电源必须工作在U=E-Ir这个函数上,外电路必须工作在U=f(I)这个函数上,即伏安特点曲线上,为此电路必须工作在这两个函数图象的交点上,这个交点称之为电路工作点。
【方法点拨】用灯泡的U、I表示电源的外特点曲线。
就是用灯泡的电流U来表示电源的路端电流,灯泡的电压I来表示电源的内电压,这样就统一了座标系,用U、I表示电源的外特点曲线。
路端电流=电源电动势-内内阻
例题:在如图甲所示
的电路中,电源电动势为3.0V,电阻不计,L₁、L₂、L₃为3个相同尺寸的小灯泡,这些小灯泡的伏安特点曲线如图乙所示。
当开关闭合后,下述判定正确的是()
A.灯泡L₁的阻值为12Ω
B.通过灯泡L₁的电压为通过灯泡L₂电压的2倍
C.灯泡L₁消耗的电功率为0.75W
D.灯泡L₂消耗的电功率为0.30W
例题:如图所示,
直线a为某电源的U-I图线,曲线b为某小灯泡A的U-I图线的一部份,用该电源和小灯泡A组成闭合电路时,小灯泡A正好能正常发光,则下述说法正确的是()
A.此电源的电阻约为0.67Ω
B.灯泡A的额定电流为3V,额定功率为6W
C.把灯泡A换成“3V20W”的灯泡B,电源的输出功率将变小
D.把灯泡A和“3V20W”的灯泡B并联后接在电源上,两灯泡仍能正常发光
例题:一个标有“3V0.5A”小灯泡L的伏安特点曲线如图所示,电源电动势为3V,电阻为5Ω.
1.把这个小灯泡介入到电源电动势为3V,电阻为5Ω的电源两端,求灯泡的功率.
交点就是灯泡的工作点。
2.把两个相同的灯泡串连接入同样的电源中,求灯泡的功率
用灯泡的U、I表示电源的路端电流和内电压,路端电流=2U,内电压=I,于是电源外特点曲线多项式为:2U=E-Ir
整理得:U=E/2-I·r/2,画出图象,找到工作点.
【其它方式】:组合法
把两个灯泡看作一个整体,画出组合体新的伏安特点曲线图。
3.把两个相同的灯泡并联接入同样的电源中,求灯泡的功率
电源路端电流=U,电源内电压=2I,电源外特点曲线多项式:U=E-2I·r,画出图象,找到工作点.
4.把灯泡和一定值内阻R=5Ω串连接入电源.
路端电流=U+IR,内电压=I,电源外特点曲线多项式为:
U+IR=E-Ir,整理得
U=E-I(R+r),
代入数据得
U=3-10I.
另一种方式(等效电源法):把定值内阻移入电源,电源电动势依然为E,电源电阻为R+r,电源外特点曲线多项式:U=E-I·(R+r),代入数据得U=3-10I.
5.把灯泡和一定值内阻R=5Ω并联接入电源
路端电流=U,内电压=I+U/R,得到U=E-(I+U/R)r,整理得
代入数据得,
U=1.5-2.5I
把定值内阻移入电源,电源电阻为r′=R·r/R+r
新电源电动势E′=1.5V,新电源电阻r′=2.5Ω.可得,
U=E′-Ir′,代入数据得
U=1.5-2.5I
二、组合器件的工作点问题
1、串联内阻
例题:如图所示
为两个内阻器件R₁、R₂的伏安特点曲线,将二者串联后,接在电动势为3V、内阻为1.25Ω的电源上,则()
A、电路中的电压约为0.3A
B、电路中的电压约为0.4A
C、电源的输出功率约为1W
D、R2消耗的电功率约为1W
方式一:卷尺法
由图可知,通过三个器件的电压相等,且R₁、R₂两端电流之和U₁+U₂,等于电源路端电流U;在座标纸上做出电源的U-I图像,如图所示,将尺子竖直放置,并左右平移,直至尺子边沿与三根图线交点的纵座标满足U=U₁+U₂,;由图可知,电路中的电压约为0.4A,U约为2.5V,故电源输出功率约为1W,而U₂约为1.0V,即R₂消耗的电功率约为0.4W。本题选BC。
方式二:组合法
将R₁、R₂串联后视为一个器件,则该器件的伏安特点曲线如图中实线所示(相同的I,U=U₁+U₂);
其与电源的U-I图像的交点座标约为(0.4A,2.5V),即电源的输出电压约为0.4A,输出电流约为2.5V,
通过R₁、R₂的电压约为0.4A,由R₂的伏安特点曲线可知R₂两端电流约为
1.0V。则电源输出功率约为1W,R₂消耗的电功率约为0.4W。
例题:勾勒一个标有“3V0.5A”小灯泡L的伏安特点曲线。实验室提供的实验器材有:
A.电源E(电动势为4V,电阻约1Ω)
B.电压表A₁(阻值为0.6A,电阻约0.5Ω)
C.电压表A₂(阻值为3A,电阻约0.1Ω)
D.电流表V(阻值为3V,电阻约3kΩ)
E.电流表V₂(阻值为5V,电阻约15kΩ)
F.滑动变阻器R₁(最大电阻10Ω)
G.滑动变阻器R₂(最大电阻100Ω)
H.开关一个、导线若干
(1)为了能多测几组数据并能从零开始检测,某小组设计电路图如图甲所示,
则在该电路中,电压表选择___
电流表选择___,滑动变阻器选择___
(此三空均填相应器材前的代号)。
(2)在根据合理的电路及操作检测后,做出如图乙所示
的小灯泡的伏安特点曲线。现将同样尺寸的小灯泡分别接入如图丙、丁所示
的电路中,已知电源电动势E′=3.0V,电源电阻r′=5Ω,图丁中的定值内阻R=5Ω,则图丙中小灯泡的实际功率为___W;图丁中一个小灯泡的实际功率为___W。(两个空均保留两位有效数字)
例题:热敏内阻包括正气温系数内阻器(PTC)和负气温系数内阻器(NTC).正气温系数内阻器(PTC)在室温下降时内阻值减小,负气温系数内阻器(NTC)在室温下降时内阻值降低,热敏内阻的这些特点,经常应用在控制电路中.某实验小组选用下述器材探究通过热敏内阻R,(常温下电阻约为10.0Ω)的电压随其两端电流变化的特性.
A.电压表A₁,(阻值0~100mA,电阻约1Ω)
B.电压表A₂,(阻值0~0.6A,电阻约0.3)
C.电流表V₁,(阻值0~3.0V,电阻约3kΩ)
D.电流表V₂,(阻值0~15.0V,电阻约10kΩ)
E.滑动变阻器R(最大电阻为10Ω)
F.滑动变阻器R'(最大电阻为500Ω)
G.电源E(电动势15V,电阻可忽视)
H.开关、导线若干
(1)实验中改变滑动变阻器滑片的位置,使加在热敏内阻两端的电流从零开始逐步减小,请在所提供的器材中选择必需的器材,应选择的器材为电压表___;电流表___滑动变阻器___(只需填写器材后面的字母即可).
(2)请在所提供的器材中选择必需的器材,在实线框内画出该小组设计的电路图.
(3)该小组测出热敏内阻R₁的U一I图线如图甲中曲线I所示.请剖析说明该热敏内阻是___(填“PTC”或“NTC”).
(4)该小组又通过查阅资料得出了热敏内阻R₂的U一I图线如图甲中曲线Ⅱ所示.之后又将热敏内阻R₁、R₂分别与某电瓶连成如图乙所示电路,
测得通过R₁和R₂的电压分别为0.30A和0.60A,则该电板组的电动势为___V,电阻为___Ω(结果均保留三位有效数字).
[解析]按照U-I图象可读出l₁=0.3A时对应的电流U₁=8.0V,当I₂=0.6A时对应的电流U₂=6.0V,
图象上这两个点都在电源的伏安特点曲线上,将这两点用直线连上去,即为电源的伏安特点曲线,如图所示,
则由纵截距可得E=10.0V,由斜率可得r=6.67Ω.
例题:如图所示
为两个内阻器件R₁、R₂的伏安特点曲线,将二者串联后,
接在电动势为3V、内阻为1.25Ω的电源上,则()
A、电路中的电压约为0.3A
B、电路中的电压约为0.4A
C、电源的输出功率约为1W
D、R₂消耗的申功率约为1W
【解析】
方式一:卷尺法
由图可知,通过三个器件的电压相等,且R₁、R₂两端电流之和U₁+U₂,等于电源路端电流U;在座标纸上做出电源的U-I图像,如图所示,
将尺子竖直放置,并左右平移,直至尺子边沿与三根图线交点的纵座标满足U=U₁+U₂,由图可知,电路中的电压约为0.4A,U约为2.5V,故电源输出功率约为1W,而U₂约为1.0V,即R₂消耗的电功率约为0.4W。本题选BC。
也可以这样画图,做出电阻r的U-I图.如图所示
将尺子竖直放置,并左右平移,直至尺子边沿与三根图线交点的纵座标满足E=U₁+U₂+Uᵣ,由图可知,电路中的电压约为0.4A,U约为2.5V,故电源输出功率约为1W,而U₂约为1.0V,即R₂消耗的电功率约为0.4W。
方式二:组合法
将R₁、R₂串联后视为一个器件,则该器件的伏安特点曲线如图中实线所示
(相同的I,U=U₁+U₂),其与电源的U-I图像的交点座标约为(0.4A,2.5V),即电源的输出电压约为0.4A,输出电流约为2.5V,通过R₁、R₂的电压约为0.4A,由R₂的伏安特点曲线可知R₂两端电流约为1.0V。则电源输出功率约为1W,R₂消耗的电功率约为0.4W。
例题:如图所示
为两个小灯泡L₁、L₂的伏安特点曲线,将两个这样的小灯泡并联后,接在电动势为3V、内阻为3Ω的电源上电功率规律是什么,则()
A.L₁中的电压约为0.2A
B.L₂的电功率约为0.5W
C.电源的输出功率约为1W
D.电源的效率约为50%
【解析】
方式一:卷尺法
两个灯泡并联后,加在两灯泡两端的电流U相等,且等于电源的输出电流U,通过的电压之和I₁+I₂等于电源的输出电压I;在座标纸上做出电源的U-I图像,将尺子水平放置,并上下平移,直至尺子边沿与三根图线交点的横座标满足I=I₁+I₂,如图所示;
由图可知,电源的输出电流约为1.5V,输出电压约为0.5A,通过的L电压约为0.2A,通过的L₂电压约为0.3A电功率规律是什么,故电源输出功率约为0.75W,效率约为50%,而L₂消耗的电功率约为0.45W。本题选AD。
方式二:试探法
做出r的U-I图,两灯电流相等,两灯电压之和等于内电压,通过不断试探,找到工作点,如图所示.
方式三:组合法
两个小灯泡并联后视为一个器件,则该器件的伏安特点曲线如图中实线所示(相同的U,I=l₁+I₂):其与电源的U-I图像的交点座标约为(0.5A,1.5V),即电源的输出电压约为0.5A,输出电流约为1.5V,即每位小灯泡两端电流约为1.5V,由小灯泡的伏安特点曲线可知通过的L₁电压约为0.2A,通过的L₂电压约为0.3A。
例题:某种小灯泡的伏安特点曲线如图甲
所示,三个完全相种小灯泡联接成如图乙所示
的电路,电源的电源的电动势为3.0V、内阻2.5Ω,为现闭合开关S,则()
A.L₁中的电压约为0.28A
B.L₂的电功率约为0.1W
C.电源的输出功率约为1W
D.电源的效率约为76.7%
[解析]L₂、L₃并联后视为一个器件a,则a器件的伏安特点曲线如图中
同电流,电压是2倍
实线a所示;
再将这个组合器件a与L₁组合为器件b,则器件b的伏安特点曲线如图中
实线b所示;再将电源的U-I图像
画在座标纸上,如图所示其与b图线的交点座标约为(0.28A,2.3V),即电源的输出电压约为0.28A,输出电流约为2.3V,电源的输出功率约为0.644W,效率约为76.7%;通过L₁的电压约为0.28A,由小灯泡的伏安特点曲线可知L₁两端电流约为1.7V;通过组合器件a的电压也约为0.28A,由器件a的伏安特点曲线可知,器件a两端电流约为0.6V,即L₂、L₃两端电流均约为0.6V,由小灯泡的伏安特点曲线可知的通过的L₂、L₃电压约为0.17A,L₂、L₃的电功率约为0.1W。故本题选ABD。
例题:如图甲所示,
不计水表对电路的影响,改变滑动变阻器的滑片位置,测得电流表V₁和V₂随电压表A的示数变化规律分别如图乙中a、b所示,
下述判定正确的是()
A.图线a的延长线与横轴交点的座标值等于电源电动势
B.图线b斜率的绝对值等于电源的电阻
C.图线a、b交点的横、纵座标之积等于此状态下电源的输出功率
D.图线a、b交点的横、纵座标之积等于此状态下内阻R₀消耗的功率
【解析】当变阻器滑片往右滑动时,内阻减少,电压减小,电流表V₂的示数减小,V₁的示数减少,所以图线b是电流表V₂示数的变化情况,图线a是电流表V₁示数的变化情况;当外电路内阻无限大时,电路中电流为0,故此时电流表V₁的示数就是a的延长线与横轴交点的座标值,它等于电源的电动势,A正确;图线b斜率的绝对值等于内阻R。的电阻,B错误;图线a、b交点的横、纵座标之积既等于此状态下电源的输出功率,也等于内阻R,消耗的功率,C、D正确。图线a、b的交点表示R早已漏电,R₀的电流就会和路端电流相等。
例题:如图所示,图甲中M为一电动机,当滑动变阻器R的触头从一端滑到另一端的过程中,两电流表的读数随电压表读数的变化情况如图乙所示。已知电压表读数在0.2A以下时,电动机没有发生转动。不考虑水表对电路的影响,以下判定正确的是()
A.电路中的电源电动势为3.6V
B.变阻器的滑片往右滑动时,V₂读数逐步减少
C.此电路中,电动机的最大输出功率为0.54W
D.变阻器的最大电阻为36Ω