趙書海 郝占成

(內(nèi)蒙古赤峰紅旗中學(xué)松山分校，內(nèi)蒙古 024005)

·問題討論·

這不是永動(dòng)機(jī)!
——對(duì)“勻強(qiáng)電場(chǎng)的方向不可能與邊界斜交”一文的補(bǔ)充

趙書海 郝占成

(內(nèi)蒙古赤峰紅旗中學(xué)松山分校，內(nèi)蒙古 024005)

針對(duì)2017年第4期《物理教師》中“勻強(qiáng)電場(chǎng)的方向不可能與邊界斜交”文章的觀點(diǎn),做了分析與補(bǔ)充．

有界場(chǎng)；電場(chǎng)力做功；理想模型；永動(dòng)機(jī)；能量守恒

2017年第4期《物理教師》中“勻強(qiáng)電場(chǎng)的方向不可能與邊界斜交”一文中(以下簡(jiǎn)稱為“文1”),作者最終的結(jié)論是——自然界中并不存在電場(chǎng)線與邊界斜交的勻強(qiáng)電場(chǎng),此類試題存在科學(xué)性問題.鑒于科學(xué)性是命制試題的首要標(biāo)準(zhǔn),在對(duì)原有試題進(jìn)行改編,或者根據(jù)生產(chǎn)生活情景命制新題的時(shí)候,需要多方求證,以確保試題命制的科學(xué)性．

首先對(duì)作者這種求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度是予以點(diǎn)贊的．

其次對(duì)文章提出以下看法,請(qǐng)指正．

圖1

問題1:電場(chǎng)力做功,不消耗能量嗎?

文1中只分析了對(duì)正電的小球每周加速的結(jié)論,沒有從能量轉(zhuǎn)化的角度去剖析．

現(xiàn)行人教版2016年6月第12次印刷版本高中物理必修2在第7章——功的一節(jié)開篇有如下敘述“人類對(duì)于能量及其轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)與功的概念緊密相連．這是因?yàn)樵谝粋€(gè)過程中如果既存在做功的現(xiàn)象,也存在能量變化的現(xiàn)象,功的計(jì)算常常能夠?yàn)槟芰康亩勘磉_(dá)及能量的轉(zhuǎn)化提供分析的基礎(chǔ)”同時(shí)又在第7章——?jiǎng)幽芎蛣?dòng)能定理的篇末敘述“做功的過程是能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的過程,或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體的過程．”歸納一下上述的結(jié)論,這在老版本的高中物理教材中敘述為——功是能量轉(zhuǎn)化的量度．從兩方面理解這名話： ①做功是本質(zhì)是原因,能量轉(zhuǎn)化是現(xiàn)象是結(jié)果,稱之為因果關(guān)系； ② 做了多少功,就一定有多少能量轉(zhuǎn)化,稱之為數(shù)量關(guān)系．回歸到文1,應(yīng)該是電場(chǎng)力做正功,電勢(shì)能減少,動(dòng)能增加,這不是永動(dòng)機(jī),另外一定有維系電場(chǎng)存在的能量源(如外接電源等),我們可以對(duì)比回旋加速器來(lái)說明,在加速器中,是依靠給兩D形盒加上交變電壓來(lái)加速帶電粒子,以電場(chǎng)為媒介,交變電流提供能量,即電場(chǎng)力對(duì)其做正功,粒子動(dòng)能增加．

問題2:用理想模型,而且又忽視了理想模型．

圖2

文1中肯定了“絕緣光滑圓形管道”的模型存在,但同時(shí)似乎否定了“勻強(qiáng)電場(chǎng)”這一模型．

下面以一個(gè)高仿文1的例子進(jìn)行分析,如圖2所示水平的勻強(qiáng)電場(chǎng),若在該勻強(qiáng)電場(chǎng)中水平放置一個(gè)絕緣光滑圓形管道,其中一小段在電場(chǎng)內(nèi),其余在電場(chǎng)外,管道內(nèi)放入一個(gè)帶正電荷的小球．按文1的分析,這樣的電場(chǎng)一定存在,豈不是第一類永動(dòng)機(jī).

問題出現(xiàn)在哪兒?下面先看看對(duì)理想模型的理解．在百度百科中解釋:理想模型是為了便于研究

而建立的一種高度抽象的理想客體．實(shí)際的物體都是具有多種屬性的．但是,當(dāng)我們針對(duì)某種目的,從某種角度對(duì)某一物體進(jìn)行研究時(shí),有許多對(duì)研究問題沒有直接關(guān)系的屬性和作用卻可以忽略不計(jì)．在高中物理中如果說有理想邊界的場(chǎng)都是理想模型一點(diǎn)兒也不為過,很自然,現(xiàn)實(shí)中是不存在的．那么上述問題如何正確解釋呢?

下面圖3是實(shí)際平行板電容器內(nèi)外電場(chǎng)的分布,不難看出,在內(nèi)部電場(chǎng)力做正功,在外部電場(chǎng)力做負(fù)功,整個(gè)過程是不做功的,因此能量守恒,不存在永動(dòng)機(jī)現(xiàn)象．

圖3

問題3:在中學(xué)物理教材中,之所以有理想化邊界的“勻強(qiáng)電場(chǎng)”出現(xiàn),重要的不是電場(chǎng)本身,而是以不同邊界形狀的勻強(qiáng)電場(chǎng)為輔助手段,以恒力作用為背景,達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的綜合思維和提高學(xué)生的綜合能力為目的．

在所有與勻強(qiáng)電場(chǎng)相關(guān)的問題中,我們研究的只是題目中邊界區(qū)域內(nèi)部帶電粒子受力運(yùn)動(dòng)的情況,而不去研究邊界以外的受力及運(yùn)動(dòng)情況．在所有與勻強(qiáng)電場(chǎng)相關(guān)的問題中,都能找一個(gè)恒力與一個(gè)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域,通過文字?jǐn)⑹鰜?lái)達(dá)到與電場(chǎng)完全相同的作用效果,但這樣題目的描述就會(huì)文字化,過于抽象、冗長(zhǎng)和麻煩,而用了有不同邊界的電場(chǎng),尤其是以電場(chǎng)線的形式給出來(lái),更加形象直觀、簡(jiǎn)潔明了．想想后繼內(nèi)容勻強(qiáng)磁場(chǎng),基本上都有邊界,但邊界外我們是不去研究的,從而勻強(qiáng)磁場(chǎng)也就理想化了．

綜合上述分析,我們?cè)诿圃囶}時(shí),即要考慮符合學(xué)科特色的科學(xué)性條件,又要考慮學(xué)生已有知識(shí)的限定,從而讓試題真正做到檢驗(yàn)和選拔的功能．

2017-07-03)