打開電源　剖析電動(dòng)勢(shì)　正視能量轉(zhuǎn)化

關(guān)亞男

（錦州師范高等?？茖W(xué)校， 遼寧 錦州 121000）

打開電源剖析電動(dòng)勢(shì)正視能量轉(zhuǎn)化

關(guān)亞男

（錦州師范高等?？茖W(xué)校， 遼寧 錦州 121000）

從本質(zhì)上，電源電動(dòng)勢(shì)反映了電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)；從功用上，電源又肩負(fù)著把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的使命。這樣，在電源內(nèi)部，是完成其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程；而在電源外部，是完成電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量的過(guò)程。

電源；電動(dòng)勢(shì)；能量轉(zhuǎn)化

“電源”，顧名思義，電的來(lái)源。的確，日常生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，消耗電能離不開電源；小學(xué)的科學(xué)常識(shí)、初高中的物理，乃至大學(xué)里一切與電有關(guān)的課程，都告訴我們，電源的母基之核心地位。

初中時(shí)作為知識(shí)的邏輯層次，首先從可“感知”的電流入手，接著分析產(chǎn)生電流的兩個(gè)必要條件——有電源，且電路閉合。高中時(shí)我們深入學(xué)習(xí)了電源，知道它是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，而電源的電動(dòng)勢(shì)就是衡量這種能量間相互轉(zhuǎn)化本領(lǐng)強(qiáng)弱的物理量。

從本質(zhì)上，電源電動(dòng)勢(shì)反映了電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)；從功用上，電源又肩負(fù)著把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的使命。這樣，在電源內(nèi)部，是完成其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程；而在電源外部，是完成電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量的過(guò)程。

在電源外部電路中，負(fù)電荷靠電場(chǎng)力由電源的負(fù)極流向正極；而在電源內(nèi)部電路中，負(fù)電荷靠非靜電力由電源的正極流向負(fù)極。但無(wú)論電源內(nèi)部還是外部，電場(chǎng)方向都是由電源正極到負(fù)極的。即在電源外部電場(chǎng)力搬運(yùn)電荷做正功，電勢(shì)能增加；而在電源內(nèi)部，電場(chǎng)力克服非靜電力搬運(yùn)電荷做功，電勢(shì)能減少。

下面從以下兩個(gè)角度來(lái)研究其大小。

1　理論角度

從理論上講非靜電力通過(guò)做功，將電源內(nèi)部的正、負(fù)電荷分別搬運(yùn)到電源負(fù)、正兩極，使電源正、負(fù)兩極間出現(xiàn)電勢(shì)差。根據(jù)E=W/q，知電動(dòng)勢(shì)即電源內(nèi)部每搬運(yùn)1c電荷克服非靜電力所做的功的多少。

在電源內(nèi)部電阻r不可忽略的情況下，閉合電路中內(nèi)外電路是串聯(lián)的，根據(jù)串聯(lián)的規(guī)律，內(nèi)外電路的電流相等，電壓之和等于閉合電路的總電壓，即電源電動(dòng)勢(shì)，即有E=U外+U內(nèi)┄┄①。

根據(jù)部分電路歐姆定律，有U內(nèi)=Ir，代入①式中得E=U外+Ir┄┄②。

同理，設(shè)外電路的總電阻為R，再將U外=IR代入②式中，得E=I（R+r）┄┄③。

也可寫成I=E/（R+r），此即閉合電路歐姆定律原形表達(dá)式；若將I=U外/R代入②式中，得E=U外+（U外/R）r┄┄④。

以上四個(gè)表達(dá)式都是關(guān)于電源電動(dòng)勢(shì)的理論計(jì)算公式。在具體解題時(shí)，已知量和未知量滿足哪個(gè)關(guān)系式，就直接運(yùn)用哪個(gè)公式解題。

需要說(shuō)明的是，并不是所有的題都能用上述四個(gè)表達(dá)式直接計(jì)算得出來(lái)，由于電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣性，常常導(dǎo)致解題路徑的曲折多變，但都離不開閉合與部分電路歐姆定律的運(yùn)用，具體解題要因題而異。

2　實(shí)驗(yàn)角度

從實(shí)驗(yàn)測(cè)量的角度講，電源電動(dòng)勢(shì)即開路（或斷路）電壓，相當(dāng)于直接將電壓表接在電源兩極間測(cè)得的結(jié)果。它是符合表達(dá)式①的。因?yàn)殡妷罕韮?nèi)阻比較大，直接接在電源兩端相當(dāng)于電路斷路，這樣內(nèi)電路電壓為零，則外電路電壓就等于電源電動(dòng)勢(shì)。

這里需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，當(dāng)電路斷開時(shí)，電壓表測(cè)的是電源電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)電路閉合時(shí)，電壓表只能測(cè)量部分或整個(gè)外電路電壓。需要說(shuō)明的是，通常情況下，電路閉合時(shí)，電壓表不能直接測(cè)量電源內(nèi)部電壓。

對(duì)于一個(gè)固定的電源，其電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻是確定的，根據(jù)前面表達(dá)式，可用以下幾種方法來(lái)測(cè)量。

〖方法一〗伏安法根據(jù)表達(dá)式②——E=U外+Ir，在同一電源下工作，能測(cè)出兩組不同的U外和I，就可以列出方程組——E=U外1+Ir1 和E=U外2+Ir2，求得E和r的值。

顯然需要電壓表和電流表，因此把這種測(cè)量方法稱為“伏安法”。其電路如圖甲所示。這是最簡(jiǎn)便易行的方法。圖中的用電器使用滑動(dòng)變阻器即可，可以多次改變電阻值實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量，又可以無(wú)需知道其具體阻值大小。

這里的“伏安法”在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中用處頗大。根據(jù)R=U/I，用“伏安法”可以測(cè)電阻；根據(jù)P=UI，用“伏安法”又可以測(cè)量用電器的電功率。它們與“伏安法”測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻都是同一個(gè)道理，即都需要有電壓表和電流表。

〖方法二〗安阻法當(dāng)手中只有一塊電流表時(shí)，根據(jù)表達(dá)式③——E=I（R+r），在同一電源下工作，能測(cè)出兩組不同的I 和R，也可以列出方程組——E=I1（R1+r）和 E=I2（R2+r），求得E和r的值。

顯然除了電流表，外電路電阻還要可知。那么，既能多次改變阻值又能顯示電阻示數(shù)的，非電阻箱莫屬。其電路如圖乙所示。

〖方法三〗伏阻法當(dāng)手中只有一塊電壓表時(shí)，根據(jù)表達(dá)式④——E=U外+（U外/R）r，在同一電源下工作，能測(cè)出兩組不同的U外和R，也可以列出方程組——E=U外1+（U外1/R1）r 和E=U外2+（U外2/R2）r，求得E和r的值。

顯然除了電壓表，外電路電阻還要可知，也要用到電阻箱。其電路如圖丙所示。

后兩種方法顯然比第一種方法要求較高，是閉合電路歐姆定律與部分電路歐姆定律的綜合運(yùn)用。

同樣，在這三種基本方法的基礎(chǔ)上，會(huì)演繹出多種多樣的電路組合，也就有不盡相同的具體解題方法，也是因題而異的。

這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)固定的電源，其電動(dòng)勢(shì)是恒定不變的，內(nèi)阻往往隨著使用的時(shí)間而增大，導(dǎo)致電路電流變小，這就是用久了的電源效果不好的原因。

綜上所述，研究電路電源問(wèn)題，一定要首先打開電源——認(rèn)清電源結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)剖析電動(dòng)勢(shì)——理解電動(dòng)勢(shì)的物理意義，關(guān)鍵正視能量轉(zhuǎn)化——掌握電路中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系。

［1］杜志建.《高中物理》〔M〕.烏魯木齊：新疆青少年出版社，2012:213.

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1003-5168（2015）11-236-01