光伏电池为什么没有电动势和内电阻这一组概念？
光伏电池是把光能直接转化为电能的新型电源，对于光伏电池，常用的两个参数是开路电压 U断路 和短路电流 I短路。把光伏电池作为电源，与外电阻组成闭合电路，在光照条件保持不变的情况下，改变外电路电阻，测量路端电压 U 与电流 I，并作出 U – I 图像，它并不是一条直线。光伏电池与化学电池不同，不能把 U断路 称为电动势，也不能把 U断路 与 I短路 的比值称为内电阻。
对于光伏电池（简称光电池），主要参数有开路电压（即断路时的路端电压）及短路电流，没有电动势及内电阻的概念。
一、不应该出现的题目
在中学物理教学中出现过这样的题目：有一组光伏电池，其开路电压为 5.6 V，短路电流为 11.2 mA，现把阻值为 200 Ω 的电阻作为负载与它连接，电路中的电流及路端电压各是多大。
解：由题设条件知，电源电动势 E = 5.6 V，内电阻 r = \(\frac{E}{{{I_{短路}}}}\) = \(\frac{{5.6}}{{11.2 \times {{10}^{ - 3}}}}\) Ω = 500 Ω。
根据闭合电路欧姆定律，通过的电流 I = \(\frac{E}{{R + r}}\) = \(\frac{{5.6}}{{200 + 50}}\) A = 8×10−3 A = 8 mA。
路端电压 U = IR = 8 mA×200 V = 1.6 V。
这种解法对于学生来说并不困难，却存在一些根本性的问题：光电池作为直流电源是否可以适用闭合电路欧姆定律；开路电压是否就是电动势；开路电压与短路电流的比值是否就等于光电池的内电阻。
二、改变负载时光电池的 U – I 图像
有一位老师做了一个实验：用光电池作为电源，在光照条件保持不变的情况下，通过改变负载电阻而改变电路的状态，测量了多组光电池的路端电压 U 及相应的电流 I 的数据。实验电路如图 1 所示，使用的负载电阻用变阻器符号代表，负载电阻的阻值 R、电压表示数 U 及电流表示数 I 的数据记录在下面的表格内。
|
R/Ω |
0 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1 000 |
2 000 |
3 000 |
|
U/V |
0.06 |
1.15 |
2.19 |
3.12 |
3.94 |
4.47 |
4.81 |
4.99 |
5.10 |
5.18 |
5.22 |
5.43 |
5.48 |
|
I/mA |
11.1 |
10.8 |
10.6 |
10.1 |
9.6 |
8.8 |
7.9 |
7.0 |
6.3 |
5.7 |
5.2 |
2.7 |
1.8 |
把表格中的数据都标记在如图 2 所示的坐标系内，并用光滑的曲线把这些数据点连接起来，作出该光电池的路端电压 U 与通过的电流 I 间的图像，把该图像延长并与纵轴相交，得到 r = 0 时的路端电压，即开路电压，另一端与横轴的交点为 U = 0 时的电流值，即为短路电流的数值。这与使用化学电池作电源而通过实验得到的 U – I 图像很不相同。
如图 3 所示，化学电池的 U – I 图像是一条倾斜的直线，其中图像写纵轴的交点即为 I = 0 时的路端电压 U0；与横轴的交点即为 U = 0 时的电流，即短路电流 I0。
在图像任取一点，其坐标为（I，U），根据几何关系可知 \(\frac{U}{{{I_0} - I}}\) = \(\frac{{{U_0}}}{{{I_0}}}\)，变形为 U = U0 – I \(\frac{{{U_0}}}{{{I_0}}}\)。
根据闭合电路欧姆定律，路端电压 U = E − Ir。联立两式，得 E = U0，r = \(\frac{{{U_0}}}{{{I_0}}}\)。
光电池的 U – I 图像不是一条直线，上述结论都不成立，因此光电池没有电动势与内电阻这一组概念，也不遵守闭合电路欧姆定律。本文开始那样的题目根本不应该出现，而解答也完全是错误的。
三、得到的启示
学生在初中就学习过欧姆定律，那应该叫作不含源的部分电路的欧姆定律，简称部分电路欧姆定律，它的核心内容是“通过导体的电流，与它两端的电压 U 成正比”，即 I ∝ U。满足它的导体遵守欧姆定律，不满足它的导体不遵守欧姆定律。最开始欧姆本人是以金属导体为研究对象而得出的结论，其余导体是否遵守欧姆定律，要通过实验进行验证。经验证，除金属导体外，酸、碱、盐的水溶液（也称电解质溶液）也遵守欧姆定律，而导电的气体以及半导体材料制成的器件，都不遵守欧姆定律：
对于闭合电路欧姆定律，也应该如此。它是用化学电池作为电源而得出的结论，对于其他的电源是否适用，必须进行实验验证。测量并绘制其路端电压 U 与通过的电流 I 的关系图像，看其图像是不是一条直线，可以作为判据，如果其 U – I 图像是一条倾斜的直线，则它遵守闭合电路欧姆定律，如果是一条曲线，则不遵守闭合电路欧姆定律，或者说这种电源没有保持不变的电动势和内电阻。
物理教学在学生世界观的形成上起到非常重要的作用，发展素质教育，落实立德树人的目标，是我们物理教学的主要目标，这里面对学生进行“实践是检验真理的唯一标准”教育应该是非常重要的一项内容，在进行欧姆定律（包括部分电路欧姆定律和闭合电路欧姆定律）教学的过程中，正是强调和落实这一教育思想的时候。本篇最开始出现的那道习题，恰恰与此背道而驰，它的解法是把学生学过的一知半解的知识随便扩大适用范围，胡乱套用公式，这将会对学生产生深远的不良影响，因此千万不可小看一道普通的习题。
文件下载（已下载 7 次）发布时间：2024/6/17 下午8:12:30 阅读次数：187
