利用自制示教板探究路端電壓與負(fù)載的關(guān)系

一、前言

一些學(xué)生可能有這樣的經(jīng)驗(yàn)：傍晚用電多的時(shí)候，燈光發(fā)暗，而當(dāng)夜深人靜時(shí)，燈光特別明亮。又如，在插上電爐、電暖器等功率大的電器時(shí)，燈光會(huì)變暗，拔掉后燈光馬上又亮起來。該現(xiàn)象在一些供電質(zhì)量不太好的地區(qū)尤其明顯。這是什么原因造成的呢？在高中物理粵教版必修3第四章閉合電路第二節(jié)閉合電路歐姆定律中提到，電動(dòng)勢、路端電壓和負(fù)載的關(guān)系。本文利用自制示教板實(shí)驗(yàn)裝置來探究路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，并對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析和探討，幫助學(xué)生理解此章節(jié)的內(nèi)容。

二、利用自制電動(dòng)勢與路端電壓示教板探究電動(dòng)勢與路端電壓的區(qū)別

電動(dòng)勢與路端電壓是電學(xué)中的兩個(gè)重要概念，二者存在諸多區(qū)別。電動(dòng)勢是反映電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能本領(lǐng)大小的物理量。例如，在電池中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)勢表征了這種轉(zhuǎn)化的能力。它是由電源本身的性質(zhì)決定的，與外電路無關(guān)。外電壓也叫路端電壓，是指電源加在外電路兩端的電壓。它是外電路中各個(gè)用電器兩端的實(shí)際電壓，其大小與外電路的組成（如電阻的大小、用電器的連接方式等）密切相關(guān)。

學(xué)生在初中階段的學(xué)習(xí)一般會(huì)把電動(dòng)勢直接當(dāng)成路端電壓來看待，到了高中階段必須扭轉(zhuǎn)這個(gè)觀念。如圖1所示，這個(gè)自制教具能很好地顛覆學(xué)生這個(gè)觀念，電動(dòng)勢大不代表外電壓大。

如圖，設(shè)計(jì)了一個(gè)并聯(lián)電路，中間設(shè)計(jì)有一個(gè)單刀雙閘開關(guān)，可以快速對比兩邊的電路。左右兩邊放入牌子型號(hào)一樣的一節(jié)1.5V的干電池，左邊放的是全新的干電池，右邊放的是舊的干電池，接入電路中，連通的是同一個(gè)小燈泡。我們發(fā)現(xiàn)連通左邊電路時(shí)，燈泡會(huì)亮一點(diǎn)，連通右邊的電路時(shí)，燈泡會(huì)暗一點(diǎn)，說明不能把電動(dòng)勢等同于路端電壓。

三、利用自制電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)儀探究電壓與負(fù)載的關(guān)系

1.實(shí)驗(yàn)原理

在全電路歐姆定律中，電源的電動(dòng)勢等于內(nèi)外電路電動(dòng)勢降落之和，即E=U外+U內(nèi)，U外=E-Ir。穩(wěn)壓電源的輸出電流與并聯(lián)電路支路電流的關(guān)系I=I1+I2+……。

2.制作材料

學(xué)生電源、電池盒、4節(jié)干電池、白色塑料板、電線、軟導(dǎo)線2條、3個(gè)小燈泡、3個(gè)燈座、3個(gè)開關(guān)、1個(gè)數(shù)字電流表、1個(gè)數(shù)字電壓表。

3.儀器的制作過程

首先，設(shè)計(jì)一個(gè)由3個(gè)小燈泡并聯(lián)的電路。按照并聯(lián)電路的關(guān)系，把電池盒、開關(guān)、燈座、數(shù)字電流表和數(shù)字電壓表如圖所示安裝在白色塑料板上。用電線把各個(gè)元件按圖上的電路連接起來。最后，裝上電池和小燈泡。如圖2所示。

4.使用方法和實(shí)驗(yàn)過程

（1）用軟導(dǎo)線把電池的正負(fù)極與電路板的正負(fù)極接線處連接起來。打開電壓表的開關(guān)，電流表選擇直通檔位。

（2）閉合第一個(gè)小燈泡的開關(guān)，觀察小燈泡的發(fā)光亮度，并把電壓表的示數(shù)記錄下來。

（3）閉合第二個(gè)小燈泡的開關(guān)，觀察小燈泡的發(fā)光亮度，并把電壓表的示數(shù)記錄下來。

（4）閉合第三個(gè)小燈泡的開關(guān)，觀察小燈泡的發(fā)光亮度，并把電壓表的示數(shù)記錄下來。

（5）用軟導(dǎo)線把學(xué)生電源的正負(fù)極與電路板的正負(fù)極接線處連接起來。打開電流表的開關(guān)。學(xué)生電源選擇6V，與4節(jié)干電池的電壓理論上是一致的。重復(fù)第（2）至（4）步驟，再做一次實(shí)驗(yàn)。

第一次實(shí)驗(yàn)，選擇用6V干電池與電路連接。如表1所示。

按照學(xué)生初中時(shí)所學(xué)的歐姆定律，在并聯(lián)電路各支路電壓與電源電壓相等，但實(shí)際情況并不符合。這是因?yàn)椋踔须A段，我們把電源內(nèi)部的內(nèi)阻忽略掉了。由全電路歐姆定律我們得知，電源內(nèi)部是有電動(dòng)勢和內(nèi)阻的。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電路為純并聯(lián)電路，并的支路越多，由R=可知，外電阻R是減少的。當(dāng)電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r為一定時(shí)。外電阻R增大時(shí)，由I=E/（R+r）可知，電流I減少，因而內(nèi)電路的電勢降落U內(nèi)=Ir減少。由U=E－Ir可知，這時(shí)路端電壓U增大。相反，當(dāng)外電阻R減小時(shí)，電流I增大，路端電壓U減少。所以并的支路越多，路端電壓減少，燈泡變暗。

但如果電源的輸出功率（輸出電流）足夠的情況下，能夠保證穩(wěn)壓輸出，則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。接著，換學(xué)生電源，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。

第二次實(shí)驗(yàn)，選擇6V學(xué)生電源穩(wěn)壓輸出，然后連接電路，如表2所示。

我們在研究電源的時(shí)候，很多時(shí)候只研究它的電動(dòng)勢、輸出電壓（路端電壓）、內(nèi)電壓。但實(shí)際上電源除了有輸出電壓還有輸出電流。在電源的輸出功率足夠的情況下，輸出電壓為穩(wěn)壓輸出，這時(shí)電路中的路端電壓幾乎能保持不變，也就是學(xué)生在初中所學(xué)的在并聯(lián)電路中各支路電壓相等U=U1=U2=U3。這時(shí)的輸出電流，也符合初中所學(xué)的并聯(lián)電路中總電流I=I1+I2+I3。

5.儀器的優(yōu)點(diǎn)

（1）制作簡單。制作這個(gè)示教板所需的材料很簡單，成本很低，制作工序也簡單。便于推廣和普及。

（2）操作方便。閉合小燈泡的開關(guān)，觀察小燈泡的發(fā)亮情況得出結(jié)論，也可從數(shù)字電流表和數(shù)字電壓表上直接讀數(shù)得出結(jié)論。

（3）對比實(shí)驗(yàn)切換簡單。該教具除了解決書本上輸出電壓的問題，還可以拓展延伸講到輸出電流的問題。

6.路端電壓與負(fù)載關(guān)系的分析

路端電壓U=E-Ir，從這個(gè)公式我們可以清晰地看出路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載電阻R增大時(shí)，電路中的電流I會(huì)減小。因?yàn)閮?nèi)阻r不變，根據(jù)U=E-Ir，隨著I的減小，Ir的值減小，路端電壓U就會(huì)增大。反之，當(dāng)負(fù)載電阻R減小時(shí)，電路中的電流I會(huì)增大，Ir的值增大，路端電壓U就會(huì)減小。從函數(shù)關(guān)系的角度來看，路端電壓U和負(fù)載電阻R之間是一種非線性的關(guān)系。當(dāng)R趨近于無窮大時(shí)，也就是電路開路的情況，此時(shí)I為0，路端電壓U等于電源電動(dòng)勢E；當(dāng)R趨近于0時(shí)，也就是電路短路的情況，此時(shí)電流I達(dá)到最大值E / r，路端電壓U趨近于0。

因此，路端電壓與負(fù)載之間相互影響，負(fù)載電阻的變化會(huì)引起路端電壓的改變，這種關(guān)系在電路分析和實(shí)際電路應(yīng)用中都有著至關(guān)重要的意義。

四、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是針對教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，有利于教學(xué)，且操作簡單直觀，效果明顯，具有很好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。通過以上兩個(gè)自制示教板的實(shí)驗(yàn)探究，得出路端電壓與負(fù)載電阻之間存在著密切的關(guān)系。在閉合電路中，當(dāng)負(fù)載電阻增大時(shí)，路端電壓增大并趨近于電源電動(dòng)勢；當(dāng)負(fù)載電阻減小時(shí)，路端電壓減小。這一結(jié)論很好地驗(yàn)證了閉合電路歐姆定律。

參考文獻(xiàn)：

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[2]邢占樂，谷樹亞，張春梅.淺談研究電源最大輸出功率的幾種方法.物理通報(bào)，2018（08）.

責(zé)任編輯 韋英哲