等效方法是基于相同效應來研究物理現象和過程的方法,是把復雜的物理現象和過程轉換成理想的、等效的、簡單的物理現象和過程來研究和處理的方法。
1、等效電源電動勢和內阻的計算方法
按照教科書的說法,一個電源的電動勢應該等于電路開路時該電路末端的電壓,或者可以直接在電源兩端接一個理想電壓表來測量。如圖1、圖2所示,將R1或R2看作電源內部,也就是將虛線框內的電路看作一個等效電源。
從以上結論我們可以知道:
圖1中等效電源電動勢:E/=E
內部電阻(因為 R1 和 r 串聯):r/=R1+r
圖2中等效電源電動勢為:
內部電阻(由于 R2 和 r 并聯):
2、電源特性曲線(即電路末梢電壓與總電流的關系)
當電源電動勢和內阻一定時,該線是一條與圖形呈斜線的直線,直線與縱軸()的交點代表電源電動勢,直線斜率的絕對值代表電源內阻。可見該直線完全由電源電動勢和內阻決定,所以叫電源特性曲線。上圖2中,原電源和等效電源的特性曲線如圖3、圖4所示。
3、電源輸出功率與外接電阻變化關系
設電源電動勢為E,內阻為r,外接電阻為可變電阻R(如圖5所示),討論電源輸出功率與外阻變化的關系。
通過上面的公式我們可以知道:
①、當R=r時,取最大值,即
② 與R的函數關系可以用圖6定性表達
4 等效功率源法的應用
1. 找到可變電阻的最大功率
例1:如圖8所示,電源電動勢為E,內阻為r,固定電阻為R0,可變電阻RX可在0--2R0之間變化。求Rx所消耗的最大功率。
等效功率法:將圖中虛線框內的電路看作一個等效電源,其電動勢內阻
Rx 消耗的功率
從電源輸出功率與外接電阻變化關系可知,當Rx消耗的功率最大時,即
2. 可變電阻消耗功率變化的定性分析
例2:在圖9所示的電路中貝語網校,當可變電阻R3的阻值增大時,
A.電阻R1兩端的電壓降低
B. 增加功率輸出
C.電阻R3消耗的功率減少
D.流過電阻R3的電流保持不變
正確答案是C。正確解答為:R1、R2可以等效為電源電阻,等效圖如圖10所示。根據電源輸出功率與外接電阻的關系,若R3增大,則R3消耗的功率增大;若R3增大,則R3消耗的功率減小,即R3的功率可能增大,也可能減小。
3.定量計算可變電阻器實際消耗的功率
例3:如圖11A所示,電路中電阻R1、R2均為阻值不隨溫度變化的固定電阻,阻值均為100Ω。白熾燈泡L的伏安特性曲線如圖B中的IU曲線所示,電源電動勢為E=100V,內阻可忽略不計。求:
① 當開關S關閉時,燈泡兩端的電壓、流過燈泡的電流、燈泡的實際電功率
②當開關S閉合時,燈泡兩端的電壓、流過燈泡的電流、燈泡的實際電功率
分析:由燈泡的伏安特性曲線我們知道,燈泡的電阻是隨著電流的變化而變化的,無法直接計算出流過燈泡的實際電流和燈泡兩端的電壓,可以想到用電源等效法來解決。
①當S斷開時,R1看作電源內阻,等效電路如圖12所示:
(一)
公式(1)可表示為電路末端電壓與總電流的變化。在圖B中畫??出UI曲線①,它與燈泡的伏安特性曲線的交點為M點。M點的坐標分別表示流過燈泡的實際電流與燈泡兩端的電壓。
所以:IM=0.6A UM=40V (2)
P燈=UMIM=24W CU
②當S閉合時,R1、R2視為電源內阻,等效圖如圖13所示。
則等效電源電動勢為
內阻是
⑷
在圖B中,畫一條直線②,與燈泡的伏安特性曲線相交于N點,N點的坐標表示S閉合時流過燈泡的電流和燈泡兩端的電壓。從圖中可讀出:IN=0.45A UN=28V ⑸
⑹
4.討論
例4:在圖14所示的電路中,當開關S閉合,滑動變阻器的滑動觸點P向下滑動時,四個理想儀表的讀數發生變化。儀表的讀數分別用I、U1、U2和U3表示,讀數變化的幅度分別用ΔU1、ΔU2和ΔU3表示。下列哪一個比率是正確的?
A. 不變,不變
B. 變得更大高中物理等效電路,變得更大
C. 變得更大,不要改變
D. 變得更大,不要改變
本題綜合性較強,要求清楚電阻的定義、電阻的伏安特性曲線、等效電源的應用。電阻R1為定值電阻,其伏安特性曲線為一條傾斜的直線(如圖15所示)。
所以A是正確的。
很多同學以為同樣的道理適用,滑動變阻器R2的滑動阻力增大,就認定B正確,C錯誤,不知道該如何判斷D的答案,最后選AB正確。
上述誤解是由于對電阻的定義及二者之間的關系不明確造成的。電阻的定義是,即加在電阻器R兩端的電壓與流過電阻器R的電流之比。在電阻器的伏安特性曲線中,曲線的斜率沒有任何物理意義,不能表示電阻器在一定的電壓或電流下的阻值。對于固定電阻器,恰好有,這就使學生誤以為電阻器伏安特性曲線的斜率就代表了電阻值。對于可變電阻器,根據電阻的定義:應有,,,可得保持不變,增大,增大。
它在什么情況下才有物理意義呢?當U表示電路端電壓,I表示流過電路的總電流時,即在電路端電壓與總電流的變化關系中,的絕對值表示的是電源的內阻。
因此討論變化時,可將R1視為等效電源內阻高中物理等效電路,等效電路圖如圖16所示。則E=E/,r/=R1+r,電壓表V2的讀數代表端電壓,流過R2的電流為總電流,畫出U2-I圖形(如圖17所示)。直線斜率的絕對值代表等效電源內阻,即(定值)。同理,V3的讀數代表端電壓,不變,所以應選用ACD。
根據以上示例,請注意以下兩點:
①采用等效電源法時,必須正確計算等效電源的電動勢和內阻;
②一般情況下我們只討論把一個恒定電阻等效為電源內阻,即原電源和等效電源的內阻、電動勢都是常數,這方便我們利用電源輸出功率與外阻的關系、電源特性曲線等知識點來解答問題。