慎用等效后的物理概念

王小玲

一次，兩位學(xué)生相跟著來(lái)問(wèn)我這樣一個(gè)題：

如圖所示，厚度為h、寬度為d的金屬導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向（自由電子定向移動(dòng)形成電流）垂直時(shí)在上下表面會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。下列說(shuō)法正確的是（ ）

A.上表面的電勢(shì)高于下表面

B.下表面的電勢(shì)高于上表面

我很好奇，難道是不清楚霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因？

學(xué)生：不是?；魻栃?yīng)中，上下兩表面之所以存在電勢(shì)差，是定向移動(dòng)的自由電荷在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聚集在上（或下）表面上造成的。哪個(gè)表面的電勢(shì)高，則取決于電荷的電性及聚集在哪一表面。

我就更加莫名其妙了，那問(wèn)題是什么呢？

甲學(xué)生：老師，電流方向向右，可認(rèn)為是正電荷在向右定向移動(dòng)，由左手定則可判定，洛倫茲力的方向向上，所以上表面會(huì)聚集正電荷，使上表面電勢(shì)升高，應(yīng)選A。

乙學(xué)生緊跟著說(shuō)：可實(shí)際上，金屬中定向移動(dòng)的是自由電子，電流方向向右，可判定自由電子是在向左做定向移動(dòng)，同理可得出，自由電子是向上表面偏轉(zhuǎn)，結(jié)果，上表面聚集負(fù)電荷，上表面的電勢(shì)低，故應(yīng)選B。

然后，兩學(xué)生異口同聲地說(shuō)：我們認(rèn)為兩種推斷均有道理，都應(yīng)該是正確的，可兩者結(jié)果卻是相反的，這是怎么回事？是哪個(gè)錯(cuò)了？哪兒錯(cuò)了？為什么都向上表面偏呢？

我聽(tīng)完后，也有點(diǎn)發(fā)蒙。

仔細(xì)分析甲、乙兩學(xué)生的的推斷，他們依據(jù)的理論是相同的，區(qū)別之處在于運(yùn)動(dòng)的電荷，甲為正電荷向右運(yùn)動(dòng)，乙為負(fù)電荷向左運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)電荷的電性及運(yùn)動(dòng)方向都正好相反。而在磁感應(yīng)強(qiáng)度B相同的情況下，洛倫茲力的方向取決于電荷的電性和運(yùn)動(dòng)方向這兩個(gè)因素，且有否定之否定，即為肯定的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，一個(gè)因素相反，則洛倫茲力的方向相反；若兩個(gè)因素相反，則洛倫茲力的方向相同。從而導(dǎo)致甲、乙的推導(dǎo)中，無(wú)論是正電荷還是負(fù)電荷均向上表面偏轉(zhuǎn)的結(jié)果。這同時(shí)也說(shuō)明問(wèn)題出在運(yùn)動(dòng)電荷的確定上。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)電荷的確定，乙是“可判定”，是真實(shí)情境；甲是“可認(rèn)為”，是一種等效替代，可若替代的結(jié)果與實(shí)際不同（在此處竟為截然相反），說(shuō)明不能進(jìn)行等效替代。

學(xué)生還是很疑惑：可是，老師，不是說(shuō)在電路中，盡管定向移動(dòng)的是自由電子，但為了表述方便，常用正電荷向相反方向定向移動(dòng)來(lái)進(jìn)行等效替代嗎？而且教材在推導(dǎo)電流的功、計(jì)算電解液中的電流時(shí)都用了這種等效替代，為什么在這兒就不能進(jìn)行等效替代？

的確，教材中明確給出，規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颍挥盅a(bǔ)充說(shuō)，負(fù)電荷定向移動(dòng)的反方向也為電流的方向。之所以這樣說(shuō)，是電荷定向移動(dòng)的動(dòng)力為電路中靜電場(chǎng)所施加的靜電力，在電路中，靜電場(chǎng)的方向是確定的，故正、負(fù)電荷所受靜電力的方向相反，定向移動(dòng)的方向也相反；而根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是哪種電荷定向移動(dòng)，正電荷相對(duì)于負(fù)電荷都是在沿靜電力方向移動(dòng)，即以負(fù)電荷為參考系，靜電力定向移動(dòng)電荷的結(jié)果是相同的；再者，負(fù)電荷向靜電力的反方向移動(dòng)，使靜電力方向凈正電荷數(shù)目增多，從凈電荷量上而言，與正電荷在沿靜電力方向移動(dòng)的效果相同；所以，在研究?jī)綦姾傻臄?shù)量（電流的大?。┗蛘呤庆o電力移動(dòng)電荷（電流的方向）的物理情境時(shí)，用哪一種均可，即研究電流時(shí)，可以進(jìn)行這種等效替代。

可為什么在霍爾效應(yīng)中，也涉及電流，卻不能進(jìn)行這種等效替代呢？

等效替代是物理學(xué)中常用的一種思維方式，利用它，可以把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，把難以處理的問(wèn)題具體化。但既然稱之為等效替代，就說(shuō)明這種替代與實(shí)際情境是不同的，只是在特定的條件下，或者說(shuō)對(duì)于特定的研究問(wèn)題和情境，才有替代前后的效果相同，故由此建立的一些概念和規(guī)律也是有適用條件的，或者說(shuō)只適用于此特定的研究問(wèn)題和情境。例如，質(zhì)點(diǎn)這一等效概念，在研究地球公轉(zhuǎn)時(shí)，地球可看作質(zhì)點(diǎn)，但若研究的是地球自轉(zhuǎn)，就不能看作質(zhì)點(diǎn)了。這是因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)是建立在物體的大小、形狀對(duì)所研究的問(wèn)題沒(méi)有影響或者是影響比較小的前提條件下。又如，交流電的有效值，是從能量的角度利用等效替代去描述交變電流的特征的，故在交變電路中，研究保險(xiǎn)絲是否會(huì)熔斷，比較的是保險(xiǎn)絲的實(shí)際功率與額定功率的大小，是能量，用有效值；而電容器是否會(huì)被擊穿，比較的是電壓，故不能用有效值，只能用瞬時(shí)值。

在電流的概念中，正電荷對(duì)負(fù)電荷的這種等效替代，是建立在靜電力移動(dòng)電荷這一物理情境上；電解液中的電流，與它的物理情境相同，可進(jìn)行等效替代；電流的功是靜電力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做功的宏觀效應(yīng)，研究的情境實(shí)質(zhì)也是靜電力移動(dòng)電荷，故

也可等效替代。而在霍爾效應(yīng)中，所研究情境不再是靜電力移動(dòng)電荷，而是洛倫茲力移動(dòng)電荷，情境已發(fā)生了變化，能否同樣進(jìn)行等效替代，必須得看替代后的結(jié)果是否一致，這兒明顯不同。

學(xué)生恍然大悟。

等效替代是有前提條件的，等效替代后得到的概念或規(guī)律是有其適用情境的，要把它做遷移使用，必須得謹(jǐn)慎。

參考文獻(xiàn)：

楊東冬.中學(xué)物理概念教學(xué)研究[D].陜西師范大學(xué)，2012.

編輯 溫雪蓮