重审电路“常识” 追溯物理本质

在教育机构里，一位在学校已经看过物理教师通过实验得出“串联电路电流处处相等”结论的初三学生问：“为什么串联电路电流处处相等？”基于水流模型，学生就是想不通为什么，于是造成记不住、记混的结果.有的学生是需要理解了才记得牢的.为了更好地应对此类学生，开展了本项研究.

1 学情分析

新课标强调培养学生的物理学科核心素养，而核心素养包括质疑与创新，因此，学生敢于质疑的精神应得到肯定.有的问题考试会考的概率不大，但并不代表学生不想知道;考试没检测出问题，并不代表学生就完全没问题.

1.1 对初中教学学情分析

电流对中学生来讲是个新概念，也是个抽象的概念．为了能给学生搭桥，让学生在脑海里构建出电流模型，教师往往通过把电流类比成水流进行教学.诚然，类比法在一定程度上有助于让学生认识电路中各种元件的功能，也有助于学生理解串联电路电流规律，但这模型也有一定的缺点，其中之一是容易让学生形成一些相异构想，如：

(1)电流流过用电器会被消耗而变小；

(2)电流覆盖整个电路需要一定的时间，串联的灯亮起来时有先后之分；

(3)开路时与正极相连的导线仍有电流[1].

1.2 对高中教学学情分析

因为高考较少考定性问题，而且人教版选修3-1第二章的重点在后面，所以造成有的学生高考完也不知道那是为什么.这可能也跟所用教材的版本有关.

1.3 对大学教学学情分析

可能由于课时有限以及中高考的考情，大学本科电磁学往往以定量计算为重点，作业、考试以定量计算为主，因此师范生关注定性的问题比较少，对定性问题的解释能力偏弱.

有些知识虽然不是考试重点，但有的学生可能也会感兴趣，有可能会问教师，因此师范生也应做好被问的准备.

2 教材分析

初中人教版教材只能用实验说明“串联电路电流处处相等”，而高中人教版教材有部分线索，但比较零散，如果要解答所有问题，需要综合几个版本的高中教材来看，而粤教版教材则没有从微观角度对此问题进行介绍.大学《电磁学》教材里也提供了有用的线索，但也比较零散，需要自己综合理解.

3 几点思考

电子的运动用量子力学来解释会更科学，但为了增强本文的易懂性，接下来从经典物理学的角度出发展开论述.

(1)在直流电路中，为什么电子可以在导线中定向运动，并导致在串联电路中电流处处相等的呢？

解释：在电源电荷激发的电场的作用下，导线中的电子运动并重新分布，最终空间各处分布的电荷(特别是导线表面[2])在导线内部激发出恒定电场[3]，所以电子可以定向运动(电子的另一个分运动为热运动，大量电子的无规则热运动不对宏观电流有贡献，所以接下来不再讨论电子的热运动)；又根据碰撞理论，知道电子因电场力加速碰撞到金属骨架而减速至静止[4]，因此,导线不同位置的电子的平均速率可以相等，再根据I=nqvS，得知串联电路中电流处处相等.根据恒定条件(对任意闭曲面S，有或根据电荷守恒及电阻不会存储电荷也不吸收电荷的说法也可说明问题.

(2)既然导线中有恒定电场，那么为什么别的地方又说导线两端的电压为零？

解释：因为(1)中的导体为非理想导体，而中学物理里，为了方便计算，常常把导线电阻忽略不计，即处理为电阻为零的理想导体.

理想导体是电阻为零，即电导率为无穷大的物质，在实际中并不存在.理想导体内没有电场和磁场.

现实生活中的导体为非理想导体.虽然超导体有可能达到电阻为零的状态，但那是有条件的，即需达到超导临界温度.理想导体跟超导体的另一区别是超导体具有迈斯纳效应.

此外，因为导线的电阻率远小于纯电阻，即电导率远大于纯电阻，再结合欧姆定律的微分形式J=γE以及恒定条件，我们知道导线(非理想导体)内的电场强度是远小于纯电阻的.正是因为纯电阻里的电场强度较大，所以电子可以获得较大速度，当电子与金属骨架碰撞时，就把定向运动的动能传给金属骨架，使金属骨架围绕平衡位置的振动加剧，宏观效果是金属的温度升高[2]，所以现实生活中纯电阻可以产生比导线多很多的热能.

(3)基于(1)中的描述，把导线(非理想导体)放置在电场中，导线最终为什么不会达到静电平衡，为什么还会存在电场？

解释：的确，如果导体(非理想导体)被放置于恒定电场中，一开始导体还没处于静电平衡状态时，导体内部电场强度不为零，电子会受到电场力而运动，最终达到静电平衡状态，即导体内部电场强度为零.然而当导线被接在电源两端时，即使电子从电源负极沿导线移到电源正极，但与此同时电源内部也有电子在运动，也就是说电源也在给导线补充电子，所以在电动势存在的情况下，导线(非理想导体)内还是会存在电场.

文章来源：《高电压技术》 网址: http://www.gdyjszzs.cn/qikandaodu/2020/1229/506.html