1、对电源内部电场的思考论证 人教版普通高中课程标准实验教科书（2007年1月第二版），选修3-1 第二章第七节（闭合电路欧姆定律）对电源内部电场是这样认识的：在化学电池中，电池的正极和负极附近分别存在着化学反应层.反应层中非静电力（化学作用）把正电荷从电势低处移至电势高处，在这两个地方沿电流方向电势“跃升”，如图1（原图1.1-1）中的ad段和bc段所示.但选修3-1 第二章第二节（电动势）中认为电源内部的场强由正极指向负极，如图2（原图2.2-1所示. 对此有学生就提出了这样一个问题：教材中指出图1.1-1中a为电源正极，b为电源负极，由a到b表示外电路上的电压降我们好理解，但c到d段内电路上
2、电压降低不太好理解，因为图2.2-1明确指出电源内部电场方向由正极指向负极，那么电源内部如果把正电荷从负极搬到正极，是电场力做负功，电势应该升高，这与图1.1-1中c到d段电势降低相矛盾.我说那是因为电源内部有电阻，电流经过电阻要有压降.他们又问：在外电路中，电场力做正功时经过电阻有压降，而在内电路中，电场力做负功经过电阻时也有压降，难道这两种压降一样理解吗？我经过反复研究，发现这里果然存在一定的疑问，我想把我的看法写下来，仅供大家参考，热切希望和同行们互相探讨和学习交流. 其实教材之所以这样编写，目的是为了让学生好理解，因为高中生能力还没有达到那么高的要求，我想写一写自己的看法供老师们探讨.
3、 1电源两极是否带有净电荷的讨论 电源为什么可以向外电路提供电压使外电路产生电流？是因为电源两极具有等量异种的净电荷吗？不！电源两极根本没有等量异种的净电荷！ 2电源内部没有净电荷的实验论证 我们大家都知道这样一个不争的事实：当给电容器充了电之后，电容器两极就带上等量异种的净电荷，如果这时可以把电容器两极分开，那么，分开后的两极仍旧带有等量异种的净电荷. 经典电源模型是电容器模型，因为经典电源模型的正、负两极与电容器两极一样，也带有等量异种的净电荷，尽管它们得到这些净电荷的途径不同.笔者相信，无论通过哪种途径使两极带上的净电荷，它们都应该具有相同的物理特征比如肯定会形成静电场、静电场一定会对在
4、电场中的带电物体或微小的不带电物体具有吸引的作用、无论在什么情况下只要用导体连接正、负两极在导体上一定会有电流流过等等. 2.1实验1 现在，我们做这样的一个实验. 实验的第一步：把一个充有电量的平行板电容器的内部用导线连接，并用灵敏电流计检测导线是否有电流流过（如图3所示）. 实验的第二步：把连接导线与灵敏电流计接在平行板电容器的外部，检测导线是否有电流流过（如图4所示）. 实验的第三步：把充有电量的平行板电容器两极板分开，把其中一个极板与验电器连接，检测该板是否带电. 实验的第四步：把第二个极板再与验电器相连，观察验电器的变化. 实验结果是这样的：第一步把导线连接在电容器内部时，可观察到瞬
5、间灵敏电流计的偏转；第二步把导线连接在电容器的外部时，也可观察到瞬间灵敏电流计的偏转.而且两次电流计的偏转方向是相同的.第三步把电容器分开后，把其中一极板与验电器连接时，可观察到验电器张开；第四步把第二个极板再与验电器相连时，可观察到验电器的张角消失. 实验结果分析：灵敏电流计的偏转是说明有电流流过电线.也就是说，只要有导线连接在充有电量的电容器两极之间，则一定有电流流过电线.验电器的张开说明与验电器接触的物体带有净电荷.第三步实验说明：当把充有电量的电容器两极分开后，其中一个极板仍旧带有净电荷.第四步则说明：另一个极板所带电量的性质与头一极板电量的性质相反，而且电量大小相等. 2.2实验2
6、用稀硫酸作电解液、锌和铜作电极的化学原电池作为实验电源.电解槽用如图5所示的两个电解槽组成，两电解槽用一个可关可开的小阔门K相联.当阔门K打开时，图3所示的就是一个原电池的装置，假设该装置容器用绝缘材料做成，并放置于绝缘地面上.根据经典理论，该原电池两极板Cu板与Zn板上一定带有等量异种的净电荷.我们把阔门K关闭，应该不影响两极板所带的净电荷，此时，我们重复实验1的步骤1、3；把阔门K打开，也应该不影响两极板所带的净电荷，也重复实验1的步骤1、3. 实验结果是这样的：当把阔门K关闭时，连接两极的导线的电流计没有发生指针偏转；把其中一极与验电器相连，也没有发现验电器张开.当把阔门打开时，连接两极
7、的导线的电流计指针发生偏转；没有发现验电器张开. 经典理论分析：把电解槽的阔门K打开时，该装置形成一个原电池，则Cu板与Zn板形成原电池的两极板，根据经典理论，这两板板上一定带上等量异种净电荷，并在电解液中形成静电场.当再把阔门K关闭，两极板所带的电量不会因此改变，各自形成独立的带电体，带电体由电解液与电板共同组成.由于电解液中的电场线被阔门阻隔，原电池工作原理中断，使两极的净电荷发生重新分布，再次达到新的静电平衡状态，所有的净电荷均分布在导体的外表面，即在电解液之外的两金属外表面与电解液上表面均带有净电荷.如果这时用一导线连接在两导体之间，就一定会在导体内部形成电流；如果用验电器与其中一个电
8、极相连，验电器也会张开.当再次把阔门打开，原电池工作原理得以恢复，使两极所带的净电荷又发生重新分布，这时只分布在两电极正对的金属内表面上.如果用一根导线把两导体电极相连，也一定会形成电流；如果用验电器与其中一个电极相连，验电器不会张开. 我们把实验结果与经典理论分析的结果进行比较，不难发现其中存在的矛盾：经典理论认为无论阔门K是否打开，连接在两极的导线上都应该有电流流过实验结果并非如此，只有阔门K打开时，才有电流流过导线；经典理论认为当阔门K关闭时，电极与验电器接触时，验电器会张开实验结果也不是这样，无论阔门K是否关闭，电极与验电器接触都无法使验电器张开. 2.3结论 如果我们能够用某种手段保
9、持电容器两极所带电量稳定不变，那么，电容器也可以作为电源来使用，但是电容器电源与我们经常使用的电源有本质的区别，从上述的两个实验就足以说明电容器与电源不同之处.通过理论分析，我们知道两极带电量稳定不变的电容器电源是一种恒压电源，经典电源模型所描述的就是这样的一种电源，但是我们日常使用的电源并不是恒压电源.所以，我们完全有理由相信，通常情况下电源两极并不存在等量异种的净电荷.如果电源两极不存在等量异种的净电荷，那么，实验2的结果顺理成章了. 综上所述：电源两极没有等量异种的净电荷. 3电源内部的电场 电源内部是否存在电场？在电源的外电路接通之前与接通之后，这个电场的方向如何？存在这个电场会使在电
10、场之中的电荷产生怎样的作用？经典理论认为，电源内部有一个从正极指向负极的静电场，这个电场是电源两极板所带的净电荷产生的.然而，依据笔者多篇论文的讨论结果和上述的实验结论，笔者一直认为电源内部不存在静电场.到底谁是谁非？我们再用以下实验加以验证. 3.1实验3 如图6所示，这本是一个大家都熟悉的测电源内电压的电路.必须说明的是，电压的方向与电场的方向是致的，这一点我们可以通过公式U=Edl知道.还必须知道的是，电源的电动势无法直接从实验中测出，电动势都是通过间接的方法测量出来的，无论通过哪一种方法，其实质都是利用了=U外+U内关系.所以，要测量电源内部的电场强度的方向，只需要测出各种情况下电源内
11、部的电压的方向即可. 情况一：如果阔门K关闭，需测量开关S断开和闭合时，接在同种金属导体上的电压表的指针的偏转方向. 情况二：如果阔门K打开，同样需测量开关S断开和闭合时，接在同种金属导体上的电压表的指针的偏转方向. 实验结果：在情况一中，无论开关S断开还是闭合，我们都无法观察到电压表指针的偏转，即两同种金属导体间的电压为零，或者说电源的内电压为零. 在情况二中，当开关S断开时，我们所观察到的与情况一完全相同，电源的内电压为零.当开关S闭合时，我观察到了电压表指针的偏转，这说明电源的内电压终于不为零. 如果把上述实验中的外电路的电阻两端加一个电压表（如图7所示），重复上述情况一与情况二的实验，
12、我们得到了如下结果：阔门K关闭时，两个电压表均没有读数；阔门K打开时，如果开关S断开，则电压表V的读数为零，电压表V的读数很大；如果开关S合上，则两个电压表都有读数，而且此时两表读数之和与开关S断开时电压表V的读数相等.另外，如果两表都是左边接入正接线柱，右边接入负接线柱，那么我们还观察到，两表的偏转方向相反，即一个向左偏，另一个向右偏. 以上的实验结果说明了什么？ 1.当阔门K关闭时，装置不是完整的电源，不能提供电能，当然正、负两极间不存在电压，更不存在内电压与内电场. 2.当阔门K打开时，装置才形成完整的电源，可以提供电能.但是，如果外电路断路，电源内部（内电路）没有电压，也就是没有电场，所有的电动势都在外电路形成电压与外电场，其方向从电源正极指向负极.如果外电路联通，电源内部（内电路）有电压，电源内部此时才有电场，电场方向从电源负极指向正极.外电压与内电压之和是一个定值，该值就是电源的电动势. 综上所述，电源内部并不存在因为电源两极的净电荷而产生的静电场，只有当电流形成之后，电源内部存在一个电场，该电场方向也不是从电源正极指负极，而是相反方向.第 7 页 共 7 页
