對人教版物理選修3-1《電動勢》一節中插圖的探討

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《電動勢》是新教材新增加的一節,教材把電源類比成抽水機;把抽水機在抽水的過程中克服重力做功類比成電源內部“非靜電力”克服“靜電力”做功;把抽水機抽水所增加的水的重力勢能類比成電源內部的“非靜電力”做功所增加的電勢能。新教材強調了電動勢和電壓的區別;強調了電動勢是反映“非靜電力”做功的本領;強調了“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部存在著由正極指向負極的電場,在這個電場中,正電荷所受的靜電力阻礙它繼續向正極移動。因此,在電源內要使正電荷從負極搬運到正極必須要有“非靜電力”。

筆者對插圖2.2-1可以這樣理解:“電源內部的電路”即“內電路”,正電荷在“非靜電力”作用下從“負極”到“正極”;從“低電勢”到“高電勢”?！胺庆o電力”在搬運正電荷過程中受到的阻礙即“內阻”。每搬運單位正電荷“非靜電力”所做的功越多,電源電動勢就越大。

從能量轉化角度出發,筆者這樣理解:

①“電源內部”化學能轉變為電勢能(通過非靜電力做正功W非=EIt)。

②“電源內部”靜電力做負功(W電=-EIt),電勢能增加EIt。

本章第七節《閉合電路的歐姆定律》是新、老教材都有的內容,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,即外電路和內電路。但在能量轉化上卻分為三部分:外電路、內電路、BC與DA反應層。新教材從能量角度,推導出了閉合電路的歐姆定律。

教材對電池電源進行了研究和推導,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。

筆者對插圖2.7-2可以這樣理解:“電源內部的電路”即“內電路”,電源的正極和負極附近存在著化學反應層,正電荷只在BC和DA化學反應層中被“非靜電力”從“負極”搬到“正極”,從“低電勢”搬到“高電勢”,正電荷在搬運過程中受到的阻礙也遠小于“內阻”。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“負極”,從“高電勢”到“低電勢”,在移動過程中受到的阻礙幾乎為全部的“內阻”。

教材60頁有這樣一段文字:“內電路與外電路一樣,也存在著恒定電場,正電荷也在靜電力的作用下移動的,這一區域的電阻是內電阻。”這和《電動勢》中“內電路”理解有很大的矛盾。

從能量轉化角度出發筆者這樣理解:

①化學反應層中“非靜電力”做正功化學能轉化為電勢能W非=EIt。

②化學反應層中“靜電力”做負功,電勢能增加即克服靜電力做功,故W電=-EIt。

③C到D即“內電路”電流流過內阻(電場力做正功),產生Q熱=I2rt。

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

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

筆者認為可以做這樣的修改(如圖3所示):正電荷只在BC和DA化學反應層中被“非靜電力”從“負極”搬到“正極”;C到D(內電路)正電荷仍然是在“靜電力”作用下移動。

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

電源的主要功能部件是“反應層”,“反應層”的“能力”即反映電動勢的大小。教材《電動勢》這一節向學生闡述的是“反應層”就象“抽水機”,學生容易理解。但筆者認為教材混淆了“反應層”與“內電路”,即把“反應層”等同于了“內電路”。

插圖2.2-1和插圖2.7-2都是人教版新教材增加的。筆者認為,之所以兩插圖前后有矛盾,有值得商榷的地方,關鍵在于教材對“內電路”這個概念的界定不一致。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《電動勢》和第七節《閉合電路的歐姆定律》在教材內容上有值得商榷的地方。

(欄目編輯鄧 磊)