1 九年级下册 核心知识点与公式

适用教材：人民教育出版社《义务教育教科书·物理 九年级全一册》（2025秋版/根据《义务教育物理课程标准（2022年版）》修订）。

本文件定位为复习用手册，覆盖九年级下册第十九章至第二十二章（生活用电、电与磁、电磁波及其应用、能源与可持续发展）全部核心概念、规律与公式。每节只保留含义准确的核心概念、关键规律及成立条件、必会公式（含符号意义、单位和适用条件）以及关键易错点。重要实验仅以几句话概括"研究问题—关键控制变量—实验结论"。本册内容以定性为主，涉及的定量关系（如 $I=P/U$、$c=\lambda f$）均直接来自教材正文，故不再另设"定量拓展"章节。

1.1 目录

1.2 第十九章 生活用电

1.2.1 第1节 安全用电

我国家庭电路的电压是 $220\text{V}$。进户的两条输电线中，一条叫作相线（用 L 表示），俗称火线；另一条叫作中性线（用 N 表示），俗称零线。在家庭电路中，为了使各用电器能够独立工作、各自的通断不影响其他用电器，用电器采用并联的方式接入电路。

家庭电路中电流过大是引发危险的重要原因，主要有两种情况。第一是用电器总功率过大：由电功率与电流、电压的关系式 $P=UI$ 可得

家庭电路电压 $U=220\text{V}$ 一定，所以电路的总电功率 $P$ 越大，干路中的总电流 $I$ 就越大。即使每个用电器的功率不算很大，很多用电器同时使用时总功率也可能相当可观，使总电流超过供电线路允许的安全值，导致线路故障甚至引发火灾。第二是短路：改装电路时不小心使相线和中性线直接连通、电线绝缘皮破损或老化、用电器进水等都会造成短路。短路时电路中电阻很小，电流非常大，产生大量的热，使导线温度急剧升高，很容易造成火灾。

人体是导体。通常情况下，人的皮肤在干燥时电阻为 ${10}^3\sim {10}^5\mathrm{\Omega }$，潮湿时皮肤电阻会大幅降低。当人体成为闭合电路的一部分时就会有电流通过，电流达到一定值就会发生触电事故。研究表明，电对人体造成的伤害程度与通过人体电流的大小及持续时间有关。加在人体两端的电压越高，通过人体的电流就越大，到一定程度就会有危险。家庭电路电压 $220\text{V}$、工厂动力电路电压 $380\text{V}$、输电线路电压 $10\sim 1100\text{kV}$ 都远远超出安全范围。

低压触电有两种典型情况。其一，人的一只手接触相线、另一只手接触中性线，导线、人体和供电设备构成闭合电路，大电流通过人体发生触电；其二，人的一只手接触相线，人站在地上，相线、人体、大地和供电设备同样构成闭合电路，电流同样会通过人体。可见两种情况的共同点是：人体直接或间接接触了相线，并且与中性线或大地连通形成了闭合电路。

易错点： 触电的本质是人体接入闭合电路并有足够大的电流通过，而不是"碰到电"就一定触电。站在干燥木凳上单手接触相线时不易构成闭合电路，但绝不能以此冒险；皮肤潮湿时电阻大幅下降，同样的电压下通过人体的电流更大，所以湿手不能触摸开关和用电器。

家庭电路以外的防触电须知包含两方面。一是防范高压触电：高压带电体即使不接触也有危险。高压带电体周围有强大的电场，人靠近时容易产生电弧触电；高压输电线掉落在地时，人经过该区域两脚之间存在相当高的电压，称为跨步电压，电流从一条腿流入、另一条腿流出同样会触电。发现高压线落地切不可靠近，若已误入该区域，可用单脚跳离或双脚并拢跳离，避免构成闭合电路。二是注意防雷：雷电是大气中一种剧烈的放电现象，云层与大地之间的电压可达几亿伏，放电电流可达二十万安。防雷的原理是为雷电提供一条低电阻的通道，或避免把自己连入雷电的通路中——高大建筑顶端的针状金属物通过很粗的金属线与大地相连（避雷针），高压输电线最上面的两条导线也用来防雷。雷电天气不要在开阔地举伞或肩扛长的易导电物体，不要在大树下避雨，要及时进入室内或车内。

发生触电事故时，千万不要用手去拉触电的人（否则施救者也会触电），而要立即安全地切断电源，必要时对触电者进行急救并尽快通知医务人员。

补充： 安全用电原则可概括为：不接触低压带电体，不靠近高压带电体；更换灯泡、搬动用电器前应断开电源开关；不弄湿用电器，不损坏绝缘层；保险装置、插座、导线、家用电器等达到使用寿命时应及时更换。用电器着火时不能用水灭火（水导电，会触电），应先切断电源再灭火。

1.2.2 第2节 家庭电路的基本组成

家庭电路电流过大的防护装置有两类。一是熔断器中的核心部件——保险丝（俗称保险丝）：它用电阻比铜丝大得多、熔点比铜丝低得多的铅锑合金制成。当电流过大时，保险丝由于温度升高而熔断，切断电路，起到保护作用；铜丝、铁丝在这种情况下不能起到保护作用。不同规格的保险丝有不同的额定电流：通过它的电流小于或等于额定电流时电路正常工作，电流大于额定电流并达到或超过熔断电流时保险丝熔断。二是低压断路器（又称空气开关）：当电路中电流过大时自动断开，即常说的"跳闸"；找出电流过大的原因并解决问题后，重新接通即可。

易错点： 保险丝"电阻较大、熔点较低"两个特点缺一不可——电阻较大才能在电流过大时产生足够多的热，熔点较低才能及时熔断。绝不能用铜丝、铁丝代替保险丝，否则电流过大时不能熔断，起不到保护作用。空气开关"跳闸"后应先查明原因（总功率过大或短路），排除故障后再合闸。

相线和中性线用测电笔辨别。测电笔内氖管充有稀薄氖气，当两电极间电压达到一定值时氖气导电、氖管发出红光。使用时手指按住金属笔卡（螺丝刀式测电笔则用指尖抵住上端金属帽），用笔尖接触被测导线，手指千万不能碰到笔尖。若被测导线是相线，电流经笔尖、电阻器、氖管、弹簧再经人体流入大地构成闭合电路，氖管发光；若是中性线，氖管中没有电流，不会发光。笔内串联的电阻器阻值约一百万欧姆，使通过人体的电流极小，人没有感觉也不会受伤害。测电笔也常用于检查电气设备外壳是否带电。

从安全角度考虑，控制电灯的开关要连接在相线和电灯之间：这样断开开关后，电灯接线处与相线断开，维修时手碰到灯座金属部分也不会触电；若开关接在中性线和电灯之间，断开开关后灯虽不亮，但灯座仍与相线连通，容易引发触电事故。

三孔插座中，除两个孔分别接相线和中性线外，还有一个孔与大地连接，即接在保护线（用 PE 表示，俗称地线）上。三脚插头中与用电器金属外壳接通的那个脚插入该孔，就把金属外壳与大地连接起来。万一用电器内部相线绝缘破损使金属外壳带电，电流会从保护线流走，人接触外壳一般也不会受伤。但外壳接地并不能保证故障时电路被及时断开，因此一些家庭还安装漏电保护器：它也是一种断路器，发生漏电（如人站在地上接触相线，电流经人体流入大地）时会迅速切断电路，对人体起保护作用。

家庭电路的基本组成（按电流流向的顺序）为：进户线→电能表→总开关（含保险装置）→插座、用电器、导线等。电能表用来计量消耗的电能，必须接在进户线之后、总开关之前；总开关（如断路器）控制全户电路，修理电路时必须断开总开关，使室内全部电路与外面输电线分离，保证施工人员安全。有的家庭还设有室内配电箱，将电路规划为若干分支回路：如照明与插座分为两条回路，空调等大功率用电器另设专用回路；每条分支回路都有专门的开关控制，插座回路加装漏电保护器。某条回路故障被切断时，其他回路不受影响。

易错点： 电能表、总开关、保险装置在干路上的先后顺序不能颠倒（电能表在最前，便于计量全部用电；总开关在后，便于检修时切断全户电路）。三脚插头中接外壳的脚设计得更长，插入时先接地、拔出时后断地，保证用电器外壳先接地后通电。保险丝、空气开关、漏电保护器三者作用不同：保险丝和空气开关在电流过大（过载或短路）时切断电路，漏电保护器在发生漏电（电流"流失"到大地）时切断电路。

1.2.3 第3节 跨学科实践：为家庭电路做设计

本节是实践活动，核心思路分三步。第一步，调查家庭用电需求：记录家中主要用电器的使用情况，阅读铭牌或说明书，重点关注功率信息，可用 $I=P/U$ 估算各用电器的工作电流。第二步，合理规划配电分支回路：对可能长时间使用的大功率用电器（如空调、电热水器），建议设计独立的分支回路；各分支回路有专门开关控制，插座回路加装漏电保护器，各回路互不影响。第三步，对断路器、导线等器材选型：通常情况下，导线的横截面积越大，长时间通电时所允许的最大安全电流也越大，总功率大的分支回路要选粗一些的导线；但导线并非越粗越好，还要考虑成本、安装条件等因素。

补充： 设计完成后应互检方案的可行性与安全性，并总结安全用电原则：尽量不同时使用多个大功率用电器；不接触低压带电体，不靠近高压带电体；更换灯泡、搬动用电器前断开电源开关；不弄湿用电器，不损坏绝缘层；保险装置、插座、导线、家用电器等达到使用寿命时及时更换。思想上有安全意识、行动上遵守安全用电原则，才能安全地享受电带来的便利。

1.3 第二十章 电与磁

1.3.1 第1节 磁现象 磁场

磁体能够吸引铁、钴、镍等物质。磁体上吸引能力最强的两个部位叫作磁极（magnetic pole）。能够自由转动的磁体（如悬吊着的磁针），静止时指南的那个磁极叫作南极（south pole）或 S 极，指北的那个磁极叫作北极（north pole）或 N 极。磁极间相互作用的规律是：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。

有些物体在磁体或电流的作用下会获得磁性，这种现象叫作磁化（magnetization）。软铁被磁化后磁性很容易消失，称为软磁材料；钢等物质被磁化后磁性能够保持，称为硬磁材料，可做成永磁体，还可用来记录信息（如磁带、硬盘上的磁性材料）。

磁体周围存在着一种看不见、摸不着的物质——磁场（magnetic field），它能使磁针偏转。磁体间的相互作用就是通过磁场发生的。磁场虽然看不见，但可以用实验感知它，是确实存在的物质。物理学中规定：放在磁场中的小磁针静止时北极所指的方向，为该点磁场的方向。

为了形象地描述磁场，人们引入磁感线（magnetic induction line）：用一些带箭头的曲线表示磁场的分布，曲线上某点的切线方向即该点磁场方向，曲线越密处磁场越强。磁体外部的磁感线都是从磁体的 N 极出发，回到 S 极。

实验（研究磁体周围磁场的方向）： 研究问题为磁体周围磁场如何分布。在条形磁体周围放置多枚小磁针，观察各点 N 极指向；或在磁体上方放玻璃板并撒铁屑，铁屑被磁化成一枚枚"小磁针"，轻敲玻璃板后铁屑有规则地排列，显示出磁场分布。结论：磁场分布有规律，可用磁感线描述；磁体外部磁感线从 N 极出发回到 S 极，两极附近磁场最强。

地球周围存在着磁场——地磁场。地磁场的形状跟条形磁体的磁场相似。能水平转动的磁针静止时 N 极总指向北方，正是因为受到地磁场的作用。地理的两极和地磁场的两极并不重合，磁针所指的南北方向与地理的南北方向略有偏离（磁偏角），世界上最早记述这一现象的是我国宋代学者沈括，比西方早 400 多年。绿海龟、鸽子等动物能利用地磁场"导航"。

易错点： 磁感线是为描述磁场而假想的曲线，实际并不存在，但磁场本身是真实存在的；画磁感线时不能相交（磁场中任一点方向唯一）。"吸引"不一定说明物体有磁性：磁体能吸引铁、钴、镍，铁块也能被磁体吸引，但两个物体相互吸引不能断定两者都是磁体；只有相互排斥才能断定两者都有磁性（同名磁极相斥）。

1.3.2 第2节 电生磁

1820 年，丹麦物理学家奥斯特通过实验发现：当导线中通过电流时，它旁边的磁针会发生偏转；切断电流，磁针回到原位。这说明通电导线和磁体一样，周围存在磁场。实验还表明，电流方向改变时小磁针偏转方向也相反，即电流产生的磁场方向跟电流方向有关。通电导线周围存在与电流方向有关的磁场，这种现象叫作电流的磁效应。奥斯特在世界上第一个发现了电与磁之间的联系。

把导线绕在圆筒上做成螺线管（也叫线圈），各圈导线产生的磁场叠加在一起，磁场就会强得多。

实验（探究通电螺线管外部磁场的方向）： 研究问题为通电螺线管外部磁场怎样分布、其极性与电流方向有何关系。在螺线管四周不同位置放置小磁针（可在螺线管中插入铁棒增强磁场），观察各点 N 极指向；改变电流的环绕方向，再次判断 N、S 极。结论：通电螺线管外部的磁场与条形磁体的磁场相似，其两端相当于条形磁体的两极；改变电流方向，N、S 极正好对调，即极性跟电流方向有关。

通电螺线管的极性与电流方向之间的关系用安培定则（Ampere's rule）表述：用右手握住螺线管，让四指指向螺线管中电流的方向，则拇指所指的那端就是螺线管的 N 极。

易错点： 使用安培定则必须用右手，四指弯曲方向表示电流在线圈中的环绕方向，拇指指向 N 极。已知电流方向可判断极性；已知极性也可反推电流方向。螺线管的绕线方式不同，即使电流从同一端流入，环绕方向也可能不同，判断时要看清电流在每一匝线圈中的实际绕行方向。

补充： 通电直导线也能使小磁针偏转，但磁场很弱（手电筒通电时连一根大头针都吸不动）；绕成螺线管后各圈磁场叠加，磁性显著增强。这一节揭示了"电生磁"，与第 6 节的"磁生电"相对应，共同说明电现象和磁现象是相互联系的。

1.3.3 第3节 电磁铁 电磁继电器

把导线绕成螺线管，再在螺线管内插入铁芯，当有电流通过时它会有较强的磁性，这种磁体叫作电磁铁（electromagnet）。电磁起重机的主要部件就是电磁铁：通电吸起钢铁，移到另一位置后断电放下。

实验（探究影响电磁铁磁性强弱的因素）： 研究问题为电磁铁磁性强弱与哪些因素有关。用吸引大头针（或曲别针）的多少反映磁性强弱（转换法），控制变量法研究：保持线圈匝数不变，用滑动变阻器改变电流，电流越大吸引的大头针越多；保持电流不变，比较外形相同、匝数不同的两个电磁铁。结论：匝数一定时，通入的电流越大，电磁铁磁性越强；电流一定时，外形相同的螺线管匝数越多，磁性越强。

电磁铁与永磁体相比，优点在于磁性"可控"：磁性的有无可由通断电来控制，磁性的强弱可由电流大小来控制，磁极可通过改变电流方向来改变。电磁铁应用广泛：电动机、发电机里用到电磁铁，全自动洗衣机的进水和排水阀门、感应式冲水器的阀门也由电磁铁控制。磁悬浮列车所用的磁体大多是通有强大电流的电磁铁，通过磁体间的相互作用使列车悬浮在轨道上，避免了车轮与轨道之间的摩擦，突破了以往列车的速度极限。

电磁继电器是利用电磁铁来控制高电压、强电流电路通断的一种开关，由电磁铁、衔铁、弹簧、触点等组成。工作时电路分为两部分：低压控制电路和高压工作电路。较低的电压加在线圈两端、较小电流通过线圈时，电磁铁把衔铁吸下，使高压工作电路的触点接通，较大电流通过触点带动机器工作。工人按的按钮只控制电磁铁电流的通断，高电压、强电流电路的通断由触点控制，从而安全、方便地操纵大型机械。

易错点： 电磁继电器实质上是一个"用小电流、低电压控制大电流、高电压"的自动开关，控制电路与工作电路之间没有导线直接相连，靠电磁铁的吸引力联系起来。分析继电器电路时要分清哪个是控制电路（含电磁铁线圈）、哪个是工作电路（含用电器和触点）。

1.3.4 第4节 电动机

通电导线在磁场中要受到力的作用，力的方向跟电流方向、磁场方向都有关系：当电流方向或磁场方向变得相反时，通电导线受力方向也变得相反。若电流方向和磁场方向同时变得相反，受力方向不变。

实验（研究磁场对通电导线的作用）： 研究问题为通电导线在磁场中是否受力、受力方向与什么有关。把导体棒放在磁场里通电，观察运动；对调电源正负极（改变电流方向）或对调磁极（改变磁场方向），再观察运动方向。结论：通电导线在磁场中受力，受力方向与电流方向、磁场方向有关。

把通电线圈放在磁场中，线圈会转动，但不能连续转动：线圈上、下两边受力大小相等、方向相反的位置是平衡位置，线圈越过平衡位置后受到的力阻碍它继续转动，最终返回平衡位置。如果在线圈越过平衡位置后设法改变线圈中电流的方向，线圈就能继续转动下去——实际的电动机用换向器实现这一目的。换向器由两个彼此绝缘的铜半环组成，随线圈一起转动；两个电刷分别与两个半环接触，使电源和线圈组成闭合电路。这样，无论线圈哪一边处于靠近 N 极的一侧，其中电流方向都保持不变，受力方向总相同，线圈就能不停地转动。

电动机主要由线圈和磁体两部分组成：能够转动的部分叫转子，固定不动的部分叫定子。实际电动机有多个线圈，每个线圈都接在一对换向片上，保证各线圈受力方向都能使它朝同一方向转动。电动机工作时把电能转化为机械能。

扬声器是把电信号转换成声信号的装置，主要由固定的永磁体、线圈和锥形纸盆构成。线圈中通有电流时受永磁体的作用而运动，电流反向时向相反方向运动；由于通过线圈的是方向不断变化的交变电流，线圈就不断来回振动，带动纸盆振动发出声音。

易错点： 电动机与下一节的发电机原理不同，不要混淆——电动机依据"通电导线在磁场中受力"，工作时消耗电能得到机械能；发电机依据"电磁感应"，工作时消耗机械能得到电能。换向器的作用是在线圈刚转过平衡位置时自动改变线圈中的电流方向，使线圈持续转动，而不是改变电源的电流方向。

1.3.5 第5节 跨学科实践：制作简易直流电动机

本节是实践活动：用粗漆包线绕成矩形线圈作为转子，线圈两端拉出引线作为转轴放在支架上（支架分别接电池两极），线圈下放一块强磁体作为定子。关键问题是：没有换向器时，如何让线圈持续转动？办法是改变通电方式——用小刀刮去线圈两端引线的漆皮，一端全部刮掉，另一端只刮半周。这样线圈转动的上半周通电、下半周断电，线圈依靠惯性转过下半周，就能连续转动下去。

补充： 制作时要考虑线圈匝数、转子与定子的安排、转轴摩擦等因素。这一实践从"去掉反向转动的力"的角度实现了连续转动，与正式电动机中换向器"改变电流方向"的方案殊途同归，都服务于同一个目的：让线圈越过平衡位置后仍能沿原方向继续转动。

1.3.6 第6节 磁生电

奥斯特发现电流的磁效应后，许多科学家思索用磁来生电。英国物理学家法拉第经过 10 年探索，于 1831 年发现了利用磁场产生电流的条件和规律，进一步揭示了电与磁之间的联系。根据这一发现，人们发明了发电机，使人类大规模用电成为可能，开辟了电气化时代。

实验（探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件）： 研究问题为磁场在什么条件下能产生电流。把一根导线放在蹄形磁体的磁场中，导线两端与电流表连接组成闭合电路，让导线静止或沿不同方向运动，观察电流表是否偏转。结论：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流。导线静止（不切割磁感线）时不产生电流；沿磁感线方向运动（不切割）时也不产生电流。

由于导体在磁场中运动而产生电流的现象叫作电磁感应（electromagnetic induction），产生的电流叫作感应电流（induction current）。产生感应电流必须同时满足两个条件：电路闭合；一部分导体做切割磁感线运动。

人们根据电磁感应原理制成发电机。导线在磁场中左右往复运动时，电流表指针来回摆动，电路中产生大小和方向都变化的电流，即交变电流，简称交流；之前由电池供电、方向不变的电流叫直流。交变电流的频率在数值上等于电流在每秒内周期性变化的次数，我国电网以交流供电，频率为 $50\text{Hz}$。发电机用连续转动的线圈代替往复运动的导线，并用铜环和电刷把线圈与用电器连接起来。实际发电机也由转子（转动部分）和定子（固定部分）组成；大型发电机电压高、电流强，一般采取线圈不动、磁极旋转的方式，并用电磁铁代替永磁体以获得较强磁场。

发电机发电的过程是能量转化的过程：发电机靠内燃机、汽轮机、水轮机等机械带动，把燃料中的化学能或水流的机械能转化为电能。例如白鹤滩水电站的水轮发电机，把水流的机械能转化为电能。

易错点： 产生感应电流的两个条件缺一不可——电路不闭合时，导体切割磁感线只会产生电压而不会形成电流；电路闭合但导体不切割磁感线，同样没有电流。"切割磁感线"可想象为导线像刀一样横切过一根根磁感线；沿磁感线方向运动不算切割。

补充（电动机与发电机的比较）：

1.4 第二十一章 电磁波及其应用

1.4.1 第1节 电磁波的海洋

木棍在水面上振动产生水波，声带振动在空气中产生声波。与水波、声波的形成类似，迅速变化的电流在空间激起（产生）电磁波（electromagnetic wave）。

实验（电磁波的产生与接收）： 打开收音机调至没有电台的位置并开大音量，将一根导线与旧干电池的一极相连，另一端与另一极时断时续地摩擦接触，收音机发出"咔咔"声。说明：导线与电池时断时续接触产生迅速变化的电流，变化的电流在空间激起电磁波，收音机接收到电磁波发出声音。电能生磁、磁能生电，变化的电流产生电磁波。广播电台、电视台以及移动电话靠复杂的电子线路产生迅速变化的电流，发出电磁波。电磁波可以用来传递信息和能量。

与水波类似，电磁波用波长、频率和波速来描述。凸起的最高处叫波峰，凹下的最低处叫波谷；邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作波长（wavelength）；在某确定位置，$1\text{s}$ 内有多少次波峰或波谷通过，波的频率就是多少；描述波传播快慢的物理量叫作波速（wave velocity）。

声音的传播需要固体、液体、气体等介质，电磁波的传播不需要介质。

实验（真空罩中的手机）： 把手机放在真空罩中抽掉空气，再给手机打电话，手机仍能收到信号。说明电磁波在真空中也可以传播。太空中没有空气、声音无法传播，航天员正是用电磁波通信的。真空中电磁波的波速为 $c$，约 $3\times {10}^8\text{m/s}$（30 万千米每秒）。$c$ 是物理学中一个十分重要的常量。

波长 $\lambda$、频率 $f$ 与波速 $c$ 之间的关系为

$\lambda$ 为波长，单位米（m）；$f$ 为频率，单位赫兹（Hz）；$c$ 为波速，单位米每秒（m/s）。电磁波在真空中的波速 $c$ 是定值，因此频率越高，波长越短。电磁波频率的常用单位还有千赫（kHz）和兆赫（MHz），换算关系为

电磁波是个大家族。通常用于广播、电视和移动通信的频率为数百千赫至数百兆赫的那一部分电磁波，叫作无线电波。可见光、红外线和紫外线也属于电磁波；X 射线、$\gamma$ 射线是频率很高的电磁波。不同频率范围的电磁波在生活中发挥着不同作用。

微波炉用电磁波加热食品：炉内有很强的微波（波长在无线电波中较短的电磁波），食物分子在微波作用下剧烈振动，内能增加、温度升高；微波可以深入食物内部，食物内外几乎同时变熟，省时省电。我国建成的 500 m 口径球面射电望远镜（FAST）可以在无线电波段观测天体。

易错点： 电磁波与声波有本质区别——声波传播需要介质，真空不能传声；电磁波传播不需要介质，可以在真空中传播，且真空中波速最大。太空中的通信（卫星通信、航天器与地面联络）只能依靠电磁波。波速 $c$ 在真空中是常量，不能说"频率越高波速越大"；由 $c=\lambda f$ 知，频率与波长成反比。

1.4.2 第2节 广播、电视和移动通信

无线电广播信号的发射由广播电台完成：先用话筒把播音员的声音信号转换成电信号，再用调制器把音频电信号加载到高频电流上，然后通过天线产生电磁波发射到空中。信号的接收由收音机完成：天线接收到各种各样的电磁波，转动调谐器的旋钮可从中选出特定频率的信号；选出的信号含有高频电流成分，需要通过解调将其滤去、留下音频电信号；音频电信号经放大后送到扬声器，扬声器把音频电信号转换成声音。

电视用电磁波传递图像信号和声音信号。图像信号的发射与接收过程是：摄像机把图像变成电信号，发射机把电信号加载到频率很高的电流上，通过发射天线发射到空中；电视机的接收天线把高频信号接收下来，电视机把图像信号取出并放大，由显示器还原成图像。声音信号的产生、传播和接收与无线电广播的工作过程相似。有线电视则通过电缆把电视节目传送到用户。

手机既是无线电发射台又是无线电接收台：它用电磁波把讲话的信息发射到空中，同时又在空中捕获电磁波得到对方讲话的信息。手机体积小、发射功率不大、天线简单、灵敏度不高，因此与其他用户的通话要靠较大的固定无线电台——基站——转接。

易错点： 声音本身不能直接发射，必须先由话筒转换成电信号，再经调制加载到高频电流上才能通过天线以电磁波形式发射；接收端则经过调谐、解调把音频电信号"取"出来，再由扬声器还原成声音。"调制"是把信号"装"到高频电磁波上，"解调"是把信号"卸"下来，两者过程相反。同一城市各电台使用不同的频率，收音机调谐就是选择特定频率的电磁波。

1.4.3 第3节 卫星通信和光纤通信

微波波长较短、频率较高，一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。微波的性质接近光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射，因此需要中继站接力：通常每隔 $50\text{km}$ 左右建一个微波中继站，把上一站传来的信号处理后再发射到下一站。在雪山、大洋等无法建设中继站的地方，可用通信卫星作为微波中继站。月球虽能反射微波，但距离太远（38 万千米），信号衰减、时间延迟，且只有两个通信点同时见到月球时才能通信，不宜作中继站。

地球同步卫星绕地球转动的周期与地球自转周期相同，从地面上看好像悬挂在空中静止不动（也叫地球静止卫星）。在地球周围均匀配置 3 颗地球静止卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信。我国的北斗卫星导航系统自主建设、独立运行，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。

光也是一种电磁波，与短波、微波相比频率更高，相同时间可以传递更多信息。普通光源包含许多不同波长（频率）的光，难以携带信息；1960 年梅曼制成世界上第一台红宝石激光器，能产生频率单一、方向高度集中的光——激光。通信用的激光一般在光导纤维（简称光纤）里传播：光从光纤一端射入，在内壁上多次反射后从另一端射出，把携带的信息传到远方。光纤是很细的玻璃丝，数条光纤并成一束再敷上保护层制成光缆。由于光的频率很高，光在一定时间内可以传输大量信息。

实验（水流导光）： 在盛水的塑料瓶侧壁开小孔，让激光水平射向小孔，水流出时可见光随着弯弯的水流照到地面。该实验模拟了激光在光导纤维中的传播——光在光纤内壁上发生多次反射而向前传播。

激光还有广泛应用：方向性特别好，传播很远距离后仍保持一定强度，可用来精确测距（激光测距雷达）；亮度高，能在很小空间和很短时间内集中很大能量，可用来切割物质、焊接金属、在硬质材料上打孔，医学上用作"光刀"切除肿瘤、"焊接"脱落的视网膜。

易错点： 微波中继通信、卫星通信、光纤通信都是利用电磁波传递信息，但载体不同：微波中继靠地面中继站接力，卫星通信靠地球静止卫星转发，光纤通信靠激光在光纤内壁多次反射传播。3 颗均匀分布的地球静止卫星即可实现全球通信；卫星通话有延迟，是因为电磁波射向卫星再返回需要时间（可用 $t=s/v$ 估算，$v$ 取光速）。

1.5 第二十二章 能源与可持续发展

1.5.1 第1节 能源利用的现状和面临的挑战

人类利用能源的历程经历了几个阶段。钻木取火使人类从利用自然火转向利用人工火，开启了以柴薪作为主要能源的时代，持续了近一万年。蒸汽机的发明是人类利用能源的新里程碑：人类逐步以机械动力代替人力和畜力，主要能源由柴薪转向煤，进入工业化社会。煤、石油、天然气是千百万年前埋在地下的动植物经过漫长地质年代形成的，称为化石能源。

能源的分类（注意分类标准不同，同一能源可属于不同类别）：

电能无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到，所以是二次能源；但电能便于输送和转化，各种用电器是把电能转化为其他形式能量的转化器，因此现代社会广泛使用电能。

能量是守恒的，为什么还要节约能源？因为涉及热现象的能量转化和转移过程是有方向性、不可逆的：汽车制动时动能由于摩擦转化成轮胎、地面和空气的内能，这些能量不能再自动地用来驱动汽车；热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，要使热量从低温物体转移到高温物体必须消耗其他形式的能量（如电冰箱要消耗电能）。人们是在能量的转化或转移过程中利用能量的，有些能量可以利用、有些则不能，所以能源的利用是有条件的，我们所能利用的能源是有限的。

能源利用面临的挑战：一是消耗量持续增长（把全世界能源消耗量折合成热值为 $2.93\times {10}^7\text{J/kg}$ 的标准煤计算，1950 年为 26 亿吨，2022 年达到 205 亿吨），化石能源长期大规模开采最终将消耗殆尽；二是耗用能源不可避免地影响环境——化石燃料燃烧产生大量二氧化碳，加剧温室效应；燃料中的杂质使燃烧生成的气体含有二氧化硫等有害物质；不完全燃烧还会产生粉尘和一氧化碳。开发新能源、更好地利用已知能源，是全球范围内的重要课题。

易错点： "能量守恒"不等于"能源取之不尽"——守恒的是能量的总量，但在转化和转移过程中能量的品质降低了（如散失的内能难以再利用），可利用的能源是有限的，所以必须节约能源。判断能源类别时先明确分类标准：核能是不可再生能源（核燃料在自然界中有限）；电能是二次能源，"电能是可再生还是不可再生"这种问法本身不恰当，要看产生电能所用的一次能源是什么。

补充： 我国火力发电的燃料主要是煤：煤燃烧产生的热量加热水变成高温高压水蒸气，推动汽轮发电机组发电。为降低污染，煤燃烧前经洗选去除杂质，燃烧后对烟气进行脱硫、脱硝、除尘等净化处理；碳捕集技术能把烟气中的二氧化碳大规模收集起来，对实现"碳达峰碳中和"目标具有重要意义。

1.5.2 第2节 新能源的发展

原子核通常由质子和中子组成：质子带正电荷，电荷量与电子相等；中子不带电；质子质量约为电子的 1 836 倍，中子与质子质量几乎相同。质子和中子依靠强大的核力紧密结合，原子核十分牢固，要使它们分裂或结合极其困难。但是，一旦质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合，就有可能释放出惊人的能量，这种能量就是核能（nuclear energy）。

裂变：科学家用中子轰击质量较大的铀 235 原子核，使其分裂成两个质量中等大小的原子核，同时产生几个新的中子，这些中子又轰击其他铀核，导致一系列铀核持续裂变并释放巨大能量，这就是裂变中的链式反应。$1\text{kg}$ 铀全部裂变释放的能量相当于 $2800\text{t}$ 标准煤完全燃烧释放的能量。链式反应不加控制，大量原子核瞬间裂变释放极大能量，如原子弹爆炸；链式反应可控，则可控制核能的释放——核反应堆中发生的就是可控链式反应。核电站的核心设备是核反应堆，利用核反应堆产生的内能，通过汽轮机做功带动发电机发电。我国具有完全自主知识产权的第三代核电技术"华龙一号"已建成，核能发电技术居世界先进地位。

聚变：使某些质量很小的原子核，例如氘核（一个质子和一个中子）与氚核（一个质子和两个中子），在超高温和高压下结合成新的原子核——氦核，也会释放巨大核能，这就是聚变，有时也称热核反应。大量氢核的聚变可在瞬间释放惊人能量，氢弹利用的就是这种能量。太阳内部氢原子核在超高温下发生聚变，释放巨大核能——太阳这个"核能火炉"已"燃烧"了近 50 亿年，还要再过 50 亿年才会燃尽核燃料。海水中蕴藏着丰富的氘核，通过可控核聚变利用核能有望彻底解决人类能源问题；我国 EAST 环流器实现了 $1000\text{s}$ 以上的长时间运行。与化石燃料一样，核燃料在自然界中有限，核能属于不可再生能源。

太阳能的利用：人类除了间接利用储存在化石燃料中的太阳能，还直接利用太阳能。目前直接利用太阳能的方式主要有两种：一是用集热器把水等物质加热（光热转换，如平板式集热器用涂黑的吸热板吸收太阳辐射转化为内能）；二是太阳能电池把太阳能转化成电能（光电转换）。太阳能转化为其他形式能量的方式归纳为三种：光热转换、光化转换（把太阳能转化为化学能）、光电转换。海洋能（如潮汐）和风能也是可利用的新能源，可以用来发电。

核电站与核废料处理：核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备；铀核裂变时会释放能量，也会产生射线，若泄漏到反应堆外面会伤害人和其他生物，所以核反应堆封闭在厚厚的钢筋混凝土壳中。核电站使用过的核燃料称为核废料，仍具有放射性，一般放入特殊容器封存后深埋在人烟稀少的地方。我国坚持安全有序发展核电，2023 年 12 月全球首座第四代核电站正式投入商业运营。

易错点： 裂变与聚变的区别——裂变是质量较大的原子核（如铀核）分裂成两个中等大小的原子核，可控制（核反应堆）也可不控制（原子弹）；聚变是质量很小的原子核（如氘核、氚核）在超高温高压下结合成较大的原子核（氦核），目前主要用于氢弹，可控核聚变仍在研究中。核电站利用的是可控核裂变，不是聚变。太阳的能量来自其内部氢核的聚变；煤、石油中储存的能量归根结底来自上亿年前的太阳能。

1.5.3 第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案

本节是实践活动，思路是：先调查家中能源的使用情况（用途、类型、消耗量，找出消耗较多的方面，如采暖、制冷、生活热水、交通）；再选取优化对象、确定改进方法（使用太阳能等新能源、用技术手段提高能源使用效率、优化用车行为等）；然后制订方案并制作模型测试检验，最后交流讨论、估算节能效果。

教材给出两个示例方案。方案一"为房屋加装保温层"：依据"热量能自发地从高温物体传递到低温物体"，要保温就要减少房间与外界的热传递，可选用保温能力强的材料把房间"包裹"起来。材料的保温性能与厚度、热导率、干燥程度、与外界的接触面积以及外界温度等有关：材料厚度越大、热导率越小、与外界接触面积越小，越能减缓热量散失；选材时还要评估环保性、价格、耐火性、是否容易安装等。实施前通常制作简易模型测试（如用质量相等的冰块分别放入无保温材料和有保温材料的"家"中，相同环境下经过相同时间后比较冰块质量变化，评估保温效果）。方案二"为家庭用车提供建议"：对比新能源汽车与燃油汽车的能耗，既要考虑直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率及两种汽车生产中消耗的能源；还要分析新能源汽车能否满足日常使用需要（充电时间、温度对电池电量的影响、充电桩分布等），以及能源安全等因素。

补充： 设计方案不仅要有具体建议，还要有充分、确凿的证据和合理的推理作支撑。我国力争 2030 年前二氧化碳排放达到峰值、2060 年前实现碳中和，每个人都可以从优化家庭能源使用做起，为可持续发展作贡献。

1.6 全册核心公式表