深究物理概念的本源 不做无谓白马之辩——浅谈交流电有效值

文摘   2024-12-26 17:24   江苏  

物理概念、方法、思想的出现是为了使问题的呈现更加清晰,让人对事理的理解更加透彻,让问题的解决更加简洁。然而,有很多物理概念、方法、思想的应用是有所限制的,其出现是有特定情境的。对于交流电的有效值这个概念,就是典型的具有强烈实际情境的一个派生概念,如果不能正本清源,从源头认识清楚概念的由来,学习者就会陷入白马非马的诡辩之中而难以自知。

1问题的提出

问题似乎是肇始于2013年的一道南通高考模拟题1,而2014年北京高考理综卷第212也是类似的题目。现将这两道题展示如下。

2问题的深度讨论

后期有多位老师参加到这讨论中,并发表了多篇相关的研究论文4。然而,这些讨论都没有跳出逻辑怪圈。有的老师坚持自己的认识支持第一种做法,有的老师坚信能量守恒支持第二种结论,还有的老师通过对“视在功率”“有功功率”“无功功率”等概念的辨析、交流电表的工作原理分析之后,通过复杂的积分运算得出支持第二种结论的态度【1,2,4,5】。

我个人认为第一种结论是正确的但是D答案正确的选项。首先,我们应该按照严格的定义来考察有效值的求解过程是否合理。显然是题目所给的情境破坏了“通过相同电阻”这个条件,二极管的存在使得在正半周期和负半周期等效电阻的大小是不同的,这就导致了按照定义法求电流有效值的时候比用
所得结果在热量上少一半。可以想见,在恒定电阻上,电压与电流的规律是一样的,而以理想变压器的输入端看,则是完整的正弦波形。但是,我们怎么能够让一个电流表去识别哪种情况是含有理想变压器的电路哪种情况是不含变压器的电路?所以如果非得讨论该电流的有效值,就按照热效应的定义来进行。计算的时候不变非得要用原电路中的电阻值,可以虚设一个电阻值,在计算过程中会被约分掉。

既然如此,则说明D选项是错误的,又为何说D选项是正确的呢?教材有明确说法“人们通常说家庭电路的电压是220V,是指有效值。使用交流的电气设备上,标出的额定电压和额定电流都是有效值,一般交流电压表测量的数值也是有效值。以后提到交变电流的数值,凡没有特别说明的,都指有效值。”然而,我们不能机械地理解这句话。交流电表的工作原理有多种的,其中常见的是将交变电流通过整流等方式转化为恒定电流再通过直流电表的表头进行测量的。即交流电表的本质测量原理也是用电流值与安培力成正比的关系进行的。所以,整流电路得到的电流是有效值还是平均值?实质上是正弦式交变电流的负半周期电流被翻转后的平均电流。那么为何教材有这样的表述呢?对于确定形式的电流,有效值与平均值之间有确定的比例关系,只要将比例调整即可以直接读出有效值的数值而已。所以本题的D选项将二极管短路后电流的平均值变为原来的2倍,电流表的读数也变为原来的2倍。如果是其他形式的电流(如锯齿波、方波等)比例系数不同,直接读出的数值就不再是有效值了。

3问题的反思

让人感到奇怪的是几乎没有高校的老师或学生加入到这种让人迷茫的问题讨论中,也没有从事电气行业的专业人士提出过疑惑,为什么会在高中阶段出现这种讨论且在某一时间段内集中性很明显。专业人士之所以不会讨论这类问题,甚至可能会对这类讨论不屑一顾。原因很简单,交变电流有效值这个概念被提出的时候就是带有使命的——在特定的问题分析中可以简化分析。所谓的特定问题则是在纯电阻电路中,所谓的简化则是可以在处理焦耳热时不必再通过瞬态电路的分析、积分来进行计算。有效值还有一个所谓的功能则是“直观衡量”的功能。在具体情境不符合的情况下再坚持所谓的有效值不但毫无意义,而且容易出现错误。在高等教材中分析电路中还有电感、电容时通会出现“有功功率”“无功功率”“视在功率”等概念用以解决相应的问题。在遇到含有二极管等单向导电性的电气元件时,通常用瞬态电路进行分析。

其实在物理学中有很多类似交变电流中有效值这样的概念,原本就是为了解决某些特定问题而被提出的,在某些前提条件不再成立的时候该概念就不应该再强行使用,而非得还要强行使用这个概念,则是自找苦吃也是搅浑清潭。比如在关联速度问题中,之所以把物体的实际速度沿着绳子方向和垂直方向进行分解,是因为在特定的问题中由于绳子不可伸长而沿着绳子方向两个物体的速度相等。当前提不再成立时,还要硬套这种方法得到错误结论后还进行各种修正、辨析,岂不是自讨苦吃。

最坏的后果是某些人觉得某种思想很好,将之往影响力较大的资料或试题中载入最终真是给一线教学者和学生带来无尽痛苦。所以,我们应该深入考察每一个物理概念的本源、意义是什么,不要陷入白马非马的诡辩之中。

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