高靖華

人民教育出版社高中物理選修3-1第二章《恒定電流》第二節(jié)《電動(dòng)勢》是新教材新增加的一節(jié),教材把電源類比成抽水機(jī);把抽水機(jī)在抽水的過程中克服重力做功類比成電源內(nèi)部“非靜電力”克服“靜電力”做功;把抽水機(jī)抽水所增加的水的重力勢能類比成電源內(nèi)部的“非靜電力”做功所增加的電勢能。新教材強(qiáng)調(diào)了電動(dòng)勢和電壓的區(qū)別;強(qiáng)調(diào)了電動(dòng)勢是反映“非靜電力”做功的本領(lǐng);強(qiáng)調(diào)了“非靜電力”是在克服“靜電力”做功。

插圖2.2-1(如圖1所示)很形象的描述了電源內(nèi)部存在著由正極指向負(fù)極的電場,在這個(gè)電場中,正電荷所受的靜電力阻礙它繼續(xù)向正極移動(dòng)。因此,在電源內(nèi)要使正電荷從負(fù)極搬運(yùn)到正極必須要有“非靜電力”。

筆者對(duì)插圖2.2-1可以這樣理解:“電源內(nèi)部的電路”即“內(nèi)電路”,正電荷在“非靜電力”作用下從“負(fù)極”到“正極”;從“低電勢”到“高電勢”。“非靜電力”在搬運(yùn)正電荷過程中受到的阻礙即“內(nèi)阻”。每搬運(yùn)單位正電荷“非靜電力”所做的功越多,電源電動(dòng)勢就越大。

從能量轉(zhuǎn)化角度出發(fā),筆者這樣理解:

①“電源內(nèi)部”化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱菽?通過非靜電力做正功W非=EIt)。

②“電源內(nèi)部”靜電力做負(fù)功(W電=-EIt),電勢能增加EIt。

本章第七節(jié)《閉合電路的歐姆定律》是新、老教材都有的內(nèi)容,但人教版新教材在教材編寫上較舊版完全不同:去掉了原來的插圖,取代為插圖2.7-2。新教材把閉合電路分成兩部分,即外電路和內(nèi)電路。但在能量轉(zhuǎn)化上卻分為三部分:外電路、內(nèi)電路、BC與DA反應(yīng)層。新教材從能量角度,推導(dǎo)出了閉合電路的歐姆定律。

教材對(duì)電池電源進(jìn)行了研究和推導(dǎo),并附有2.7-2(如圖2所示)這樣一副插圖,使筆者覺得前后兩插圖存在著彼此矛盾的地方。

筆者對(duì)插圖2.7-2可以這樣理解:“電源內(nèi)部的電路”即“內(nèi)電路”,電源的正極和負(fù)極附近存在著化學(xué)反應(yīng)層,正電荷只在BC和DA化學(xué)反應(yīng)層中被“非靜電力”從“負(fù)極”搬到“正極”,從“低電勢”搬到“高電勢”,正電荷在搬運(yùn)過程中受到的阻礙也遠(yuǎn)小于“內(nèi)阻”。而在電源的大部分空間,即C到D,正電荷仍然是在“靜電力”作用下從“正極”到“負(fù)極”,從“高電勢”到“低電勢”,在移動(dòng)過程中受到的阻礙幾乎為全部的“內(nèi)阻”。

教材60頁有這樣一段文字:“內(nèi)電路與外電路一樣,也存在著恒定電場,正電荷也在靜電力的作用下移動(dòng)的,這一區(qū)域的電阻是內(nèi)電阻?！边@和《電動(dòng)勢》中“內(nèi)電路”理解有很大的矛盾。

從能量轉(zhuǎn)化角度出發(fā)筆者這樣理解:

①化學(xué)反應(yīng)層中“非靜電力”做正功化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電勢能W非=EIt。

②化學(xué)反應(yīng)層中“靜電力”做負(fù)功,電勢能增加即克服靜電力做功,故W電=-EIt。

③C到D即“內(nèi)電路”電流流過內(nèi)阻(電場力做正功),產(chǎn)生Q熱=I2rt。

④整節(jié)干電池內(nèi)部靜電力做總功W電′=-EIt+I2rt=-I2Rt(設(shè)該電路為純電阻電路,外阻為R)。

如果根據(jù)插圖2.7-2以及《閉合電路的歐姆定律》中的教材內(nèi)容,那么插圖2.2-1就值得商榷,筆者認(rèn)為插圖2.2-1形象描述的是電源內(nèi)部其中CB反應(yīng)層的情況,而不該是代表內(nèi)電路的“電源內(nèi)部”。

筆者認(rèn)為可以做這樣的修改(如圖3所示):正電荷只在BC和DA化學(xué)反應(yīng)層中被“非靜電力”從“負(fù)極”搬到“正極”;C到D(內(nèi)電路)正電荷仍然是在“靜電力”作用下移動(dòng)。

或者也可根據(jù)能量轉(zhuǎn)化角度,把閉合電路分成外電路、內(nèi)電路、反應(yīng)層(如圖4所示):把內(nèi)阻與反應(yīng)層等效分離。反應(yīng)層中“非靜電力”做功電勢能增加,電流流過外阻和內(nèi)阻,電勢能減少。

電源的主要功能部件是“反應(yīng)層”,“反應(yīng)層”的“能力”即反映電動(dòng)勢的大小。教材《電動(dòng)勢》這一節(jié)向?qū)W生闡述的是“反應(yīng)層”就象“抽水機(jī)”,學(xué)生容易理解。但筆者認(rèn)為教材混淆了“反應(yīng)層”與“內(nèi)電路”,即把“反應(yīng)層”等同于了“內(nèi)電路”。

插圖2.2-1和插圖2.7-2都是人教版新教材增加的。筆者認(rèn)為,之所以兩插圖前后有矛盾,有值得商榷的地方,關(guān)鍵在于教材對(duì)“內(nèi)電路”這個(gè)概念的界定不一致。與其說插圖2.2-1和插圖2.7-2前后有值得商榷的地方,還不如說是第二節(jié)《電動(dòng)勢》和第七節(jié)《閉合電路的歐姆定律》在教材內(nèi)容上有值得商榷的地方。

(欄目編輯鄧 磊)