正文 第15章 恒定電流的實驗操作與改進設計(3)(2 / 3)

一種內阻可變的新型實驗電池

高中《物理》電學教學中,采用的直流電源為幹電池或蓄電池,由於上述電源內阻大小,所以在教學中的幾個實驗不得不通過串聯一個電阻做假內阻的辦法來解決。這樣做,往往給學生以假象,容易得出錯誤的概念,有的實驗依靠假內阻的辦法還難以解決。

江蘇武進湖塘中學沈曉明老師設計了一種內阻可調,電動勢較穩定的蓄電池,能較好地完成“閉合電路歐姆定律”、“用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內阻”、“研究電源的輸出功率”等實驗。該電池還可當作普通電池使用。

結構和特點:

1、2鉛板3改變內阻的通道4上下可移動的形∩管5底座6提手該蓄電池備有兩個電液槽、電液槽間的電液溝通依靠處在兩槽間上部的通道(3),電液處在通道以下,兩電液槽不通,在兩槽中各插入一付鉛板(1、2),經充電後即成兩個各自獨立的鉛蓄電池,串聯後,電動勢4V,容量大於1安培·小時,可作為一般直流電源供學生實驗用。

在兩電液槽內各插入一塊正負鉛極板,並在兩槽間插入“∩”形管(4),上下移動“∩”管(∩形管的定位是依靠緊貼在通道側麵的塑料上),改變通道內電液麵的大小(電池盒外刻有刻度),以致電池內阻發生變化。作“閉合電路歐姆定律”實驗時,在兩液槽中分別插入探針即可。

該電池結構緊湊、合理。造型美觀、電池設有提手,手提方便;地池底座較大,且呈凹形,不僅增加了電池穩度,而且可盛偶爾溢出的電液,電池整體結構均采用耐酸塑料,無金屬件,不怕腐蝕。

用該電池作“閉合電路歐姆定律”實驗時,電池內阻可調在20Ω以上,作“用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內阻”實驗時,內阻可調在5Ω左右。作“研究電源的輸出功率”實驗時,內阻同上。具體實驗作法與一般相同,這裏不再贅述。

伏打電驗電器的一種新方法

某些以往的物理演示實驗儀器隻需稍加改進仍可繼續使用,1782年製作的Alessandro伏打電容式驗電器就是一例。至今它仍能有效地演示怎樣用9V半導體電池使驗電器帶電。這個演示有助於學生理解通常用靜電方法產生的各種現象亦可用動態電再現。

原來的電容式驗電器,複製自Ganot(1868)。改進了驗電器是用一金屬平板代替頂部的圓球。給與此金屬平板大小相同的另一金屬平板上,塗一層薄絕緣材料(例如清漆),並安裝一玻璃手柄,放在驗電器的金屬板上。由於兩板之間是絕緣的,所以驗電器上就有了一個可調平行板電容器。

用一帶電棒接觸下極板(叫伏打電集板),同時用手指使放置在下極板上的上極板(叫接地板)接地,使電容器充電。如果下極板帶的是負電,上極板就帶上了正電。

然後移去手指再取走帶電棒,那麼電容器就充了電。在兩極板上,電量相等,符號相反,量值不變。抓住絕緣手柄,提起上極板,於是驗電器的金箔就張開了。

當驗電器不附加此電容器時,如果用帶相同電量的帶電棒直接給驗電器的球上帶電,那為什麼金箔不易張開呢?事實上,答案在於驗電器指示的是電勢,而不是電量。注意整個驗電器各部分葉片和下極板是同一電勢V,且V=Q/C,這裏Q是其中一極板上的電量,C是電容器的電容量。提起上極板,將使C減小,而整個驗電器的電勢V將增大,如果說直接帶電的驗電器的電勢是V0,有電容器的帶電驗電器具有電勢αV0,這裏α是一常數。當兩極板分離時,電容量減小為1/α,則電勢增大為α倍。

用導線把9V半導體電池連接到平行板電容器上

新近,它是用了一個較簡易獨立的電容器(APSSC教科書中已有一圓板安裝在咖啡瓶上,因此可用原先的伏打驗電器)。電容器的兩極板直徑大約10cm,用一張蠟紙作為電介質(絕緣層),最好是聚酯薄膜。用玻璃或塑料作上、下極板的絕緣手柄和支架。用短線連接下極板和驗電器。再把電池的兩極分別與上、下極板連接。移去上極板,金箔就張開了。此時將驗電器與下極板很快斷開。