必修三 课题研究

研究样例

充电宝不同电量时的电动势和内阻研究

问题的提出

随着智能手机耗电的增加,充电宝成了手机及时充电的一种重要选择。在人们心目中,充电宝就是跟蓄电池和干电池一样的可移动直流电源。

充电宝真的跟蓄电池和干电池一样,是一个有一定电动势和内阻的直流电源吗?电池的电动势会随着电池的不断供电而有所减小,内阻会随之增大,充电宝是否也是如此?如果是这样,充电宝所显示的电量百分比[1](图研 -1)达到多少时,它的电动势就会减小到低于额定值而不能正常工作呢?这是一个很有实际意义的问题。

图研 -1

面对一个真实的情境,通过与已有认知的联系和分析,提出并表述可以进行探究的物理问题。科学探究的问题,常常是这样提出的。

实验原理

通常锂电池的输出电压是 3.7 V,但充电宝的输出电压达到 5 V,这是由于在充电宝中有相应的升压和稳压电路,充电宝并不是一个纯粹的锂电池。因此,它有没有一定的电动势和内阻,这是一个需要研究的问题。

这里所说充电宝的电动势,并不是从能量转化的本质特征上来判断的,而是从充电宝的电路特性来判断的。因为使用充电宝时,我们关心的是充电宝作为一个电源所表现的电路特性。为此,我们把充电宝作为一个电源,看一看它对负载供电时,其路端电压 U 和电流 I 的关系是不是跟通常电池一样,其 UI 图像是否为一条直线。如果是一条直线,表明其电路特性跟普通电池一样,具有一定电动势和内阻。

实验器材

实验电路图如图研 -2 所示。两只数字多用表分别作为电压表和电流表;滑动变阻器 R 用于改变电路中的电流;R0 作为保护电阻,以防止滑动变阻器调节过度导致短路;电路中的电源为充电宝,通过充电宝的连接线接入电路。剥开充电宝连接线的外绝缘层,里面有四根导线,红导线为充电宝的正极,黑导线为负极,其余两根导线空置不用。

图研 -2

实验操作

1.记录被测充电宝实验时的电量百分比(开始时的电量百分比为 100%)。

2.按电路图连接实物电路(图研 -3)。将滑动变阻器电阻调至最大。

图研 -3

3.闭合开关,依次减小滑动变阻器的阻值,记录每次操作的电流表和电压表的示数,将示数记录在表 1 中。

表 1 电量 100% 时电流表和电压表的示数

电量

(80%)

电流 I / A

0.051

0.072

0.111

0.272

0.344

0.415

0.533

0.731

电压 U / V

3.829

3.780

3.675

3.240

3.038

2.842

2.531

1.985

电量

(60%)

电流 I / A

0.051

0.070

0.111

0.265

0.307

0.369

0.440

0.603

电压 U / V

3.751

3.707

3.599

3.203

3.072

2.943

2.596

2.329

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.根据以上数据作出 UI 图像,从中可以看到这些点在同一条直线上(图研 -4)。这与通常电池的 UI 图像形状一样,说明充电宝在电量 100% 时,跟通常电池的电路特性相同,具有一定的电动势和内阻。由直线与坐标轴的交点可以得到被测充电宝在电量 100% 时,电动势为 5.07 V,内阻为 0.11 Ω。

图研 -4

5.当充电宝电量为 80%、60%、40%、20%、5% 时,重复上述实验操作,得到不同电量下各组 UI 的实验数据,把这些数据填在表 2 中。

表 2 各种电量下的电流表和电压表的示数

电量

(80%)

电流 I / A

0.051

0.072

0.111

0.272

0.344

0.415

0.533

0.731

电压 U / V

3.829

3.780

3.675

3.240

3.038

2.842

2.531

1.985

电量

(60%)

电流 I / A

0.051

0.070

0.111

0.265

0.307

0.369

0.440

0.603

电压 U / V

3.751

3.707

3.599

3.203

3.072

2.943

2.596

2.329

 

 

 

 

 

 

 

 

 

根据 UI 图像,得到各种电量下的电动势 E 和内阻 r 的值,把它们填在表 3 和表 4 中,以便跟锂电池的相关性能进行对比。

数据分析和结论

1.充电宝可以视为跟电池一样的直流电源。根据充电宝在不同电量时的输出电压 U 与电流 I 的关系,分别作出U-I 图像,得到的都是一条直线,都跟上述电量 100% 时的情况相同。这表明,充电宝在各种电量下放电时,都具有跟电池一样的电源特性。因此,可以把充电宝看作一个跟电池一样有一定电动势和内阻的直流电源。

2.在研究充电宝电动势的特点时,我们把可拆卸的手机锂电池,用以上同样的方法,测量他们在不同电量下的电动势和内阻,跟被测充电宝的数据一起,填在表 3 和表 4 中,以比较其性能的异同。下面先比较它们电动势的不同特点。

表 3 充电宝在各种电量下的电动势跟锂电池对比

电量 /%

100

80

60

40

20

5

充电宝电动势 /V

5.07

5.04

5.04

5.00

5.14

5.08

锂电池电动势 /V

4.16

3.96

3.85

3.80

3.75

3.64

 

表 4 充电宝在各种电量下的内阻跟锂电池对比

电量 /%

100

80

60

40

20

5

充电宝内阻 /Ω

0.11

0.21

0.20

0.21

0.25

0.15

锂电池内阻 /Ω

0.25

0.23

0.23

0.24

0.26

0.25

 

根据充电宝和锂电池在不同电量下的电动势数据绘成图研 -5,可以看到:锂电池的电动势随着储电量的下降逐步减小,储电量由 100% 下降到 5% 的过程中,锂电池电动势的减小量超过 0.5 V,占原电动势数值的 8%。而充电宝的电动势非常稳定,几乎跟所储存电量的多少没有关系,电量在已充满和快用完之间,被测充电宝的电动势始终是5.1 V 左右。

图研 -5

3.在研究充电宝内阻的特点时,我们根据表 4 中充电宝和锂电池在不同电量下的内阻数据绘成图研 -6,可以看到:充电宝和锂电池的内阻都非常小,所测得的最大值都不超过 0.3 Ω,其中充电宝的内阻更小一些。不管是充电宝还是锂电池,其内阻跟储电量没有明显的相关。虽然充电宝在不同电量下测得的内阻数值有所不同,但它们离平均值的差异都小于 0.1 Ω。可以认为,这是由测量时的偶然误差引起的,其数量级跟实验用的导线电阻相当。

图研 -6

4.本实验结论具有一定的现实意义。手机锂电池随着储电量的减少,电动势逐步降低,其电源性能的变化主要是电动势的变化。特别是电量下降到 10% 以下时,其电动势已下降到 3.7 V 以下,低于锂电池的标称电压,这提示我们,此时应该对手机电池充电了。

充电宝跟锂电池不同,其电动势跟储电量没有关系,它在不同电量下作为电源的供电性能是一样的,即使储电量减少到 5% 甚至更低,其供电效果跟充满电时完全相同。充电宝的内阻很小,包括电路中被测量的导线在内,其阻值总计也只有 0.2 Ω 左右,因此,充电宝的内电路对输出电压的影响是非常小的。例如,充电宝用 1 A 电流和2 A 电流对手机电池充电时,理论上 2 A 充电比 1 A 充电的输出电压要小,但对 0.2 Ω 内阻来说,电流增大 1 A 所造成的内电路电压只变化了 0.2 V,其供电效果不会发生明显的变化。

研究表明,如果使用所测试的充电宝供电,不必考虑充电宝的电量百分比以及电流大小对输出电压的影响。

参考选题

手机耗电因素的研究

研究内容:智能手机功能强大,带来方便的同时,耗电太快已经成为大众普遍关注的问题。屏幕亮度、音量等功能的设置,上网浏览、微信聊天、主叫电话、视频播放、录音重放、网络游戏等功能的应用,都是影响手机耗电的因素。那么,哪些因素对耗电的影响大一些呢?请你设计方案,开展研究。

 

[1] 充电宝从 100% 放电至 0 所放出的电荷量叫作电量。

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发布时间:2023/1/18 21:24:01  阅读次数:151

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