对人教版物理选修3-1《电动势》一节中插图的探讨

高靖华

人民教育出版社高中物理选修3-1第二章《恒定电流》第二节《电动势》是新教材新增加的一节,教材把电源类比成抽水机;把抽水机在抽水的过程中克服重力做功类比成电源内部“非静电力”克服“静电力”做功;把抽水机抽水所增加的水的重力势能类比成电源内部的“非静电力”做功所增加的电势能。新教材强调了电动势和电压的区别;强调了电动势是反映“非静电力”做功的本领;强调了“非静电力”是在克服“静电力”做功。

插图2.2-1(如图1所示)很形象的描述了电源内部存在着由正极指向负极的电场,在这个电场中,正电荷所受的静电力阻碍它继续向正极移动。因此,在电源内要使正电荷从负极搬运到正极必须要有“非静电力”。

笔者对插图2.2-1可以这样理解:“电源内部的电路”即“内电路”,正电荷在“非静电力”作用下从“负极”到“正极”;从“低电势”到“高电势”。“非静电力”在搬运正电荷过程中受到的阻碍即“内阻”。每搬运单位正电荷“非静电力”所做的功越多,电源电动势就越大。

从能量转化角度出发,笔者这样理解:

①“电源内部”化学能转变为电势能(通过非静电力做正功W非=EIt)。

②“电源内部”静电力做负功(W电=-EIt),电势能增加EIt。

本章第七节《闭合电路的欧姆定律》是新、老教材都有的内容,但人教版新教材在教材编写上较旧版完全不同:去掉了原来的插图,取代为插图2.7-2。新教材把闭合电路分成两部分,即外电路和内电路。但在能量转化上却分为三部分:外电路、内电路、BC与DA反应层。新教材从能量角度,推导出了闭合电路的欧姆定律。

教材对电池电源进行了研究和推导,并附有2.7-2(如图2所示)这样一副插图,使笔者觉得前后两插图存在着彼此矛盾的地方。

笔者对插图2.7-2可以这样理解:“电源内部的电路”即“内电路”,电源的正极和负极附近存在着化学反应层,正电荷只在BC和DA化学反应层中被“非静电力”从“负极”搬到“正极”,从“低电势”搬到“高电势”,正电荷在搬运过程中受到的阻碍也远小于“内阻”。而在电源的大部分空间,即C到D,正电荷仍然是在“静电力”作用下从“正极”到“负极”,从“高电势”到“低电势”,在移动过程中受到的阻碍几乎为全部的“内阻”。

教材60页有这样一段文字:“内电路与外电路一样,也存在着恒定电场,正电荷也在静电力的作用下移动的,这一区域的电阻是内电阻。”这和《电动势》中“内电路”理解有很大的矛盾。

从能量转化角度出发笔者这样理解:

①化学反应层中“非静电力”做正功化学能转化为电势能W非=EIt。

②化学反应层中“静电力”做负功,电势能增加即克服静电力做功,故W电=-EIt。

③C到D即“内电路”电流流过内阻(电场力做正功),产生Q热=I2rt。

④整节干电池内部静电力做总功W电′=-EIt+I2rt=-I2Rt(设该电路为纯电阻电路,外阻为R)。

如果根据插图2.7-2以及《闭合电路的欧姆定律》中的教材内容,那么插图2.2-1就值得商榷,笔者认为插图2.2-1形象描述的是电源内部其中CB反应层的情况,而不该是代表内电路的“电源内部”。

笔者认为可以做这样的修改(如图3所示):正电荷只在BC和DA化学反应层中被“非静电力”从“负极”搬到“正极”;C到D(内电路)正电荷仍然是在“静电力”作用下移动。

或者也可根据能量转化角度,把闭合电路分成外电路、内电路、反应层(如图4所示):把内阻与反应层等效分离。反应层中“非静电力”做功电势能增加,电流流过外阻和内阻,电势能减少。

电源的主要功能部件是“反应层”,“反应层”的“能力”即反映电动势的大小。教材《电动势》这一节向学生阐述的是“反应层”就象“抽水机”,学生容易理解。但笔者认为教材混淆了“反应层”与“内电路”,即把“反应层”等同于了“内电路”。

插图2.2-1和插图2.7-2都是人教版新教材增加的。笔者认为,之所以两插图前后有矛盾,有值得商榷的地方,关键在于教材对“内电路”这个概念的界定不一致。与其说插图2.2-1和插图2.7-2前后有值得商榷的地方,还不如说是第二节《电动势》和第七节《闭合电路的欧姆定律》在教材内容上有值得商榷的地方。

(栏目编辑邓 磊)