一幅電源電動勢插圖的商榷

　　現行普通高中課程標準實驗教科書·物理選修3-1（人教版）第43頁在介紹電源電動勢時指出：“由于正、負極總保持一定數量的正、負電荷，所以電源內部總存在著由正極指向負極的電場”，出現了插圖2.2-1（如圖1所示）。該圖結構簡單，與發電機模型相吻合。從能量轉化的角度來看，圖1所給出的電源內部電場分布情況，可以理解為一種“等效分布”情況，這種“等效分布”應該就是“實際分布”對空間的“平均分布”。但是，該種簡化后的“平均分布”不便于理解電流在電源內部通過內電阻時，電場力做功產生焦耳熱，而使內電路電勢降落的意義抽象。即電流由負極經電源內部流向正極的過程中，電源內阻怎樣分壓？怎樣消耗電能轉化為內能？因此，為了更好地理解與區分電動勢和電壓的物理意義，就需要明確電源內部電場的“實際分布”情況，如圖2所示。
　　以化學電池為例，由于氧化還原反應，在電源正、負極附近分別出現了厚度約為10-10m～10-6m的偶電層ad和cb，如圖2所示。由圖2可知，電源對外供電時，其內部電場可分為三個區域：絕大部分區域（dc）內，場強方向由負極指向正極，而在靠近兩極的偶電層ad和cb內，場強方向則由正極指向負極。因此，在偶電層內，非靜電力（化學力）克服電場力做功，使被移送的正電荷電勢能增加，沿電流方向電勢“躍升”，把化學能轉化為電能而形成電源的電動勢。在電源內部的dc區域，存在內電阻，電場力做正功，被移送的正電荷電勢能減少，沿電流方向電勢降低，從而把電能轉化為內能（焦耳熱）。與此類同，在電源外部的外電路中，電流通過外電阻時，電場力也做正功，被移送的正電荷電勢能減少，沿電流方向電勢降低，把電能轉化為其他形式的能。可見，在電流通過內、外電阻時，電場力都做正功，電勢均降落，減少的電能轉化為其他形式的能。
　　在閉合電路中，沿電流方向電勢的變化如圖3所示。由圖3可知，被移送的正電荷在電源正、負極附近偶電層的電勢“躍升”恰等于其在內、外電阻上的電勢降落，表達為Uad+Ucb=Uab+Ucd，即電源的電動勢在數值上等于內外電路電勢降落之和，表達為E=U外+U內；當外電路短路時，U外=Uab=0，E=U內=Ucd，沿電流方向電勢的變化如圖4所示；當外電路斷路時，電勢的變化如圖5所示，U內=Ucd=0，U外=Uab=Uad+Ucb=E，這就是通常利用電壓表粗測電源電動勢的原理。電源（E、r）供電時，內外電路電勢的升降也可以用圖6描述，且內外電壓隨外電阻R變化的半定量關系圖象，如圖7所示。
　　從能量轉化的角度看，電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉化為電勢能的裝置。物理學中用電動勢來描述電源的這種特性，定義為E=，即電源的電動勢在數值上等于非靜電力把1C的正電荷在電源內從負極移送到正極所做的功。而在閉合電路的內、外電阻上，電場力做正功，電勢降低，分別形成路端電壓和內電壓，并把減少的電勢能轉化為其他形式的能，因此，電壓定義為U=。由能量轉化與守恒定律可知，在閉合電路中，W非=W電=W電外+W電內，結合電動勢和電壓的定義式可得，qE=qU外+qU內，即E=U外+U內。
　　閉合電路的內、外電壓與電動勢的關系也可以利用在圖8所示的裝置（高級中學物理課本第二冊第50頁圖2-20，人民教育出版社，1990年10月第1版）實驗探究。在圖8中，C為化學電池，A、B是插在電池兩個電極內側的探針，電壓表V和V′分別測量路端電壓U外和內電壓U內，滑動變阻器作為外電路。先斷開外電路，用電壓表V測出電源的電動勢E，然后接通外電路，調節滑動變阻器，分別同步記錄電壓表V和V′的示數U外和U內。分析實驗數據發現，在誤差允許的范圍內，內、外電壓之和恒等于電源的電動勢，即E=U外+U內。
　　可見，在閉合電路中，利用電路中電勢變化的示意圖、電路中的能量關系和實驗探究都可以得到：電源內部電勢升高的數值等于內、外電路中電勢降落的數值。雖然電源的電動勢在數值上等于內、外電壓之和，但是，電動勢是描述電源內部非靜電力做功，沿電流方向電勢躍升，把其他形式的能轉化為電能的物理量，是電源本身的屬性，由電源的性質和內部結構決定，而與外電路無關。電動勢是在電源的正、負極附近產生的，可用兩臺抽水機來比喻；而電壓則是反映內、外電路中電場力做功，沿電流方向電勢降落，把電能轉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。
　　綜上所述，雖然圖2結構稍微復雜，但可以清晰地呈現電場力做功和非靜電力做功的不同過程，使內電壓意義具體，便于對閉合電路中電勢躍升和電勢降落做具體分析，并與常見的電池模型相吻合。因此，建議再版時把圖1修改為圖2。
　　參考文獻
　　[1] 司德平.丹聶耳電池電動勢產生的機理.西安：中學物理教學參考，2003（9）.
　　[2] 傅獻霞，沈文霞，姚天楊.物理化學（下冊）.北京：高等教育出版社，1990.
　　
　　（責任編輯郭振玲）
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