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高中物理之等效電壓源定理(戴維寧定理)及其應(yīng)用

更新時間:2024-01-08 文章作者: 信息來源: 閱讀次數(shù):


一、等效電壓源定理(戴維寧定理)lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1、內(nèi)容:一個包含電源的二端電路網(wǎng)絡(luò)(端點為 A、B),可看成一個等效的電壓源,等效電壓源的電動勢等于“二端電路網(wǎng)絡(luò)”兩端的開路電壓( ),內(nèi)阻等于“二端電路網(wǎng)絡(luò)”中去掉電動勢后兩端間的等效電阻( r’=RAB?)。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2、證明:lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)基本情形 1:如圖甲所示電路,將虛線框內(nèi)部分視為等效電源,則等效電路圖如圖乙所示。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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對甲圖,設(shè)電路中電流為 I,由閉合電路歐姆定律,有:;對乙圖,有:;兩式比較,易得:;圖丙是該等效電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu),易知:,得證。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)基本情形 2:如圖丁所示電路,將虛線框內(nèi)部分視為等效電源,則等效電路圖如圖戊所示。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
對丁圖,設(shè)通過 R 的電流為 I,R 兩端電壓為 U,則通過電源的電流為,由閉合電路歐姆定律,有:,變形得: lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對戊圖,有:,兩式比較,得:lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

如己圖所示, 為該等效電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu),易 知 :,得證。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(3)一般情形:如下圖所示為一般電路,則按順序依次將處于內(nèi) 部的虛線框部分視為更外圍部分的等效電源,則易知,等效電壓源定理 適用于一般電路。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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二、等效電壓源定理(戴維寧定理)的應(yīng)用lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1、電源電動勢和內(nèi)阻測量的系統(tǒng)誤差分析lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

該實驗的理論依據(jù)是E=U+Ir,其中 U 為電源的端電壓,I 為通過電源的電流;如下圖,為該實驗的兩種測量電路。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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左圖中電流表測量的是通過電源的電流,但由于電流表的分壓作用,電壓表卻測量的不是電源的端電壓,右圖中電壓表測量的是電源的端電壓,但由于電壓表的分流作用,電流表測量的也不是通過電源的電流。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

但是,兩圖中,電壓表測量的都是虛線框兩端的電壓,電流表測量的都是通過虛線框的電流,因此, 依據(jù)E=U+Ir,算出來的實際上是虛線框內(nèi)等效電源的電動勢和內(nèi)阻,即左圖:,右圖:lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

安箱法、伏箱法的誤差分析,由于是把 R 當(dāng)做外電阻,與此同理,也是測量的虛線框內(nèi)等效電源的電 動勢和內(nèi)阻。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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2、動態(tài)電路相關(guān)問題的分析lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

如圖所示電路中,電源內(nèi)阻不能忽略不計,電流表、電壓表均視為 理想表,滑動變阻器總阻值足夠大;當(dāng)滑動變阻器滑片從左端向右滑動時,下 列說法中正確的是:(? )lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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A、電流表 A 示數(shù)減小lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

B、電壓表 V1、V2示數(shù)減小lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

C、電壓表 V3示數(shù)變化的絕對值與電流表示數(shù)變化的絕對值之比為 RlIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

D、滑動變阻器 R 消耗的電功率先減小后增大lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

【解析】A、考慮電流表 A 讀數(shù)時,可將 R1、 R3、E 視為一個等效電源(E1、r1) ,如圖虛線框所示,R 增大時,由閉合電路歐姆定律有,電流表 A 示數(shù)減小。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

B、電壓表 V1的示數(shù)為電源 E 的路端電壓,R 增大時,電源 E 的外阻增大,由閉合電路歐姆定律有,可知電壓 V1表示數(shù)增大;考慮電壓表 V2示數(shù)時,可將 R2視為等效電源(E1、r1)的外電阻的一部分, 則由閉合電路歐姆定律有 ,可知 R 增大時,U2減小。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

CD、將除R外的其余部分視為等效電源(E2、r2),則有,可知,而不是 R ,R 實際上是變化的;R 消耗的功率即為等效電源(E2、r2)的輸出功率,由函數(shù)規(guī)律可知,R 從 0 逐漸增大到 r2時,P 逐漸增大;當(dāng)R=r2時,P 最大,為;R 再增大,P 又減小。按此思路,結(jié)合串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流知識,易得出動態(tài)電路分析一個重要的結(jié)論——“串反并同”。lIs物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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