從基爾霍夫定律看高中物理相關知識

秦圣

【內容摘要】基爾霍夫定律是大學電路課程中描述電學的基礎，它闡明了電荷所體現的電流和電壓在一般電路問題中遵循的規律。該定律的基本理論為粒子數守恒和能量守恒，其結果清楚表達了電路中電荷這一粒子的數目和電勢能所具的普遍行為。這些描述與高中物理知識密不可分。

【關鍵詞】基爾霍夫定律 粒子數守恒 能量守恒

前言

基爾霍夫定律是電路中電流和電壓所遵循的基本規律，它是分析和計算較為復雜電路的必要工具[1]。該定律由德國物理學家 G.R.基爾霍夫于 1845 年提出，其內容包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），前者描述電路節點處電流的關系，后者描述電路回路中電壓的關系，它們是解決基本電路問題的基礎。該定律既可用于直流電路的分析，也可用于交流電路的分析，還可用于含有電子元件的非線性電路的分析。運用基爾霍夫定律進行電路分析時，僅與電路的連接方式有關，而與構成該電路的元器件具有什么樣的性質無關。

雖然該定律是大學課程《電路理論》提出的電路定律，但對于該定律的認識[2-4]，若從其所含的物理基礎出發，將會發現該定律與高中物理知識的諸多描述有著密不可分的聯系[5]。對于這些知識的理解將有利于加深高中學生對于電子在電路中所體現的基本規律的認識，由此可以幫助學生對高中物理相關基礎知識進行歸納和總結。

一、基爾霍夫電流定律的基本認識

基爾霍夫電流定律表明：在任意一個時刻，流入任意一個節點（或等效封閉面）全部支路電流的代數和為零。對于該定律的認識，可以加深我們對電子數量這一基本問題的理解。電荷守恒定律表明，電荷既不能憑空產生，也不能憑空消失，它只能從一個物體轉移到另一個物體。該定律描述了在一般的電路中，節點或封閉面僅作為電子傳輸的載體，而不能儲存電荷的這一物理特性，該特性直接導致在節點或封閉面中電子數凈增量為零這一事實。該定律同時說明：在宏觀形態上，通過節點的所有電流之和為零，它們在該處不會隨時間的改變而發聲變化，因而導致該節點進出的凈電荷數持平，即在節點這一位置上不能憑空產生或消失，故整個節點無凈電流產生。

高中物理電學部分串并聯電路中的電流問題，即為基爾霍夫定律的一個基本體現。在串聯電路中，經過電阻前后的電流大小不變，該結果歸因于電子數未曾增加或減少，僅為傳遞通過；而并聯電路中，總路的電流等于各支路電流之和，這正是總路中所有固定數量的電荷分配至支路的結果，其中電子數量并沒有憑空產生或消失。對于該部分的理解，應該引導學生從電子的數量出發：電子的個數宏觀上表現為整體電流的大小，而微觀的變化將引起整體電流的走向即電流方向發生改變。因此，對于節點而言，我們不僅要關心電流的大小關系，還要關心電流的流入流出方向。

二、基爾霍夫電壓定律的基本認識

基爾霍夫電壓定律描述了電路中所有的電壓之和為零這一事實，該定律是物質能量守恒的體現。能量守恒定律表明：能量既不能憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式的轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另外一個物體，在這些轉化和轉移的過程中，其總量保持不變。電壓作為電子電勢能的一種體現形式，在具有電源的電路中，整個電路始終保持由電源的化學能和電路中電能的一個等量轉換，該過程只是物體內形式的轉化，總能量不會憑空產生。基爾霍夫電壓定律同時體現了最基本最一般的電路特征即為歐姆定律：電源電壓等于所有供電元件的電流和電阻積的總和，即電壓之和，該結果表明電源的電勢和電器元件的電壓總和相等，該結果源于電能只是電源轉移到電器元件這一事實，能量總量不會消失。另外，從功的概念來看，由于電荷在電路中的運動為閉合回路，而閉合回路中電場力對電荷做功的總代數和為零，因此電荷在“任一回路所有電壓代數和為零”。總的來說，電荷的能量在轉化和轉移的過程中整體持平，能量不會憑空消失。

該部分定律主要對應高中知識中的能量和電勢這兩個問題。在電路中有如此規律，電勢能差值的多少決定了電壓的高低和組成，它們與電器元件壓降的大小有關，整個過程能量始終保持守恒；同時，要注意電勢能的“成分”，一般電路中，作為提供能源部分，習慣上視為電源，具有電壓升的能力，而消耗能源部分則視為電壓降部分，電壓升的總量與電壓降的總量保持相等，而基爾霍夫定律中由正負號來區分和確定電壓的升降，或者直接由電源電動勢和電路電壓總和相等這一高中電路中電動勢和電壓的關系來得到電路中電壓所遵循的規律。

結語

綜上所述，對于基爾霍夫定律的理解和認識，應始終抓住“守恒”這一物理普遍規律，找出其中物理變化的基本原因，理清電路中每個電流、電壓的大小和方向的關系，從而認識電路的基本組成，這些可加深學生對物質和能量轉換關系的認識和理解。因此，對于基爾霍夫定律的認識，不僅要與自然界普遍存在的規律相類比，理解它在解決電路問題中所存在的重要性，更應將之與最基本的物理規律和運動特性進行類比和遷移，使學生更好地理解和掌握這一基本電學定律。

【參考文獻】

[1] 倪宏慈. 基爾霍夫定律的理論基礎[J]. 山東師范大學學報：自然科學版， 1994（3）：111-113.

[2] 段傳正.如何突破基爾霍夫定律的教學難點[J]. 科技風， 2017（17）：32.

[3] 梁子秀. 如何講好基爾霍夫定律[J]. 科技信息， 2010， 2（17）：786+797.

[4] 劉華康. 基爾霍夫定律與電路[J]. 科技風， 2017（4）：138.

[5] 劉愛萍.基爾霍夫定律的實質研究[J].太原城市職業技術學院學報， 2012（12）：163-164.

（作者單位：孝感市湖北航天高級中學）