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        打開電源 剖析電動勢 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:電壓表電動勢伏安

        關(guān)亞男

        (錦州師范高等專科學校, 遼寧 錦州 121000)

        打開電源剖析電動勢正視能量轉(zhuǎn)化

        關(guān)亞男

        (錦州師范高等??茖W校, 遼寧 錦州 121000)

        從本質(zhì)上,電源電動勢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程。

        電源;電動勢;能量轉(zhuǎn)化

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

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

        從本質(zhì)上,電源電動勢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程。

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

        下面從以下兩個角度來研究其大小。

        1 理論角度

        從理論上講非靜電力通過做功,將電源內(nèi)部的正、負電荷分別搬運到電源負、正兩極,使電源正、負兩極間出現(xiàn)電勢差。根據(jù)E=W/q,知電動勢即電源內(nèi)部每搬運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,即電源電動勢,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。

        以上四個表達式都是關(guān)于電源電動勢的理論計算公式。在具體解題時,已知量和未知量滿足哪個關(guān)系式,就直接運用哪個公式解題。

        需要說明的是,并不是所有的題都能用上述四個表達式直接計算得出來,由于電路結(jié)構(gòu)的復雜多樣性,常常導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用,具體解題要因題而異。

        2 實驗角度

        從實驗測量的角度講,電源電動勢即開路(或斷路)電壓,相當于直接將電壓表接在電源兩極間測得的結(jié)果。它是符合表達式①的。因為電壓表內(nèi)阻比較大,直接接在電源兩端相當于電路斷路,這樣內(nèi)電路電壓為零,則外電路電壓就等于電源電動勢。

        這里需要說明一點的是,當電路斷開時,電壓表測的是電源電動勢;當電路閉合時,電壓表只能測量部分或整個外電路電壓。需要說明的是,通常情況下,電路閉合時,電壓表不能直接測量電源內(nèi)部電壓。

        對于一個固定的電源,其電源電動勢和內(nèi)阻是確定的,根據(jù)前面表達式,可用以下幾種方法來測量。

        〖方法一〗伏安法根據(jù)表達式②——E=U外+Ir,在同一電源下工作,能測出兩組不同的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,因此把這種測量方法稱為“伏安法”。其電路如圖甲所示。這是最簡便易行的方法。圖中的用電器使用滑動變阻器即可,可以多次改變電阻值實現(xiàn)多次測量,又可以無需知道其具體阻值大小。

        這里的“伏安法”在電學實驗中用處頗大。根據(jù)R=U/I,用“伏安法”可以測電阻;根據(jù)P=UI,用“伏安法”又可以測量用電器的電功率。它們與“伏安法”測量電源的電動勢和內(nèi)阻都是同一個道理,即都需要有電壓表和電流表。

        〖方法二〗安阻法當手中只有一塊電流表時,根據(jù)表達式③——E=I(R+r),在同一電源下工作,能測出兩組不同的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〗伏阻法當手中只有一塊電壓表時,根據(jù)表達式④——E=U外+(U外/R)r,在同一電源下工作,能測出兩組不同的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用。

        同樣,在這三種基本方法的基礎(chǔ)上,會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。

        這里需要說明一點,對于一個固定的電源,其電動勢是恒定不變的,內(nèi)阻往往隨著使用的時間而增大,導致電路電流變小,這就是用久了的電源效果不好的原因。

        綜上所述,研究電路電源問題,一定要首先打開電源——認清電源結(jié)構(gòu),重點剖析電動勢——理解電動勢的物理意義,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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