一种可调电动势和内阻的改进型学生电源

引言

闭合电路欧姆定律是高中《物理》电学核心知识，相比于初中的欧姆定律，电源内阻不能忽略。因此，连接负载时端压小于电源电动势，随负载电阻减小而减小，比例系数由内阻和电动势决定。日常生活常见的干电池、手机电池、电动自行车电池等在使用中都有这个现象。

存在的问题

学生在学习闭合电路欧姆定律时，对应的实验是伏安法测定干电池电源电动势和内阻，包括传统伏安法和数字化信息系统（DIS） 实验。传统实验用纸笔记录多组数据并描点绘图，再运用图像求解；数字化实验通过使用电压传感器和电流传感器连续获取数据并自动拟合、自动生成结论。两种方法均止步于得出推测值，无法检验这个值与电源实际的电动势和内阻是否一致。

改进需求

有一种直接测量电源电动势和内阻的方法，将表笔伸入电解质为液体的电池内部进行电动势测量[1]，但电解液一般具有腐蚀性，通电时还会产生气体，不适合学生实验，而且实验耗时长、准确度欠佳。因此，需要研发一种改进型学生电源。具体需求为：①体积和质量不能太大，便于摆放和储藏；②可通过正负极输出电压、电流，与干电池效果相同；③内置电源，可长时间连续稳定工作；④可调节电动势、内阻大小，并能直接显示或测出具体数值；⑤成本控制在100 元以内；⑥使用常见元器件，便于仿制。

设计目的与思路

在解电路题目时，常将干电池等效为一个电压恒定不变的电压源与一个电阻串联的组合，从而简化电路便于求解。反之亦然，将一个恒定不变的电压源与一个电阻串联，作为一个整体也可等效替代普通干电池。

实验室标配有学生电源，可调节并显示电压大小，电压不随负载变化而变化，满足电压源的特性。但学生电源的体积比较大，还需连接市电使用，因此需寻找一款小巧且能调节电压大小的电源模块。

电阻选择应注意两点，一是能改变电阻值便于学生定量研究，二是正常使用时不易烧坏，需找到一款小巧的滑动变阻器。

最后，要将上述内容集成在一个框架内，同时配上锂电池和充电模块，可通过3D 打印或激光切割制作。

设计原理

材料选型

通过在购物网站搜索， 选定了以下主要元器件：① 3 000 mAh12 V 锂电池充电套装；② DC-DC可调稳压降压模块，最大电流3 A；③ 50 Ω 圆盘滑动变阻器，最大功率50 W。上述元器件在生产生活中广泛使用，成熟可靠且价格实惠，成本约82 元。

三维设计

通过测量各元器件尺寸， 制订集成方案。如图1 所示，设计了9 cm×9 cm×9 cm的立方体电源盒，可容纳各元器件，同时满足轻巧便携和便于收纳堆叠的需求。

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电路设计

如图2 所示，首先将锂电池一个接口接入降压模组的输入端，另一个接口给锂电池充电。再将降压模组输出端引出，一路与圆盘滑动变阻器串联，另一路直接引出，这就是改进型学生电源的正负极。同时，圆盘滑动变阻器引出两路导线空接，用于断电时测量内阻。

制作过程

如图3 所示，将滑动变阻器和降压模块分别安装在3D 打印外壳上，完成电路连接并用螺丝固定。再将锂电池连入降压模块，并将充电口引出，最后将所有元器件收纳固定并合上盖板（图4）。各角度完成图如图5 所示。

使用方法

如图6 所示，可通过旋转调节螺丝改变电源电动势。

可通过旋转旋钮改变内阻阻值，断路时使用多用电表欧姆挡，用2个表笔接触检测螺丝，可读出内阻精确值（图7）。

如图8 所示，改进型学生电源与传统物理实验室中的电源使用方式相同。

效果测试

如图9 所示，连接改进型学生电源、滑动变阻器、传感器、采集器等元器件，进行闭合电路欧姆定律的数字化学生实验（必修）。数字化实验结果为电动势6.47 V、内阻13.66 Ω；改进型学生电源测试结果为电动势6.4 V、内阻约为13.8 Ω。结果表明，改进型学生电源达到了预期效果。

教学应用

活动目标

①小组合作，梳理闭合电路欧姆定律相关知识，并整理交流。②制订研究计划，选择合适的设备材料，明确组内成员分工。③完成电源电动势和内阻的测量，将推测出的数值与实际数值进行对比，找出误差原因，提出改进方案。④总结并得出结论，解释生活中常见的用电现象，提出创造性设想，并相互评价。

材料设备

改进型学生电源、电压表、电流表或数字化实验设备、滑动变阻器、负载、电键、导线等。

活动时间

40 分钟。

活动过程

活动过程见表1。

参考文献

[1] 赖佳颖.“电源电动势和内阻、闭合电路欧姆定律”的教学优化[J]. 物理教学，2015，37（6）：17-20.

该项目获得第37 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖■