怎樣用電場分析直流電路?

在系統學習了電工學后，筆者嘗試用后面學的知識重新分析前面學過的內容，比如用電場的觀念解釋許多電學現象，分析直流電路電壓、電流和電動勢以及它們的性質，可以加深對直流電路中一些基本概念的理解，避免產生認識誤區。現舉幾例說明。

一、電場的分析之一:是什么原因使燈泡變亮的?

圖1是一個典型的照明電路圖，當開關K合上時，燈泡會發光，這是眾所周知的事實了，在開始學習這個電路時，是采用水泵從低處向高處抽水來類比的，現在學完電工的基本內容以后，重新用學過的理論對電路進行分析。為了達到好的教學效果，筆者以小組討論的形式向學生提出兩個問題:第一，為什么開關接通燈泡就會亮?第二，回答電路中電流的形成過程?學生討論的結果:A.電路接通了，電荷就流動起來，所以燈泡會亮;B.電流形成需要有自由移動的電荷，電位差及閉合的電路，圖中滿足三個條件，所以燈泡會亮。還有很多種回答，但基本都是同一個思考思路。

于是筆者又要求學生用電場的觀點回答。對電路分析如下:一是電路在未接通前，電源把電壓加在開關的兩端，在開關a、b兩端形成電場。當開關在閉合的過程中相當于一個電容器，開關的閉合過程就相當與電容器兩極板逐漸靠近的過程，由電容和極板間的距離成反比可知，當距離靠近時電容增大，而兩極板間的電量不變，由公式U=Q/C可知電壓要下降，原來的電場的平衡狀態就要打破，電荷開始移動。二是當開關合上時，兩極板之間的距離為零，電容C無限大，開關兩端的電壓降為零，整個開關變為一個等勢體，這時的外加電壓就由開關的兩端轉移到燈泡上，在電場的作用下，燈泡里的自由電子就發生定向的移動，由于電源的非電場力將電子從電源的正極不斷地移到負極維持電動勢的穩定，就使電燈中形成穩定的電場，電荷能夠持續流動從而保持燈泡發光。

用上電場以后，燈泡為什么會發光就顯得有理有據了。學生從根本上理解了電流形成的原因，同時對電壓的形成，電場力和非電場力做功都有了更深入的理解。如果學生能根據電場的理論分析電路的現象，對于學習電學將會有很大的幫助。

二、電場的分析之二:電的傳播為什么這么快?

由于電流是電荷的定向移動形成的，很多學生會形成一個概念，電的傳播是電流的移動，所以電的傳播速度等于電荷移動的速度。其實這是個錯誤的觀點，電的傳播速度是電場的傳播速度，不是電子移動的速度，對此，我們以圖1為例來作個解釋。在圖1中，只要有電源，在電源的周圍就是電場存在的空間，和導線、電阻、開關聯不聯入電路沒有關系。電源周圍的電場是客觀存在的，用兩個點電荷表示電源的正負極，電場分布就如圖2所示充滿電源周圍的空間。

這樣電的流動就變得很清楚了，開關合上以前，導線電阻等元件已經處在電場中了，由于靜電感應，其中的電荷發生了重新分布，但由于開關沒有合上，電荷在經過了短暫的分布，到內外電場平衡時，E=0，電荷就停止了流動。當開關合上后，開關兩端的正負電荷發生中和，電場的平衡被打破，電荷在電場力的作用下再次運動，整個電路中由于電荷的不斷中和，就有源源不斷的電流產生。燈泡之所以亮得快，是因為燈泡上的電荷和其他電荷一樣處在電場中，受到電場力作用一起運動，而不是等到電荷從電源跑到燈泡燈才會亮，換句話說，電場傳播有多快，電荷受到電場力的作用就有多快，電流的形成也就有多快。所以電的傳播是電場傳播的結果。通過實驗總結出，電場的傳播速度等于光的傳播速度，所以，電荷放入空間和它形成的電場在空間的傳播幾乎是同步的。

三、電場的分析之三:為什么串聯電容能帶上等量異種電荷?

看圖3，電源、開關和C1 、C2組成電容的串聯電路，當開關K合上后，各電容上的電荷是如何分布的呢?

通用教材一般都是直接給出各電容上的電量和總的電量相等的結論，對中間的分析過程沒有提及。現用電場的觀念加以分析

當開關接通后，電源產生的電場使線路中的電荷發生移動，使C1 的上極板帶上正電，C2的下極板帶上負電，這樣在C1 的上極板與C2的下極板之間就形成了一個電場E1，這個電場將使得中間兩塊極板(即C1的下極板和C2的上極板)上的電荷發生定向移動，直到它們產生的附加電場E2和E1相等為止，這樣不僅電容器的上下極板帶上電荷，中間的兩個極板也會帶上等量的異種電荷。這樣就分清了個極板上電荷的來源。

如果不從電場出發，學生很可能會認為電荷數量無緣無故地增加了，或者認為中間的兩塊極板是不帶電的，從而導致對電容性質的曲解。而對這個問題要是能夠理解得較好的話，那電容器的“通交流、隔直流”，“通高頻，阻低頻”的性質就會得到很好的掌握。

四、電場的分析之四:導線的粗細會不會改變?

在教學中，要引導學生提問，要培養學生靈活應變的能力，同時，要對學生的提問作出妥善處理的方法，包括解答、反問、小組討論、實驗分析、合作學習等。 如有學生提問，“電子定向移動，那導體里的電子會流出導體嗎?導體里的電子會越流越少嗎?”有這樣想法的學生很多，為此，本人在班里舉行小組討論，在討論前一天，讓學生上網收集相關資料先作分析。經過充分準備，在班級列舉了學生提供的兩種觀點;一是導體中的電子確實是流出了導體的，如銅線和鋁線串聯，當有電流時，銅線上的電子會跑到鋁線上去，長久下去，鋁導線就會變為銅導線;二是電子是會減少的，如顯象管的燈絲不斷發射電子使顯示屏發亮，發出去的電子要回到燈絲中去是不可能的。

對這樣的問題，要搞清楚物質的結構和電場的傳播過程才能分析清楚，我們看看其中電子和原子核的運動情況:金屬材料中有大量的電子，在電場的作用下它們發生定向移動，電源在移動的過程中對外電路的電子進行及時補充，雖然導線中的電子發生了定向移動，但電源形成的電場對電子進行補充，補充進來的電子和金屬中流失掉的電子性質是一模一樣的，而組成金屬的原子核只在平衡位置附近振動，也就是說，物質的質子沒有發生定向的運動，而質子是決定物質質量及性質的成分，所以說物質在導電的過程中性質不會發生改變，也就解答了學生說的電荷會因流動而變少，導線會由粗變細，甚至鋁線用久了會變為銅線的問題。第二個觀點，也是類似的，顯像管的燈絲是不斷發射電子，但顯像管通過公共接地等也構成閉合回路，電子很快從電源中得到補充，燈絲的性質并沒有發生改變，從而解答了電子不斷運動的原因。

在教學中，遇到的電場相關問題很多，當學生提出相應的質疑時，老師一定要靈活運用電場的概念，讓學生在思考的過程中發揮自己的想象力，努力培養學生獨立思考的能力，并在教與學的過程中和學生共同進行有效的探討，從中找出更合乎邏輯的解釋過程。

(作者單位:浙江省建德市工業技術學校)