這不是永動機!
——對“勻強電場的方向不可能與邊界斜交”一文的補充

趙書海 郝占成

(內蒙古赤峰紅旗中學松山分校，內蒙古 024005)

·問題討論·

這不是永動機!
——對“勻強電場的方向不可能與邊界斜交”一文的補充

趙書海 郝占成

(內蒙古赤峰紅旗中學松山分校，內蒙古 024005)

針對2017年第4期《物理教師》中“勻強電場的方向不可能與邊界斜交”文章的觀點,做了分析與補充．

有界場；電場力做功；理想模型；永動機；能量守恒

2017年第4期《物理教師》中“勻強電場的方向不可能與邊界斜交”一文中(以下簡稱為“文1”),作者最終的結論是——自然界中并不存在電場線與邊界斜交的勻強電場,此類試題存在科學性問題.鑒于科學性是命制試題的首要標準,在對原有試題進行改編,或者根據生產生活情景命制新題的時候,需要多方求證,以確保試題命制的科學性．

首先對作者這種求真務實的科學態度是予以點贊的．

其次對文章提出以下看法,請指正．

圖1

問題1:電場力做功,不消耗能量嗎?

文1中只分析了對正電的小球每周加速的結論,沒有從能量轉化的角度去剖析．

現行人教版2016年6月第12次印刷版本高中物理必修2在第7章——功的一節開篇有如下敘述“人類對于能量及其轉化的認識與功的概念緊密相連．這是因為在一個過程中如果既存在做功的現象,也存在能量變化的現象,功的計算常常能夠為能量的定量表達及能量的轉化提供分析的基礎”同時又在第7章——動能和動能定理的篇末敘述“做功的過程是能量從一種形式轉化為另一種形式的過程,或從一個物體轉移到另一個物體的過程．”歸納一下上述的結論,這在老版本的高中物理教材中敘述為——功是能量轉化的量度．從兩方面理解這名話： ①做功是本質是原因,能量轉化是現象是結果,稱之為因果關系； ② 做了多少功,就一定有多少能量轉化,稱之為數量關系．回歸到文1,應該是電場力做正功,電勢能減少,動能增加,這不是永動機,另外一定有維系電場存在的能量源(如外接電源等),我們可以對比回旋加速器來說明,在加速器中,是依靠給兩D形盒加上交變電壓來加速帶電粒子,以電場為媒介,交變電流提供能量,即電場力對其做正功,粒子動能增加．

問題2:用理想模型,而且又忽視了理想模型．

圖2

文1中肯定了“絕緣光滑圓形管道”的模型存在,但同時似乎否定了“勻強電場”這一模型．

下面以一個高仿文1的例子進行分析,如圖2所示水平的勻強電場,若在該勻強電場中水平放置一個絕緣光滑圓形管道,其中一小段在電場內,其余在電場外,管道內放入一個帶正電荷的小球．按文1的分析,這樣的電場一定存在,豈不是第一類永動機.

問題出現在哪兒?下面先看看對理想模型的理解．在百度百科中解釋:理想模型是為了便于研究

而建立的一種高度抽象的理想客體．實際的物體都是具有多種屬性的．但是,當我們針對某種目的,從某種角度對某一物體進行研究時,有許多對研究問題沒有直接關系的屬性和作用卻可以忽略不計．在高中物理中如果說有理想邊界的場都是理想模型一點兒也不為過,很自然,現實中是不存在的．那么上述問題如何正確解釋呢?

下面圖3是實際平行板電容器內外電場的分布,不難看出,在內部電場力做正功,在外部電場力做負功,整個過程是不做功的,因此能量守恒,不存在永動機現象．

圖3

問題3:在中學物理教材中,之所以有理想化邊界的“勻強電場”出現,重要的不是電場本身,而是以不同邊界形狀的勻強電場為輔助手段,以恒力作用為背景,達到訓練學生的綜合思維和提高學生的綜合能力為目的．

在所有與勻強電場相關的問題中,我們研究的只是題目中邊界區域內部帶電粒子受力運動的情況,而不去研究邊界以外的受力及運動情況．在所有與勻強電場相關的問題中,都能找一個恒力與一個相對應的區域,通過文字敘述來達到與電場完全相同的作用效果,但這樣題目的描述就會文字化,過于抽象、冗長和麻煩,而用了有不同邊界的電場,尤其是以電場線的形式給出來,更加形象直觀、簡潔明了．想想后繼內容勻強磁場,基本上都有邊界,但邊界外我們是不去研究的,從而勻強磁場也就理想化了．

綜合上述分析,我們在命制試題時,即要考慮符合學科特色的科學性條件,又要考慮學生已有知識的限定,從而讓試題真正做到檢驗和選拔的功能．

2017-07-03)