蚂蚁和电流

　　201715星期四晴由于蚂蚁具有小巧而又可视的特点，所以我在教学当中经常把蚂蚁比作电流。这样可以化微观为宏观，化抽象为形象，化复杂为简单，从而在好多方面给予我们初学者以帮助。帮助我们很好地理解电阻公式RLS：由公式R知道，在电阻材料和长度一定的情况下，电阻跟导线的横截面积成反比，在电阻材料和横截面积一定的情况下，电阻跟导线的长度成正比。同学们对这个概念的理解有困难，如果我们在此将电流比作蚂蚁，那么情况将变得形象而又简单。首先我们说电阻大表示电流在此导线中不容易过去，电阻小电流在此导线中不容易过去，所以上面的概念我们可以改成这样：在电阻材料和长度一定的情况下，导线横截面积越大，电流越容易过去，也就是电流大，电阻小，成反比；在电阻材料和横截面积一定的情况下，导线越长，电流越不容易过去，也就是电流小，电阻大，成正比。我们切开一根导线，导线看起来是实的，没有间隙，电子好像无法从导线中流过，其实在电子眼里，导线是中空的，缝隙很大，是有很宽阔的路可走的，造成这种错误的主要原因是由于我们用宏观的眼睛去看微观的东西，所以我们要善于培养一副微观的眼睛，这样去看微观世界才能得出正确的结论。好，下面我们就把蚂蚁比作电流，把导线比作一个中空的管子，现在假设管子的材料确定，管子的长度确定，那么有一群蚂蚁要穿过管子，显然管子越粗，蚂蚁越容易过去，也就是说，管子的横截面积越大，管子对蚂蚁的阻碍越小，类比推知：在电阻材料和长度一定的情况下，电阻跟导线的横截面积成反比；同理，如果管子的材料确定，管子的横截面积也确定，那么管子越长，蚂蚁越不易过去，也就是说管子对蚂蚁的阻碍大，反之，阻碍小，从而得出在电阻材料和横截面积一定的情况下，电阻跟导线的长度成正比。帮助我们很好地理解串并联电路的电流规律。我们知道，串并联电路分别有如下的规律：串联：II1I2并联：II1I2图1咱们先看串联电路1，假设从电源的正极（实际是电子从电源的负极流向电源的正极）出发有10只蚂蚁，那么经过电阻R1的蚂蚁有10只，经过电阻R2的蚂蚁有10只，回到电源负极的蚂蚁也是10只（蚂蚁不可能在路上走丢了），所以我们得出II1I2。下面我们再看并联电路图2，假设从电源的正极出发有10只蚂蚁，经过电阻R1的蚂蚁有3只，那么经过电R2的蚂蚁一定是7只，也就是10只3只7只，即II1I2。我们还可以进一步理解并联电路的分流规律，由于电阻大的支路不好走，所以去的蚂蚁少，电阻小的支路好走，从而去的蚂蚁多，所以说并联电路电阻中流过的电流跟电阻成反比，公式是I1I2R2R1帮助我们理解物理量U（电压）以及公式EU内U外，U外U1U2。让我们继续看电路图1，我们可以把电路图1中的电源想象成是蚂蚁的巢穴，把电阻R1比作是非常难走的一条路，把电阻R2比作是非常难走的另外一条路。当蚂蚁经过第一条路时（也就是R1），它会消耗掉一部分能量，我们可以把这个能量看成是U1，当蚂蚁经过第二条路时（也就是R2），它会消耗掉另一部分能量，我们可以把这个能量看成是U2，当蚂蚁返回到巢穴（电源的负极）时，已经精疲力竭，没有了能量（此处电势为零），然后他回到巢穴，经过充足的休息，包括吃东西以后，又获得总能量E，这个能量又通过三部分消耗，在巢穴中走动（电源有内阻）消耗能量U内，在第一条路消耗能量U1，在第二条路消耗能量U2，回到巢穴时能量用完，于是有关系式EU内U外，U外U1U2。我们还可以进一步理解串联电路中电压的分配规律，两个电阻串联，电阻大的表示这条路比电阻小的路还难走，所以电阻大的路会消耗蚂蚁更多的能量，也就是产生更大的压降，即：在串联电路中，电阻两端的电压跟电阻的大小成正比。公式是U1U2R1R2四，帮助我们理解电路中的导线电阻为什么很小？如电路图1，我们在研究电路的时候，往往忽略导线电阻，当然这是有原因的，导线的电阻很小，就好像是蚂蚁走高速公路，几乎没有多少的阻碍，也可以说是几乎不消耗能量，（也不会发很大的热，也没有压降，电阻几乎为零），而当经过电阻的时候，就好比是在走一条荆棘丛生，障碍重重的路，所以阻碍很大，（也就是电阻很大），蚂蚁要通过这样一条路，一定是要挤出一身汗来的（也就是通过跟其他粒子碰撞而产生很大的热），消耗很大的能量（也就是会产生压降）。我的以上讲法不知道读者看懂了没有？理解了没有？赞同不赞同？当然，电子的运动情况并不完全跟蚂蚁的运动情况一样，电子的运动形式要远远比蚂蚁的运动形式复杂地多，所以它们还是有很大的区别的，比方说导线中的电子在电路接通的瞬间是电路中所有电子在同时做定向移动，而不是电子马上以光速从负极跑到正极（电子有质量，有质量的东西是永远也达不到光速的），以光速传递的其实是电路中的电场。这一点读者要千万注意，一定不要走进误区。所以我们要充分发挥我们的聪明才智，批判性地吸收，不要一概而论，盲目吸取。虽然把蚂蚁同电流作比有一定的不足，但实践证明，用有形比喻无形确实是一种很好的教学方式，希望大家研究探索，这种比喻模式可以对那些没有一点儿电学基础的学生提供一定的帮助。