写在前面的话
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特别说明：纸质书预计将会在暑假前推出。
《什么是初中物理》目录
张虎岗 著
前言
01物理西游记
02物理这座房子
03终极法官
04“吃鱼”里的科学探究
05学好物理的七种武器
06指尖上的单位换算
07人类从来不看说明书
08运动世界的罗生门
09速度公式金字塔
10勇敢者的游戏
11密度公式是一首浪漫的歌
12给力画幅肖像
13三个力，两种关系和一个等式
14天生万物，“懒”是本性
15万万想不到的压强
16迎战浮力，要三思而行
17省力的代价
18决战滑轮组
19声音，让我欢喜也让我忧
20追寻光的足迹
21拨开凸透镜成像规律的迷雾
22三步搞定物态变化
23比热容，王者归来
24灯泡与开关的纵横捭阖
25一首关于电流成长的诗
26欧姆定律的前世今生
27电学里的六脉神剑
28电路现形记
29电功率四式
30焦耳定律
31安培真牛
32电动机VS发电机
33如果你不懂物理，怎知我爱你有多深
34物理是最好的人生指南
后记
前言
物理是什么？
大多数情况下，这并不是一个很难回答的问题。
――物理学是一门十分有趣的科学，它研究声、光、热、力、电等形形色色的物理现象。
这是教科书给出的答案。
为了让孩子们感受物理“十分有趣”，老师们会精心挑选图片、视频展示各类有趣的物理现象，再拿出仪器做几个神奇的实验。在成功吊起孩子们的胃口后，再联系社会、生活实际阐述物理在社会、生活中的种种应用。
多年以来，我的物理课首秀都是这样亮相的。但是，物理第一课只能是这样的吗？
直到有一天，我在朋友圈刷到一个小视频。这是一个很普通的视频：几只大白鹅悠然自得地浮在平静的水面上，慢慢地消失在远处。
那一刻，我想到：如果即将学习物理的孩子看到这个画面会想到什么？
或许是“鹅鹅鹅，曲项向天歌。白毛浮绿水，红掌拨清波。”――这首朗朗上口的《咏鹅》可是学龄前儿童的必读篇目。
或许是“王羲之爱鹅”的名人佚事，或许是“朱元璋蒸鹅杀徐达”暗黑传闻。――这是历史迷的专长。再专业一点儿，或许还知道鹅是人类驯化的第一种家禽，时间可以追溯到三四千年前。
或许是“鹅是鸟纲雁形目鸭科动物的一种。头大，喙扁阔，前额有肉瘤。脖长，尾短，脚大有蹼。食青草，耐寒，善于游泳。……”――这是生物课上的内容。
或许是“有若干鸡兔同在一个笼子里，从上面数，有35个头，从下面数，有94只脚。问笼中各有多少只鸡和兔? ”（呃，错了，是鸡。不过也说得过去，鹅鸡都是两条腿嘛！）――显然，这是数学课上的常见题。
或许是“头戴红帽子，身披白袍子。走路摆架子，唱歌伸脖子。”又或许是“一群大白鹅，扑腾跳下河。河水涨起来,一起浮上坡。”――没错，这是富有童趣的谜语。
当然，你或许还会想到香味扑鼻的烧鹅、烤鸭、薰鸡，说不定还能来上一句“鹅之大，一锅炖不下！”
这些由“鹅”引发的联想，无不与个人已有的经验、知识或爱好有关。
如果学习了物理，又会想到什么呢？
比如，鹅毛为什么白色的？鹅掌为什么红色的？水（绿水）为什么是绿色的？鹅的叫声是怎么发出的？怎样被人听到的？为什么能区分鹅的叫声和鸭子的叫声？――这些问题与光和声的知识有关。
比如，鹅的体积有大？有多重？游得有多快？往前游时，为什么要用掌向后拔水？为什么能浮在水面上而没有沉入水底？――这些需要用力与运动的知识才能给予解答。
你看，学了物理就又可以从一个“鹅”联想到这么多问题。
所以说，学习了物理，面对熟悉或不熟悉的事物，便会多了一个观察和思考的角度。对于我们来说，也许这才是最有趣的。
同样，也希望这本书能带你发现一个认识初中物理的新视角。
01物理西游记
说物理是一部西游记，并非信口开河。
在《西游记》里有五大势力：天庭、道教、佛教、人间、妖族。在初中物理中也有五大知识版块：声、光、热、力、电。
《西游记》的五大势力中有着形形色色的人物。天庭有玉帝、太白金星、托塔天王、哪吒三太子、巨灵神，等等；道教有太上老君、镇元子，等等；佛教有如来佛、观音菩萨、文殊菩萨，等等；人间有唐朝、女儿国、比丘国等等各国国王和臣民；妖族更是数不胜数，黄风怪、蜘蛛精、老鼠精、蝎子精，等等。
同样，物理的各个知识版块中也有着不计其数的物理概念。声学有声源、声速、噪声、乐音，等等；光学有光源、光速、镜面反射、漫反射、凸透镜、焦点、焦距，等等；运动和力中有机械运动、参照物、速度、匀速直线运动、力、弹力、重力、摩擦力、压强、浮力，等等；热学中有六种物态变化、内能、比热容、热机，等等；电与磁中有电荷、电路、电压、电流、电阻、电功、电功率、磁极、磁场，等等。
还有更巧合的。
在《西游记》中，有些角色亦善亦恶。比如天庭的奎木狼，在上界名列二十八宿，下凡却变成了黄袍怪，回归天庭后又在小雷音寺助孙悟空脱困、在玄英洞帮孙悟空大战犀牛精；再比如文殊菩萨的坐骑青毛狮子，也偷跑到狮驼岭为王，与白象、大鹏两个妖怪结拜为兄弟，要吃唐僧肉。
在初中物理中，也是一样。对人类来说，很多物理知识也是有利有弊。比如，摩擦、惯性、电热，等等。
――如果没有摩擦，我们将握不住笔、穿不了衣、吃不了饭，甚至寸步难行。但是，摩擦也带来了意外伤害，比如在地上滑倒，衣服被磨破，手掌被擦伤，摩擦就是元凶。
――如果没有惯性，运动场上就会少了掷标枪、投铅球、跳高、跳远这些项目，也无法泼出盆里的水，子弹也不会离开枪膛。但是惯性也会带来灾难，看看每天新闻里的交通事故就知道了，十有八九，惯性脱不了干系。
――如果没有电热，家里便会少了电暖气、电饭锅、电水壶、电烤箱、电褥子等能给生活带来温暖和便利的用电器；但是电器起火，电热也要负直接责任。
但是，看到物理中引发的危害，你也不用过于担心。正如西游记中黄袍怪、狮子精自有神仙、菩萨降服一样，物理学家也为我们开出了对症下药的良方，能在应用物理时避害趋利。
在《西游记》的世界里，神仙、妖魔、凡人都要遵从自己所在地的规则，所谓仙有仙规、国有国法。
在物理中也是一样，各种物理现象也是有章可循。比如光在传播时，要遵守反射定律、折射规律；在力的世界里，有鼎鼎大名的牛顿第一定律、阿基米德原理；在电的世界里，有欧姆定律、焦耳定律。最后，还有凌驾于它们之上的至高法则――能量守恒定律。
学习物理的过程大致也是一部《西游记》。八年级第一学期物理是与生活联系密切的声现象、热现象、光现象。这些知识大多简单且有趣，于是你可能觉得物理不过如此，这时候的你就是遇到如来佛祖以来的孙悟空，学艺归来便闯龙宫、打地府、闹天庭，一时间雄姿英发，无人能敌。但是随之而来的质量与密度就让有点挠头了，像是二郞神一样难缠。到了八年级第二学期，压强、浮力、功与功率、机械效率纷纷登场，渐渐有一种被压在五行山下的感觉。好不容易熬到九年级，告别了难缠的“力”，像是孙悟空脱离了五行山，可是还没高兴多久，就又踏上了电学的征途，九九八十一难已早早地在前面等侯，电流、电压、电阻、电功率就是要降服的一个个妖魔鬼怪。过程虽然艰辛，但只要你有孙悟空一样的战力，再加上唐僧一样的意志、猪八戒一样的乐观、沙僧一样的踏实，也一定能取得真经，终成正果。
02物理这座房子
法国科学家庞加莱说：“物理学是从一系列事实、公式和法则上建立起来的，就像房子是用砖砌成的一样。但是，如果把一系列事实、公式和法则就看成物理学，那就犹如把一堆砖看成房子一样。不，物理学比组成它的事实、公式和法则要深刻得多！”
我对这段的话的理解是：组成物理这间“房子”的除了物理概念、公式以外，还有贯穿在物理概念的来源、物理规律发现过程中的科学方法与科学思维，以及与之相伴的科学精神、科学态度。
科学方法与科学思维往往隐藏在知识的表层之下。曾经有个孩子很迷茫地问我：“学物理有什么用？”我说：“没用！”听到这个意外的答案，孩子一下子有了兴趣。想必是她以往听到“物理有多么重要”之类的回答太多了。我顿了顿，接着说：“你能不能背过欧姆定律、会不会画电路图，看上去对你的生活并没有什么影响。除非你将想当一名物理老师，否则无论是交朋友、找工作，绝对不会有人让你先背一遍欧姆定律、牛顿第一定律，来测试你有没有资格做他的朋友或者是否胜任这份工作。从这个角度来看，学物理真的没有用。”看着孩子点头认同的样子，我又慢慢吐出了两个字：“然而”。――“然而，学物理真的没用吗？在探寻物理知识的过程中，你会学到很多思维方法，比如控制变量法可以教给你怎么正确地分析问题，转换法告诉你怎么把不好解释的事说得浅显易懂，理想实验告诉你怎么合理地使用推理，还有摩擦力、惯性、热机、电等等知识，告诉你看待问题要一分为二。从这个意义上说，能说学物理没用吗？”
学物理当然有用！物理学不仅以其概念、原理和规律的知识揭示了自然界基本运动形式，而且还在建立这种知识体系的过程中凝练和升华了科学的思想方法，如观察、假说、实验验证、控制变量、理想化方法等物理学科的基本科学研究方法，以及比较、分类、抽象、推理、等效、类比、概括、分析、综合、归纳、演绎、对称等基本的科学方法逻辑思维方法。这些方法对物理学的发展、其它学科的发展、生产和技术领域具有普遍的指导作用，并且潜移默化地影响着每个学过物理的人看待事物、分析问题的思维方式。
除了科学思维与方法，在物理学家探索物理奥秘的过程中还彰显着科家态度、科学精神。
在伦敦一家科学档案馆里，陈列着一本奇特的日记。在日记的第一页上写着：“对！必须转磁为电。”在以后的十年间，每一天的日记上除了写有日期之外，只写着同样一个词：“No”。直到1831年10月17日的一页，它的主人才记下了另一个相反的词：“Yes”。这本日记的主人就是英国科学家法拉第，这本日记真实地记录了科学史上一个伟大发现的艰辛历程。
原来，自从1820年奥斯特发现“电生磁”的现象后，许多科学家逆向思考：既然电能产生磁，那么磁能不能产生电呢？为了找到答案，包括法拉第在内的众多科学家进行了千百次的实验，但都以失败告终。在别人气馁时，法拉第并没有灰心，仍在不懈地探究。终于有一天，在他收拾实验器材时，不经意地从线圈中收起一根磁铁时，惊喜地发现和线圈相连的电流计上的指针竟然摆动了一下――磁终于产生了电。
有人说，法拉第是在偶然情况下发现磁生电的，没有什么了不起。但是请仔细想一想，如果法拉第没有实事求是的科学态度，没有不畏艰辛、契而不舍追求真理的科学精神，幸运之神又怎么会降临到他的头上呢？
03终极法官
1919年，爱丁顿如愿以偿地在发生日食时观测了太阳引起的星光弯曲，证实了爱因斯坦广义相对论预言的现象。有人问爱因斯坦，如果没有看到预言的星光弯曲，他会怎么想。爱因斯坦说：“那我会为亲爱的上帝感到遗憾，因为理论真是正确的。”
呵呵！如果真的没有看到预期的现象，恐怕爱因斯坦不会这么乐观了。至少，广义相对论被认可的时间会延长，甚至这个鲜有人懂的理论会被丢进垃圾箱。因为物理学以观察和实验为基础，结论是否正确最终需要实验来验证。诺贝尔物理学奖获得者、华裔物理学家丁肇中说：“实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验”。对于科学家与科学理论来说，实验无异于是一言九鼎的终极法官。那么，对于初中学生，物理实验又意味着什么呢？
2019年10月9日，阳光明媚。因为要讲摩擦起电了，我赶紧把毛皮、丝绸、橡胶棒、玻璃棒从实验室中拿出来放在教学楼前的空地上晒。两个给学校做展板的年轻人看到，问我这是什么东西？我说是上物理课用的器材。看他们有点兴趣，就问他们学过的初中物理还记着多少。他们说，都忘了。我还是不死心，又问有没有哪节课让他们印象深刻？其中一个人说“实验”，但是实验名称与内容又全都想不起来了。
丹麦物理学家奥斯特说：“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，因为归根到底，所有的科学进展都是从实验开始的。”呵呵！何止奥斯特不喜欢没实验的物理课，学生更不喜欢。实验是初中物理中最能吸引学生目光的了，就算是再不爱学习物理的学生，一看到物理老师拿着实验器材进了教室，瞬间就像打了鸡血一样，两眼闪着光。如果哪一节物理课上该做的实验没有做，学生们一定会大失所望的。
初中物理对实验尤为重视，《义务教育物理课程标准（2011版）》更是明确列出了学生必做的20个实验。这些实验包括测量型实验、探究型实验和操作型实验。测量型实验又包括直接测量型实验和间接测量型实验。
在实验时，要全心投入，用心观察，千万不能把自己当成一个看客。可问题是，怎么才算用心观察呢？至少要明确两点：观察的对象是什么？发生了什么变化？例如，在观察水沸腾的实验时，要观察两个方面：水的变化和温度计示数的变化，这是观察的对象。要比较水在沸腾前后产生的气泡、温度计的示数有什么不同？撤去酒精灯后，水还能不能保持沸腾？
除了用心观察，还要了解实验器材的使用方法、组装顺序、注意事项。还要知道每个间接测量型实验的原理，熟知探究过程中经常用到的科学方法。
实验虽然如此重要，但绝大多数学校的实验室只有在分组实验时才能进去，实验器材也不是能随意借出使用的。那么，想动手做实验怎么办呢？
答案之一就是组建自己的家庭实验室。因为物理实验不仅能在学校使用现成的器材做，也能在家里利用身边器材完成。家庭实验室的器材不需要多么专业，易拉罐、饮料瓶、磁铁、气球、铁钉等等都可以做为实验器材。
许多科学家在少年时都组建过自己的家庭实验室。法拉第出身贫寒，年少时在书店做书籍装订工作。有一次，他在装订《大英百科全书》时看到对“电”的介绍，立刻用旧瓶子和废弃木材做实验，验证书上描写的一些简单的观察数据，他还制作了一个能够产生电火花的手摇装置。费曼也有过类似的经历，他说：“我十一二岁的时候，在家里搞了个实验室。它由一个旧木头包装箱构成，我在里头加了搁板。我有个加热器，我平时把肥油放里边做法国炸土豆。我还有个蓄电池和一个电灯排。”通过制作“电灯排”他知道了灯泡用串联、并联的不同方法连接起来能够得到不同的电压。费曼还利用他这个简陋的实验室搞出了很多好玩的实验、有趣的发明。比如，他用电池和电铃做了防盗铃。“房门一开，门就把电线推到电池上接通了电路，那铃就响了”。还有一个众人皆知的例子，那就是爱迪生。据说爱迪生从小就喜欢收集各种各样的器材，建立了自己的小小实验室，从而走上了发明大王之路。
但是，你可能会反驳说，我又不想当科学家、当发明家，会做题就行了，干嘛要做实验呢？的确如此。不做实验也能成为“解题高手”，但你会错失更多。因为通过物理实验，特别是科学探究，我们收获的不仅是物理知识，还有影响我们一生的思维方式。
04“吃鱼”里的科学探究
在大多数情况下，物理知识是物理课上大放光彩的主角，但是在知识的背后还有一个幕后英雄，它就是科学探究。
科学探究听起来好像是科学家的专利，仿佛只在实验室中存在，但这并不是事实，科学探究也在日常生活中。浙江特级教师梁旭一次“吃鱼”的经历就是一个很好的例子。
那天，梁老师和朋友到餐馆吃饭。这家餐馆烧得石斑鱼味道鲜美，梁老师点了这道菜。这次的鱼吃起来肉质发硬，味道大不如前，有人认为这道菜是用死鱼做的。于是，他们叫来老板。老板拍着胸脯说鱼没有问题，是他亲眼看着杀的烧的。梁老师也没有争辩，说：“再给我们烧一条同样的鱼，还是用原来的厨师原来的做法，这次我们找一个人跟着。”等鱼做好后端上来，大家一尝，味道鲜美，与刚才吃的那条味道不一样。这下老板没话说了，赶紧说好话，说刚才那道菜不要钱了，还给送来了水果。
没有面红耳赤的争吵，梁老师和他的朋友们就云淡风轻地解决了问题。
究其原因，就是因为他们活学活用了物理中科学探究。
什么是科学探究呢？科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流等要素。简单地说，科学探究就是像科学家那样去研究问题。
在这次“吃鱼”事件中，梁老师等人发现鱼的味道不鲜美，并且根据以往吃这种鱼的经验，认为这条鱼不是活鱼做的，这是发现、提出问题，并提出猜想。
当然，仅有猜想不行，还要想办法来验证猜想，寻找证据来支持观点。这时，梁老师设计了一个方案：取同一种活鱼，再用同一个厨师用同样的做法做一道菜和桌上的鱼比较。
请注意，为什么要强调用一个厨师、同样的做法、同一种鱼呢？因为鱼烧好后味道的好坏不仅与鱼的死活有关，还与鱼的种类、厨师的手艺、烹饪方法有关。
像这样的研究对象（鱼的味道）受多个因素（鱼的死活有关，还与鱼的种类、厨师的手艺、烹饪方法）影响的问题，属于多变量问题，在物理中经常遇到。研究多变量问题时要使用控制变量法，也就是一次只改变一个因素，保持其他因素不变，观察研究对象是否发生变化。如果研究对象发生变化，说明与该因素有关；如果没有变化，则说明无关。
（2）哪个是因变量？如何判断因变量是否发生改变？
（3）控制变量有哪些？如何保持控制变量不变。
同样，在研究Y与X2的关系时，需要保持X1不变，改变X2，观察Y的变化情况。
第二次做鱼时，用同一种鱼同样的厨师同样的做法，就是为了避免鱼的种类、厨师的手艺、烹饪方法对鱼味道的影响，这样才能根据鱼的味道来判断第一次用的鱼是不是活鱼。这里使用的就是控制变量法。
在进行实验并收集证据后，并不是万事大吉，还需要让证据“开口说话”，也就是要从证据中得出结论并解释。在上面的故事中，按照控制变量法做出的第二条鱼明显和第一条鱼的味道不一样，说明鱼的味道与鱼的死活有关，由此推理出第一条鱼是用死鱼做的。
在整个过程中，梁老师也和朋友们进行了适当的交流，比如品尝后都认为第一条鱼不好吃，第二条鱼味道鲜美。实验还需要分工协作，负责做鱼的厨师相当于具体操作实验的人、梁老师和他的朋友吃鱼则是观察并记录实验现象。
如此看来！物理岂不是一种智慧！的确如此，学好物理能让人变得更聪明。
那么，怎样才能学好物理呢？
05学好物理的七种武器
学好初中物理需要七种武器。
武器1：永葆好奇心
物理学家生活的世界与我们生活的世界并无不同，一样有春夏秋冬、风花雪月，但是与我们不同的是，物理学家大多有着无尽的好奇心。
美籍日裔物理学家加来道雄说，引领他走上科学之旅的是他8岁时听到的一个故事：有一个被誉为人类历史上最伟大的物理学家，在他死后办公桌上还放着没有完成的论文。做为一个孩子，加来道雄特别想知道这个物理学家没有完成的论文写的是什么？又是什么问题如此重要值得这个伟大的物理学家用尽一生追寻答案却又没有结果？由于好奇，加来道雄决心学习这个物理学家研究的一切理论，包括完成的和没有完成的。于是，他花了好多时间阅读关于这个物理学家和他的理论的每一本书。后来，他知道这位伟大的物理学家没有完成的论文是统一场论，这个理论试图解释所有的自然规律，从微小的原子到浩瀚的星系。
现在你一定猜到了，这个伟大的物理学家就是爱因斯坦。爱因斯坦也是一个充满好奇心的人。16岁时，他想象自己如果与一束光并肩而行会发生什么情况。
难道，好奇心是未来科学家的标配，是他们专属的“稀缺品”？当然不是！好奇心人皆有之，且与生俱来。每一个小孩子的脑袋里都充满了问号，总是会向爸爸妈妈提出一大堆问题。遗憾的是很多爸爸妈妈不胜其烦，以“问那么多干嘛”“你长大了就知道了”等话来搪塞。久而久之，孩子们的好奇心也就渐渐地泯灭了。
而要想学好物理，需要重拾好奇心，尝试在寻常的现象中发现问题。要知道，现象是物理学的根源，绝大部分物理学是从现象中来的。
在生活中，你是不是一个充满好奇心爱提问题的孩子呢？
如果在你的脑海中也有很多这样的问号在浮浮沉沉，说明你已经拥有了一颗好奇心。
虽然这些问题你可能现在还无法解决，但它们却可能变成一颗颗种子，埋在你的心里，在适当的时候生根发芽，甚至长成参天大树，就像爱因斯坦年少时的追光疑问孕育出了相对论的硕果。
所以，希望以后你看到或听到一个现象时，都要在脑海中追问一声：“为什么？”
武器2：搞清逻辑
难道这里面还有什么玄机？当然，因为这里有个因果关系：没有入射光线就没有反射光线，反射角的大小是由入射角的大小所决定的。因此，如果把“反射角等于入射角”说成“入射角等于反射角”，无异于把“儿子长得像爸爸”说成“爸爸长得像儿子”。呵呵！这样说不成笑话了嘛！
武器3：言之有理
做为法官，不能不熟悉法律条文。在判决书上，更要写出该判决依据的是什么法第几条。那怕是判决错误，也是引用法律错误，对法律条文理解不透彻而导致的。没有一个法官会说，他是根据生活经验或自己的喜好做出判决的。
如果在学过物理之后，你给的答案还都是“是”，说明“常识”在你心里是多么的根深蒂固。爱因斯坦说过：“常识就是人在十八岁之前累积的偏见。”包括物理在内，随着学习的深入，你将发现仅凭生活经验获得的那些常识有多么的狭隘。如果不超越这些常识，你将永远是井底之蛙。能将你带出井底的唯一方法，是不断地用知识来替代所谓的常识，而不是让常识牢牢占据你的头脑。
自以为是地认为知识应该符合常识的想法实在是大错特错的。换个角度想也很容易理解，如果物理问题不需要物理知识，仅凭常识就能解答，这道物理题还有什么存在的价值，毕竟出题人也不是吃素的。
武器4：举例说明
在引入“密度”一节时，我拿出一长一短两根粉笔，问：“这两根粉笔有什么不同？”
学生答：“长短。”“体积。”“轻重。”“多少。”“大小。”“质量。”
这些答案都可以接受，长短、轻重、多少、大小是生活中描述，“长短”对应的是物理量是长度，“轻重”和“多少”对应的是质量，“大小”对应的是体积。
这时又有一个与众不同的声音响了起来：“密度。”
这个答案让我思维瞬间暂停，要知道这节课将要学习的是“密度”。在这一刻，密度还没有“出生”呢！我问他什么是密度，他说不知道。他仅仅是看到书上有“密度”这个名词，就顺口说了出来。
这说明什么？
仅仅知道一个名称是没有意义的！因为知道和弄懂是有很大区别的，就像你知道了一个新来的同学叫什么名字并不代表你对他的性格、爱好都了如指掌。
这就警示我们，学物理时千万不要空谈或者仅凭自己的想象就随意地使用专业名词。如果你习惯了这样做，就会慢慢成为一个“名词党”，除了炫耀你很“专业”以外，其实一无所获。要正确地了解一个物理概念，就要了解它的来龙去脉，最好是能用举例说明。下面这个故事或许对我们有所启发。
这个故事告诉我们，是否掌握了某个知识，不在于是否知道某个名词，也不在于能否熟练地背诵出它的定义，而在于能否得心应手地用它解释生活中的现象，也就是能够领悟这个名词指的到底是什么。
武器5：画个草图
回想一下，你以往是如何分析问题的。是不是两眼盯着题，脑中思维乱飞，却从没有拿起笔在草稿纸上写写画画。如果老师提醒你先画图，你还可能不屑一顾地说：“用脑子想就行了！”
分析问题时画图真的是多余的事吗？当然不是。
画图是分析问题行之有效的一种方法，物理也不例外，特别是面对那些情景比较复杂的物理问题，最好的办法就是画出题中叙述的各个状态对应的示意图，把题中情景清晰直观地再现出来，这样一来解题线索就会变得清晰可见。比如下面这道题：
以上是分析过程，规范的解答过程待学习物理后再写也不迟。
从这个例子可以看出，画图的确是分析物理问题的神兵利器。用一个时髦的名字，叫做思维可视化，每一幅图就是一个“藏宝图”，在寻找解题线索时再也不用翻来覆去地看文字描述了，只需在画出的图中搜索即可。
在物理中，这种“可视化”几乎无处不在。比如，用光路图表示光传播的路径；用受力分析图表示物体的受力情况；用等效电路图简化复杂电路连接。除此以外，在学完每节、每章、每个版块的知识后，还可以用思维导图表示这些概念、规律间的层级结构以及各个知识点间的联系。“物理西游记”一节中的鱼骨图、“终极法官”一节中的“初中物理学生必做的20个实验”都属于此类。
所以，要想学好物理，就赶紧拿起笔准备画图吧！
武器6：发现身边的物理
学习物理最好的方法是从关注身边的现象开始。
有一次，我看到一瓶矿泉水上的包装纸上写着“好水不硬才养人 每500mL＜499.8g”，如图5-3所示。
图5-3
水的密度小有什么值得夸耀的呢？原来，水的密度越小，说明水中含有的杂质越少，水质越好。想当年，清朝皇宫里的生活用水都取自北京玉泉山，就是因为用同样的一个小斗来称量，玉泉山的水只有一两，而济南趵突泉水有一两二厘，镇江金山中泠泉水有一两三厘，无锡惠山惠泉水重一两四厘。
你看，留心观察生活，一个小小的商标上也有这么多物理知识。如果追根究底，还可能发现一些更有趣的冷知识。在吃货的眼里，看到什么都是美食，当你眼之所见，都能不由自主地联系到物理，又怎么会担心学不好物理呢？
武器7：回头看
这里所说的“回头看”，有三层含义：
一是学完每节后，要想一想本节收获到了什么？还有什么疑惑？
最好的办法是以本节题目或其中一个重要知识点为题，看看能联想到什么，就像在百度中输入一个关键词，然后敲下Enter键后看看能搜到多少条信息。当你大脑中浮现出的与这个知识点相关的信息越多，说明你对所学内容了解越多；反之，如果大脑一片空白，像电脑屏幕上出现“该网页无法显示”，说明你学完这一节后一无所获。
就算你脑海中搜到了信息，也才仅仅是开始。你还要尝试去梳理这些零乱的信息，使它们变得有条理。例如，它的定义是什么？用什么字母表示？在国际单位制中，它的主单位是什么？用什么符号表示？常用的单位还有什么哪些？换算关系是什么？它的影响因素是什么？能不能使用公式进行计算？能不能测量？如果能，如何测量？测量工具如何使用、读数？测量过程包括几个步骤？测量时要注意什么问题？等等。简单地说，就是以它为中心编织一个知识网，这个网越大越密，你对它了解的就越透彻。
二是解题后不要急着做下一道，要想一想这道题还没有其他的解法？把它改编一下能不能变成一个新题？它和以前做过的哪些题有相似之处？
这就是解题的三重境界：一题多解、一题多变和多题归一。
这就是一题多解。通过一题多解可以检查自己对知识应用的熟练程度，还可以从中找到最适合自己的解法，即“有中选优”。
所谓一题多变，就是将这道题的已知条件或所求问题进行改变，或者改变难度、题型，或者换上一个新情景等。
如果原题可以看做是人和燃烧的引火线在赛跑，这道题就是野兔和秃鹰在赛跑，并且是生死时速。这两种情景又有什么不同呢？！除此以外，我们还可以换成警察追小偷的情景，等等。
最后，说说多题归一。
这道题的本质是通过计算后得出数据，然后比较数据做出判断。对我们来说，解题收获的不仅仅是分数，还有证据意识、实事求是的精神。这样的问题在生活、习题中还有很多。
例如，教室里的饮水机，在放学后不需要热水了，饮水机还会间歇性地加热、保温，白白消耗电能；如果关闭，第二天早起，水又变凉了，还得重新加热至高温，水的升高的温度多，消耗更多的电能也会多。那么，到底哪种方法更省电呢？不能仅靠猜测，还需要根据相关数据计算出两种方法消耗的电能，再比较计算结果才能下结论。
一题多解、一题多变是思维发散的过程，而多题归一则是思维聚合的过程。通过思维发散拓展了视野，由点到面；通过思维聚合，又整理归类，洞悉本质。
三是尝试将新知识与旧知识建立联系。
学物理的过程像是在看一部小说，前文的事件中总有一些谜团等读到了后面篇章后才能找到答案，很多物理知识初学时也会让人不明就里，但当学习了后面某个知识后突然就恍然大悟。
例如，前面提到的“人走近平面镜时，镜中的像会变大、变小还是不变”的问题，就算已经凭借着物理知识得出了“不变”的正确答案，但这并不代表疑惑也随之消失了。因为我们逐渐靠近镜面时，的确看到自己在镜中的像变大了。这又是为什么呢？这个问号，学习了“视角”后才能被抹去。如图5-4所示，人在观察同一物体时，视角越大，会认为该物体越高。人离镜面越近，人在镜的像离镜面就越近，这样人和像的距离也随之变小。由于像的高度不变，所以这时人观察自己在镜中的像时，视角会变大，从而感觉像也“变大”了。
图5-4
再如，物质常见的状态有固、液、气三种，并且这三种状态可以相互转化，即发生物态变化。然而，是什么决定物质以哪种状态存在？为什么冰在熔化和凝固时温度不变？这些现象发生的原因，在学习“物态变化”时并未涉及。当你学习了九年级的“分子动理论”和“内能”的知识，才能洞悉其中的秘密。
表面上看，很多物理知识是零散的，声、光、热、力、电等毫不相干，像是东一榔头西一棒槌。但是换个角度来看就一样了。学习“密度”时联系前面学过的“速度”，就会发现虽然两者看上去没有联系，但其实它们的定义方法都是比值定义法，测量都属于间接测量。并且，在状态一定时，物质的密度与它的质量、体积无关，就像匀速直线运动的速度与路程、时间无关。这样一来，新旧知识间就建立了联系，旧知识的学习过程就成了学习新知识的“模板”。因为有了“模板”，新知识学习起来也就容易多了。
06指尖上的单位换算
物理是一门以观察和实验为基础的科学，在实验过程中往往需要记录相关数据，数据的准确度影响着实验结论是否正确。而要想得到准确的实验数据，离不开精确的测量。
所谓测量，就是将待测的物理量与一个标准量进行比较。标准量就是单位，比较要用工具。因此，要进行测量，需要先做好两个准备：一是测量单位，二是测量工具。
测量单位不仅要有，还要得到大家的公认。因为没有统一单位，测量结果就会莫衷一是。想想“小马过河”的故事就知道了。
同样一条河，老牛说水很浅，才没小腿，能趟过去；松鼠说，水很深，昨天才淹死一个同伴；当小马进入河中才发现河水既没有老牛说的那么浅，没有松鼠说的那么深。为什么老牛、松鼠一个认为河水浅另一个却认为河水深呢？原因就在于“测量”河水深度时它们都是以自身为“标准”，没有统一标准。因为没有统一标准，所以老牛与松鼠自说自话，搞得小马不知所措。
如果你觉得这样玩单位换算没意思，就教你一个有趣的！
呵呵，五个手指都用不完了？
搞清楚了单位换算关系，就可以进行实战了。具体单位换算过程，最多两步：换单位，变数字。
先看一个大单位换算为小单位的简单例子。例如把5.4km的单位转换为m和nm，只需要“换单位”一步即可到位。
再举一个小单位换算为大单位的例子，将200nm的单位换算成m。
敲黑板，画重点了。
单位换算的方法分为两步：一，换单位；二，变数字。这是知识与技能。
单位换算中蕴含着等效替代的思想，这是科学思维。
再将单位换算推及到生活中，你用1角钱换别人1元钱肯定行不通，因为1角钱与1元钱不等价，两者不能相互替代。但是你用10角钱就可以换1元钱，因为10角钱与1元钱是等价的，所以两者可以彼此替代。等效替代体现了公平原则，这是情感态度与价值观。
最后，再补充一个小知识。
单位前缀除了以上介绍的k、d、c、m、μ、n以外，还有很多，如下表所示：
07人类从来不看说明书
初中物理中常用的测量工具有刻度尺、停表、天平、量筒、温度计、弹簧测力计、电流表、电压表，分别测量长度、时间、质量、体积、温度、力、电流、电压，如图7-1所示。
图7-1
试想，如果有一个新的测量工具摆在你的面前，你首先要做的什么？
答案是：阅读说明书。
从说明书中能够知道测量工具的用途、原理、结构、性能、使用方法、保养方法、注意事项，等等方面的内容，如图7-2所示，是弹簧测力计使用说明书。
图7-2
阅读说明书时，有两项要特别留意：使用方法和注意事项。因为进行实验时，要有安全意识。这里所说的安全有两层意思：一是人身安全，二是仪器安全。熟知仪器的正确使用方法和注意事项是保证仪器安全的前提。如果这两项如果没有看懂，轻则不能得到正确的测量结果，重则损坏测量工具。
岂止测量工具，蓝牙耳机、手机、电饭锅、微波炉等等家用电器也都配有说明书，就算打个游戏，开局也会弹出游戏说明，先看说明书是一个好习惯。可是很多人不是这样，拿过来就用，靠实践来积累经验，这样会走很多弯路。怪不行螺丝钉嘲笑说：“人类从来不看说明书！”（注：螺丝钉是动画片里的一个人物）
但是，如果说明书丢失，或者没有说明书呢？
那就先仔细端详测量工具。
虽然测量工具不会说话，但是在它的面板上仍显示着许多信息。如图7-3所示，是一把刻度尺――测量长度的工具。
图7-3
一是从尺面找到数字的单位。
在图7-3所示刻度尺的尺面上标有“cm”，表示刻度尺上数字的单位是cm，则尺面上的数字“1、2、3、4、5、6、7、8”分别表示“1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm”。
二是观察测量工具的零刻度线在哪里？量程是多少？分度值是多少？
图7-3所示刻度尺的零刻度线在左端，这可能是一把塑料尺或木尺，零刻度线之所以没有在最左端，是防止把零刻度线磨损。如果钢尺，因为不易磨损，所以零刻度线一般在最左端。使用刻度尺测量长度时，一般要将零刻度线与被测长度一端对齐。如果零刻度线磨损，选用一个刻度线做为临时零刻度线，刻度尺仍能使用。
量程就是测量范围。图7-3所示的刻度尺的量程是0～8cm，说明使用这把刻度尺可以一次可以测量不大于8cm的长度。
分度值是测量工具的最小刻度值，也就是相邻两个刻度线之间的长度表示的物理量的大小。分度值决定了测量的精度，分度值越小，测量结果的精度越大。图7-3所示的刻度尺的分度值是1mm，说明测量结果能精确到mm。
对天平、弹簧测力计、温度计、电流表、电压表这些测量工具来说，零刻度、量程和分度值还决定着能否得到正确的测量结果、也关乎测量工具的生死存亡。比如，电压表，如图7-4所示。
图7-4
在图7-4所示电压表的表盘上有一个字母“V”，说明表盘上数字的单位是V（伏）。
使用前，观察电压表的指针是否指“0”刻度线，如果没有，需要先把指针调整到零刻度，这个过程叫做调零。如果没有调零，会导致测量结果偏大或偏小。秒表、天平、弹簧测力计、电流表在使用前也需要调零。
接下来就是要说的重点：量程和分度值。
在图7-4所示电压表的表盘中有两行刻度，这说明该电压表有两个量程：0～3V和0～15V，且两个量程对应的分度值分别为0.1V和0.5V。选择量程的标准是，在所测电压不超过量程的情况下，选用较小的量程。比如要测量2.5V的电压，使用0～3V和0～15V的量程都不会损坏电压表。但是，使用0～3V的量程时，由于分度值较小，指针偏转角度较大，所以测量结果更加精确。但是，要测量4V的电压，那就没得选了，只能选择0～15V的量程。
再次强调，使用温度计、天平、弹簧测力计、电流表、电压表，一定不能让所测的量值超过所选量程，否则有可能会损坏仪器。切记！切记！
最后，说说读数。
无论哪种测量工具，读数时都要让视线正对刻度线，即视线与尺面（或表盘）垂直，不能斜视。如图7-5所示的使用刻度尺测量长度的读数中，B的读数方法正确，A的读数方法错误。
图7-5
使用刻度尺读数时还要估读分度值的下一位。比如，在图7-5所示中，物体左端与“0”刻度线对齐，则该物体长度等于它右端对齐的刻度线的数值，读数结果为3.45cm，其中3.4cm是准确值，0.05cm是估读值。
需要说明的是，估读值有一位即可，因为估读值已经不准确了，所以往下估读再多也就没有意义了。呵呵！测量结果不能没有估读值，但也只能有一位估读值。人生岂非也是如此，没有孤独过，不算拥有完整的生活，而孤独太多，又是没有意义地活着。
08运动世界的罗生门
说起运动，我们能举出一大堆例子。但是《宇宙的琴弦》中的这段精彩的描述，我相信各位读者都不曾经历过。
乔治和格雷茜分别从自己的视角讲述了一件同样的事情，他们都觉得自己是静止的，而看到对方是运动的。他们之所以都认为对方是运动的，是因为他们将自身当成“标准”，也就是认为自己是静止的，因为对方相对于自己的位置发生了变化，从而认为对方是运动的。
这里所说的“标准”就是物理中的参照物。所谓参照物，就是在研究物体运动情况时假定不动的标准物。当物体与参照物的位置发生变化时，我们认为该物体是运动的；反之，当物体与参照物的位置没有发生变化时，我们就认为物体是静止的。
在上面的故事中，乔治和格雷茜都把自己当成了参照物来判断对方的运动情况。如果将对方当作参照物，他们又会如何描述自己的运动情况呢？我想应该是这样的：
虽然你没有机会像乔治与格雷茜一样身处茫茫太空，但是如果有一天你坐在汽车里也可以体验一下这种感觉。当汽车在笔直的高速公路上快慢不变地向前行驶时，你不妨闭上眼睛，看看自己能否感受自己是在运动的。但是当你睁开扭头看到窗外向后飞驰的树木时，或着看到前方的路标在不断地变近，你就不会怀疑汽车正在飞速前进。因为你睁开眼时，以路面或树木参照物，判断出了你正坐在高速行驶的汽车上。
但是乔治和格雷茜就没有你这么幸运了，他们周围除了对方，空无一物，这时他们只能自己为参照物来描述对方的运动情况，或者以对方为参照物描述自己的运动情况。如果想要描述对方和自己的运动情况，还要与其他物体进行比较。
例如，在敦煌曲子词中有这样的诗句：“满眼风波多闪烁，看山恰似走来迎，仔细看山山不动，是船行。”
像乔治和格雷茜一样，在水上泛舟的诗人在最初也是从自己的视角出发，以自己为参照物，判断山是运动的；但是他随即就知道原来是自己的船在向前运动，山并没有运动。是因为选择了船（包括自己）和山之外的物体，即地面（或岸）为参照物，因为船相对于地面的位置发生变化，山相对于地面的位置没有发生变化，所以他判断出“是船行”而不是“山来迎”。
同样的山，以船为参照物是运动的，以地面为参照物是静止的。由此来看，当同一个物体选择了不同的参照物时，得出的运动情况也会是不同的，也就是说运动和静止是相对的。
相对性不仅仅存在于运动中，看待问题也与此类似。比如，同一件事，公说有理婆说婆有理，就是因为彼此站在不同的立场，这才有了不同的看法，不同的态度。这时如果能换位思考，站在对方的角度考虑，便能多一分理解，少一些苛责。或者站在第三者的角度，置身事外地客观分析，又可能得到不一样的结论。
09速度公式金字塔
物理学家费曼是讲笑话的高手，他善于借助笑话引发对学生物理的思考。下面这则笑话就来自于他：
说实话，你可能觉得这个笑话一点儿也不好笑。这很正常，因为要找到笑点并不容易，至少要搞懂三个物理量：路程、时间、速度。
路程与时间我们都很熟悉，对于速度你或许也略知一二，汽车上速度计指针指示就是速度值。
对于速度，你的认识可能是“速度越大跑得越快”。的确如此，速度就是用来表示物体运动快慢的物理量。比如，在非洲大草原上，猎豹追逐着羚羊。如果猎豹追上了羚羊，说明猎豹比羚羊跑得快，即猎豹比羚羊的速度大；反之，如果猎豹被羚羊甩得越来越远，说明猎豹比羚羊跑得慢，即猎豹比羚羊的速度小。
如果猎豹比羚羊的速度大，猎豹就能追到羊，猎豹吃了羊饱了肚子，羚羊就丢了性命；如果猎豹比羚羊的速度小，羚羊就能死里逃生了，但猎豹会饥肠辘辘。
这可真是生死时速！
那么，问题来了，猎豹的速度是多少？羚羊的速度是多少？这就涉及到如何计算速度。
想想第6节“指尖上的单位换算”一节中讲的单位换算的两个步骤：换单位、变数字。
原来，1m/s＞1km/h。怪不得孔子说：以貌取人，失之子羽。
km/h这个单位经常在交通运输中使用，汽车速度表上显示的速度就是以km/h为单位，如图9-6所示。
图9-6
现在让我们回头看着费曼讲的笑话。警察说女士的车速是60英里/时，女士却反复强调自己不可能行驶60英里。（注：1英里＝1.609344千米）
显然，女士不理解速度的含义，把速度与路程混为一谈。
那么，速度与路程没有关系吗？
答案是：看情况。
要想搞明白这个问题，还得了解运动的分类。根据运动速度是否发生变化，机械运动可分为匀速运动和变速运动。顾名思义，匀速运动就是快慢不变的运动，变速运动就是快慢发生变化的运动。另外，根据运动经过路线的形状，机械运动又分为直线运动和曲线运动。如果一个物体运动速度不变，通过的路线又是直线，那么这种运动就是匀速直线运动。生活中的匀速直线运动很难见到，简直是凤毛麟角。毕竟，速度是否变化、运动方向是否变化取决于实际的路况。
在匀速直线运动中，速度是不变的，与路程和时间无关。你想，速度如果变化了，还能叫匀速吗？在匀速直线运动中，路程和时间的比是个定值，即路程与时间成正比。正是因为在匀速直线运动中速度不变，所以我们可以用速度来表示做匀速直线运动物体运动的快慢程度。
那么，在变速运动中呢？速度是不断变化的，又该如何表示物体运动的快慢呢？
平均速度。
在许多情况下，我们不需要精确地知道物体在每一时刻运动的快慢，只要用速度公式计算出物体通过某段路程（或在某一段时间内）的速度即可，这就是平均速度。平均速度好比平均分。比如某次考试，某班学生的物理平均分为80分，这并不是说每个学生都考了80分，甚至可能没有一个人正好得了80分，80分只是代表该班全体学生物理的平均成绩。如果再计算全班女生的物理平均分，那就未必是80分了，因为人数和总分都发生了变化。
同样道理，如果路程变了或者时间变了，那么平均速度也可能随之改变。生活中所说的速度，大多指的是平均速度。
现在让我们再次回到那个笑话的情景中，警察对女士说：“如果您继续像刚才那样开车，在下一小时内您将驶过60英里。”请注意，警察说的是“如果”。这说明警察也知道汽车大概率是不会长时间匀速行驶的。这样看来，车速60英里/时不是匀速直线运动中的速度。
那么，60英里/时是平均速度吗？
也不是，是瞬时速度。
瞬时速度是指物体在某一时刻或某一位置时的速度。做匀速直线运动在运动过程中速度保持不变，任何时刻的瞬时速度和整个运动过程的平均速度也相同。但在变速运动中，瞬时速度就不等于平均速度了。
10 勇敢者的游戏
自然界的一切物体都在运动，运动的形式也多种多样。
除机械运动这样能够直观地被人感知到的运动外，还有许多我们无法察觉的微观粒子的运动。
当运动形式相同时，物体的运动特性可以用某些物理量来描述。例如，速度是描述机械运动的物理量；电荷的定向移动形成电流，电流可以用电流、电压、电功率等物理量来描述。
但是当运动形式不同时，这些物理量就爱莫能助了。这时，物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量。
能量是一切运动着的物质的共同特性，不同的运动形态对应着不同的能量。
宏观物体的机械运动对应的能量形式是机械能。
分子运动对应的能量形式是内能。
带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能。
光子运动对应的能量形式是光能。
如果按照能量的来源来分，原子核的分裂与聚合释放的能量是核能，原子重新排列组合发生化学反应时释放的能量是化学能，还有太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能，等等。
哈哈！这真是无所不能！
机械能是这些能量中与我们日常生活联系最密切的能量，是今天的主角。
机械能包括动能和势能。
动能就是物体由于运动而具有能量，一切运动的物体都具有动能，并且物体的质量越大、速度越大，动能就越大。
速度是相对的，动能也是相对的。比如，空中的小鸟。假定一个质量是0.5kg的小鸟的相对于地面的飞行速度是10m/s，小鸟撞在你的身上不过相当于正常走路的人撞在电线杆上，没有什么大碍。但是撞在高速飞行的飞机上就不一样了，因为小鸟相对于飞机的速度远远大于相对人的速度。假定飞机相对于地面的飞行速度是290m/s，当小鸟与飞机相向而行时，以飞机为参照物，相当于小鸟以300m/s速度“冲”向飞机。如此大的速度会将小鸟变成一个有着非常大的动能的“炮弹”，相当于一个人骑着电动自行车以70km/h的速度在公路上飙车――当然，这实际上是做不到的，因为现在电动自行车的限速是25km/h。但是，小鸟却做到了。当它撞上飞机，轻则导致飞机紧急迫降，迅速检修；重则导致飞机坠毁。所以，为了避免飞机与小鸟相撞，很多机场都配置了驱鸟设备。
势能是一种存储待用的能量，包括重力势能和弹性势能。
重力势能是指物体由于被举高而具有的能量。物体的质量越大、位置越高，具有重力势能就越大。物体所在高度是相对的，重力势能也是相对的。假如你家住在11楼，在地板上放一个空酒瓶。相对于你来说，这个酒瓶所在高度是0，所以它的重力势能为0；但是相对于地面来说，它足足有30m高，那就具有很大的重力势能了。如果酒精被你随手抛出窗外，砸到路上的人，就足以要人性命了。所以，高空抛物是被严格禁止的。
弹性势能则是物体因为发生弹性形变而具有的一种能量。比如被压缩的弹簧、拉长的橡皮筋、张开的弓等都具有弹性势能。
同一个物体可以既有动能又有势能，并且动能和势能之间可以相互转化。
如果你信任我的话，可以做这样一个游戏：
那么，瓶子在摆动过程中与空气摩擦消耗的机械能去了哪里？转化成了内能，变成了热量。
这岂不是说机械能和其他能量也可以相互转化。是的！能量不仅可以相互转化，还可以转移，并且在转移和转化的过程中总量保持不变，这就是能量守恒定律。
能量守恒定律是物理世界至高无上的天条律令。
环顾四周，各种各样的能量数不胜数。但是，要说在生活中应用最普遍，电能当仁不让。
为什么？因为电能可以方便地转化为其他形式的能，并且来源广泛。所以它是非常理想的能量转化站。
看看我们的生活就知道电能的强大了！电热器工作时，电能转化为内能，放出热量；电动机工作时，电能转化为机械能，为人类提供动力；电灯工作时，电能转化为光能，点亮黑夜；打开收音机，电能转化为声能，播放出美妙的音乐；给手机、电动车充电，电能又转化为化学能储存起来蓄势待发。
那么，电能从哪里来呢？
发电厂。
火力发电厂消耗煤炭。煤炭燃烧，把储存的化学能转化内能，释放出热量；这些热量又加热水，产生蒸汽推动蒸汽轮机转动得到机械能，最后再通过发电机将机械能转化为电能。
煤炭储存的化学能又是从哪里来的？答案是太阳。万物生长靠太阳！植物吸收太阳光发生光合作用，将太阳能转化为化学能。煤炭则是上亿年前被埋葬的植物形成的。
煤炭、石油、木柴、风等这些能够提供能量的资源叫做能源，能源就是能量的来源。追根溯源，除核能以外的几乎所有能源都来自于太阳，因此太阳被称为能源之母。相对于人类来说，太阳可以说是不生不灭，太阳能更是取之不尽用之不竭。
既然如此，为什么还有能源危机？还要提倡节能呢？
道理并不复杂。人类利用太阳的方式主要有两种：一种是光热转换，如太阳能热水器；一种是光电转换，如太阳能电池。只是现在来看，这两种方式对太阳能的利用率还是太低了。而煤炭、石油、天然气等能源虽然也来自太阳，但形成周期太长了，动辄以亿万年计量，堪称化石了，因此这三种能源也被称为化石能源。化石能源在地球上储存有限，用完了也不能在短期内生成，坐吃山空，又怎会没有危机！
应对能源危机的方法不外乎两种：一是节约能源，减少化石能源的开采与使用；二是发展新能源，如太阳能、风能、水能、核能等。对我们来说，在日常生活做到随手关灯、夏天把空调温度调得稍高一些，也是在为节约能源贡献绵薄之力。
11 密度公式是一首浪漫的歌
如果有人问你：“铁和木头哪个重？”
你很可能会脱口而出：“铁重！”
但是如果让你思考1分钟再回答，你也许就觉得刚才的回有点草率了。
铁、木头都是物质，物质构成了物体。轻重是生活中的说法，其实指质量。质量表示物体含有物质的多少。由此来说，“铁和木头哪个重”的意思应该是“铁制成的物体和木头制成的物体哪个质量大”了。
这个问题还是不好回答。因为铁制成的物体有很多，铁钉、铁锤、铁锹、铁锅、……，这些铁制品的质量有大有小。木头也是如此，既能做成质量很小的牙签，也能做成质量较大的桌子。如果拿一个铁锤和一个牙签比，当然是铁锤比牙签的质量大，因为铁含有的物质比牙签多，这样看来应该是“铁比木头重”；如果拿一个铁钉和一个桌子比，答案正好相反，因为铁钉比桌子含有的物质少，这时结果就变成了“铁比木头轻”。
为什么会出现两个相反的结论呢？
因为标准不统一。生活经验告诉我们，同样是铁制成的，一个铁钉比一个铁锤轻的质量小。这不难理解，因为铁钉比铁锤的体积小。再进一步追问，还能想到铁锤的体积是铁钉的体积的多少倍，铁锤的质量就是铁钉质量的多少倍。换成木头或其它物质制成的物体，也是这样。由此可以得出一个普通的结论：由同种物质构成的物体，体积越大，质量越大。准确地说，同种物质的质量与体积成正比。换用一种表达方式，就是“同种物质构成的物体的质量与体积的比是一定的”。
那么不同的物质构成的物体的质量与体积的比相等吗？比如，铁锤的质量与它的体积的比和牙签的质量与它的体积的比相等吗？答案是：不相等。换句话说，体积相同的不同物质，质量不同。
现在或许你该知道怎么滴水不漏地回答最初的问题了。
“体积相同的铁和木头，铁的质量比木头大。”没错！但，这说明什么？
这说明不同物质构成的物体的质量与体积的比是不相同的。换句话说，这个“比”反映了物质一种与众不同的性质。
在物理学中，我们用密度表示物质的这一性质。某种物质组成的物体的质量与它的体积之比叫做这种物质的密度，用“ρ”（读做柔）表示。
这样来看，“铁和木头哪个重”正确的问法应该是“铁和木头哪个密度大”。这里的“重”其实指的是密度大。同样，“油比水轻”的正确说法是“油比水的密度小”。也就是说，这里的“轻、重”描述的是密度，而不是质量。
也许还没有意识到，你已经遇到物理中最浪漫的一个公式了。
浪漫在哪里？
少年的“♡”被丘比特温柔一箭射中，悸动的心上面变成了“m”，下面变成了“V”，如图11-1所示。
图11-1
呵呵！言归正传。
换算过程和m/s换算成km/h相同，可以自己试试。
常见的物质的密度从大到小的排列顺序是：金、水银、铅、铜、铁、铝、石头、水、油、酒精、空气。
图11-4
12 给力画幅肖像
终其一生，我们都与各种各样的力相爱相杀。
例如，重力让我们牢牢地在地面上站稳，却又阻止我们向上跳起；摩擦力让我们走路时不会滑倒，却又将我们的鞋底磨平、手掌磨破。我们对物体施加压力、拉力、推力、支持力将物体压瘪、拉长、推动、托起，当然我们也有过承受这些力作用在我们的身上的体验。
虽然这些力无处不在，可它们却从来不露出真面目，我们也只能像福尔摩斯一样通过蛛丝马迹来获知它们的存在。
例如，发球员踢足球一脚，足球从地上飞向球门，对方球员又在中途拦截补上一脚，使球偏离了原来的方向。在几番争斗之后，足球终于飞向球门，却在最后关头被飞身而起的守门员伸手的双手牢牢抱住。在这个过程中，每一次转折时足球都受到了球员的作用力。物体由静到动，由动到静，由快到慢，由慢到快，或者方向发生改变，都可以看做是运动状态发生了变化。当物体运动状态发生变化时，表明它一定受到力的作用。
力除了可以改变物体的运动状态，还可以使物体发生形变。形变是指物体由长变短、由短变长、由直变弯、由弯变直，以及发生扭曲等。比如用手拉伸弹簧时弹簧变长、挤压气球时气球变瘪、撑杆跳时运动员把杆压弯，等等。
脚踢足球，脚对足球施加了力；手拉弹簧，手对弹簧施加了力；磁铁吸引铁钉，磁铁对铁钉施加了力。从这些例子可以看出，要产生力至少需要两个物体，我们把前一个物体叫做施力物体，后一个物体叫做受力物体。
以后我们认识任何一个力时，都要先弄明白它的施力物体与受力物体分别是谁。
比如重力。施力物体只有一个――地球，受力物体是地面附近的一切物体。不管是人、鸟兽、树木等等有生命的物体，还是石头、汽车、飞机等等这些没有生命的物体，无论它们是静止还是运动，只要它们还在地面附近，就时时刻刻地承受到着重力的作用。
有人说，没有从天而降的成功，每从跌倒里站起一次，成功就近了一寸。从物理角度来说，跌倒是重力把你拉向地面的结果，但跌倒后手掌被擦掉了一层皮，绝对是摩擦力的杰作。对手掌受到的摩擦力来说，施力物体是地面，受力物体是手掌。
好了！现在不妨平复一下心情，坐在沙发上休息一下。顿时松软的沙发被你一屁股坐出一个坑，这是因为你对沙发施加了一个压力。对于这个压力来说，你是施力物体，沙发是受力物体。
在上面几个例子中，我们都能为每个力找到施力物体与受力物体。如果有一天，你认为某个物体受到了某个力，却寻寻觅觅找不到施力物体是谁，那么答案只有一个：这个力是不存的，是你假想出来的。
但是，仅仅知道了施力物体与受力物体，并不能说已经了解了这个力。就像你不能只能说出朋友的名字，至少还能向别人描述他的身高相貌。那么，我们如何去描述一个力呢？
要想描述一个力，需要指明它的大小、方向和作用点，这三个合称力的三要素。
如果你觉得这样还不能说明白，还可以给力画一幅肖像――力的示意图，就像你拿出某个同学的照片给别人看，远远比语言描述更加直观。
所谓力的示意图就是从力的作用点开始，沿力的方向画出一段线段，并在线段末端画出箭头表示力的方向。要想表示出力的大小，需要在箭头的旁边标出来。
还等什么？赶紧拿起铅笔和直尺，为你心中的力画一幅肖像吧！
13 三个力，两种关系和一个等式
当物体运动状态发生变化时，表明它一定受到了力的作用。那么，当物体运动状态没有发生变化，能表明它没有受到力的作用吗？
不能。
比如你站在水平地面上放着的箱子，虽然你没有动，但仍受到了重力和支持力的作用。或者，你换个地方坐在斜坡上，除了受重力与支持力以外，还受到斜坡对你的摩擦力。再比如，在平直的公路上匀速行驶的汽车，除了在竖直方向上受重力与支持力以外，还在水平方向上受到牵引力与阻力。
在上面的事例中，物体受到了至少两个力的作用，但仍可以保持静止，或者做匀速直线运动状态，这时物体所处的状态叫做平衡状态，我们就说这几个力平衡。
最简单的力的平衡是二力平衡，如站在水平地面上的人，只受重力和支持力的作用，并且人在这两个力的作用下保持静止，所以这两个力是一对平衡力。
两个力要成为一对平衡力并不容易，入门资格是这两个力要“作用在同一个物体上”，然后还要满足“大小相等、方向相反，作用在同一直线上”这三个条件。
因为修炼成一对平衡力如此之难，所以在习题中常常遇到冒名顶替的“李鬼”，比如相互作用力。
在第12节“给力画幅肖像”中，我们知道，手拍桌子时，手是施力物体，桌子是受力物体。如果手拍桌子的力很大，桌子可能会轰然散架，但你的手也不会好受。因为手碰到桌子的好一刻，桌子的反击也同步启动。没错！桌子对手也施力了一个力，这个力的施力物体是桌子，受力物体是手。通过发红的手心传来的撕心裂肺的痛感，说明了一切。这真是以牙还牙，针锋相对。
这说明什么？物体间力的作用是相互的。其实相互作用力也不总是作恶，也会与人为善。人向前走路时，脚向后蹬地，脚对地面施加一个向后的力；同时地面也对脚施加一个向前的力，使人能向前走路。游泳时，用手向后划水、脚向后蹬水，手和脚对水施加了向后的力；同时水也对人施加了向前的力，使人能向前游动。这说明什么？投之以桃，报之以李。茫茫人海中每个人也不是一座座孤岛，就像物体间力的作用是相互的，你想别人怎样对待你，你就去怎样对待别人。呵呵！与此相互伤害，不如团结友爱。
一对相互作用力之所以与一对平衡力难分真假，是因为一对相互作用力也是“大小相等、方向相反，作用在同一直线上”，但是毕竟假的真不了！它们还是有着本质区别的，一对平衡力一定作用在同一物体上，而一对相互作用力总是“彼此作用在对方”，可以表述为甲对乙的力和乙对甲的力。
多个朋友多条路，当相互作用力与平衡力相逢一笑泯恩仇，携手合作也能做出意想不到的事。比如，用它们解释初中物理中的这三个经常遇到却又语焉不详的问题：
一、测量重力
方法：如图13-1，把钩码挂在弹簧测力计上，当钩码静止时，弹簧测力计的示数等于钩码所受重力的大小。
图13-1
二、测量滑动摩擦力
方法：如图13-2所示，拉动木块在水平面上做匀速直线运动，弹簧测力计的示数就等于滑动摩擦力的大小。
图13-2
以上各组的三个力，都有一对相互作用力和一对平衡力。这两对力“共用”一个力，并且以这一个力为桥梁，使另外两个力建立了联系，得出了一个关于两个力相等的等式，如图13-3所示。
图13-3
这个二力相等的等式是在解答力学计算题时经常用到的。通过以上的分析，希望以后你应用这一等式时，不仅能知其然，还能知其所以然。
14 天生万物，“懒”是本性
当物体受平衡力时，运动状态不变；受非平衡力时，运动状态发生改变。那么，当物体不受力时会怎样呢？
这个人是伽利略。伽利略用他敏锐的眼光在亚里士多德貌似合理的解释中发现了一个小BUG，这个BUG虽小却足以致命。从你现在的知识储备来看，这个BUG并非不可察觉。设想你站稳脚跟用力推了前面桌子一把，受到推力的桌子向前冲出，在桌子与手分离的瞬间，手对桌子的力也立即消失，于是失去推力的桌子像是无源之水继续向前运动了一段之后慢慢停下。
以“桌子停下来的原因”为题，如果让亚里士多德和伽利略做个辩论，亚里士多德可能会说“因为桌子离开手后不受推力了”。如果真的是这样，桌子在离手瞬间应该立即停下，但事实是桌子仍向前运动了一段距离。在这段运动中，伽利略嗅出摩擦力的气味，他给出的答案是“因为桌子受到了摩擦阻力”。
当伽利略发现这一端倪，或许继续追问：如果桌子在水平方向不受摩擦力，桌子会停下？还是继续向前运动呢？为了解决这个疑惑，伽利略设计了一个理想斜面实验：
①做两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面；
②如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度；
③减小第二个斜面的倾角，小球在该斜面上仍然要达到原来的高度。
④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成水平，小球将沿水平面以恒定速度持续运动下去。
上面的步骤中，①属于可靠事实，其余的则是依据实验得出的推论。
最终，伽利略得出了一个结论：运动物体如果不受其它力的作用，将会做匀速直线运动。
但是，伽利略还没有完全揭开力与运动的神秘面纱，因为还有静止的物体在默默地等待牛顿的出现。终于，站在巨人肩头的牛顿发出了强有力的声音：
一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。
这就是如雷贯耳的牛顿第一定律。
说实话，要想理解这一定律并不容易，需要咬文嚼字：
（1）“一切物体”是指所有的物体，包括静止的物体和运动的物体，即该定律对所有物体都是普遍适用的，没有例外。
（2）“不受外力作用”是牛顿第一定律成立的条件，它包含了两种情况：一是物体确实不受任何力的作用，这是一种理想化的情况；二是物体受平衡力作用，这时物体所受的合力为零，相当于不受力。
（3）“或”的含义是指物体要么静止，要么做匀速直线运动，两种状态必居其一，且不能同时存在。物体是哪种状态，取决于原来是静止的还是运动的。
最后，还要知道牛顿第一定律与其他的运动规律不同，是在大量经验和实验的基础上，通过进一步的推理概括出来的，不可能用实验来直接验证。这是因为我们周围的物体，不可避免地都要受到力的作用。
现在，或许你对力与运动的关系有了基本的了解。为使你认识的更直观一些，我画了一个关系图做为小结。根据这个关系图可以在已知物体受力情况或运动状态中的一个时，推理出另一个。
你仔细品，还会发现隐藏在牛顿第一定律中的一个秘密：一切物体都有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质，我们把物体的这种性质叫做惯性。
这说明什么？
物体很“懒”！就像爱睡懒觉的人根本不会想要闻鸡起舞，一个放在水平地面上的桌子不愿意动，除非它受到了一个足以使它运动起来的外力；当然，当桌子运动起来时，也不愿意停下来。因此，牛顿第一定律也被称为惯性定律。
但这并不是说惯性与惯性定律是一回事，就像交通并不等同于交通事故，惯性与惯性定律也不能划等号。惯性是所有物体与生俱来的属性，而惯性定律则是一个运动规律。一切物体在任何时候都有惯性，不管它是运动的还是静止的，加速的还是减速的，做直线运动的还是曲线运动的。但是惯性定律的成立却是有“不受力（或所受的力是平衡力）”这一前提条件的。
惯性体现在生活的方方面面。就算你没有学过物理，你也一定利用过惯性：衣服上沾了土，用力拍打几下，土就掉下来了；泼水时，向前抡盆，水就飞出了盆；骑自行车累了，不再蹬车，车仍能继续前行。当然，你也在不知不觉中承受过惯性带来的伤害：走路时脚被石头绊了一下来了个嘴啃泥；站在汽车上，汽车突然启动，你差点仰面摔倒；坐在汽车后座没有系安全带，紧急刹车时，身体不由自主地向前滑去。
惯性！是天使，也是魔鬼！
15万万想不到的压强
虽然说物体受到平衡力作用时相当于不受力，但这只是物体的运动状态不会发生改变。要知道，力还有另一个作用效果――使物体发生形变，这个效果可是万万不能抵消的。只要物体受到力的作用，都会发生形变，不同的是形变程度是否明显。
弹簧受到拉力变长，这是拉力的作用效果。但是说到力使物体发生形变的话题，压力更合适。因为在大多数的情况下，物体受到拉力往往还会运动起来。但是受到压力作用时，却是无处逃避，只能咬紧牙关地承受，哪怕已是被压得面目全非。
想一想你坐在沙发上屁股下面出现的那个坑，如果有一个顽皮的孩子爬到你的身上，你对沙发的压力会变大，这个坑就会变得更深；如果你躺平，坑会变浅一些，这是因为沙发的受力面积（等于人与沙发的接触面积）变大了。
这样看来，压力的作用效果不仅压力大小有关，还与受力面积有关。
应用压强公式，不仅可以计算压强，还可以计算压力和受力面积，如图15-1所示。
图15-1
人对沙发或地面之所以有压强，是因为有压力，而之所以有压力，是因为有重力（这并不是说压力一定是由重力产生的，当你用手挤压墙时，手对墙也有压力，这个压力的产生就与重力无关）。固体受到重力，液体和气体同样也受到了重力，当然它们也会产生压强。
固体和液体都能产生压强。固体产生的压强通过受力面的形变可以看见，液体产生的压强当我们潜入水下后也能感受到。那么，气体能产生压强吗？
地球周围被一层几百千米厚的大气层包裹着，和液体一样，空气也受到重力，也有流动性。就像水对浸在里面的鱼、沉在水底的石块等一切物体有压强一样，空中的飞鸟、地上行人等世间万物也受到了来自空气的压强。我们把大气对浸在它里面的物体的压强叫做大气压强，简称大气压。
说实话，要想让一个人认识到大气压的存在，并不是一件太容易的事。我们从呱呱落地开始就被大气压紧密环绕，就像鱼儿感受不到水，我们也觉察不出大气压的存在。只有当物体内部压强突然减小，因为小于外界大气压强而产生一个压强差，从而导致在大气压的作用下出现了某种意料之外的现象时，我们才不得不接受这个事实，如马德堡半球实验。
1654年，德国马德堡市市长格里克进行了一场大型科学秀表演，观众包括皇帝斐迪南三世，这场表演试图打消世人对大气压存在的怀疑。他把两个直径约36.6cm的空心铜半球扣在一起，抽出球内一部分空气后，用了16匹马好不容易才把它们分开，如图15-4所示。这个实验向世人震撼地展示了大气压的力量――因为是大气产生的巨大压力把两个半球紧紧地压在一起的。
图15-4
既然大气压存在是不争的事实了，那么问题来了：大气压有多大呢？
答案早在11年前意大利科学家托里拆利就已经给出，只是明珠蒙尘无人知晓。
托里拆利是伽利略的学生，他从大气可以支持起约10m高的水柱想到，如果换用密度是水密度13.6倍的水银做实验，水银柱的高度应该小于1m。于是，他指导伽利略的另一个学生维维安尼在佛罗伦萨进行了实验。这个实验并不复杂，在一根长约1m、一端封闭的玻璃管里灌满水银，用手指将管口堵住后立即将玻璃管倒过来插入水银槽中。松开手指，管内水银下降到一定高度后就停止不动了，就算将玻璃管倾斜，玻璃管内外的水银高度差始终保持在760mm，如图15-5所示。
图15-5
这时玻璃管中水银面的上方是真空，槽中水银面上方是空气，大气压等于管中水银柱产生的压强。
大气压竟然这么厉害，真是万万想不到呀！
16 迎战浮力，要三思而行
据说，2000多年前的古希腊贤哲阿基米德被希隆王交待的检测金王冠中是否被工匠掺了银子的难题搞得一筹莫展。直到他进入浴盆看到有水溢出，头脑中灵光一闪，刹那间找到了解决问题的方法。
但这不是今天的重点。重点是水溢出的同时，阿基米德感受到了水对它向上的托力，并且发现他的身体进入水中越多，这个托力就越大。――我们把水对浸入它里面的物体施加的这个向上的托力叫做浮力。想必阿基米德已经意识到他受到的浮力的大小可能与他的身体排开水的多少有关，因为他成功地建立一个定律用来表示两者之间的关系。这个定律在初中物理中是这样表述的：
浸在液体中的物体受到液体对它竖直向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受的重力。
阿基米德原理不仅适用于液体，也适用于气体，是计算浮力的第一思路。
虽然说阿基米德原理解决了浮力的计算问题，但是却并未告诉我们浮力从何而来。要想弄明白这个问题，需要先建构一个模型。
由此可知，浮力的产生是液体内部压强随深度的增大而增大，而液体内部之所以产生压强，是因为液体受到重力。由此来看，浮力起源于重力。但浮力与重力却是一对冤家，因为它们方向相反：浮力方向总是竖直向上，重力方向总是竖直向下。
对于简单的问题，使用以上两种思路套用公式就能计算出浮力，但是当情景稍稍复杂一些或者借助浮力计算其他的力时，这两种思路就无能为力了。
这时，需要用到第三种思路：平衡力。
当物体浸入液体中，静止时处于平衡状态，解题的突破口就是对物体做受力分析。一般来说，在初中物理中，物体浸在液体中可能两个力或三个力。下面我们就逐一分析：
2．三力平衡
此时物体在液体中静止时，除了受浮力与重力外，还受第三个力的作用。第三个力的方向有两种可能：
17省力的代价
与动物相比，人类在体能上实在没有什么可称道的。没有虎和狮一样锋利的爪牙、没有牛和鹿一样坚硬的犄角，没有像大象一样庞大的身躯、像犀牛一样坚硬的铠甲，如果赤手空拳地与野兽单打独斗，胜算实在少得可怜。
但是人类有智慧的头脑，从拿起石头和木棒开始，就源源不断地制出各种各样的工具来武装自己。枪炮成为人类进攻的爪牙、飞机火箭成就了人类的飞天梦、船艇让人类涉足海洋、汽车让人类日行千里，这些装置虽然复杂，但却是由各种各样的简单机械组合而成的。
在初中物理中出现的简单机械可以分为两大家族：杠杆和斜面。杠杆家族包括杠杆、滑轮、轮轴；斜面家族包括斜面、螺旋。
说起杠杆，就不由让人想起阿基米德的那句豪言壮语：“给我一个支点，我就能撬动地球。”阿基米德的确有骄傲的资本。他利用杠杆原理制造的抛石机、起重机给入侵叙拉古的罗马舰队造成了巨大伤亡。罗马统帅马塞拉斯甚至苦笑着说：“这是一场罗马舰队与阿基米德一人的战争。”
图17-1
图17-2
图17-3
定滑轮是滑轮的一种，与它名字相对的是动滑轮。这两种滑轮结构相同，都是一个周边有槽，并且能够绕轴转动的轮子。至于是哪种滑轮，取决于使用时的位置是否和被拉动的物体一起移动。定滑轮在工作时，轴固定不动，轮子绕着轴心转动，如图17-4所示；动滑轮在工作时，轮子绕着相切的一点转动，它的位置随物体一起移动，如图17-5所示。
图17-6
比起滑轮，轮轴要生活中更为常见。螺丝刀、汽车方向盘、门把手、水龙头的旋钮，等等实质上都是轮轴，只不过有的已经把轮简化成了“臂”，如图17-9所示。
斜面是简单机械另一个家族的代表。如果你知道什么是水平面，也就不难理解什么是斜面了。只要你有一块木板，把一端垫高，瞬间就可以搭建出一个斜面。幼儿园里小朋友们喜欢的滑梯、上房的梯子，还有楼梯，都是斜面。
使用杠杆，可以省力，也可以费力。就算是动滑轮和轮轴，如果把动力作用在轴上，阻力作用在轮上，也一样费力。但是，使用斜面总是会省力，如图17-10。想一想爬楼梯比爬树容易多了，你就明白了。
图17-10
在生活你也一定有过这样的体验，斜坡越缓（即与水平面夹角越小），走上去越轻松省力。但是这也带来另一个问题：增加了斜面长度。为了解决这个问题，人们把斜面做成迂回盘旋的，比如，盘山公路（如图17-11所示）、木螺丝（如图17-12所示）。用一张三角形的纸，按如图17-13所示的方法缠绕在铅笔上就出现了一个盘山公路或木螺丝的形状。将纸展开，很明显的可以看出，这是一个斜面。所以，盘山公路、木螺丝都可以看成是绕在圆柱上的斜面，这类特殊的斜面叫做螺旋。
与杠杆家族一样，斜面家族成员在省力的同时，也付出了费距离的代价。
省力的代价，就是费距离。凡为机械，概莫能外！
18 决战滑轮组
为什么使用机械时省力与省距离不可兼得？为什么要省力就必然要付出费距离的代价呢？
原来，大量的实验表明：使用任何机械都不能省功。
这个结论曾被称为“机械的黄金定律”。复杂的机械是由简单机械组合而成的，所以功的原理适用于一切机械。
那么，什么是功？功和力、距离又有什么关系呢？
在物理学中，力和物体在力的方向上移动距离的乘积叫做机械功，简称功。在物理学中，功用W表示、力用F表示、距离用s表示，所以功的表达式为W＝Fs。在国际单位制中，功的单位是焦耳，简称焦，用J表示。1J＝1N·m。
现在你应该明白了，因为使用机械不能省功，而功等于力与距离之积，所以省了力必然要费距离。
利用机械做功来说，不仅要考虑做功多不多、快不快，还要分析值不值。多不多描述的是功，快不快描述的是功率，值不值描述的则是机械效率。
要理解机械效率，首先要弄明白三个概念：有用功、额外功、总功。
看了以上的分析，如果你觉得计算滑轮组机械效率不过尔尔，可就大错特错了，因为滑轮组还能浮力结合在一起兴风作浪，如图18-2所示。
图18-2
由此来看，在力学中虽然滑轮组算不上最重要的知识，但却是一个很好的载体。命题者以滑轮组为战场对力学中各个知识点排兵布阵，而解题者以各路公式为武器斩将夺旗。虽然没有刀光剑影血流成河，但也需以笔为矛冲锋陷阵。
这可真是一场大决战！
19声音，让我欢喜也让我忧
有个成语叫“掩耳盗铃”，准确地说应该是“掩耳盗钟”。说得是一个盗贼想要偷一口青铜大钟却搬不动，想把钟敲碎了偷走又怕被人发现。后来，他想到一个自以为是的妙计：用布堵上耳朵后再砸钟。可是结果出乎他的意料，耳朵堵上并没有阻止住钟声传向远处，结果他还是被闻讯而来的人抓住了。
提起这个故事，并不是想说盗贼有多么愚蠢，而是借此探寻其中的物理知识：钟被敲为什么会响？钟声是如何传向远方的？堵上耳朵为什么自己听到的钟声变小了？
这些问题我们一个一个地来看。
要想搞明白钟被敲后为什么会响，得弄清楚钟被敲后发生了什么变化？
振动！只是钟面的振动比较微小，肉眼不容易直接看到，但用手触摸还是能感觉到。鼓也是如此。鼓锤用力敲鼓，鼓声响起时，依稀可以看到鼓面振动。如果你提前往鼓面撒上一些小米，就会看到小米随着鼓声欢快地在鼓面上跳动。当然，小米并没有脚，它的跳动是鼓面振动弹起的。――小米把鼓面的振动放大了。不止钟鼓，其他物体发声时也正在振动。琴声瑟瑟，琴弦在振动；笛声悠悠，管内空气柱在振动；流水淙淙，水在振动。这真是凡有声响，必有振动，声是由振动产生的。
每天上学，你可以选择步行，但书包一定不能自己走路。考虑到钟、鼓、琴等等发声体与我们的耳朵并非零距离，所以声音要进入耳朵还有一段路要走。那么声音从发声体到达人耳，是像人一样自己走过来的，还是像书包一样需要人背它过来。
研究表明，声的传播需要介质。介质相当于那个把书包从家里带到学校的人，固体、液体、气体都是声的介质。如果没有介质，声就像被施了定身法，不能移动分毫。就算有一天你有机会广寒宫坐客，嫦娥仙子为你抚琴一曲，你也无缘聆听仙乐，因为月球上没有空气，真空不能传声。
那么，如果有介质，声音也能传入耳中，人就一定能听到声音吗？
未必。因为能否听到声音至少还需要考虑两个因素：发声体的振动频率和声的强弱。
现在，你应该知道能听到声音是一件多么不容易的事！这样说来，我们应该珍惜听到的每一个声音。可事实并非如此，因为有些声音讨人喜欢，有些声音让人厌烦。
人们把悦耳动听的声音叫做乐音，把刺耳难听的声音叫做噪声。乐音能使人忘却烦恼、心情放松。噪声却令人头痛头晕、心烦意乱。
乐音与噪声都是发声体振动产生的，为什么给人的感受却大相径庭呢？根本原因是，乐音来自于发声体有规律的振动，噪声来自于发声体杂乱无章的振动。
小溪潺潺的流水声、黄鹂啾啾的鸣叫声、钢琴家弹奏出的乐曲、歌手唱出的天籁之音，这些乐音虽千差万别，却异曲同工，因为它们都是三个要素组成的。这三个要素是音调、响度和音色，合称乐音三要素，分别表示声音的高低、大小和特色。
音乐是由一个个的乐音组合而成的。舒缓的音乐则能启发人的想象力，激发灵感的火花。
很多物理学家就是音乐发烧友，爱因斯坦就是其中的一员。当有人问起他是怎样取得那些伟大的科学成就的，他说：“我的科学成就很多是从音乐启发而来的。”再往前追溯，牛顿在谈到他发现的光的色散时说，最初他只描述了红、黄、绿、蓝和紫这5种色光，橙与靛是后来加上去的，这样做是想让色光的总数达到7种。因为他认为光和声音应该有相似的地方，色光的数目也应该和全音阶的7个音调相对应――这7个音调是“哆、来、咪、发、唆、拉、西”。事实也是如此！这真是天才的想象加神奇的直觉！
假如现在你身边有一架钢琴，而你也瞬间有了弹奏一曲的冲动。可惜的是，你从来不曾弹过琴，结果大概率是一次翻车事故。因为你的手指在钢琴上随心所欲的狂按，虽然钢琴发出的每一个声音都是乐音，可是这些乐音连接在没有旋律也不有节奏，并不能被称为音乐。呵呵！这只是乱弹琴！
乱弹琴弹出的不是音乐，是什么？
是噪声！
不仅乱弹琴弹出的是噪声，优美的乐曲也能变成噪声。想一想你正在睡觉或看书写作业时，耳边突然传来响亮的音乐，这音乐惊醒了你的美梦、打扰了你的学习，你没有心情去欣赏，有的只是生气与烦恼。医学研究表明，强烈的噪声会使人头痛、脑胀、眩晕、失眠、记忆力和思考力衰退，严重时还能让人神志不清、精神恍惚，甚至引发生理疾病。
于是，为了健康，人们只有奋起抗争，拿起科学武器向噪声宣战。阻击噪声，有三个战场。
第一个战场在“声源处”。从声源处防止噪声产生是控制噪声的根本办法，比如“禁止鸣笛”。如果声源处的噪声不可避免，那就退而求其次，想办法减弱它，比如在教学楼里走路要“轻声慢步”。
第二个战场在“传播过程中”。生活中的噪声绝大多数是通过空气传播的，所以只要截断这条通道，也能达到控制噪声的目的。在公路两旁安装隔音板、关紧门窗都是在传播过程减弱噪声。
最后一个战场在“人耳处”。当噪声吵得你心烦意乱，却又无法在声源处和传播过程中减弱时，捂紧耳朵、戴上防噪声耳机是最后的防备。
20追寻光的足迹
雁过留声，人过留名，光到之处，立竿见影。
影就是影子，影子的出现与光的直线传播有关。光沿直线传播，这是小学学过的知识。但是学了初中物理你就会知道“光沿直线传播”的说法并不准确，确切地说是“光在同种均匀介质中沿直线传播”。这句话隐隐约约地透露了两个非同寻常的信息：一是光在同种不均匀的介质可能不沿直线传播；二是光到达物体的表面或两种介质的界面上时，传播方向或许会发生改变。
光在不均匀的介质中传播方向发生改变的例子也并非鲜不可见。在地球的周围有一层厚厚的大气层，离地面越高的地方空气越稀薄。太阳光穿过密度不均匀大气层，传播方向会发生改变。比如，早起看到太阳刚露出地平线，其实真正的太阳还在地平线的下方；同样，傍晚看到太阳消失在山那边的瞬间，其实太阳已经提前沉到地平线的下方。这样看来，如果大气层的密度是均匀的，我们每天看到的日出会更晚，日落会更早，结果是白天变短，黑夜变长。这真是有意思，不均匀的大气层竟然把白天“拉长”了。
如果光到达物体的表面又会发生什么现象呢？这要看物体是不是透明的。
如果物体是不透明的，光就无法穿越。像把一个乒乓球掷到墙上，球会被反弹回来一样，光照不透明的物体上也有一部分光会被反射回来。之所以说是“一部分”，是因为还有一部分光会被物体吸收掉。反射与吸收哪些光取决于物体的颜色。牛顿通过实验指出白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种色光混合而成的。当白光照到不透明的物体上，物体会把与它颜色相同的色光反射出去，把其它色光吸收。现在你可以回答那首歌曲的疑问了：花儿为什么这样红？物理给你的答案是：因为红花反射红光，吸收了其它色光。如果物体能反射各种色光，它就是白色的；如果把各种色光都吸收掉，就是黑色的。
光的反射并不是随心所欲的，会遵守光的反射定律。反射定律的内容在第5节“学好物理的七种武器”一节，忘记的话可以回头翻翻看。
如果光照到玻璃、水等透明物质上，也有一部分光被反射回去，另一部分则会进入透明物质中。当光与界面并不垂直时，光的传播方向还会发生偏折，这种现象叫做光的折射。光的折射也是有规可依的，在初中物理中会学到光的折射规律。光的折射规律的内容是：折射光线与入射光线、法线在同一个平面内；折射光线和入射光线分居在法线的两侧；光从空斜射入玻璃中或其他介质中时，折射角小于入射角；反之，光从玻璃或其他介质斜射入空气中时，折射角大小入射角；当光线垂直射向介质表面时，传播方向不改变。
光从一种介质斜射入另一种介质，传播方向一般会发生改变，这看似走了弯路，实则省了时间（因为光是“聪明”的，总是选择用时最短的路线）。“光”犹如此，人生亦是。当现实与梦想分隔两端，前进的脚步也需要根据实际调整方向，这看似偏离了目标，实则在迂回通向终点。
根据光的反射定律，在入射角已知时，可以准确地知道反射角的大小，从而确定反射光线的路径；但在光发生折射时，就算入射角已知，也不能准确地确定折射角的大小，所以也就无法确定折射光线的位置。要想准确地画出折射光线，学了高中物理中的光的折射定律才能做到。
最后，再说一下“光路可逆”。就像你沿着某条路从家到了学校，也能再沿着这条路从学校返到家中一样，如果入射光线沿着原来反射（或折射）光线的路径射入，反射（或折射）光线也会沿着原来入射光线的路径射出，这就是光路的可逆性。光路可逆不仅适用于反射、折射，也适用于光的直线传播。
21拨开凸透镜成像规律的迷雾
在初中物理中，光学部分有没有学好，凸透镜成像规律是一个试金石。
面对凸透镜成像规律，初学者往往有“剪不断，理还乱”的感觉，其实它并没有那么复杂。无非就是描述了当物体哪里时，成像在哪里、是什么性质、有什么应用，归纳后如下表所示。
把上表中的内容画在下图中，更加直观。
结合表格与图示，我们还会发现一些隐藏在凸透镜成像规律中的秘密：
凸透镜的两侧各被两点分成了三个区域。两个点分别是焦点F和2倍焦距处。三个区域分别是2倍焦距以外、焦距和2倍焦距之间、焦点以内。
这是隐藏在凸透镜成像规律中的第一个秘密：两点分三区。
物体一侧的焦点是成实像与成虚像的分界点。物体通过凸透镜成实像还是虚像，取决物体在焦点F以内还是以外。当物体在焦点以外，即物距大于焦距时，成倒立的实像，像与物体分别位于凸透镜的两侧；当物体在焦点以内，即物距小于焦距时，成正立的虚像，像和物体在凸透镜的同一侧。当物体恰好在焦点上，即物距等于焦距时，不成像。
物体一侧的2倍焦距处是成缩小的像与放大的像的分界点。物体通过凸透镜成放大的像的还是缩小的像，取决于物体在2倍焦距以内还是以外。当物体在2倍焦距以外，即物距大于2倍焦距时，成缩小的像；当物体在2倍焦距以内，即物距小于2倍焦距时，成放大的像。当物体恰好在2倍焦距处，即物距等于2倍焦距时，成等大的像。
综合来看，当物距大于2倍焦距时，当然也大于焦距，所以物体通过凸透镜成的像既是缩小的，又是倒立的实像，即成倒立、缩小的实像；当物距在焦距和2倍焦距之间时，物体在焦点以外，也在2倍焦距以内，成的像既是倒立的实像，又是放大的，所以此时物体通过凸透镜成倒立、放大的实像。当物距小于焦距时，成正立的虚像，同时也小于2倍焦距，像也是放大的，所以此时物体通过凸透镜成正立、放大的虚像。
明白了物体在哪个区域成什么样的像，还不能算真正懂得了凸透镜成像规律，因为你只是记住了一些静止的画面。如果将图中物体位置的变化看作是物体奔赴凸透镜的过程，就会得到一个富有韵律的动感视频。
试想有一个长跑运动员站在凸透镜一侧，当“他”距离凸透镜很远时，“他的像”在凸透镜另一侧焦点稍往外一点儿。突然，“他”提足向凸透镜飞奔，长路迢迢风尘仆仆地来到2倍焦距处，“他的像”却才移动了将近一个焦距的距离，到达凸透镜另一侧的2倍焦距处。因为在这个过程中“他的像”与“他”运动的时间相同，但“他”移动的距离远远大于“他的像”移动的距离，所以“他”运动的速度远远大于“他的像”运动的速度。在这个过程中，“他的像”越来越大，直到与“他”大小相等。
当“他”翻越了2倍焦距处继续向凸透镜奔赴，“他的像”仿佛开了挂一样，不断提速从2倍焦距处朝着远离凸透镜的方向飞奔，并且越来越大。直到“他”到了焦点上，“他的像”像被施了隐身法，凭空消失。在这个过程，“他”只移动了一个焦距的长度，而“他的像”却移动了非常远的距离，“他”移动的速度变得小于“他的像”移动的速度。
当“他”到了焦点以内，在另一侧仍旧找不到“像”的踪迹。蓦然回首，“像”却站在了“他”的身后。当“他”靠近凸透镜，“他的像”也靠近凸透镜；当“他”远离凸透镜，“他的像”也远离凸透镜。
这说明什么？无论成实像还成虚像，无论像与物体在凸透镜的同侧还是异侧，像与物体的移动方向总是相同的。
这是隐藏在凸透镜成像规律中的第二个秘密：像物同向移。
搞清了像距随物距的变化而变化的规律，再来看看像的大小变化又与物距的变化有什么关系？成实像时，物距变小，像变大；成虚像，物距变小，像变小。这样来看，成实像与成虚像时，像的大小变化随物距的变化恰好相反。但是，如果我们转换视角，把目光投在焦点上，就会发现，只要物体到焦点的距离变小了，不管这时成的是实像还是虚像，像都会变大。
这是隐藏在凸透镜成像规律中的第三个秘密：近焦像变大。
“物像同向移”和“近焦像变大”既适用于凸透镜成实像，也适用于成虚像，真可说是“虚实皆如此”。
于是，上面四句凑成了一首打油诗。
两点分三区，像物同向移。
近焦像变大，虚实皆如此。
短短四句，道尽了凸透镜成像的纷繁变化。
向凸透镜前行，物体用它的行动改变了它像的大小与倒正。做为万物之灵的我们，又怎么能原地踏步不思进取？！如果把一个人的勤奋进取看作是物体不断靠近凸透镜的过程，那么他的成绩、自信以及在别人心中形象就是那个逐渐由小变大、由倒变正的像。
所以说：成绩差不要紧，只要肯努力，每天进步一点点，如同物体慢慢靠近凸透镜，在不知不觉中，像终会由小变大，由倒变正。
22三步搞定物态变化
世界是由物质组成的，这是众所周知的事！但是，若继续问什么是物质？恐怕99.9%的人语焉不详。
的确，我们对物质认识最多还是眼睛所能见的一些表面现象。
比如，物质存在的状态。固态、液态和气态是物质在自然界最常见的三种状态，俗称物质三态。除此以外，还有等离子体、液晶、超液体、超固体、玻色-爱因斯坦凝聚态，等等。
固态与液态，能亲眼看到。我国的古代的“五行说”认为金、木、水、火、土组成了宇宙万物。仅从字面含义来说，金、木、土属于一类，它们都有着一定体积和形状，是固态。水是液态，有一定体积，却没有一定的形状，它的形状取决盛放它的容器的样子。火，却不是气态，是等离子体。
对我们来说，最熟悉的气体是空气（空气并不是一种气体，而是由氮气、氧气、二氧化碳等等气体组成的混合气体）。但是，谁都没有亲眼见到过空气，因为组成空气的气体都是透明的。的确，生活中要想看到气体并不容易。烟虽然看到，却不是气体，烟其实是由一个个固体小颗粒聚集而成的。但是，你可以在物理课上看到气体，比如紫色的碘蒸气。在化学课也能看到气体，比如红棕色的二氧化氮、黄绿色的氯气、淡黄色的氟气，等等。
有的人沉稳，如固态；有的人洒脱，如液态；还有的人无拘无束，如气态。千人千面是因为心性不同，物质的形态多样则与它们的微观结构有关。
这真是细节决定成败，分子决定物态。
因为分子间作用力的大小与分子运动情况并不是一成不变的，所以物质的存在状态也应该能发生改变。“五行说”就认为：火克金，意思是金遇火能熔，金由固态变成了液态。这里透露了两个信息：一是物质能由一种状态变成另一种状态；二是物态变化与热量有关。
固态、液态和气态，这三种物态任意两种之间都可以发生互逆的变化，通过排列组合可以得到六种物态变化。
固态变成液态叫做熔化，需要吸收热量。
液态变成固态叫做凝固，需要放出热量。
液态变成气体叫做汽化，需要吸收热量。
气态变成液态叫做液化，需要放出热量。
固态直接变成气态叫做升华，需要吸收热量。
气态直接变成固态叫做凝华，需要放出热量。
如果把固、液、气三种状态比做三级台阶，那么熔化、汽化和升华就是“上台阶”，凝固、液化和凝华就是“下台阶”。上台阶要吃饱了有气力才行，需要吸收热量；反之，下台阶会放出热量。
利用物态变化的吸热、放热可以做很多事，比如曾经风靡网络的55度杯，如图所示。使用这种杯时，先把开水倒入杯中，摇上大约1分钟，水温就能降到55℃左右；倒出温水，再往杯中加入冷水继续摇一会儿，冷水又会迅速变成温水。这种杯子之所以如此神奇是因为在它的夹层里有一种熔化温度大约在55℃的物质，加入开水后，这种物质从开水中吸收热量发生熔化，开水放出热量，温度下降变成温水；加入冷水后，这种物质放出热量发生凝固，冷水吸收热量变成温水。
对于初中生来说，遇到最多的问题还是判断物态变化的种类。不过，你尽可放心。判断发生了何种物态变化并不复杂，只需三步就能搞定：
第一步：确定研究对象是谁？
第二步：判断发生物态变化前后研究对象分别处于什么状态？
第三步：确定发生了哪种物态变化。
以“蒹葭苍苍，白露为霜”为例。露就是露珠，大多出现秋天早晨的花草树叶上。露是液态，是物态变化发生后的状态；之前的树叶上并没有雪之类的固态水，所以它来源于空气中的水蒸气，水蒸气是气态。因此，露珠的形成是气态变成液态的过程。回忆六种物态变化，对号入座，可知发生了液化现象。霜发生在北方寒冷的冬天，附着于树叶、瓦片之上，是固态，也是物态变化发生后的状态。树叶、瓦片上出现霜以前，也没有液态水，所以霜也是由空气中的水蒸气变化而来的。由此可知，霜是由水蒸气由气态直接变成固态形成的，属于凝华现象。
这样说来，霜并不是由白露凝结而成的。呵呵！诗意虽美，却不合物理。
23比热容，王者归来
假如你跟朋友约了一个饭局，他却不知道餐馆的位置。你可能会告诉他在 “某某超市”向南200米。因为他知道这个超市，于是他也就知道了这家餐馆的位置。在这里，你用借助一个熟悉位置定义了一个陌生的位置。在物理中也有类似的做法，定义一个新的物理量往往需要“旧”的物理量来“帮忙”。比如，用路程与时间来定义速度，把物体通过的路程与时间之比叫做速度；再比如，用质量和体积来定义密度，把质量与体积之比叫做组成这个物体的物质的密度。这都是采用了比值定义物理量的方法，叫做比值定义法。
比热容也用到了比值定义法，但是与速度、密度相比，比热容更难理解。如果说速度和密度是青铜，比热容器就是不折不扣的王者，因为要定义比热容用到了三个物理量：热量、质量和温度的变化量。
那么，什么是比热容呢？要了解这个问题，还得从头说起。
想一想，在炎炎的烈日下，赤足走在水泥地面和水池里的感觉，一个如火烧，一个如冰镇。为什么水泥地面和水吸收太阳放出的热量后温度相差如此之大呢？难道是因为水泥地和水不是同一种物质吗？这是不是预示着不同物质的吸热能力不一样？
为了搞清楚这个问题，我们不妨设计一个实验，取两种不同的物质，如水和油，然后让它们吸收相同的热量，比较它们升高温度是否相同？
问题是，怎样控制它们吸收相同的热量？
方法是，使用相同的热源加热相同的时间。比如，用同样的酒精灯或者“热得快”分别给水和油加热相同的时间。这样，可以用加热时间的长短表示物质吸收热量的多少。
但是只控制它们吸收的热量相同还是不够的，因为物质吸热后升高温度的多少不仅与吸收热量的多少有关，还与质量有关。想一想，取两个相同的电热水壶，在一个壶中加入一壶水，在另一个壶中加入半壶水，再通电相同时间，在水沸腾前两壶水的温度肯定不一样。所以，还需要控制水和油的质量相等。
现在，让我们做一个梳理。这个实验的目的是研究物质的吸热能力是否物质的种类有关，方法是通过比较不同物质吸收热量后升高的温度是否相同。因为物质吸收热量后升高度的温度还与吸收热量的多少、质量的大小有关，所以应控制这两个因素相同。其中，吸收热量的多少是用加热时间控制的。
所以这个实验的自变量、因变量、控制变量分别如下：
自变量（改变谁）：物质的种类
因变量（观察谁）：升高的温度
控制变量（控制谁不变）：吸收的热量、质量
这种研究问题的方法就是物理实验中经常用到的控制变量法。控制变量法并不只是活在物理实验里，在生活中也处处可见。比如，期末考试时，使用同一套试卷答题相同时间，并且在判卷时使用相同的评分标准，这样得出的成绩才有可比性。简单地说，就是统一标准，禁止“双标”。
还有一个问题，如何通过实验数据判断不同物质的吸收能力的强弱？
依据是，在吸收的热量、质量相同时，升高的温度越小的物质，吸热能力越强；反之，升高的温度越大的物质，吸热能力越弱。为了帮助你更好地理解，将吸热能力比作人的饭量。让两个饥饿程度相同的人吃同样多的饭，结果一个饱了，另一个才半饱，这说明吃了半饱的人的饭量更大一些。再用粗细不同但高度相同的水杯来作类比。设想往这两个杯子里倒入相同多的水（水未溢出），结果是粗杯子里的水面低，细杯子里的水面高，这说明杯子越粗盛水的本领越强。
用比较升高温度的办法比较物质吸收能力得出的结论让我们有点不“舒服”，因为温度变化小的物质的吸收能力反而强。“小”与“强”相对应，多少还是有点别扭。那么，还有没有其它的分析思路呢？有。比如下面这种设计：
自变量：物质的种类
因变量：吸收的热量
控制变量：质量、升高的温度
在这个方案中，质量相同的不同物质升高相同的温度，吸收的热量越多（表现为加热时间长），物质的吸热能力越强；反之，吸收热量越少的物质，吸热能力越弱。在这个方案中，“多”与“强”相对应，听起来舒服多了。这时，也可以用吃饭和杯子做类比。让两个饥饿程度相同的人都吃饱，一个人吃了一碗，另一个吃了两碗。毫无疑问，吃了两碗的人的饭量更大。将两个高度相同粗细不同的两个空杯子都装满水，粗杯子能装更多的水，说明杯子越粗，盛水的能力越强。
通过以上的科学探究，我们确定了不同物质的吸热能力不同，却发现还没有一个物理量能够表示物质的这一性质。于是，我们不得不再“创造”一个新的物理量。这个物理量就是比热容，比热容表示物质的吸热能力。
比热容的定义是：一定质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度的乘积之比。
而这两个公式，原本也是一个公式。看懂了这一点，才不会迷失在公式的汪洋大海！
最后，再提醒一下，上述公式只适用于物体因为吸收或放出热量导致温度变化的情景，并且在温度变化前后，物质仍是同种状态，其间没有经历物态变化。比如，-10℃的冰变成-0℃的冰可以使用这一公式，0℃的水变成10℃的水也可以使用这一公式，但是当-10℃的冰变成10℃的水就不能使用这一公式了。因为不仅冰和水的比热容不同，中间还经历一个0℃的冰变成0℃的水的熔化吸热过程。
24灯泡与开关的纵横捭阖
如同水流动时会顺着河道一路向前，火车行驶时要沿着铁轨奔驰，电荷在流动过程中也着自己的路径。
电流的路径叫作电路。要想把自己的电学大厦搭建的牢稳，必须夯实电路这一地基。图24-1是最简单的电路，由电源、用电器、开关、导线四部分组成。
电源是提供电能的装置，干电池、蓄电池、发电机等都是电源。用电器是消耗电能的装置，灯泡是初中物理中一种常见的用电器，在后面的电路中出现最多的则是定值电阻。开关的作用是控制电路通断，有断开和闭合两种状态。导线是电流的通道。图24-1所示电路中，开关是断开，电路中没有电流，这种电路状态叫做断路。某处导线没有接牢或灯丝烧断也会导致断路。闭合开关，电路接通，这种电路状态叫做通路。通路时，用电器正常工作。但是如果不小心心将导线直接接在电源两端，电流就会绕过灯泡直接从电源正极回到电源负极，这时电路叫做短路。当电源短路时，电路中的电流非常大，很容易损坏电源，甚至引起火灾，所以电源短路是严禁出现的。
知道的电路元件符号还不够，在画电路图前还需要了解电路图的整体架构和元件的摆放位置。一般来说，不管实际电路的连线如何蜿蜒曲折，电路图的外观都画作矩形，并且元件一般不放在矩形的四个角上。再就是元件的分布要合理，就像教室的座位要整齐有序。如果把电源画在矩形下面的边上，最好把用电器画在上面的边上，当然也可以把它们的位置互换。至于开关，画在用电器所在的那条边上，也可画在电源所在的那条边上，愿意画在两侧的竖线上也可以。图24-2就是图24-1实物图对应的电路图。
在实际电路中，往往不止有一个用电器，可能有两个、三个、甚至更多。千里之行，始于足下，还是要从最简单的两个用电器的连接说起。在初中物理中，绝大多数电路涉及到的是两个用电器的连接。
以两个灯泡接入同一个电路为例。两个灯泡可以像串糖葫芦一样串在一起，这是串联，如图24-3所示；也可以小朋友排排坐吃果果的小朋友一样，这是并联，如图24-4所示。
在串联电路中，电流路径只有一条，各个用电器不能单独工作。这真是一荣俱荣一损俱损！在并联电路中，有干路和支路之分，像树有树干与树枝一样。“干”之不存，“枝”将蔫附，所以干路断路，各支路用电都不能工作；如果只是某个支路断路，该支路用电器不能工作，但不影响其他支路上的用电器，因为各支路上用电器秉承着“独立自主互不干涉”的原则。
在实际生活中，还常常需要用多个开关控制一盏灯，这就涉及到开关的连接方式。如图24-9所示，是两个开关串联后控制一盏灯；如图24-10所示，是两个开关并联后控制一盏灯。
如果我们把每个开关看作是一个条件，满足条件时相当于开关闭合，未满足条件时相当开关断开。在图24-9中，两个条件同时满足时，电路才能接通，相当于“既要……又要……”；在图24-10中，任意满足一个条件时，电路都会接通，相当于“或者……或者……”。
如果再加一个开关，类比三盏灯的连接方式，也有四种接法（如图24-11、图24-12、图24-13、图24-14所示）。
可不要认为这是无聊的游戏，因为说不定哪个电路就隐藏你的身边。比如，为了做好疫情防护，某医院要求进入医院要通过人脸识别测温一体机，可以实现扫健康码查验、口罩检测、体温检测自动报警功能：当出示的健康码为黄色或者红色时，开关S1闭合，红灯亮起；未配戴口罩时，开关S2闭合，红灯亮起；体温超过正常体温时，开关S3闭合，红灯亮起。这三个开关互不影响，有一个闭合报警的红灯都会亮起，所以这三个开关是并联的，与图24-12相同。再如，小轿车上的仪表盘上有一个显示汽车车门关闭状况的指示灯，只要四个车门中有一个没关紧，指示灯就会发光提醒。如果把车门没有关紧看作是开关断开，车门关紧看作是开关闭合，那么这个电路中共有四个开关。这四个开关彼此影响，不能单独控制指示灯，所以这四个开关应该是串联的。这样来看，好像应该和图24-11（或图24-9）类似，只开关的数量增加到4个就行了，画出的电路图如图24-15所示。
画好了图，并非万事大吉，还要检查一下画出的电路是否符合实际。分析发现，图24-15中，四个开关任意一个断开，灯都不亮；都闭合时，灯才发光。这与已知的现象正好相反呀！看来这个电路设计的有问题。
开关与它控制的用电器串联，这是常规接法。按这种方式连接的电路，开关断开，用电器不工作；开关闭合，用电器工作。但是现在，按这种接法接好的电路发生的现象却与实际现象相反。那么，有没有可能这时开关与它控制的用电器是并联呢？不妨试着画画，画好的电路图如24-16所示。在这一电路中，四个开关串联后再与灯并联。这时，四个开关中有任意一个断开，灯都会发光；只有四个开关全部闭合时，灯才因为被短路而不发光。看来这次设计的电路符合实际了。
呵呵！不要高兴的太早。虽然现象相符，但也出现了一个致命的问题：电源被短路了。这也是电路连接的大忌。
不过在高手的眼里，这都不算个事。加一个保护电阻就能轻松搞定，修改后的电路图如图24-17所示。这时，四个开关都闭合后，只是灯泡被短路，电源并未短路。显然，这是利用了局部短路设计电路。
看来短路也并非全无可取之处，只要利用得当，也能收到意想不到的效果。短路尚且如此，何况于人乎？
25一首关于电流成长的诗
物理学家费曼认为，假如由于某种大灾难，人类累积的科学知识只能有一句话留给后人，这句话就是：所有的物体都是由原子构成的。
虽然世间万物都是由原子构成的，但从未有人用肉眼看到过原子，因为原子太小了。如果把原子放大到足球那么大，再用同倍数放大足球，这个足球会变得比地球还要大。
更不可思议的是，原子竟然不是最小的，它是由位于中心的原子核和四周绕核运动的电子组成的，犹如太阳周围的行星在不同的轨道上绕着太阳转动一样。电子之所以没有脱离原子核也像地球等行星受到了太阳的吸引一样，受到了原子核的吸引。
原子的所有质量几乎都集中原子核上，但是这样一个小小的核的“个头”相对原子却是微乎其微。假如把原子放大到教室那么大，原子核看上去比一粒米还要小得多。但是，既便原子核如此之小，它还是可以再分的――由质子和中子组成。质子和中子看上去像是双胞胎，体重、大小差不多，区别是每个质子带1个正电荷，而中子没有。带电的还有核外的电子，每个电子带1个负电荷。神奇的是，原子核中有多少个质子，核外就有多少个电子。这样的结果是，原子带的正、负电相互抵消了，整个原子不显示任何电性，看上去岁月静好。
可是，平静的外表面下却是暗潮涌动。那些离核越远的电子，受到原子核对它的吸引力越小。当这个吸引力足够小时，电子就有机会脱离了原子核的束缚获得自由，在各个原子核之间漫无目的地做“核”际旅行。这样的电子叫做自由电子，金属内部就有大量的自由电子，自由电子多的物质容易导电，是导体。还有一些导体容易导电，是因为有大量的正、负离子，比如酸、碱、盐的水溶液。自由电子和正、负离子都是自由电荷。
在大多数情况下，自由电荷像沙滩上散步的游客随意地走着，但有时这些自由电荷也会像游客疯了一般地朝着岸边跑去一样，做定向移动。一齐向前岸边奔跑的游客形成了巨大的人流，自由电荷的定向移动又会形成什么呢？
电流！电荷的定向移动形成电流。
游客向着岸边跑去，是因为海面上涌来了巨大的海浪。自由电荷又为什么做定向移动呢？
电压！电压相当于使电荷做定向移动的“推动力”。换句话说，电压是形成电流的原因。
但是，电流之路并不平坦。就像松软的沙滩延缓了游客奔跑的速度，各个游客还会相互碰撞，这些都是阻力；以金属导体为例，在导体内部，自由电子在导体内定向移动时，相邻的电子也会相互排斥，经过原子核时又受到吸引，所以自由电子在定向移动过程中也受到了阻力。在物理学中，我们把导体对电流的阻碍作用叫做电阻。
诗人汪国真说：“我不去想未来是平坦还是泥泞”，“既然选择了远方，便只顾风雨兼程”。电流也是如此！一路走来，在受到电压的“推力”时，也抵挡着来自电阻的“阻力”。
如果导体是个诗人，一定会为电流写下一首赞美诗：
我曾是一段躁动的导体
大量自由电荷像分泌过盛的荷尔蒙
那些堆积在心里的年少轻狂
运动无序，没有目的
若不是开关闭合
若不是电压唤醒了我的沉沦
青春又怎会告别迷茫
散漫的自由电荷又怎会定向走起
可我是如此地矛盾
一边赞美电流如大江东去
一边却又本能的抗拒
不想让电流走得一帆风顺
电压无言，若严师诤友
我却恶作剧般地把阻碍作用增大了N倍
于是电流像个委屈的孩子
瞬间变成了原来的N分之一
当知错的我保持沉默
施加在我身体两端的电压增大
我感受到了电流开始激越飞扬
和电压一样变成了原来的N倍
有人说，电压、电阻、电流
是电学里的黄金三角，熠熠生辉
其实这是一首关于电流成长的诗
情仇爱恨在1826年欧姆剧本中已倾情演绎
这个世界，亦复如是
前行的脚步虽然坚定也时有疲惫
至于那些挥之不去的压力
不止让人崩溃也能催人奋进
（注:这首小诗名为《欧姆定律是一首关于电流成长的诗》，作者：孙恒芳 张虎岗）
在这首诗中，我们看到了电流与电压、电阻之间错综复杂的关系，可是在物理学家的眼里，它们之间的关系却非常清晰，用三言两语甚至一个公式就能说得明明白白，这就是欧姆定律。
26欧姆定律的前世今生
欧姆定律是电学中一个重要规律，也是初中电学的第一个高潮，它把电流、电压、电阻“会聚一堂”，简明扼要地说出电流与电压、电阻的关系。对于欧姆定律，我们不仅要关注定律内容，更要知道定律的由来。
欧姆定律是一个由实验得出的定律，想要了解欧姆定律的前世，就不得不提到两个探究实验：探究电流跟电压的关系；探究电流跟电阻的关系。
首先，说一说探究电流跟电压关系的实验。
因为猜想电流不仅与电压有关，还与电阻有关，所以在探究电流与电压的关系时，要控制导体的电阻不变，改变导体两端的电压大小。这是用到了控制变量法，电路图如图所示。
保持电阻一定的情况下，多次改变滑动变阻器滑片的位置，读取电压表与电流表示数，得到了三组定值电阻R两端的电压值与对应的通过它的电流值，如表1所示。
下面要做的就是让实验数据“说话”。由三次实验数据可知，随着电压的变化，电流值也发生了改变。因为三次实验中使用的是同一个定值电阻，所以我们可以得出一个初步的结论：电流与电压有关。
但是这个太笼统了，因为三次电压值依次增大，对应的电流值也是依次增大。所以，一个更明确的结论就出现了：在电阻一定时，电压越大，电流越大，或者在电阻一定时，电流随电压的增大而增大。
但是这个结论还不够准确，因为从表1中的数据还可以看出，电压增大几倍，电流也增大几倍，或者每组对应的电压与电流之比是恒定的。这说明什么？在电阻一定时，电流与电压成正比。
电阻、电流与电压是相对于同一个导体或同一段电路而言的，所以这个结论说得更完整一些，应该是：“在导体的电阻一定时，导体中的电流跟导体两端电压成正比”。
同样，在探究电流与电阻的关系时，要控制导体两端电压不变，改变电阻的大小。某次实验得出数据，如表2所示。
从表2可以看出，电阻改变时电流也发生变化，即电流与电阻有关。
进一步比较发现，随着电阻的增大，电流越来越小。因为控制了导体两端电压不变，所以可以得出“在电压一定时，电阻越大，电流越小”或“在电压一定时，电流随电阻的增大而减小”的结论。
再通过计算还可以知道，电阻变成原来的几倍，电流就变得成原来的几分之一；或者得发现电流与电阻的乘积是恒定的。这就得出更准确的结论：“在电压一定时，电流与电阻成反比”。把这个结论描述的更准确一些，就是：“在导体两端电压一定时，导体中的电流跟导体的电阻成反比”。
当通过探究分别得出电流与电压、电阻的关系后，欧姆定律也将应运而生了。但是在此之前，我们不妨回顾一下在探究实验中如何根据实验数据归纳结论的问题。
在第23节“比热容，王者归来”中，我们还知道了研究多变量问题时，要先弄明白自变量、因变量和控制变量分别是谁。在这一节，主要说一下如何分析实验数据得出结论。
现在让我们再回到这两个结论上来。
结论1：在导体的电阻一定时，导体中的电流跟导体两端电压成正比。
结论2：在导体两端电压一定时，导体中的电流跟导体的电阻成反比。
将这两个结论合而为一，就得出了下面的表述：
导体中的电流跟导体两端电压成正比，跟导体的电阻成反比。
这就是著名的欧姆定律，是德国物理学家欧姆在1826年通过实验得出的。
27电学里的六脉神剑
欧姆定律是分析、解决电路问题的“神兵”，在简单电路（电路中只有一个用电器）里自然是所向无敌。但是，在遇到串联电路、并联电路时，就力不从心了，毕竟双拳难敌四手，好汉架不住人多。
俗话说：一个篱笆三个桩，一个好汉三个帮。面对串联电路，欧姆定律这“一个好汉”需要的三个“帮手”是串联电路的电流、电压和电阻特点；面对并联电路，需要的是并联电路的电流、电压和电阻的规律这三个“帮手”了。
两种电路，每种电路各有三条规律，二三得六，合起来就是六条规律了。我们不妨把六条规律统称为六脉神剑。因为在金庸武侠世界里，大理段誉凭借着六脉神剑独步江湖；在电学的世界里，这六条规律也是纵横串、并联电路至关重要的绝世神功。
因为在初中物理中大多涉及两个电阻的串联或并联，所以下面就以R1、R2串联或并联为例。
看完这六条规律，你可能觉得“神功虽好，练成不易”。可是，要想踏足初中物理电路江湖不被KO，前四剑是保命的基本功，必须学好，至于第五剑和第六剑可以根据个人悟性进行选练，练成固然好，练不成也不必自责。何况，下面还为你提供了这六剑的精简版，方便携带，可随时查看。
应用这两个比例关系，在解题时可以直捣黄龙，省却很多推导运算。
这真是：六脉神剑遇欧姆，两个比例看电阻。
28电路现形记
虽然说初中物理接触的电路大多是两个电阻的串联或并联，听上去电路并不复杂。但是如果电路的形状“不走寻常路”，再加上电压表、电流表穿插其中，要想让电路现出原形，也非易事。
其实，这两个图中电路连接情况是完全一样的。区别是图28-1是规范电路，图2是不规范的异形电路。将图28-2整理之后即可得到图28-1所示等效电路。
图28-1的等效电路图形成要经过三个步骤：
第一步：判断电路连接方式
将图28-2中电压表与电流表都拆除，电流表拆除后断开的“缺口”用导线连接，电压表拆除后断开的“缺口”不补，并将连接电压表的导线拆除到相连的接点，如图28-3所示。
第一步，判断电路连接方式
将图28-11中的电表拆除后，如图28-12所示，很明显，R1、R2串联；再将其整理成规范电路图，如图28-13所示。
第二步，判断电表的作用
一是判断电压表的测量对象。
第三步：画出等效电路图
电压表与电流表添加到图28-13所示的电路中的相应位置，得出图28-11的等效电路图，如图28-17所示。
图28-17
看到这里，你或许产生了两个疑问？也可能发现还有两次判断是多余的？
两个疑问是：为什么电压表和哪个电阻画个圈，就测哪个电阻两端的电压？为什么将电流表拆除，哪段电路断开，就测哪里的电流？
这和电表的连接情况有关。电压表与被测电路并联在电路两点间，因此拆除电源后会与并联的部分形成一个“闭环”。电流表与被测电路串联，所以拆除电流表后与它串联的电阻（或用电器）中也会断路。
两次多余的判断是：在并联电路中判断电压表的测量对象，在串联电流中判断电流表的测量对象。
之所以说这两次判断是多余的，是因为在并联电路中，电压表与其一个电阻并联，也一定与另一个电阻并联，各支路两端电压又等于电源电压，所以电压表测量的一定是电源电压。在串联电路中，各处电流都相等，所以电流表测量的一定是电路中的电流。所以，当操作为熟练后，一旦确定是并联电路后可以“跳过”对电压表测量对象的判断，确定是串联电路后可以“跳过”对电流表测量何处电流的判断。
如果你看懂了上面的讲解，恭喜你已经晋级为电路分析的“高手”，但是也别骄傲，因为实际遇到的电路可能更为复杂，不仅有电压表、电流表，还会出现多个开关，如图28-18所示。
图28-18
遇到这样的问题也不要慌。先根据题中所述开关的通、断情况，去掉断路部分或短路部分，再进行简化即可。
图28-18中开关通断有以下情况：
看到这里，如果你依旧气定神闲，说明你已经为纵横电路打下了坚实的基本功。
为什么说是“基本功”？
因为要想搞定初中电学，还得把串联和并联电路的电流、电压、电阻的规律时刻记在心头，能将欧姆定律、电功率、焦耳定律等公式运用自如。
29电功率四式
在现代生活中，电能是使用最普遍的能量。无论是使用电灯照明、电脑上网、电话聊天、电热器取明、电风扇降温，还是使用电饭锅做饭、电热壶烧水、电冰箱保鲜食物，这些家用电器在工作时都要消耗电能，并将电能转化为其他形式的能。
家用电器大致可分为四类：
照明类：包括各种电灯，工作时主要把电能转化为光能。
电热类：如电热器、电烙铁等等，工作时主要把电能转化为内能。
电动类：如电动机，工作时主要把电能转化为机械能。
信息类：如电视机、收音机、手机，工作时主要把电能转化为光能、声能等等。
在物理学中，有多少电能转化为其他能量的能，我们就说电流做了多少功。电流所做的功叫做电功。电功用W表示，单位是焦耳，简称焦，符号是J。
同机械做一样，电流做也是有快有慢的，电流做功的快慢用电功率表示。电功与通电时间之比叫做电功率。电功率用P表示，单位是瓦特，简称瓦，符号是W。
虽然电功与电功率的含义截然不同，一个表示消耗电能的多少，一个表示消耗电能的快慢。――但是，生活中却常常将电功与电功率混淆。设想超市里有这个一个画面：一位顾客搬着一台微波炉想要退货。顾客气愤地对售货员说，昨天你说这款微波炉很省电，用它加热食品花不了多少电费。可是我一使用，家里电表的转盘就嗖嗖地转起来。这真是鸡同鸭讲，因为售货员说的是电功，顾客说的却是电功率。
在生活中，购买家电时，电功率是一个重要参考指标。
在初中物理中，电功率是电学的重点和难点，往往在中考物理试卷中承担着电学压轴题的重任。因此，如何准确、高效地计算电功率显得尤为重要。而要想迅速地解答电功率问题，就必须掌握计算电功率的四个公式：
如果你够仔细，一定会发现端倪。――这两个结论的前提条件不同。
“电功率与电阻成正比”的前提条件是“在电流相等时”；而“电功率与电阻成反比”的条件是“在电压相等时”。
这说明什么？
每一条规律都有成立的条件，使用时要注意其适用范围。比如，在初中物理中，牛顿第一定律适用于物体不受力或受平衡力时，不适用物体受非平衡力时；欧姆定律适用于金属和碳导电，部分适用于酸、碱、盐水溶液导电，不适用气体导电。
孔子说他“七十从心所欲不逾矩”，应用物理公式分析问题的最高境界大约也是如此。“熟练、灵活地应用公式”是“从心所欲”，“在公式的适用范围内使用”是“不逾矩”。万物一理，世界上了没有绝对的自由，只有每个人都遵守规则，才能享受自由。
30焦耳定律
手机使用时间长了，摸上去后壳会发热。
树木被雷击中后，往往有被烧焦的痕迹。
也时有新闻报道，电动车在家充电引起火灾。
追根究底，这些现象的原因都可以归结一个：电流的热效应，即电流通过导体时会放出热量。在这个过程中，电能转化为内能。
顾名思义，焦耳定律是焦耳研究发现的。
用现在的话来说，焦耳是一个富二代，他的父亲是英国的啤酒制造商，但焦耳却不爱金钱爱科研。19岁时，焦耳就开始独立进行科学研究。他自己在自己家里建造了一座实验室，在那里做了许多重要实验，可以说他一生的大部分时间都是在这座实验室中度过的。
1840年，焦耳设计一个实验来探究电与热之间的规律。他把环形线圈放入装水的试管内，不断改变电路中的电流和电阻，测量相应的水温细微变化。他曾在论文中详细介绍了他的实验：
这一年的12月，他在英国皇家学会上宣告了他的这一重大发现。
可惜，他的论文并没有引起应有的重视。一方面，是因为焦耳只是一个酿酒技师，没有专门从事科学工作；另一方面，相当多的科学家并不相信电与热的关系能如此简单。
其实，很多事原本没这么复杂，只是人们把它想的复杂了。
焦耳定律适用于任何用电器热量的计算。
在纯电阻电路中（如白炽灯、电热器），电能全部转化成了内能，并没有转化为其他形式的能，这时电流通过导体产生的热量等于电流所做的功，即Q＝W；在电能没有全部转化为内能的非纯电阻电路（如电动机）中，电流通过导体产生的热量小于电流所做的功，即Q＜W。
焦耳定律的得出得益于精密的测量，焦耳这种一丝不苟的研究精神与他的学习经历有关。焦耳16岁时，他父亲请来著名的道尔顿给焦耳讲授初等数学、科学方法和化学。道尔顿对他说：“真正的实验并不在于观察现象，而是学会测量，然后运用数学知识从测量的结果中寻找规律，一切科学定律都是这样得到的。”
这句话被焦耳一生奉为信条。这真是一句话，一辈子！
31安培真牛
人们很早就发现了电现象与磁现象，现在我们也知道它们有许多相似之处：
1．带电体能吸引轻小物体；磁体能吸引铁、钴、镍。
2．电荷有正、负；磁极有南（S）、北（N）。
3．同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引；同名磁体相互排斥，异名磁极相互吸引。
4．电荷周围有电场，磁体周围有磁场。
但是，长久以来在科学家的眼里电与磁却又是两条平行线，永远不会相交。比如，发现电荷作用规律的库仑就曾断言：“电和磁两者之间没有关系，也不可能互相转换。”
但是电与磁之间真的毫无联系吗？也有一些人并不相信这种说法。他们坚定地寻找电与磁之间的联系，虽然这并不容易，比如丹麦物理学家奥斯特。
1820年4月的一天，奥斯特在讲完课后，抱着试一试的想法把一根铜导线和磁针平行放置，结果小磁针竟然摆动了。他掉转电流的方向，小磁针的偏向也与刚才相反，如图31-1所示。
图31-1
小磁针这一小小摆动可不得了。因为铜线与小磁针并不会发生力的作用，要让小磁针摆动，就必须将它放入磁场中。铜线通电后小磁针发生摆动，这岂不是说铜线通电后产生了磁场。
这真是踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。据说奥斯特当时兴奋地在讲台上跌了一跤。
后人把这一实验叫做奥斯特实验。
奥斯特实验证明了电流周围存在磁场，第一次揭示了电与磁的联系。奥斯特也就成了第一次吃螃蟹的人。
但是，如果就此认为奥斯特是撞了大运，也很不公平。早在1807年，他一直试图寻找电力与磁力之间的联系却屡屡失败。奥斯特之所以如此百折不挠地探究电与磁的联系，是因为相信自然界的各种力是统一的，光、电、磁、化学亲合力等在一定条件下可以互相转化。
果然，成功源于信念坚如磐石！
1820年7月21日，奥斯特公布了他的实验结果。法国科学家安培听到了这一消息，敏锐地认识到了这一发现的重要性。他不仅重复了奥斯特实验，还进一步研究发现了通电螺线管的磁场与条形磁体的磁场非常相似，并且确定了通电螺线管的极性与螺线管中电流方向之间的关系，也就是我们现在所熟知的“通电螺线管的右手螺旋定则”，也叫“安培定则”，如图31-2所示。
图31-2
用右手握住螺线管，让四指弯向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的N极，另一端为S极。
安培真牛！
此言不虚，安培的确有一个别称：电学中的牛顿。为了纪念安培的贡献，电流的国际单位“安培”以他的姓氏命名。
应用安培定则解决问题，是初中物理电磁部分作图题的常客。考查时，无非是已知电流方向，判断通电螺线管的N极，或者已知通电螺线管的N极，判断电流方向。再向外拓展，由电流方向可以联系电源正、负极；由通电螺线管的N极可以联系到通电螺线管周围磁感线的方向、通电螺线管周围小磁针静止N极的指向，等等。
在以上所列各项中，已知其中一个，就能顺藤摸瓜地推出其余。
图31-3就是它们的“全家福”。
图31-3
32电动机VS发电机
1873年5月1日，在《蓝色多瑙河》优美的旋律中，维也纳世博会隆重开幕。
在机械厅里，比利时工程师齐纳布·格拉姆紧张地连接他带来的发电机，准备向参观者展示。在《蓝色多瑙河》的旋律演奏完毕时，格拉姆恰好把发电机安装完毕。
当他把发电机输出端上的最后一根线搭上后，令人惊讶的一幕出现了：在没有任何动力机械带动的情况下，发电机竟然自动高速地旋转起来。
原来，格拉姆一时紧张，把旁边一个发电机的输出线接在他的发电机的输出线上面，这相当于给他的发电机线圈通电了。结果，他的发电机竟然变成了一个电动机。
闻讯而来的人看到后欣喜若狂：电能原来可以这么简单地转化为机械能！
早在19世纪30年代末，科学家就已经发明出来了电动机。由于不需要消耗燃料，不会产生污染，又容易控制，所以电动机备受青睐。但是，理想很丰满，现实很骨感。这些电动机必须用伏打电池来供电，并且产生的动力很小，又不耐用，用它生产得不偿失，因此一直不能广泛应用于实际。
格拉姆这个错误操作引发的现象让工程师们看到了曙光，因为这个现象预示着电动机与发电机可能具有类似的结构。
的确，现在的电动机与发电机都是定子和转子组成，都包括了磁极、线圈、换向器等基本元件。
但是，它们的原理却截然不同，能量转化更是恰好相反。
发电机的原理是电磁感应现象。
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中产生感应电流，这种现象叫做电磁感应现象。产生的电流叫做感应电流。电磁感应现象是由英国物理学家法拉第于1831年发现的。
实验证明，感应电流的方向与导体运动方向和磁场方向有关。要想改变感应电流的方向，只改变导体运动方向或磁场方向都可以；若将导体运动方向或磁场方向同时改变，感应电流的方向则不会改变。这是因为，将导体运动方向和磁场方向同时改变，相当于将感应电流方向连续改变了两次，像“负负得正”一样，所以感应电流方向不会改变。
利用电磁感应现象制成了发电机。发电机在工作时，消耗了机械能，得到了电能。所以发电机在工作时将机械能转化为电能。现在发电厂的发电机就是用水轮机、蒸汽轮机等动力装置带动的。
电动机的原理是磁场对电流的作用。
磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用。通电导体周围也存在磁场，也可以看做是一个磁体。因此，将通电导体放入磁场中，通电导体受到磁力的作用，由静止变运动。实验发现，通电导体在磁场中受力的方向，既与磁场方向有关，也与导体中电流方向有关。只改变磁场方向或电流方向，通电导体受力方向地发生变化；两个同时改变，导体受力方向不变。
将导体变为线圈，再加上换向器，通电后就能在磁场中连接转动了，这就是简易的电动机。电动机在工作时不断消耗电能，但是线圈转动，获得了机械能。所以，电动机是将电能转化为机械能的装置。
1873年维也纳世博会后不久，更加实用电动机问世了，更多能够将电能转化为机械能的技术和产品很快投入市场。格拉姆在维也纳世博会上的这次偶然失误，将新的动力献给了世界，拉开了人类由蒸汽时代进入电气时代的序幕。
33如果你不懂物理，怎知我爱你有多深
2016年8月9是农历七月初七。“七夕”是牛郎织女鹊桥会的日子，这一天也是中国的情人节。
在这一天，我借物理知识写了一首小诗《如果你不懂物理，怎知我爱你有多深》，发布在个人微信公众号“堪寻”上。
从此，每年情人节、七夕节，甚至教师节，会有很多公众号转载这首小诗。只是，在多次转载之后，这首诗也就变成了出处不详、作者不详，被标注成了“来源于网络”。
现在，我把这首诗送给懂物理的你，希望你有一天你有机会送给懂物理的他/她。
34物理是最好的人生指南
这是本书的最后一节，那就说说我最想说的。
通过前面章节的阅读，初中物理知识你已经了解了十之八九，科学方法与思维也多有涉及。如果只是这些，相信你在其他类似的书上或者课堂上都能学到，也许还会比我讲得更好。所以，在这“最后一课”，我想与分享你一些如果我没有说也许永远没有人告诉你的事。
我想说的，都在下面三个将要分享的物理知识中。
首先，要说的是测量值。
测量值由数字和单位组成，在记录测量结果时，如果只写数字而未标明单位，是没有意义的。比如，1.7，如果没有标明单位，别人就无法确定是1.7m，还是1.7cm，或者是1.7kg、1.7℃、1.7A、1.7J，或者是1.7其他的什么。所以说，单位赋于数字以意义。数字不能没有单位，人生也不能没有梦想。如果我们每天总是混混噩噩地，度过的每一天又有什么意义！是梦想让我们度过的每一刻每一秒有了意义。人生丢弃梦想，就像测量值遗失了单位，往后余生不过是一串没有意义的数字。
这是我想和你分享的第一个感悟：心中要有梦想。
接下来要说的是惯性。
惯性每天都与我们寸步不离，无论是你快速奔跑，不小心被地上的石头绊了一脚而狠狠地扑向大地母亲，还是你上课走神时，被老师从讲台掷出的粉笔头划出一道完美的抛物线击中额头，――都少不了惯性的影子。物体有惯性，人何尝没有惯性呢？有的人做事拖延；而有的人积极进取，就是因为他们有着不同的惯性。“坏”的惯性，让我们得过且过，“好”的惯性，让我们日有所进。就像牛顿第一定律告诉我们的那样，运动的物体不需要外力就可以永远运动下去，所以真正让我们奋进的，也不是外力的催促，而是扎根在内心深处不甘沉沦的惯性。
这是我想和你分享的第二个感悟：积极的心态。
最后，聊一聊电流。
形成的电流的虽然是自由电荷，但是当自由电荷随意运动时，也不会产生电流。只有在电压的“压力”下，自由电荷向同一个方向运动，才会产生电流。电流在导体中流动时也不是畅通无阻的，比如电流在流过灯丝时，就受到了阻碍，但也因此产生的光和热。我们的人生何尝不是如此呢？每个成功者走过的路也不是平坦笔直的，正是因为他们克服了一个个困难，人生才绽放出光和热。比如贝多芬，虽然遭受着耳聋、贫困的折磨，却以巨人般的毅力创作出了《第九交响曲》。
这是我想和你分享的第三个物理感悟：不向困难低头。
从今天起，爱上学习，做一个心怀梦想的人，每天保持积极健康的心态投入到学习、生活之中，不向困难低头，化压力为动力，向着目标，勇敢前行。
后记
读苏霍姆林斯基《给教师的建议》时，有一个案例让我印象深刻：一位有着30年教龄的历史老师上了一节公开课，这位老师的每一句话都极富感染力，以至于听课的教师都身入其境，竟然忘记了做听课记录。下课后，一位来自其他学校的听课老师好奇地问这位历史老师：“您花了多少时间来备这节课？”这位历史老师回答道：“对这节课，我准备了一辈子。而且，总的来说，对每一节课，我都是用终生的时间来备课的。不过，对这个课题的直接准备，或者说现场准备，只用了大约15分钟。”
这本书从设计、写作大约用了3个月的时间，但书中每一篇都是我任教初中物理25年来的积累的经验与感悟。2022年1月初，本地疫情告急，我们迎来了一个意想不到的从1月13日到2月28日的超长寒假。这本书中大部分内容是在这个超长寒假完成的。白天大多数时间用来查阅资料、构思框架，回忆从教以来的一些教学片段，偶有思路或心得便及时记录在纸上。夜深人静，独自一人坐电脑前，手指在键盘上时断时续地敲击，像是渔夫在捕获在海面跳跃的鱼儿。
这本书的顺利完成，最要感谢的是我的妻子张军粉女士，她是一位优秀的小学数学教师。正是因为她在这个寒假――当然不止这个寒假，承担了家务和辅导孩子写作业、上艺术课等等，才让我能安下心来完成这本书，也包括以往所写的每一篇文章、每一本书。
读完这本书，细心的读者可能会发现，书中看上去讲的是初中物理知识，当然这也是事实，但是却不局限于这些，还有隐含在物理知识之中的思维、方法，甚至你还会发现作者在字里行间夹带的“私货”――将物理知识与人生哲理尝试建立联系的“野心”。我坦白，这不是“初犯”，是“惯犯”。早在2018年，我在《发现不一样的物理》一书中就将初中物理绝大部分知识与人文结合。2021年，我又申报并立项了邢台市教育科学“十四五”规划课题《指向育人价值的初中物理教学实践研究》（课题编号：2101117），在这条路上继续摸索，这本书也呈现了该课题立项以来我的一些新思考与收获。
最后，衷心希望这本书能让还没有学过初中物理的同学喜欢上初中物理，让正在学习初中物理的同学能学好初中物理，让学过初中物理的同学发现不一样的物理。
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