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        打開(kāi)電源 剖析電動(dòng)勢(shì) 正視能量轉(zhuǎn)化

        2015-10-17 03:30:50關(guān)亞男
        河南科技 2015年22期
        關(guān)鍵詞:電壓表電動(dòng)勢(shì)伏安

        關(guān)亞男

        (錦州師范高等專(zhuān)科學(xué)校, 遼寧 錦州 121000)

        打開(kāi)電源剖析電動(dòng)勢(shì)正視能量轉(zhuǎn)化

        關(guān)亞男

        (錦州師范高等專(zhuān)科學(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(kāi)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(xiě)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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.

        TM771

        A

        1003-5168(2015)11-236-01

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