打開電源　剖析電動勢　正視能量轉化

關亞男

（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化

關亞男

（錦州師范高等專科學校， 遼寧 錦州 121000）

從本質上，電源電動勢反映了電源將其他形式的能轉化為電能的本領；從功用上，電源又肩負著把電能轉化為其他形式能量的使命。這樣，在電源內部，是完成其他形式的能量轉化為電能的過程；而在電源外部，是完成電能轉化為其他形式的能量的過程。

電源；電動勢；能量轉化

“電源”，顧名思義，電的來源。的確，日常生活經驗告訴我們，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化本領強弱的物理量。

從本質上，電源電動勢反映了電源將其他形式的能轉化為電能的本領；從功用上，電源又肩負著把電能轉化為其他形式能量的使命。這樣，在電源內部，是完成其他形式的能量轉化為電能的過程；而在電源外部，是完成電能轉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、負兩極間出現電勢差。根據E=W/q，知電動勢即電源內部每搬運1c電荷克服非靜電力所做的功的多少。

在電源內部電阻r不可忽略的情況下，閉合電路中內外電路是串聯的，根據串聯的規律，內外電路的電流相等，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┄┄①。

根據部分電路歐姆定律，有U內=Ir，代入①式中得E=U外+Ir┄┄②。

同理，設外電路的總電阻為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，由于電路結構的復雜多樣性，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果。它是符合表達式①的。因為電壓表內阻比較大，直接接在電源兩端相當于電路斷路，這樣內電路電壓為零，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部電壓。

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

〖方法一〗伏安法根據表達式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R=U/I，用“伏安法”可以測電阻；根據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——認清電源結構，重點剖析電動勢——理解電動勢的物理意義，關鍵正視能量轉化——掌握電路中能量轉化關系。

［1］杜志建.《高中物理》〔M〕.烏魯木齊：新疆青少年出版社，2012:213.

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1003-5168（2015）11-236-01