高中物理校本教材

静电现象早期的研究与探索

人们对电现象的初步认识很早就有记载，早在公元前585年，古希腊哲学家塞利斯，已经发现了摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体.我国在东汉时期的王充在《论衡》一书中提到“顿牟掇芥”等问题，所谓顿牟就是琥珀，掇芥意即吸引籽菜，就是说摩擦琥珀能吸引轻小物体。西汉末年，有关于“玳瑁吸 （细小物体之意）的记载，以及“元始中（公元三年）??矛端生火”，即金属制的矛的尖端放电的记载。晋朝（公元三世纪）还有关于摩擦起电引起放电现象的记载：“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有声。 在对电现象的早期研究中，最早进行系统研究的首推英国医生威廉·吉尔伯特，他在文章中说：“随便用一种金属制成一个指示器??在这个指示器的另一端，移近一个轻轻摩擦过的琥珀或者是光滑的磨擦过的宝石这指示器就会立即转动”，他通过大量的实验驳斥了许多关于电的迷信说法，并且发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且其它物质象金刚石、水晶、硫磺、硬树脂、明矾等也有这种性质，他把这种性质称为电性。1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机，他用硫磺制成形如地球仪的可转动物体，用干燥的手掌擦着干燥的球体使之停止可获得电，盖利克的摩擦起电机经过不断改进，在静电实验中起着非常重要的作用。

１８世纪中叶，电学实验逐渐普及，在法国和荷兰有不少人公开表演认为娱乐。1731年，英国牧师格雷从实验中发现，由摩擦产生的电在玻璃和丝绸这类物体上可以保持下来而不流动，而有的物体如金属，它们不能由摩擦而产生电，但却可以用金属丝把房里摩擦产生的电引出来绕花园一周，在末端仍具有对轻小物体的吸引作用，他第一次分清了导体和绝缘体，并认为电是一种流体。电既是一种流体，而流体比如水是可以用容器来蓄存的，1745年，德国牧师克茉斯脱，试用一根钉子把电引到瓶子里去，当他一手握瓶，一手摸钉子时，受到了明显的电击。1746年，荷兰莱顿城莱顿大学的教授彼得.冯.慕欣布罗克无意中发现了同样的现象，用他自己的话说：“手臂和身体产生了一种无形的恐怖感觉，总之，我认为自己的命没了”。就这样穆欣布罗克公布了自己意外的发现：把带电的物体放进玻璃瓶里，就可以把电保存起来。 穆欣布罗克 的发现，使电学史上第一个保存电荷的容器诞生了。它是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，由于它是在莱顿城发明的。所以叫做莱顿瓶，这就是最初的电容器莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。其中最壮观的是法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前所作的表演，诺莱特邀请了路易十五的皇室成员临场观看莱顿瓶的表演，他让七百名修道士手拉手排成一行，队伍全长达900英尺（约275米）。然后，诺莱特让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握瓶的引线，一瞬间，七百名修道士，因受电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之口瞪目呆，诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。 莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。

1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明.富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直导致了1752年富兰克林著名 的费城实验。 他用风筝将“天电”引了下来，把天电收集到莱顿瓶中，从而弄明白了“天电”和“地电”原来是一回事。 十八世纪后期，贝内特发明验电器，这种仪器一直沿用到现在，它可以近似地测量一个物体上所带的电量。另外，1785年，库仑发明扭秤，用它来测量静电力， 推导出库仑定律， 并将这一定律推广到磁力测量上 。 科学家使用了验电器 和扭秤后 ，使静电现象的研究工作从定性走上了定量的道路。

静电的利弊

我们知道，摩擦可以起电，摩擦后的正负电荷是被束缚在带电体上的，它不能象电线中的电荷那样定向移动。所以，人们称之为静电荷，简称静电。

静电的危害很多，它的第一种危害来源于带电体的互相作用。在飞机机体与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电，如果不采取措施，将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作，使飞机变成聋子和瞎子；在印刷厂里，纸页之间的静电，会使纸页粘合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦；在制药厂里，由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度；在放电视时荧光屏表面的静电容易吸附灰尘和油污，形成一层尘埃的薄膜，使图像的清晰程度和亮度降低；就连混纺衣服上常见而又不易拍掉的灰尘，也是静电捣的鬼。静电的第二大危害，是有可能因静电火花点燃某些易燃物体而发生爆炸。漆黑的夜晚，我们脱尼龙，毛料衣服时，会发出火花和“叭叭”的响声，这对人体基本无害。但在手术台上，静电火花会引起麻醉剂的爆炸，伤害医生和病人；在煤矿，则会引起瓦斯爆炸，导致工人死伤，矿井报废。谁能断言1997年12月29日挪威油轮“伊斯特拉”号突然爆炸不是静电闯的祸?谁能肯定1990年 震惊全国的哈尔滨亚麻厂车间爆炸不是静电火花引起的?

总之，静电危害起因于静电力和静电火花，静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸。人们常说，防患于未燃，防止产生静电的措施一般都是降低流速和流量，改造起电强烈的工艺环节，采用起电较少的设备材料等。最简单又最可靠的办法是用导线把设备接地，这样可以把电荷引入大地，避免静电积累。细心的乘客大概会发现，在飞机的两侧翼尖及飞机的尾部都装有放电刷，飞机着陆时，为了防止乘客下飞机时被电击，飞机起落架上大都使用特制的接地轮胎或接地线，以泄放掉飞机在空中所产生的静电荷。我们还经常看到油罐车的尾部拖一条铁链，这就是车的接地线。适当增加工作环境的湿度，让电荷随时放出，也可以有效地消除静电。潮湿的天气里不容易做好静电试验，就是这个道理。科研人员研究的抗静电剂，则能很好地消除绝缘体内部的静电。

然而，作何事物都有两面性。对于静电，只要摸透了它的脾气，扬长避短，也能让它为人类服务。比如，静电印花、静电喷涂、静电植绒、静电除尘和静电分选技术等，已在工业生产和生活中得到广泛应用。静电也开始在淡化海水，喷洒农药、人工降雨、低温冷冻等许多方面大显身手，甚至在宇宙飞船上也安装有静电加料器等静电装置。

放电现象

带电物体失去电荷的现象叫做放电. 常见的放电现象有以下几种: 1. 接地放电

地球是良好的导体, 由于它特别大, 所以能够接受大量电荷而不明显地改变地球的电

势，这就如同从海洋中抽水或向海洋中放水, 并不能明显改变海平面的高度一样. 如果用导线将带电导体与地球相连, 电荷将从带电体流向地球, 直到导体带电特别少, 可以认为它不再带电。(如果导体带正电，实际上是自由电子从大地流向导体。这等效于正电荷从导体流向大地。)

生产中和生活实际中往往要避免电荷的积累, 这时接地是一项有效措施.

2. 尖端放电

通常情况下空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空气电离后产生的负电荷就是电子，失去电子的原子带正电，叫做正离子。

由于同种电荷相互排斥, 导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般说来分布是不均匀的(图2)，导体尖端的电荷特别密集, 所以尖端附近空气中的电场特别强, 使得空气中残存的少量离子加速运动。这些高速运动的离子撞击空气分子，使更多的分子电离。这时空气成为导体，于是产生了尖端放电现象。

尖端放电在技术上有重要意义. 高压输电导线和高压设备的金属元件，表面要很光滑, 为的是避免因尖端放电而损失电能或造成事故。 3. 火花放电

当高压带电体与导体靠得很近时, 强大的电场会使它们之间的空气瞬间电离，电荷通过电离的空气形成电流。 由于电流特别大, 产生大量的热, 使空气发声发光，产生电火花。 这种放电现象叫火花放电。

火花放电在生活中常会遇到。 干燥的冬天,身穿毛衣和化纤衣服,长时间走路之后,由于摩擦，身体上会积累静电荷。这时如果手指靠近金属物品, 你会感到手上有针刺般的疼痛感，这就是火花放电引起的。 如果事先拿一把钥匙, 让钥匙的尖端靠近其他金属体, 就会避免疼痛。在光线较暗的地方试一试，在钥匙尖端靠近金属体的时候, 不但会听到响声, 还会看到火花。

在一些工厂或实验室里, 存在大量易燃气体, 工作人员要穿一种特制的鞋, 这种鞋的导电性能很好，能够将电荷导入大地, 避免电荷在人体上的积累, 以免产生火花放电, 引起火灾。

4. 闪电

带电云层之间或带电云层和地面之间发生强烈放电时, 产生耀眼的闪光和巨响, 这就是闪电。 闪电的放电电流可以高达几十万安培, 会使建筑物遭受严重损坏， 这就是雷击。

为了避免雷击, 人们设计了避雷针。 避雷针是针状金属物, 装在建筑物的顶端, 用粗导线与埋在地下的金属板相连, 以保持与大地的良好接触(图3)。当带电云层接近时，大地中的异种电荷被吸引到避雷针的尖端，并由于尖端放电而释放到空气中，与云层中的电荷中和，达到避雷的目的。

闪电也有积极的意义。 闪电产生的高温使空气中的氮和氧化合, 随雨水降至地面形成硝酸盐。 这些硝酸盐是天然的氮肥。闪电过程中产生的臭氧，能保护地球上的生命免受过量紫外线伤害。

静电的应用

目前静电已经有多种应用，如静电除尘、静电喷涂、静电植绒、静电复印等．

以煤作燃料的工厂、电站，每天排出的烟气带走大量的煤粉，不仅浪费燃料，而且严重地污染环境。利用静电除尘可以消除烟气中的煤粉。(图1)是静电除尘器的原理示意图。除尘器由金属管A和悬在管中的金属丝B组成，A接到高压电源的正极，B接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距B越近，场强越大．B附近的空气分子被强电场电离，成为电子和正离子。正离子被吸到B上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极A运动的过程中，遇到烟气中的煤粉，使煤粉带负电，吸附到正极A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒，或者回收物资，如回收水泥粉尘。

设法使油漆微粒带电，油漆微粒在电场力的作用下向着作为电极的工件运动，

并沉积在工件的表面，完成喷漆的工作。这就是静电喷涂。使绒毛带电，可以使绒毛植在涂有粘着剂的纺织物上，形成像刺绣似的纺织品。这就是静电植绒。

静电复印可以迅速、方便地把图书、资料、文件复印下来。静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝质圆柱体，表面镀一层半导体硒，叫做硒鼓。半导体硒有特殊的光电性质：没有光照射时是很好的绝缘体，能保持电荷；受到光的照射立即变成导体，将所带的电荷导走。

复印每一页材料都要经过充电、曝光、显影、转印等几个步骤。这几个步骤是在硒鼓转动一周的过程中依次完成的。充电: 由电源使硒鼓表面带正电荷。曝光: 利用光学系统将原稿上的字迹的像成在硒鼓上（图2）。硒鼓上字迹的像，是没有光照射的地方，保持着正电荷。其他地方受到了光线的照射，正电荷被导走。这样，在硒鼓上留下了字迹的“静电潜像”。这个像我们看不到，所以称为潜像。显影: 带负电的墨粉被带正电的“静电潜像”吸引，并吸附在“静电潜像”上（图3），显出墨粉组成的字迹。 转印:

带正电的转印电极（图4） 使输纸机构送来的白纸带正电。带正电的白纸与硒鼓表面墨粉组成的字迹接触，将带负电的墨粉吸到白纸上。

此后，吸附了墨粉的纸送入定影区，墨粉在高温下熔化，浸入纸中，形成牢固的字迹．硒鼓则经过清除表面残留的墨粉和电荷，准备复印下一页材料。(图5 )表示复印的全过程。

影子告诉我们什么

在阳光下或灯下，按照图中的方法，用两只手做出各种姿态，你会看

到，墙上映出了狗、鸭、飞鸟等等的生动形象。

请你想一想：为什么影子和物体的形状总是相似的？

影子还可以告诉我们一些什么呢？

当我们在阳光下奔跑的时候，我们的影子总是紧紧地跟着我们；汽车无论跑得多么快，它的影子也总是紧跟着它，真是形影不离。

这个简单的现象告诉我们：光的传播速度一定比人和汽车的速度快

得多。假如光跑得慢，那么，光从人的头部跑到地面的时候，人又向前跑了一段距离，头部

的影子就会落后一大段。事实当然不是这样的。

闪电打雷的时候，你总是先看见闪电，后听见雷声。这证明，光的传播速度比声音的传播速度也快得多。

光的传播速度有多快呢？用普通的方法是很难测得出来的。经过科

学家的多次测定，光每秒钟大约跑三十万公里（更准确地说，光在真空里的速度是每秒钟299792.46公里）。也就是说，只要一秒钟，光就可以在北京和上海之间跑一百多个来回。光速差不多是声音在空气中传播速度的九十万倍。光在宇宙万物的运动会上，称得上是赛跑冠军。

光有着直线前进的性格，又有着轻盈敏捷的脚步。对这个不知疲倦的“赛跑冠军”，有的人却抱怨起来，他们说：“光跑得大慢，简直象爬行。”这是为什么呢？

当人类开始向宇宙空间进军的时候，人们深深感到宇宙实在太大了。除了太阳以外，距我们最近的恒星是半人马星座中的α星（又叫比邻星）。它发出的光要经过4.3年才能到达地球。现代的天文望远镜看到的遥远恒星，它的光要经过几十亿年才能到达地球。换句话说，

我们看到的光线是它在几十亿年以前发出来的，至于现在这个恒星的面孔如何，要再等几十亿年以后才能看见。这多么让人着急啊！难怪一些科学家说：“光象蜗牛一样在宇宙中爬行。”

可是，到目前为止，人们还没有发现比光运动得更快的东西。

水中的蜡烛

在桌子上放两摞书，象图中那样把一块玻璃直立在桌子上。在玻璃的前方放一支蜡烛（为了便于移动它，你可以把蜡烛尾部烧熔；然后把蜡烛粘在一个旧瓶盖里）。

在玻璃的后面，放一只盛水的大玻璃杯。玻璃杯和玻璃之间的距离，

要和蜡烛到玻璃之间的距离完全相等。

拉上窗帘，使屋子变暗，从蜡烛这边向玻璃望去，就会看到一个奇怪的现象——蜡烛正在水中燃

玻璃象镜子一样，把蜡烛发出的一部分光，从它的表面反射进你

的眼里。但是人们的眼睛有一种习惯，总是沿着直线去摸索那个发光的物体。所以，我们感到蜡烛的光是从玻璃的背后发来的，好象在那儿也有一支蜡烛（我们把它叫做蜡烛的虚像）。蜡烛的虚像和玻璃背后的水杯正好重合在一起，所以看起来就象蜡烛在水中燃烧。

这个实验告诉我们，镜子前面的物体，能在镜子里形成一个虚像；物体和镜子的距离，跟虚像和镜子的距离相等。

把这个实验稍微改动一下，准会使你的同学目瞪口呆，惊奇不已。

把上面实验中的水杯拿开，把你的手指放在原来水杯所在的位置上，你的同学会看到一个很难相信的现象——你居然毫不在乎地把手指放在火焰里燃烧。

下面再做一个实验，证明镜子中的虚像和实物的大小是相等的。

还是用那块玻璃，取两支大小一样的蜡烛，把一支点着以后，放在玻璃前面，再在玻璃后面放上另一支没有点着的蜡烛，慢慢地移动它，使得隔着玻璃从各个角度看去，它正好跟点燃了的蜡烛的虚像重合在一起。这时候一个有趣的现象发生了，那支蜡烛就象被点着了一样。

为什么从早到晚我们看见的太阳不一样？

你可以做这样一个试验：把一个硬币放在碗里，人慢

慢地往后退，直到碗里的硬币看不见时就停下来，记下这个地方。然后向碗里加一点水，硬币的位置不要移动，你再走到刚刚这个地方，这时候，碗里的硬币又能看见了。 为什么原来看不见硬币，加了水以后，就能看见呢？

物理学告诉我们：光线在同一密度的介质中，是直线

进行的；如果光线在所经过的路径上，遇到两种不同密度的介质，光线就会转个弯前进。

水和空气是不同密度的介质。当碗里没有水，光线是直线进行的，这时由硬币反射的光线被碗壁挡住，不能达到我们的眼里，我们就看不见硬币。当碗里加了水以后，由硬币反射出来的光线，先由直线达到水面，然后在水面处发生折射，达到人的眼睛里。这样,从太阳到地球的平均距离，是14960万公里。地球外面虽然包了一层很厚的大气，可是从太阳到地球之间，有一段很长的离是没有大气的。当阳光射到大气圈的表面时，光就发生折射。由于大气层上下的密度不同，愈近地面，就折射得愈厉害。这样，阳光在地球大气层里就沿着一条弯曲的道路前进。当太阳还没有升出地平线时，如果没有大气层的折射，阳光将按图中直线1的方向传播，而被地面挡住就像碗壁挡住硬币一样，人就不能看见太阳。事实上，阳光在大气层外是直线方向传播的，进入大气层以后，由于大气对光的折射，就按曲线2传播，那时虽然太阳还“躲”在地平线下面，阳光却先到达了地面，人们就能见到太阳。由于人们在感觉上总以为光线是从前面一直来的，因而认为太阳在直线3的方向。所以说，太阳还没升出地平线，我们就可以看见太阳了。

此外，每一个仔细观看落日的人，都有这样一种经验：太阳下山的时候，不但看起来又红又大，而且形状也变成了扁圆的，不像白天那样是正圆的。

测量的结果，发现落山时太阳在垂直方向的直径，比水平方向、的直径缩短了大约五分之一。这是什么原因呢？

原来这也是大气折射玩的花样。有趣的是，大气折射的影响对于太阳的上缘和下缘是不相同的。太阳的下缘比上缘更接近地平线,因而受到的影响也更大，下缘比上缘抬高得更加显著，这就使垂直方向的太阳直径缩短了。

天文学家经过长期的精密观测，发现大气折射使太阳下缘抬高了35分（角度），而上缘则只抬高29分，相差6分。太阳的角直径平均是32分。所以这时太阳的垂直直径比水平直径缩短了大约五分之一，看起来整个太阳就变成扁圆的了。

当太阳已经下山后，天空还很亮，这是由于大气中的一些微粒把阳光散射进来的缘故，而当太阳进入地平线下面，阳光就射到越高的天空，由于越是高空，微粒越少，被散射的光线就渐渐减弱，于是天色就慢慢暗下来了。

过山车中的物理学

过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了，当然，如果你的身体条件和心理承受能力的限制，无法亲身体验过山车带来的种种感受，你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。 在开始旅行时，过山车的小列车是靠一个机械装置的推力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿着轨道行驶的惟一的\发动机\将是引力势能，即由引力势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。

第一种能，即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也就是当它爬升到\山丘\的顶峰时最大。当过山车开始下降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能，也就是运动能。不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动能和势能）。这就是为什么要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低的原因：过山车已经没有上升到像前一个小山丘那样的高度所需要的机械能了。过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实上，下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。这样，乘坐在最后一节车厢的人就能快速地达到和跨越最高点，从而产生一种要被抛离的感觉，因为质量中心正在加速向下。尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨甩出去。车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要“等待”质量中心越过高点被引力推动。

到达“疯狂之圈”时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时，乘客就会有一种被挤压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种表观的离心力。事实上，在环形轨道上由于铁

轨与过山车相互作用产生了的一种向心力。这种环形轨道是略带椭圆形的，目的是为了“平衡”引力的制动效应。当过山车达到圆形轨道的最高点时，事实上它会慢下来，但如果弯曲的程度较小时，这种现象会减弱。一旦过山车走完了它的行程，机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是由气缸来控制的。

干擦摩擦与湿摩擦

把一个小木块放进盛了水的脸盆里，那木块便浮在水面上了。向它吹上一口气，看！木块被你吹跑了。再把这个木块放到桌面上，你吹吧，怎么吹也不动弹。就是再垫上几支铅笔，把它和桌面的摩擦改为滚动摩擦，你也很难用一口气吹走它。 为什么木块放在水里便容易吹跑？这是因为木块和水之间的摩擦，属于固体和液体之间的摩擦（人们管这种摩擦叫湿摩擦，湿摩擦还包括固体和气体之间的摩擦），而木块和桌面之间的摩擦，是固体和固体之间的摩擦，统称为干摩擦。

上边的实验说明，对同一个物体来说，湿摩擦力小于干摩擦力。

在固体之间涂上一层润滑油，就把干摩擦改变成了半湿摩擦，使摩擦力大大减小。 穿着冰鞋在冰面上溜冰，脚下的摩擦力会变得很小，那是因为冰刀压在冰面上的时候，会使冰面上少量的冰在瞬间化成水，把冰刀和冰之间的干摩擦变成了半湿摩擦。你如果穿上冰鞋在水磨石地面上溜滑，即使地面象冰那样平坦、光滑，但是由于干摩擦总也变不成半湿摩擦，冰刀依然滑动不起来。

失重现象四则

失重现象”是高中《物理》（试验修订本·必修）第一册第三章的内容。介绍几个自制的演示失重现象的小实验，以飨读者。  一、链条失重现象

自制一木架，在木架上端悬挂一根细链条，使链条的一端A固定在木

架横梁上，另一端B用细线系在链条A端的一个环上（为使现象明显可使链条长一些，在B端挂一个钩码）.此装置放在带有托盘的台秤上，如图所示，装置静止时观察台秤指针所指的示数.点燃火柴烧断系住链条B端的细线，这时引导学生观察台秤示数的变化，可观察到台秤示数变小.这说明链条下落时发生了失重现象.但当这一半链条下落到被上一半链条拉住静止时，台秤又恢复到原来的示数。

二、压力消失现象

在一个平底吊盘上放一个重物m，把一张薄纸条A的一端压在重物m

和吊盘之间，如图所示，纸条尽量窄且不很结实。当抽动一端时，纸条轻易地被拉断.实验时，一只手把纸条的另一端固定，另一只手提着盘的吊线B（也可以请学生上讲台来帮助教师完成此实验）。先用手提着盘和重物慢慢下降，则纸条先被拉紧，接着就断裂了。这是因为纸条被重物压着的一端存在静摩擦力的作用。第二次换一张同样的纸条，把纸条的一端压在重物和盘之间，另一端固定，但是提吊线B的手突然放开，使盘和重物同时自由下落，可以看到纸条不但没有被拉断而且完好如初。这是因为自由下落过程中重物完全失重，不受盘的支持力，其反重物对盘的压力也就消失了，使静摩擦力不复存在。因此，可以从容地拉出纸条。

三、喷泉失射现象

取一只旧塑料瓶（如可乐瓶），在瓶的一端侧壁上钻几个小孔，用手指堵住小孔，向瓶中装满水（向水中滴几滴红墨水，便于看得更清楚），松开手指，则水就会喷射出来。这是水的重量产生的压强对瓶壁的作用。如果松开了拿瓶的手，让瓶自由下落，这时可以看到水立即停止喷出。这是因为正在自由下落的水处于完全失重状态，水层之间不再存在压力，故水不会从孔中流出。

四、斜面上下滑小车失重现象

用薄三合板自制一个斜面（稍长些），把一小车通过细线固定在斜面的上端，如图所示。此装置放在带有托盘的台秤上（固定好），待装置静止时观察台秤指针所指的示数。点燃火柴烧断系住小车的细线，小车将沿斜面加速下滑，这时可观察到台秤示数变小。这说明小车加速下滑过程中发生了失重现象。

比萨悬案

这是一个“老掉牙”的故事，想必大家都听说过。16世纪末，意大利著名物理学家伽利略，在比萨斜塔上做了一次公开实验：他的两只手中，拿着两个不同重量的铁球，一个十磅重，一个一磅重，两个铁球同时脱手，而且同时着地。这个实验结果，推翻了亚里士多德保持了两千多年的理论，因而在近代物理学史上传为佳话。

可是问题并没有就此完结。现代物理学的理论可以证实，真空中两个不同重量的铁球，从相同的高度同时下落，一定会同时着地的。但是两个不同材料构成的物体，比如一根羽毛和一个铁球，是不是也具备同样的性质呢？

我们知道，在生活中，羽毛的下落速度，明显比铁球慢得多。据说这也是当初亚里士多

德理论的来源之一。伽利略认为，这是由于羽毛的重量太轻，因此在下落的过程中，会受到较大的空气阻力。如果在真空中，羽毛和铁球从相同的高度同时下落，一定也会同时着地的。 由于实验条件的局限，伽利略没能在有生之年完成这个实验。随着科技的发展，人类在自然界中制造出了高真空，伽利略的遗愿终于可以实现了。在真空中，人们看到羽毛和铁球从相同的高度同时下落，果然是同时着地的。

本来，这个悬案应该到此为止了。可是进入20世纪以后，人们又发现了新的问题。1922年，匈牙利科学家富佛斯在一次真空实验中发现，不同重量、不同材料的物体，从相同的高度同时下落，并不是完全同时着地的，而是存在微小的时间差距。但是富佛斯的发现并没有引起当时物理界的关注。

富佛斯的发现被搁置了60多年。直到1986年，世界物理学界才开始认真研究富佛斯的真空下落实验，结果得到了令人更为吃惊的结论： 在真空中，羽毛竟然比铁球先着地！400年前伽利略的猜想，又被推翻了。

经过大量细致的研究，现代的物理学家们总结出了如下结论：正在下落的物体，不仅受到重力的作用，而且还有一个较小的“排斥力”在捣乱。这种“排斥力”的方向刚好与重力相反，因此影响了物体下落的速度。现代物理学中，把这种“排斥力”称为“超负载力”（也称为“超电荷力”）。由不同材料构成的物体，所受到的“超负载力”也不同。这就是“真空中羽毛比铁球下落快”的原因。 在“超负载力”被发现之前，人类所知道的“力”总共可以归结为四大类，即万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。而这种“超负载力”不能归于四类中的任何一类，只能独立成“第五种力”。

当然，这“第五种力”是不是存在，物理学界尚有争论，因为大量实验的结果并不是完全一致的。因此，人类对这种“超负载力”的认识，还处在初级阶段。亚里士多德和伽利略这两位伟人留给后人的悬案，何时能够完全了结呢？让我们拭目以待吧。

为什么永动机是不可能制成的

从远古时代起，人类为了维持生存，发明和制造了各种机械，如斜面、滑轮、杠杆等。后来，随着社会物质文明的进步，人类又制造了许多机器。利用机器，人类创造了丰富的物质财富和精神财富。但是，无论对机器作出怎样的改进，人们发现，任何机械或机器都必须有外力作用才能运行，这些外力包括人力、畜力、风力以及现代化生产中的电力、水力、化学力、核力等等。而且，利用任何机器都只可能减少力的强度，改变力的方向，而不能减少力的做的功，也就是说，要使机器干多少活，人们至少必须相应地供给机器多少能量，甚至更多的能量。一旦停止供应，任何一台机器就不可能一直运行下去。“既要马儿跑，又要马儿不吃草”的做法，这在实际生活中是做不到的。

历史上，有些人曾经设想制造出两种永动机。第一种永动机就是把机器完全与外界隔绝，依靠机器自身的能量周而复始地运行下去。然而，无论设计方案多么细致、周到，甚直是“煞费苦心”，在实际制作中都以失败而告终。其原因是，在没有任何外力的作用下，机器运行过程中的磨擦阻力是无论如何消除不了的，它们只会一点一点地消耗机器自身的能量，而使机器最终无法运行。自然界存在一条普遍的物理定律－－热力学第一定律，它是能量守恒定律在热学上的表现。它告诉人们：在没有任何外力供应能量的情况下，物体的能量既不能产生，也不会消失。在不可避免存在磨擦阻力时，机器的能量一时在对付摩擦阻力上

“弹尽粮绝”，就不可能再运行下去，永动机也就成了空想。

第二类永动机是指机器并不与外界完全隔绝，但只是单方面地从一个外界热源中吸取热量，而能周而复始地永动下去。这种机器也是不可能制造出来的。这是因为任何机器要维持运行必须与外界有两个通道交换热量。机器从一个通道中吸取能量，一部分用来完成人们需要它做的功，另一部分不可避免地从另外一个通道中散发开去。汽车的发动机就是一个典型的例子。没有汽油，汽车发动机“断了粮”，是不可能开动起来的，但是只有汽油，没有排出废气的通道，汽车也同样不可能永动下去的。物理学家通过大量实验总结出热力学第二定律，它告诉人们：能量的转化是有方向性的。人类不可能违背这个方向性去制造出永动机。在日常生活中，人们可以不停地搓手使手掌发热，这是功变热的过程。但是，汽车发动机从汽油中获得的热量却不会全部用于开动汽车，其中有一部分热量一定会“逃之夭夭”，这就表明热不可能全部转化为功，这就是热量与做功之间的单向性。还有，如果把一杯热水和一标冷水靠在一起，只允许它们互相传热，那么结果一定是热水降温，冷水升温，直至两杯水温度相等为止。谁也没有见过热水自动地从冷水中再获取热量继续升温，而冷水则再降温的现象。这就是热量传递的方向性。

总之，第一类永动机和第二类永动机都是不可能制成的，因为它们违背了已经被大量实验证明了的自然界能量变化的普遍定律。

失重和宇宙开发

人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机进入轨道后，其中的人和物将处于失重状态。人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器进入轨道后，可以认为是绕地球做圆周运动，做圆周运动的物体，速度的方向是时刻改变的，因而具有加速度，它的大小等于卫星所在高度处重力加速度的大小。这跟在以重力加速度下降的升降机中发生的情况类似，航天器中的人和物都处于完全失重状态。

你能够想象出完全失重的条件下会发生什么现象吗?你设想地球上一旦重力消失，会发生什么现象，在宇宙飞船中就会发生什么现象。物体将飘在空中，液滴绝对呈球形，气泡在液体中将不上浮。宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服，走路务必小心，稍有不慎，将会“上不着天，下不着地”。食物要做成块状或牙膏似的糊状，以免食物的碎渣“漂浮”在空中进入宇航员的眼睛、鼻孔??你还可以继续发挥你的想象力，举出更多的现象来。

你还可以再想一想，人类能够利用失重的条件做些什么吗?下面举几个事例，将会帮助你思考。这里所举的事例，虽然还没有完全实现，但科学家们正在努力探索，也许不久的将来就会实现。

在失重条件下，融化了的金属的液滴，形状绝对呈球形，冷却后可以成为理想的滚珠．而在地面上,用现代技术制成的滚珠，并不绝对呈球形，这是造成轴承磨损的重要原因之一。

玻璃纤维(一种很细的玻璃丝，直径为几十微米)是现代光纤通信的主要部件。在地面上，不可能制造很长的玻璃纤维，因为没等到液态的玻璃丝凝固，由于它受到重力，将被拉成小段。而在太空的轨道上，将可以制造出几百米长的玻璃纤维。

在太空的轨道上，可以制成一种新的泡沫材料棗泡沫金属。在失重条件下，在液态的金属中通以气体，气泡将不“上浮”，也不“下沉”，均匀地分布在液态金属中，凝固后就成为泡沫金属，这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢，用它做机翼，又轻又结实。

同样的道理，在失重条件下，混合物可以均匀地混合，由此可以制成地面上不能得到的

特种合金。

电子工业、化学工业、核工业等部门，对高纯度材料的需要不断增加，其纯度要求为“6个9”至“8个9”，即99．9999%～99．999999%．在地面上，冶炼金属需在容器内进行，总会有一些容器的微量元素掺入到被冶炼的金属中。而在太空中的“悬浮冶炼”，是在失重条件下进行的，不需要用容器，消除了容器对材料的污染，可获得纯度极高的产品。

在电子技术中所用的晶体，在地面上生长时，由于受重力影响，晶体的大小受到限制，而且要受到容器的污染，在失重条件下，晶体的生长是均匀的，生长出来的晶体也要大得多．在不久的将来，如能在太空建立起工厂，生产出砷化镓的纯晶体，它要比现有的硅晶体优越得多，将会引起电子技术的重大突破。

在太空失重的条件下，会生产出地面上难以生产的一系列产品．建立空间工厂，已经不再是幻想。科学家们要在太空中做各种实验，青年学生也可以提出自己的太空试验设想，展开你想象的翅膀，为宇宙开发贡献一份力量吧!

家庭节电小常识

照明节： 日光灯具有发光效率高、光线柔和、寿命长、耗电少的特点，一盏14瓦节能日光灯的亮度相当于75瓦白炽灯的亮度，所以用日光灯代替白炽灯可以使耗电量大大降低。在走廊和卫生间可以安装小功率的日光灯。看电视时，只开1瓦节电日光灯，既节约用电，收看效果又理想。还要做到人走灯灭，消灭“长明灯”。

电视机节电： 电视机的最亮状态比最暗状态多耗电50~60%；音量开得越大，耗电量也越大。所以看电视时，亮度和音量应调在人感觉最佳的状态，不要过亮，音量也不要太大。这样不仅能节电，而且有助于延长电视机的使用寿命。有些电视机只要插上电源插头，显像管就预热，耗电量为6~8瓦。所以电视机关上后，应把插头从电源插座上拔下来。 电冰箱节电：电冰箱应放置在阴凉通风处，决不能靠近热源，以保证散热片很好地散热。使用时，尽量减少开门次数和时间。电冰箱内的食物不要塞得太满，食物之间要留有空隙，以便冷气对流。准备食用的冷冻食物，要提前在冷藏室里慢慢融化，这样可以降低冷藏室温度，节省电能消耗。 洗衣机节电：洗衣机的耗电量取决于电动机的额定功率和使用时间的长短。电动机的功率是固定的，所以恰当地减少洗涤时间，就能节约用电。洗涤时间的长短，要根据衣物的种类和脏污程度来决定。一般洗涤丝绸等精细衣物的时间可短些，洗涤棉、麻等粗厚织物的时间可稍长些。如果用洗衣机漂洗，可以先把衣物上的肥皂水或洗衣粉泡沫拧干，再进行漂洗，既可以节约用电，也减少了漂清次数，达到节电的目的。

电风扇节电：一般扇叶大的电风扇，电功率就大，消耗的电能也多。同一台电风扇的最快档与最慢档的耗电量相差约40%，在快档上使用1小时的耗电量可在慢档上使用将近2小时。所以，常用慢速度，可减少电风扇的耗电量。

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