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等效法:研究物理现象和过程的有效方法

更新时间:2024-09-16 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

等效方法是基于相同效应来研究物理现象和过程的方法,是把复杂的物理现象和过程转换成理想的、等效的、简单的物理现象和过程来研究和处理的方法。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

1、等效电源电动势和内阻的计算方法ZaY物理好资源网(原物理ok网)

按照教科书的说法,一个电源的电动势应该等于电路开路时该电路末端的电压,或者可以直接在电源两端接一个理想电压表来测量。如图1、图2所示,将R1或R2看作电源内部,也就是将虚线框内的电路看作一个等效电源。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

从以上结论我们可以知道:ZaY物理好资源网(原物理ok网)

图1中等效电源电动势:E/=EZaY物理好资源网(原物理ok网)

内部电阻(因为 R1 和 r 串联):r/=R1+rZaY物理好资源网(原物理ok网)

图2中等效电源电动势为:ZaY物理好资源网(原物理ok网)

内部电阻(由于 R2 和 r 并联):ZaY物理好资源网(原物理ok网)

2、电源特性曲线(即电路末梢电压与总电流的关系)ZaY物理好资源网(原物理ok网)

当电源电动势和内阻一定时,该线是一条与图形呈斜线的直线,直线与纵轴()的交点代表电源电动势,直线斜率的绝对值代表电源内阻。可见该直线完全由电源电动势和内阻决定,所以叫电源特性曲线。上图2中,原电源和等效电源的特性曲线如图3、图4所示。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理等效电路ZaY物理好资源网(原物理ok网)

3、电源输出功率与外接电阻变化关系ZaY物理好资源网(原物理ok网)

设电源电动势为E,内阻为r,外接电阻为可变电阻R(如图5所示),讨论电源输出功率与外阻变化的关系。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

通过上面的公式我们可以知道:ZaY物理好资源网(原物理ok网)

①、当R=r时,取最大值,即ZaY物理好资源网(原物理ok网)

② 与R的函数关系可以用图6定性表达ZaY物理好资源网(原物理ok网)

4 等效功率源法的应用ZaY物理好资源网(原物理ok网)

1. 找到可变电阻的最大功率ZaY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理等效电路ZaY物理好资源网(原物理ok网)

例1:如图8所示,电源电动势为E,内阻为r,固定电阻为R0,可变电阻RX可在0--2R0之间变化。求Rx所消耗的最大功率。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

等效功率法:将图中虚线框内的电路看作一个等效电源,其电动势内阻ZaY物理好资源网(原物理ok网)

Rx 消耗的功率ZaY物理好资源网(原物理ok网)

从电源输出功率与外接电阻变化关系可知,当Rx消耗的功率最大时,即ZaY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理等效电路ZaY物理好资源网(原物理ok网)

2. 可变电阻消耗功率变化的定性分析ZaY物理好资源网(原物理ok网)

例2:在图9所示的电路中贝语网校,当可变电阻R3的阻值增大时,ZaY物理好资源网(原物理ok网)

A.电阻R1两端的电压降低ZaY物理好资源网(原物理ok网)

B. 增加功率输出ZaY物理好资源网(原物理ok网)

C.电阻R3消耗的功率减少ZaY物理好资源网(原物理ok网)

D.流过电阻R3的电流保持不变ZaY物理好资源网(原物理ok网)

正确答案是C。正确解答为:R1、R2可以等效为电源电阻,等效图如图10所示。根据电源输出功率与外接电阻的关系,若R3增大,则R3消耗的功率增大;若R3增大,则R3消耗的功率减小,即R3的功率可能增大,也可能减小。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

3.定量计算可变电阻器实际消耗的功率ZaY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理等效电路ZaY物理好资源网(原物理ok网)

例3:如图11A所示,电路中电阻R1、R2均为阻值不随温度变化的固定电阻,阻值均为100Ω。白炽灯泡L的伏安特性曲线如图B中的IU曲线所示,电源电动势为E=100V,内阻可忽略不计。求:ZaY物理好资源网(原物理ok网)

① 当开关S关闭时,灯泡两端的电压、流过灯泡的电流、灯泡的实际电功率ZaY物理好资源网(原物理ok网)

②当开关S闭合时,灯泡两端的电压、流过灯泡的电流、灯泡的实际电功率ZaY物理好资源网(原物理ok网)

分析:由灯泡的伏安特性曲线我们知道,灯泡的电阻是随着电流的变化而变化的,无法直接计算出流过灯泡的实际电流和灯泡两端的电压,可以想到用电源等效法来解决。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

①当S断开时,R1看作电源内阻,等效电路如图12所示:ZaY物理好资源网(原物理ok网)

(一)ZaY物理好资源网(原物理ok网)

公式(1)可表示为电路末端电压与总电流的变化。在图B中画​​出UI曲线①,它与灯泡的伏安特性曲线的交点为M点。M点的坐标分别表示流过灯泡的实际电流与灯泡两端的电压。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

所以:IM=0.6A UM=40V (2)ZaY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理等效电路ZaY物理好资源网(原物理ok网)

P灯=UMIM=24W CUZaY物理好资源网(原物理ok网)

②当S闭合时,R1、R2视为电源内阻,等效图如图13所示。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

则等效电源电动势为ZaY物理好资源网(原物理ok网)

内阻是ZaY物理好资源网(原物理ok网)

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在图B中,画一条直线②,与灯泡的伏安特性曲线相交于N点,N点的坐标表示S闭合时流过灯泡的电流和灯泡两端的电压。从图中可读出:IN=0.45A UN=28V ⑸ZaY物理好资源网(原物理ok网)

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4.讨论ZaY物理好资源网(原物理ok网)

高中物理等效电路ZaY物理好资源网(原物理ok网)

例4:在图14所示的电路中,当开关S闭合,滑动变阻器的滑动触点P向下滑动时,四个理想仪表的读数发生变化。仪表的读数分别用I、U1、U2和U3表示,读数变化的幅度分别用ΔU1、ΔU2和ΔU3表示。下列哪一个比率是正确的?ZaY物理好资源网(原物理ok网)

A. 不变,不变ZaY物理好资源网(原物理ok网)

B. 变得更大高中物理等效电路,变得更大ZaY物理好资源网(原物理ok网)

C. 变得更大,不要改变ZaY物理好资源网(原物理ok网)

D. 变得更大,不要改变ZaY物理好资源网(原物理ok网)

本题综合性较强,要求清楚电阻的定义、电阻的伏安特性曲线、等效电源的应用。电阻R1为定值电阻,其伏安特性曲线为一条倾斜的直线(如图15所示)。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

所以A是正确的。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

很多同学以为同样的道理适用,滑动变阻器R2的滑动阻力增大,就认定B正确,C错误,不知道该如何判断D的答案,最后选AB正确。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

上述误解是由于对电阻的定义及二者之间的关系不明确造成的。电阻的定义是,即加在电阻器R两端的电压与流过电阻器R的电流之比。在电阻器的伏安特性曲线中,曲线的斜率没有任何物理意义,不能表示电阻器在一定的电压或电流下的阻值。对于固定电阻器,恰好有,这就使学生误以为电阻器伏安特性曲线的斜率就代表了电阻值。对于可变电阻器,根据电阻的定义:应有,,,可得保持不变,增大,增大。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

它在什么情况下才有物理意义呢?当U表示电路端电压,I表示流过电路的总电流时,即在电路端电压与总电流的变化关系中,的绝对值表示的是电源的内阻。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

因此讨论变化时,可将R1视为等效电源内阻高中物理等效电路,等效电路图如图16所示。则E=E/,r/=R1+r,电压表V2的读数代表端电压,流过R2的电流为总电流,画出U2-I图形(如图17所示)。直线斜率的绝对值代表等效电源内阻,即(定值)。同理,V3的读数代表端电压,不变,所以应选用ACD。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

根据以上示例,请注意以下两点:ZaY物理好资源网(原物理ok网)

①采用等效电源法时,必须正确计算等效电源的电动势和内阻;ZaY物理好资源网(原物理ok网)

②一般情况下我们只讨论把一个恒定电阻等效为电源内阻,即原电源和等效电源的内阻、电动势都是常数,这方便我们利用电源输出功率与外阻的关系、电源特性曲线等知识点来解答问题。ZaY物理好资源网(原物理ok网)

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