对几种典型电源非静电力的探析
人教版教材选修3―1电动势一节提出：“电源内要使正电荷向正极移动，就一定要有非静电力作用于电荷才行。”“电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。”那么不同电源内部“非静电力”究竟是何种作用力，书中仅提出：“电池中，非静电力是化学作用，发电机中，非静电力是电磁作用。”并没有细致的分析，包括教参上也没有深入介绍。学生只要知道在电源内部存在这种作用力即可，不必深究，但是教师还是要站在更高的位置去理解“非静电力”。不同电源内部的非静电力是如何产生的？不同电源中的非静电力究竟是何种性质的力？下面就对比较典型的丹聂尔电池的非静电力、动生电动势的非静电力、感生电动势的非静电力进行分析。　　1.电源的作用　　首先“非静电力”是我们为了区别静电场对电荷的静电力而这样定义的，其方向是在电源内部从低电势点指向高电势点。根据形成电流的条件，除了导体内有可以移动的自由电荷外，还需要在导体内维持一个稳恒的电场，而要维持一个稳恒的电场，仅靠静电力的作用是不行的。如图1，在静电场中，电势不同的两个导体P、Q，若用导线联接，只能在一瞬间有电荷移动，形成瞬时电流，而后很快就达到静电平衡，形成一等势体。因此，要维持一个稳定的电流，必须有静电力以外的作用，即“非静电力”。电源则是电路中提供“非静电力”的装置，而电动势是描写电源的“非静电力”作功本领的物理量。如图2所示，以正电荷为例，在外部电路中正电荷在静电力的作用下由电源正极向电源负极做定向移动，而把运动至电源负极的正电荷再“搬运”回负极形成恒定的电流，则是由电源内部的非静电力做功来完成的。　　因此电源的作用，从力学角度分析，在一个闭合电路中，电源就是能够提供非静电力的装置。若从能量转换的角度分析，电源就是能够为电路提供电能的装置。电源提供的电能是从其他形式的能量通过非静电力对电荷作功转化而来的。不同的电源形成非静电力的原因不同，能量转换的形式也不同。在不同电源里，这种非静电力具有不同的本质。　　2.电池中的非静电力　　下面以丹聂尔电池为例来分析电池内部的非静电力来源。如图3所示，将锌板插在ZnSO溶液内，铜板插在CuSO溶液内，用一块隔板将一个容器分为两部分，阻止ZnSO与CuSO二种溶液自行混合。　　根据能斯特理论：金属有溶解成离子的倾向，这种倾向可以用一假想的溶解压强P来量度；电解质中的离子也有淀积到金属电极上的倾向，这种倾向可以用溶液的渗透压强P来量度P与P的相对大小关系，就可判定金属电极是否带电，以及所带电的符号。［１］当P＞P时金属溶解于溶液而成为离子，当P＜P时溶液中的离子沉淀于金属表面。按照能斯特理论，电池中的非静电力就是金属的“溶解压强”P与离子的“渗透压强”P的大小之差。根据图3，简单点说：由于Zn的溶解压强大于ZnSO溶液中成为Zn离子的渗透压强，因此金属Zn溶解于ZnSO溶液成为离子，而把两个电子留在锌板与溶液的界面。从而Zn极带负电。由于Cu离子的渗透压强大于铜的溶液压强，因此铜离子将淀积在铜板表面，并获得正电荷，从而Cu极带正电，从而两极间产生电势差。在此过程中将化学能转化为电能。　　3.动生电动势的非静电力　　如图4所示，放在匀强磁场B中的导体棒AB，无摩擦地向右以速度v做匀速直线运动（金属框架及AB棒的电阻均忽略不计），根据法拉第电磁感应定律，在AB棒中产生了稳定的动生电动势E=BLv。下面我们来分析动生电动势的产生过程。金属导体中的自由电子随金属导体AB向右以速度v匀速运动，自由电子受到一向下的洛伦兹力f，使自由电子向下堆积，使得A、B两端出现多余的正电荷与负电荷，因此在金属导体内部产生一附加电场。从而自由电子不仅受到洛伦兹力的作用，而且受到静电力的作用，随着AB两端堆积的电荷逐渐增加，附加场强逐渐增大，电子受到的静电力逐渐增大，当静电力等于洛伦兹力时，形成稳定电场，AB两端产生恒定的电动势，可见对于金属棒AB这一电源，其内部非静电力则是克服静电力对电荷做功的洛伦兹力。　　洛伦兹力怎么做功了？怎么解释这个矛盾呢？f是由速度v引起的，它不能改变v的大小，也不在v的方向上对电子做功但却可以改变u（电子相对于导体的运动速度）的大小，在u方向上对电子做功。而F不改变u的大小，但改变v的大小，并在v的方向上对电子做功。由于f做正功而F做负功。设导体电荷密度为n，导体棒的长度为L，截面积为s，则洛伦兹力的功率为：P=-Nfu，其中f=Bqv，粒子数N=nLs，所以洛伦兹力的功率P=-nLsBqVu。安培力的功率P=Fv，其中，F=BIL，电流的微观表达式I=nqsu，因此安培力的功率P=-nLsBqvu，所以P=-P。　　相同时间内W=-W，两个洛伦兹力所做的总功为零，因此这并不违背洛伦兹力不做功的基本原理。　　4.感生电动势的非静电力　　如图5所示，设磁感应强度为B，且均匀增加。根据麦克斯韦电磁场理论，在磁场周围空间会产生平行于原面的感生电场。需要注意的是这里的感生电场并非静电场，根据场方程：E?dl=0及 E?dl=-?ds，［２］可以判断感生电场的电场线是无头无尾的闭合同心圈，就像漩涡一样。它们的主要区别是静电场为保守场，而感生电场为非保守场。导线中的自由电子在这个感生电场的电场力F的作用下，移向导线的A端而出现负电荷的积累形成负极，B端因失去自由电子而出现正电荷的堆积形成正极，如图5所示。同时，因电荷的堆积，在线圈的A、B间又形成了一个方向与感生电场相反的静电场。这个静电场随电荷的堆积而渐增强，导线中的每个自由电子同时受到感生电场的电场力和方向相反的静电场的电场力，当二力相等时，在导体两端产生稳定的电势差即为感生电动势。ε= E?dl=-?ds=-，因此感生电动势的非静电力是感生电场的电场力，是不同于静电力的非静电力，通过感生电场的电场力做功将磁场能转化为电能。　　通过以上分析可以比较清晰地明确这三种典型电源中非静电力的产生和非静电力的性质，可以使教师在教学中站在更高的角度去把握该知识点。同时也建议在选修3―2“法拉第电磁感应定律”之后引导掌握比较好的学生作进一步分析，从而更全面深刻地认识非静电力。　　　　参考文献：　　［1］谢实崇.电池电动势与非静电力［J］.四川师范学院学报（自然科学版），2000，21，（2）：158.　　［2］阎金铎.中国中学教学百科全书物理卷［M］.沈阳：沈阳出版社，.
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发布人：2731　Tags：《电动势》教学设计
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　　【教学目标】
　　1．理解电动势的概念，掌握电动势的定义式。
　　2．通过本节课教学，使学生了解电池内部能量的转化过程，加强对学生科学素质的培养。
　　3．了解生活中的电池，感受现代科技的不断进步。
　　【教学重点】
　　电动势的概念。
　　【教学难点】
　　对电源内部非静电力做功的理解。
　　【教学方法】
　　探究、讲授、讨论。
　　【教学过程】
　　一、复习导入
　　教师：引导学生回顾上节课学习的“电源”的概念。（投影）如图，在教材图2．1-2中电源的作用是什么？
　　学生思考，选出代表回答：电源能够不断地将电子从A搬运到B，从而使A、B之间保持一定的电势差；电源能够使电路中保持持续电流。
　　教师：电源P在把电子从A搬运到B的过程中，电子的电势能如何变化？从另一个角度看，电源又发挥了怎样的作用？
　　学生思考回答：电子的电势能增加了，电源为电路提供了电能。
　　教师：自然界中的能量是守恒的，电源为电路提供了电能，必然会有其他形式的能量减少，从能量转化和守恒的角度，你认为电源是个怎样的装置呢？
　　学生思考回答：电源是把其他形式能转化为电能的装置。
　　引入：电源又是如何把其他形式能转化为电能的呢？不同的电源把其他形式的能转化为电能的本领一样吗？这个本领用什么来描述呢？
　　二、新课教学
　　1．电源
　　教师：（投影）教材图2．2-1（如图所示）
　　教师：（1）用导线将电源连成最简单的电路，电路由哪几部分组成？
　　（2）导线中的电场是什么电场？电流是怎样形成的？特点如何？为什么？
　　学生思考后回答：（1）电路由两部分组成，电源外部能看得见的部分，称为外电路；电源内部看不见的部分，称为内电路。
　　（2）导线中的电场是恒定电场。导线中的自由电子在电场力的作用下从电源正极向负极定向运动，形成电流。导线中的电流是恒定电流，因为导线中的电场是恒定电场，所以电子定向运动的速率是不变的，电流大小恒定。
　　教师：自由电子在导线中定向运动，电场力做什么功？电子的电势能如何变化？
　　学生：正功；减少。
　　教师：自由电子定向运动的速率是不变的，能量还守恒吗？该怎样理解？
　　学生：守恒。自由电子与带正电的离子相互碰撞，在定向运动过程中受到阻力作用，电子要不断克服阻力做功，其动能向热能转化。
　　教师总结：大家说的对，概括地说，在电源外部，电场力对自由电子做正功，是电能转化为其他形式能，这个过程中消耗了电能。这些电能又是哪里来的呢？
　　学生：电源把其他形式能转化为电能。
　　教师：根据前面的分析，大家讨论一下，电源是如何把其他形式能转化为电能的呢？
　　学生思考回答：在电源内部也存在电场，电场方向也是从正极指向负极。根据电荷守恒定律，电源必须把自由电子不断地从正极搬运到负极，自由电子必须克服电场力做功，这就需要有“非静电力”作用于电子。这个“非静电力”是电源提供的。也就是说，电源通过非静电力做功，使电荷的电势能增加了。
　　教师点评、总结，引导学生建立起电源的概念：电源是通过非静电力做功把其他形式能转化为电能的装置。
　　教师：出示干电池、手摇发电机，提出问题：干电池、手摇发电机都可以做电源，这些电源中的非静电力相同吗？所起的作用相同吗？谈谈你的看法。
　　学生思考，分组讨论，选出代表回答。
　　干电池中的非静电力是化学作用，手摇发电机的非静电力是电磁作用，前者把化学能转化为电能，后者把机械能转化为电能。非静电力虽然不同，但从能量转化的角度看，他们所起的作用是相同的，都是把其他形式能转化为电能。
　　教师：电源有好多种，他们在把其他形式能转化为电能的本领相同吗？举例说明。
　　学生举例：手电筒、家用照明电灯、汽车上的照明电灯等，亮度不同。
　　教师：在物理学上，该如何描述电源的这种本领呢？
　　2．电动势
　　教师：电源移动电荷，增加电荷的电势能。这与抽水机增加水的重力势能很相似。不同的抽水机工作时，水能够被举起的高度有所不同，即单位质量的水所增加的重力势能不同。
　　思考问题：电源内非静电力在把正电荷从负极传送到正极或把负电荷从正极传送到负极的过程中，是不是非静电力做功越多，它做功的本领越大？该如何描述非静电力做功的本领？
　　学生思考，分组讨论，选出代表回答，教师启发，得出：
　　非静电力对电荷做功的多少与电荷的数量有关，不能用单纯的用做功多少来反映做功的本领。
　　类比抽水机对水做功，非静电力把相同数量的电荷从电源的一个极传送到另一极，做功越多，电荷获得的电势能就越多，可以用非静电力做功的多少与传送的电荷量的比值来反映非静电力做功的本领。
　　教师：电动势也是用比值定义的物理量，请把电动势的定义完整地说出来。并写出电动势的定义式，说明给物理量符号的意义和单位。
　　学生思考，得出电动势的定义，并写出电动势的定义式。
　　如果电源移送电荷q时非静电力所做的功为W，那么W与q的比值，叫做电源的电动势。用E表示电动势，则：
　　式中W，q的单位分别是焦耳（J）、库仑（C）；电动势E的单位与电势、电势差的单位相同，是伏特（V）。
　　电动势由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积无关，也跟外电路无关。
　　教师：电动势E的单位与电势、电势差的单位相同，电动势和电势差的物理意义有何不同呢？
　　学生思考，分组讨论，选出代表回答。
　　电动势：。W表示正电荷从负极移到正极所消耗的化学能（或其它形式能）， E表示移动单位正电荷消耗化学能（或其它形式能），反映电源把其它形式能转化为电能的本领）。
　　电压：。W表示正电荷在电场力作用下从一点移到另一点所消耗的电势能，电压表示移动单位正电荷消耗的电势能。反映把电势能转化为其它形式能的本领。
　　教师：电源内部有无电阻？
　　学生：电源内部也是由导体组成的，也存在电阻。这个电阻叫做电源的内阻，大小由电源自身特点决定。
　　3．科学漫步──生活中的电池
　　教师：让学生阅读课本“科学漫步”，提出问题，让学生思考。
　　问题1：举出生活中常见的电池，说出它们的主要用途？
　　问题2：电动势由何决定？
　　问题3：我们学习电源（电池）哪几个重要参数？
　　教学反思：
　　对电动势的讲解是一个典型的采用类比法的例子，学生对电源的作用的理解没有难度，但在化学能转化为电能，电能又转化为其它形式能，以及非静电力做功，电场力做功等概念上分不清，教师应在这些地方启迪学生思维，培养他们提出问题、解决问题的能力。
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22电动势学案
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学案　电动势
[学习目标定位]知道电源是将其他形式能转化为电势能的装置了解电路中自由电荷定向移动过程中，静电力和非静电力做功与能量转化的关系了解电源电动势的基本含义，知道它的定义式．
．非静电力的作用：把正电荷由从负极搬运到正极，同时在该过程中非静电力做功，使电荷的电势能增加．
．非静电力特例：在电池中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能；在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能．
．电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置．
二、电源的重要参数电动势和内阻
大小：电动势在数值上等于非静电力把的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功．
公式：如果移送电荷时非静电力所做的功为，那么电动势表示为＝单位：伏特，符号为
物理意义：反映电源非静电力做功本领大小的物理量．
决定因素：由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积无关，跟外电路无关．
．内阻：电源内部导体的电阻．
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