一種可調(diào)電動勢和內(nèi)阻的改進(jìn)型學(xué)生電源

引言

閉合電路歐姆定律是高中《物理》電學(xué)核心知識，相比于初中的歐姆定律，電源內(nèi)阻不能忽略。因此，連接負(fù)載時端壓小于電源電動勢，隨負(fù)載電阻減小而減小，比例系數(shù)由內(nèi)阻和電動勢決定。日常生活常見的干電池、手機(jī)電池、電動自行車電池等在使用中都有這個現(xiàn)象。

存在的問題

學(xué)生在學(xué)習(xí)閉合電路歐姆定律時，對應(yīng)的實驗是伏安法測定干電池電源電動勢和內(nèi)阻，包括傳統(tǒng)伏安法和數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS） 實驗。傳統(tǒng)實驗用紙筆記錄多組數(shù)據(jù)并描點(diǎn)繪圖，再運(yùn)用圖像求解；數(shù)字化實驗通過使用電壓傳感器和電流傳感器連續(xù)獲取數(shù)據(jù)并自動擬合、自動生成結(jié)論。兩種方法均止步于得出推測值，無法檢驗這個值與電源實際的電動勢和內(nèi)阻是否一致。

改進(jìn)需求

有一種直接測量電源電動勢和內(nèi)阻的方法，將表筆伸入電解質(zhì)為液體的電池內(nèi)部進(jìn)行電動勢測量[1]，但電解液一般具有腐蝕性，通電時還會產(chǎn)生氣體，不適合學(xué)生實驗，而且實驗耗時長、準(zhǔn)確度欠佳。因此，需要研發(fā)一種改進(jìn)型學(xué)生電源。具體需求為：①體積和質(zhì)量不能太大，便于擺放和儲藏；②可通過正負(fù)極輸出電壓、電流，與干電池效果相同；③內(nèi)置電源，可長時間連續(xù)穩(wěn)定工作；④可調(diào)節(jié)電動勢、內(nèi)阻大小，并能直接顯示或測出具體數(shù)值；⑤成本控制在100 元以內(nèi)；⑥使用常見元器件，便于仿制。

設(shè)計目的與思路

在解電路題目時，常將干電池等效為一個電壓恒定不變的電壓源與一個電阻串聯(lián)的組合，從而簡化電路便于求解。反之亦然，將一個恒定不變的電壓源與一個電阻串聯(lián)，作為一個整體也可等效替代普通干電池。

實驗室標(biāo)配有學(xué)生電源，可調(diào)節(jié)并顯示電壓大小，電壓不隨負(fù)載變化而變化，滿足電壓源的特性。但學(xué)生電源的體積比較大，還需連接市電使用，因此需尋找一款小巧且能調(diào)節(jié)電壓大小的電源模塊。

電阻選擇應(yīng)注意兩點(diǎn)，一是能改變電阻值便于學(xué)生定量研究，二是正常使用時不易燒壞，需找到一款小巧的滑動變阻器。

最后，要將上述內(nèi)容集成在一個框架內(nèi)，同時配上鋰電池和充電模塊，可通過3D 打印或激光切割制作。

設(shè)計原理

材料選型

通過在購物網(wǎng)站搜索， 選定了以下主要元器件：① 3 000 mAh12 V 鋰電池充電套裝；② DC-DC可調(diào)穩(wěn)壓降壓模塊，最大電流3 A；③ 50 Ω 圓盤滑動變阻器，最大功率50 W。上述元器件在生產(chǎn)生活中廣泛使用，成熟可靠且價格實惠，成本約82 元。

三維設(shè)計

通過測量各元器件尺寸， 制訂集成方案。如圖1 所示，設(shè)計了9 cm×9 cm×9 cm的立方體電源盒，可容納各元器件，同時滿足輕巧便攜和便于收納堆疊的需求。

電路設(shè)計

如圖2 所示，首先將鋰電池一個接口接入降壓模組的輸入端，另一個接口給鋰電池充電。再將降壓模組輸出端引出，一路與圓盤滑動變阻器串聯(lián)，另一路直接引出，這就是改進(jìn)型學(xué)生電源的正負(fù)極。同時，圓盤滑動變阻器引出兩路導(dǎo)線空接，用于斷電時測量內(nèi)阻。

制作過程

如圖3 所示，將滑動變阻器和降壓模塊分別安裝在3D 打印外殼上，完成電路連接并用螺絲固定。再將鋰電池連入降壓模塊，并將充電口引出，最后將所有元器件收納固定并合上蓋板（圖4）。各角度完成圖如圖5 所示。

使用方法

如圖6 所示，可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺絲改變電源電動勢。

可通過旋轉(zhuǎn)旋鈕改變內(nèi)阻阻值，斷路時使用多用電表歐姆擋，用2個表筆接觸檢測螺絲，可讀出內(nèi)阻精確值（圖7）。

如圖8 所示，改進(jìn)型學(xué)生電源與傳統(tǒng)物理實驗室中的電源使用方式相同。

效果測試

如圖9 所示，連接改進(jìn)型學(xué)生電源、滑動變阻器、傳感器、采集器等元器件，進(jìn)行閉合電路歐姆定律的數(shù)字化學(xué)生實驗（必修）。數(shù)字化實驗結(jié)果為電動勢6.47 V、內(nèi)阻13.66 Ω；改進(jìn)型學(xué)生電源測試結(jié)果為電動勢6.4 V、內(nèi)阻約為13.8 Ω。結(jié)果表明，改進(jìn)型學(xué)生電源達(dá)到了預(yù)期效果。

教學(xué)應(yīng)用

活動目標(biāo)

①小組合作，梳理閉合電路歐姆定律相關(guān)知識，并整理交流。②制訂研究計劃，選擇合適的設(shè)備材料，明確組內(nèi)成員分工。③完成電源電動勢和內(nèi)阻的測量，將推測出的數(shù)值與實際數(shù)值進(jìn)行對比，找出誤差原因，提出改進(jìn)方案。④總結(jié)并得出結(jié)論，解釋生活中常見的用電現(xiàn)象，提出創(chuàng)造性設(shè)想，并相互評價。

材料設(shè)備

改進(jìn)型學(xué)生電源、電壓表、電流表或數(shù)字化實驗設(shè)備、滑動變阻器、負(fù)載、電鍵、導(dǎo)線等。

活動時間

40 分鐘。

活動過程

活動過程見表1。

參考文獻(xiàn)

[1] 賴佳穎.“電源電動勢和內(nèi)阻、閉合電路歐姆定律”的教學(xué)優(yōu)化[J]. 物理教學(xué)，2015，37（6）：17-20.

該項目獲得第37 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎■