用自制可控內(nèi)阻電源演示電路規(guī)律

袁麗丹,黃衛(wèi)良

(樂余高級(jí)中學(xué),江蘇張家港215621)

1 引 言

閉合電路規(guī)律是高中物理的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容,其中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)往往是高考考查的重點(diǎn).因此,在新課教學(xué)中確保讓學(xué)生通過獨(dú)立探究得出清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)論至關(guān)重要.但筆者在物理實(shí)驗(yàn)室管理工作中發(fā)現(xiàn)教師和學(xué)生在探究閉合電路歐姆定律規(guī)律實(shí)驗(yàn)中存在著諸多實(shí)際問題:

1)實(shí)驗(yàn)室配備的可控內(nèi)阻鉛蓄電池可操作性較差.很多學(xué)校實(shí)驗(yàn)室都配備可控內(nèi)阻蓄電池來演示閉合電路外電壓、內(nèi)電壓之間的關(guān)系.但筆者發(fā)現(xiàn)該鉛酸蓄電池使用前要加注稀硫酸并進(jìn)行充電,使用后必須定期進(jìn)行充放電維護(hù),否則非常容易腐蝕變質(zhì)失效,幾乎就是昂貴的一次性電源.同時(shí)該蓄電池通過內(nèi)部的隔板高低來控制內(nèi)阻的大小,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)后內(nèi)阻也往往很小且不夠穩(wěn)定,實(shí)際操作中內(nèi)電壓測(cè)量誤差較大,演示閉合電路規(guī)律可操作性較差.

2)用干電池來做電路規(guī)律實(shí)驗(yàn)效果不明顯.閉合電路中路端電壓與電流的關(guān)系、路端電壓與負(fù)載的關(guān)系是核心內(nèi)容,其中規(guī)律需要學(xué)生通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)來探究得出.實(shí)際操作中一般都選用2號(hào)干電池作為電源.為了能觀察到路端電壓的明顯變化,往往要求內(nèi)阻較大,即最好用舊干電池做實(shí)驗(yàn),但整個(gè)年級(jí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要這樣的舊干電池100多個(gè),讓這么多的干電池老化變舊可不是容易的事情.同時(shí)教學(xué)中還發(fā)現(xiàn),舊干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻會(huì)發(fā)生明顯的變化,往往這個(gè)班級(jí)實(shí)驗(yàn)時(shí)規(guī)律還算明顯,接下來的班級(jí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)規(guī)律已經(jīng)不明顯了.

鑒于此,筆者自制了能夠滿足高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的精確可控內(nèi)阻電源.

2 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示,方框內(nèi)的核心部件是2個(gè)全新鋰電池(型號(hào)為14500,5號(hào)電池外形,充滿電后電動(dòng)勢(shì)約為4 V,標(biāo)稱3.7 V是正常放電范圍內(nèi)的平均值),由于鋰電池的內(nèi)阻極小,只有 50～80 mΩ,故可以把其看成是內(nèi)阻幾乎為零的理想電源.在2個(gè)鋰電池之間串聯(lián)10Ω/2 W的金屬膜電阻,因?yàn)樵撾娮枳柚颠h(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰電池組的本身內(nèi)阻,故該電池組的實(shí)際內(nèi)阻就是10Ω.當(dāng)然也可視實(shí)驗(yàn)的要求選用其他阻值的電阻.加外殼,即構(gòu)成了內(nèi)阻為10Ω的新電源.

圖1 可控內(nèi)阻電源內(nèi)部原理圖

3 電源外觀、優(yōu)點(diǎn)與制作

教學(xué)中該電源充好電后其電動(dòng)勢(shì)約為8 V,且非常穩(wěn)定,實(shí)際的一次電學(xué)實(shí)驗(yàn)由于放電電流小于0.6 A,放電時(shí)間少于15 min,其電動(dòng)勢(shì)波動(dòng)小于0.1 V.由于其內(nèi)阻為10Ω和普通負(fù)載電阻較為接近,故路端電壓變化非常明顯.由于短路電流不到1 A,故該電源還可以演示短路狀態(tài)下電路規(guī)律.充電時(shí)只要取出鋰電池用手機(jī)萬能充電器充電即可,充電1次可以滿足10次以上實(shí)驗(yàn)需要.因?yàn)殇囯姵爻浞烹姶螖?shù)可以達(dá)到500次,故該電源可以長(zhǎng)期供教學(xué)使用.

把2個(gè)鋰電池和10Ω大功率電阻放入塑料外殼或木制外殼,由于電路簡(jiǎn)單,不用制作印刷電路板,直接把它們固定在硬紙板上連接好再放入外殼內(nèi).拉出正極和負(fù)極2根導(dǎo)線和外殼上的正負(fù)接線柱相連即可.

4 自制可控內(nèi)阻電源的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

4.1 探究路端電壓與電流關(guān)系

實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示,Excel數(shù)據(jù)處理分析及擬合圖像如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常理想,可以清晰得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.由圖3中的擬合方程的斜率和截距還可以得出內(nèi)阻 r=10.021Ω,電動(dòng)勢(shì) E=8.025 8 V.

圖2 路端電壓與電流的關(guān)系實(shí)驗(yàn)電路

表1 路端電壓與電流關(guān)系測(cè)量數(shù)據(jù)

圖3 Excel處理后的散點(diǎn)分布圖、擬合直線及方程

4.2 探究路端電壓與負(fù)載的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示,Excel數(shù)據(jù)處理后散點(diǎn)圖如圖5所示.同樣可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)很理想,規(guī)律非常明顯.

圖4 路端電壓與負(fù)載的關(guān)系實(shí)驗(yàn)電路

表2 路端電壓與負(fù)載關(guān)系測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5 Excel處理后的散點(diǎn)分布圖

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