一幅電源電動(dòng)勢(shì)插圖的商榷

　　現(xiàn)行普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理選修3-1（人教版）第43頁(yè)在介紹電源電動(dòng)勢(shì)時(shí)指出：“由于正、負(fù)極總保持一定數(shù)量的正、負(fù)電荷，所以電源內(nèi)部總存在著由正極指向負(fù)極的電場(chǎng)”，出現(xiàn)了插圖2.2-1（如圖1所示）。該圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與發(fā)電機(jī)模型相吻合。從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，圖1所給出的電源內(nèi)部電場(chǎng)分布情況，可以理解為一種“等效分布”情況，這種“等效分布”應(yīng)該就是“實(shí)際分布”對(duì)空間的“平均分布”。但是，該種簡(jiǎn)化后的“平均分布”不便于理解電流在電源內(nèi)部通過(guò)內(nèi)電阻時(shí)，電場(chǎng)力做功產(chǎn)生焦耳熱，而使內(nèi)電路電勢(shì)降落的意義抽象。即電流由負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部流向正極的過(guò)程中，電源內(nèi)阻怎樣分壓？怎樣消耗電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？因此，為了更好地理解與區(qū)分電動(dòng)勢(shì)和電壓的物理意義，就需要明確電源內(nèi)部電場(chǎng)的“實(shí)際分布”情況，如圖2所示。
　　以化學(xué)電池為例，由于氧化還原反應(yīng)，在電源正、負(fù)極附近分別出現(xiàn)了厚度約為10-10m～10-6m的偶電層ad和cb，如圖2所示。由圖2可知，電源對(duì)外供電時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)可分為三個(gè)區(qū)域：絕大部分區(qū)域（dc）內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)方向由負(fù)極指向正極，而在靠近兩極的偶電層ad和cb內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)方向則由正極指向負(fù)極。因此，在偶電層內(nèi)，非靜電力（化學(xué)力）克服電場(chǎng)力做功，使被移送的正電荷電勢(shì)能增加，沿電流方向電勢(shì)“躍升”，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而形成電源的電動(dòng)勢(shì)。在電源內(nèi)部的dc區(qū)域，存在內(nèi)電阻，電場(chǎng)力做正功，被移送的正電荷電勢(shì)能減少，沿電流方向電勢(shì)降低，從而把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（焦耳熱）。與此類同，在電源外部的外電路中，電流通過(guò)外電阻時(shí)，電場(chǎng)力也做正功，被移送的正電荷電勢(shì)能減少，沿電流方向電勢(shì)降低，把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。可見，在電流通過(guò)內(nèi)、外電阻時(shí)，電場(chǎng)力都做正功，電勢(shì)均降落，減少的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。
　　在閉合電路中，沿電流方向電勢(shì)的變化如圖3所示。由圖3可知，被移送的正電荷在電源正、負(fù)極附近偶電層的電勢(shì)“躍升”恰等于其在內(nèi)、外電阻上的電勢(shì)降落，表達(dá)為Uad+Ucb=Uab+Ucd，即電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于內(nèi)外電路電勢(shì)降落之和，表達(dá)為E=U外+U內(nèi)；當(dāng)外電路短路時(shí)，U外=Uab=0，E=U內(nèi)=Ucd，沿電流方向電勢(shì)的變化如圖4所示；當(dāng)外電路斷路時(shí)，電勢(shì)的變化如圖5所示，U內(nèi)=Ucd=0，U外=Uab=Uad+Ucb=E，這就是通常利用電壓表粗測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)的原理。電源（E、r）供電時(shí)，內(nèi)外電路電勢(shì)的升降也可以用圖6描述，且內(nèi)外電壓隨外電阻R變化的半定量關(guān)系圖象，如圖7所示。
　　從能量轉(zhuǎn)化的角度看，電源是通過(guò)非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能的裝置。物理學(xué)中用電動(dòng)勢(shì)來(lái)描述電源的這種特性，定義為E=，即電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于非靜電力把1C的正電荷在電源內(nèi)從負(fù)極移送到正極所做的功。而在閉合電路的內(nèi)、外電阻上，電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)降低，分別形成路端電壓和內(nèi)電壓，并把減少的電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，因此，電壓定義為U=。由能量轉(zhuǎn)化與守恒定律可知，在閉合電路中，W非=W電=W電外+W電內(nèi)，結(jié)合電動(dòng)勢(shì)和電壓的定義式可得，qE=qU外+qU內(nèi)，即E=U外+U內(nèi)。
　　閉合電路的內(nèi)、外電壓與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系也可以利用在圖8所示的裝置（高級(jí)中學(xué)物理課本第二冊(cè)第50頁(yè)圖2-20，人民教育出版社，1990年10月第1版）實(shí)驗(yàn)探究。在圖8中，C為化學(xué)電池，A、B是插在電池兩個(gè)電極內(nèi)側(cè)的探針，電壓表V和V′分別測(cè)量路端電壓U外和內(nèi)電壓U內(nèi)，滑動(dòng)變阻器作為外電路。先斷開外電路，用電壓表V測(cè)出電源的電動(dòng)勢(shì)E，然后接通外電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，分別同步記錄電壓表V和V′的示數(shù)U外和U內(nèi)。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在誤差允許的范圍內(nèi)，內(nèi)、外電壓之和恒等于電源的電動(dòng)勢(shì)，即E=U外+U內(nèi)。
　　可見，在閉合電路中，利用電路中電勢(shì)變化的示意圖、電路中的能量關(guān)系和實(shí)驗(yàn)探究都可以得到：電源內(nèi)部電勢(shì)升高的數(shù)值等于內(nèi)、外電路中電勢(shì)降落的數(shù)值。雖然電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于內(nèi)、外電壓之和，但是，電動(dòng)勢(shì)是描述電源內(nèi)部非靜電力做功，沿電流方向電勢(shì)躍升，把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的物理量，是電源本身的屬性，由電源的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，而與外電路無(wú)關(guān)。電動(dòng)勢(shì)是在電源的正、負(fù)極附近產(chǎn)生的，可用兩臺(tái)抽水機(jī)來(lái)比喻；而電壓則是反映內(nèi)、外電路中電場(chǎng)力做功，沿電流方向電勢(shì)降落，把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的物理量，與電源和電路中的用電器有關(guān)。
　　綜上所述，雖然圖2結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，但可以清晰地呈現(xiàn)電場(chǎng)力做功和非靜電力做功的不同過(guò)程，使內(nèi)電壓意義具體，便于對(duì)閉合電路中電勢(shì)躍升和電勢(shì)降落做具體分析，并與常見的電池模型相吻合。因此，建議再版時(shí)把圖1修改為圖2。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 司德平.丹聶耳電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理.西安：中學(xué)物理教學(xué)參考，2003（9）.
　　[2] 傅獻(xiàn)霞，沈文霞，姚天楊.物理化學(xué)（下冊(cè)）.北京：高等教育出版社，1990.
　　
　　（責(zé)任編輯郭振玲）
　　注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請(qǐng)以PDF格式閱讀”