这不是永动机!——对“匀强电场的方向不可能与边界斜交”一文的补充

赵书海 郝占成

(内蒙古赤峰红旗中学松山分校，内蒙古 024005)

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这不是永动机!
——对“匀强电场的方向不可能与边界斜交”一文的补充

赵书海 郝占成

(内蒙古赤峰红旗中学松山分校，内蒙古 024005)

针对2017年第4期《物理教师》中“匀强电场的方向不可能与边界斜交”文章的观点,做了分析与补充．

有界场；电场力做功；理想模型；永动机；能量守恒

2017年第4期《物理教师》中“匀强电场的方向不可能与边界斜交”一文中(以下简称为“文1”),作者最终的结论是——自然界中并不存在电场线与边界斜交的匀强电场,此类试题存在科学性问题.鉴于科学性是命制试题的首要标准,在对原有试题进行改编,或者根据生产生活情景命制新题的时候,需要多方求证,以确保试题命制的科学性．

首先对作者这种求真务实的科学态度是予以点赞的．

其次对文章提出以下看法,请指正．

图1

问题1:电场力做功,不消耗能量吗?

文1中只分析了对正电的小球每周加速的结论,没有从能量转化的角度去剖析．

现行人教版2016年6月第12次印刷版本高中物理必修2在第7章——功的一节开篇有如下叙述“人类对于能量及其转化的认识与功的概念紧密相连．这是因为在一个过程中如果既存在做功的现象,也存在能量变化的现象,功的计算常常能够为能量的定量表达及能量的转化提供分析的基础”同时又在第7章——动能和动能定理的篇末叙述“做功的过程是能量从一种形式转化为另一种形式的过程,或从一个物体转移到另一个物体的过程．”归纳一下上述的结论,这在老版本的高中物理教材中叙述为——功是能量转化的量度．从两方面理解这名话： ①做功是本质是原因,能量转化是现象是结果,称之为因果关系； ② 做了多少功,就一定有多少能量转化,称之为数量关系．回归到文1,应该是电场力做正功,电势能减少,动能增加,这不是永动机,另外一定有维系电场存在的能量源(如外接电源等),我们可以对比回旋加速器来说明,在加速器中,是依靠给两D形盒加上交变电压来加速带电粒子,以电场为媒介,交变电流提供能量,即电场力对其做正功,粒子动能增加．

问题2:用理想模型,而且又忽视了理想模型．

图2

文1中肯定了“绝缘光滑圆形管道”的模型存在,但同时似乎否定了“匀强电场”这一模型．

下面以一个高仿文1的例子进行分析,如图2所示水平的匀强电场,若在该匀强电场中水平放置一个绝缘光滑圆形管道,其中一小段在电场内,其余在电场外,管道内放入一个带正电荷的小球．按文1的分析,这样的电场一定存在,岂不是第一类永动机.

问题出现在哪儿?下面先看看对理想模型的理解．在百度百科中解释:理想模型是为了便于研究

而建立的一种高度抽象的理想客体．实际的物体都是具有多种属性的．但是,当我们针对某种目的,从某种角度对某一物体进行研究时,有许多对研究问题没有直接关系的属性和作用却可以忽略不计．在高中物理中如果说有理想边界的场都是理想模型一点儿也不为过,很自然,现实中是不存在的．那么上述问题如何正确解释呢?

下面图3是实际平行板电容器内外电场的分布,不难看出,在内部电场力做正功,在外部电场力做负功,整个过程是不做功的,因此能量守恒,不存在永动机现象．

图3

问题3:在中学物理教材中,之所以有理想化边界的“匀强电场”出现,重要的不是电场本身,而是以不同边界形状的匀强电场为辅助手段,以恒力作用为背景,达到训练学生的综合思维和提高学生的综合能力为目的．

在所有与匀强电场相关的问题中,我们研究的只是题目中边界区域内部带电粒子受力运动的情况,而不去研究边界以外的受力及运动情况．在所有与匀强电场相关的问题中,都能找一个恒力与一个相对应的区域,通过文字叙述来达到与电场完全相同的作用效果,但这样题目的描述就会文字化,过于抽象、冗长和麻烦,而用了有不同边界的电场,尤其是以电场线的形式给出来,更加形象直观、简洁明了．想想后继内容匀强磁场,基本上都有边界,但边界外我们是不去研究的,从而匀强磁场也就理想化了．

综合上述分析,我们在命制试题时,即要考虑符合学科特色的科学性条件,又要考虑学生已有知识的限定,从而让试题真正做到检验和选拔的功能．

2017-07-03)