作者 : 曹佑民老師 http://home.phy.ntnu.edu.tw/~optic E-mail:optic@home.phy.ntnu.edu.tw 版權所有 :optic 物理小站國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 先前介紹 電流的三大效應: 一 電流的熱效應 : 將電能轉變為熱能的現象 例 : 電流通過電阻時, 會產生熱能 二 電流的磁效應 : 將電能轉變為磁能的現象例 : 任何通有電流的導線, 會在其周圍建立磁場 三 電流的化學效應 : 將電能轉變為化學能的現象例 : 電解 - 當直流電通過電解質時, 在兩極會發生化學變化, 稱為電解 例 : 電鍍 - 利用電解原理, 把一種金屬 ( 擬鍍物 ) 鍍到另一種金屬 ( 被鍍物 ) 表面的方法 1-1 電流的熱效應一 電位能 : 電荷在不同電位所具有的能量 1. 電位能 = 電量 電位 2. 電能 (E): 電能 (E)= 電位能變化量 ( 釋放出的電能或儲存的電能 )= 電量 ( 末電位 - 初電位 )= 電量 電壓 (1) 電能 (E)= 電量 (Q) 電壓 (V) E=Q V (2) 單位 :(A) 電能 (E): 焦耳 (J) (B) 電量 (Q): 庫倫 (C) (C) 電壓 (V): 伏特 (V) 3. 電能可轉變成不同能量 ( 光 熱 聲 磁 化學能.), 因此形成電流的三大效應, 其中轉變為熱能的稱為 電的熱效應 二 電流的熱效應 : 1. 定義 : 將電能轉換成熱能的現象 2. 生活中的應用 : 電燈泡 電鍋 吹風機 電烤箱 電爐 烤麵包機 電熨斗 電暖器 保麗龍切割器 銲槍 三 電荷移動與電能變化的關係 1. 正電荷 : 在高電位具有較高的電位能, 在低電位具有較低的電位能 例 : A:1V (1)1 庫倫的正電荷在 A, 會比在 B 多具有 1J 的電位能 +1C (2)1 庫倫的正電荷從 A B, 電位能變化量 =(1C) (-1V)=-1J 電位能減少 1J, 轉變成電荷的動能 ( 在電路中轉為其他能量 ) B:0V (3)1 庫倫的正電荷從 B A, 電位能增加 1J, 由外力化學能提供 ( 電池能量提供 ) 1
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 2. 負電荷 : 在高電位具有較低的電位能, 在低電位具有較高的電位能 例 : A:1V (1)1 庫倫的負電荷在 B, 會比在 A 多具有 1J 的電位能 (2)1 庫倫的負電荷從 B A, 電位能變化量 =(-1C) (+1V)=-1J -1C 電位能減少 1J, 轉變成電荷的動能 ( 在電路中轉為其他能量 ) B:0V (3)1 庫倫的負電荷從 A B, 電位能增加 1J, 由外力化學能提供 ( 電池能量提供 ) e - 3. 電池電能轉換的過程 負極 :0V e - e - 正極 :+1.5V e - e - (1) 電池外部 : (A) 負電荷受電力, 由電池低電位 ( 高電位能 ) 至高電位 ( 低電位能 ) (B) 在此過程中, 電位能減少, 轉變為燈泡 ( 電器 ) 的熱能 (2) 電池內部 : (A) 負電荷受電池的推力, 由電池高電位 ( 低電位能 ) 至低電位 ( 高電位能 ) (B) 在此過程中, 電池發生化學能減少 ( 發生化學變化 ), 轉變為電位能 1. 電池內部, 發生化學變化, 將化學能轉換為電能釋放出來 2. 電路為封閉迴路時, 導線中的電荷受到電池推動, 而沿著電路流動 3. 電能在導線及燈泡裡轉換成光和熱能 4. 所消耗的電能由電池補充, 直到電池放電至無法使用 四 電能的轉換 : 1. 電源 : 提供電能 ( 電壓 ) 2. 電器 : 消耗電能 ( 將電能轉換成其他能量形式 ), 例 :(1) 燈泡 : 電能 熱能 光能 (2) 馬達 : 電能 力學能 (3) 電解 : 電能 化學能 3. 電池提供的電能 : 電池提供的電能 (E s )= 通過的電荷量 (Q) 電池兩端的電壓 (V) = 輸出電流 (I) 通電時間 (t) 電池兩端的電壓 (V) E s =Q V=I t V 4. 電阻器上消耗的電能 ( 此電阻符合歐姆定律 R=V/I) 電池提供的電能 (E r )= 通過的電荷量 (Q) 電阻兩端的電壓 (V) = 通過電阻電流 (I) 通電時間 (t) 電阻兩端的電壓 (V) E r =Q V=I t V=I 2 R t= 2 V t R 2
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 五 電功率 : 1. 定義 : 電器每秒鐘消耗的電能, 稱為功率, 也稱為電功率 2. 公式 : 功率 (P)= 消耗電能 (E)/ 經過時間 (t) P= I V=I 2 2 V R= 3. 單位 :(1) 功率 (P): 瓦特 (W) (2) 電流 (I): 安培 (A) (3) 電壓 (V): 伏特 (V) (4) 電阻 (R): 歐姆 (Ω) R 例 1. 單一電路如圖, 電池電壓 1.5V, 連接 2 歐姆燈泡 : (1) 導線上電流? (2) 電池提供的功率? (3) 燈泡電能消耗的功率? (4)1 分鐘內, 燈泡消耗電能? 3
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 例 2. 串聯電路 (1) I= ;I 1 = ; I 2 = ;R= 12V (2)V 1 = ;V 2 = (3)P= P 1 = P 2 = R 1 :4Ω R 2 :2Ω 例 3. 並聯電路 (1) I= ;I 1 = ; I 2 = ;R= 12V (2)V 1 = ;V 2 = (3)P= R 1 :4Ω P 1 = P 2 = R 2 :2Ω 例 4. 今用 11 歐姆的電阻器接上 110V 電壓, 加熱 25.1100g 的水至沸騰, 請問需時多少秒?(1cal=4.2J) 4. 電器產品的標示 : 一般電器產品皆標有適當使用的電壓和它的功率 例 : 一般電器使用電壓為 110V 220V, 某電鍋標示 110V/550W, 表示 : (1) 此電鍋在接上 110V 電壓時, 功率為 550W 電鍋內部電阻 R= P 2 V =110 2 /550=22Ω 2 V (2) 當接上 220V 電壓時, 內電阻不變, 因此消耗功率 P= =220 2 /22=2200W, 消耗功率變為 4 倍 R (3) 同理, 當接上 55V 電壓時, 消耗功率 P=137.5W, 變為原來的 1/4 倍 例. 今天有一燈泡, 標示為 110V/121W, 請問 (1) 此燈泡電阻為? (2) 改接在 220V 時, 燈泡功率則變為多少?( 燈泡未燒毀 ) 5. 電器並聯與串聯時消耗的功率 : (1) 當電阻串連時 : 功率比 = 電阻比 (I 相同,P=I 2 R) (2) 當電阻並聯時 : 功率比 = 電阻倒數比 (V 相同,P=V 2 /R) 例 1. 今有 A B 兩電阻串聯, 電阻大小分別為 2Ω 4Ω, 請問通電後, 兩電阻的功率比為? 例 2. 今有 A B 兩連電阻並聯, 電阻大小分別為 2Ω 4Ω, 請問通電後, 兩電阻的功率比為? 4
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 1-2 電與生活 一 電的種類 : 1. 直流電 (DC): (1) 電流大小 方向固定 ( 由正極流向負極 ) (2) 一定標有正 負極 I + (3) 由電池或直流發電機供電 t _ 2. 交流電 (AC): I + (1) 電流大小 方向, 會隨時間作有規律的週期變化 (2) 沒有正 負極之分 (3) 由交流發電機或發電廠供電 (4) 台灣地區提供的交流電頻率為 赫 ( 每秒鐘改變電流方向 60 次 ) 使用交流電的好處 : 能以簡單方式變壓 _ t 二 電力的輸送 : 1. 流程 : 桿上 降壓 高壓 升壓 住家 變壓器 變電所 電塔 變電所 發電廠 2. 發電廠 : 選在人口稀少的山區或濱海地區 3. 輸送管線 : 電力需要長途的輸送, 因此線路電阻所產生的熱效應, 會將部分的電能轉成熱能, 造成電能的損耗 (1) 傳輸功率 P 傳輸 =V I ( 傳輸電壓 傳輸電流 ) (2) 導線消耗功率 P 消耗 = I 2 R (R 是傳輸線電阻 ) 使用 輸送電壓, 可降低電能損耗 (3) 在固定傳輸功率下 P 消耗 =(P 傳輸 /V) 2 R 4. 變電所 : 台灣電力公司輸出的高壓電, 經由高壓電塔輸送到各地的變電所後, 降低電壓再輸出 5. 電線桿或人行道旁的變壓器 : 變電所輸出降壓的電流, 在經電線桿或變壓器, 將電壓降至 110V 或 220V, 提供一般家庭用戶使用 5
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用三 電器標示 : 1. 插座形式 : 110V 110V 220 (1)110V 雙孔插座 : 電視機 電風扇 檯燈等使用 (2)110V 三孔插座 : 多一孔是為了使電器接地, 避免漏電時造成觸電傷害, 如電腦 電冰箱 洗衣機 等使用 (3)220V 三孔插座 : 大多是冷氣使用 ( 孔洞與 110V 三孔有明顯不同, 方便使用者分辨 ) (4) 世界各國使用的電壓不盡相同, 且電源插座種類繁多, 因此出國時需準備合適的變壓器及轉接頭 2. 電器標示 : (1) 一般電器都會標示使用電壓及消耗的電功率 (2) 許多進口的電器產品, 為了適用於各國不同的交流電壓, 通常會加裝電壓選擇器 例 : 山豬牌手提 CD 音響機型 :CC-XY123 額定電壓 :AC110V/220V 60/50Hz 或 DC12V(UM-2 8) 消耗功率 :15W 表示此機器可接於交流電 110V 或 220V 使用 也可以使用 8 顆乾電池串聯提供的直流電下使用 四 電費計算 : 1. 電能計算 : (1) 以消耗的電能多寡來收取費用 (2) 為計算方便, 不以 焦耳 為單位, 而是以更大的能量單位 ( )( ) 為單位 (3) 單位換算 :1 度 =1 千瓦. 小時 = = 焦耳 (4) 電費 = 使用度數 每度電費 例 : 一個燈泡標有 110V 80W, 接在 110V 的電源上, 連續使用 3 小時, 請問 (1) 產生多少熱能? (2) 消耗多少度電能? (3) 每度電的電價為 2.5 元, 請問電費多少? 2. 瓦時計 ( 電表 ): 6
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 五 電線走火 : 1. 斷路 : 因開關未開或是導線斷裂, 甚至是電器故障, 導致電路不通, 稱為斷路 2. 短路 : (1) 定義 : 當電器與導線並聯時, 因電器電阻遠大於導線電阻, 大部分的電荷都經由導線流動, 造成導線電流大增, 稱為短路 (2) 常見發生原因 : 因使用不當或老鼠啃咬造成電線斷裂, 斷掉的兩條導線相互碰觸 (3) 常見發生位置 :(A) 插頭和電源線相接的地方 (B) 電源線和電器相接的地方 3. 電線走火 : 發生短路時, 導線電流過大, 因電流的熱效應, 造成電線的絕緣外皮熔化, 甚至起火燃燒 六 電路保險裝置 : 1. 安全負載電流 : 電線所能承載的最大電流量, 稱為電線的安全負載電流 一般家庭的交流電源和延長線, 都有最大安全容量的限制 2. 總電流超載 : 家庭用電均為並聯電路, 若在同一電源線或同一插座上連接太多電器, 尤其是使用延長線, 將使總電流超過安全負載電流 (1) 電線所生的熱會使電線溫度急速上升, 而發生危險 (2) 雖未超越安全負載電流, 但長期使用的結果, 也會使得絕緣外皮脫落而發生短路 3. 保險絲 : (1) 為了避免流經電線的電流過大的情形發生, 危害安全及損壞電器, 所以我們會在電路中加裝保險絲 (2) 保險絲的性質 : (A) 電阻比導線稍大 (B) 低熔點 易熔化的金屬合金線 (C) 要和電器 聯, 當電路中的電流過大時, 保險絲發熱而熔斷, 而無熔絲開關則會自動跳開 (D) 選擇保險絲的電流限定值 ( 熔斷的電流大小 ), 必須接近但小於安全負載電流的大小為原則 (3) 保險絲熔斷後, 必須更換保險絲, 電器才能正常使用 為了方便, 近年來多使用無熔絲開關代替保險絲 七 觸電 : 1. 觸電 : 當人體與電源間形成一個迴路, 電流流入人體會有麻痺 疼痛 痙攣等不同的感覺, 甚至致命 電流 ( 安培 ) 人體反應 人體的電阻 : 皮膚乾燥 - 數萬到數十萬歐姆 0.0001 感覺微麻身體出汗 - 數千歐姆 0.005 刺痛的感覺身體淋濕 幾百歐姆 0.010 肌肉抽慉 痙攣 活線與中性線 : 0.015 肌肉失去控制 (1) 活線 : 電位改變的端 (110V~-110V) (2) 中性線 : 電位不變端 (0V) 0.070 若流經心臟, 超過一秒鐘, 會造成嚴重傷害, 或致命 (3) 開關應接於活線上, 接觸電器才不會觸電 ( 若開關接於中性線, 則接觸電器時會有觸電的危險 ) 7
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第一章電的應用 八 家庭用電安全須知 : 所有電器的使用雖然節省許多時間及體力, 卻具有潛在危險, 稍有不慎, 就會發生觸電或引起火災, 應特別注意下列事項 : 1. 有接地線的電器必須確實接地 2. 身體潮濕或站立在濕地板上時, 切勿觸摸電器 3. 電線不能靠近水和會發熱的裝置 4. 安裝正確安全容量的保險絲或無熔絲開關 5. 不要同時在一個插座上使用過多的電器 6. 將插頭從插座上拔出時, 不要拉扯電線, 應該從插頭部分拔出 7. 經常檢查電線插頭, 如有損壞要及時更換 8. 易燃物質不要靠近電燈 電熱器等 8
作者 : 曹佑民老師 http://home.phy.ntnu.edu.tw/~optic E-mail:optic@home.phy.ntnu.edu.tw 版權所有 :optic 物理小站 國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 2-1 磁鐵與磁場 I. 磁鐵一 磁鐵 : 1. 定義 : 能吸引鐵 鈷 鎳等物質 ( 磁性物質 ) 的物體稱為磁鐵 2. 歷史 : 西元前 800 年, 希臘人發現某些石頭具有神秘力量, 可以吸引鐵器, 這是人們對磁性最初的認識 現在我們稱為這些石頭為磁鐵礦或天然磁石 羅盤 即所謂的指南針或指北針, 將磁鐵做成磁針支撐在轉軸上, 此磁針因受到磁力影響而可以自由轉動 補充 - 中國早期有關磁鐵的發明 :( 中國四大發明 : 指南針 火藥 紙 印刷術 ) (1) 戰國時期 : 利用天然磁石做成勺狀的 司南 指示方向 (2) 北宋初年 : 利用磁石燒製成魚形磁鐵, 稱為 指南魚 (3) 北宋末年 : 利用磁石製作成的 指南針 ( 羅盤 ) 司南二 磁鐵的性質 : 1. 磁極 : 以自由旋轉的磁鐵之指向判定 (1) 指北極 (N 極 ): 指向北方的一端 -N 極 (2) 指南極 (S 極 ): 指向南方的一端 -S 極 指向並非剛好正南北向 ( 地理上的南北極 ) 指南魚 指南針 2. 磁力 : (1) 同極相斥 異性相吸 (2) 磁鐵越靠近, 磁力越大 (3) 兩極磁性最強, 中間磁性最弱 3. 磁性的分割 : NS 極必成對出現 N N N S S S (1) 向 N S 連線縱切, 會產生新磁極 (2) 向 N S 連線橫切, 不會產生新磁極 折斷的磁鐵從斷面靠近, 是會相吸引還是排斥呢? 1
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 磁鐵的性質 1. 磁鐵磁性 : 同極相斥 異極相吸 2. 磁場強度 : 二端磁極磁場強 中央弱 3. 磁鐵分割 :N S 極必成對出現 ( 不單獨存在 ) 4. 磁力與電力之比較 (1) 相同 : 皆有排斥與吸引力 皆屬 超距力 ( 非接觸力 ) (2) 相異 : 正 負電荷可單獨存在, 但 N S 極必成對存在 三 磁化 1. 定義 : 使物質具有磁性, 利用一個磁鐵靠近磁性物質, 可使磁性物質在靠近磁鐵一端形成異名極, 而較遠的一端形成同名極 磁性物質 (1) 含鐵 鈷 鎳 : 鐵 鈷 鎳或其合金構成物, 或其氧化物經高度的磁化而帶有磁性 (2) 可被磁化 : 磁鐵靠近時可以被磁化而帶有磁性的物質 引的物體, 大部分都是由 2. 磁化的久暫 : (1) 永久磁鐵 ( 硬磁鐵 ): 當磁化原因消失後, 可長期保有磁性 ( 鋼釘 ) (2) 暫時磁鐵 ( 軟磁鐵 ): 當磁化原因消失後, 無法長期保有磁性 ( 鐵釘 ) 3. 釘子的磁化現象 : (1) 釘子被磁化 : 近端生異性極, 遠端生同性極 (2) 將釘子從中拔開, 發生何事? (3) 釘子是鐵還是鋼材? 例 1: 兩根形狀 大小 長短均相同, 而且沒有任何標記的金屬棒 大雄不藉其他工具, 判斷這兩根金屬棒是否具有磁性, 並能分辨出來, 他的方法如下 : (1) 將兩根金屬棒貼標籤, 標明甲 乙 (2) 將兩根金屬棒互相靠近, 發現兩棒僅能互相吸引, 但不能互相排斥 甲 (3) 將兩棒排成如 (a), 可互相吸引而不脫落 甲 (4) 將兩棒排成如 (b), 則不能相吸而脫落 乙則甲 乙兩棒何者具有磁性? 乙 例 2: 如圖為一棒形磁鐵折成兩段的情形, 何者錯誤? (A) 一磁鐵折斷後的兩段磁力都消失了 (B) 一磁鐵折斷後, 變成兩個小磁鐵 (C) 如圖, 甲端為 N 極, 乙端為 S 極 (D) 一磁鐵被折斷後的磁力減弱 例 3: 持一磁鐵, 將其 N 極靠近鐵釘, 鐵釘下方再置一小磁針, 則甲為 極, 乙為 極, 丙為 極 2
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 II. 磁場 場的意義 超距力作用的空間: 磁場 電場 重力場 磁場 1. 磁場形成 : 有磁性者在其周圍建立磁場 距離近, 磁場強 (F 與 r 2 反比 ) 2. 磁場影響 : 只有磁性物質進入磁場中, 才會受影響 一 磁場 : 擁有磁性的物質 ( 磁鐵 ), 在他的周圍建立具有磁力作用的空間, 稱為磁鐵的磁場 當磁針進入磁場時, 便會受到磁力的作用而產生偏轉的現象 二 磁力線 : 磁場物像表示法 磁力線( 可表示磁場大小及方向 ) (1) 以鐵粉灑在磁場中, 形成的圖樣比擬之 此法無法判斷 N S 極 (2) 以小磁針擺置磁場中, 形成的圖樣比擬之 1. 定義 :(1) 用來表示磁場的假想線 ( 實際上不存在 ) (2) 受到磁力作用, 所形成的磁場, 為互不相交的曲線, 稱為磁力線 2. 特性 :(1) 任兩條磁力線, 絕不相交會 ( 同一點不可能有兩個磁場方向 ) (2) 每一條磁力線都是封閉的平滑曲線 (A) 在磁鐵外部, 其方向由 N 極指向 S 極 ; (B) 在磁鐵內部, 其方向由 S 極指向 N 極 ( 磁場方向 = 磁力線的切線方向 ) (3) 磁力線疏密表示磁場強度的強弱 ( 磁力線越密, 磁場越強 ) 三 磁場的性質 : 1. 磁場的大小 : 磁力線越密, 磁場越強 2. 磁場的方向 : (1) 磁力線的切線方向 (2) 磁針在磁場中的 N 極指向為其受力方向 四 地球的磁場 : 1. 定義 : 地球本身存在一個磁場, 稱為地磁 在地球上, 羅盤會受地磁的影響而指向南或北 2. 地磁特性 : (1) 地磁磁棒與自轉軸夾 11 度角 (2) 地磁南極指向地理北極 ; 地磁北極指向地理南極 S N 3
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 磁力線圖例 1. N S N S S N S N N S S N S N N S 左 右圖的磁極方向排列不同, 磁力線的差異為何? 2. 練習畫出下列磁力線 : (1) (2) N N S S (3) (4) N S N S N S S N 例 1. 一支鐵釘放在二支條形磁鐵附近,A B C D 分別為兩磁鐵的磁極, 箭頭表示磁力線方向, 如圖 所示, 鐵釘的 E 極會吸引指南針的 S 極, 則 : A 是極,B 是極,C 是極,D 是極 例 2. 磁力線分布情形, 如圖, 將 A B C D 三磁針置於磁場中, 磁針 N 極的指向為何? C B D 4
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 2-2 電流的磁效應 I. 電流磁效應的發現 : 西元 1820 年, 丹麥人厄斯特發現 1. 銅線靠近磁針時, 磁針不會發生偏轉 ; 改以電池靠近磁針, 磁針也不會偏轉 2. 若將銅線兩端分別連接電池的正 負極, 通以電流, 然後將銅線靠近磁針, 發現磁針發生偏轉 3. 顯示通有電流的導線周圍, 有磁場的存在 電與磁原本是兩個獨立現象, 經由厄斯特的發現, 有了連結的關係 思考 鋁是非磁性金屬, 通以電流 周圍會產生磁場? II. 電流的磁效應 : 一 定義 : 任何通有電流的導線, 都會在其周圍產生磁場, 這種現象稱為電流的磁效應 二 電流所造成的磁場 : 由電流磁效應的安培定律, 說明電流所造成的磁場大小 方向 ( 安培右手定則 ) 法國科學家安培, 深入研究發現 : ( 一 ) 載流長直導線 1. 磁力線 : (1) 灑上鐵粉 :(A) 磁力線形狀為封閉同心圓柱體, (B) 磁力線越近導線越密越明顯, 電流越大越密越明顯 (2) 放上磁針 :(A) 由磁針指向判斷磁場方向, 提出安培右手定則 ; (B) 越近導線磁針偏轉角度越大, 電流越大偏轉角度越大 r 2. 磁場強度 : 安培定律 (1) 磁場強度 (B) 與導線的電流大小 (I) 成正比 (2) 磁場強度 (B) 與該點與導線間 (r) 的距離成反比 3. 磁場方向 : 安培右手定則 (1) 右手大拇指方向 = 電流方向 (2) 四指彎曲方向 = 磁力線方向 ( 切線方向 = 磁場方向 ) I B α r 5
,, 國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 4. 載流長直導線電流流向的表示法 : 表電流垂直射入紙內. 表電流垂直射出紙外 5. 磁針偏轉角度問題 : 磁針的偏轉是受地磁 (B 地 ) 與電磁場 (B 電 ) 的合力作用, 因此 (1) 無電磁場時, 磁針指向 = 地磁指向 (2) 磁針指向 = 地磁與電磁場合力作用方向 (3) 地磁與電磁場同向時, 磁針不偏轉 (4) 地磁與電磁場反向時, 若 BB 地 >B 電 B 則不偏轉 ( 指向北 ); 若 BB 地 B 地 <B 電 B 則偏轉 ( 指向南 ) B 電 合力方向 ( 磁針指向 ) 例 1: 請問 A B C D E 點的磁場大小順序 I E A D B C 例 2: 例 3: 如圖, 甲丙磁針放在導線正上方, 乙磁針放在導線正下方, 當開關接通後 : (1) 磁針會順時針偏轉 (2) 磁針偏轉角度最大 (3) 改變圖中導線匝數, 雖然匝數一直增加, 但甲磁針 N 極偏轉的角度最多不會超過幾度? 6
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 例 4: 導線垂直穿過水平紙板, 紙板上放置甲 乙 丙三磁針, 當電路接通後, 則 : (1) 三磁針的偏向如何? (2) 把甲磁針垂直上提至 P 點, 偏轉角度變化? (3) 可變電阻滑鍵往 M 滑動, 甲磁針的偏轉角度變化? 例 5: 羅盤置於導線束正上方, 電路接通後 : (1) 磁針 N 極向偏轉 (2)( ) 五匝線束產生的偏轉角度是單匝線束的偏轉角度之五倍 ( 是非 ) ( 二 ) 螺旋形線圈 : 1. 圓環狀線圈 : 將一條長直導線彎成圓環狀, 通以電流之後所產生的磁場, 如同一個圓盤形磁鐵所產生 的磁場 S N 2. 螺旋形線圈 : 將長直導線繞成螺旋形線圈, 此時線圈就像是堆疊在一起的圓盤形磁鐵 ( 長磁鐵 ) 一樣, 通以電流的磁場強度會比單一線圈大 (1) 磁力線 : 以磁粉 小磁針畫出磁力線 螺旋形線圈磁場 長磁鐵磁場 7
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 (2) 螺旋形線圈的磁場強度 : (A) 磁場強度 (B) 與導線的電流大小 (I) 成正比 (B I) (B) 磁場強度 (B) 與單位長度的匝數 (N) 成正比 (B N) 越密越強 (C) 線圈內部放入易於磁化的物質 ( 如熟鐵 ), 磁場強度越強 例 : (3) 螺旋形線圈的磁場方向 : 安培右手定則 (A) 四指彎曲方向 = 電流方向 (B) 大拇指所指 = 磁場方向 (N 極 ) 三 電磁鐵 : 1. 電磁鐵的製作 : 將鐵釘或軟鐵棒放入線圈中, 線圈通電時所產生的磁場會將鐵釘或軟鐵棒磁化, 而總磁場大增, 但當電流切斷後, 鐵釘或軟鐵棒的磁性又會消失, 利用這種方式得到的磁鐵稱為 電磁鐵 2. 電磁鐵的磁場強度 : 可藉由增大電流 增加單位長度匝數 加入軟鐵棒數目, 使磁力遠大於天然磁鐵 3. 電磁鐵的應用 : (1) 安培計及伏特計 (2) 港口裝卸貨櫃及搬運鋼板的起重機 (3) 電鈴 電磁鐵門 馬達 (4) 電話聽筒 : 話筒 :(A) 聲音大, 碳粉緊密, 電阻小, 電流大 (B) 聲音小, 碳粉疏鬆, 電阻大, 電流小聽筒 : 電流大小改變電磁鐵磁力大小, 造成金屬薄片震動 8
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 2-3 馬達與喇叭 I. 馬達 ( 電動機 ) 一 馬達的意義 : 一種將電能轉成力學能的裝置 如電扇 吸塵器 洗衣機 抽水機 等二 馬達工作原理 : 利用 ( ) 使物體轉動 三 馬達設計簡圖 : 場磁鐵與電磁鐵因同性相斥而轉動 1 簡易馬達 : (1) 構造 : (A) 電樞 ( 轉子 ): 纏有線圈的鐵芯 (B) 場磁鐵 ( 定子 ): 永久磁鐵 無半圓形集電環及電刷裝置 (2) 通電後, 電磁鐵與場磁鐵相斥, 造成轉動 (3) 但轉動 180 度 ( 半圈 ) 後, 就會停止不動 2. 持續轉動之馬達 : (1) 構造 : (A) 電樞 ( 轉子 ): 纏有線圈的鐵芯 (B) 場磁鐵 ( 定子 ): 永久磁鐵 (C) 半圓形集電環 : 為了每轉半圈, 就改變電流方向一次 (D) 電刷 ( 碳刷 ): 固定不動, 輕觸半圓型集電環, 保持通路 (2) 通電後, 電磁鐵與場磁鐵相斥, 造成轉動 (3) 轉動 180 度 ( 半圈 ) 後, 電流方向改變, 電磁鐵 N S 互換, 再度與場磁鐵相斥, 持續轉動 II. 喇叭一 喇叭的構造 : 1. 線圈 : 當音源裝置輸出不同方向與大小的電流訊號流經線圈時, 線圈將產生不同方向與強弱的磁場 2. 永久磁鐵 : 可與線圈所產生的磁場, 產生大小大小不同的排斥力與吸引力 3 錐形盆 : 通常以較輕的紙材製成 4. 中空圓筒 : 線圈與錐形盆以中空圓筒連接, 其中空圓筒必須套在固定的永久磁鐵上, 可嚴永久磁鐵的兩極前後移動 二 喇叭傳聲的過程 : 電流流入線圈變成電磁鐵 吸引或排斥永久磁鐵 線圈 中空圓筒與錐形盆產生振動 震動錐形盆前方空氣而產生聲波 喇叭傳出聲波的振幅大小與頻率高低, 取決於電流訊號的變化 9
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 2-4 電流與磁場的交互作用一 電流與磁場的交互作用 : 磁鐵互相靠近時, 會產生吸引力或排斥力, 因此將一通有電流的導線放在磁鐵所建立的磁場中, 也會有力的作用現象 B 二 右手開掌定則 : 電流在磁場中受力遵守右手開掌定則 1. 電流方向 (I)= 拇指方向 2. 磁場方向 (B)= 其餘四指併攏伸直的指向 3. 受力方向 (F)= 掌心推出的方向 I F 三 粒子在磁場中的運動情形 : 1. 帶正電的粒子 : 運動效果等同電流, 運動方向 = 電流方向 2. 帶負電的粒子 : 運動效果等同電子流, 運動的反方向 = 電流方向 3. 電中性粒子 : 不受影響 N + - S 四 映像管 : 1. 傳統電視機與電腦顯示器的映像管螢幕, 簡稱為 CRT 2. 成像原理 : 電子槍射出高速電子束進入電磁鐵 ( 利用電磁鐵產生不同強度與方向的磁場 ) 電子數產生水平與上下的偏移 電子數不斷的掃描塗有螢光物質的螢幕各點 產生影像 電磁鐵組 電子槍 10
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 2-5 電磁感應一 感應電流 : 1. 感應電流的發現 : 西元 1831 年, 英國人法拉第實驗發現, 未通電的封閉線圈會因為圈內的磁場變化而產生電流 2. 法拉第因這個發現, 並利用電流與磁場的交互作用, 製造了人類史上第一部發電機 實驗過程 檢流計 G (1) 零刻度在中間 (2) 偏轉方向 = 電子流流向 二 電磁感應 : ( 一 ) 現象 : 當磁鐵靠近或遠離原先沒有電流的封閉線圈時, 線圈會因為磁場發生改變而產生電流的現 象, 稱為電磁感應, 產生的電流稱為感應電流 ( 二 ) 感應電流 : 由法拉第定律說明感應電流得大小 ; 由冷次定律判斷感應電流的方向 1. 感應電流的大小 : (1) 提出者 : 英國人法拉第提出 法拉第定律, 說明感應電流大小 (2) 法拉第定律 :(A) 感應電流大小 (I) 與線圈內磁場變化的速率成正比 (B) 磁場變化速率愈快, 感應電流愈大 (C) 線圈匝數越多 (N), 感應電流越大 增加感應電流的方法 (1) 增加線圈圈數 (2) 使線圈內磁場變化速率加快 (3) 增加相對運動磁鐵的磁場 ΔB I α N t 2. 感應電流的方向 : (1) 提出者 : 德國冷次, 在西元 1834 年提出 冷次定律, 來決定感應電流的方向 (2) 冷次定律 : 線圈內的磁場變化時, 線圈會感應而產生電流, 感應電流的方向恆使此電流產生一新磁場, 以抗拒原來磁場的變化 ( 想保持現狀 ) 11
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象例 1: 例 2: (A) (B) (C) (D) V V 若磁鐵與線圈間無相對運動, 則不會有感應電流 例 3: 圖中眼所見感應電流的方向是順時針或逆時針? S N 例 4:( ) 如圖, 線圈左端的磁鐵靜止不動時, 有關線圈的敘述, 何者正確? (A) 線圈內磁場沒有變化 (B) 有感應電流產生 (C) 電流方向由 A 流向 B (D) 線圈左端被感應成 N 極 例 5:( ) 把一磁棒自甲線圈內向右拉出, 並插入乙線圈左側 ( 如圖 ), 則兩線圈之檢流計方向為何? (A) 甲 乙相同 (B) 甲 乙不同 (C) 甲 乙皆無電流 (D) 無法得知 12
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 例 6:( ) 如圖, 一根磁棒由螺線形線圈上方落下穿過螺線形線圈至下方, 前後所產生的感應電流之比較為何? (A) 電流的大小相同, 方向不同 (B) 電流變小, 方向相同 (C) 電流的大小 方向均相同 (D) 電流變大, 方向不同 例 7:( ) 下列線圈圖中感應電流的情況, 何者敘述正確? (A)( 甲 )( 乙 ) 感應電流方向相同 (B)( 丙 )( 丁 ) 感應電流方向相同 (C)( 甲 )( 乙 )( 丙 )( 丁 ) 皆有感應電流產生 (D)( 丙 )( 丁 ) 感應電流方向相反 例 8: 請問按下右方開關後會發生何事? (A) 檢流計瞬間向右偏轉後, 又指回零 (B) 檢流計瞬間向左偏轉後, 又指回零 (C) 檢流計持續向右偏轉 (D) 檢流計持續向左偏轉 三 發電機 : ( 一 ) 發電機原理 : 利用磁場快速變化而產生感應電流的原理 ( ), 可製作發電機 ( 二 ) 發電機種類與構造 : 1. 場磁鐵 : 定子 ( 永久磁鐵 ) 2. 電樞 : 轉子 ( 可轉動之線圈 ) 3. 集電環 ( 半圓形金屬環 ) 4. 電刷 ( 碳刷 )( 不隨之轉動 ) 13
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 1. 交流發電機 : 2. 直流發電機 : ( 三 ) 發電機功能 : 當水力 蒸汽等動力使線圈在場磁鐵間快速轉動時, 線圈內的磁場就會隨之變化, 因 而產生感應電流 ( 力學能 電能 ) 四 變壓器 : 1. 原理 : 利用電磁感應原理來提高或降低 交流電 電壓的器具 2. 構造 : 1. 當輸入端的電流交流變化, 會造成原線圈電磁鐵 軟鐵芯 V N 1 N 2 V 2 1 磁場改變 2. 透過軟鐵芯將磁場變化傳至輸出端 3. 副線圈內磁場發生改變, 會產生感應電流輸出 輸入端 : 原線圈 3. 電壓計算 :[ 補充 ] 輸入電壓原線圈匝數 = 輸出電壓副線圈匝數 輸出端 : 副線圈 V1 N1 ( = ) V N 2 2 14
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第二章電流與磁的現象 發電機與電動機的比較 發電機 電動機 構造 場磁鐵 電樞 集電環 電刷 與發電機相似 功用 力學能 電能 電能 力學能 原理 電磁感應 ( 法拉第定律 ) 電流磁效應 ( 安培定律 ) 說明 由磁場變化產生感應電流 由電流產生磁場 種類 交流 直流 交流 直流 15
作者 : 曹佑民老師 http://home.phy.ntnu.edu.tw/~optic E-mail:optic@home.phy.ntnu.edu.tw 版權所有 :optic 物理小站 國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 3-1 氧化反應 一 元素的燃燒 : 1. 定義 : 元素或物質與氧的化合反應, 簡稱氧化 氧化後產生含有氧的化合物稱為氧化物 氧化物質 + 氧新的物質 ( 必定含有氧原子 ) 反應氧化物 2. 氧化反應的通式 : 常見的氧化反應 (1) 金屬 + 氧 金屬氧化物 1. 鐵的生鏽 : (2) 非金屬 + 氧 非金屬氧化物 2. 鎂帶的燃燒 : 3. 常見的氧化反應 : 3. 鈉的燃燒 : (1) 緩慢的氧化反應 : 4. 銅的氧化 : (2) 劇烈的氧化反應 : 5. 碳的燃燒 : 二 氧化物的酸鹼性 : 6. 硫粉的燃燒 : 1. 金屬氧化物 : 若可溶於水, 水溶液呈鹼性 例 :(1) 氧化鈉溶於水 :Na 2 O+H 2 O 2NaOH 酸鹼指示劑 : (2) 氧化鎂溶於水 :MgO+H 2 O Mg(OH) 2 名稱酚太 酸無 中 鹼紅 2. 非金屬氧化物 : 若可溶於水, 水溶液呈酸性 例 :(1) 二氧化硫溶於水 :SO 2 +H 2 O H 2 SO 3 ( 亞硫酸 ) (2) 二氧化碳溶於水 :CO 2 +H 2 O H 2 CO 3 3. 若氧化物不溶於水, 則為中性 例 : 氧化銅不溶於水, 中性 酚紅石蕊廣用 黃紅紅 綠 紅藍藍 三 雙氧水製氧 : 1. 製造原理 : (1) 利用 ( 的水溶液 ) 製造氧氣, 雙氧水會分解成 和 (2) 為了加速雙氧水反應產生氧氣的速率, 加入了 作為催化劑, 是一種 色固體粉末, 反應 前後不會消耗 ( 若不使用催化劑, 也可利用加熱來加速分解 ) (3) 反應過程 ( 催化劑 ) 雙氧水二氧化錳 水 + 氧氣 ( 放熱反應 ) 2. 收集原理 : 因為氧氣不易溶於水, 所以使用 收集 ( 不易溶於水的氣體都可用此法收集 ) 3. 實驗設計及步驟 : (1) 在錐形瓶中加入二氧化錳後, 將橡皮塞以及薊頭漏斗 薊頭漏斗 塞上, 從漏斗處加入少量的水 橡皮管 廣口瓶 (2) 將薊頭漏斗長管末梢插入錐形瓶底部 ( 低於水面 ) ( 防 錐形瓶 止氣體從漏斗噴出 ) (3) 將雙氧水加入薊頭漏斗, 當雙氧水與二氧化錳混合 後, 開始產生氣泡 二氧化錳水槽 (4) 一開始產生的氣泡是空氣, 不要收集, 等氣泡大量產 + 雙氧水生時, 再做收集 1
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 四 金屬對氧的活性 : 1. 活性的定義 :(1) 反應的活潑性 (2) 與物質發生化學反應的難易程度 (1) 越容易氧化 ( 燃燒 ) 的元素, 其活性越大 (2) 因此我們使用燃燒法比較元素燃燒的難易程度, 訂定出活性大小 : 元素的活性大小順序 要背活性大活性小鉀 > 鈉 > 鈣 > 鎂 > 鋁 > 錳 > 碳 > 鋅 > 鉻 > 鐵 > 錫 > 鉛 > 氫 > 銅 > 汞 > 銀 > 鉑 > 金 K>Na>Ca>Mg>Al>Mn>C>Zn>Cr>Fe>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au ( 易與氧發生反應 ) ( 不易與氧發生反應 ) 2. 鹼金屬 : 活性大, 易在空氣中與氧發生反應失去光澤, 因此需存於礦物油中 3. 鉑與金 : 活性極小, 不易氧化, 可製程飾品保存 4. 鋁 鋅 : 活性, 鋁 > 鋅 > 鐵, 但因鋁 鋅的氧化物相當緻密, 可以形成保護膜, 隔絕氧氣, 因此不易鏽蝕 5. 鐵的生鏽 : 最早生鏽 鐵釘 水 (1) 反應式 : 鐵 + 氧氣 + 水 鐵鏽 ( 褐色 ) (2) 各種條件下生鏽情況 : (A) 在乾燥的空氣中, 鐵釘不會生鏽 生鏽必須有 (B) 煮沸的水加入鐵釘後密封, 鐵釘不會生鏽 生鏽比須有 (C) 鋼絲絨在純氧中比在空氣中生鏽快 純氧 空氣 (D) 潮濕的鋼絲絨比乾燥的生鏽快 潮濕 乾燥 (E) 鐵在酸性的溶液中比在純水中生鏽快 酸性 純水 (F) 在海水中比在淡水中生鏽快 海水 ( 鹽水 ) 純水 例 : 試將下列鋼絲絨生鏽的速率由大而小排列之 > > > 2
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 3-2 氧化還原反應一 氧化還原反應 : 1. 定義 : (1) 氧化 : 物質與氧結合的反應, 稱為氧化 (2) 還原 : 物質失去養的反應, 稱為還原 [ 補充 ] 廣義定義 : (1) 氧化 : 物質失去電子的反應, 稱為氧化 (2) 還原 : 物質得到電子的反應, 稱為還原 2. 氧化劑與還原劑 (1) 氧化劑 : 氧化另一物質 ( 提供氧 ; 得電子 ) (2) 還原劑 : 被氧化的物質 ( 得到氧 ; 失電子 ) 例 : 氧化銅與碳粉共熱 碳 + 氧化銅 二氧化碳 + 銅 C + 2CuO CO 2 + 2Cu ( 還原劑 ) ( 氧化劑 ) 碳被氧化 氧化銅被還原 黑色 紅棕色 二 氧化還原的例子 : 1. 鋅粉與氧化銅反應 : (1) 反應式 : 鋅 + 氧化銅 氧化鋅 + 銅 Zn + CuO ZnO + Cu (2) 氧化還原 :( 還原劑 ) ( 氧化劑 ) 鋅被氧化 氧化銅被還原 (3) 顏色變化 : 銀白色 紅棕色 2. 鎂帶與二氧化碳的反應 : (1) 反應式 : 鎂 + 二氧化碳 氧化鎂 + 碳 2Mg + CO 2 2MgO + C (2) 氧化還原 :( 還原劑 ) ( 氧化劑 ) 鎂被氧化 二氧化碳被還原 (3) 顏色變化 : 銀白色 白色 黑色 三 元素對氧的活性大小 1. 因此我們使用燃燒法比較元素燃燒的難易程度, 訂定出活性大小 : 元素的活性大小順序 要背活性大活性小鉀 > 鈉 > 鈣 > 鎂 > 鋁 > 錳 > 碳 > 鋅 > 鉻 > 鐵 > 錫 > 鉛 > 氫 > 銅 > 汞 > 銀 > 鉑 > 金 K>Na>Ca>Mg>Al>Mn>C>Zn>Cr>Fe>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au ( 易與氧發生反應 ) ( 不易與氧發生反應 ) 3
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 2. 氧化還原反應 : (1) 因活性大的元素比活性小的元素容易形成氧化物, 因此活性大的元素, 可以將活性小的元素從氧化物中還原 (2) 活性越大的元素所形成的氧化物越安定, 活性越小的元素所形成的氧化物越不安定 四 金屬的冶煉 : 1. 冶煉 : 自然界中的金屬大多以化合物的狀態存在, 因此需要經過提煉, 此過程稱為冶煉 2. 原理 : 氧化還原 ( 利用還原劑將金屬還原出來 ) 因為碳的活性大且便宜, 因此通常以碳為還原劑 3. 煉鐵 : (1) 利用煤焦為還原劑, 在高溫時將鐵礦 ( 鐵的氧化物 ) 還原 (2) 原料 : 鐵礦 (Fe 2 O 3 ) 灰石(CaCO 3 ) 煤焦(C) (3) 流程 : (4) 主要化學反應 : (A) 煤焦與鐵礦反應 : (B) 煤焦在氧氣不足的高爐中形成一氧化碳, 一氧化碳再還原鐵礦 : (5) 次要化學反應 : (A) 高爐中的二氧化碳和碳反應, 又可形成一氧化碳 : (B) 灰石受熱可以形成氧化鈣與二氧化碳 : (C) 氧化鈣可與礦石中的氧化矽形成熔渣 : 熔渣 : 熔點較低 密度較小, 浮在液態鐵的表面, 可以防止鐵在被氧化 五 生活中的氧化還原 : 1. 鐵生鏽 : 鐵被氧化的過程中, 鐵是還原劑, 氧氣是氧化劑 2. 呼吸作用 : 氧氣與葡萄糖反應, 產生二氧化碳和水及能量 其中葡萄糖是還原劑, 氧氣是氧化劑 3. 漂白衣物 : 漂白劑是一種強氧化劑, 可以利用氧化作用, 去除沾染在白色布料的色素 ; 加水稀釋後, 可用於消毒 4. 食品添加劑 : 食品常會添加一些胡蘿蔔素 維他命 C E 等抗氧化劑 這些物質為還原劑, 可以減緩食品的氧化 4
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 3-3 電池 ( 將化學能轉成電能的裝置 ) 一 伏打電池 : 1. 青蛙腿的啟示 : 義大利醫生賈法尼以銅製解剖刀解剖鐵盤內的青蛙, 青蛙發生抽搐 ( 有電流產生 ) 2. 伏打電池 : 經義大利科學家伏打的詳細研究後, 設計出伏打電池 (1) 鋅與銀 ( 銅 ) 片將含食鹽水的硬紙板夾在中間, 形成伏打電池 (2) 鋅為負極 ; 銀 ( 銅 ) 為正極 只要是兩種不銅的金屬以導線連接, 中間隔有導電的電解質溶液, 都稱為伏打電池 二 水果電池 : 將兩片不同材質的金屬片插入水果片中, 將會形成水果電池 三 伏打電池的原理 利用自然發生的氧化還原反應 ( 放熱 ), 將化學能轉成電能 1. 正負極金屬的比較 : 活性 的金屬是負極 ; 活性 的金屬是正極 (1) 負極放電子 ; 正極得電子 (2) 負極 : 金屬溶解 ( 金屬失電子 ) 正極 : 金屬常析出 ( 正離子得電子 ) 2. 電路分析 : 例 : 鋅銅電池 (Zn/Cu) (1) 外電路 : 電子由負極 ( 活性大 ) 正極 ( 活性小 ) (2) 內電路 : 正離子向正極移動 ; 負離子向負極移動 e - e - e - 性大金屬- + 離子活e - -活性小金屬+3. 化學反應 : (1) 負極 : 金屬 (Zn) 失電子變成正離子, 被氧化 (2) 正極 : 金屬正離子 (Cu 2+ ) 得電子, 被還原 實際上, 正極應比較正離子 (H + 金屬離子) 的得電子能力, 決定誰被還原 在國中程度, 通常電池液多含有正極活性小金屬的離子, 因此國中電池正極只探討金屬析出 5
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 四 鋅銅電池 : ( 一 ) 裝置圖 : 1. 負極 : 鋅片 ( 置於無色的 ZnSO 4 水溶液 ) 2. 正極 : 銅片 ( 置於藍色的 CuSO 4 水溶液 ) 3. 鹽橋 :(1) 為易解離鹽類電解質 ( 如 :KNO 3 KCl NaNO 3 NaCl) (2) 功能 :(A) 形成通路 (B) 維持電中性 ( 二 ) 鋅銅電池放電過程 1. 電流產生後漸減 2. 化學反應 : (1) 負極半反應 : 放電子 Zn Zn 2+ +2e - ( 鋅片溶解, 質量減輕 ) (2) 正極半反應 : 得電子 Cu 2+ +2e - Cu ( 紅銅析出, 質量增加 ) (3) 電池全反應 ( 淨反應 ): 二半反應之和 ( 電子數應消去 ) Zn+ Cu 2+ Zn 2+ + Cu 3. 左杯 : 硫酸鋅水溶液顏色不變 右杯 : 硫酸銅水溶液顏色變淡藍 (Cu 2+ 濃度 ) 4. 鹽橋二功能 :(1) 形成通路 (2) 維持電中性 (1) 鉀離子 (K + ) 向右杯移動 (2) 硝酸根離子 (NO3 - ) 向左杯移動 練習 寫出以下電池的電極反應 ( 並判斷正負極 ): (1)Zn/Ag: (2)Zn/Cu: (3)Cu/Fe: (4)Cu/Ag: 6
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 五 實用電池 : ( 一 ) 原電池 ( 一次電池 ): 只能放電, 而不可以充電的電池 1. 碳鋅電池 ( 乾電池 ): (1) 負極 : 鋅 ( 外殼, 凹面 ) Zn Zn 2+ +2e - (2) 正極 : 碳棒 ( 凸面 ) (3) 電解質 : 氯化銨 (NH 4 Cl) ( 加入澱粉成糊狀, 使不外滲 ) (4) 電壓 :1.5 V( 放電後逐步降低 ) (5) 不可充電 補充 [ 正極反應 ]:2NH + 4 +2e - 2NH 3 +H 2 2MnO 2 +H 2 Mn 2 O 3 +H 2 O Zn 2+ +2NH 3 +2Cl - Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 ( 二氯二氨鋅 ) 總反應 :2MnO 2 +2NH 4 Cl+Zn Zn(NH 3 )2Cl 2 +H 2 O+Mn 2 O 3 2. 鹼性電池 : (1) 電池結構 : 與乾電池類似, 但以氫氧化鉀為電解液 鹼性電池種類很多, 主要是鹼錳電池 (2) 使用優點 : 電壓較穩定, 壽命也較長, 所以被廣泛使用 ( 二 ) 蓄電池 ( 二次電池 ): 電池放電後, 可以充電重複使用, 俗稱充電電池 1. 鉛蓄電池負極 (1) 構造 : (A) 正極 : 二氧化鉛 (PbO 2 ) (B) 負極 : 鉛 (Pb) (C) 電池液 : 稀硫酸 ( 密度 1.24 g / cm 3 ) (D) 電極通常為平版, 正極板和正極 板相連, 負極板和負極板相連, 極板間置有多孔的絕緣板, 正負 極交互配置正極三個槽串聯 (E) 每一個槽的電壓為 2 伏特, 通常汽機車使用的鉛電池均為數個槽串聯而成 (2) 放電過程 : (A) 正極 :PbO 2 +SO 2-4 +4H + +2e - PbSO 4 +2H 2 O (B) 負極 :Pb+SO 2-4 PbSO 4 +2e - (C) 現象 :(a) 兩極都產生白色硫酸鉛, 質量增加 (b) 硫酸被消耗, 水分增加, 因此硫酸濃度漸減 (3) 充電過程 : (A) 充電時外接直流電源與電池, 正接正 負接負 ( 電流方向由外接電源決定 ) (B) 兩極反應與放電相反 (C) 現象 :(a) 正極由硫酸鉛轉變回二氧化鉛 ; 負極由硫酸鉛轉變回鉛, 兩極質量都減少 (b) 硫酸增加, 水分減少, 因此硫酸濃度增加 放電 (4) 淨反應 :Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 2PbSO 4 +2H 2 O 充電 7
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 過程放電充電 正極變化 PbO 2 PbSO 4 ; 變重 PbSO 4 PbO 2 ; 變輕 負極變化 Pb PbSO4 ; 變重 PbSO4 Pb; 變輕 硫酸溶液濃度變小, 密度變小濃度變大, 密度變大 能量轉換化學能 電能電能 化學能 充電接法 正極接正極, 負極接負極 2. 鎳氫電池 : (1) 正極為鎳 負極為可吸收氫原子的合金 (2) 體積小 重量較輕 電壓穩定 壽命長 快速充電及安全無公害等優點 (3) 廣泛使用在行動電話 手提攝影機 數位相機及一般攜帶型電器上 3. 鋰蓄電池 : (1) 重量較輕, 輸出電壓較高 ( 約 3.6V) (2) 手提電腦及行動電話普遍使用, 是現在電子工業重要器材 使用蓄電池時的注意事項 : (1) 勿使金屬物品接觸到電池的兩極而造成短路 (2) 蓄電池第一次充電, 一定要百分之百充足 (3) 鎳氫電池最佳放電方式為定期使用至電量耗盡 (4) 由於鋰蓄電池不具記憶效應, 故無須等電量耗盡後再充電 (5) 充電過久會減短電池的壽命, 建議不要充電超過 24 小時 電池的回收 : 電池內部使用的金屬或電解液會污染環境, 應將電池全面回收 8
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 3-4 電流的化學效應 ( 電能轉成化學能 ) 電流的化學效應 : 1. 歷史 :1800 年英國人尼可爾生首次水電解實驗 2. 電能轉變為化學能的反應 ( 吸熱反應 ) (1) 電解 (2) 電鍍 電極反應與電解質種類及電極棒材料有關 一 電解 : 1. 定義 : 當直流電通過電解質水溶液後, 會在兩極發生化學反應, 稱為電解 2. 電解裝置 : (1) 正極 : 導線上近電池正極的電極 (2) 負極 : 導線上近電池負極的電極 (3) 電源 : 限定直流電 (4) 電極反應 : 發生化學反應 ( 氣泡 金屬溶解或析出 ) 3. 電解原理 : (1) 電解質 (AB) 溶於水後, 會解離出正 負離子 解離式 :H 2 O H + +OH - AB A + +B - (2) 通以直流電於電解質的水溶液中, 正離子 (H + A + ) 向負極移動而得電子 ; 負離子 (OH - B - ) 向正極移動而失去電子 (3) 電極材料區分 : 可溶解與不溶性 (A) 銅棒 : 可溶解性 (B) 碳棒 鉑棒 : 不可溶解性 (4) 離子競爭後可能的電極化學反應 : (A) 負極 : 得電子由電解質正離子決定反應 (a)a + +e - A 例 : 活性大金屬離子 Na + 活性小金屬離子 Cu 2+ +2e - Cu 金屬析出 (b)2h 2 O+2e - 1H 2 +2OH - 產生氫氣 (H 2 ) (B) 正極 : 失電子由正極電極棒決定反應 (a) P PP + +e - 例 : 不可溶 可溶 Cu Cu 2+ +2e - 正極溶解 (b) 2H 2 O 4H + +O 2 +4e - 產生氧氣 (O 2 ) 9
國三下自然與生活科技 ( 康軒版 ) 第三章電與化學 4. 水的電解 ( 電解水 ): (1) 總反應式 : (2) 電源 : 直流電 思考問題 水的電解能使用交流電嗎? 與直流電的差異? (3) 電極 : 碳棒 ( 不溶性 ) (4) 電解質 : 電解水時, 加入少量的氫氧化鈉是為了幫助導電 (5) 正負極產物比較 : 電極 反應式 產物 檢驗方式 體積比 正極 2H 2 O 4H + +O 2 +4e - 氧氣 可使火柴復燃, 表示此氣體具有助燃性 1 負極 4H 2 O+4e - 2H 2 +4OH - 氫氣 以點燃的火柴靠近, 可燃燒產生淡藍色火焰, 有爆鳴聲, 此氣體具有可燃性 2 (6) 由電解後的產物可知水是由兩種物質 氫 氧 以一定的比例所組成的化合物 (7) 當兩電極越靠近時, 電阻越小, 可獲得較大的電流, 所以產生氣體的速率較快 (8) 電解水為吸熱的化學變化 氫 氧 水 5. 以碳棒為電極, 電解硫酸銅水溶液 : (1) 負極 : 銅離子( 藍色 ) 接受電子後, 析出銅原子 ( 紅棕色 ) 重量增加 2- (2) 正極 : SO 4 游向正極, 但不參與反應, 而是水分子電解產生氧氣 (3) 電解後溶液的顏色因 Cu 2+ 減少而變淡, 但 H + 增加, 呈酸性, 故 ph 值會下降 二 電鍍 : 1. 定義 : 利用電解原理, 將一種金屬 ( 擬鍍物 ) 鍍到另一種金屬 ( 被鍍物 ) 表面上的方法 2. 電鍍原理 : (1) 電源 : (2) 正 負極變化及電鍍結果 : 放置物 化學反應 變化 例 : 鐵片上鍍銅 正極 放上擬鍍物擬鍍金屬發生失電子現象 ( 溶解 ) 質量減少 銅片 :Cu Cu 2+ +2e - 負極 放上被鍍物電鍍液金屬離子得電子現象 ( 析出 ) 質量增加 鐵片 :Cu 2+ +2e - Cu 電解質 含有擬鍍金屬的鹽類溶液 濃度不變 硫酸銅水溶液 其中, 正極減少的質量 = 負極增加的質量 3. 電鍍的目的 : (1) 保護內部金屬, 防止生鏽 (2) 使物體表面光滑 亮麗, 增加美觀性 補充: 電鍍流程 1. 前處理 : 表面清潔 5. 電鍍液的回收 : (1) 拋光 : 砂紙 (1) 民國 75 年, 高雄縣二仁溪溪口發生綠牡蠣事件, (2) 去鏽 : 稀酸 (3) 脫脂 : 強鹼 ( 氫氧化鈉 ) 就是銅離子污染的結果 2. 電鍍 : 附著一層金屬 (2) 鍍銀廢水 : 含有劇毒氰化物 (CN - ) 3. 後處理 : 乾燥 (1) 水洗 (2) 溶劑洗 : 丙酮 ( 揮發快, 乾燥快 ) 10