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电流的速度
新课标教材物理选修3-1“导体中的电场和电流”(P41)这一节中,有这样一段话“由于恒定电场中任何位置的电场强度都不随时间变化,所以,自由电子在各个位置的定向运动速率也就不变。如果我们在这个电路中的某处串联一个电流表,电流表的读数将保持恒定。我们把大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。

按照课本中描述的情景和学生已获得的物理知识,可以这样来推导:设导体中的电场为E,则自由电子受到的静电力F=eE,自由电子运动的加速度a=eE/m。
从公式可以看出当电场E恒定时,加速度a恒定,即电子在导体中做匀加速运动,电子的速度会越来越大,则导体中电流也就越来越大,这和课本中说的恒定电流是矛盾的。
为什么会得到与课本不一致的结论呢。
是课本中的结论不对,还是上面的推导错了。
这就要从自由电子说起,对于金属导体中的原子来说,它的最外层的电子(价电子)受到原子核的束缚比较弱,当一个原子的最外层电子受到其他原子的影响时,不再束缚在某个原子核的周围,而是在整块金属中“自由”地运动着。
自由电子也并非真正的自由,电子在运动过程中会与晶体点阵中的原子实发生碰撞。

当存在电场时自由电子在电场力的作用下做定向的加速运动,这种运动不能持续下去,要与晶体点阵的原子实发生碰撞,丧失了定向运动的特征,其运动速度减小。此后电子又在电场力作用下做定向的加速运动,速度只能增大到与原子实碰撞时的最大速率,而此后又一次与原子实发生碰撞,运动速度又一次减小……所以,电子在电路中的运动是变速运动。当电压一定时碰撞时的最大速率一定,电子的平均速率一定。可见,课本中所说的“定向运动速率不变”,应该是自由电子运动过程中的平均速率,平均速率不变,电流当然也是恒定的。
课本中的叙述是“断章取义”,造成了学生对其“误解”,其主要原因是学生对自由电子在金属中的运动情况不甚了解。
原子实:简而言之就是指原子中除了价电子外的其余部分,如钠的原子实就是由原子核和核外10个电子构成。。

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