陳榮環(huán)　常曉慧

摘要： 高中物理教材中關(guān)于電荷量與元電荷的定義一直是中學(xué)老師及學(xué)生討論的熱點問題，通過了解讀者對電荷量、元電荷的定義產(chǎn)生的誤解，并仔細研讀高中物理教材，分析了導(dǎo)致讀者誤解的原因，給出了正確的理解方法與改善建議.

關(guān)鍵詞： 電荷量；元電荷；比荷；正負號；絕對值

在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理（選修3-1）》（以下簡稱教材）第1章第1節(jié)中有如下表述：

電荷的多少叫電荷量（electric quantity），在國際單位制中，它的單位是庫倫（coulomb），簡稱庫，用C表示.正電荷的電荷量為正值，負電荷的電荷量為負值.[1]

迄今為止，科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)的最小的電荷量就是電子所帶的電荷量.質(zhì)子、正電子所帶的電荷量與它相同，但符號相反.人們把這個最小的電荷量叫做元電荷（elementary charge），用e表示.實驗還指出，所有帶電體的電荷量或者等于e，或者是e的整數(shù)倍.這就是說，電荷量是不能連續(xù)變化的物理量.

現(xiàn)在公認的元電荷的值為

e=160217733×10-19C.

在我們的計算中，可取

e=160×10-19C.

電子的電荷量e與電子的質(zhì)量me之比，叫做電子的比荷（specific charge）.它也是一個重要的物理量.電子的質(zhì)量me=019×10-30kg，所以電子的比荷為

eme=176×1011C/kg

許多一線教師或?qū)W生對這段內(nèi)容的表述一直存在著爭議.例如《物理教師》2010 年第1期杜正國老師寫的《且說電荷量》一文中，有以下這樣一段描述：

再看課文中， 也有幾處表述不夠清楚的地方.例如，教材有如下表述：

1“ 人們把這個最小的電荷量叫做元電荷， 用e表示.e=160×10-19C”.以上的話為我們提供了如下的一些信息：

（1）元電荷是正電荷，專用的符號是e.

（2）e是電荷量的絕對值的最小值

（3）質(zhì)子的電荷量為e， 電子的電荷量為-e.

但課文接下來卻說：“ 電子的電荷量e”.e既然已是元電荷的專用符號， 電子的電荷量應(yīng)為-160×10-19C，即-e.或者說，電子的電荷量的大小（絕對值）為e.

……

2“ 電子的電荷量e與電子的質(zhì)量me之比，叫做電子的比荷.電子的比荷為eme=176×1011C/kg.

電子的電荷量為負值，那么比荷就不可能為正值.所以應(yīng)把電子的比荷，定義為“ 電子的電荷量的大?。ń^對值）e與電子的質(zhì)量me之比，叫做電子的比荷”.[2]

《中學(xué)物理》2014年1月發(fā)表的范學(xué)考老師的《關(guān)于電荷量問題的幾點商榷》一文中，認為高中教材中的元電荷這個概念，故意回避了電荷的電性，無正負，其大小是單個電子或質(zhì)子所帶電荷量的絕對值[3]（原文沒有著重號）.

經(jīng)過仔細研讀教材，筆者對電荷量與元電荷的定義有一點粗淺的看法，與大家一起探討.

電荷量的定義為電荷的多少，而電荷量一詞在字面上也明顯地體現(xiàn)出了定義的內(nèi)容——“量”與“多少”對應(yīng).因為電荷有正負之別，因此，電荷量可以描述物體帶正電荷的多少，也可以描述其帶負電荷的多少.但無論描述哪種電荷，“量”永遠沒有負值，最小為零，即物體不帶電荷.而迄今為止，科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)的最小電荷量就是電子所帶的電荷量（電子所帶的負電荷的多少），人們把這個最小的電荷量叫做元電荷，用e表示.e=160217733×10-19C.因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，元電荷是一個最小的電荷量，并不是一種電荷，既不是正電荷也不是負電荷或電子等等.而使物體帶電（如摩擦起電，感應(yīng)起電等）本質(zhì)上都是使微觀粒子（主要是電子）在物質(zhì)內(nèi)部或物體之間轉(zhuǎn)移.失去電子越多，物體所帶的正電荷越多.得到電子越多，物體所帶負電荷越多.[4]因此，所有帶電體的電荷量或者等于e，或者是e 的整數(shù)倍.這就是所說的電荷量是不能連續(xù)變化的物理量.

教材中有如下表述，“正電荷的電荷量為正值，負電荷的電荷量為負值”.從字面上理解，極易讓讀者將教材中“科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)的最小的電荷量就是電子所帶的電荷量.質(zhì)子、正電子所帶的電荷量與它相同，但符號相反.人們把這個最小的電荷量叫做元電荷，用e表示”，這一表述中的e認為是一個負值.而且認為“質(zhì)子、正電子的電荷量與它（電子）的電荷量相同”的表述也不恰當(dāng).

在教材的第1章第2節(jié)（教材第7頁），對電荷量有一個注解：“為了表示電荷的正負，有時在電荷量的數(shù)值前面加正負號.如果沒有正負號，電荷的正負性質(zhì)應(yīng)從上下文判斷.下一節(jié)還有個注解對此做進一步說明”.[1]這就說明了，電荷量并不是正負值，只是為了體現(xiàn)物體的帶電性而在電荷量數(shù)值前加正負號來加以區(qū)別.因此，教材中“正電荷的電荷量為正值，負電荷的電荷量為負值”的表述稍有不妥.讀者正是因為對這句話的誤解，才會認為元電荷是單個電子或質(zhì)子所帶電荷量的絕對值.百度百科中給出的絕對值的意義有兩種：一種是幾何意義，在數(shù)軸上，一個數(shù)到原點的距離叫做該數(shù)的絕對值.|a-b|表示數(shù)軸上表示a的點和表示b的點的距離；另一種為代數(shù)意義，非負數(shù)（正數(shù)和0）的絕對值是它本身，非正數(shù)（負數(shù)）的絕對值是它的相反數(shù).而電子中的正負號并不具有代數(shù)意義，它們只體現(xiàn)物體帶電的性質(zhì).那又何來的絕對值一說呢？很明顯，讀者是在“正電荷的電荷量為正值，負電荷的電荷量為負值”的表述的誤導(dǎo)下將電子的電荷量默認為負值，但因為教材中給出的元電荷e=160217733×10-19C，并不是負值，在這種情況下，讀者自己便提出了一種觀點，認為元電荷是單個電子或是質(zhì)子所帶電荷量的絕對值.無獨有偶，也有讀者認為，應(yīng)將電子的比荷的定義由“電子的電荷量e與電子的質(zhì)量me之比”改為“電子的電荷量的大?。ń^對值）e與電子的質(zhì)量me之比”.由絕對值的定義可知，此處所謂的“電荷量的絕對值”的表述無意義.而且，由比荷的定義我們可以知道，比荷是比值，即兩數(shù)相比所得的值.同樣電子的電荷量的負號在這里仍不具有代數(shù)意義.因此，教材給出的定義是正確的.

電荷量的正負號不具有代數(shù)意義，也就意味著其不能參加代數(shù)運算.這個說法似乎是不對的，我們先來看下面的例子：

在勻強電場中，有A、B兩個位置，A位置處有一個正電荷，B位置處有一個負電荷，則正負電荷的電勢能分別為Ep+=qφA，Ep-=qφB.讀者很容易認為負電荷的電勢能之所以是負值就是因為圖1中給出的負電荷的電荷量為-q；而正電荷的電荷量為+q，所以正電荷的電勢能就是正值.然而，電勢能的正負號與電荷量的正負號的意義并不同.教材中對電勢能的定義為：電荷在某點的電勢能，等于靜電力把它從該點移動到零勢能位置時所做的功.通常情況下，我們將離場源電荷無限遠處的電勢能規(guī)定為零.[1]因此，靜電力將正電荷從A點移動到零勢能位置時，靜電力對正電荷做正功，因此正電荷在A點的電勢能為正值；而靜電力將負電荷由B點移動到零勢能位置時，靜電力對負電荷做負功，因此負電荷在B點的電勢能是負值.從而，式Ep+=qφA，Ep-=qφB中的正負號指的是電勢能的正負，并不指電荷的正負.因此，電荷量數(shù)值前的正負號只體現(xiàn)物體帶電的性質(zhì)，并無代數(shù)意義.

為了使讀者尤其是教師和中學(xué)生能夠更加清晰地理解電荷量與元電荷的定義，為之后的電磁學(xué)知識的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，建議將教材中的“正電荷的電荷量為正值，負電荷的電荷量為負值”的表述改為“為了表示電荷的正負，有時在電荷量的數(shù)值前面加正負號.如果沒有正負號，電荷的正負性質(zhì)應(yīng)從上下文判斷”.同時將“質(zhì)子、正電子所帶的電荷量與它相同，但符號相反”的表述改為“質(zhì)子、正電子所帶的電荷量與它相同，但電性相反”.這樣更便于讀者去理解教材中關(guān)于電荷量與元電荷相關(guān)內(nèi)容的表述.

參考文獻：

[1]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書物理選修3-1（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007：4

[2]杜正國且說電荷量[J].物理教師：2010，31（1）：10

[3]范學(xué)考關(guān)于電荷量問題的基點商榷[J].中學(xué)物理：2014，32（1）：60

[4]沈克琦高中物理學(xué)·3·電磁學(xué)[M].第1版合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2015：4