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我国高中物理教材中的错误： 混淆（负）电荷和电子 深圳市晟才高级中学 陈敏华 分析 我们知道，电流是物理量，是单位时间内通过导体横截面的电荷。在这里，电荷也是物理量，其值可能为正、零或负。电荷值为正的电荷叫正电荷，电荷值为负的电荷叫负电荷。显然，正电荷和负电荷也是物理量。然而教材中有混淆（负）电荷和电子的情况。比如，在人教版物理必修第三册第十一章第1节中有这样一句话： “从宏观上看，没有电荷（自由电子）的定向移动，因而也没有电流。” 显然，这里把（负）电荷等同于自由电子。
后果 把物理量电荷与物质电子混淆的后果是很严重的。这里，我们举几个例子： 1.妨碍学生理解电荷守恒定律 在“电荷守恒定律”中，“电荷”一词指的是物理量Q，因为守恒一定是对物理量并且是广延量（extensive quantity）来说的，而不是对物质来说的；例如，在“能量守恒定律”和“动量守恒定律”中，“能量”和“动量”都指物理量，并且都是广延量；同样，电荷也是广延量。 2.妨碍学生理解电流的方向 我们规定，正电荷定向移动的方向为电流的方向。在这里，“正电荷”也指物理量，而不是物质。那么，为什么负电荷定向移动的方向与电流方向相反呢？ 原来，我们对广延量可以说“储存”“传递”（或“移动”“流动”）；例如，“能量的储存和传递”、“动量的储存和传递”。 奥地利生物学家贝达朗菲在1937年提出了一般系统理论。在这个理论中他提出了以下公式：[1]
这个公式中的Q指的是任意一个广延量，T表示单位时间通过系统边界面的Q的传递量，P是单位时间内系统内Q的产生量（P为负值时指单位时间内系统内Q的消灭量），左边这一项表示某一系统内Q的变化率。
这个公式表明，系统内Q的变化由两个可能的原因引起：Q的传递和产生。如果P=0，则Q是守恒的，既不会产生，也不会消灭。对于电荷，实验表明，相应的P=0，即电荷是守恒的。对于能量和动量也如此，即能量和动量也是守恒的；对于熵则不同，相应的P总大于或等于零，不会小于零，即熵会产生（但不会消灭），是不守恒的。 因此，电流I相当于上式中的T，其值也是分布在系统边界面上的。这样，我们就可以用电荷守恒定律来理解为什么负电荷定向移动的方向与电流方向相反了。
如上图，一恒定电流通过导体的左右截面。从左侧面流入的电流导致这段导体内的电荷增加；从右侧面流出的电流导致这段导体的电荷减少。由于这段导体内没有积累（储存）电荷，又由于电荷是守恒的，所以从左侧面流入的电荷等于从右侧面流出的电荷。这一观点也可以用下图直观地来表达：
从系统边界面流入的5C电荷和从系统边界面流出的-5C电荷都导致系统的电荷增加5C。 如果导体中移动的载流子既有带正电的粒子（如正离子）也有带负电的粒子（如负离子或电子），那么，从左侧面流入的正电荷导致这段导体内的电荷增加，从左侧面流出的负电荷也导致这段导体内的电荷增加；同样，从右侧面流出的正电荷导致这段导体内的电荷减少，从右侧面流入的负电荷也导致这段导体内的电荷减少。因此，当我们规定正电荷流动的方向为电流的正方向时，我们同时规定了负电荷流动的方向为电流的反方向。 这里还需要特别指出一下，我们所说的电流方向其实指的是电流密度的方向。因为在高中还没有引入电流密度这个矢量，所以我们只能将其方向归到了是电流这一标量。其实，电流是标量，是没有方向的，但有正负。 由此我们可以清楚地看出，人教版物理必修第三册第十一章第1节中下面这段话是无法让学生理解的： “我们把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。电子向某一方面定向移动等效于正电荷向相反方向定向移动。”
在这里，应该把“电子”改为“负电荷”。 3.妨碍学生理解电源内部的电流 对于化学电池这种电源，内部有两种载流子（正离子和负离子），相应的电荷有正电荷和负电荷。在电源内部，两种载流子朝相反方向移动：正离子从负极向正极移动，负离子从正极向负极移动；相应地，我们也可以用物理量来说：在电源内部，正电荷从负极向正极流动，负电荷从正极向负极流动。然而，对于化学电池，我们不能说它能把电子从正极移到负极。可是，在人教版物理必修第三册第十一章第1节中却有这样的错误说法： “能把电子从A搬运到B的装置P就是电源。”
在这里，教材又一次混淆了（负）电荷和电子。 区分电子和电荷这两个概念，有利于学生真正理解电流的概念和电荷守恒定律，有利于学生解决一些复杂的问题。例如，下面这几个题可以检验学生有否真正理解电流和电荷守恒定律。 1. 在NaCl盐水溶液中插入电源的两个电极。正Na+离子从左边流向右边，每秒相对于某一横截面传递了0.5C的电荷。负Cl-离子从右边流向左边，每秒相对于同一横截面传递了-0.3C的电荷。求这盐水溶液中的电流大小。（答案：0.8A） 每秒到达正极的正Na+离子和负Cl-离子各为几个？每秒到达负极的正Na+离子和负Cl-离子各为几个？（答案：每秒到达正极的Na+离子为0个，Cl-离子为5x10^18个；每秒到达负极的Na+离子为5x10^18个，Cl-离子为0个。） 2. 将一个化学电池接入电路中。若在2秒内各有10^19个二价正离子和2X10^19个一价负离子通过电池的某一横戴面，那么这个电路中的电流为多大？（答案：3.2A） 3. 将一个化学电池接入电路中。若在2秒内各有10^19个二价正离子和2X10^19个一价负离子分别到达电源的正极和负极，那么这个电路中的电流为多大？（答案：1.6A） 建议 1．告诉学生，电流是物理量，电荷也是物理量；电流是对某一个面来说的，其值是分布在导体横截面上的；对电荷可以说“储存”“传递”；储存在导体内的电荷值分布在导体中，传递的电荷值分布在导体的截面。 2．告诉学生，电荷守恒定律是对物理量电荷来说的；电荷是广延量，即不会产生，也不会消灭；导体中的电荷变化只有一个原因引起：电荷的传递。 3．告诉学生，电子是物质，不是物理量。 参考文献 [1]L.v. Bertalanffy. The Theory of Open Systems in Physics and Biology[J]. Science, Vol.111, Jan., 1950:223-29. 相关链接 |
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