一幅电源电动势插图的商榷

　　现行普通高中课程标准实验教科书·物理选修3-1（人教版）第43页在介绍电源电动势时指出：“由于正、负极总保持一定数量的正、负电荷，所以电源内部总存在着由正极指向负极的电场”，出现了插图2.2-1（如图1所示）。该图结构简单，与发电机模型相吻合。从能量转化的角度来看，图1所给出的电源内部电场分布情况，可以理解为一种“等效分布”情况，这种“等效分布”应该就是“实际分布”对空间的“平均分布”。但是，该种简化后的“平均分布”不便于理解电流在电源内部通过内电阻时，电场力做功产生焦耳热，而使内电路电势降落的意义抽象。即电流由负极经电源内部流向正极的过程中，电源内阻怎样分压？怎样消耗电能转化为内能？因此，为了更好地理解与区分电动势和电压的物理意义，就需要明确电源内部电场的“实际分布”情况，如图2所示。
　　以化学电池为例，由于氧化还原反应，在电源正、负极附近分别出现了厚度约为10-10m～10-6m的偶电层ad和cb，如图2所示。由图2可知，电源对外供电时，其内部电场可分为三个区域：绝大部分区域（dc）内，场强方向由负极指向正极，而在靠近两极的偶电层ad和cb内，场强方向则由正极指向负极。因此，在偶电层内，非静电力（化学力）克服电场力做功，使被移送的正电荷电势能增加，沿电流方向电势“跃升”，把化学能转化为电能而形成电源的电动势。在电源内部的dc区域，存在内电阻，电场力做正功，被移送的正电荷电势能减少，沿电流方向电势降低，从而把电能转化为内能（焦耳热）。与此类同，在电源外部的外电路中，电流通过外电阻时，电场力也做正功，被移送的正电荷电势能减少，沿电流方向电势降低，把电能转化为其他形式的能。可见，在电流通过内、外电阻时，电场力都做正功，电势均降落，减少的电能转化为其他形式的能。
　　在闭合电路中，沿电流方向电势的变化如图3所示。由图3可知，被移送的正电荷在电源正、负极附近偶电层的电势“跃升”恰等于其在内、外电阻上的电势降落，表达为Uad+Ucb=Uab+Ucd，即电源的电动势在数值上等于内外电路电势降落之和，表达为E=U外+U内；当外电路短路时，U外=Uab=0，E=U内=Ucd，沿电流方向电势的变化如图4所示；当外电路断路时，电势的变化如图5所示，U内=Ucd=0，U外=Uab=Uad+Ucb=E，这就是通常利用电压表粗测电源电动势的原理。电源（E、r）供电时，内外电路电势的升降也可以用图6描述，且内外电压随外电阻R变化的半定量关系图象，如图7所示。
　　从能量转化的角度看，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。物理学中用电动势来描述电源的这种特性，定义为E=，即电源的电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。而在闭合电路的内、外电阻上，电场力做正功，电势降低，分别形成路端电压和内电压，并把减少的电势能转化为其他形式的能，因此，电压定义为U=。由能量转化与守恒定律可知，在闭合电路中，W非=W电=W电外+W电内，结合电动势和电压的定义式可得，qE=qU外+qU内，即E=U外+U内。
　　闭合电路的内、外电压与电动势的关系也可以利用在图8所示的装置（高级中学物理课本第二册第50页图2-20，人民教育出版社，1990年10月第1版）实验探究。在图8中，C为化学电池，A、B是插在电池两个电极内侧的探针，电压表V和V′分别测量路端电压U外和内电压U内，滑动变阻器作为外电路。先断开外电路，用电压表V测出电源的电动势E，然后接通外电路，调节滑动变阻器，分别同步记录电压表V和V′的示数U外和U内。分析实验数据发现，在误差允许的范围内，内、外电压之和恒等于电源的电动势，即E=U外+U内。
　　可见，在闭合电路中，利用电路中电势变化的示意图、电路中的能量关系和实验探究都可以得到：电源内部电势升高的数值等于内、外电路中电势降落的数值。虽然电源的电动势在数值上等于内、外电压之和，但是，电动势是描述电源内部非静电力做功，沿电流方向电势跃升，把其他形式的能转化为电能的物理量，是电源本身的属性，由电源的性质和内部结构决定，而与外电路无关。电动势是在电源的正、负极附近产生的，可用两台抽水机来比喻；而电压则是反映内、外电路中电场力做功，沿电流方向电势降落，把电能转化为其他形式的能的物理量，与电源和电路中的用电器有关。
　　综上所述，虽然图2结构稍微复杂，但可以清晰地呈现电场力做功和非静电力做功的不同过程，使内电压意义具体，便于对闭合电路中电势跃升和电势降落做具体分析，并与常见的电池模型相吻合。因此，建议再版时把图1修改为图2。
　　参考文献
　　[1] 司德平.丹聂耳电池电动势产生的机理.西安：中学物理教学参考，2003（9）.
　　[2] 傅献霞，沈文霞，姚天杨.物理化学（下册）.北京：高等教育出版社，1990.
　　
　　（责任编辑郭振玲）
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