交變電流的定義探析

文∣曹芳

一、交變電流定義疑惑

在完成粵教版高中物理(2005年版)選修3-2的第二章“交變電流”第一節教學后，有這樣一道題：

下列圖象中屬于交流電的是( )。

A.

B.

C.

D.

中學教師對這道題并不陌生，正確答案是ABC,對于B選項，答案是這樣解釋的：判斷某一電流是不是交流電主要是看電流的方向是否發生變化，對電流的大小是否變化沒有要求。有學生對B選項提出了質疑，該學生指出，教材中有關交流電的定義是這樣的：強弱和方向都隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流，簡稱交流。他認為依照書本上的定義，只有強弱和方向都隨時間做周期性變化的電流才叫做交變電流，B答案應該是錯誤的。面對學生的質疑，也基于部分教師對交變電流定義的質疑，我們對交變電流的定義進行探討。

二、教材中交變電流的定義

查閱不同版本的教材對交變電流的定義并將其整理，如表1所示。

從表1來看,2005年粵教版、1995年人教版、2006年人教版、2020年人教版、2005年滬科版教材對交變電流的定義幾乎一致，即大小和方向都隨時間做周期性變化的電流。2006年和2020年人教版教材在介紹交變電流的種類時，還配了圖片，圖1丙圖中的矩形脈沖波與本文開頭的例題B選項波形一致，即大小不變但方向隨時間做周期性變化的電流也是交變電流。但這與教材的定義“大小和方向都隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流”有矛盾。

表1 中學教材對交變電流的定義

圖1

相較于以上版本的定義，2003年人教版和2020年粵教版教材對交變電流的定義稍有變化。2003年人教版先描述了小燈泡接交變電流后的發光情況，再根據電流表指針左右擺動提出大小和方向在不斷變化的電流“是”交變電流，沒有用“叫做”二字。我們可以理解為“大小和方向在不斷變化的電流是交變電流”，但交變電流不止這一種類型。2020年粵教版教材對直流和恒定電流的表述非常清晰，在交變電流的定義中把“強弱和方向都隨時間做周期性變化”的“都”字去掉了，把“叫做”變成了“稱為”，但這個定義與2003年人教版的定義一樣，只是說明了強弱和方向隨時間做周期性變化的電流是交變電流，而“大小不變、方向隨時間變化的電流是否為交變電流”仍存在疑問。

三、交變電流定義查證

大小不變、方向隨時間變化的電流是否為交變電流？交變電流該如何定義才能跟教材中的圖片自洽？查閱大學幾個版本的《電磁學》教材的交變電流定義，整理如表2所示。

表2 大學教材對交變電流的定義

梁紹榮和梁燦彬主編的三個版本的《電磁學》中對交變電流的定義跟多版本高中教材的定義幾乎是一樣的，也是電流的大小和方向都隨時間而變化。梁燦彬主編的《電磁學》中，對于“直流”的描述非常清晰，可總結為以下兩點：①直流電的基本特征是電流的方向不隨時間變化；②直流電分兩類，大小變化的直流叫做脈動直流，大小不變的直流叫做恒定電流。盡管該定義沒有對大小不變、方向隨時間變化的電流進行明確的分類，但基于教材對“直流”的描述，我們可以明確地判斷出此類電流一定不是直流。

趙凱華主編的《電磁學》中對交變電流的定義則跟前面幾個版本完全不一樣，定義中沒有要求電流的大小和方向都隨時間做周期性變化，而是說如果電源的電動勢e(t)隨時間做周期性變化，電路中的電壓u(t)和電流i(t)都將隨時間做周期性變化，這種電路叫交流電路。教材中對交變電流還有這樣的說明：實際中不同場合應用的交流電隨時間變化的波形是多種多樣的，電子計算機中采用的信號是矩形脈沖(并附有矩形脈沖的圖像)。該版本對交變電流的定義符合廣大中學教師對交變電流的認知，也能很好地消除學生和教師的質疑。

四、建議

部分舊版教材對交變電流的定義存在偏差，其原因可能是當時計算機沒有普及，應用于計算機的矩形脈沖電流沒有被人們認知和廣泛應用。為了消除廣大中學教師和學生的質疑，給交變電流一個更精準的定義是非常必要的。結合前面幾個版本教材對交變電流的定義和中學生的認知能力，建議新版教材對交變電流的定義進行這樣的修正：將方向不隨時間改變的電流稱為直流，其中強弱和方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流；方向隨時間做周期性變化的電流稱為交變電流，簡稱交流。在生產和生活中，我們最常用的是強弱和方向都隨時間做周期性變化的交變電流。