董軒竹

電荷守恒是電磁理論的重要內(nèi)容，在高中物理學(xué)習(xí)中占據(jù)關(guān)鍵位置.本文首先立足高二物理的書本知識(shí)，對(duì)電荷守恒的理論內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的描述.在此基礎(chǔ)上，本文借助實(shí)際案例，探究電荷守恒的應(yīng)用實(shí)況，通過(guò)實(shí)際案例揭示電荷守恒定律在高中物理中的重要性.

一、電荷守恒的相關(guān)理論

在介紹電荷守恒定律之前，首先要明確元電荷的概念.元電荷就是指電荷量，具體大小為1.6×10-19C.元電荷不分正負(fù)電性，從宏觀角度來(lái)看，帶電體的電荷量一定是元電荷的整數(shù)倍.從微觀角度來(lái)看，元電荷是計(jì)算電荷量的基礎(chǔ)單位.在實(shí)際運(yùn)用中，常見的認(rèn)知誤區(qū)是認(rèn)為元電荷是指具體的帶電物質(zhì).

所謂電荷守恒，實(shí)際上就是指在電解質(zhì)溶液當(dāng)中溶液呈電中性.換言之，陰離子帶有的負(fù)電荷總濃度與陽(yáng)離子帶有的正電荷總濃度相等，即處于電荷守恒狀態(tài).物理學(xué)中的電荷守恒也可運(yùn)用于化學(xué)濃度的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)與化學(xué)的有機(jī)溝通.值得強(qiáng)調(diào)的是，電荷守恒蘊(yùn)藏在電磁場(chǎng)基本理論體系中.根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，電荷守恒定律的基本性質(zhì)已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證，即：在與外界不存在電荷交換的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的正負(fù)電荷的代數(shù)不會(huì)發(fā)生任何變化.

二、運(yùn)用電荷守恒定律解題實(shí)例

1.運(yùn)用電荷守恒定律解決物理問(wèn)題.

例1 在排除外界環(huán)境影響的前提下，兩個(gè)完全相同的帶電絕緣金屬小球A和小球B，帶有的電荷量分別是QA=6.4×10-9C、QB=-3.2×10-9C.現(xiàn)在使這兩個(gè)金屬小球接觸，請(qǐng)問(wèn)在該接觸過(guò)程當(dāng)中，小球上的電子如何轉(zhuǎn)移？轉(zhuǎn)移情況如何？

解析：在兩球進(jìn)行接觸的過(guò)程中，帶有負(fù)電的小球B會(huì)將多余的電子轉(zhuǎn)移到小球A上.期間，小球A會(huì)不斷地中和，直到小球B上不帶電.與此同時(shí)，由于小球A帶有正電荷，所以小球B上的電子也會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)移到小球A上，直到兩個(gè)小球擁有相等的正電荷.具體而言，兩球接觸之后，各自帶有的電荷量是：Q′A=Q′B=Q′A+Q′B2=1.6×10-9C，接觸過(guò)程中轉(zhuǎn)移的電荷總量△Q=-QB+Q′B=4.8×10-9C，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)則為3×1010個(gè).

諸如此類的問(wèn)題還有很多，例如“兩小球相吸問(wèn)題”等.在分析此類問(wèn)題時(shí)，只需回歸電荷守恒定律的本身，緊抓電荷守恒的兩個(gè)核心內(nèi)容，即：電荷既不會(huì)產(chǎn)生也不會(huì)消滅，只會(huì)從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，且轉(zhuǎn)移過(guò)程中電荷總量不變；若某個(gè)電荷交換系統(tǒng)與外界無(wú)任何接觸，那么其電荷的代數(shù)總和保持不變.在這兩個(gè)核心內(nèi)容的指引下，我們能夠解決很多數(shù)的物理問(wèn)題.

2.運(yùn)用電荷守恒定律解決化學(xué)問(wèn)題.

結(jié)合物理和化學(xué)的知識(shí)來(lái)看，電荷守恒定律是指：在電解質(zhì)溶液中，陰離子的負(fù)電荷濃度與陽(yáng)離子的正電荷濃度相等.基于此，我們也可以巧妙地解決相關(guān)的化學(xué)問(wèn)題.

例2 現(xiàn)將500mL的BaCl2和KCl的混合溶液均等地分成五份，裝在五個(gè)玻璃容器當(dāng)中.再取其中一份，加入a摩爾的硝酸鈉溶液，剛好能夠使其中的鋇離子全部沉淀.再取其中一份，加入b摩爾的硝酸根溶液，剛好能夠使其中的氯離子完全沉淀.那么請(qǐng)問(wèn)混合液中鉀離子的濃度是多少？

解析：在以上問(wèn)題中，BaCl2和KCL的混合溶液分別進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，第一次鋇離子全部沉淀，第二次氯離子完全沉淀.我們可以據(jù)此列出Bacl2和KCL的混合溶液的電荷守恒公式，即：2n（Ba2+）+n（K+）=n（Cl-）.再結(jié)合題意，n（Ba2+）=amol、n（Cl-）=bmol.代入前文中提到的電荷守恒公式可以得出：b=2a+n（K+），（b-2a）mol=n（K+），則BaCl2和KCL的混合溶液中，鉀離子的濃度是10（b-2a）mol/L.

可見，電荷守恒定律也能夠用于解決化學(xué)方面的問(wèn)題，尤其是計(jì)算溶液中離子的濃度.事實(shí)上，在高中階段的物理學(xué)習(xí)中，電荷守恒定律占據(jù)著至關(guān)重要的位置，不僅僅是因?yàn)槠湄灤╇姶?、磁?chǎng)等學(xué)習(xí)內(nèi)容，更是因?yàn)槠湄炌ㄎ锢?、化學(xué)等多門學(xué)科，是理科學(xué)習(xí)中起到核心作用的知識(shí)點(diǎn).

文章從電荷守恒定律的理論概念著手，重點(diǎn)討論了該定律在物理中的應(yīng)用情況，同時(shí)也創(chuàng)新性地引入化學(xué)知識(shí)，突出了電荷守恒定律在解決化學(xué)問(wèn)題時(shí)發(fā)揮的作用.研究發(fā)現(xiàn)，電荷守恒定律在物理和化學(xué)中都有著非常重要的應(yīng)用，對(duì)解決電場(chǎng)問(wèn)題、電荷計(jì)算問(wèn)題和溶液中離子濃度等問(wèn)題發(fā)揮著尤為關(guān)鍵的作用.此外，隨著電荷守恒領(lǐng)域研究的逐漸深入，其在其他學(xué)科中的應(yīng)用也會(huì)逐漸凸顯出來(lái)，值得進(jìn)一步的研究.