Question

【题目】恒定电路中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，电荷的分布是稳定的，不随时间变化，电场的分布也不会随时间变化。这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。由于在恒定电场中，任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化，它的基本性质与静电场相同。在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系等，在恒定电场中同样适用。

（1）在图1的串联电路中，I1、I2、I3分别表示流过电路中1、2、3各点的电流。请根据恒定电场的上述特点和电流的定义式，证明：I1=I2=I3；

（2）在图1的串联电路中，如果以φ0、φ1、φ2、φ3分别表示电路中0、1、2、3各点的电势，以U01、U12、U23、U03分别表示0与1、1与2、2与3、0与3之间的电势差（电压），请用电势差跟电势的关系，证明：；

（3）电流做功的实质是：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。一段横截面积为S、长为l的直导体，单位体积内有n个自由电荷，自由电荷的电量为e。该导体通有恒定电流时I，导体两端的电势差为U，假设自由电荷定向移动的速率均为v。

a.由于导体中电荷的分布是稳定的，设在任意时间t内，通过这段导体任意截面的电量都为q。如图2所示，相当于有电量为q的自由电荷从导体的一端到了另一端。根据电流做功的实质：导体中的恒定电场对这些自由电荷的静电力做的功就等于电流做功。请根据以上信息，证明：任意时间t内电流做功。

b.导体中存在恒定电场，导体中全部电荷都受到电场力的作用，某段时间内，有的电荷流走了，另外的电荷又来补充，导体中电荷的总量是不变的。根据电流做功的实质：任意时间t内，恒定电场对导体中全部自由电荷的静电力做的功等于电流做功。请根据以上信息，证明：任意时间t内电流做功

Answer 1

【答案】（1）证明见解析；（2）证明见解析；（3）证明见解析

【解析】

（1）因为电荷的分布是稳定里的，所以任意时间t内，流过回路任意截面的电量是相同的，则有

，

根据电流的定义式

可证

（2）根据电势差与电势的关系

，，

相加可得

（3）a.在任意时间t内，通过这段导体任意截面的电量都为q，相当于有电量为q的自由电荷从导体的一端到了另一端。导体两端的电势差为U，导体中的恒定电场对这些自由电荷的静电力做的功

其中

可证

b.导线中的电场强度为

导线中全部电荷数为

每个自由电荷受到的电场力为

恒定电场对导线中全部电荷的静电力为

恒定电场对导线中全部电荷的静电力做的功

其中

可证