1 答：A、B 两处电场强度之比为。A、C 两处电场强度之比为。 第 2 页 共 9 页 2 答：电子所在处的电场强度为， 方向沿着半径指向外。电子受到的电场力为 ，方向沿着半径指向质子。 3 答：重力场的场强强度等于重力与质量的比值，即，单位是牛顿每千克，方向竖直 向下。 4 答：这种说法是错误的。例如，如图 19 所 示，有一带电粒子以平行于金属板的初速度射 入电场，它沿电场线的方向做匀加速运动，而 沿初速度方向做匀速运动， 它的运动轨迹是曲 线。 也就是说， 它的运动轨迹与电场线不重合。 5 （1）因为电场线的疏密程度反映电场强度的 强弱， 所以， B点的电场最强， C点的电场最 弱。 （2）A、B、C 三点的电场强度的方向如图 110 所示。 （3）负电荷在 A、B、C 三点时的受力方向如 图 110 所示。 6 答：小球受到重力、电场力 F，轻绳拉力的 作用而处于平衡状态，它的受力情况如图 1 11 所 示 。 由 图 可 知 ， 。 7 答：因为，所以，在左侧的轴上，产生的电 场的电场强度总是大于产生的电场的电场强度， 且方向总是指向轴负半轴， 在和 之间，电场强度总是指向轴的正方向。所以，只有在右侧的轴上，才有可 能出现电场强度为 0 的点。 （1）设该点距离原点的距离为，则，即，解得 （不合题意，舍去）和。所以，在处电场强度等于 0。 （2）在坐标轴上和的地方，电场强度的方向总是沿轴的正方向 的。 第四节 1 答：；。 2 答： （1），。因为。所以，可见 A 点电势比 B 点高。 （2），。因为。所以， 可见 D 点电势比 C 点高。 （3），可见，故 F 点的电势比E 点高。小结： （1）在电场中，同一正试探电荷的电势能越大的点，电势越高； 同一正试探电荷在电势越高的点，电势能越大。 （2）在电场中，同一负试探电荷的电势能越 大的点，电势越低；同一负试探电荷在电势越高的点，电势能越小。 （3）正的试探电荷电势 能为负值的点的电势小于负的试探电荷电势能为负值的点的电势。 3 答： （1）沿着电场线的方向，电势是逐渐降低的，所以 M 点的电势比 N 点高。 （2）先假设 正试探电荷从 M 点沿着与电场线始终垂直的路径移动到与 P 在同一条电场线上的，这 一过程静电力不做功。再把这一电荷从移动到 P 点，全过程静电力做正功。所以，从 M 移动到 P 静电力做正功，电势能减少，M 点电势比 P 点电势高。 4 答：因，故，可见重力势为。 5 答： 场源P 点电势在 P 点在 P 点当 P 点移至离场源电荷较近时 第 3 页 共 9 页 电荷 的正负 的电势能 的正负 的电势能 的正负 怎样变化怎样变化怎样变化 正正负升高变大变小 负负正降低变小变大 6 答：假设两个电势不同的等势面相交。因为空间任一点的电势只能有一个惟一的值，所以相 交徙的电势就一定相等，这两个等势面的值就不能不同，这与题设条件矛盾。所以，电场中 两个电势不同的等势面不能相交。 7 答：根据电场线与等势面一定垂直的结论，画出的电场线的大致分布如图 115 所示。 因 为， 取， 可 得 静 电 力 所 做 的 功 为 可见，静电力所做的功 第五节 1。静电力做负功，电势能增加 2 答：一个电子电荷量，电子增加的动能等于静电力做的功，因为 ，所以。 3 答：因为电场线总是电势高的等势面指向电势低的等势低的等势面，所以，由课本图 1.52 可知： （1）B 点的电势高于 A 点的电势，把负电荷从 A 移到 B 静电力做正功，电势能减少， 负电荷在 A 点的电势能较大。 （2）负电荷从 B移动到 A 时，静电力做负功。 （3）， 第 6 节电势差与电场强度的关系 1 答：两板间的电场强度。尘埃受到的静电力 。静电力对尘埃做功 2 答： （1）看 电场线 方向知 ，D 点 电势比C 点 电势高 ， （2）B 板接地时， ， 。A板接地时， ，可见，不管哪 一板接地，都是。（3）， 如果电子先移到 E 点再移到 D 点，静电力做的功不会改变。这是因为静电力做功与路径无 关，只与初末位置有关。 3 答：空气击穿时的电势差。雷击就是一种空气被击穿的 现象。 4 答：小山坡 b 比 a 地势更陡些，小石头沿 b 边滚下加速度更大些。b 边电势降落比 a 边降落 得快，b 边的电场强度比 a 边强。可见，电势降落得快的地方是电场强度强的地方。 第 7 节静电现象的应用 1 （1）金属球内的自由电子受到点电荷的吸引，所以在靠近的一侧带负电，在离 远的一侧带正电。 （2）在静电平衡状态下，金属球的内部电场强度处处为 0，就是说感应电 荷产生的电场强度与产生的电场强度等大反向。在球心处产生的电场强度为 ，所以金属球上感应电荷产生的电场强度大小为，方向指向。 （3）如果用导线的一端接触球的左侧，另一端接触球的右侧，导线不可能把球两侧的电荷 中和， 因为金属球是个等势体， 导线连接的是电势相等的两个点， 电荷在这两点间不会移动， 就像用水管连接高度相等的两个装水容器，水不会在水管内流动一样。 2 答： 第 4 页 共 9 页 3 答：点火器的放电电极做成针状是利用尖端放电现象，使在电压不高的情况下也容易点火。 验电器的金属杆上固定一个金属球是防止出现尖端放电现象， 使验电器在电压较高时也不会 放电（漏电） 4 答： 因为超高压输电线周围存在很强的电场， 带电作业的工人直接进入这样的强电场就会有 生命危险。如果工人穿上包含金属丝的织物制成的工作服，这身工作服就像一个金属网罩， 可以起到静电屏蔽的作用， 使高压电线周围的电场被工作服屏蔽起来， 工人就可以安全作业 了。 第 8 节电容器的电容 1 （1）把两极板间距离减小，电容增大，电荷量不变，电压变小，静电计指针偏角变小。 （2） 把两极间相对面积减小，电容减小，电荷量不变，电压变大，静电计指针偏角变大。 （3）在 两极板间插入相对介电常数较大的电介质，电容增大，电荷量不变，电压变小，静电计指针 偏角变小。 2 答：由得此 面积约为窗户面积的 10 倍 3 答： （1）保持与电池连接，则两极间电压不变， 两极板间距离减半则电容加倍，。极板上电荷量增加了 （2）移去电池后电容器所带电荷量不变，两极板距离 减半后，即两极板间电势差减小了 4.5V。 4 答：设电容器所带电荷量为，因，并且，所以， 。又因为，所以。可见，电场强度与两极间距离无关， 只与电容器所带电荷量和极板面积有关。 第 9 节带电粒子在电场中的运动 1 答：解法一：；解法二：， ； 解 法 三 ：， ，可见，第一种方法最简单。 2 答：如果电子的动能减少到等于 0 的时候，电子恰好没有到达 N 极，则电流表中就没有电 流 。 由 动 能 定 理，得 ：。 。 3 答：设加速电压为，偏转电压为，带电粒子的电荷量为，质量为，垂直进入偏转 电场的速度为，偏转电场两极间距离为，极板长为 ，则：带电粒子在加速电场中获得 初动能，粒子在偏转电场中的加速度，在偏转电场中运动的时间为 ，粒子离开偏转电场时沿静电力方向的速度，粒子离开偏转电场时 速度方向的偏转角的正切。 （1）若电子与氢核的初速度相同，则 。 （3）若电子与氢核的初动能相同，则。 4 答：设加速电压为，偏转电压为，带电粒子的电荷量为，质量为，垂直进入偏转 电场的速度为，偏转电场两极距离为，极板长为 ，则：粒子的初动能， 粒子在偏转电场中的加速度，在偏转电场中运动的时间为，粒子离开偏转电 场时沿静电力方向的速度，粒子离开偏转电场时速度方向的偏转角的正切 ，由于各种粒子的初动能相同，即，所以各种粒子的偏转 方向相同； 粒子在静电力方向的偏转距离为，可见各种粒子的 偏转距离也相同，所以这些粒子不会分成三束。 第 5 页 共 9 页 5 答：电子的初动能，垂直进入匀强电场后加速度，在偏转电场中运动 的时间为，电子离开偏转电场时沿静电力方向的速度，电子离开偏 转电场时速度方向的偏转角的正切 ，。 第二章恒定电流 第一节电源和电流 1 答： 如果用导线把两个带异号电荷的导体相连， 导线中的自由电子会在静电力的作用下定向 移动，使带负电荷的导体失去电子，带正电荷的导体得到电子这样会使得两导体周围的电 场迅速减弱，它们之间的电势差很快消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡因此， 导线中的电流是瞬时的 如果用导线把电池的正负极相连， 由于电池能源断地把经过导线流 到正极的电子取走，补充给负极，使电池两极之间始终保持一定数量的正、负电荷，两极周 围的空间（包括导线之中）始终存在一定的电场导线中的自由电子就能不断地在静电力的 作用下定向移动，形成持续的电流说明：由于电池的内阻很小，如果直接用导线把电池的 正负极相连，会烧坏电池，所以实际操作中决不允许这么做这里只是让明白电池的作用而 出此题 2 答： 3 答：在电子轨道的某位置上考察，电子绕原子核运动的一个周期内有一个电子通过电子运 动周期，等效电流 （说明：我们可以假想在电子轨道的某 处进行考察， 在安全装置示断有电子从同一位置通过 还可以结合圆周运动和静电力的知识， 根据电子与原子核之间的静电力提供向心力，进一步求得电子绕核运动的速度、周期 ） 第 2 节电动势 1 答：电源电动势相同，内阻不同 （说明：解决本题要理解电池电动势大小与电池正负极材 料和电解的化学性质有关也就是说，与非静电力性质有关两种电池尽管体积大小不同， 但电池内的材料相同，非静电力性质相同，所以，电动势相同而内阻就是电源内部物质对 电流的阻碍，和其他导体的电阻一样与导体的形状、体积都有关系 2 答：10s 内通过电源的电荷量 （说明：化学能转化为电能的数值 就是把这些电荷从低电势能的极板移送到高电抛能极板的过程中，非静电力做的功 ） 3 答：乘积的单位是瓦特因为，所以表示非静电力做功的功率， 也是电源将其他能转化为电能的电功率如果，则，表示每秒 有 6J 其他形式的能转化为电能 （说明：本题也可以从量纲的角度来考虑，要求学生从物理 量的复合单位的物理意义入手进行思考 ） 第 3 节欧姆定律 1 答：因，所以，因此不能用这个电流 表来测量通过这个电阻的电流 （说明：也可以先求通过的电流为 10mA 时，电阻两端的电 压值（40V） ，再将所得的电压值与 50V 比较，从而做判断 2 答：说明：用直线将图中的 4 个点与坐标原点连接起来，得到 4 个电 阻的伏安特性曲线在同一条直线上的不同点，代表的电压、电流不同，但它们的比值就是 对应电阻的阻值、在同一条直线上，因此电阻相同在其中三条直线上取一个相同的 电压值，可以发现的电流最小，因此电阻最大，的电流最大，因此电阻最小也可以根 据直线的斜率判断电阻的大小 3 答：如图 24 所示 4 答：如图 25 所示 （说明：可以根据电阻求出 3V、4V和 5V 时的电流，在坐标系中描点， 画出图象由于点太少，图象所给出的只是一个粗略估测的结果 5 证明： 第 4 节串联电路和并联电路 1 答： （1）因为与串联，设通过它们的电流为，可知，所 以电压之比与电阻之比相等 （2）设负载电阻为，变阻器下部分电阻为， 电 路结构为与并联后， 再与串联，由 串、并联电 路的特点 可得 当时 ，当时，所以可以取 0 至的任意值说明：可以引导学生 对变阻器滑动触头分别滑到变阻器两端， 进行定性分析 还可以将变阻器的这种分压连接与 第 6 页 共 9 页 限流连接进行比较， 分析它们改变电压的作用和通过它们的电流情况， 进一步提高学生的分 析能力 2 答：甲图中，电流表测到的电流实际上是电压表和电阻并联部分的总电流，所以电阻的测量 值为电压表和电阻并联部分的总电阻， 即， 乙图中， 电压表和电流表的内阻的影响，两种测量电路都存在系统误差，甲图中测量值小于真实值， 乙图中测量值大于真实值，但两种电路误差的大小是不一样的在这里，教科书把电压表的 内接和外接问题作为欧姆定律在新情境下的一个应用， 没有作为一个知识点， 因此教学的着 眼点应该放在基本规律的练习 3 答：可能发生产生这种现象的原因是电压表内阻的影响当电压表并联在两端时，电 压表和的并联电阻小于，测得的电压小于、直接串联时分得的电压同样， 当电压表和并联时，测得的电压小于、直接串联时分得的电压所以两次读数 之和小于总电压 4 答：当使用、两个端点时，接 10V 电压，电流表满偏，即电流为满偏电流 ， 解 得 当 使 用、两 端 点 时 ， ,解得。 5 答 ： 当 使 用、两 个 端 点 时 ，与 电 流 表 串 联 后 再 与并 联 ， 可 得 ；当使用、 两端点时，与串联后再与电流表并联，可得 ，联立解得，。说明：本题的困难在于， 不容易理解使用、两个端点时，与电流表串联再与并联后也是电流表，能够测量 电流。 第 5 节焦耳定律 1 答：设电阻消耗的电功率为，电阻消耗的电功率为，（1）串联电路中各处电 流相等，设电流为，则电功率：， 此式说明串联电路中各电阻消耗的电功率与其电阻成正比。 （2）并 联电路中各电阻两端的电压相等，设电压为，则有， ，得证。 （3）因为串联电路总电压等于各部分电压之和，即 ，所以串联电路消耗的总功率， 得证。 （4）因为并联电路总电流等于各支路电流之和，即，所以并联电路消 耗的总功率，得证。 2答： （1）接通 S 时，直接接在电源两端，电路消耗的电功率为。当 S 断开时， 、串联后接到电源上，电路消耗的电功率为。因为，所以 S 接通 时 ， 电 饭 锅 处 于 加 热 状 态 ， S 断 开 时 ， 电 饭 锅 处 于 保 温 状 态 。 （ 2） 加 热 时 ，要使，必有。 3 答：根据灯泡的规格可以知道。电路可以看成是由、并联部分和 三部分串联而成。由于电流相同，且并联部分的总电阻小于其中最小的电阻，所以 。对于并联部分，由于电压相等，的电阻小，因此。所以 。 4 答： （1）当只有电炉 A 时，。所以， ；（3） 当再并联电炉B时， 总电流。 电炉上的电压为。每个电炉上消耗的电功率为 第 7 页 共 9 页 。 5 答：电热（消耗的电能）为。水升温吸收的热量为 。效率为 第 6 节电阻定律 1 答：小灯泡的电阻为。若铜丝，横截面直径为，则铜丝 的电阻为。可见，比小得多， 故可以不计导线电阻。 2 答：导线的电阻为。空调正常工作时，电 流为。 3 答：盐水柱的体积不变，故横截面积变为原来的，因此，所以 4 答：（1）并联时，； （2）串联时， 第 7 节闭合电路的欧姆定律 1 答 ： 根 据 闭 合 电 路 的 欧 姆 定 律 ， 可 得； ，联立解得：，。 2 答：每节干电池的电动势为 1.5V，两节干电池的电动势为 3.0V。设每节干电池的内阻为， 两节干电池的总内阻为。由题意得：又因为 ，所以 3 答：不接负载时的电压即为电动势，因此，短路时外电阻。根据闭合电 路的欧姆定律：。 4 答： 当外电阻为时， 电流。 再由闭合电路的欧姆定律：， 可得。当在外电路并联一个的电阻时，电路总电流为 。路端电压为。当处电路串联一个 的电阻时，。电路电流为。路端电压为 。 5 答：用电器的电阻为，通过用电器的电流。 设至少需要节电池， 串联的分压电阻为， 由闭合电路欧姆定律得， 解得。因为要取整数，所以当，有最小值为 5。 第 8 节多用电表 1 答： 所选择的挡位ab 直流电压 2.5V0.57V2.00V 直流电流 100mA22.8mA80.0mA 电阻50032 2 答：D、B、E 3 答： （1）红表笔（2）红笔表（3）黑表笔 4 答：黑箱内部有电阻和二极管，它们的连接情况如图所示 第 9 节实验：测电源电池的电动势和内阻 第 8 页 共 9 页 1 答：该实验方案的主要缺点是，将路端电压和电流分两次测量由于电表内阻的影响，两次 测量时电路并不处于同一状态，也就是说，测量的电流值，已不是测电压时电路中的电流值 了另外，在测量中需要不断改变电路，操作也不方便 2 答：因蓄电池的电动势为，故电压表量程应选 3V 挡若定值值电阻取 10，则电路中 电流最大不超过 0.2A，电流值不到电流表小量程的，不利于精确读数，故定值电阻只能 取 1若电流表量程选 3A，为了便于读数（应使指针半偏及以上） ，电流需在 1.5A 以上 这样，电路的总电阻在 1.33以下，变化范围太小，不利于滑动变阻器操作，所以电流表 量程应选 0.6A当滑动变阻器的阻值大于 10时，电流小于 0.2A，电流表示较小，不利于 精确读数，所以滑动变阻器的阻值只用到 10以内的部分如果用 200的变阻器，大于 10的部分几乎无用所以变阻器选 E （说明：选取实验器材，需要综合考虑，要从“安 全可行、测量精确、便于操作”三方面考虑 3 答：图象如图所示由图象可知：， 第 10 节简单的逻辑电路 1 答： （1）如图甲所示（2）如图乙所示 2 答：如图所示 （说明：解决这类问题，需要根据实际问题中的信息，抽象出逻辑关系后， 选择能实现该逻辑关系的电路必要时还应考虑简单逻辑电路的组合 3 答： （1）如图所示（2）应使 R 增大当天色还比较亮时，因光线照射，光敏电阻的阻值较 小，但不是很小，此时 R 的分压较低，从而会使非门输出一高电压而激发继电器工作，所 以应增大 R，使非门输入端电压升高，而输出一低电压，使继电器处于断开状态 第三章磁场 第 1 节磁现象和磁场 1 答：喇叭发声的机理：磁体产生的磁场对附近的通电线圈产生力的作用，从而使线圈振动， 带动喇叭的纸盒振动，发出声音耳机和电话的听筒能够发声也是这个道理 2 答：如果有铁质的物体（如小刀等）落入深水中无法取回时，可以用一根足够长的细绳拴一 磁体，放入水中将物体吸住，然后拉上来；如果有许多大头针（或小铁屑等）撒落在地上， 可以用一块磁铁迅速地将它们拾起来 3 答：磁的应用的分类： （1）利用磁体对铁、钴、镍的吸引力，如门吸、带磁性的螺丝刀、皮 带扣、女式的手提包扣、手机皮套扣等等 （2）利用磁体对通电导线的作用力，如喇叭、耳 机、电话、电动机等 （3）利用磁化现象记录信息，如磁卡、磁带、磁盘等等 第 2 节磁感应强度 1 这种说法不对磁场中的霜点的磁感应强度由磁场本身决定，与检验电流的大小、方向、通 电导线的长度、受到的安培力的大小均无关 （说明：单纯从数学出发而不考虑公式的物理 意义是学生的一种常见错误定义式是一个定义式，磁场中特定位置的比值不 变才反映了磁场本身的属性 2 由，可知 3 正确的是乙和丙图由定义式可知，当 L 一定时，是定值，所以两点的联线应通 过图的坐标原点 第 3 节几种常见的磁场 1 答：电流方向由上向下 2 答：小磁针 N 极的指向是垂直纸面向外，指向读者 3 答：通电螺线管内部的磁感应强度比管口外的大，可根据磁感一越密处，磁感应强度越大来 判断 4 答：； 第 4 节磁场对通电导线的作用力 1 答：如图所示 2 答： （1）通电导线的端和端受到的安培力分别垂直纸面向外和垂直纸面向内，所以导线 会按俯视逆时针方向转动当转过一个很小的角度后，在向右的磁场分量的作用下，通电导 线还会受到向下的安培力所以导线先转动，后边转动边下移 （2）图 3-5 所示的甲、乙、 丙、丁四个图分别表示虚线框内的磁场源是条形磁体、蹄形磁体、通电螺线管和直流电流及 其大致位置说明：虚线框内的磁场源还可以是通电的环形电流 3 答： （1）设电流方向未改变时，等臂天平的左盘内砝码质量为，右盘的质量为，则由 等 臂 天 平 的 平 衡 条 件 ， 有 ：电 流 方 向 改 变 后 ， 同 理 可 得 ： 第 9 页 共 9 页 ， 两 式 相 减， 得 （ 2） 将， 代入，得说明：把安培力的知识与天平结合，可以“称 出”磁感应强度，这是一个很有用的方法 4 答：弹簧上下振