從基爾霍夫定律看高中物理相關(guān)知識(shí)

秦圣

【內(nèi)容摘要】基爾霍夫定律是大學(xué)電路課程中描述電學(xué)的基礎(chǔ)，它闡明了電荷所體現(xiàn)的電流和電壓在一般電路問(wèn)題中遵循的規(guī)律。該定律的基本理論為粒子數(shù)守恒和能量守恒，其結(jié)果清楚表達(dá)了電路中電荷這一粒子的數(shù)目和電勢(shì)能所具的普遍行為。這些描述與高中物理知識(shí)密不可分。

【關(guān)鍵詞】基爾霍夫定律 粒子數(shù)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(guī)律，它是分析和計(jì)算較為復(fù)雜電路的必要工具[1]。該定律由德國(guó)物理學(xué)家 G.R.基爾霍夫于 1845 年提出，其內(nèi)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(jié)點(diǎn)處電流的關(guān)系，后者描述電路回路中電壓的關(guān)系，它們是解決基本電路問(wèn)題的基礎(chǔ)。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(yùn)用基爾霍夫定律進(jìn)行電路分析時(shí)，僅與電路的連接方式有關(guān)，而與構(gòu)成該電路的元器件具有什么樣的性質(zhì)無(wú)關(guān)。

雖然該定律是大學(xué)課程《電路理論》提出的電路定律，但對(duì)于該定律的認(rèn)識(shí)[2-4]，若從其所含的物理基礎(chǔ)出發(fā)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)該定律與高中物理知識(shí)的諸多描述有著密不可分的聯(lián)系[5]。對(duì)于這些知識(shí)的理解將有利于加深高中學(xué)生對(duì)于電子在電路中所體現(xiàn)的基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，由此可以幫助學(xué)生對(duì)高中物理相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)。

一、基爾霍夫電流定律的基本認(rèn)識(shí)

基爾霍夫電流定律表明：在任意一個(gè)時(shí)刻，流入任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或等效封閉面）全部支路電流的代數(shù)和為零。對(duì)于該定律的認(rèn)識(shí)，可以加深我們對(duì)電子數(shù)量這一基本問(wèn)題的理解。電荷守恒定律表明，電荷既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。該定律描述了在一般的電路中，節(jié)點(diǎn)或封閉面僅作為電子傳輸?shù)妮d體，而不能儲(chǔ)存電荷的這一物理特性，該特性直接導(dǎo)致在節(jié)點(diǎn)或封閉面中電子數(shù)凈增量為零這一事實(shí)。該定律同時(shí)說(shuō)明：在宏觀形態(tài)上，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的所有電流之和為零，它們?cè)谠撎幉粫?huì)隨時(shí)間的改變而發(fā)聲變化，因而導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)進(jìn)出的凈電荷數(shù)持平，即在節(jié)點(diǎn)這一位置上不能憑空產(chǎn)生或消失，故整個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)凈電流產(chǎn)生。

高中物理電學(xué)部分串并聯(lián)電路中的電流問(wèn)題，即為基爾霍夫定律的一個(gè)基本體現(xiàn)。在串聯(lián)電路中，經(jīng)過(guò)電阻前后的電流大小不變，該結(jié)果歸因于電子數(shù)未曾增加或減少，僅為傳遞通過(guò)；而并聯(lián)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(shù)量的電荷分配至支路的結(jié)果，其中電子數(shù)量并沒(méi)有憑空產(chǎn)生或消失。對(duì)于該部分的理解，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生從電子的數(shù)量出發(fā)：電子的個(gè)數(shù)宏觀上表現(xiàn)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(fā)生改變。因此，對(duì)于節(jié)點(diǎn)而言，我們不僅要關(guān)心電流的大小關(guān)系，還要關(guān)心電流的流入流出方向。

二、基爾霍夫電壓定律的基本認(rèn)識(shí)

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(shí)，該定律是物質(zhì)能量守恒的體現(xiàn)。能量守恒定律表明：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式的轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)物體，在這些轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，其總量保持不變。電壓作為電子電勢(shì)能的一種體現(xiàn)形式，在具有電源的電路中，整個(gè)電路始終保持由電源的化學(xué)能和電路中電能的一個(gè)等量轉(zhuǎn)換，該過(guò)程只是物體內(nèi)形式的轉(zhuǎn)化，總能量不會(huì)憑空產(chǎn)生?；鶢柣舴螂妷憾赏瑫r(shí)體現(xiàn)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(jié)果表明電源的電勢(shì)和電器元件的電壓總和相等，該結(jié)果源于電能只是電源轉(zhuǎn)移到電器元件這一事實(shí)，能量總量不會(huì)消失。另外，從功的概念來(lái)看，由于電荷在電路中的運(yùn)動(dòng)為閉合回路，而閉合回路中電場(chǎng)力對(duì)電荷做功的總代數(shù)和為零，因此電荷在“任一回路所有電壓代數(shù)和為零”?？偟膩?lái)說(shuō)，電荷的能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中整體持平，能量不會(huì)憑空消失。

該部分定律主要對(duì)應(yīng)高中知識(shí)中的能量和電勢(shì)這兩個(gè)問(wèn)題。在電路中有如此規(guī)律，電勢(shì)能差值的多少?zèng)Q定了電壓的高低和組成，它們與電器元件壓降的大小有關(guān)，整個(gè)過(guò)程能量始終保持守恒；同時(shí)，要注意電勢(shì)能的“成分”，一般電路中，作為提供能源部分，習(xí)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(fù)號(hào)來(lái)區(qū)分和確定電壓的升降，或者直接由電源電動(dòng)勢(shì)和電路電壓總和相等這一高中電路中電動(dòng)勢(shì)和電壓的關(guān)系來(lái)得到電路中電壓所遵循的規(guī)律。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于基爾霍夫定律的理解和認(rèn)識(shí)，應(yīng)始終抓住“守恒”這一物理普遍規(guī)律，找出其中物理變化的基本原因，理清電路中每個(gè)電流、電壓的大小和方向的關(guān)系，從而認(rèn)識(shí)電路的基本組成，這些可加深學(xué)生對(duì)物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的認(rèn)識(shí)和理解。因此，對(duì)于基爾霍夫定律的認(rèn)識(shí)，不僅要與自然界普遍存在的規(guī)律相類(lèi)比，理解它在解決電路問(wèn)題中所存在的重要性，更應(yīng)將之與最基本的物理規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行類(lèi)比和遷移，使學(xué)生更好地理解和掌握這一基本電學(xué)定律。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 倪宏慈. 基爾霍夫定律的理論基礎(chǔ)[J]. 山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 1994（3）：111-113.

[2] 段傳正.如何突破基爾霍夫定律的教學(xué)難點(diǎn)[J]. 科技風(fēng)， 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(fēng)， 2017（4）：138.

[5] 劉愛(ài)萍.基爾霍夫定律的實(shí)質(zhì)研究[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2012（12）：163-164.

（作者單位：孝感市湖北航天高級(jí)中學(xué)）