用自制可控内阻电源演示电路规律

袁丽丹,黄卫良

(乐余高级中学,江苏张家港215621)

1 引 言

闭合电路规律是高中物理的重点教学内容,其中的电学实验往往是高考考查的重点.因此,在新课教学中确保让学生通过独立探究得出清晰的实验结论至关重要.但笔者在物理实验室管理工作中发现教师和学生在探究闭合电路欧姆定律规律实验中存在着诸多实际问题:

1)实验室配备的可控内阻铅蓄电池可操作性较差.很多学校实验室都配备可控内阻蓄电池来演示闭合电路外电压、内电压之间的关系.但笔者发现该铅酸蓄电池使用前要加注稀硫酸并进行充电,使用后必须定期进行充放电维护,否则非常容易腐蚀变质失效,几乎就是昂贵的一次性电源.同时该蓄电池通过内部的隔板高低来控制内阻的大小,我们在实验中发现通过调节后内阻也往往很小且不够稳定,实际操作中内电压测量误差较大,演示闭合电路规律可操作性较差.

2)用干电池来做电路规律实验效果不明显.闭合电路中路端电压与电流的关系、路端电压与负载的关系是核心内容,其中规律需要学生通过学生实验来探究得出.实际操作中一般都选用2号干电池作为电源.为了能观察到路端电压的明显变化,往往要求内阻较大,即最好用旧干电池做实验,但整个年级的学生实验需要这样的旧干电池100多个,让这么多的干电池老化变旧可不是容易的事情.同时教学中还发现,旧干电池的电动势和内阻会发生明显的变化,往往这个班级实验时规律还算明显,接下来的班级做实验时规律已经不明显了.

鉴于此,笔者自制了能够满足高中物理电学实验教学要求的精确可控内阻电源.

2 实验原理

如图1所示,方框内的核心部件是2个全新锂电池(型号为14500,5号电池外形,充满电后电动势约为4 V,标称3.7 V是正常放电范围内的平均值),由于锂电池的内阻极小,只有 50～80 mΩ,故可以把其看成是内阻几乎为零的理想电源.在2个锂电池之间串联10Ω/2 W的金属膜电阻,因为该电阻阻值远远大于锂电池组的本身内阻,故该电池组的实际内阻就是10Ω.当然也可视实验的要求选用其他阻值的电阻.加外壳,即构成了内阻为10Ω的新电源.

图1 可控内阻电源内部原理图

3 电源外观、优点与制作

教学中该电源充好电后其电动势约为8 V,且非常稳定,实际的一次电学实验由于放电电流小于0.6 A,放电时间少于15 min,其电动势波动小于0.1 V.由于其内阻为10Ω和普通负载电阻较为接近,故路端电压变化非常明显.由于短路电流不到1 A,故该电源还可以演示短路状态下电路规律.充电时只要取出锂电池用手机万能充电器充电即可,充电1次可以满足10次以上实验需要.因为锂电池充放电次数可以达到500次,故该电源可以长期供教学使用.

把2个锂电池和10Ω大功率电阻放入塑料外壳或木制外壳,由于电路简单,不用制作印刷电路板,直接把它们固定在硬纸板上连接好再放入外壳内.拉出正极和负极2根导线和外壳上的正负接线柱相连即可.

4 自制可控内阻电源的实测数据

4.1 探究路端电压与电流关系

实验电路如图2所示,实测数据如表1所示,Excel数据处理分析及拟合图像如图3所示,可以发现实验数据非常理想,可以清晰得出实验结论.由图3中的拟合方程的斜率和截距还可以得出内阻 r=10.021Ω,电动势 E=8.025 8 V.

图2 路端电压与电流的关系实验电路

表1 路端电压与电流关系测量数据

图3 Excel处理后的散点分布图、拟合直线及方程

4.2 探究路端电压与负载的关系

实验电路如图4所示,实测数据如表2所示,Excel数据处理后散点图如图5所示.同样可以发现数据很理想,规律非常明显.

图4 路端电压与负载的关系实验电路

表2 路端电压与负载关系测量数据

图5 Excel处理后的散点分布图

[1] 杨化明.理论实验课的协同教学尝试[J].物理实验,2007,27(4):30-31.

[2] 宋钢,翟林华.用板式电势差计测量电池的电动势和内阻实验的改进[J].物理关验,2004,24(11):41-43.