物理模型的构建应遵循科学性与假设性的统一.doc

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1、物理模型的构建应遵循科学性与假设性的统一——评析2008年上海市高考物理试卷第23题王光宇（上海松江教师进修学院附属立达中学上海201600）摘要：本文就2008高考试题（上海卷）第二十三题所述的物理模型进行了理论研究，具体分析了电子枪的内部结构及其原理，并指出了该题所述电子枪模型的理论缺陷。关键词：电子枪物理模型静电场中图分类号：O441文献标识码：A㈠问题的提出：2008年全国普通高等学校招生统一考试（上海）物理试卷第23题是一道与实际应用联系紧密的电磁学综合题，该题通过简化，将电子枪中的加速电场和偏转电场抽象为不同区域电场的组合，对于该模型的构建，笔者持有不同的看法，以下是笔者的点滴见解

2、，供物理教师在教学中参考。试题：如图所示为研究电子枪中电子在电场中运动的简化模型示意图。在Oxy平面的ABCD区域内，存在两个场强大小均为E的匀强电场I和II，两电场的边界均是边长为L的正方形（不计电子所受重力）。（1）在该区域AB边的中点处由静止释放电子，求电子离开ABCD区域的位置。（2）在电场I区域内适当位置由静止释放电子，电子恰能从ABCD区域左下角D处离开，求所有释放点的位置。（3）若将左侧电场II整体水平向右移动L/n（n≥1），仍使电子从ABCD区域左下角D处离开（D不随电场移动），求在电场I区域内由静止释放电子的所有位置。模型方法是物理学的重要研究方法，物理学的许多重要的理论都

3、是建立在物理模型的基础之上的。物理模型是人们为了研究物理问题的方便为探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化的描述或模拟。其显著特点是摒弃了原型中影响问题的各种次要因素，对研究对象作了极度的简化和纯化的处理，使得可以通过研究模型来认识原形的各种本质特征及其必然的联系，然而建立物理模型一定要遵循科学性与假定性统一的基本原则，亦即物理模型的建立应在不违背物理学基本规律和实验事实的前提条件下，否则这种建立在假设基础之上的物理模型只是一种形式上的简约，而在本质上却失去了它所包容的物理内涵。本问题所涉及的电子枪是示波器、显示器等电子产品的基本元件，它由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极、第二阳极和第三阳

4、极等几部分组成，如图（1）所示。图（2）反应电子枪的基本工作过程，灯丝加热圆筒形阴极，使阴极发射电子，电子在控制栅极G（中间有一小圆孔的圆筒形）和第一阳极所形成的电场作用下沿轴向运动，形成电子束，该电子束在控制栅附近聚集到一点O，电子过O点后，若无外力作用，将按直线运动，亦即过O点后已聚集的电子又要散开，打到荧光屏上，显示的只是模糊不清的一片亮光。这就需要将散开的电子到达荧光屏处再聚集成为一点（聚焦），使荧光屏上产生一个小而圆的亮点，聚焦作用由A1、A2和A3三个阳极共同组成的电子透镜完成。综上分析可见电子枪的主要作用为发射电子、加速电子、电子聚焦。至于电子在水平和竖直方向的偏转则是由示波器的

5、偏转系统完成，试题中涉及的电子枪模型将电子的偏转也纳入到电子枪之中显然是不合适的，至于将电子枪内部的电场简化为加速电场和偏转电场，这样处理尽管在形式上使得电子在电子枪中运动得以明晰的定量分析，然而这种简化处理却忽视了静电场的最基本的性质，从而该模型违反了模型建立的科学性与假设性相统一的基本原则。图（1）图（2）静电场的基本性质：⑴静电场是有源场静电场高斯定理：积分式电场线的特征：电荷是激发电场的场源，电场线从正电荷发出，终止于负电荷，没有电荷处电场线连续，且两条电场线不相交。⑵静电场是无旋场静电场环路定理：积分式电场线的特征：静电场的电场线不存在涡旋结构，即在静电场中移动电荷，电场力所做的功与

6、路径无关，只与起点和终点的位置有关，静电场是有势场。㈡试题所述电子枪模型的科学性论证：论证1如图（3）所示，选取长方形的回路abcd，计算电量为q正电荷沿abcd回路运动一周电场力所做的功，经分析可知电场力做功的阶段分别为aa/、bb/、dc；电场力没有做功的阶段分别为a/d/、d/d、cc/、c/b/、ba，所以电荷绕回路一周电场力做的功：Wabcd＝－qELaa/＋qELb/b－qELdc（Laa/＝Lb/b）＝－qELdc≠0-----------（1）由静电场的环路定理得：-----------（2）比较（1）（2）两式易见两式的结论相互矛盾的Pa/dcc/abb/d/图（3）图（4）

7、上述结论与静电场的基本性质——静电场是无旋场相矛盾，说明将电子枪简化为水平加速电场和竖直偏转电场的模型违背了静电场的基本性质，进一步表明了试题所述电子枪模型违背了物理模型构建的科学性原则。论证2试题的第（3）问：若将左侧电场II整体水平向右移动L/n（n≥1），仍使电子从ABCD区域左下角D处离开（D不随电场移动），求在电场I区域内由静止释放电子的所有位置。现考察其特殊情况，令n=1，则在该种情况