物理模型的構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性與假設(shè)性的統(tǒng)一

1、<p>　　物理模型的構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性與假設(shè)性的統(tǒng)一</p><p>　　——評(píng)析2008年上海市高考物理試卷第23題</p><p><b>　　王光宇 </b></p><p>　?。ㄉ虾Ｋ山處熯M(jìn)修學(xué)院附屬立達(dá)中學(xué) 上海 201600） </p><p>　　摘要： 本文就2008高考試題（上海卷）

2、第二十三題所述的物理模型進(jìn)行了理論研究，具體分析了電子槍的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理，并指出了該題所述電子槍模型的理論缺陷。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： 電子槍 物理模型 靜電場(chǎng) </p><p>　　中圖分類號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p><b>　?、?問(wèn)題的提出：</b></p><

3、;p>　　2008年全國(guó)普通高等學(xué)校招生統(tǒng)一考試（上海）物理試卷第23題是一道與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密的電磁學(xué)綜合題，該題通過(guò)簡(jiǎn)化，將電子槍中的加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)抽象為不同區(qū)域電場(chǎng)的組合，對(duì)于該模型的構(gòu)建，筆者持有不同的看法，以下是筆者的點(diǎn)滴見(jiàn)解，供物理教師在教學(xué)中參考。</p><p>　　試題：如圖所示為研究電子槍中電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化模型示意圖。在Oxy平面的ABCD區(qū)域內(nèi)，存在兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)大小均為E的勻強(qiáng)電

4、場(chǎng)I和II，兩電場(chǎng)的邊界均是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形（不計(jì)電子所受重力）。</p><p>　?。?）在該區(qū)域AB邊的中點(diǎn)處由靜止釋放電子，求電子離開(kāi)ABCD區(qū)域的位置。</p><p>　?。?）在電場(chǎng)I區(qū)域內(nèi)適當(dāng)位置由靜止釋放電子，電子恰能從ABCD區(qū)域左下角D處離開(kāi)，求所有釋放點(diǎn)的位置。</p><p>　　（3）若將左側(cè)電場(chǎng)II整體水平向右移動(dòng)L/n（n≥1），仍使

5、電子從ABCD區(qū)域左下角D處離開(kāi)（D不隨電場(chǎng)移動(dòng)），求在電場(chǎng)I區(qū)域內(nèi)由靜止釋放電子的所有位置。</p><p>　　模型方法是物理學(xué)的重要研究方法，物理學(xué)的許多重要的理論都是建立在物理模型的基礎(chǔ)之上的。物理模型是人們?yōu)榱搜芯课锢韱?wèn)題的方便為探討物理事物的本質(zhì)而對(duì)研究對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的描述或模擬。其顯著特點(diǎn)是摒棄了原型中影響問(wèn)題的各種次要因素，對(duì)研究對(duì)象作了極度的簡(jiǎn)化和純化的處理，使得可以通過(guò)研究模型來(lái)認(rèn)識(shí)原形的

6、各種本質(zhì)特征及其必然的聯(lián)系，然而建立物理模型一定要遵循科學(xué)性與假定性統(tǒng)一的基本原則，亦即物理模型的建立應(yīng)在不違背物理學(xué)基本規(guī)律和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的前提條件下，否則這種建立在假設(shè)基礎(chǔ)之上的物理模型只是一種形式上的簡(jiǎn)約，而在本質(zhì)上卻失去了它所包容的物理內(nèi)涵。本問(wèn)題所涉及的電子槍是示波器、顯示器等電子產(chǎn)品的基本元件，它由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極和第三陽(yáng)極等幾部分組成，如圖（1）所示。圖（2）反應(yīng)電子槍的基本工作過(guò)程，燈絲加熱圓筒形陰極

7、，使陰極發(fā)射電子，電子在控制柵極G（中間有一小圓孔的圓筒形）和第一陽(yáng)極所形成的電場(chǎng)作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)，形成電子束，該電子束在控制柵附近聚集到一點(diǎn)O，電子過(guò)O點(diǎn)后，若無(wú)外力作用，將按直線運(yùn)動(dòng)，亦即過(guò)O點(diǎn)后已聚集的電子又要散開(kāi)，打到熒光屏上，顯示的只是模糊不清的一片</p><p>　　圖（1） 圖（2） </p><

8、p><b>　　靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)：</b></p><p>　?、?靜電場(chǎng)是有源場(chǎng) </p><p>　　靜電場(chǎng)高斯定理： 積分式 </p><p>　　電場(chǎng)線的特征：電荷是激發(fā)電場(chǎng)的場(chǎng)源，電場(chǎng)線從正電荷發(fā)出，終止于負(fù)電荷，沒(méi)有電荷處電場(chǎng)線連續(xù)，且兩條電場(chǎng)線不相交。</p><p>　?、?靜電場(chǎng)是無(wú)旋場(chǎng)

9、 </p><p>　　靜電場(chǎng)環(huán)路定理： 積分式 </p><p>　　電場(chǎng)線的特征：靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線不存在渦旋結(jié)構(gòu)，即在靜電場(chǎng)中移動(dòng)電荷，電場(chǎng)力所做的功與路徑無(wú)關(guān)，只與起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，靜電場(chǎng)是有勢(shì)場(chǎng)。 </p><p>　?、?試題所述電子槍模型的科學(xué)性論證：</p><p>　　論證1 如圖（3）所示，選

10、取長(zhǎng)方形的回路abcd ，計(jì)算電量為q 正電荷沿abcd回路運(yùn)動(dòng)一周電場(chǎng)力所做的功，經(jīng)分析可知電場(chǎng)力做功的階段分別為aa/、bb/、dc；電場(chǎng)力沒(méi)有做功的階段分別為a/d/、d/d、cc/、c/b/ 、ba，所以電荷繞回路一周電場(chǎng)力做的功：</p><p>　　Wabcd ＝－qELaa/ ＋qEL b/b －qELdc （ Laa/ ＝L b/b ）</p><p><b&g

11、t;　　＝－qELdc</b></p><p>　　≠0 -----------（1）</p><p>　　由靜電場(chǎng)的環(huán)路定理得： -----------（2）</p><p>　　比較（1）（2）兩式易見(jiàn)兩式的結(jié)論相互矛盾的</p><p>　　圖（3）

12、 圖（4）</p><p>　　上述結(jié)論與靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)——靜電場(chǎng)是無(wú)旋場(chǎng)相矛盾，說(shuō)明將電子槍簡(jiǎn)化為水平加速電場(chǎng)和豎直偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的模型違背了靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)，進(jìn)一步表明了試題所述電子槍模型違背了物理模型構(gòu)建的科學(xué)性原則。</p><p>　　論證2 試題的第（3）問(wèn)：若將左側(cè)電場(chǎng)II整體水平向右移動(dòng)L/n（n≥

13、1），仍使電子從ABCD</p><p>　　區(qū)域左下角D處離開(kāi)（D不隨電場(chǎng)移動(dòng)），求在電場(chǎng)I區(qū)域內(nèi)由靜止釋放電子的所有位置。</p><p>　　現(xiàn)考察其特殊情況，令n=1，則在該種情況下，水平和豎直方向的電場(chǎng)分布如圖（4）所示，這樣水平電場(chǎng)的電場(chǎng)線與豎直方向的電場(chǎng)線便在電場(chǎng)的分界線上相交，這與兩條電場(chǎng)線不相交的基本原則相矛盾；現(xiàn)不妨在分界線上任選一點(diǎn)P，考察P點(diǎn)的電場(chǎng)方向，根據(jù)電場(chǎng)的疊

14、加原理， P點(diǎn)的電場(chǎng)方向應(yīng)為圖示的方向，而不是水平向右或豎直向上，致使場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向在此都均發(fā)生了突變，這當(dāng)然也是違背事實(shí)的，將電子槍抽象為上述模型違背了模型構(gòu)建的科學(xué)性原則。</p><p><b>　?、?結(jié)語(yǔ)：</b></p><p>　　電子槍有三種功能，分別是發(fā)射電子、加速電子和電子聚焦。水平和豎直方向的偏轉(zhuǎn)則由示波器的另一部分——偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)完成。本題所述

15、電子槍模型盡管在形式上較為簡(jiǎn)潔，卻違背了靜電場(chǎng)的最基本的特征，從而導(dǎo)致了過(guò)分強(qiáng)調(diào)假設(shè)性而忽視了模型構(gòu)建的科學(xué)性原則，因此在利用模型方法解決相關(guān)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)遵循假設(shè)性與科學(xué)性相統(tǒng)一的原則。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 2008年全國(guó)普通高等學(xué)校招生統(tǒng)一考試 上海物理試卷，2008． </p><p>